下一代高速无线局域网标准的应用与技术

无线网络以其免布线、移动性、组网灵活性以及综合组网成本低等优势必将成为网络未来发展的主流。虽然，作为无线网络技术的主流无线局域网经过了多年的发展，其主流标准从IEEE 802.11、IEEE 802.11b、IEEE 802.11a到IEEE 802.11g，还有其他一系列的配套的无线局域网管理与安全标准，如IEEE 802.11i和IEEE 802.11v等，使无线局域网的应用不断发展。但现有的无线局域网技术标准和产品并不是完美无缺的，都存在着或多或少的问题，影响了无线网络的进一步发展和应用。因此，无论从产业发展的角度，还是为了满足不断提高的网络应用的需求，都需要再开发一个速度更快、吞吐量更大、更容易管理和性能更加优异的无线局域网标准，这就是IEEE 802.11n。IEEE 802.11n被称为下一代无线局域网标准，现已经成为无线网络设备默认支持的协议之一。

1.IEEE 802.11n概述

1997年IEEE制定的无线局域网标准IEEE 802.11是无线局域网发展的里程碑，随后推出的IEEE 802.11b和IEEE 802.11a把无线局域网的应用逐步推向成熟。最新推出的IEEE 802.11g标准，采用OFDM技术，达到了IEEE 802.11a一样数据传输速率（54Mbit/s），工作频段在2.4 GHz，与IEEE802.11b标准一致，IEEE 802.11g不仅提高了网络的性能，同时也提高了网络的适用性，降低了无线局域网升级成本。

但是，IEEE 802.11g并不完美，尽管802.11g在技术上有多种创新，但仍不能很好地解决移动和漫游的问题，只有期待一个全新的标准。2003年9月IEEE成立的802.11n工作小组召开了第一次会议，确定了802.11n的发展方向。

IEEE 802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbit/s增加至108Mbit/s以上，最高速率可达320Mbit/s。IEEE 802.11n为双频工作模式，工作频段为2.4GHz和5GHz，从系统架构的底层保证了与802.11b、802.11a和802.11g标准的兼容。

IEEE 802.11n将一些移动通信的3.5G和4G的关键技术应用到无线局域网中，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线技术、软件无线电技术等，不但提高了网络传输速率，增加了网络吞吐量，同时也提升了WLAN的应用性能和管理水平。

IEEE 802.11n计划把MIMO技术与OFDM技术相结合，使传输速率成倍提高；采用新的天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，在100Mbit/s传输速率下可以达到几km。在兼容性方面，802.11n采用了软件无线电技术，很好地实现了802.11n与现有标准的前后兼容，使得无线局域网与无线广域网络的结合成为可能，未来的无线局域网将能够很平滑地与3G或4G通信网络融合，构建更大范围的无线高速数据通信网络。有人预言，IEEE 802.11n的成功，将是解决Internet用户“最后一公里”的接入问题的最佳选择。可见，IEEE 802.11n可以让无线局域网信号覆盖到写字楼、酒店和家庭的任何一个角落，使其应用范围更加广阔，让笔记本电脑和PDA可以在更大的范围内移动。

不过，802.11n技术的发展与许多网络技术的发展一样，产品在先，标准在后。IEEE 802.11n正式标准于2007年出台，但在此之前就已经出现了IEEE 802.11n标准的产品。但这些产品是否能够与IEEE 802.11n标准的要求完全一致，特别是能否与现有无线局域网很好的兼容，还需要在实践中检验。

2.IEEE 802.11n中的关键技术

（1）OFDM技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术是多载波调制技术的一种。其核心是将信道分成多个正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了信道间的干扰。

另外，由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM技术通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率，很好地解决了无线数据业务的非对称性传输问题。

尽管同单载波系统相比，OFDM还存在一些缺点，如易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比，但通过与时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线技术的结合，可以最大程度地提高系统物理层的可靠性。通过与自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术的结合，可以使其性能进一步优化。IEEE 802.11g标准的核心技术就是OFDM。

