無線通信作為新興的通信技術在日常生活中的作用越來越大。近年來,無線局域網技術發展速,但無線局域網的性能與傳統以太網相比還有一定距離，因此如何提高和優化網絡性能顯得十分重要。Internet業務的高速增長，實時業務和多媒體應用不斷的增加，對網絡的帶寬、服務質量（QoS）可擴展性提出了更高的要求。但是，利用無線信道進行通信容易受到干擾，衰落等因素的影響，這對多媒體應用來說十分不利的。

　　目前，IEEE802.11已成為無線局域網的主流標準。1997年802.11標準的制定是無線局域網發展的里程碑，它是由大量的局域網以及計算機專家審定通過的標準。其定義了單一的MAC層和多樣的物理層，先后又推出了802.11b,a和g物理層標準。最近，剛剛正式批準的802.11g" title="802.11g">802.11g標準采用OFDM" title="OFDM">OFDM技術，和802.11a一樣數據傳輸速率可達54Mbps。另外，它工作在2.4G" title="4G">4GHz頻段上，與802.11b標準兼容，提高了網絡的適用性，降低了無線局域網升級成本。技術不斷更新，新的技術標準不斷的推出，極大的推動了無線局域網的發展。

　　IEEE802.11n" title="802.11n">802.11n概述

　　IEEE已經成立802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網標準802.11n。802.11n工作小組是由高吞吐量研究小組發展而來的，由802.11g工作小組主席Matthew B. Shoemaker擔任主席一職。該工作小組計劃在2003年9月召開首次會議。

　　802.11n計劃將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可達320Mbps，成為802.11b、802.11a、802.11g之后的另一場重頭戲。和以往地802.11標準不同，802.11n協議為雙頻工作模式（包含2.4GHz和5GHz兩個工作頻段）。這樣11n保障了與以往的802.11a b, g標準兼容。

　　一些4G及3.5G的關鍵技術，如OFDM技術、MIMO技術、智能天線，和軟件無線電等,開始應用到無線局域網中，提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM調制技術，提高了傳輸速率，增加了網絡吞吐量。802.11n計劃采用MIMO與OFDM相結合，使傳輸速率成倍提高。另外，天線技術及傳輸技術，使得無線局域網的傳輸距離大大增加，可以達到幾公里（并且能夠保障100Mbps的傳輸速率）。IEEE802.11n標準全面改進了802.11標準，不僅涉及物理層標準，同時也采用新的高性能無線傳輸技術提升MAC層的性能，優化數據幀結構，提高網絡的吞吐量性能。

　　3. IEEE802.11n的關鍵技術

　　3.1 802.11n的物理層關鍵技術

　　首先，對于物理層，IEEE802.11n引入了新的高性能的無線通信技術，在物理層采用MIMO和OFDM的無線LAN技術。為了提升數據傳輸速率，802.11工作組首先引入了DSSS(直序列擴頻調制技術)，推出了802.11b標準。11b標準使用DSSS調制技術，采用CCK調制編碼，數據傳輸速率可達11Mbps。但是傳輸速率超過11Mbps，CCK為了對抗多徑干擾，需要更復雜的均衡及調制，實現起來非常困難。因此，802.11工作組，為了推動無線局域網的發展，又引入新的調制技術。

　　工作組又公布了802.11a標準和剛剛正式通過的802.11g標準。11a工作在5GHz,采用OFDM調制技術。11g工作頻率為2.4GHz，也采用了OFDM技術。單一802.11g網絡的速率和802.11a相同，達到54Mbps。

　　3.1.1 OFDM技術

　　OFDM技術其實是MCM(Multi-Carrier Modulation, 多載波調制)的一種。其主要思想是：將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。

　　由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。在各個子信道中的這種正交調制和解調可以采用IFFT和FFT方法來實現，隨著大規模集成電路技術與DSP技術的發展，IFFT和FFT都是非常容易實現的。快速傅里葉變換（FFT）的引入，大大降低了OFDM的實現復雜性，提升了系統的性能。

　　無線數據業務一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸的數據量要遠遠大于上行鏈路中的數據傳輸量。因此無論從用戶高速數據傳輸業務的需求，還是從無線通信自身來考慮，都希望物理層支持非對稱高速數據傳輸，而OFDM容易通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

