下一代WLAN技術(shù)IEEE 802.11ac

郭正躍

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司，上海 200060）

1 概述

1.1 標(biāo)準(zhǔn)引入背景

WLAN無線接入技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于寬帶接入網(wǎng)領(lǐng)域，解決與終端“最后一百米”的接入問題，同時滿足用戶移動使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，當(dāng)前已在各類公共服務(wù)區(qū)域、企業(yè)、個人家庭中廣泛使用，目前WLAN接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE 802.11b/g（2.4 GHz), IEEE 802.11a（5.8 GHz）,以及當(dāng)前主流采用的IEEE 802.11n接入技術(shù)，已能夠提供高速的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入服務(wù)，但隨著無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求爆發(fā)式增長以及其它高速無線接入手段LTE、WiMAX等無線通信系統(tǒng)的涌現(xiàn)，IEEE已著手開始制定IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，通過采用新的無線空口接入技術(shù)，進(jìn)一步大幅提升WLAN技術(shù)接入能力，提升下一代WLAN在各種無線接入系統(tǒng)中的競爭能力。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)能力定位

IEEE 802.11ac是繼802.11n的下一代無線局域網(wǎng)新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是帶來吉比特級別的無線局域網(wǎng)傳輸速度。802.11ac定位仍然是工作在6 GHz頻率以下，較之802.11n技術(shù)，其通過在空口采用更寬的頻率帶寬（增至80 MHz，最高達(dá)到160 MHz），采用多用戶MIMO，以及采用更高的編碼方式（最高可達(dá)256QAM）等先進(jìn)技術(shù)，使得802.11ac的理論傳輸速度最高達(dá)到1 Gbit/s（多終端總吞吐率），最大單流吞吐量可達(dá)到500 Mbit/s。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程概況

規(guī)范制定方面，2011年1月IEEE確認(rèn)了802.11ac首版規(guī)范草案，標(biāo)準(zhǔn)終稿預(yù)計(jì)于2012年底完成，并于2013年底最終通過802.11工作組的審核完成定稿[1]。

產(chǎn)品推出方面，截至2011年9月，尚未有任何支持802.11ac技術(shù)的產(chǎn)品，根據(jù)國外研究機(jī)構(gòu)In-Stat研究預(yù)期，預(yù)計(jì)2012年推出第一個支持802.11ac的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但在未來3年內(nèi)將有明顯的高速發(fā)展，于2015年達(dá)到市場1億元以上裝置的規(guī)模，在全球范圍實(shí)現(xiàn)普及[2]。

表1 場景配置類型

2 802.11ac關(guān)鍵技術(shù)

2.1 802.11ac新技術(shù)概述

IEEE 802.11ac與802.11n相比，主要具有如下特點(diǎn)。

（1）更寬的頻帶帶寬：與802.11n最大40 MHz相比，要求至少達(dá)到80 MHz，160 MHz可選。

（2）更多的MIMO分流：與802.11n最多支持4個空分流相比，支持最多8空分流。

（3）支持MU-MIMO:與802.11n僅支持MIMO相比，802.11ac支持多個終端（每個終端有一個或多天線）同時發(fā)射接收獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。MU-MIMO支持SDMA，即數(shù)據(jù)流空間上分解。

（4）調(diào)制方式：與802.11n最大支持64QAM速率5/6相比，支持256QAM，速率3/4和5/6。

2.2 新應(yīng)用場景配置模式

由于采用了MU-MIMO技術(shù)，802.11ac將可以支持諸如多終端共享高清電視、無線高清顯示、大型園區(qū)會展調(diào)度等新的業(yè)務(wù)應(yīng)用類型。舉例來說，假設(shè)采用256QAM，5/6速率調(diào)制方式[3]。

2.3 調(diào)制方式

在802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)中，最高調(diào)制技術(shù)可達(dá)256QAM，這樣大約有10%的實(shí)際頻率調(diào)制效率提升（相對在802.11n中最大64QAM）。信噪比與編碼方式成正比，高信噪比信號對應(yīng)高速率編碼方式（MCS），下表列出了不同MCS對應(yīng)的調(diào)制方式。由表2可以看出當(dāng)MCS達(dá)到8或9，系統(tǒng)采用256QAM調(diào)制方式[4]。

表2 MCS 與調(diào)制速率對照表

由于WLAN頻段是開放頻段，可被多種無線技術(shù)利用，因此無線設(shè)備間的干擾是一個值得關(guān)注的問題，只有達(dá)到一定的信噪比要求，調(diào)制和速率編碼才能達(dá)到理想的256QAM方式。

2.4 MU-MIMO技術(shù)

2.4.1 MIMO技術(shù)簡介

多輸入輸出（MIMO）技術(shù)是新一代寬帶無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO技術(shù)是指在接收端和發(fā)送端同時配置多副天線的無線通信系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)新一代寬帶移動通信系統(tǒng)高數(shù)據(jù)速率，高頻譜利用率和高傳輸質(zhì)量的重要途徑。

