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智慧旅游-WIFI技术与覆盖摘要WIFI是一种短距离无线传输技术，有着高速、便捷的特点，可以使用户随时随地访问网络，目前已经在包括家庭、办公室，以及越来越多的旅游景区、酒店、咖啡屋、机场等公共场所得到了大范围的应用。而且WIFI前瞻性高，使得众多厂商都对其提供支持，WIFI领域的研发和市场将继续不断扩大。本文首先对WIFI技术进行了总体阐述，介绍了WIFI技术发展历程、WIFI网络研究现状及技术特点，然后从技术原理、优缺点等方面详细介绍了WIFI中采用的MIMO、OFDM、智能天线等关键技术，再经过对WIFI网络覆盖与优化的分析，重点研究了WIFI网络的应用。关键词：WIFI 技术 网络 覆盖 应用 1WIFI技术概述1.1 WIFI简介随着网络和通信技术的飞速发展，用户对无线通信的需求日渐突出，也出现了许多的无线通信协议。WIFI以其独特的优势越来越受到业界的关注，并显示出极大的应用前景。WIFI 的英文全称为wireless fidelity,是一种短距离无线传输技术，比较适合在办公室及家庭的环境下应用，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。WIFI是第一项得到广泛应用和部署的高速无线技术，目前已经得到了大范围的应用，包括家庭、办公室，以及越来越多的咖啡屋、酒店、机场等，而且现在的笔记本电脑，也几乎都可以实现WIFI接入的功能。它为用户提供了无线的宽带互联网访问。同时，它也是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。以前通过网线连接电脑，而现在则是通过无线电波来连网；常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用WIFI连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为“热点”。随着技术的发展，以及IEEE 802.11g 、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac等标准的出现，现在IEEE 802.11这个标准已被统称作WIFI。1.2 WIFI技术发展历程WIFI产品的标准是遵循IEEE美国电工电子技术协会所制定的802.11系列标准的，所以一般所谓的802.11X系列标准都属于WIFI。1990年IEEE802标准化委员会成立了IEEE802.11WLAN标准工作组，其主要任务是研究工作在分配给工业科技和医疗使用的2.4GHz频段，传输速率为1Mbps和 2Mbps的无线设备和网络发展的标准，并于1997年7月公布了该标准。IEEE802.11标准的制定推动了无线网络的发展，但由于传输速率只有12Mbps，该标准未能得到广泛的发展与应用。1999年IEEE通过了新的IEEE802.11a和IEEE802.11b标准。这两个频段都是免费的，即不需要授权的。IEEE802.11b定义了使用直接序列扩频调制技术，在2.4GHz频带实现速率为11Mbps的无线传输。由于DSSS技术的实现比OFDM容易，IEEE802.11b 标准的发展比IEEE802.11a快得多。在1999年年末首先出现了支持IEEE802.11b标准的产品，随后得到广泛商用并通过互通性测试。随着用户需求的增加又诞生了IEEE802.11a标准，IEEE802.11a定义了采用正交频分复用调制技术，在5G频段实现传输速率为 54Mbps的无线传输。采用OFDM调制技术的IEEE802.11a标准与IEEE802.11b相比具有两个明显的优点：提高了每个信道的最大传输速率1154Mbps、增加了非重叠的信道数。因此采用IEEE802.11a标准的WLAN可以同时支持多个相互不干扰的高速WLAN用户。不过这些优点是以兼容性和传输距离为代价的。IEEE802.11a和IEEE802.11b 工作在不同的频段，两个标准的产品不能兼容。由于传输距离的减小，要覆盖相同的范围就需要更多的IEEE802.11a接入点。2002年年初首次出现了支持IEEE802.11a标准的产品。2003年，IEEE颁布了802.11g，IEEE802.11g标准既能提供与IEEE802.11a相同的传输速率又能与已有的 IEEE802.11b设备后向兼容。IEEE802.11g也工作在ISM2.4GHz频段，在速率不大于11Mbps时仍采用DSSS调制技术，当传输速率高于11Mbps时则采用传输效率更高的OFDM调制技术。与IEEE802.11a相比IEEE802.11g的优点是以性能的降低为代价的。虽然OFDM调制技术能达到更高的速率，但2.4GHz频带的可用带宽是固定的，IEEE802.11g只能使用2.4Hz频段的3个信道，而IEEE802.11a在5GHz频带室内/室外可用的信道各有8个。由于IEEE802.11a的可用信道数比IEEE802.11g多，在相同传输速率下频道重叠少干扰就小，所以IEEE802.11a与IEEE802.11g相比具有较强的抗干扰能力。