前瞻!Wi-Fi下一代标准802.11n

互联网 | 编辑: 2005-04-13 00:00:00 一键看全文

1999年IEEE正式颁布IEEE 802.11a、11b,自此WLAN市场飞跃兴起,不过11a、11b各有优缺,11a的传输速度快(54Mbps),但传输距离、穿墙表现等不如11b,11b则覆盖、渗透力强,但仅有11Mbps。因此IEEE机构于2000年起着手强化11b的传速(因11a使用5GHz频段,并非是全球通行的ISM频

Wi-Fi的下一代标准802.11n(4)

实现11n的技术共识:OFDM、MIMO

虽然WWiSE、TGn Sync各有技术提案,但两营为实现加速所运用的技术却一致,包括使用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调变/解调技术,及MIMO(Multiple Input Multiple Output)发送/接收技术。另外MAC层的编码方式亦有改变,还有PHY层也可能用上智能天线(Intelligent Antenna、Smart Antenna)技术。

附注:过去802.11a/b/g都只有PHY层的差异,三者都使用相同的MAC层,然既有的MAC层无法因应更高的传输,所以802.11n也进行MAC层的改变、提升。

先说明OFDM,事实上这不是802.11家族第一次使用OFDM调变技术,早在1999年的802.11a上即有使用,2003年的802.11g也用,仅802.11b未用,不过唯有用此技术才能在有限频段中提升传输率,所以802.11n也必须续用,并加重运用与倚赖。

过去未用OFDM时的作法称为单载波(Single Carrier;SC),每个载波间为防止干扰而保有一定的频率间隔,此间隔称为保护带、保护区间(Guard Band,或称Guard Interval,简称GI),居家地面无线电视、有线电视即是如此,以美规NTSC来说,每个节目频道用一个载波来传输,一个载波占用6MHz,而载波与载波间有1MHz左右的未用保留,以防两个节目讯号相互干扰。

由于无线频段有限,不可能增加频段,而单载波作法不仅每个载波都要单独占用频段,且抗干扰的未用间隔也一样耗用频段,如此频宽难再增加。

而OFDM是让载波间没有间隔,而且还让多个载波在频带使用上交迭,按理论这会造成相互干扰,但实际上将多个载波的调变波形(已经过BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等调变法,将数字数据转成模拟波形)进行快速傅立叶转换(Fast Fourier Transform;FFT),转换成多组相位正交(因为正交,所以各波相互间少干扰)的正弦波,并将各波进行相加,形成一复杂波形,再将此复杂波形透过天线发送出去,接收端用相逆方式还原,复杂波形用反转快速傅立叶(Inverse Fast Fourier Transform;IFFT)恢复成多个正交正弦波,再回复成各载波的调变波形,最后将波形解调变回数字数据。

简单说,过去发送单载波且为简单的调变波形,如今类似用一个复杂波形来同时传送多个载波,近似压缩用意,以此让有限频宽获得更高的传输效益。以往OFDM不常被运用的原因,在于能执行FFT/IFFT演算的数字信号处理器(Digital Signal Processor;DSP),其效能、价格难以用在强调平价普及的民用(家庭、企业)无线装置上,但昂贵的军方设施则可行,如今DSP的价格效能比大幅提升,使一般无线产品也能使用OFDM技术。

MIMO多天线技术

▲图说:MIMO技术运用多组发送、接收天线,在通讯空间中增辟传送路径数,藉此加速传输。(图片来源/AirgoNetworks.com中,由Farpoint Group行动、无线通讯顾问机构所撰写的白皮书)

除了更彻底运用OFDM技术以求加速外,另一个加速方式是802.11过去从未用过的MIMO技术,最简单的说法即是透过增加收发天线的数目来达到加速,目前常言的有收发两端各两组天线(2×2)、各三组天线(3×3)、各四组天线(4×4)等,天线数愈多也意味着传输率愈高。

