IEEE+80211+5GHz标准物理层研究.pdf

避盟堕型 数据通信2 0 1 3 1 I E E E8 0 2 1 15 G H z 标 潘翔1 欧阳红手卜2 高泽华1 高峰1 1 一匕京邮电大学网络体系构建与融合北京市重点实验室北京10 0 8 7 6 2 北京邮电大学信息光子学与光通信研究院北京10 0 8 7 6 摘要 I E E E8 0 2 1 15 G H z 技术标准及相关设备的逐步成熟 使得5 G H zW L A N 网络建设成为可能 文章 研究并分析了I E E E8 0 2 1 1 a I E E E8 0 2 1 1 n I E E E8 0 2 1 l a c 等5 G H z W L A N 标准的技术发展路径 并对其物理层 关键技术及各标准所支持的最高数据速率作了重点分析 关键词 W L A N I E E E8 0 2 1 1 a I E E E8 0 2 1 l n I E E E8 0 2 1 l a c 物理层速率 I E E E8 0 2 1 1 系列标准是当今无线局域网W L A N W i r e l e s sL o c a lA r e aN e t w o r k 中应用最广范的标准 目前大量使用的I E E E8 0 2 1I n W L A N 无线接入设备 均部署于2 4 G H z 开放性频段 而W L A N 蓝牙 无绳电 话等多种短距离无线通信均使用该频段 各系统间 的相互干扰最终导致多用户接入效率较低 用户体 验差 随着5 G H zW L A N 技术标准及相关设备的逐步 成熟 利用5 G H z 频段进行W L A N 网络建设成为可能 通过充分发挥5 G H z W L A N 网络多频点 高速率 低干 扰的优势 可以有效缓解无线网络的拥堵 1l E E E 8 0 2 115 G H zW L A N 标准简介 工作于5 G H z 频段的W L A N 标准主要包括I E E E 8 0 2 1l a I E E E8 0 2 1i n 和I E E E8 0 2 11 a e 三个修订案 I E E E8 0 2 1l a 在1 9 9 9 年9 月获得通过 最高速率可达 5 4 M b i t s 采用了与原始标准I E E E8 0 2 1 1 1 9 9 7 基本 相同的核心协议 不过其工作于5 G H z 频段 且P H Y 层 采用的是O F D M 技术 I E E E8 0 2 1I n 标准于2 0 0 9 年9 月 获得批准 在此之前已经有多个版本的草案出台 I E E E8 0 2 11n 的物理层数据速率相对于I E E E8 0 2 1 1a 和I E E E8 0 2 11 9 有显著的增长 主要归功于使用M I M O 进行空分复用及4 0 M H z 带宽操作特性 I E E E 8 0 2 11 a c 作为I E E E8 0 2 1I n 标准的延续 于2 0 0 8 年上 4 收稿日枣J 2 0 1 2 1 2 1 9 半年启动标准化工作 经过多次修订后 于2 0 1 2 年6 月形成标准草案D 2 0 版本 预计将2 0 1 3 年完成该标 准的制定工作 I E E E8 0 2 1l a I E E E8 0 2 1 I n 和I E E E 8 0 2 1l a c 三个标准的技术指标如表1 所示 表1 三种5 G H z 频段协议技术指标 标准版本 I E E E8 0 2 1 1 aI E E E8 0 2 1l nI E E E8 0 2 1 1 a c 发布时间 1 9 9 92 0 0 9 预计2 0 1 3 作频段5 G H z24 G H z 5 G H z5 C H z 2 0 M H z 4 0 M H z 信道带宽 2 0 M H z2 0 M H z 4 0 M H z8 0 M H z 1 6 0 M H z 8 0 8 0 M H z 陲论速率 6 0 0 M b i f f s6 9 3 G b i f f s 述率 5 4 M b i f f s 目前速率4 5 0 M b i f f s1 3 G b i f f s 调匍技术0 F D MM I M 0 一O F D MM I M 0 0 F D M 编码方式卷积码卷积码 L D P C卷积码 L D P C 编码 编码码率l 坦 2 乃 3 弭1 2 粥 3 珥 5 为1 2 2 3 3 缮 5 6 B P S K Q P S K 调制方式 