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下一代wlan标准关键技术概述资料

通信工程专业

创新实践结题报告

学生姓名

学号

班级通信工程12-2班

指导教师

2016年3月12日

下一代WLAN标准关键技术概述

摘要

近几年来，随着智能终端的普及以及无线高清视频传输等高吞吐量数据业务的快速增长，人们对于网络的速率和质量的要求越来越高，传统的无线通信技术已经不能满足人们日常生活工作需求。

为了应对这些挑战，IEEE（InstituteofElectricalandElectronicEngineers，电气与电子工程师协会）无线工作组在现已使用的IEEE802.11n的基础上又发布了三个无线局域网的标准协议：

IEEE802.11ac、IEEE802.11ad和IEEE802.11ae。

本文首先简单介绍了无线局域网目前的发展状况和面临的挑战，接着在介绍下一代无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）标准之前先介绍目前广泛使用的IEEE802.11n标准的一些关键技术。

然后具体介绍IEEE802.11ac和IEEE802.11ad标准面向的通信环境、期望达到的通信质量以及在物理层和媒体接入控制层（MediaAccessControl，MAC）所使用的一些关键技术，如动态信道绑定技术、下行多用户MIMO（DownLinkMulti-UserMIMO，DLMU-MIMO）、低密度奇偶校验编码、自适应波束赋形等等。

关键词：

WLAN；IEEE802.11n；IEEE802.11ac；IEEE802.11ad；关键技术

1引言

无线局域网（WLAN）是指利用无线通信技术进行数据传输的局域网技术。

无线局域网结合计算机网络与无线通信技术，可以覆盖有线网络不能到达的地方，是有线网络的延伸和扩展。

作为一种实现宽带无线接入的典型形式，WLAN具有架构组网灵活、移动便捷、维护费用低和扩展性好等优点。

在众多地区，如机场、企业、宾馆、学校等需要提供高速宽带无线接入，并且移动速度又不高的场合有着其独特优势。

无线局域网还具有高吞吐量、低成本等特点，能够与互联网业务很好地联系在一起，为用户提供编辑的上网服务，从而真正实现了“信息随身化，便利走天下”的理想境界。

此外，芯片和设备价格便宜，使用无需交纳频率占用费的工作频段，用户使用成本低等特点也加速了WLAN产业的成熟。

据Wi-Fi联盟统计，2009年全球WLAN用户已达6亿，设备保有量超过10亿部[1]。

2013年，中国智能手机出货量3.18亿台，平板电脑出货量2278万台。

WLAN被广泛嵌入至各类计算机、手机和消费电子产品中，形成了互联网接入、办公自动化、家庭网络、游戏、数据上/下载等丰富多彩的应用，为人们的工作和生活提供了非常大的方便。

电信运营商对WLAN也高度重视，将其作为固网和蜂窝网的重要补充和延伸，大规模部署WLAN热点，为公众提供服务，进一步推动了WLAN的发展。

随着智能终端的普及，数据业务量呈现爆炸式增长的趋势。

为了满足日益增长的市场需求，提高用户的上网体验，新的WLAN技术与标准也在不断地发展和完善，数据传输能力不断提高，现有的802.11n标准已经可以支持高达600Mbit/s的传输速率。

但近几年无线高清视频传输等高吞吐量数据业务的快速增长，又对WLAN的传输能力提出了更高的要求。

为此，IEEE已经制定下一代WLAN技术标准802.11ac、802.11ad和802.11ae，数据吞吐量将达到几个Gbit/s，以更好地适应高速无线数据业务发展的需要。

为了达到预期的效果，802.11ac和802.11ad在信道带宽、调制编码方式、天线结构、信道接入机制等方面提出了一些新的技术。

2.802.11n标准的关键技术

2.1802.11n标准简介

802.11n是在802.11a和802.11g标准的基础上发展起来的一项标准，工作在2.4GHz和5GHz频带上，与802.11a、11b、11g标准兼容。

各个协议工作的频带如图1所示[2]。

与之前的802.11a/g标准相比，802.11n的物理层的数据率有明显的提高。

802.11在物理层使用了MIMO技术进行空分复用，并且提出了信道绑定技术，将两个20MHz的信道绑定为一个40MHZ的信道，作为传输的信道。

除此之外，在媒体访问控制协议采用帧聚合、BlockACK（BlockAcknowledgement，块确认）、功率节省、多用户轮询等技术，进一步优化帧结构、调制机制和通信流程。

