下一代WLAN技术IEEE 802.11ac

郭正跃

（中国移动通信集团设计院有限公司上海分公司，上海 200060）

1 概述

1.1 标准引入背景

WLAN无线接入技术已被广泛应用于宽带接入网领域，解决与终端“最后一百米”的接入问题，同时满足用户移动使用数据业务的需求，当前已在各类公共服务区域、企业、个人家庭中广泛使用，目前WLAN接入技术标准主要有IEEE 802.11b/g（2.4 GHz), IEEE 802.11a（5.8 GHz）,以及当前主流采用的IEEE 802.11n接入技术，已能够提供高速的无线数据业务接入服务，但随着无线数据业务需求爆发式增长以及其它高速无线接入手段LTE、WiMAX等无线通信系统的涌现，IEEE已着手开始制定IEEE 802.11ac标准，通过采用新的无线空口接入技术，进一步大幅提升WLAN技术接入能力，提升下一代WLAN在各种无线接入系统中的竞争能力。

1.2 标准能力定位

IEEE 802.11ac是继802.11n的下一代无线局域网新技术标准，目标是带来吉比特级别的无线局域网传输速度。802.11ac定位仍然是工作在6 GHz频率以下，较之802.11n技术，其通过在空口采用更宽的频率带宽（增至80 MHz，最高达到160 MHz），采用多用户MIMO，以及采用更高的编码方式（最高可达256QAM）等先进技术，使得802.11ac的理论传输速度最高达到1 Gbit/s（多终端总吞吐率），最大单流吞吐量可达到500 Mbit/s。

1.3 标准进程概况

规范制定方面，2011年1月IEEE确认了802.11ac首版规范草案，标准终稿预计于2012年底完成，并于2013年底最终通过802.11工作组的审核完成定稿[1]。

产品推出方面，截至2011年9月，尚未有任何支持802.11ac技术的产品，根据国外研究机构In-Stat研究预期，预计2012年推出第一个支持802.11ac的网络设备，但在未来3年内将有明显的高速发展，于2015年达到市场1亿元以上装置的规模，在全球范围实现普及[2]。

表1 场景配置类型

2 802.11ac关键技术

2.1 802.11ac新技术概述

IEEE 802.11ac与802.11n相比，主要具有如下特点。

（1）更宽的频带带宽：与802.11n最大40 MHz相比，要求至少达到80 MHz，160 MHz可选。

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

（3）支持MU-MIMO:与802.11n仅支持MIMO相比，802.11ac支持多个终端（每个终端有一个或多天线）同时发射接收独立的数据流。MU-MIMO支持SDMA，即数据流空间上分解。

（4）调制方式：与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 新应用场景配置模式

由于采用了MU-MIMO技术，802.11ac将可以支持诸如多终端共享高清电视、无线高清显示、大型园区会展调度等新的业务应用类型。举例来说，假设采用256QAM，5/6速率调制方式[3]。

2.3 调制方式

在802.11ac 标准中，最高调制技术可达256QAM，这样大约有10%的实际频率调制效率提升（相对在802.11n中最大64QAM）。信噪比与编码方式成正比，高信噪比信号对应高速率编码方式（MCS），下表列出了不同MCS对应的调制方式。由表2可以看出当MCS达到8或9，系统采用256QAM调制方式[4]。

表2 MCS 与调制速率对照表

由于WLAN频段是开放频段，可被多种无线技术利用，因此无线设备间的干扰是一个值得关注的问题，只有达到一定的信噪比要求，调制和速率编码才能达到理想的256QAM方式。

2.4 MU-MIMO技术

2.4.1 MIMO技术简介

多输入输出（MIMO）技术是新一代宽带无线通信系统的关键技术之一。MIMO技术是指在接收端和发送端同时配置多副天线的无线通信系统，是实现新一代宽带移动通信系统高数据速率，高频谱利用率和高传输质量的重要途径。

目前，MIMO技术的发展已经从点对点的单用户(SU-MIMO)扩展到多用户的MIMO系统(MUMIMO)。在SU-MIMO中，所有的发射信号的空间流都是为单个无线站点（STA）服务的，采用MU-MIMO系统的波束成形技术，发射信号的各个空间流子集可以分别发送给多个无线站点。

基于波束成形（Beam-forming）的MU-MIMO系统中，通过对用户进行合理调度，能获得公平的多用户分集增益，同时波束成形技术能有效抑制用户间共同信道干扰，从而有效增加了系统性能。在802.11ac中采用的MU-MIMO技术可以同时获得空间复用增益和多用户分集增益，大大提高系统吞吐量。

2.4.2 MU-MIMO技术实现

802.11 ac可采用MU-MIMO系统的波束成形技术，发射信号的各个空间流子集可以分别发送给多个无线站点。基于波束成形的MU-MIMO系统中，通过对用户进行合理调度，能获得公平的多用户分集增益，同时波束成形技术能有效抑制用户间共同信道干扰，从而有效增加了系统性能。在802.11ac中采用的MUMIMO技术可以同时获得空间复用增益和多用户分集增益，大大提高系统吞吐量。