1 6 Q A M 6 4 一Q A M1 6 Q A M 6 4 Q A M B P S K Q P S K B P S K Q P S K 1 6 Q A M 6 4 一Q A M 2 5 6 Q A M 理论支持 4 4 M I M O8 8 M I M 0 K 域 日俐 1X l S I S O 目前支持3 3 M I M O3X3 M I M O 2 关键物理层技术 2 1O F D M O F D M 是一种多载波高速扩频传输技术 其核心 是在频域内将信道分成多个正交子信道 在每个子 信道上用一个子载波进行窄带调制和传输 因为每 个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽 所以 万方数据 竺塑型竺型竺 垒鲨盎瓣 每个子信道上的衰落特性是平坦的 不存在频率选 择性衰落 这大大消除了符号间干扰 另外 由于在 O F D M 系统中各个子信道的载波相互正交 因此它们 的频谱相互重叠 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 I E E E8 0 2 1 l a I E E E 8 0 2 1i n 与I E E E8 0 2 11 a c 均是以O F D M 为基础实现的 以I E E E8 0 2 1la 为例 其O F D M 符号有6 4 个子载 波 其中4 8 个用于数据传输 其他子载波中1 2 个置 零 以降低邻信道干扰 其余4 个发送导频 以进行信 道估计 循环前缀有1 6 个样值 因此每个O F D M 符号 总的样值数 包括数据样值和循环前缀一共是8 0 个 4 8 个数据载波映射到编号为一2 6 2 2 一2 0 一8 一6 一1 1 6 8 2 0 2 2 2 6 的O F D M 子载波上 编号 为 2 1 和 7 的子载波被跳过 然后在此插入导频子 载波 如图1 所示 2 1 772 1 yf 一 f f f 广1 1 1 1 1 图1I E E E8 0 2 1l aO F D M 子载波配置 I E E E8 0 2 115 G H z 标准的O F M D 符号子载波配置 如表2 所示 表2 三种5 G H z 频段协议的O F M D 符号子载波配置 子载波子载波数据导频 标准带宽模式 循环前缀载波 间距总数子载波子载波 8 0 2 1 1 a 2 0 M H z3 1 2 5 k H z6 44 84 6 2 0 M H z3 1 2 5 k H z6 45 241 68 8 0 2 1 l n 4 0 M H z3 1 2 5 k H z1 2 81 0 8 63 21 6 2 0 M H z3 1 2 5 k H z6 45 241 68 4 0 M H z3 1 2 5 k H z1 2 81 0 86 3 21 6 8 0 2 1 1 a t 8 0 M H z3 1 2 5 k H z 2 5 62 3 486 43 2 1 6 0 M l I z3 1 2 5 k H z5 1 2 4 6 81 61 2 86 4 I E E E8 1 3 2 1I n 与I E E E8 0 2 1 1 a c 分为普通模式与S h o r tG I G u a r dI n t e r v a l 保护间隔濮式 如I E E E8 0 2 1 I n 工作在4 0 M H z 带宽时 普通模式下循环前缀载波数为3 2 S h o r tG I 模式下循 环前缀载波数为1 6 2 2M I M O M I M O i 度术是无线通信领域智能天线技术的重 大突破 它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 M I M O 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 传输信 息流S 经过空时编码形成N f 个信息子流C i i 1 N 这N 个子流由N 介天线发射出去 经空间信道后由 N 个接收天线接收 多天线接收机利用先进的空时 编码处理能够分开并解码这些数据子流 M I M O 系统 可以创造多个并行空间信道 解决了带宽共享的 问题 在I E E E8 0 2 1 l a 中未采用此技术 I E E E8 0 2 1 i n 与I E E E8 0 2 11 a e 均采用了该技术 其中I E E E8 0 2 1 1 n 理论支持4 4 天线M I M