下一代移动通信关键技术在高速无线局域网中应用

"当今无线技术的发展就如同20年前个人电脑技术的发展那样突飞猛进,令人难以跟上它的节奏｡"Intel副总裁兼首席技术官帕特•基辛格如此描述无线网络的崛起｡

1997年802.11标准的制定是无线局域网发展的里程碑｡其定义了单一的MAC层和多样的物理层,先后推出了IEEE802.11b､IEEE802.11a和IEEE802.11g物理层标准｡11b标准采用CCK(补码键控)扩频调制编码,数据传输速率达11Mbps｡但是如果再增加传输速率,CCK为了对抗多径干扰,需要更复杂的均衡及调制,实现非常困难｡因此,802.11工作组,为了推动无线局域网的发展,又引入OFDM技术｡最近正式批准的11g标准与11a一样,采用OFDM技术,数据传输速率可达54Mbps｡

技术不断更新,新的技术标准不断推出,极大地推动了无线局域网的发展｡下一代移动通信的关键技术,如OFDM技术､MIMO技术､智能天线(Smart Antenna)､LDPC(奇偶校验码)､自适应技术和软件无线电SDR(Soft Defined Radio)等,开始应用到无线局域网中,提升了WLAN的性能｡

1 下一代移动通信关键技术在无线局域网中的应用

1.1 OFDM技术

OFDM技术其实是多载波调制MCM(Multi-Carrier Modulation)的一种｡其主要思想是:将信道分成许多正交子信道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,这样减少了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,大大消除了符号间的干扰｡

在各个子信道中的正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法实现｡随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展,IFFT和FFT都是非常容易实现的｡快速傅里叶变换(FFT)的引入,大大降低了OFDM的复杂性,提升了系统的性能｡MIMO OFDM发送､接收机系统结构如图1､2所示｡



另外,与单载波系统相比,OFDM还存在一些缺点,易受频率偏差的影响,存在较高的峰值平均功率比(PAR)｡

1.2 多入多出?MIMO

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｡它可以定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道,也就是说天线单元之间存在充分的间隔,因此消除了天线间信号的相关性,提高信号的链路性能,增加了数据吞吐量｡

现代信息论表明:对于发射天线数为N､接收天线数为M的多入多出(MIMO)系统,假定信道为独立的瑞利衰落信道,并设N､M很大,则信道容量C近似为公式(1): C=[min(M,N)Blog2(ρ/2)? ? (1)
(其中B为信号带宽,ρ为接收端平均信噪比,min(M,N)为M､N中的较小者)｡
式(1)表明,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｡因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势｡

研究表明,在瑞利衰落信道环境下,OFDM系统非常适合使用MIMO技术提高容量｡采用多输入多输出(MIMO)系统是提高频谱效率的有效方法｡多径衰落是影响通信质量的主要因素,但MIMO系统却能有效地利用多径的影响来提高系统容量｡系统容量是干扰受限的,不能通过增加发射功率来提高系统容量｡而采用MIMO结构不需要增加发射功率就能获得很高的系统容量｡

图1､图2分别为采用MIMO技术的OFDM系统发送､接收方案框图｡从图中可以看出,MIMO OFDM系统有Nt个发送天线,Nr个接收天线｡在发送端和接收端各设置多重天线,可以提高空间分集效应,克服电波衰落的不良影响｡这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道,不会全部同时受到衰落｡输入的比特流经串并变换分为多个分支,每个分支都进行OFDM处理,即经过编码､Π(交织)､正交幅度调制(QAM)映射､插入导频信号､IFFT变换､加循环前缀等过程,再经天线发送到无线信道中;接收端进行与发射端相反的信号处理过程｡例如:去除循环前缀､FFT变换､解码等,同时通过信道估计､定时､同步､MIMO检测等技术完全恢复原来的比特流｡ 目前正在开发的设备由两组IEEE802.11a收发器､发送天线和接收天线各2个(2×2)及负责运算处理过程的MIMO系统组成,能够实现最大108Mbps的传输速度｡支持AP和客户端之间的传输速度为108Mbps,客户端不支持该技术时(IEEE802.11a客户端的情况),通信速度为54Mbps｡

1.3 LDPC编码技术

纠错编码技术作为改善数字信道通信可靠性的一种有效手段,在数字通信的各个领域中获得极为广泛的应用,其主要有卷积码､分组码､Turbo码和LDPC｡在编码器复杂度相同的情况下,卷积码的性能优于分组码｡目前IEEE802.11标准大都采用卷积码信道前向纠错编码和Viterbi译码｡

虽然,Turbo码可获得比传统级连码更大的编码增益,且具有合理的译码复杂性,被认为是大编码存储卷积码或传统级连码的替代方案｡但是,WLAN数据包较短,且采用较为简单的传输机制,无法采用复杂度较高且适用于长数据包传输的Turbo码｡
LDPC(低密度奇偶校验码)是一类可以用非常稀疏的Parity-check(奇偶校验矩阵)或Bi-Partite graph(二分图)定义的线性分组纠错码｡

LDPC码的特点是:性能优于Turbo码,具有较大的灵活性和较低的差错平底特性?error floors ;描述简单,对严格的理论分析具有可验证性;译码复杂度低于turbo码,且可实现完全的并行操作,硬件复杂度低,因而适合硬件实现;吞吐量大,极具高
速译码潜力｡因此,结合LDPC无线局域网必将取得更好的性能｡

1.4自适应技术

无线通信采用了OFDM等宽带调制技术,将单一物理信道分割为正交的若干个子信道,以实现高速的数据传输｡多输入多输出(MIMO)技术可以定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道｡MIMO与OFDM技术相结合,可以将无线通信的信号处理从时频分集扩展为时空频分集,进一步分割信道为空时频正交的子信道｡这样,就需要根据各个子信道的实际传输情况灵活地分配发送功率和信息比特｡而且由于无线信道的频率选择性和时变性,也需要实时地对信道进行检测,以便更加有效地利用无线资源｡

对于所有子载波都使用相同固定调制编码的通信系统来说,其误码率主要由经历衰落最严重的子载波决定｡因此在频率选择性衰落信道中,随着平均信噪比的增加,系统的误码率下降十分缓慢｡但可以对不同的子信道选用最佳的物理传输模式,即采用不同调制编码方案,每个调制和编码方案要适应每个子信道的信噪比｡

自适应传输的基本思想是改变发射功率的水平､每个子信道的符号传输速率､QAM星座大小､编码等参数或这些参数的组合以维持恒定的的误码率(BER)｡这样在不牺牲误码率的情况下,通过传输质量好的子信道采用高速传输､而在质量不好的子信道以降低传输速率等方式来提供较高的频谱适用效率｡自适应技术大大减少了对均衡和交织的依赖,提升了WLAN系统的性能｡图3为自适应方案的系统结构图｡