摘要：上個世紀末802.11標準橫空出世，尤其2008年以來在工業(yè)控制領(lǐng)域，WLAN正面臨一個快速成長的時代。WLAN技術(shù)跟隨整個IT技術(shù)一起，推動制造業(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
當今工業(yè)控制領(lǐng)域滲透著各式各樣的無線技術(shù)，如：WLAN、藍牙、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)用范圍必將進一步擴大，為汽車、冶金、物流、港口、機械制造等行業(yè)實現(xiàn)全面的信息集成、監(jiān)控掃清最后的障礙。本文將對802.11n的重要新技術(shù)、新產(chǎn)品及應(yīng)用作詳細的闡述。
何為IEEE 802.11n，它有什么樣新特性？為工業(yè)自動化應(yīng)用帶來什么新的機會？
IEEE 802.11n：Wi-Fi聯(lián)盟在802.11a/b/g后面的一個無線傳輸標準協(xié)議，在當今各種無線局域網(wǎng)技術(shù)交織的戰(zhàn)國時代，WLAN、藍牙、HomeRF、UWB等競相綻放，但IEEE 802.11系列的WLAN是應(yīng)用最廣泛的。自從1997年IEEE802.11標準實施以來，先后有802.11b、802.11a、802.11g、802.11e、802.11f、 802.11h、802.11i、802.11j等標準制定或者醞釀，但是WLAN依然面臨帶寬不足、漫游不方便、網(wǎng)管不強大、系統(tǒng)不安全和沒有殺手級的應(yīng)用等困局。就像當今VoIP應(yīng)用中一個全新的領(lǐng)域VoWLAN那樣，雖被業(yè)內(nèi)人士看作是WLAN最有希望的殺手級應(yīng)用，卻因為這四個“不”，很難進一步發(fā)展。為了實現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的WLAN服務(wù)，使無線局域網(wǎng)達到以太網(wǎng)的性能水平，802.11n應(yīng)運而生。
600Mbps的美妙前景(現(xiàn)在，絕大部分的工業(yè)級802.11n無線產(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)，通過多組獨立天線組成的天線陣列，可以動態(tài)調(diào)整波束，保證讓WLAN用戶接收到穩(wěn)定的信號，并可以減少其它信號的干擾。因此其覆蓋范圍可以擴大到好幾平方公里，使WLAN移動性極大提高。
在兼容性方面，802.11n采用了一種軟件無線電技術(shù)，它是一個完全可編程的硬件平臺，使得不同系統(tǒng)的基站和終端都可以通過這一平臺的不同軟件實現(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將不但能實現(xiàn)802.11n向前后兼容，而且可以實現(xiàn)WLAN與無線廣域網(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法，都是指無線網(wǎng)絡(luò)訊號通過多重天線進行同步收發(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，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過多重切割之后，經(jīng)過多重天線進行同步傳送，由于無線訊號在傳送的過程當中，為了避免發(fā)生干擾起見，會走不同的反射或穿透路徑，因此到達接收端的時間會不一致。為了避免資料不一致而無法重新組合，接收端會同時具備多重天線接收，然后利用DSP重新計算的方式，根據(jù)時間差的因素，將分開的數(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，還能增加訊號接收距離。所以不少強調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速度與傳輸距離的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，紛紛開始拋開對既有Wi-Fi聯(lián)盟的兼容性要求，而采用MIMO的技術(shù)，推出高傳輸率的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
MIMO技術(shù)可以簡單的認為多進多出（MIMO：Multiple Input Multiple Output）技術(shù)，是在上個世紀末美國的貝爾實驗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無線通信技術(shù)的概念是在任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個無線MIMO系統(tǒng)。MIMO無線通信技術(shù)采用空時處理技術(shù)進行信號處理，在多徑環(huán)境下，無線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)境下的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)使用。采用MIMO技術(shù)的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境下的頻譜效率可以達到20～40bps/Hz；而使用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在移動蜂窩中的頻譜效率僅為1～5bps/Hz，在點到點的固定微波系統(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)過空時編碼形成N個信息子流Ci（k），i =1 ,…， N 。這N子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。
特別是，這N個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。
MIMO 將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)化， 從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。
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MIMO通信技術(shù)包括以下領(lǐng)域：
空分復(fù)用（Spatial Multiplexing）：工作在MIMO天線配置下，能夠在不增加帶寬的條件下，相比SISO系統(tǒng)成倍地提升信息傳輸速率，從而極大地提高了頻譜利用率。在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線上和相同頻段上發(fā)射出去。如果發(fā)射端與接收端的天線陣列之間構(gòu)成的空域子信道足夠不同，即能夠在時域和頻域之外額外提供空域的維度，使得在不同發(fā)射天線上傳送的信號之間能夠相互區(qū)別，因此接收機能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的頻率或者時間資源?？臻g復(fù)用技術(shù)在高信噪比條件下能夠極大提高信道容量，并且能夠在“開環(huán)”，即發(fā)射端無法獲得信道信息的條件下使用。Foschini等人提出的“貝爾實驗室分層空時”（BLAST）是典型的空間復(fù)用技術(shù)。
空間分集（Spatial Diversity）：利用發(fā)射或接收端的多根天線所提供的多重傳輸途徑發(fā)送相同的資料，以增強資料的傳輸品質(zhì)。
波束成型（Beamforming）：借由多根天線產(chǎn)生一個具有指向性的波束，將能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，增加信號品質(zhì)，并減少與其他用戶間的干擾。
OFDM技術(shù)：
OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實際上OFDM是MCM Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
圖2 正交頻分復(fù)用 Orthogonal Frequency Division Multiplex(OFDM)
2012年伊始，德國菲尼克斯電氣隆重推出：WLAN 802.11n新產(chǎn)品WLAN 5100，完全兼容802.11a/b/g標準，并且通訊距離超過原來4倍以上，超過1.2km；通訊速度超過原來5倍以上，達到300Mbps，使用輕松實現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)信號傳輸，而且語音、視頻信號傳輸也不在話下；區(qū)別原來以太網(wǎng)設(shè)備一對一組態(tài)配置，現(xiàn)在WLAN 5100產(chǎn)品還支持集群管理，一次性對所有設(shè)備進行組態(tài)配置下載，使客戶使用更加方便快捷。
同時可以為WLAN 5100 提供專門的控制箱，實現(xiàn)IP67防護等級的整體解決方案，客戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求選配：電源天饋浪涌保護器、開關(guān)電源、接線端子等元器件。
圖3 菲尼克斯電氣WLAN5100
基本特征：
?接入點，客戶端，中繼，WDS橋接
?WLAN 802.11 a/b/g/n (2.4 & 5 GHz)
?3 x RSMA 天線連接，達 300 Mbps
?MIMO(多入多出) OFDM（正交頻分復(fù)用）天線技術(shù)
?可插入SD 存儲卡，集成模式按扭，狀態(tài)診斷批示 LED ，2x RJ45 (10/100 Mbps)
?工作溫度：-40 ~+ 60°C
?集群管理，支持PROFINET工作模式
?DIN 導(dǎo)軌或安裝板
?供電電壓：9..30 供電
應(yīng)用領(lǐng)域：
汽車制造、軌道交通、冶金、物流、機械制造、電力等
（原創(chuàng)）