O I E E E8 0 2 1 1 a c 理论支持 8X8 天线M I M O 目前实际两者皆最高只支持3 3 天 线M I M O 将M I M O 与O F D M 技术相结合 产生了M I M O O F D M 技术 它通过在O F D M 传输系统中采用阵 列天线实现空间分集 提高了信号质量 并增加了多 径的容限 使无线网络的有效传输速率有质的提升 3I I E E8 0 2 115 G H z 标准的物理层发展 I E E E8 0 2 115 G H z 标准的物理层发展主要体现 在编码率和调制阶数的提高 信道带宽的增加与传 输方式的改进 物理层发展模型如图2 所示 S 6 Q A M 黼嚣簇 O5 6 码率 支持 短G i F 4 44 0 M H z D M I M O 信道绑定 M 6 4 Q A M s I S O 信2 0 遵M 传I l 输z 3 4 码率 避鬣 f 寒 点患嚣1 l I E E E 8 0 2 1 1 a 图2I E E E8 0 2 1 15 G H z 标准物理层发展模型 为得到各标准对应的调制编码方式M C S M o d u l a t i o na n dC o d i n gS c h e m e 下的理论最大吞吐量 必须 先得到相关因子 信道带宽形 调制类型 数据子载 波个数 编码率p 以及空间流的个数s 采样点间隔时间乃与带宽w 的关系为 l T W 1 调制类型为P Q A M 所对应每符号的比特位数Q 为 Q l 0 9 2 P 2 循环前缀载波数为弘 则循环前缀时间 即能够 防止产生I s I 码间干扰 的最大时延扩展瓦为 死斗 t 3 单个O F D M 符号子载波总数为彪 则总采样点为 M 佻机 O F D M 码元周期 为 耻M T s 4 对应M C S 下理论最大吞吐量R 为 1 R N Dx p Q 寺 S 5 万方数据 望塑 型塑塑塑 3 1I E E E8 0 2 11 a 由表1 可知 I E E E8 0 2 1 1 a 信道带宽为2 0 M H z 有 三种可能的编码率 r l 2 2 3 或3 4 子信道采用的调 制方式为B P S K Q P S K 1 6 一Q A M 或6 4 一Q A M 由表2 可 知 每个O F D M 信号有N D 4 8 个数据子载波 M 6 4 1 6 8 0 个采样点 由式 3 可得I E E E8 0 2 1 1 a 循 环前缀时间为0 8 斗s 当采用3 4 编码率 6 4 一Q A M 调 制的M C S 时数据速率最高 由式 5 可得 11 R 4 8 寺 1 喝6 4 i 者芦 1 5 4 M b i 眺 I E E E8 0 2 1l a 名 速率下对应的M C S 女f l 表3 所示 裹3I E E E8 0 2 11 a 速率及调制参数 速率 每个子载波每个O F D M 符号每 O F D M 符号 调制方式 编码率 M b i f f s 的编码比特的编码比特的数据比特 6B P S K1 2l4 82 4 9B P S K3 l4 83 6 1 2 Q P s K 1 尼29 6 4 8 1 8 Q P S K 3 429 67 2 2 4 1 6 电A M l 241 9 29 6 3 6 1 6 电A M 3 44 1 9 2 1 4 4 4 8 6 4 Q A M 2 362 8 81 9 2 5 4 6 4 一Q A M 3 462 8 82 1 6 3 2I E E E8 0 2 1 1 n 物理层改进 I E E E8 0 2 1 1 n 物理层的改进主要有 引人了M I M O 与信道绑定 c h a n n e lb a n d i n g 技术 同时 引入了S h o nG I 等技术以进一步提高物理层速率 信道绑定 传统的8 0 2 1 l 标准 空口工作在 2 0 M H z 频宽 I E E E8 0 2 1 1 n 通过将相邻的两个2 0 M H z 信道绑定成4 0 M H z 使传输速率成倍提高 如图3 所 示 在实际工作中 将两个相邻的2 0 M H z 言道绑定使 用 主带宽与次带宽 收发数据时既可以4 0 M H z 的带 宽工作 也可以单个2 0 M H z 带宽工作 同时 传统的 8 0 2 1 l 标准为避免相互干扰 原本每2 0 M H z 信道之间 都会预留一小部分的带宽 当采用信道绑定技术工 作在4 0 M H z 带宽时 这一部分预留的带宽也可以被 