这些技术的运用使得802.11n的理论最高速率可达到600Mbps。

802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列系统，动态地调制波束方向，保证用户可以接收到稳定的信号，并减少其它噪音信号的干扰，覆盖范围可以扩大到几平方公里。

图1：

WLAN主要标准的工作频带及演进路线

2.2802.11n标准关键技术

2.2.1MIMO-OFDM机制

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分多路复用技术）是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统以及下一代蜂窝移动系统的关键技术之一，在数字电视广播（DVB）和无线局域网（WLAN）中已经得到了广泛应用[3]。

OFDM的主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。

正交信号在接收方采用相关技术分开，可以在一定条件下减少子信道间干扰（ICI）。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道可看作平稳衰落信道，从而可以消除符号间干扰。

由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一部分，易于进行信道补偿。

MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多输入多输出）技术的概念比较简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收方都采用多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。

无线MIMO通信系统采用空时信号处理技术，通过空间复用、空时编码和波束赋型等分集方案，可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输速率。

OFDM能将频率选择性衰落信道转化为若干个平坦衰落子信道，在平坦衰落信道中引入MIMO技术，能够大幅度的提高无线通信系统的传输速率，并能有效地对抗衰落，因此802.11n将MIMO与OFDM相结合构成的MIMO-OFDM系统在未来的无线通信中具有非常广阔的发展前景。

2.2.2信道绑定技术

信道绑定技术旨在提高传输速率和吞吐量。

在802.11a/g中，每个信道的带宽为20MHz，802.11n将两个连续的20MHz的信道捆绑成一个40MHz的信道用来传输信息。

在绑定的信道中，有一个信道是作为主信道存在的，另一个信道称为辅信道。

主信道是用来发送广播帧，标记无线服务存在的信道，而辅信道则是可以和主信道绑定的信道。

通过信道绑定，使得信息传输的带宽增加一倍，吞吐量和传输数据也明显增大。

由于2.4GHz频带上不重叠的信道只有3个（1、6、11），相互之间还隔着其他信道，所以2.4GHz频段上一般不使用信道绑定技术。

5GHz频带的信道都是相邻的，彼此之间没有重叠，所以信道绑定技术多用于5GHz频段。

2.2.3帧聚合机制

传统的DCF（DistributedCoordinationFunction，分布式协调功能）机制存在系统吞吐量的瓶颈，传输数据包时某些时间开销是必须的，比如DCF帧间间隔（DCFinterframespace，DIFS）、短帧间间隔（Shortinterframespace，SIFS）、ACK（Acknowledgement，确认字符）等，所以不能通过减少绝对时间来减小开销，只能考虑减少它们出现的机会，因此提出了帧聚合的概念。

帧聚合的基本思想就是将多个上层数据包聚集在一起进行发送，目的就是为了解决低效的MAC层调度机制。

IEEE802.11n中的帧聚合机制主要有A-MSDU（MACServiceDateUnit，MAC数据服务单元）帧聚合、A-MPDU（PhysicalServiceDataUnit，物理层服务数据单元）聚合、两级帧聚合[3]。

●A-MSDU帧聚合：

A-MSDU聚合的目的是将具有相同接收地址的多MSDU聚集成一个MPDU进行发送，这样可以提高MAC层的传输效率，特别是对于有很多像TCP确认这样的短MSDU的情况。

在802.11n中，接收机必须支持聚合的MSDU帧格式，发射机可以根据传输特性和链路环境的信息自由选择是否使用聚合MSDU。

一个A-MSDU聚合帧包括N个MSDU子帧、MAC帧帧头和FCS（FrameCheckSequence，帧校验字段）。

●A-MPDU帧聚合：

A-MPDU允许将多个MPDU封装在一个PSDU中，并为之加上物理帧头。

参与聚合的MPDU包长必须小于4Kbytes，A-MPDU的最大包长为65536字节，每个MPDU的目的地址必须相同。

接收方接收到A-MPDU聚合帧时，分别对每个MPDU进行解码，并返回一个BlockACK。

该BlockACK指示每个MPDU正确或者错误，发送方根据收到的指示进行重传。

A-MPDU机制显著地减少了ACK帧出现的机会，从而提高了系统吞吐量。

●两级帧聚合：

802.11n中的两级帧聚合机制包括两个阶段。

第一阶段，如果上层队列中MSDU的总比特数大于A-MSDU绝后门限（4Kbytes），则进行A-MSDU过程；第二阶段，如果队列中剩余MSDU的个数小于A-MPDU聚合门限，则进行A-MPDU过程。