　　由于無線信道存在頻率選擇性，所有的子信道不會同時處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動態比特分配以及動態子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，從而提升系統性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波，因此OFDM系統在某種程度上抵抗這種干擾。

　　另外，同單載波系統相比，OFDM還存在一些缺點，易受頻率偏差的影響，存在較高的峰值平均功率比（PAR）。

　　OFDM技術有非常廣闊的發展前景，已成為第4帶移動通信的核心技術。IEEE802.11a g標準為了支持高速數據傳輸都采用了OFDM調制技術。目前，OFDM結合時空編碼、分集、干擾（包括符號間干擾ISI和鄰道干擾ICI）抑制以及智能天線技術，最大程度的提高物理層的可靠性。如再結合自適應調制、自適應編碼以及動態子載波分配、動態比特分配算法等技術，可以使其性能進一步優化。

　　3.1.2多入多出(MIMO)

　　多入多出(MIMO)技術是無線通信領域智能天線技術的重大突破。MIMO技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。普遍認為，MIMO將是新一代無線通信系統必須采用的關鍵技術。

　　在室內，電磁環境較為復雜，多經效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使的實現無線信道的高速數據傳輸比有線信道的困難。多徑效應會引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIM0系統來說，多徑效應可以作為一個有利因素加以利用。通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流S(k)經過空時編碼形成N個信息子流Ci(k)，i=1，……，N。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。

　　特別是，這N個子流同時發送到信道，各發射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發射接收天線間的通道響應獨立，則MIMO系統可以創造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數據率必然可以提高。

　　MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而可實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。

　　系統容量是表征通信系統的最重要標志之一，表示了通信系統最大傳輸率。對于發射天線數為N，接收天線數為M的多入多出（MIMO）系統，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設N、M很大，則信道容量C近似為公式[1]

　　C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2) (1)

　　其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，MIMO的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。因此，MIMO技術對于提高無線通信系統的容量具有極大的潛力。

　　3.1.3MIMO OFDM

　　MIMO OFDM技術是通過在OFDM傳輸系統中采用陣列天線實現空間分集，提高了信號質量，是聯合OFDM和MIMO而得到的一種新技術。它利用了時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

　　發送分集：MIMO OFDM調制方式相結合，對下行通路選用“時延分集”，它裝備簡單、性能優良，又沒有反饋要求。它是讓第二副天線發出的信號比第一副天線發出的延遲一時間。發送端引用這樣的時延，可使接收地通路響應得到頻率選擇性。如采用適當的編碼和穿插，接收端可以獲得“空間——頻率”分集增益，而不需預知通路情況。

　　空間復用：為提高數據傳輸速率，可以采用空間復用技術。也可能從兩副基臺天線發送兩個各自編碼的數據流。這樣，可以把一個傳輸速率相對較高數據流多組成分割為一組相對速率較低的數據流，分別在不同的天線對不同的數據流獨立的編碼、調制和發送，同時使用相同的頻率和時隙。每副天線可以通過不同獨立的信道濾波獨立發送信號。接收機利用空間均衡器分離信號，然后解調、譯碼和解復用，恢復出原始信號。

　　接收分集和干擾消除：如果基臺和用戶終端一側三副接收天線，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC（maximal ratio combining），將多個接收機的信號合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干擾的好處。但是，如有兩個數據流互相干擾，或者從頻率再利用的鄰近地區傳來干擾，MRC就不能起遏止作用。這時，利用“最小的均方誤差”MMSE（minimum mean square error），它使每一有用信號與其估計值的均方誤差最小，從而使“信號與干擾及噪聲比SINR（signal to interference plus noise ratio）最大。

　　軟譯碼：上述MRC和MMSE算法生成軟判決信號，供軟解碼器使用。軟解碼和SINR加權組合相結合使用，可能對頻率選擇性信道提供3-4dB性能增益。

　　信道估計的目的在于識別每組發送天線與接收天線之間的信道沖擊響應。從每副天線發出的訓練子載波都是相互正交的，從而能夠唯一的識別每副發送天線到接收天線的信道。訓練子載波在頻率上的間隔要小于干帶寬，因此可以利用內插獲得訓練子載波之間的信道估計值。根據信道的時延擴展，能夠實現信道內插的最優化。下行鏈路中，在逐幀基礎上向所有用戶廣播發送專用信道標識時隙。在上行鏈路中，由于移動臺發出的業務可以構成時隙，而且信道在時隙與時隙之間會發生變化，因此需要在每個時隙內包括訓練和數據子載波。

