下一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ac物理層研究

周 淳

（江蘇省煙草公司泰州市公司，江蘇 泰州 225300）

下一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ac物理層研究

周 淳

（江蘇省煙草公司泰州市公司，江蘇 泰州 225300）

無線本地接入網(wǎng)絡(luò)支撐了移動(dòng)業(yè)務(wù)的飛速增長，IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)為WLAN的發(fā)展提供巨大的支持，文章簡要闡述正在開發(fā)的新WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ac的物理層，如何使用更多帶寬，更高階調(diào)制和更多MIMO流來實(shí)現(xiàn)超過1 Gbps限制的高可靠數(shù)據(jù)速率，同時(shí)比較了802.11ac，802.11n和11a標(biāo)準(zhǔn)。

無線本地接入網(wǎng)；MIMO空間流；802.11ac

1 WLAN概述

WLAN如今已經(jīng)變得非常受歡迎。在過去10年，它取代了許多有限局域網(wǎng)（Limited Lan，LAN）應(yīng)用，特別是家庭使用。它也使得有可能提供公共區(qū)域的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，如機(jī)場和咖啡店。IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)為WLAN的發(fā)展提供巨大的支持。

IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)WLAN開始于20世紀(jì)90年代末?，F(xiàn)在，幾乎每一個(gè)筆記本電腦或智能手機(jī)有一個(gè)內(nèi)置的WLAN卡。但是，直到最近幾年，這些WLAN主要用于互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、電子郵件和其他輕負(fù)載應(yīng)用。今天，用戶的需求更多是希望能夠流暢傳輸高清視頻、音樂或傳輸大量數(shù)據(jù)，參與多玩家游戲或制作視頻會(huì)議。這些需求需要技術(shù)上的突破。IEEE已經(jīng)開始創(chuàng)建兩個(gè)新的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.11ac和11ad，運(yùn)行于5 GHz頻帶和60 GHz頻帶。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是理論上可以超過1 Gbps的帶寬。11ac是新的標(biāo)準(zhǔn)建立在以前成功的11n標(biāo)準(zhǔn)，它也被稱為非常高吞吐量（Very High Throughput，VHT）。11ac將能夠提供高性能與有線網(wǎng)絡(luò)相比，通過擴(kuò)展11n在許多方面，包括具有以下特點(diǎn)：

（1）信道可達(dá)160 MHz帶寬；（2）最多8個(gè)空間流；（3）可達(dá)256-QAM調(diào)制；（4）WLAN不僅限于互聯(lián)網(wǎng)使用；（5）高吞吐量將WLAN的使用擴(kuò)展到新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如：無線顯示器（游戲機(jī)，投影機(jī)）。

2 IEEE 802.11ac 產(chǎn)生的背景

11ac標(biāo)準(zhǔn)將能夠?qū)崿F(xiàn)最高6.93 Gbps的吞吐量；使用160 MHz信道帶寬，8個(gè)空間流，256正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和短保護(hù)間隔。11ac能夠兼容現(xiàn)有11a和11n，其在相同的5 GHz頻帶上操作。

11ac的新規(guī)范承諾帶來更高的吞吐量、擴(kuò)展范圍和更多的頻譜效率。然而這些功能增加了價(jià)格。11ac在設(shè)計(jì)中克服了新硬件可以接受成本的挑戰(zhàn)和困難。

IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)創(chuàng)建了兩個(gè)新的任務(wù)組（TG）11ac和11ad，目的是增強(qiáng)WLAN到達(dá)有線網(wǎng)絡(luò)性能。11ac標(biāo)準(zhǔn)在5 GHz頻段工作，不支持2.4 GHz頻段）。它理論上數(shù)據(jù)速率至少為1 Gbps。新規(guī)范建立在11n標(biāo)準(zhǔn)之上將信道帶寬擴(kuò)展到80 MHz和可選的160 MHz信道，除了使用具有多達(dá)8個(gè)空間流的MIMO，還使用了更高階的調(diào)制方案（256-QAM）和其他可選的增強(qiáng)特性波束。

2.1 MIMO

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）是指在多個(gè)天線的使用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，以提高無線通信性能。MIMO技術(shù)利用了多路徑傳輸?shù)男畔?。通過反彈墻壁，天花板和其他物體，到達(dá)接收天線多次通過不同的角度和略微不同時(shí)間，如圖1所示。換句話說，MIMO技術(shù)優(yōu)勢是通過多徑傳播以增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

圖1 3×3 MIMO系統(tǒng)示意

一個(gè)3×3 MIMO系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)吞吐量和鏈路范圍的顯著增加，而無需額外帶寬或額外發(fā)射功率。MIMO用于WLAN11n和11ac標(biāo)準(zhǔn)。它也用于其他移動(dòng)無線電話標(biāo)準(zhǔn)，例如最近的第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）速率分組接入加（HSPA +）和LTE標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 空間復(fù)用