目前，MIMO技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)從點(diǎn)對點(diǎn)的單用戶(SU-MIMO)擴(kuò)展到多用戶的MIMO系統(tǒng)(MUMIMO)。在SU-MIMO中，所有的發(fā)射信號的空間流都是為單個無線站點(diǎn)（STA）服務(wù)的，采用MU-MIMO系統(tǒng)的波束成形技術(shù)，發(fā)射信號的各個空間流子集可以分別發(fā)送給多個無線站點(diǎn)。

基于波束成形（Beam-forming）的MU-MIMO系統(tǒng)中，通過對用戶進(jìn)行合理調(diào)度，能獲得公平的多用戶分集增益，同時波束成形技術(shù)能有效抑制用戶間共同信道干擾，從而有效增加了系統(tǒng)性能。在802.11ac中采用的MU-MIMO技術(shù)可以同時獲得空間復(fù)用增益和多用戶分集增益，大大提高系統(tǒng)吞吐量。

2.4.2 MU-MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)

802.11 ac可采用MU-MIMO系統(tǒng)的波束成形技術(shù)，發(fā)射信號的各個空間流子集可以分別發(fā)送給多個無線站點(diǎn)?；诓ㄊ尚蔚腗U-MIMO系統(tǒng)中，通過對用戶進(jìn)行合理調(diào)度，能獲得公平的多用戶分集增益，同時波束成形技術(shù)能有效抑制用戶間共同信道干擾，從而有效增加了系統(tǒng)性能。在802.11ac中采用的MUMIMO技術(shù)可以同時獲得空間復(fù)用增益和多用戶分集增益，大大提高系統(tǒng)吞吐量。

MIMO系統(tǒng)可以分為單用戶MIMO和多用戶MIMO通信系統(tǒng)，本文介紹的是多用戶MIMO下行鏈路，即廣播通信鏈路，由一個基站同時向多個用戶發(fā)送信息。

和單用戶MIMO相比，多用戶MIMO具有以下幾個突出優(yōu)點(diǎn)。

（1）由于采用多用戶復(fù)用，多用戶MIMO能帶來多址接入容量的直接增益（和基站天線數(shù)成正比）。

（2）利用多用戶復(fù)用，多用戶MIMO能突破困擾單用戶MIMO通信的許多限制，如信道矩陣秩丟失或天線相關(guān)。

（3）在用戶終端只有單天線的情況下，多用戶MIMO仍能獲得空間復(fù)用增益，因此有利于開發(fā)體積小而且便宜的終端。

MU-MIMO系統(tǒng)是選擇待發(fā)射用戶數(shù)據(jù)流，然后把選出的用戶數(shù)據(jù)流通過每副天線同時發(fā)送到信道，如圖1所示。

圖1 多用戶MIMO示意圖

基站安裝N副天線，有K個用戶，每個用戶安裝M副天線。

設(shè)計(jì)多用戶MIMO傳輸方案是要選擇多個用戶同時進(jìn)行傳輸，即采用SDMA方案；其次，雖然復(fù)用增益受發(fā)送天線數(shù)限制，資源分配技術(shù)有助于利用多用戶MIMO系統(tǒng)的增益，當(dāng)考慮線性波束成形技術(shù)時，選擇一個好的用戶子集并確定分配給該子集內(nèi)各個用戶的功率，就能最大化實(shí)現(xiàn)每個用戶的數(shù)據(jù)率要求。

3 MU-MIMO業(yè)內(nèi)先進(jìn)解決方案

3.1 多用戶調(diào)度公平性的解決

在實(shí)際通信環(huán)境下，不同用戶的信道增益不同，一般的用戶調(diào)度方法是從信道增益出發(fā)，但是此調(diào)度算法將導(dǎo)致信道條件好的用戶獲得的通信機(jī)會更多，存在用戶間公平性的問題。

為克服此缺陷，相關(guān)文獻(xiàn)提出改進(jìn)的用戶調(diào)度算法。目前有文獻(xiàn)[5]提出算法先根據(jù)信道條件數(shù)的方法初選出用戶，然后統(tǒng)計(jì)每個用戶被選擇的次數(shù)，如果次數(shù)之差的絕對值大于設(shè)定的門限值n，就選擇次數(shù)少的用戶而不選擇次數(shù)多的用戶。這樣既能獲得多用戶分集增益，又能保證所有用戶都能得到通信機(jī)會。如圖2所示，采用公平調(diào)度算法前后容量與用戶調(diào)用次數(shù)對比圖。

本質(zhì)上，采用此種算法是以犧牲系統(tǒng)總體吞吐量來換取公平性的，當(dāng)門限值n值越來越小，系統(tǒng)容量逐漸減小，n值取太大則公平性改善不明顯；因此如采用此種算法，n值取值應(yīng)根據(jù)熱點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營策略與熱點(diǎn)區(qū)域承載業(yè)務(wù)需求種類具體確定。