与此同时，一种新的应用模式即在家庭和小型办公室里可连接多个设备并在设备间进行数据共享，对无线局域网的数据传输速率提出更高要求，从而使得一个新的研究项目应运而生，这就是于2009公布的802.11n的由来。为了使单信道的数据速率最高可以超过100 Mbps，在802.11n标准中引入的MIMO（即多输入-多输出，或空间数据流）技术，利用物理上完全分离的最多4个发射和4个接收天线，对不同数据进行不同的调制/解调，来达到传输较高的数据容量的目的。IEEE内部设立了两个项目工作组，以“极高吞吐量（Very High Throughput）”为目标进行立项研究。其中一个工作组 （Working Group）TGac是以802.11n标准为基础并进行扩展，制定出802.11ac。对于802.11ac来说，理论上使用160 MHz带宽，8个空间流，MCS9编码，256QAM调制，最高速率能达到6.93Gbps。而真正可以使用的数据速率大概是1.56 Gbps。即在5GHz的频段上，数据吞吐量目标为：在单通道链路上的最低速率为500 Mb/s，最高可达到1Gbps。另一个工作组TGad与无线千兆比特联盟（Wireless Gigabit Alliance）联合提出802.11ad的标准，即在60GHz的频段上使用大约2GHz频谱带宽，这一尚未使用的频段可以在近距离范围内实现高达7Gbps 的传输速率。另外还有与现有设备的兼容性，在相同频段上与现有标准的后向兼容都是标准组织必须考虑的问题。802.11系列标准的目标之一就是后向兼容，对于802.11ac和ad来说主要考虑媒介控制层（MAC）或数据链路层与之前的标准的兼容性，而不同的只能是物理层上的特性。对于WLAN的设备可以支持三种无线制式：一般用途的使用在2.4GHz频段，但会受到同频干扰的问题；更稳定和较高速率的应用在5 GHz频段，使用60GHz频段用于室内的超高速率的应用，同时还能支持在这三种制式之间的转换。这两个新的标准目前都有技术草案。802.11ad的标准计划于2012年底完成，而802.11ac于2013年底完成。1.3 WIFI网络研究现状WIFI热已经让各个领域的企业毫不保留地投入其中。这里面包括电信运营商、集成商、通信设备提供商和IT厂商，以至那些从前与信息技术毫无瓜葛的酒店、机场，乃至小小的咖啡屋。WLAN是一个机会。相对于3G、宽带等其他技术，WLAN系统需要的投资要小得多，所以承担的风险也小得多。更为重要的是WLAN延伸了宽带业务，在无线局域网的基础上，运营商可以提供更为多样的宽带增值服务。运营商们这种争先恐后的局面，让众多正在寻求“后电信市场”商机的网络设备供应商们看到了新的希望，它们在快速转向企业网市场的同时，纷纷加大了对无线应用等预期市场的关注和投入。除了在热点地区建设WIFI网络以外，企业无线局域网是另一个庞大的市场。1.4 WIFI技术特点新一代的无线网络，将以无须布线和使用相对自由，建立起人们对无线局域网的全新感受。需求决定了市场的发展，很少见到哪种IT技术或是产品能够像它一样有如此迅猛的增长势头，不受任何约束随时随地访问互联网不再是梦想，其中，WIFI发挥了至关重要的作用。它是现在使用的最多的传输协议，有许多特点：（1）无须布线 WIFI最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，具有广阔市场前景。目前在无线城市、智慧旅游、智能交通、教育机构以及普通家庭等领域的应用都非常广泛。（2）高移动性 在无线局域网信号覆盖范围内,各个节点可以不受地理位置的限制进行任意移动。通常来说，AP支持的范围在室外是300米，在办公环境中达到10100米。在无线信号覆盖的范围内,都可以接入网络,而且可以在不同运营商和不同国家的网络间进行漫游。（3）长距离工作 基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右，约合15米，而WIFI的半径则可达300英尺左右，约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。而且解决了高速移动时数据的纠错问题、误码问题，WIFI设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证都得到了很好的解决。（4）传输速度快现有WIFI技术传输速率可以达到300Mbps，下一代WIFI标准可以达到1Gbps，符合个人和社会信息化的需求。（5）易扩展性无线局域网有多种配置方式,每个AP可以支持 100多个用户的接入,只需要在现有的无线局域网基础之上增加AP,就可以把几个用户的小型网络扩展成为几百、几千个用户的大型网络。 （6）健康安全 IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约6070毫瓦，这是一个什么样的概念呢？手机的发射功率约200毫瓦至1瓦间，手持式对讲机高达5瓦，而且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，所以是绝对安全的。 （7）成本低廉厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，架设费用和复杂程序远远低于传统的有线网络，从而节省了大量的成本。