在空間復(fù)用中，高速率信號(hào)被分成多個(gè)較低速率流，每個(gè)流可以使用相同的頻道從不同的發(fā)射天線發(fā)射。當(dāng)這些信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)天線具有足夠不同的空間特征，接收機(jī)會(huì)將這些數(shù)據(jù)流分離成并行通道。空間復(fù)用是一種非常強(qiáng)大的技術(shù)，用于在更高的信道收容信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）。發(fā)射天線的或接收天線的數(shù)量限制空間流的數(shù)量。11ac允許最多8個(gè)空間流。獨(dú)立的數(shù)據(jù)流可以被多路復(fù)用到這些空間流?？臻g流的使用取決于MIMO信道，其可以被建模為用于每個(gè)子載波的矩陣。

2.3 空分編碼

空分編碼是在無線通信中使用的技術(shù)，通過多個(gè)天線發(fā)送數(shù)據(jù)流的多個(gè)副本使用各種接收的數(shù)據(jù)版本來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)射的信號(hào)通常經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境具有散射、反射、折射等各種形變，然后它還可能被干擾或熱量進(jìn)一步損壞噪聲。這意味著一些接收到的副本是損壞的。

3 IEEE 802.11ac

11ac標(biāo)準(zhǔn)重用了以前的傳統(tǒng)11n和11a標(biāo)準(zhǔn)。它在20 MHz和40 MHz帶寬中使用相同的子載波結(jié)構(gòu)，并且這些的擴(kuò)展用于較高的信道帶寬。傳統(tǒng)前導(dǎo)碼在每個(gè)20 MHz的帶寬上傳輸，使得所有802.11設(shè)備可以與分組同步。相位旋轉(zhuǎn)法降低了PAPR問題的影響；上面20 MHz子帶中的星座相對(duì)于下面子帶中的星座旋轉(zhuǎn)，如表1所示。

表1 帶寬旋轉(zhuǎn)參數(shù)

3.1 帶寬旋轉(zhuǎn)參數(shù)

802.11的物理層接口通過物理層通用接口的擴(kuò)展接口到媒體訪問控制。接口包括發(fā)送機(jī)和接收機(jī)。這些包括物理層生成，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀的所有必要參數(shù)，它們中的一些以前導(dǎo)碼的形式以緊湊形式發(fā)送到接收機(jī)。發(fā)送機(jī)為物理層提供傳輸參數(shù)，接收機(jī)允許物理層將接收到的參數(shù)通知給媒體訪問控制。

3.2 物理層幀架構(gòu)

前導(dǎo)碼由遺留短訓(xùn)練字段（L-STF），遺留長訓(xùn)練字段（L-LTF）和遺留信號(hào)（L-SIG）字段組成。這些字段與11a和11n（傳統(tǒng)和混合格式）前綴中的字段相同。它們?cè)试S所有802.11設(shè)備與數(shù)據(jù)幀同步，并避免其他站的干擾。然后遵循VHT前導(dǎo)碼，VHT信號(hào)A（VHT-SIG-A）字段，VHT短訓(xùn)練字段（VHT-STF），VHT長訓(xùn)練字段（VHT-LTF），VHT信號(hào)-B（VHT-SIG-B） 字段和最后的DATA符號(hào)。簡要說明前導(dǎo)字段如圖2所示。

3.3 發(fā)送幀架構(gòu)

發(fā)射機(jī)由不同的操作塊組成。通過使PSDU通過發(fā)射機(jī)的所有塊來生成DATA字段。發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)的框圖如圖3所示。VHT幀的前導(dǎo)字段使用發(fā)射器塊的子集。

接收機(jī)被設(shè)計(jì)為從接收的空中信號(hào)中檢索傳輸?shù)腜SDU。它由幾個(gè)連接的塊組成，接收機(jī)的第一部分主要是檢測突發(fā)，同步，估計(jì)信道和均衡符號(hào)，而接收機(jī)的剩余部分反轉(zhuǎn)發(fā)射機(jī)的過程。實(shí)現(xiàn)的接收機(jī)如圖4所示。

圖2 物理幀格式

圖3 帶BCC編碼器的DATA字段的變送器

圖4 接收器塊

4 仿真環(huán)境

為此論文創(chuàng)建的模擬在MATLAB中完成。它基于現(xiàn)有的11n標(biāo)準(zhǔn)模擬，用于具有20 MHz信道帶寬的簡單輸入輸出（Simple Input Simple Output，SISO）系統(tǒng)。為了幫助理解和調(diào)試代碼，最小化了MATLAB的專用函數(shù)和工具箱的使用；使用基本功能來創(chuàng)建仿真塊。最終的仿真程序與官方IEEE 802.11ac波形發(fā)生器驗(yàn)證，并顯示積極的結(jié)果。數(shù)據(jù)位以矩陣表示。在所有過程和狀態(tài)期間，行用于表示符號(hào)，列用于子載波，最后第三維用于表示不同的流（見圖5）。在160 MHz帶寬的情況下，使用第四維來表示兩個(gè)段。