在一些含有大量短MSDU的应用场景，A-MPDU机制将影响吞吐量性能。

两级帧格式正是为了解决该局限而提出的，这相当于在A-MPDU的基础上引入了A-MSDU。

2.2.4BlockACK机制

当发送方的MAC层接收到数据包并准备启动A-MPDU聚合操作时，发送方首先发送BlockAckRcq帧通知接收方准备接收A-MPDU聚合帧，接收方根据BlockAckReq帧作出相关处理以准备接收A-MPDU聚合帧，并返回一个确认ACK，发送方接收到ACK后即可进行A-MPDU聚合操作。

发送方发送A-MPDU聚合帧后，等待BlockACK。

接收方接收到A-MPDU聚合帧时，分别对每个MPDU进行解码，根据解码情况返回一个BlockACK。

该BlockACK指示每个MPDU正确或者错误，发送方依据收到的BlockACK进行重传。

3.IEEE802.11ac标准的关键技术

3.1IEEE802.11ac标准简介

为了满足无线数据业务更高吞吐量的市场需要，IEEE于2008年上半年启动了作为第五代Wi-Fi的IEEE802.11ac技术标准项目的研究。

IEEE802.11ac被称为“甚高吞吐量（VeryHighThroughput，VHT）”，其理论数据吞吐量最高可达到6.933Gbps。

经过五年的修改完善，IEEE802.11ac标准于2013年12月正式发布[4]，其核心技术主要基于802.11a和802.11n标准，继续工作在5.0GHz频段上以保证向下兼容。

802.11ac数据传输通道会大大扩充，在当前20MHz的基础上增至40MHz或者80MHz，甚至有可能达到160MHz。

再加上大约10%的实际频率调制效率提升，新标准的理论传输速度最高有望达到1Gbps，是802.11n300Mbps的三倍多。

为了支持更高等级的数据速率，IEEE802.11ac物理层引入了更多关键技术，如更大的信道带宽、更高阶的调制编码方式以及更多空间流。

安全性方面，完全遵循IEEE802.11i安全标准的所有内容，使得无线局域网能够在安全性方面满足企业级用户的需要。

IEEE802.11ac在物理层方面的改进主要包括以下几点:

1）通过信道绑定增加信道带宽，最高可达160MHz；2）引入更高阶编码调制方式，将IEEE802.11n中最高64QAM调制（QuadratureAmplitudeModulation，正交振幅调制）提升至256QAM；3）增强MIMO技术，增加天线数量，最高支持8X8MIMO天线结构。

IEEE802.11ac标准中对性能参数的要求如表1-1所示[4]。

表1:

IEEE802.11ac性能参数

性能参数

必选项

可选性

20MHz，40MHz，80MHz信道

单空间流

BPSK，QPSK，16QAM，64QAM

256QAM

80+80MHz，160MHz信道

2至8空间流

多用户MIMO（MU-MIMO）

400ns短保护间隔

空时块码（STBC）

低密度奇偶校验（LDPC）

3.2IEEE802.11ac的关键技术

3.2.1动态信道绑定

动态信道绑定（DynamicChannelBanding，DCB）是指将两个或多个20MHz的信道捆绑在一起，竞争节点可以在每次传输时依据当时的频谱占用情况动态地选择自己的传输信道。

这种技术通常称为动态信道绑定[5]。

802.11a/b/g时代信道只有20MHz，为了获得更高的传输速率，802.11n引入了信道绑定技术。

但是802.11n只支持两个20MHz信道的捆绑，而802.11ac可以将4个信道的捆绑在一起且最多可以支持8个信道的捆绑，即整个信道最高能够达到160MHz，且绑定的160MHz的信道可以是两个连续的80MHz信道，也可以是两个不连续的80MHz信道。

如此一来，IEEE802.11ac可以支持20MHz、40MHz、80MHz、80+80MHz及160MHz等不同的带宽模式。

动态信道接入同样也会将一个信道设置为主信道，其他信道均为辅信道。

接入点在获得传输机会之前，在点协调帧间隔（PCFinterframespace，PIFS）时间内，检测辅信道的占用情况，如果辅信道空闲，则在获得信道接入权限之后使用辅信道和主信道共同传输；如果辅信道处于占用阶段，则在获得信道接入权限之后只能用主信道进行数据传输[6]。

