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802.11n协议详解


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主要内容
调制技术 分集技术 MIMO-OFDM 802.11a/b/g/n协议介绍 讨论

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调制技术
调制技术的分类 按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制 两类 模拟调制 指调制信号和

载波都是连续波的调制方式。 指调制信号和载波都是连续波的调制方式。它 有调幅、 有调幅、调频和调相三种基本形式 数字调制 一般指调制信号是离散的, 一般指调制信号是离散的,而载波是连续波的 调制方式。 调制方式。

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各种数字调制方式
ASK--又称幅移键控法。这种调制方 式是根据信号的不同,调节正弦波 的幅度。 PSK--在相移键控中,载波相位受数 字基带信号的控制,如二进制基带 信号为0时,载波相位为0,为1时载 波相位为π,载波
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各种数字调制方式
相位和基带信号有一一对应的关系。 相位和基带信号有一一对应的关系。 FSK--称频移键控法, --称频移键控法 FSK--称频移键控法,就是用数字信号 去调制载波的频率。 去调制载波的频率。 QAM--又称正交幅度调制法。 --又称正交幅度调制法 QAM--又称正交幅度调制法。根据 数字信号的不同,不仅载波相位发 数字信号的不同, 生变化, 生变化,而且幅度也变化

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ASK-数字幅度调制波形图

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频移键控原理图

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BPSK调制器的输出相位和时间关系

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QPSK-四相相移键控

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8PSK调制器输出相位与时间关系

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QAM-正交幅度调制
正交幅度调制(QAM)是数字调制的一 种方式,数字信息包含在发送载波的幅 度和相位内。

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8QAM
二进制输入 Q I C 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 8QAM输出 幅度 相位

0.765V +135度 1.848V +135度 0.765V +45度 1.848V +45度

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8QAM星座图

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8QAM输出相位及幅度-时间关系

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各种调制方式带宽效率比较
调制方案 BPSK QPSK 8PSK 16QAM 最小带宽(MHz) 10 5 3.33 2.5

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各种数字调制方式的性能比较
以下是达到10- 误码率所需信噪比和每比特与能量噪声功率密度比 以下是达到 -6误码率所需信噪比和每比特与能量噪声功率密度比 调制 技术 C/N比(dB) 比 ) Eb/N0比(dB) )

BPSK QPSK 4QAM 8QAM 8PSK 16PSK 16QAM 32QAM 64QAM

10.6 13.6 13.6 17.6 18.5 24.3 20.5 24.4 26.6

10.6 10.6 10.6 10.6 14 18.3 14.5 17.4 18.8

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数据率 6 9 12 18 24 36 48 54

调制方式 BPSK BPSK 4-QAM 4-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM

编码率 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4

Ndbps 24 36 48 72 96 144 192 216
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分集技术基本原理
分集的基本原理是通过多个信道(时间、频率或者空 间)接收到承载相同信息的多个副本,由于多个信道 的传输特性不同,信号多个副本的衰落就不会相同。 接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出 原发送信号。如果不采用分集技术,在噪声受限的条 件下,发射机必须要发送较高的功率,才能保证信道 情况较差时链路正常连接。 分集技术包括2个方面:一是分散传输,使接收机能够 获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是 集中处理,即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号 进行合并以降低衰落的影响。因此,要获得分集效果 最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。
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分集方式
天线分集(空间选择性) 时间分集(时间/频率选择性)

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天线分集
天线分集
空间分集:接收机拥有很多类似的天线,每 根天线为无线通信提高了一个分离的无线信 道,其方向图和极化方式都是一样的 极化分集:接收端天线极化方式不同 方向图分集:方向图分集使用不同的方向图 发射分集:使用多天线控制接收端所经历的 衰落(闭环发送分集需要在接收端反馈信道 状态)
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时间分集
时间分集
频率分集:一般使用于OFDM或跳频扩频 码分集:获得抗信道频率选择性的多个 信号分支方法。例如RAKE 时间隐分集:克服时变信道衰落的一种 方法。如交织+纠错编码、ARQ

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空间分集
空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统 。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置 几副天线,同时接收一个发射天线的微波信号,然后 合成或选择其中一个强信号,这种方式称为空间分集 接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半,以 保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,也 就是说,当某一副接收天线的输出信号很低时,其他 接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低 的现象,经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、 信噪比最佳的一路,得到一个总的接收天线输出信号 。这样就降低了信道衰落的影响,改善了传输的可靠 性。
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时间分集
时间分集是将同一信号在不同时间区间 多次重发,只要各次发送时间间隔足够 大,则各次发送降格出现的衰落将是相 互独立统计的。时间分集正是利用这些 衰落在统计上互不相关的特点,即时间 上衰落统计特性上的差异来实现抗时间 选择性衰落的功能。