圖5 MATLAB矩陣中的數(shù)據(jù)位

該模擬支持具有廣泛設(shè)置的11a，11n和11ac標(biāo)準(zhǔn)。顯示模擬的主循環(huán)的框如圖6所示。以下小節(jié)更詳細(xì)地解釋每個(gè)塊。

圖6 模擬框圖

5 結(jié)語

這項(xiàng)工作研究了正在開發(fā)的新WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ac的物理層。新標(biāo)準(zhǔn)承諾超過1 Gbps限制的高可靠數(shù)據(jù)速率。這將主要通過使用更多帶寬，更高階調(diào)制和更多MIMO流來實(shí)現(xiàn)。這些新技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)，包括更高的硬件要求，向后兼容性和保持低成本。11ac與11n和11a標(biāo)準(zhǔn)兼容。它們都在低于6 GHz頻帶下操作，并使用OFDM方法。11ac和11n標(biāo)準(zhǔn)都受益于MIMO和STBC技術(shù)。11ac物理幀由許多前導(dǎo)字段和數(shù)據(jù)符號(hào)組成。每個(gè)字段由發(fā)射機(jī)構(gòu)建以用于特定目的。一些字段攜帶關(guān)于所發(fā)送的幀的信息，而其他字段用于信道選擇。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用不同的技術(shù)和操作編碼以增加穩(wěn)定性;這些操作在接收機(jī)側(cè)反轉(zhuǎn)以提取數(shù)據(jù)。MATLAB是一個(gè)強(qiáng)大的工具，它通過使用矩陣操作簡化了科學(xué)編程。MATLAB用于為11ac 物理層創(chuàng)建一個(gè)模擬環(huán)境。除了可選特征的大部分之外，還包括所有標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制特征。該模擬用于研究11ac標(biāo)準(zhǔn)的性能。BER計(jì)算是針對(duì)頻率非選擇性AWGN MIMO信道測量的。不同MCS的BER性能表明，較高階的調(diào)制需要較低的噪聲電平（較高的SNR）。雖然當(dāng)每比特進(jìn)行比較時(shí)，這些相同的調(diào)制保持低的EVM。更高階的MIMO系統(tǒng)表現(xiàn)出比其他系統(tǒng)更好的BER性能，盡管這種系統(tǒng)的使用在實(shí)際應(yīng)用中可能需要更高的SNR值。STBC可以在使用時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的性能。與不使用此功能的類似系統(tǒng)相比，它可以在BER性能上實(shí)現(xiàn)3 dB的增強(qiáng)。

本論文中的11ac模擬都在虛擬MATLAB環(huán)境中完成?？梢赃M(jìn)行硬件空中接口仿真。這可以通過專用的任意波形發(fā)生器、天線和專用頻譜分析儀來實(shí)現(xiàn)。準(zhǔn)備好物理設(shè)置后，可以通過MATLAB腳本自動(dòng)進(jìn)行模擬。在11ac性能的研究中，僅考慮對(duì)稱MIMO系統(tǒng)，2×2，3×3和4×4?？梢詼y試和比較其他組合。例如，研究接收機(jī)中或發(fā)射機(jī)中天線數(shù)量的影響。本論文中的模擬涵蓋11ac標(biāo)準(zhǔn)中的廣泛的可選特征。但是可以添加更多的特征以包括多達(dá)8個(gè)空間流和波束成形。波束成形特性，幫助接入點(diǎn)引導(dǎo)發(fā)射機(jī)智能天線波束實(shí)現(xiàn)更好的覆蓋和更寬的范圍。這是通過與站通信，并以智能方法獲取關(guān)于所需方向的信息來完成的。這些功能可以添加到模擬中，并使用不同的優(yōu)化設(shè)置進(jìn)行測試。

[1]楊昉，何麗峰，潘長勇，等.OFDM原理與標(biāo)準(zhǔn)-通信技術(shù)的演進(jìn)[M].成都：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]段水福，歷曉華，段煉.無線局域網(wǎng)（WLAN）設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2007.

[3]馬建峰，吳振強(qiáng).無線局域網(wǎng)安全體系結(jié)構(gòu)[M].南京：高等教育出版社，2008.

[4]常潘，徐剛.Cisco無線局域網(wǎng)配置基礎(chǔ)[M].2版.成都：電子工業(yè)出版社，2014.

Research on physical layer of next generation WLAN standard IEEE 802.11ac

Zhou Chun
（Jiangsu Provincial Tobacco Company, Taizhou 225300, China）

Wireless local access network has supported the rapid growth of mobile business, IEEE 802.11 series of standards provide great support for the development of WLAN, this paper brie fl y expounds the physical layer new WLAN standard IEEE 802.11ac, which is in the development process, and expounds how to use more bandwidth, higher order modulation and more MIMO fl ow to achieve more than 1 Gbps of high reliable data rate, at the same time, 802.11ac, 802.11n and 11a standard are compared.

wireless local access network; MIMO space fl ow; 802.11ac

周淳（1974— ），男，江蘇泰州，碩士；研究方向：信息化系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)維。