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WLAN新技术IEEE 802.11n

作者:菲尼克斯(中国)投资有限公司孙林宝2013.01.05阅读 2850

  当今工业控制领域渗透着各式各样的无线技术,如:WLAN、蓝牙、WirelessHART、GSM/GPRS、Trusted wireless、ZigBee等。WLAN广泛用于控制层与监控层之间的高速、可靠通讯,随着802.11n产品技术的推出, WLAN的应用范围必将进一步扩大,为汽车、冶金、物流、港口、机械制造等行业实现全面的信息集成、监控扫清最后的障碍。本文将对802.11n的重要新技术、新产品及应用作详细的阐述。
  何为IEEE 802.11n,它有什么样新特性?为工业自动化应用带来什么新的机会?
  IEEE 802.11n:Wi-Fi联盟在802.11a/b/g后面的一个无线传输标准协议,在当今各种无线局域网技术交织的战国时代,WLAN、蓝牙、HomeRF、UWB等竞相绽放,但IEEE 802.11系列的WLAN是应用最广泛的。自从1997年IEEE802.11标准实施以来,先后有802.11b、802.11a、802.11g、802.11e、802.11f、 802.11h、802.11i、802.11j等标准制定或者酝酿,但是WLAN依然面临带宽不足、漫游不方便、网管不强大、系统不安全和没有杀手级的应用等困局。就像当今VoIP应用中一个全新的领域VoWLAN那样,虽被业内人士看作是WLAN最有希望的杀手级应用,却因为这四个"不",很难进一步发展。为了实现高带宽、高质量的WLAN服务,使无线局域网达到以太网的性能水平,802.11n应运而生。
  600Mbps的美妙前景(现在,绝大部分的工业级802.11n无线产品已能够实现300Mbps的传输速度),让最终客户难以抗拒。
  在传输速率方面,802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps,提高到300Mbps甚至高达600Mbps。得益于将MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的MIMO OFDM技术,提高了无线传输质量,也使传输速率得到极大提升。
  在覆盖范围方面,802.11n采用智能天线技术,通过多组独立天线组成的天线阵列,可以动态调整波束,保证让WLAN用户接收到稳定的信号,并可以减少其它信号的干扰。因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里,使WLAN移动性极大提高。
  在兼容性方面,802.11n采用了一种软件无线电技术,它是一个完全可编程的硬件平台,使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容,这使得WLAN的兼容性得到极大改善。这意味着WLAN将不但能实现802.11n向前后兼容,而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合,比如3G。
  MIMO技术:
  所谓的MIMO,就字面上看到的意思,是Multiple Input Multiple Output的缩写,大部分您所看到的说法,都是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发,所以可以增加数据传输率。然而比较正确的解释,应该是说,网络数据通过多重切割之后CONTROL ENGINEERING China版权所有,经过多重天线进行同步传送,由于无线讯号在传送的过程当中,为了避免发生干扰起见,会走不同的反射或穿透路径,因此到达接收端的时间会不一致。为了避免资料不一致而无法重新组合,接收端会同时具备多重天线接收,然后利用DSP重新计算的方式,根据时间差的因素,将分开的数据重新作组合,从而快速传送出正确的数据流。
  由于传送的数据经过分割传送,不仅单一数据流量降低,还可增加传送距离,又增加天线接收范围,因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的数据传输速度,而且又不用额外占用频谱范围,更重要的是,还能增加讯号接收距离。所以不少强调数据传输速度与传输距离的无线网络设备,纷纷开始抛开对既有Wi-Fi联盟的兼容性要求,而采用MIMO的技术,推出高传输率的无线网络产品。
  MIMO技术可以简单的认为多进多出(MIMO:Multiple Input Multiple Output)技术,是在上个世纪末美国的贝尔实验室提出的多天线通信系统,在发射端和接收端均采用多天线(或天线阵列)和多通道。因此我们今天看到的MIMO产品多数都不只一根天线。MIMO无线通信技术的概念是在任何一个无线通信系统,只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列,就构成了一个无线MIMO系统。MIMO无线通信技术采用空时处理技术进行信号处理,在多径环境下控制工程网版权所有,无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率,增加系统的数据传输速率。MIMO技术非常适用于室内环境下的无线局域网系统使用。采用MIMO技术的无线局域网系统在室内环境下的频谱效率可以达到20~40bps/Hz;而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1~5bps/Hz,在点到点的固定微波系统中也只有10~12bps/Hz。
  MIMO天线的原理:
  传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k),i =1 ,…, N 。这N子流由N个天线发射出去,经空间信道后由M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,从而实现最佳的处理。

1  MIMO系统的原理图

  特别是,这N个子流同时发送到信道,各发射信号占用同一频带,因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立,则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息,数据率必然可以提高。
  MIMO 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化, 从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
  MIMO通信技术包括以下领域:
  空分复用(Spatial Multiplexing):工作在MIMO天线配置下,能够在不增加带宽的条件下,相比SISO系统成倍地提升信息传输速率,从而极大地提高了频谱利用率。在发射端,高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流,不同的子数据流在不同的发射天线上和相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同,即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度,使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别,因此接收机能够区分出这些并行的子数据流,而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量,并且能够在"开环",即发射端无法获得信道信息的条件下使用。Foschini等人提出的"贝尔实验室分层空时"(BLAST)是典型的空间复用技术。
  空间分集(Spatial Diversity):利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料,以增强资料的传输品质。
  波束成型(Beamforming):借由多根天线产生一个具有指向性的波束CONTROL ENGINEERING China版权所有,将能量集中在欲传输的方向,增加信号品质,并减少与其他用户间的干扰。
  OFDM技术:
  OFDM -- OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Multi-Carrier Modulation,多载波调制的一种。其主要思想是: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 ICI 。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。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。

2 正交频分复用 Orthogonal Frequency Division Multiplex(OFDM)

  2012年伊始,德国菲尼克斯电气隆重推出:WLAN 802.11n新产品WLAN 5100,完全兼容802.11a/b/g标准,并且通讯距离超过原来4倍以上,超过1.2km;通讯速度超过原来5倍以上控制工程网版权所有,达到300Mbps,使用轻松实现工业自动化系统信号传输,而且语音、视频信号传输也不在话下;区别原来以太网设备一对一组态配置,现在WLAN 5100产品还支持集群管理,一次性对所有设备进行组态配置下载,使客户使用更加方便快捷。
  同时可以为WLAN 5100 提供专门的控制箱,实现IP67防护等级的整体解决方案,客户可以根据不同的应用要求选配:电源天馈浪涌保护器、开关电源、接线端子等元器件。
  基本特征:
  ● 接入点,客户端,中继,WDS桥接
  ● WLAN 802.11 a/b/g/n (2.4 & 5 GHz)
  ● 3 x RSMA 天线连接www.cechina.cn,达 300 Mbps
  ● MIMO(多入多出) OFDM(正交频分复用)天线技术
  ● 可插入SD 存储卡,集成模式按扭,状态诊断批示 LED ,2x RJ45 (10/100 Mbps)
  ● 工作温度:-40 ~+ 60°C
  ● 集群管理,支持PROFINET工作模式
  ● DIN 导轨或安装板
  ● 供电电压:9..30 供电

图3  菲尼克斯电气WLAN5100

  应用领域:
  汽车制造、轨道交通、冶金、物流、机械制造、电力等

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