用来通信 进一步提高了吞吐量 由于2 4 G H z 频段频点少 干扰较多 所以在 2 4 G H z 频段建议不使用4 0 M H z 模式 在5G H z 频段使 用4 0 M H z 模式较为合理 S h o r tG I 射频芯片在使用O F D M 调制方式发送 数据时 整个帧被划分成不同的数据块进行发送 为 了数据传输的可靠性 数据块之间会有G I 用以保证 接收侧能够正确的解析出各个数据块 I E E E8 0 2 1 1 a 采用的G I 为8 0 0 n s 在I E E E8 0 2 1 1 n 模式中 默认采用 蝴带mmmmj 枷mj mm 蝴带 l l 洲 jm 糊旷 图32 0 M H z 模式与4 0 M H z 模式信适传输 的G I 也为8 0 0 n s 但提供了一种S h o r tG I 特性 在多径 环境中 当最先到达的数据流与最晚到达的数据流 时间间隔小于8 0 0 n s 时 将G I 时长减少至4 0 0 n 8 使符 号长度从4 微秒减少到3 6 微秒 从而将数据传输速率 提高百分之十左右 图4 a 所示 在多径环境中 前一个数据块还 没有发送完成 后一个数据块可能通过不同的路径 先到达 合理的G I 长度能够避免相互干扰 但如果G I 时长不合理或多径时延过长 如图4 c 所示 会产生 码间干扰 降低链路的有效S N R 因此S h o aG I 使用于 多径情况较少 射频环境较好的应用场景 在多径效 应影响较大的时候 关闭S h o nG I 功能 熬善纂 渤麟汹 嘲 旧 嚣譬掣羹湖 溺豳 嘲 磐o l l 掣 磊着淼 燃曩 鬣鹪 巾 嚣掣蓑溺 曩圈曩 燃慰 瞥o l l 留 m 糕羹 曩圈 嘲麓 磊譬掣釜鬻鬻强 穗圈 一 码同干扰 图4 善猫槿式G T 与s h n l l G I 槿支倍输 物理层速率 由表l 可知 I E E E8 0 2 1 l n 信道带宽 为2 0 M H z 或4 0 M H z 有四种可能的编码率 r l 2 2 3 3 4 或5 6 子信道采用的调制方式有B P S K Q P S K 1 6 一Q A M 或6 4 一Q A M 最高可支持4X4 天线结构M I M O 由表2 可知 I E E E8 0 2 1I n 开启S h o r tG I 模式后 每个O F D M 信号在4 0 M 带宽内具有N I 1 0 8 个数据子 载波 M 1 2 8 1 6 1 4 4 采样点 由式 3 可知 普通模式下 I E E E8 0 2 1 l n 循环前 丁 一 万方数据 型塑塑堡型皇 里 垒篓盎一 缀时间为0 8 I xs 开启S h o r tG I 模式后 循环前缀时间 为0 4 I Xs 当采用 4 0 M H z 信道 5 6 编码率 6 4 一Q A M 调制 开 启S h o aG I 模式与4X4 天线M I M O 的M C S 时数据速率 最高 由式 5 可得 R 一 1 0 8 黔吾刈 9 2 6 4X 斋x 4 6 0 0 M b i t s I E E E8 0 2 1I n 各M C S 下对应的速率如表4 所示 表4I E E E8 0 2 11n 速率及调制参数 带宽 2 0 M H z 带宽 4 0 M H z 空间漉数调制方式编码率 G l 8 0 0 n sG l 4 0 0 n sG l 8 0 0 n s8 1 4 0 0 n s lB P 5 K1 26 57 21 3 51 5 l Q P S K 1 21 31 4 42 73 0 1 Q P S K 3 41 9 52 1 74 0 54 5 1 1 6 一Q A M 1 22 6 2 8 9 5 4 6 0 l 1 6 一Q A M 3 43 94 3 3 8 l 9 0 1 6 4 一Q A M 2 35 25 7 81 0 81 2 0 l 6 4 一Q A M 3 4 5 8 5 6 5 1 2 1 51 3 5 l 6 4 Q A M 5 6 6 5 7 2 2 1 3 51 5 0 2BP S K1 21 31 4 42 7 3 0 2 Q p S K 1 22 62 8 95 46 0 2 Q P S K 3 1 4 3 9 4 3 3 8 1 9 0 2 1 6 一Q A M l 25 25 7 81 0 81 2 0 2 1 6 一Q A M 3 47 88 6 71 6 21 8 0 2 6 4 一Q A M 2 31 0 41 1 562 1 62 