MIMO系统可以分为单用户MIMO和多用户MIMO通信系统，本文介绍的是多用户MIMO下行链路，即广播通信链路，由一个基站同时向多个用户发送信息。

和单用户MIMO相比，多用户MIMO具有以下几个突出优点。

（1）由于采用多用户复用，多用户MIMO能带来多址接入容量的直接增益（和基站天线数成正比）。

（2）利用多用户复用，多用户MIMO能突破困扰单用户MIMO通信的许多限制，如信道矩阵秩丢失或天线相关。

（3）在用户终端只有单天线的情况下，多用户MIMO仍能获得空间复用增益，因此有利于开发体积小而且便宜的终端。

MU-MIMO系统是选择待发射用户数据流，然后把选出的用户数据流通过每副天线同时发送到信道，如图1所示。

图1 多用户MIMO示意图

基站安装N副天线，有K个用户，每个用户安装M副天线。

设计多用户MIMO传输方案是要选择多个用户同时进行传输，即采用SDMA方案；其次，虽然复用增益受发送天线数限制，资源分配技术有助于利用多用户MIMO系统的增益，当考虑线性波束成形技术时，选择一个好的用户子集并确定分配给该子集内各个用户的功率，就能最大化实现每个用户的数据率要求。

3 MU-MIMO业内先进解决方案

3.1 多用户调度公平性的解决

在实际通信环境下，不同用户的信道增益不同，一般的用户调度方法是从信道增益出发，但是此调度算法将导致信道条件好的用户获得的通信机会更多，存在用户间公平性的问题。

为克服此缺陷，相关文献提出改进的用户调度算法。目前有文献[5]提出算法先根据信道条件数的方法初选出用户，然后统计每个用户被选择的次数，如果次数之差的绝对值大于设定的门限值n，就选择次数少的用户而不选择次数多的用户。这样既能获得多用户分集增益，又能保证所有用户都能得到通信机会。如图2所示，采用公平调度算法前后容量与用户调用次数对比图。

本质上，采用此种算法是以牺牲系统总体吞吐量来换取公平性的，当门限值n值越来越小，系统容量逐渐减小，n值取太大则公平性改善不明显；因此如采用此种算法，n值取值应根据热点区域网络运营策略与热点区域承载业务需求种类具体确定。

3.2 多用户间干扰的解决

由于基站发送给用户的信息是同时同频的，每个用户必然都会受到其他用户的干扰，这里介绍一种利用发射端的信号泄露性噪比(SLNR)波束成形方法来解决多用户MIMO下行链路中的干扰。该方法有如下优势。

（1）通过对发射端的波束成形处理，可以有效消除下行链路的多用户干扰，大大提高系统容量。

（2）可以大大简化接收机的算法，解决终端功耗和体积问题。

（3）由于发射端准确知道各用户数据，所以采用反馈干扰抵消的方法不存在误码扩散问题，性能更优。

SLNR波束成形方法其原理是假设MIMO系统中各用户间的信道响应是不相关的。发射波束成形就是发射机用一组权向量作用在发射天线上的发射信号。如果接收机也使用多天线接收信号，那么接收机也使用另外一组权向量来组合天线上的接收机信号。这种波束成形是任意维的。

SLNR波束成形方法突破了传统MIMO发送天线数大于接收天线数的限制，能有效抑制用户间共信道干扰，性能优于传统波束成形方法。但一般的信号泄露信噪比波束成形方法仅是随机选择用户。考虑到多个用户共享空间信道，通过调度可以获得多用户分集增益而提高网络的平均容量。

在多用户通信环境下，不同用户的信道增益不同。采用基于信道条件数的用户调度方法是从信道增益出发，先计算用户信道向量范数，选取最大范数对应的用户为初始用户；然后分别计算剩余用户和已选用用户信道向量组成的信道矩阵的条件数，选取最小条件对应的用户；以此类推选出其余用户。

图2 采用一般调度算法和采用公平性调度算法对比

由于采用SLNR波束成形，无论接收天线数小于，等于，还是大于发射天线数，都有较好的误比特率性能；采用基于信道条件数的用户调度后BER曲线具有明显改善。

4 小结

本文介绍了下一代WLAN技术802.11ac标准的技术概况与新技术特性，重点介绍了802.11ac MUMIMO的应用，并综合业内技术发展情况，针对MUMIMO业内先进解决方案进行了介绍。可以看到，WLAN 802.11ac在空口MU-MIMO技术上与LTE关键通信技术有一定的相似处，作为无线通信领域近年来发展起来的新技术，MIMO技术在通信理论上还远没有完善，有很多的关键技术需要进一步研究，MIMO技术还在继续发展。同时，人们对高质量的无线通信系统的需求不断催生新的应用，无论是802.11ac 标准，还是具体的MIMO技术，在通信系统中的实际应用需求将不断促进无线接入技术的进一步飞速发展。

[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]张炳超，黎海涛. 一种多用户MIMO系统公平调度算法[J]. 中国电子科学研究院学报, 2010,(2).

[6]张炳超，黎海涛. 一种多用户调度多天下SLNR波束成型方法[A].中国电子学会第十五界青年学术年会[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.