2WIFI关键技术2.1 MIMO技术2.1.1 MIMO技术概述MIMO又称为多入多出（Multiple-InputMultiple-Output）系统，指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，从而改善每个用户的服务质量（误比特率或数据速率）。MIMO技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。目前，各国已开始或者计划进行新一代移动通信技术的研究，争取在未来移动通信领域内占有一席之地。随着技术的发展，未来移动通信宽带和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题，而MIMO系统是人们研究较多的方向之一。MIMO技术最早是由马可尼于1908年提出的，利用多天线来抑制信道衰落。70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由Bell实验室学者完成的：1995年Telatar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出D-BLAST（DiagonalBellLabsLayeredSpace-Time)算法；1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人采用V-BLAST（VerticalBellLabsLayeredSpace-Time）算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得MIMO的研究工作得到了迅速发展。2.1.2 MIMO技术原理通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。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个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由N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。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。系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的MIMO系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=min(M,N)Blog2(/2)。其中B为信号带宽，为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，MIMO系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 2.1.3 MIMO的三种主要技术当前，MIMO技术主要通过3种方式来提升无线传输速率及品质：（1）空间复用：系统将数据分割成多份，分别在发射端的多根天线上发射出去，接收端接收到多个数据的混合信号后，利用不同空间信道间独立的衰落特性，区分出这些并行的数据流。从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。空间复用技术是在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，此时的空口信道容量随着天线数量的增加而线性增大，从而能够显著提高系统的传输速率。使用空间复用技术时，接收端必须进行复杂的解码处理。业界主要的解码算法有：迫零算法（ZF），MMSE算法，最大似然解码算法（MLD），分层空时处理算法（BLAST）。（2）传输分集技术，以空时编码为代表：在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率。空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接受端获得分集增益，但空时编码方案不能提高数据率。空时编码主要分为空时格码和空时块码。空时格码在不牺牲系统带宽的条件下，能使系统同时获得分集增益和编码增益。但是当天线个数一定时，空时格码的解码复杂度随着分集程度和发射速率的增加呈指数增加。为减小接收机的解码复杂度，Alamouti提出了空时块码（STBC）的概念，STBC使得接收端只需采用简单的线形处理进行解码，从而降低了接收机的复杂度。MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。（3）波束成型：系统通过多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，并减少对其他用户的干扰。波束成型技术又称为智能天线，通过对多根天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加，在其他方向形成相位抵消，从而实现信号的增益。