　　同步：在上行和下行鏈路傳播之前，都存在同步時隙，用于實施相位、頻率對齊，并且實施頻率偏差估計。時隙可以按照以下方式構成：在偶數序號子載波上發送數據與訓練符號，而在奇數序號子載波設置為零。這樣經過IFFT變換之后，得到的時域信號就會被重復，更加有利于信號的檢測。

　　自適應調制和編碼：為每個用戶配置鏈路參數，可以最大限度地提高系統容量。根據兩個用戶在特定位置和時間內地用戶的SINR統計特征，以及用戶Qos的要求，存在多種編碼與調制方案，用于在用戶數據流的基礎上實現最優化。QAM級別可以介于4到64，編碼可以包括鑿孔卷積編碼與Reed-solomon編碼。因此存在6中調制和編碼級別，即編碼模式。在2MHz的信道帶寬內，編碼模式1－6分別對于1.1-6.8的數據傳輸速率。下行鏈路中，在使用空間復用的情況下，上述速率可以被加倍。鏈路適配層算法能夠在SINR統計特性的基礎上，選擇使用最佳的編碼模式。

　　目前正在開發的設備由2組IEEE802.11a收發器、發送天線和接收天線各2個（2×2）和負責運算處理過程的MIMO系統組成，能夠實現最大108Mbit/秒的傳輸速度。支持AP和客戶端之間的傳輸速度為108Mbit/秒，客戶端不支持該技術時（IEEE802.11a客戶端的情況），通信速度為54Mbit/秒。下一代無線局域網協議802.11n傳輸速率高達320Mbps，凈傳輸速率為108Mbps。

　　3.2 MAC層優化技術

　　從網絡邏輯結構上來看，802.11只定義了物理層及介質訪問控制(MAC)子層(如圖1)。MAC層提供對共享無線介質的競爭使用和無競爭使用，具有無線介質訪問、網絡連接、數據驗證、和保密等功能。物理層為數據鏈路層提供物理連接，實現比特流的透明傳輸，所傳數據單位為比特（bit）。物理層定義了通信設備與接口硬件的機械、電氣功能和過程的特性，用以建立、維持和釋放物理連接。

　　802.11的幀結構分為前導信號（Preamble）、信頭(header)和負載(payload)

　　Preamble：主要用于確定移動臺和接入點之間何時發送和接收數據，傳輸進行時告知其他移動臺以免沖突，同時傳送同步信號及幀間隔。前導信號完成，接收方才開始接收數據。

　　Header：在Preamble之后,用來傳輸一些重要的數據比如負載長度，傳輸速率，服務等信息。

　　Payload：由于數據率及要傳送字節的數量不同，負載的包長變化很大，可以十分短也可以十分長。

　　在一幀信號的傳輸過程中，Preamble 和Header所占的傳輸時間越多，Payload用的傳輸時間就越少，傳輸的效率越低。802.11n為了提升整個網絡的吞吐量，對MAC層協議也進行了優化，改變數據幀結構，增加了凈負載所占的比重，減少管理檢錯所占的字節數，大大提升了網絡的吞吐量。IEEE802.11n研究小組是由高吞吐量研究小組發展來的。該小組希望通過增加傳輸的凈負載，減少管理及檢錯的字節，來提高整體傳輸效率。這樣增加了符號傳輸速率，使的網絡的吞吐量達到了802.11g的兩倍達108Mbps。

　　3.3智能天線技術與802.11n

　　智能天線是一個由多組獨立天線組成的天線陣列系統，該陣列的輸出與收發信機的多個輸入相結合，可提供一個綜合的時空信號。與單個天線不同的是，天線陣列系統能夠動態地調整波束的方向，以使每個用戶都獲得最大的主瓣，并減小了旁瓣干擾。這樣不僅改善了SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio, 信號干擾比)，還提高了系統的容量，擴大了小區的最大覆蓋范圍，減小了移動臺的發射功率。