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OFDM
正交频分复用 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 ,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号 可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样 可以减少子信道之间的相互干扰 ISI 。每个子 信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此 每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可 以消除符号间干扰。
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OFDM
当调制信号通过无线信道到达接收端时, 由于信道多径效应带来的码间串扰的作用,子 载波之间不再保持良好的正交状态,因而发送 前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔 大于最大时延扩展,则所有时延小于保护间隔 的多径信号将不会延伸到下一个码元期间,从 而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制 时,为减小ISI的影响,需要采用多级均衡器, 这会遇到收敛和复杂性高等问题。

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OFDM
在发射端,首先对比特流进行QAM或QPSK 调制,然后依次经过串并变换和IFFT变换,再 将并行数据转化为串行数据,加上保护间隔( 又称“循环前缀”),形成OFDM码元。在组 帧时,须加入同步序列和信道估计序列,以便 接收端进行突发检测、同步和信道估计,最后 输出正交的基带信号。

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OFDM参数
在OFDM系统中我们需要确定以下参数:循环前 缀(CP)长度Tg、子载波间隔Tb和子载波数量N。 在系统设计中即要选择一个足够的CP以防止多径衰落 而引起ISI和ICI,同时要选择适当的OFDM符号长度, 防止高速移动引起多普勒频移,并使信道冲激响应( CIR)至少在一个OFDM符号期间是不变的。 循环前缀(CP)的长度决定了OFDM系统的抗多径能 力和覆盖能力。较长的CP有利于克服多径干扰,支持 大范围覆盖,但系统开销也会相应增加,从而降低数 据传输能力。在实际设计中,CP长度一般取为时延扩 展均方根值的2~4倍。
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由于OFDM系统对多谱勒频移fd和相位噪声非常敏感, 所以子载波间隔(有效符号周期)选择时既不能太大 也不能太小。在进行实际系统设计时,有效符号周期 一般选取为CP长度的5倍。 子载波数量可直接利用-3dB带宽除以子载波间隔得到 ,或者利用系统的比特速率除以每个子载波中的比特 速率(由调制类型、编码速率和符号速率决定)。

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多载波发送

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多载波接收

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OFDM的特点
(1)频谱利用率很高,频谱效率比串行系统高近一倍。这 一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相 邻子载波相互重叠,从理论上讲其频谱利用率可以接近 Nyquist极限。 (2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强,由于OFDM系 统把数据分散到许多个子载波上,大大降低了各子载波的符 号速率,从而减弱多径传播的影响,若再通过采用加循环前 缀作为保护间隔的方法,甚至可以完全消除符号间干扰。 (3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。 通过选取各子信道,每个符号的比特数以及分配给各子信道 的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信 息论中的“注水定理”,亦即优质信道多传送,较差信道少 传送,劣质信道不传送的原则
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MIMO技术背景
在实际的通信环境中,信号往往是通过周围物体的多 次反射和散射才到达接收天线的,这被称为径,信号 的多径传送会产生多径干扰,从而引起信号的衰落, 因而一直被认为是不利信号准确传输的有害因素。克 服的方法是采用分集的方法——它含有“分散”和“ 集合”二重含义,一方面它将载有相同信息的几路信 号通过相对独立的途径(利用多发射天线)分散传输 ,另一方面设法将分散传输到接收点的几路信号最有 效地收集起来(利用多接收天线),因为安排恰当的 多副天线提供的多个空间信道,不会全部同时受到衰 落,因此有降低信号电平的衰落幅度的作用,具有优 化接收的含义。
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MIMO技术背景

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MIMO系统图
MIMO系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个通道 ,如图3-37所示。

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MIMO容量
传输信息流S(k)经过空时编码形成M个信息子流 ,这M个子流由M个天线发送出去,经空间信道后 由N个接收天线接收,多天线接收机能够利用先进的空时编 码处理技术分开并解码这些数据子流,从而实现最佳处理 。MIMO是在收发两端使用多个天线,每个收发天线之间对 应一个MIMO子信道,在收发天线之间形成信道矩阵H,在 某一时刻t,信道矩阵如(式3-34)所示