当系统发射端能够获取信道状态信息时（如TDD系统），系统会根据信道状态调整每根天线发射信号的相位（数据相同），以保证在目标方向达到最大的增益；当系统发射端不知道信道状态时，可以采用随机波束成形方法实现多用户分集。2.1.4 MIMO三种技术的优缺点及应用场景空间复用能最大化MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益，在信噪比较小时使用，可能无法使用高阶调制方式，如16QAM等。无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空间复用的效果更加明显。无线信号在市郊、农村地区，多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空间复用的效果要差许多。对发射信号进行空时编码可以获得额外的分集增益和编码增益，从而可以在信噪比相对较小的无线环境下使用高阶调制方式，但无法获取空间并行信道带来的速率红利。空时编码技术在无线相关性较大的场合也能很好的发挥效能。因此，在MIMO的实际使用中，空间复用技术往往和空时编码结合使用。当信道处于理想状态或信道间相关性小时，发射端采用空间复用的发射方案，例如密集城区、室内覆盖等场景；当信道间相关性大时，采用空时编码的发射方案，例如市郊、农村地区。这也是3GPP在FDD系统中推荐的方式。波束成型技术在能够获取信道状态信息时，可以实现较好的信号增益及干扰抑制，因此比较适合TDD系统。波束成型技术不适合密集城区、室内覆盖等环境，由于反射的原因，一方面接收端会收到太多路径的信号，导致相位叠加的效果不佳；另一方面，大量的多径信号会导致DOA信息估算困难。2.2 OFDM技术2.2.1 OFDM技术原理随着通信需求的不断增长，宽带化已成为当今通信技术领域的主要发展方向之一，而网络的迅速增长使人们对无线通信提出了更高的要求。为有效解决无线信道中多径衰落和加性噪声等问题，同时降低系统成本，人们采用了正交频分复用（OFDM）技术。OFDM是一种多载波并行传输系统，通过延长传输符号的周期，增强其抵抗回波的能力，基本原理是：高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。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。与传统的均衡器比较，它最大的特点在于结构简单，可大大降低成本，且在实际应用中非常灵活，对高速数字通信量一种非常有潜力的技术。2.2.2 OFDM系统的关键技术（1）时域和频域同步OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中FDMA、TDMA利CDMA 等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其他数字通信系统 一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播发送同步信号，所以， 下行链路相对简单，容易实现。在上行链路中，来自不问移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交件。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行向步。具体实现时，同步将分为时域同步和领域同步，也可以时域和频域向时进行同步。（2）信道估计在OFDM系统中，信道估计主要有两个问题，一是导频信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道迈进行跟踪，因此导信息也必须个断地传送。二是复杂度较低的和导频跟踪能力良好的信道估计格的设计。（3）信道编码和交织为了提高数字通信系统性能，信通编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道的随机错误可以采用交织技术，通常还同时采用编码技术，以提高系统性能。（4）降低峰值平均功率比由于OFDM情号时域上表现为N个正交子裁波信号的叠加，当这N个信号恰恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将严生最大峰值，该峰值功率足平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但是为了不失真的传输OFDM信号，要求发射功率放大器有很高的线性度，从而导致发射效率极低。因此高的峰均比限制了OFDM系统的实际运用。2.2.3 OFDM技术的优点（1）OFDM具有非常高的频谱利用率。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，OFDM系统的各子信道信号的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。另外，OFDM的个子信道上还可以采用多进制调制（如频谱效率很高的QAM），进一步提高了OFDM系统的频谱效率，这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。