3.2 多用戶間干擾的解決

由于基站發(fā)送給用戶的信息是同時同頻的，每個用戶必然都會受到其他用戶的干擾，這里介紹一種利用發(fā)射端的信號泄露性噪比(SLNR)波束成形方法來解決多用戶MIMO下行鏈路中的干擾。該方法有如下優(yōu)勢。

（1）通過對發(fā)射端的波束成形處理，可以有效消除下行鏈路的多用戶干擾，大大提高系統(tǒng)容量。

（2）可以大大簡化接收機(jī)的算法，解決終端功耗和體積問題。

（3）由于發(fā)射端準(zhǔn)確知道各用戶數(shù)據(jù)，所以采用反饋干擾抵消的方法不存在誤碼擴(kuò)散問題，性能更優(yōu)。

SLNR波束成形方法其原理是假設(shè)MIMO系統(tǒng)中各用戶間的信道響應(yīng)是不相關(guān)的。發(fā)射波束成形就是發(fā)射機(jī)用一組權(quán)向量作用在發(fā)射天線上的發(fā)射信號。如果接收機(jī)也使用多天線接收信號，那么接收機(jī)也使用另外一組權(quán)向量來組合天線上的接收機(jī)信號。這種波束成形是任意維的。

SLNR波束成形方法突破了傳統(tǒng)MIMO發(fā)送天線數(shù)大于接收天線數(shù)的限制，能有效抑制用戶間共信道干擾，性能優(yōu)于傳統(tǒng)波束成形方法。但一般的信號泄露信噪比波束成形方法僅是隨機(jī)選擇用戶?？紤]到多個用戶共享空間信道，通過調(diào)度可以獲得多用戶分集增益而提高網(wǎng)絡(luò)的平均容量。

在多用戶通信環(huán)境下，不同用戶的信道增益不同。采用基于信道條件數(shù)的用戶調(diào)度方法是從信道增益出發(fā)，先計(jì)算用戶信道向量范數(shù)，選取最大范數(shù)對應(yīng)的用戶為初始用戶；然后分別計(jì)算剩余用戶和已選用用戶信道向量組成的信道矩陣的條件數(shù)，選取最小條件對應(yīng)的用戶；以此類推選出其余用戶。

圖2 采用一般調(diào)度算法和采用公平性調(diào)度算法對比

由于采用SLNR波束成形，無論接收天線數(shù)小于，等于，還是大于發(fā)射天線數(shù)，都有較好的誤比特率性能；采用基于信道條件數(shù)的用戶調(diào)度后BER曲線具有明顯改善。

4 小結(jié)

本文介紹了下一代WLAN技術(shù)802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)概況與新技術(shù)特性，重點(diǎn)介紹了802.11ac MUMIMO的應(yīng)用，并綜合業(yè)內(nèi)技術(shù)發(fā)展情況，針對MUMIMO業(yè)內(nèi)先進(jìn)解決方案進(jìn)行了介紹。可以看到，WLAN 802.11ac在空口MU-MIMO技術(shù)上與LTE關(guān)鍵通信技術(shù)有一定的相似處，作為無線通信領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，MIMO技術(shù)在通信理論上還遠(yuǎn)沒有完善，有很多的關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步研究，MIMO技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展。同時，人們對高質(zhì)量的無線通信系統(tǒng)的需求不斷催生新的應(yīng)用，無論是802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)，還是具體的MIMO技術(shù)，在通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用需求將不斷促進(jìn)無線接入技術(shù)的進(jìn)一步飛速發(fā)展。

[1]http://www.ieee802.org/11/Reports/802.11_Timelines.htm.

[2]http://www.engadget.com/2011/02/08/study-802-11acdevices-to-hit-the-one-billion-mark-in-2015-get/.

[3]https://mentor.ieee.org/802.11/dcn/09/11-09-0161-02-00ac-802-11ac-usage-model-document.ppt.

[4]http://mentor.ieee.org/802.11/dcn/10/11-10-1361-03-00acproposed-tgac-draft-amendment.docx.

[5]張炳超，黎海濤. 一種多用戶MIMO系統(tǒng)公平調(diào)度算法[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報, 2010,(2).

[6]張炳超，黎海濤. 一種多用戶調(diào)度多天下SLNR波束成型方法[A].中國電子學(xué)會第十五界青年學(xué)術(shù)年會[C]. 2009.

[7]IEEE 802.11-09/0992r11,Specification Framework for TGac[S].

[8]Paulraj A, Gore D, Nabar R, et al.An overview of MIMO communications: a key to gigabit wireless[J]. Proceedings of the IEEE, 2004,92(2): 198-218.

[9]Li T J，Ni Q，Malone D, et al. Aggregation with fragment retransmission for very high-speed WLAN[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2009,17(2): 591-604.

[10]Heath R，Paulraj J. Switching between diversity and multiplexing in MIMO systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2005,53(6):962-968.