其中H的元素是任意一对收发天线之间的增益 星网锐捷通讯股份有限公司
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MIMO容量
M个子流同时发送到信道,各发射信号占用同一个频 带,因而并未增加带宽。若各发射天线间的通道响 应独立,则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。 通过这些并行的信道独立传输信息,必然可以提高 数据传输速率。对于信道矩阵参数确定的MIMO信道 ,假定发射端总的发射功率为P,与发送天线的数量 M无关;接收端的噪声用N*1矩阵n表示,其元素是独 立的零均值高斯复数变量,各个接收天线的噪声功 率均为 ;ρ为接地端平均信噪比。此时,发射信 号是M维统计独立,能量相同,高斯分布的复向量。 发射功率平均分配到每一个天线上,则容量公式为

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MIMO容量
固定N,令M增大,使得 量的近似表达式: ,这时可以获得到容

从上式可以看出,此时的信道容量随着天线数的增加而 线性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量, 在不增加带宽和天线发射功率的情况下,频谱利用率可以成 倍地提高,充分展现了MIMO技术的巨大优越性。

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MIMO应用方案
前面分析指出MIMO技术优势明显,但对 频率选择性衰落无能为力,而OFDM技术 却有很强的抗频率选择性衰落的能力。 因此将两种技术有效整合,便成为最佳 的实用方案。

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MIMO+OFDM
1 S/P 1 1至L 2
……

OFDM 调制

L

1 2 信源 二进制 信号 映 射(MQAM ) S/P 1至 N S/P 1至L 2
……

OFDM 调制

L

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……
1 N S/P 1至L 2 L OFDM 调制

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(4)通过各子载波的联合编码,可具有很强的抗衰落能 力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果 衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。但 通过将各个信道联合编码,可以使系统性能得到提高 。 (5)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法, OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调,易用DSP实 现。 OFDM的不足之处为:峰均功率比大,对系统中 的非线性敏感;对定时和频率偏移敏感。对相位噪声 和载波频偏十分敏感。所需线性范围宽。
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802.11a
802.11a(Wi-Fi5)标准是得到广泛应用的 802.11b标准的后续标准。它工作在5GHzU-NII 频带,物理层速率可达54Mbps,传输层可达 25Mbps。可提供25Mbps的无线ATM接口和 10Mbps的以太网无线帧结构接口,以及 TDD/TDMA的空中接口;支持语音、数据、图 像业务;一个扇区可接入多个用户,每个用户 可带多个用户终端。

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802.11b
IEEE 802.11b是无线局域网的一个标准。其载 波的频率为2.4GHz,传送速度为11Mbit/s。 IEEE 802.11b是所有无线局域网标准中最著名 ,也是普及最广的标准。它有时也被错误地标 为Wi-Fi。实际上Wi-Fi是无线局域网联盟( WLANA)的一个商标,该商标仅保障使用该商 标的商品互相之间可以合作,与标准本身实际 上没有关系。在2.4-GHz-ISM频段共有14个频 宽为22MHz的频道可供使用。IEEE 802.11b的 后继标准是IEEE 802.11g,其传送速度为 54Mbit/s。
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802.11g
IEEE 802.11g2003年7月,通过了第三种调变 标准。其载波的频率为2.4GHz原始传送速度为 54Mbit/s,净传输速度约为24.7Mbit/s。 802.11g的设备与802.11b兼容。802.11g是为 了提高更高的传输速率而制定的标准,它采用 2.4GHz频段,使用CCK技术与802.11b(Wi-Fi) 后向兼容,同时它又通过采用OFDM技术支持 高达54Mbit/s的数据流,所提供的带宽是 802.11a的1.5倍。

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802.11n
IEEE 802.11n,2004年1月IEEE宣布组成一个 新的单位来发展新的802.11标准。资料传输速 度估计将达540Mbit/s(需要在物理层产生更高 速度的传输率),此项新标准应该要比802.11b 50 802.11g 10 快上50倍,而比802.11g快上10倍左右。 802.11n也将会比目前的无线网络传送到更远 的距离。 802.11n增加了对于MIMO (multiple-input multiple-output)的标准. MIMO 使用多个发射 和接收天线来允许更高的资料传输率。
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a/b/g/n协议之间的对比

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802.11n的关键技术

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MIMO-OFDM

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40MHz频宽模式

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帧聚合

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Short GI

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讨论
大家谈谈空间分集和空间复用的区别? MIMO包括以上的两种技术吗? 大家谈谈对于目前我们公司有两个天线 的产品如何利用MIMO来提高速率?

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