（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。（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。2.2.4 OFDM技术的缺点（1）易受频率偏差阴影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交换提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的天线信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM系统于载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰(ICI)，这种对频率偏差的敏感件是0FDM系统的主要缺点之一。（2）存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信通信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比(PAPR)。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号频谱发个变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。2.3 MIMO-OFDM技术2.3.1 MIMO与OFDM的结合尽管OFDM有着种种优势，但是对于高速无线通信时代，单纯的OFDM系统传输容量仍无法大幅提高。MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。因此，MIMO与OFDM技术的结合成为一种优化组合，其频谱利用率高、信号传输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。总而言之，在MIMO-OFDM系统中，增加了频域的分集和复用作用，带来了更大的系统增益和系统容量。2.3.2 MIMO-OFDM系统的关键技术（1）MIMO空时信号处理技术空时信号处理是随着MIMO技术而诞生的一个崭新的概念，与传统信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两方面研究信号的处理问题。空时信号处理包括发射端的信令方案和接收端的检测算法。从信令方案的角度看，MIMO可以大致分为空时编码（STC:Space Time Coding）和空间复用（SM:Spatial Multiplexing）两种。将空间复用和空时编码相结合，能在保证每个数据流获得最小分集增益的条件下，最大化平均数据率，从而得到高频谱效率和传输质量的良好折中。（2）同步对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使MIMO-OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。为解决MIMO-OFDM的同步问题，出现了多种同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法，其中ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂、计算量大;而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对MIMO-OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。目前，对MIMO-OFDM技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。（3）信道估计 在MIMO-OFDM系统中，发送端编码和接收端信号检测都需要真实准确的信道状态信息。信道状态信息的准确性将直接影响着MIMO-OFDM系统的整体性能。然而对于MIMO-OFDM系统，不同的信号同时从不同的天线发射出去，对于每一个天线、每一个子载波都会对应很多个信道参数，信道参数太多，对信道估计带来了较大的困难。但对于不同的子载波，同一空分信道的参数是相关的，我们可以利用这一相关特性得到参数的估计方法。（4）信道纠错编码 纠错编码技术在现代数字通信的作用毋庸置疑，作为改善数字信道通信可靠性的一种有效手段，低复杂度、高性能的编码方案明显可以大大提高系统的性能。在数字通信领域，比较常用的编码方法主要有卷积码、分组码、Turbo码和LDPC（低密度奇偶校验）码。而其中最受人们关注、理论最成熟的是Turbo码和LDPC码。（5）自适应技术自适应传输的基本思想是根据传输信道的实际情况，改变发射功率的水平、每个子信道的符号传输速率、QAM星座大小、编码等参数或这些参数的组合以维持恒定的误码率。对于同一MIMO-OFDM通信系统的所有子载波来说，其误码率主要由经历衰落最严重的子信道决定。