4 0 2 6 4 一Q A M 3 珥1 1 71 3 02 4 32 7 0 2 6 4 一Q A M 5 61 3 01 4 4 42 7 0 3 0 0 36 4 一 A M5 61 9 52 1 6 74 0 54 5 0 4 6 4 一Q A M 5 62 6 02 8 8 95 4 06 0 0 4 I E E E8 0 2 I I n 编码调制方式过多 此处只列出2 0 M H z 与 4 0 M H z 带宽部分情况 3 3I E E E 8 0 2 11 a C 物理层改进 I E E E8 0 2 1 1 a c 在物理层方面改进 主要包括 增加信道绑定带宽 从I E E E8 0 2 1 1 n 最高 4 0 M H z 信道绑定增加到1 6 0 M H z 提高M I M O 天线结构 数量 从I E E E 8 0 2 1 1 n 最高4X4 M I M O 提高N 8X8 M I M O 天线结构 此外 还全面导人了波束赋形 B e a m F o r m i n g 技术 实现更好的传输效率 其实 波束赋形 在I E E E8 0 2 1 1 n 产品上可以实现 但现有产品并未 能加以充分利用 也因此I E E E8 0 2 11 a c 标准特别将 波束赋形纳为标准功能 且所有导人此技术的产品 都要能互通运行 波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技 术 波束赋形通过调整天线阵列中的每一个阵元的 加权系数产 生具有指向性的波束 从而能够获得明 显的阵列增益 因此 波束赋形技术在扩大覆盖范 围 改善边缘吞吐量及干扰抑止等方面都有很大的 优势 波束赋形对环境要求严格 不适用于密集城 区 通信系统应针对波束赋形技术能够适应的场景 的无线信道情况不同 应用不同的波束赋形算法 从 而获得最大的增益与健壮性 达到性能最优 物理层速率 由表1 可知 I E E E8 0 2 1 1 a c 信道带 宽为2 0 M H z 4 0 M H z 8 0 M H z 或1 6 0 M H z 有四种可能 的编码率 r l 2 2 3 3 4 或5 6 子信道可采用的调制 方式为B P S K Q P S K 1 6 一Q A M 6 4 一Q A M 或2 5 6 一Q A M 最高可支持8X8 天线结构M I M O 由表2 可知 I E E E 8 0 2 11a c 开启S h o r tG I 模式后 每个O F D M 信号在16 0 M 带宽内具有N D 4 6 8 个数据子载波 M 5 1 2 6 4 5 7 6 个 采样点 由式 3 可知 普通模式下 I E E E8 0 2 1 1 a c 循 环前缀时间为o 8 斗s 开启S h o r t G I 模式后 循环前缀 时间为0 4 S 当采用1 6 0 M H z 信道 5 6 编码率 2 5 6 一Q A M 调制 开启S h o r tG I 模式与8X8 天线M I M O 的M C S 时数据速 率最高 由式 5 可得 1 尺U l a X 4 6 8 言xl o g z 2 5 6 j 蒜媚 6 9 3 3 M I E E E8 0 2 11 a c 各M C S 下对应的速率如表5 所示 表5I E E E8 0 21l a c 速率及调制参数 带宽 8 0 M H z 带宽 1 6 0 M H z 空间流数调制方式编码率 G I 8 0 0 n 8G I 4 0 0 n sG I 8 0 0 n sE l 4 0 0 n s 1B P S K1 22 9 33 2 55 8 56 5 1 Q P S K 1 25 8 56 51 1 71 3 0 I Q P S K 3 48 7 89 7 51 7 5 51 9 5 l 1 6 一Q A M l 21 1 71 3 02 3 42 6 0 l 1 6 Q A M 3 41 7 5 5 1 9 53 5 l 3 9 0 l 6 4 Q A M 加 2 3 42 6 04 6 85 2 0 1 6 4 一Q A M 3 42 6 3 3 2 9 2 55 2 6 55 8 5 1 6 4 Q A M 5 62 9 2 53 2 55 8 56 5 0 l 2 5 6 Q A M 3 43 5 l3 9 07 0 27 8 0 l 2 5 6 一Q A M 5 63 9 04 3 37 8 08 6 6 7 3B P 5 Kl 28 7 89 