802.11ac能够支持多个20MHZ的信道相互捆绑与它工作在5GHz频段上是分不开的（如图1所示）。

国际通信联盟无线电通信局定义的ISM波段共有两个，一个是2.4GHz频段，一个是5GHz频段。

2.4GHz频段共包括13个（仅日本可使用14号信道）子信道，但是只有1、6及11号信道之间没有重叠，可以同时使用。

所以如果协议工作在2.4GHz频段，最多只可以绑定3个信道。

5GHz频段也有13个带宽为20MHz的子信道，且相互之间没有重叠，可在统一覆盖区域内使用，显然，802.11ac工作在5GHz支持其可以同时绑定更多的信道。

如果将频谱资源比喻成马路的话，802.11a/b/g时代就好像是单车道，承载能力有限，而到了802.11n时代发展为双车道，大大提高了流量，而802.11ac可以达到8车道，承载能力必然会进一步地提高。

3.2.2256QAM调制

在IEEE802.11系列标准发展过程中，64QAM调制曾被认为是所有无线通信标准中最高阶的调制模式。

为了满足不断增长的数据吞吐量要求，IEEE802.11ac引入了256QAM调制模式。

在256QAM中，每个符号可承载8bit数据，而64QAM每个符号只承载6bit数据，由此可知，调制机制越复杂、调制节次越高，则每个符合所承载的比特数越多，从而可以达到更高的比特速率。

在具备实现256QAM的条件下，与64QAM相比，可以将数据速率提高33%。

这就好比以前的运输工具是小轿车，而802.11ac中的运输工具为大货车，每次运输的能力自然大大提高了。

调制节次的提高可以有效提升数据速率，但与此同时，为确保数据误码率控制在一定的范围内，对发射机精度提出了更高的要求。

为统一要求标准，IEEE802.11标准规定了相对星座误差参数及其门限值。

调制阶次及码率越高，对发射机精度要求越高，即允许的相对星座误差越小。

高阶次的调制编码方式，其接收机灵敏度要求也更高。

当接收机离发射机较远或信道条件较差时，应选用低阶次的调制编码方式，以确保数据包成功发射概率。

3.2.3下行多用户MIMO（MU-MIMO）

为提高数据传输速率，多输入多输出（MIMO）技术被引入到无线通信标准中。

对于发射天线数N接收天线数为M的MIMO系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N，M较大，则信道吞吐量如式

（1）所示[7]。

（1）

其中，

取

和

中较小的数，

为接收端平均信噪比。

由式

（1）可以得知，增加信道带宽和接收端平均信噪比可以增加信道的吞吐量，除此之外，如果想获得更大的信道吞吐量还可以通过增加接收方和发送方的发射天线数来实现，信道吞吐量与发送方和接收方的最小天线数成正比。

IEEE802.11n最多可支持

的MIMO配置，即发送方和接收方的天线数都为4根。

IEEE802.11ac使用更多的空间流来提高信道的吞吐量，且最高可支持

MIMO天线结构，与802.11n相比，信道吞吐量提高一倍，而且还增加了传输的可靠性。

如果还用马路上的车流量作比喻，MIMO技术则相当于在原有的马路条数下增加了马路的数量，同样可以实现增加车流量的效果。

除此之外，IEEE802.11ac还引进了下行多用户MIMO（DLMU-MIMO）技术。

802.11n技术支持的MIMO只能是单用户MIMO，即无论是3条数据流还是2条数据流，接入点和所有站点之间都只能用3条数据流或2条数据流通信。

而如果支持了DLMU-MIMO技术，那么意味着一个3条数据流的接入点可以同时和3个站点分别以1条流的方式通信，而且不会彼此干扰。

假设一个接入点有三个包，分别需要传送给站点1、站点2和站点3，在802.11n中，接入点每次只能和一个站点通信，所以接入点只能按先后顺序把这些包发给对应的目标站点，但在使用了DLMU-MIMO技术的系统中，接入点可以和三个站点同时通信，即可以将三个数据包同时传送给站点1、站点2和站点3。

由于802.11ac最多支持

MIMO天线结构，所以在下行多用户MIMO模式下，系统最高支持接入点同时和四个站点通信，每个站点两根天线。

4IEEE802.11ad标准的关键技术

4.1IEEE802.11ad标准简介

为了应对快速增长的高带宽无线数据业务，IEEE802.11工作组于2007年成立了VHT研究组，后来，该研究组被分成802.11ac和802.11ad两个任务组，分别制定工作频率小于6GHz和工作在60GHz频段附近的下一代WLAN标准。