在频率选择性衰落信道中，随着平均信噪比的增加，系统的误码率下降十分缓慢。可以对不同的子信道选用不同的无线传输参数，即采用不同的发射功率、传输速率、调制和编码参数，使信噪比不同的每个子信道得到其最佳的一一对应的传输方案。简单地说，就是在不牺牲误码率的情况下，通过传输质量好的子信道采用高速传输，而在质量不好的子信道以降低传输速率等方式来提供较高的频谱使用效率。自适应技术大大减少了对均衡和交织的依赖，提升了通信系统的性能。2.4智能天线技术2.4.1智能天线概述许多因素限制了无线通信系统的性能和容量。这些因素包括：有限的频谱、时延扩展、同信道干扰和多径衰减。这些因素将导致最终用户会遇到整个音域的服务质量问题，包括从根本就没有声音到极快的传输速度等许多问题。为了解决这个问题的一个技术就是采用一种新的划算的智能天线技术。智能天线能够压制干扰信号、抗信号衰减和提高信号传输距离，从而提高无线系统的性能和容量。采用智能天线获得的信噪比增益将提高传输距离。然而，这种增益也可以解释为在802.11系统中数据速率的提高，因为更高的信噪比意味着更高的数据速率。2.4.2 智能天线系统（1）波束切换天线系统波束切换天线系统是在覆盖范围内产生多个不同指向的窄波束，每一时刻仅选择一个波束覆盖范围进行通信其中，每个波束可以由单个有向天线阵元(如喇叭口天线)产生，也可以由多个天线阵元组成天线阵产生，波束切换智能天线的“智能性”主要体现在其波束切换要受到波束选择算法的控制具体而言，在波束切换系统中，波束选择算法首先要确定用户处于哪个波束中，然后将开关切换到具有最佳接收性能的那个波束。波束切换系统使用固定的波束形成网络，一般在射频端实现这样的渡束切换系统存在一些局限首先，对于那些波达方向与期望接收分量方向十分接近的多径分量，系统无法保证期望分量免受其干扰其次，由于扇贝现象，无线设备接收到的功率电平要发生波动。扇贝现象是指当DOA与BFN产生的波束轴线发生偏离时，天线方向图的滚降系数将发生变化，是角度的函数通常BFN产生的波束在3dB点处交叉因此当无线设备从某个波束的中心移向边缘时，用户的信号强度要发生变化（2）波束形成天线系统波束形成天线系统由天线阵元间距小于或等于12电波波长的多个天线阵元构成可呈现为线阵、圆阵或面阵等不同几何分布，并可动态地调节各个天线的权值，利用电波相干叠加的原理减少干扰，实现系统容量的提升。自适应天线系统的波束形成过程(主要指阵列权值的调整)既可以在射频完成，也可以在中频或基带完成，但一般在基带进行波束形成比较简单，阵列值的自适应调整过程可以使阵列产生的波束方向动态地对准来波方向，并可以在干扰方向设置零陷，起到干扰抑制的作用，因此，在WLAN中运用自适应波束形成技术，除了可以提供波束切换系统能够提供的阵列增益外，还可以提供干扰抑制增益，从而有效地提高系统容量和传输速率。（3）分集天线系统分集天线系统由阵元间距远大于电波波长的多个天线构成，其几何分布可以具有不规则性和任意性在大多数散射环境中，分集天线是一种非常有效的抵御多径衰落的方法，通过使接收到的多径信号变成互不相关的信号，从而达到改善系统接收性能的目的。分集天线同波束形成天线的最大不同在于：前者要求分集用的多信号彼此之间经历的独立衰落，而后者则要求多个天线阵元上的多信号彼此之间应具有理想的相关性。另外，分集天线更适合应用于宽带系统。3.WIFI网络覆盖优化3.1 无线局域网络3.1.1无线局域网络组建方法可以简单也可以复杂，最简单的网络可以只要两个装有无线适配卡的 PC，放在有效距离内，这就是所谓的对等网络，这类简单网络无需经过特殊组合或专人管理，任何两个移动式PC之间不需中央服务器就可以相互对通。无线网络访问点可增大Ad-Hoc网络移动室PC 之间的有效距离到原来的两倍。因为访问点是连接在有线网络上，每一个移动式 PC 都可经服务器与其它移动式PC 实现网络的互连互通，每个访问点可容纳许多PC，视其数据的传输实际要求而定，一个访问点容量可达15到63个PC。 无线网络交换机和PC 之间有一定的有效距离，在室内约为 150米，户外约为 300米。在大的场所例如仓库中或在学校中，可能需要多个访问点，网桥的位置需要事先考察决定，使有效范围覆盖全场并互相重叠，使每个用户都不会和网络失去联络。用户可以在一群访问点覆盖的范围内漫游。访问点把用户在不知不觉中从一个访问点的覆盖范围转移到另一个访问点的覆盖范围，确保通讯不会中断。 为了解决覆盖问题，在设计网络时可用接力器来增大网络的转接范围，接力器看起来和功能上都像是访问点，但接力器并不接在有线网络上。接力器望文生义，其作用就是把信号从一个AP传递到另一个AP或EP 来延伸无线网络的覆盖范围。EP可串在一起，将讯号从一个AP传递到遥远的地方。若要将在第一栋楼内无线网络的范围扩展到一公里甚至数公里以外的第二栋楼，其中的一个方法是在每栋楼上安装一个定向天线，天线的方向互相对准，第一栋楼的天线经过网桥连到有线网络上，第二栋楼的天线是接在第二栋楼的网桥上，如此无线网络就可接通相距较远的两个或多个建筑物。3.1.2无线局域网络的拓扑结构 无线局域网的拓扑结构可归纳为两类，即无中心网络和有中心网络。 （1）无中心网络 无中心网络是最简单的无线局域网结构，又称为无AP网络、对等网络或Ad-Hoc。