现有802.11a/b/g多是使用单一天线,即便有的末端产品采用双天线,也仅在于强化方位覆盖效果,同一时间内只使用两天线中的其一,以反复、快速切换的方式来使用两天线(如:无线基地台同时服务各方位的多个存取装置),或侦测两天线的收发信号强度后,选择信号较强的一支来持续使用(如:笔记型计算机两侧各埋一个天线),并非是两个各自独立运作的天线。相对的而MIMO的多天线则是各天线都有自主运作的能力,各天线用自己的调变方式发送电波,用自己的解调变方式接收电波。

在多个天线的后端则需集中、一致的工作,将要发送的数据进行分拆,才交给复数以上的天线来发送,接收端也用多组天线接收,然后将多组波形解调的结果重新合并回数字数据。另外收发两端也不见得要有对称的天线数目,所以不仅可以有MIMO,亦可以有SIMO(Single Input Multiple Output)、MISO、MIMO 4×2(4个发送天线,2个接收天线)、MIMO 3×4(3发4收)等多样组态变化,且都比既有802.11a/b/g的SISO快速。

附注:倘若要采取收发两端天线数目不对称的MIMO组态,多须采行接收天线数多于发送天线数的组态,理由在于每一个从发送天线所送出的调变波就如同一个「未知变量」,而每个接收天线都会收到所有发送天线的波讯,但各天线收到各波形的讯号强弱有别,透过后端DSP的归纳、比对、推算,才能完整求取出原本各个的发送波形,倘若接收天线数较少,则会使可供归纳、比对的条件减少,接收信息不足,而难以完整回推。

较多的接收天线可多方收集、比对讯号(哪怕是经过多方反射、波折后才抵达的微弱信号),以强化接收效果,相反的发送端的功率最高,多个强波一起相邻发送则容易相互干扰。

用譬喻来解释,过去只用时间轴、频率轴(含振幅、相位因素)所构成的2D平面式路径来收送电波,如今运用传递空间上增辟更多传送路径,升级成3D立体式传送,获得更大的携行传量潜力

与OFDM相同的,MIMO的多天线作法按理来说等于是制造收发上的更多干扰,过去用单天线进行单一电波传递时,发散出去的电波会在空间路径中遭遇阻碍物而产生反射,接收端的天线除了收到方位良好的直射电波外,多少也会接收到未预期性的反射电波,使正确的波形遭受影响,而MIMO要在空间路径上发出一个以上的波形,也容易造成相互影响。

对此,MIMO可用偏波方式来避免干扰,一个天线可用水平波形发送,另一个天线可用垂直波形发送,或者用左旋波发送,或右旋波发送,用空间维度的差别来实现多波同时传送。

至于接收方面,其实不限定一对一的接收,由于有多支接收天线,多支天线接收同一发送波形,则各天线因角度、方位差异而收到强弱不等的信号,将多个不等信号进行集中归纳的运算后,不仅可将噪声干扰排除以更加确定信号的正确性(信号更清晰,也意味着可更远、更快地收发),同时还可以推算出发送端的方位,而让后续的通讯运作进行方位角度上的最佳化收发,此即是所谓的数组天线(Array Antenna)原理,也是智能天线的原理,或称适性天线(Adaptive Antenna),一般报章媒体所言的神盾战舰,其实就是具备相位数组雷达的军舰,雷达(RADAR)其实是缩写,全称是RAdio Direction And Ranging(无线定位与测距)。

MIMO好处不仅在收发方位最佳化,也包含距离最佳化,与雷达相同的,发送一个脉波后测试多久后反射回复,以得知收发另一端的距离,若距离远则在发送电波时将功率增大,以抵抗传送路径上的信号衰落,相反则在近距离发送低功率信号,此称为Beam Forming技术,类似在暗境中开手电筒找物,照远处则增加光照,近处则可减弱。现有的802.11a/b/g则是不论远近一律采相同功率发送。

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