摘要：上個(gè)世紀(jì)末802.11標(biāo)準(zhǔn)橫空出世，尤其2008年以來(lái)在工業(yè)控制領(lǐng)域，WLAN正面臨一個(gè)快速成長(zhǎng)的時(shí)代。WLAN技術(shù)跟隨整個(gè)IT技術(shù)一起，推動(dòng)制造業(yè)信息化，提高生產(chǎn)效率，為工業(yè)企業(yè)“創(chuàng)造”生產(chǎn)力！
關(guān)鍵詞: IEEE 802.11a/b/g/n、SISO、MIMO、OFDM、WLAN
當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域滲透著各式各樣的無(wú)線技術(shù)，如：WLAN、藍(lán)牙、WirelessHART、GSM/GPRS、Trusted wireless、ZigBee等。WLAN廣泛用于控制層與監(jiān)控層之間的高速、可靠通訊，隨著802.11n產(chǎn)品技術(shù)的推出， WLAN的應(yīng)用范圍必將進(jìn)一步擴(kuò)大，為汽車、冶金、物流、港口、機(jī)械制造等行業(yè)實(shí)現(xiàn)全面的信息集成、監(jiān)控掃清最后的障礙。本文將對(duì)802.11n的重要新技術(shù)、新產(chǎn)品及應(yīng)用作詳細(xì)的闡述。
何為IEEE 802.11n，它有什么樣新特性？為工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用帶來(lái)什么新的機(jī)會(huì)？
IEEE 802.11n：Wi-Fi聯(lián)盟在802.11a/b/g后面的一個(gè)無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在當(dāng)今各種無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)交織的戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，WLAN、藍(lán)牙、HomeRF、UWB等競(jìng)相綻放，但I(xiàn)EEE 802.11系列的WLAN是應(yīng)用最廣泛的。自從1997年IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來(lái)，先后有802.11b、802.11a、802.11g、802.11e、802.11f、 802.11h、802.11i、802.11j等標(biāo)準(zhǔn)制定或者醞釀，但是WLAN依然面臨帶寬不足、漫游不方便、網(wǎng)管不強(qiáng)大、系統(tǒng)不安全和沒(méi)有殺手級(jí)的應(yīng)用等困局。就像當(dāng)今VoIP應(yīng)用中一個(gè)全新的領(lǐng)域VoWLAN那樣，雖被業(yè)內(nèi)人士看作是WLAN最有希望的殺手級(jí)應(yīng)用，卻因?yàn)檫@四個(gè)“不”，很難進(jìn)一步發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的WLAN服務(wù)，使無(wú)線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平，802.11n應(yīng)運(yùn)而生。
600Mbps的美妙前景(現(xiàn)在，絕大部分的工業(yè)級(jí)802.11n無(wú)線產(chǎn)品已能夠?qū)崿F(xiàn)300Mbps的傳輸速度)，讓最終客戶難以抗拒。
在傳輸速率方面，802.11n可以將WLAN的傳輸速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps，提高到300Mbps甚至高達(dá)600Mbps。得益于將MIMO（多入多出）與OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)相結(jié)合而應(yīng)用的MIMO OFDM技術(shù)，提高了無(wú)線傳輸質(zhì)量，也使傳輸速率得到極大提升。
在覆蓋范圍方面，802.11n采用智能天線技術(shù)，通過(guò)多組獨(dú)立天線組成的天線陣列，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整波束，保證讓W(xué)LAN用戶接收到穩(wěn)定的信號(hào)，并可以減少其它信號(hào)的干擾。因此其覆蓋范圍可以擴(kuò)大到好幾平方公里，使WLAN移動(dòng)性極大提高。
在兼容性方面，802.11n采用了一種軟件無(wú)線電技術(shù)，它是一個(gè)完全可編程的硬件平臺(tái)，使得不同系統(tǒng)的基站和終端都可以通過(guò)這一平臺(tái)的不同軟件實(shí)現(xiàn)互通和兼容，這使得WLAN的兼容性得到極大改善。這意味著WLAN將不但能實(shí)現(xiàn)802.11n向前后兼容，而且可以實(shí)現(xiàn)WLAN與無(wú)線廣域網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，比如3G。
MIMO技術(shù)：
所謂的MIMO，就字面上看到的意思，是Multiple Input Multiple Output的縮寫，大部分您所看到的說(shuō)法，都是指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)通過(guò)多重天線進(jìn)行同步收發(fā)，所以可以增加數(shù)據(jù)傳輸率。然而比較正確的解釋，應(yīng)該是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過(guò)多重切割之后，經(jīng)過(guò)多重天線進(jìn)行同步傳送，由于無(wú)線訊號(hào)在傳送的過(guò)程當(dāng)中，為了避免發(fā)生干擾起見(jiàn)，會(huì)走不同的反射或穿透路徑，因此到達(dá)接收端的時(shí)間會(huì)不一致。為了避免資料不一致而無(wú)法重新組合，接收端會(huì)同時(shí)具備多重天線接收，然后利用DSP重新計(jì)算的方式，根據(jù)時(shí)間差的因素，將分開(kāi)的數(shù)據(jù)重新作組合，從而快速傳送出正確的數(shù)據(jù)流。
由于傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分割傳送，不僅單一數(shù)據(jù)流量降低，還可增加傳送距離，又增加天線接收范圍，因此MIMO技術(shù)不僅可以增加既有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且又不用額外占用頻譜范圍，更重要的是，還能增加訊號(hào)接收距離。所以不少?gòu)?qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速度與傳輸距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，紛紛開(kāi)始拋開(kāi)對(duì)既有Wi-Fi聯(lián)盟的兼容性要求，而采用MIMO的技術(shù)，推出高傳輸率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
MIMO技術(shù)可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為多進(jìn)多出（MIMO：Multiple Input Multiple Output）技術(shù)，是在上個(gè)世紀(jì)末美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的多天線通信系統(tǒng)，在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或天線陣列）和多通道。因此我們今天看到的MIMO產(chǎn)品多數(shù)都不只一根天線。MIMO無(wú)線通信技術(shù)的概念是在任何一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個(gè)天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個(gè)無(wú)線MIMO系統(tǒng)。MIMO無(wú)線通信技術(shù)采用空時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，在多徑環(huán)境下，無(wú)線MIMO系統(tǒng)可以極大地提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。MIMO技術(shù)非常適用于室內(nèi)環(huán)境下的無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)使用。采用MIMO技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下的頻譜效率可以達(dá)到20～40bps/Hz；而使用傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)在移動(dòng)蜂窩中的頻譜效率僅為1～5bps/Hz，在點(diǎn)到點(diǎn)的固定微波系統(tǒng)中也只有10～12bps/Hz。
MIMO天線的原理：
圖1 MIMO系統(tǒng)的原理圖
傳輸信息流S（k）經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流Ci（k），i =1 ,…， N 。這N子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。
特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。
MIMO 將多徑無(wú)線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化， 從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。