它由一组有无线接口的计算机、无线客户端组成一个独立基本服务集，这些无线客户端由相同的工作组名、ESSID和密码，网络中任意两个站点之间均可直接通信。 无中心网络一般使用公用广播信道，每个站点都可竞争公用信道，而信道接入控制MAC协议大多采用CSMA载波监测多址接入类型的多址接入协议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、成本较低。这种结构的缺点是当网络中用户数量、站点数量过多时激烈的信道竞争将直接降低网络性能。此外，为了满足任意两个站点均可直接通信，网络中的站点布局受环境限制较大。因此这种网络结构仅适应于工作站数量相对较少，一般不超过15台的工作群，并且这些工作站应离得足够近。 （2）有中心网络有中心网络也成结构化网络，它由一个或多个无线AP以及一系列无线客户端构成。在有中心网络中，一个无线AP以及与其关联的无线客户端被称为一个BSS，两个或多个BSS可构成一个ESS扩展服务集。有中心网络使用无线AP作为中心站，所有无线客户端对网络的访问均由无线AP控制。这样，当网络业务量增大时，网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不强烈。由于每个站点只要在中心站覆盖范围内就可与其他站点通信，故网络布局受环境限制比较小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑访问点。有中心网络拓扑结构的弱点是，抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，并且中心站点的引入增加了网络成本。3.2 WIFI无线局域网络的组成部分IEE E 8 0 2.11体系由若干部分组成，这些元素通过相互作用来提供无线局域网服务，并向上层支持站点的移动性.这些基本的组成部分有：（1）站点。这是网络最基本的组成部分，可以是一台PC机，也可以是如PDA等手持无线设备。（2）基本服务单元BSS。8 02.11标准规定的无线局域网的最小构件。一个基本服务单元BSS包括一个基站和若干个站点，所有的站点在本BSS内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站点通信时都必须通过本BSS的基站.最简单的服务集可以只由两个站点组成，每个站点都可以动态的联结到基本服务单元中。（3）分配系统DS。用于连接不同的基本服务单元.分配系统通过必要的逻辑服务将匹配地址分配给目标站点，使移动终端设备得到支持，并在多个BSS间实现无缝整合。正是分配系统DS，使扩展服务单元ESS对上层的表现就像一个基本服务单元BSS一样。（4）接入点AP。基本服务单元里面的基站就叫做接入点AP，但其作用和网桥相似。AP既有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。（5）扩展服各单元ESS 。由分配系统和基本服务单元组合而成。一个基本服务单元可以是孤立的，也可以通过接入点AP连接到主干分配系统DS，然后再接入到另一个基本服务单元BSS，这样就构成了一个扩展服务单元ESS.（6）门桥。802.11定义的新名词，作用就相当于网桥。用于将无线局域网和有线局域网或者其他网络联系起来。所有来自非802.11局域网的数据都要通过门桥才能进入IEEE 802.11的网络结构。门桥可以使这两种类型的网络实现逻辑上的综合。3.3 WIFI无线局域网构建的约束条件近几年WIFI技术的发展不仅使其在企业和家庭范围得到了广泛的应用，在一些条件比较特殊、有线网不易架设的环境下尤其得到了发展。电信运营商也在热点地区，如机场、宾馆、会议中心等地布设的WLAN，更使人们方便的享受着无线服务业务。无线局域网的构建除了具有快速、方便等特点外，成本低廉也越来越成为一个重要因素。随着厂家对WIFI产品和技术的不断投入，接入点、天线和无线网卡等基本设备越来越便宜。构建一个无线网络以及设计应用方案首先要考虑客户需求。对于无线局域网来说，评估客户需求必须要考虑接入网络的接入点数量、数据类型以及流量。（1）接入点数量。架设无线网络首先要考虑到节点数量，也就是要用多少节点天线或者接入点。最简单的计算方法就是考虑在30m X 50m的空间里有多少用户端也就是站点。如果站点少于50个，那么在这个区域有一个接入点就够了。如果多于50个，为保证通信质量就要考虑多个接入点了。同时也要考虑网络的拓扑结构和接入点AP的最理想位置。（2）数据类型。数据类型也是架设网络的重要因素。数据类型一般包括视频流、音频流(VoIP)和普通数据。无线网络所要支持的数据类型决定了设备的选取和QOS的配置。（3）数据流量。数据流量的相关参数决定了要架设的无线网络的性能指标。要保证无线网络能提供可靠稳定的服务，对客户需求的数据流量进行评估是必不可少的。评估必须报告每个站点的流量需求以及总的需求。还有一些如延时、带宽、广播还是单播等网络约束条件，有了这些参数，我们才能配置和构架与之相对应的无线网络。例如，如果客户对数据流量要求比较高，我们可以多加一个接入点AP，或在接入点AP上加一块无线网卡使该接入点可以提供两个接口，以保证客户的带宽和最优的延时。