（2）MIMO技术

多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。

在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在，使得无线信道的高速数据传输比有线信道困难。多径效应会引起衰落，因而被视为无线通信的有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的，传输的信息流经过空时编码形成N个信息子流，这N个信息子流由N个天线发射，经传输空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码技术解码信息子流，进而实现最佳的处理。

在MIMO系统中，N个信息子流被同时发送到各自的信道，每路信号独立地占用同一频带，多路信号并未增加更多带宽。由于发射天线与接收天线间的通道响应独立，MIMO系统可以创造多个并行独立的空间信道。MIMO将多径无线信道与发射和接收视为一个整体进行优化，从而可实现更高的通信容量和频谱利用率，这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理的通信技术。

（3）MIMO OFDM技术(www.xing528.com)

MIMO OFDM技术是把OFDM与MIMO相结合的一种新的无线通信技术。该新的技术通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了传输信号的质量。MIMO OFDM技术利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。MIMO OFDM技术主要包括的关键设计有：发送分集、空间复用、接收分集、干扰消除、软译码、信道估计、同步、自适应调制和编码等，在此不再赘述。

（4）MAC层优化技术

从网络逻辑结构上来看，IEEE 802.11只定义了物理层及介质访问控制（MAC）子层。MAC子层提供对共享无线介质的竞争使用和无竞争使用，具有无线介质访问、网络连接、数据验证和保密等功能。IEEE 802.11n为了提升整个网络的吞吐量，对MAC层协议也进行了优化，改变了数据帧结构，增加了净负载所占的比重，减少了管理检错所占的字节数，大大提升了网络的吞吐量。

（5）智能天线技术

智能天线是一个由多组独立天线组成的天线阵列系统，该阵列的输出与收发信机的多个输入相结合，可提供一个综合的时空信号。与单个天线不同的是，天线阵列系统能够动态地调整波束的方向，以使每个用户都获得最大的主瓣，并减小了旁瓣干扰。这样不仅改善了信号干扰和噪声比，还提高了系统的容量，扩大了小区的最大覆盖范围，减小了移动设备的发射功率。

智能天线技术保障了能够以不低于108 Mbit/s的传输速率进行通信，同时可以作为蜂窝移动通信的宽带接入部分与无线广域网更紧密地结合。一方面，IEEE 802.11n可以为用户提供高速数据通信服务（比如视频点播VOD、在线观看HDTV）；另一方面，通过无线广域网为用户提供了更好的移动性。

（6）软件无线电技术

无线局域网是一种多种标准并存的技术形态，不同标准采用不同的工作频段、使用不同的调制方式，由此造成系统之间难以互通，移动性也不好。软件无线电是一种最有希望解决这些问题的通信管理技术。

软件无线电是一个完全可编程的硬件平台，所有的应用都通过在该平台上软件编程实现。换言之，不同系统的基站和移动终端都可以由建立在相同硬件平台上的软件实现，并保证各类通信设备之间无缝集成，大大降低了建设成本。

基于软件无线电的移动通信具有以下特点。

1）在同一硬件平台上兼容不同的系统。

2）具有自动漫游能力，能在不同系统之间进行智能切换。

3）可以下载公用软件并进行自身的升级。

4）支持语音、数据、图像和传真等多种业务，并能根据业务流量，信道质量等情况，自动选择合适的传输信道。

5）自动选择通信模式，采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。

软件无线电在802.11n中的应用，将根本改变其网络结构，实现无线局域网与无线广域网融合并能容纳各种标准、协议，提供更为开放的接口，最终大大增加网络的灵活性。

作为一个新标准，与以前的IEEE 802.11协议相比，IEEE 802.11n无线局域网有两方面的优势：一是有较高的传输速率，数据传输速率达100 Mbit/s以上，使无线局域网平滑地与有线网络结合，全面提升了网络吞吐量；二是今后无线局域网使用双频方式，工作在2.4 GHz和5.8 GHz两个频段，基于MIMO+OFDM调制技术，不仅提高了数据传输速率，而且传输距离更远，并更容易与无线广域网融合。