　　與有線信道相比，無線介質可靠性低，帶寬小，且具有廣播特性。但是，無線介質具有無束縛的特點，因此，廣泛的應用于移動通信中。無線信道為共享信道，頻率資源非常有限。無線通信的工作頻率有1GHz（蜂窩移動電話）,2GHz（PCS和WLAN）,5GHz(WLAN),28—60GHz(本地多點分布業務LDMS和點到點的微波通信)以及用于光通信的IR頻率等。WLAN工作于免許可證頻段：2.4GHz及5GHz。隨著工作頻率及數據率越高，硬件實現成本也越高，同時無線的傳播范圍也會降低。因此，無線局域網IEEE802.11標準的傳送距離較短，傳輸距離只有幾百米。而且，傳輸速率會隨著距離的增加而降低。當移動端遠離AP節點時或通信質量差時，無線網絡會采用降低通信速率的方式保持連接。比如，802.11b標準的網絡采用自動速率轉換技術，速率可以降到6Mbps及2Mbps。11a和11g標準也支持6、9、12、18、24、36、48和54Mbps的傳輸速率。在實際的組網中，和無線廣域網相比，WLAN小區的覆蓋范圍都較小（一般只有十幾米到幾十米，熱點地區為了增加容量，小區半徑更小）。
　　作為下一代的無限局域網標準，IEEE802.11n采用智能天線技術，其傳播范圍更廣，且能夠以不低于108Mbps的傳輸速率保持通信。它可以作為蜂窩移動通信的寬帶接入部分，與無線廣域網更緊密的結合。一方面，802.11n可以為用戶提供高數據率的通信服務（比如視頻點播VOD,在線觀看HDTV）。另一方面，無線廣域網為用戶提供了更好的移動性

　　3.4 軟件無線電與802.11n

　　目前無線局域網的多種標準并存，不同標準采用不同的工作頻段、不同的調制方式，造成系統間難以互通。WLAN的移動性差，而軟件無線電是一種最有希望解決這些問題的技術。

　　軟件無線電是指研制出一個完全可編程的硬件平臺，所有的應用都通過在該平臺上的軟件編程實現。換言之，不同系統的基站和移動終端都可以由建立在相同硬件基礎上的不同軟件實現。該技術將能保證各種移動臺、各種移動通信設備之間的無縫集成，并大大降低了建設成本。

　　可以預見，基于軟件無線電的移動通信將會具有以下特點：

　　（1）在同一硬件平臺上兼容不同的系統；

　　（2） 具有自動漫游能力，能在不同系統之間進行智能切換；

　　（3） 可以下載公用軟件并進行自身的升級；

　　（4） 支持語音、數據、圖像和傳真等多種業務，并能根據業務流量，信道質量等情況，自動選擇合適的傳輸信道；

　　（5） 自動選擇通信模式，采用合適的通信協議和信號格式實現遠端通信。

　　軟件無線電在802.11n中的應用，將根本改變其的網絡結構，實現WLAN網與無線廣域網融合并能容納各種標準、協議。提供更為開放的接口，最終大大增加網絡的靈活性。

　　4. 結束語

　　作為一個新標準，與以前的802.11協議相比，IEEE802.11n無線局域網有很多優勢。一是短期的優勢，有較高的傳輸速率，數據傳輸速率達100Mbps以上，使無線局域網平滑的和有線網絡結合，全面提升了網絡吞吐量；二是長期的優勢，今后無線局域網的產品可以使用雙頻方式，即在2.4GHz和5GHz兩個頻段上都使用MIMO+OFDM調制技術，提高數據傳輸速率。同時，802.11n的傳輸距離更遠，易與無線廣域網融合。綜上所述，IEEE802.11n協議標準是具有巨大發展潛力的無線局域網標準，必將使無線局域網蓬勃發展。IEEE802.11n還在不斷的發展，預計2005年推出市場，成為正式的標準。

　　無線局域網產品逐漸走向成熟，價格也逐漸下降，相應軟件也日趨成熟。此外，無線局域網已能夠通過與廣域網相結合的形式提供移動Internet的多媒體業務。無疑，802.11n標準將以它的高傳輸速率和組網靈活性發揮重要作用。