3.4 WIFI无线局域网络覆盖及优化3.4.1 WIFI覆盖区域类型（1）多楼层多间隔室内区域（A类）：酒店/宾馆、写字楼、办公楼、医院、高校教学楼、图书馆等。（2）大范围室内开阔区域（B类）：机场候机厅、火车站候车厅、会展中心展览区、各类卖场、室内体育馆、大型记者招待室等。 （3）小范围室内覆盖（D类）： 咖啡厅、茶室等休闲场所、西餐厅/快餐连锁店、联通/银行营业厅、汽车4S店、小型酒店会议室、小型商业楼宇会议室等。（4）住宅小区（C类）：普通住宅楼、大型住宅小区、超大型小区（5）室外区域（E类）：室外休闲广场、步行街、室外体育馆、校园、工业园区等。3.4.2 WIFI覆盖优化（1）室外AP覆盖室外AP覆盖往往采用大功率AP和高增益天线，室外型AP由外向里发送信号，阻隔较少，高功率穿透力强。其应用场景主要是室外、没有室内覆盖的区域或小型楼宇，主要针对C类进行覆盖。该方式存在以下需要注意的问题：室外WIFI信号和室内WIFI信号之间存在干扰，该方案需要对室内网络部署具有很强的控制能力，因此不适合提供家庭接入覆盖;由于室内需要共享接入到室外WIFI接入设备，该方案需要考虑到信号覆盖和接入需求之间的关系;WIFI为共享带宽，无法保障单个用户的带宽；AP的连接可采用有线中继、5.8GHzWIFI网桥或MESH网络;采用室外覆盖方式建设时，应积极考虑共用GSM基站资源。WIFI可共用的基站资源为机房、电源、传输、抱杆和铁塔等基础设施，暂不考虑共用GSM基站天馈线系统。如果是对高层楼宇进行室外AP覆盖，大中城市商务区热点楼层高度一般在20层以上。根据经验，一套室外AP设备配合定向天线，可以覆盖约7层高的楼。由于楼层较高，天线的垂直覆盖角度达不到要求，由于入射角度大，信号只有进行多次反射才能到达，因此会变得很弱。为了减小入射角度，那么就需要高楼附近能提供能使天线入射角度变小的楼房。 （2）室内AP覆盖依据室内分布系统建设情况WIFI建设有以下几种思路： 新建室内分布系统新建工程方案设计规范中必须要求对WIRI进行规划，对合路器的损耗及满足所有网络边缘场强的要求提供研判。对于存在需求的室分站点，需对WIFI系统组网、系统容量及天线出口功率进行设计，建议采用二级合路方式进行设计。建设思路分为三个阶段：合理地将WIFI融入多网方案的设计中并确保可实施性及具备良好的覆盖效果，做好WIFI接口预留但并不施工；多网系统施工阶段安装WIFI设备只覆盖大厅及电梯厅等公共区域；完全依据方案设计对新建楼宇进行WIFI全覆盖。建网初期可根据楼宇的性质及重要性进行组网。WIFI全覆盖预计投资将增加30%，但避免了二次进场施工。已建室内分布系统将WIFI合路进现有室分系统不仅可以节约投资，而且利用现有传输等资源大大缩短了建网周期，是一种比较理想的建设思路。但由于大多数站点前期未做WIFI系统进行规划，改造难度显而易见。对原有室内覆盖系统进行改造，需要注意无线频率、馈线损耗、源器件频段、发射功率、接收灵敏度等问题，改造室内分布系统时应考虑同时满足GSM/DCS/3G/WIFI共用室内分布系统需求。 （3）独立AP布点覆盖方案一般来说，普通办公环境，要求中等密度连续覆盖时，或者用户只对若干个单个房间实现热点覆盖的情况下，AP的规划较为简单。比如酒店的公共休息区、小酒吧、咖啡厅、西餐厅等区域，通常面积都不大（小于100平方米），每个场所所放一个AP即可满足覆盖要求。对于大面积区域或者稍复杂的应用环境，且用户对传输速率和信号质量要求较高时，建设WIFI时需要对AP的架设位置、AP采用频点、AP隔离距离等进行专门的规划。此类区域的WIFI规划，首先，需要综合考虑覆盖和容量两方面的因素，在了解用户覆盖范围和覆盖密度需求的基础上，确定该网络所需AP数量及其摆放位置；然后，再根据各AP的摆放位置，参考一定原则来确定各AP 应设定占用的频点。从覆盖角度而言，需考虑现场的无线传播环境、空间面积、平面分布、建筑材料等来确定单个AP在该空间内可能的覆盖范围和效果。从容量角度而言，要收集预计该区域内客户端可能的用户数量与密度，应注意用户对数据速率的要求、同时联机数量等种种因素，这些因素都会影响到联机的质量和速率，故依实际环境的不同，规划方案也会有较大差异。（4）交叉补点覆盖方案进行中大型规模的室内覆盖，系统结构设计较复杂，工程改造量相对较小，采用WIFI信号源接入室内分布系统，辅以独立AP布点覆盖少数盲点，最终达到无缝覆盖的良好效果。既可满足公共场所开阔地带，如楼宇大厅、电梯厅、机场的覆盖要求，又可兼顾如写字楼、政府部门办公楼、宾馆、酒店、会议中心等存在中度容量需求。AP信号源接入分布系统，设计要求及硬件改造要求与共GSM、WCDMA分布式系统覆盖方案基本相同。当原有GSM室内系统的天线分布位置不满足WIFI的覆盖能力、范围要求时，可不考虑对天线做移动或通过改变功率分配器增加终端天线，而是采用独立AP规划方法，对少量热点进行覆盖补盲。4WIFI网络应用4.1 WIFI网络应用现状 4.1.1 WIFI网络应用概述WIFI网络目前已经得到了比较广泛的使用，WIFI热已经让各个领域的企业毫不保留地投入其中。这里面包括电信运营商、集成商、通信设备提供商和IT厂商，以至那些从前与信息技术毫无瓜葛的酒店、机场，乃至小小的咖啡屋。现在WIFI的覆盖范围越来越广