所以，802.11ac和802.11ad可以称得上是“一母同胞”的两个“兄弟”。

IEEE802.11ad标准与2013年发表，主要面向家庭多媒体设备之间的文件传输，为家庭音视频信号间的传输提供技术支持，同时也为迎接物联网时代的到来做铺垫。

根据IEEE标准委员会制定的802.11ad技术标准文档可知，802.11ad具有以下技术特点[2]：

●支持高达2.16GHz的信道带宽，物理层传输速率接近7Gbit/s。

●同时采用单载波和OFDM技术。

其中，单载波技术适用于低速率、低功耗的数据传输及发送控制信令；采用OFDM技术可获得更高的吞吐量。

●采用高增益、低复杂度和低处理时延的低密度奇偶校验码（LowDensityParityCheck，LDPC）。

●采用旋转调制、差分调制、扩展QPSK（ QuadraturePhaseShiftKeying，正交相移键控）等改进的调制技术。

●采用波束赋形技术对抗60GHz频段的高路径损耗，支持传输距离超过10m的可靠通信。

●针对无线视频、快速文件传输等应用场景和60GHz无线通信技术特点，引入新的组网方式—个人基本服务集（PersonalBasicServiceSet，PBSS）。

●采用增强的安全协议和功率管理技术。

●支持在2.4GHz、5GHz和60GHz频带之间的快速会话转移。

●支持与其他60GHz系统（如IEEE802.15.3c及802.19）的共存。

●支持高性能I/O如：

HDMI（HighDefinitionMultimediaInterface，高清晰度多媒体接口）、显示接口、USB等接口无线互联。

4.2IEEE802.11ad标准关键技术

4.2.1四种物理层模型

为了应对不同的应用场景，802.11ad提供了四种物理层模式：

控制（ControlPHY）模式、单载波（SCPHY）模式、OFDM模式和低功率单载波（LowPowerSCPHY）模式。

控制模式是针对低信噪比操作而设计的。

该模式主要用于发射信标及在高速率模式传输前建立波束成形链接等。

单载波模式主要应用于较低速度的场合，适用于低功率、复杂度低的收发信机。

支持12种调制与编码策略，在调制方式上有BPSK（BinaryPhaseShiftKeying，二进制相移键控）、QPSK、16QAM三类调制。

信道编解码采用LDPC码，码长672字节，最大数据率可达4.6Gbit/s。

OFDM模式用于高速传输场合，同样支持12类型的编码策略和四种码率的LDPC编码等。

低功率单载波模式是性能最佳的单载波模式，支持3种编码策略，在编码方式上采用RS（Reed-Solomon，里德-所罗门）码和块码（Block-Code）。

由于同样要考虑低功率，调制方式选取了简单的BPSK和QPSK调制。

4.2.2LDPC编码

LDPC码属于线性分组码，能够用一般分组码的编码方式进行编码，其编码过程如式

（2）所示[8]：

（2）

其中，

为LDPC码的码字，

为信息比特，

为生成矩阵。

对于系统码，

矩阵可表示为

（信息位在前面）或

（信息位在后面）的形式。

当

为

时，编码过程可表示为：

（3）

G矩阵可由H矩阵（校验矩阵）计算得到，所以只要得到了H矩阵就可以知道G矩阵，并得到LDPC码。

具体实现中，信息位即为系统的输入信息，由式（3）可知，LDPC编码主要过程是计算校验位

，

的计算过程如式（4）所示：

（4）

IEEE802.11ad协议对LDPC码的H矩阵进行了规定，LDPC有四种码率，分别是1/2、3/4、13/16、5/8，四种情况下的码长都是672bit。

LDPC码的H矩阵可以看成是由

个子矩阵构成的，这些子矩阵的大小都为

，且他们不是单位矩阵的循环右移就是所有元素都为0的矩阵。

令

表示单位矩阵每一行都循环右移

个元素后得到的矩阵。

例如，当Z=4时，

取值范围为0、1、2、3，对应的

分别为：

IEEE802.11协议规定Z=42。

码率为1/2的LDPC码H矩阵是

；码率为5/8的LDPC码H矩阵是

；码率为3/4的LDPC码H矩阵是

；码率为13/16的LDPC码H矩阵是

。

例如，其中码率为13/16的LDPC码的H矩阵如表2所示。

表2：

码率为13/16的LDPC码的H矩阵

其中，表中空的地方表示

的全0矩阵，数字代表将

的单位矩阵

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