7 51 7 5 51 9 5 3 Q P s K 1 趁1 7 5 51 9 53 5 l3 9 0 3 Q P S K 3 2 6 3 32 9 2 55 2 6 55 8 5 3 1 6 Q A M l 23 5 l3 9 07 0 27 8 0 3 1 6 一Q A M 3 45 2 6 5 5 8 51 0 5 3 1 1 7 0 3 6 4 一Q A M 2 37 0 27 8 01 4 0 41 5 6 0 3 一Q A M 5 68 7 7 59 7 51 5 7 9 51 7 5 5 3 2 5 6 Q A M 3 41 0 5 31 1 7 01 7 5 51 9 5 0 3 2 5 6 Q A M 5 61 1 7 01 3 0 02 1 0 62 3 4 0 I E E E8 0 2 1 1 a c 编码调制方式过多 此处只列出8 0 M H z 与 1 6 0 M H z 带宽部分情况 4 结束语 随着I E E E8 0 2 115 G H z 技术标准及相关设备的 逐步成熟 利用5 G H z 频段进行W L A N 网络建设成为 可能 本文研究并分析了I E E E8 0 2 1 l a I E E E 8 0 2 1I n I E E E8 0 2 11 a c 等5 G H zW L A N 标准的技术发 展路径 并对其物理层关键技术及各标准所支持的 万方数据 篮塑 型塑塑竖 最高数据速率作了重点分析 本文对于从宏观上了 解和把握I E E E8 0 2 115 G H zW L A N 各标准及其物理 层发展有较好的参考作用 参考文献 1 I E E E I E E ES t d8 0 2 11 a 一1 9 9 9P a r t11 W i r e l e s sL A NM e d i u mA c c e s sC o n t r o l M A C a n dP h y s i c a lL a y e rf P H Y S p e c i f i c a t i o n s H i g h e r s p e e dP h y s i c a lL a y e ri nt h e5G H zB a n d S 1 9 9 9 2 I E E E I E E ES t d8 0 2 11 n T M 一2 0 0 9P a r t11 W i r e l e s sL A N M e d i u mA c c e s sC o n t r o l M A C a n dP h y s i c a lL a y e r P H Y S p e c i f i c a t i o n s A m e n d m e n t 5 E n h a n c e m e n t sf o r H i g h e r T H r o u g h p u t S 2 0 0 9 3 3 I E E E I E E EP8 0 2 11 a c T M 2 0 1 2P a r t11 W i r e l e s sL A N M e d i u mA c c e s sC o n t r o l M A C a n dP h y s i c a lL a y e r P H Y 简讯 S p e c i f i c a t i o n s A m e n d m e n t4 E n h a n c e m e n t s f o rV e r yH i g h T H r o u g h p u tO p e r a t i o ni nB a n d s b e l o w6 G H z S 2 0 1 2 4 高峰 高泽华 文柳等 W L A N 技术问答 M 人民邮电出版社 2 0 1 2 5 5 汪裕民 O F D M 关键技术与应用 M 机械工业出版社 2 0 0 6 1 0 6 刘乃安 无线局域网 w L A N 原理技术与应用 M 西安电子科 技大学出版社 2 0 0 4 4 7 李浩 高泽华 高峰等 I E E E 8 0 2 1 1 无线局域网标准研究 J 计 算机应用研究 2 0 0 8 8 作者简介 潘翔 硕士研究生 主要研究方向为移动通信 欧阳 红升 硕士研究生 主要研究方向为宽带无线接入技术 高泽 华 博士 副教授 主要研究方向为移动通信 物联网 电信增 值业务 移动互联网 高峰 博士 主要研究方向为移动通信与 无线宽带技术 T D S C D M A 关键工程技术研究及产业化应用 获国家科技进