Q波段WiFi射频发射系统设计与仿真文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

在过去近30年里，由IEEE 802.11标准家族指定的Wi-Fi已经广泛应用于几乎所有用户的设备，以及任何有人居住的地方。除此之外，它已经被扩展到技术设施，这些技术设施使得它从仅仅是一种低速率的电缆替代品进化成为一种成熟的综合网络基础设施，和一种替代蜂窝连接的无线接入方式[1]。通过更快的调制和编码方式，更宽的信道，以及采用多输入多输出（MIMO）技术，Wi-Fi的数据传输速率不断提升，从最早的IEEE 802.11-1997的2Mbit/s，到802.11b的11Mbit/s，到802.11a/g的54Mbit/s，再到802.11n的600Mbit/s，然后到802.11ac的超过1Gbit/s速率[2]。但是，如今我们认识到，无线局域网设备部署在非常多样化的环境中，而其特点是存在大量的终端集中在本地化的地理区域。在这样的环境中，总吞吐量不再是人们感兴趣的主要性能指标；相反，目标应该是吞吐量密度的增加，即被定义为总网络吞吐量与网络区域比值的平均地区吞吐量[3]。另外，出于大规模干扰、业务模式不对称的日益减少等原因，以及其他更技术性的原因——例如电池操作设备的功耗改进和对更高质量用户体验的支持，现有Wi-Fi还可以进行很大程度上的改进。

首先是从协议层次在物理层、信道接入、空间复用和能源管理等方面的改进。2013年5月，IEEE LAN/MAN标准委员会成立了一个HEW研究小组，后来转化为TGax小组，专门负责802.11ax的推进工作。802.11ax相对于802.11ac在以下方面有了改进。首先是物理层，除了传统的BPSK、16-QAM、64-QAM和256-QAM之外，802.11ax修正案还引入了新的调制技术。第一个是可选的1024-QAM，它可以在具有非常好的信道条件（即高SINR）的室内场景中被利用开发。此外，802.11ax修正案描述了一种可选的双载波调制技术（DCM）。DCM通过把相同的信号分配在一对单音上来增强传输鲁棒性，并且这些单音在频域上相距很远。这种技术有助于处理子带干扰问题，并可在包错比（PER）性能中提供超过2dB的增益[4]。在物理层帧结构方面，802.11ax在保留传统部分的同时引入了高效部分，以提升整体传输性能。

而802.11ax的关键特点则是采用了在蜂窝网络中被广泛使用，但在Wi-Fi中却是全新的正交频分多址方法OFDMA。OFDMA将整个频带划分成更小的单位，多个用户可以同时使用整个额带，并且它的分配机制非常灵活，可以根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量，不同的子载波上使用的调制方式和发射功率也可以不同。由于OFDMA可以把跳频技术和OFDM技术相结合，因此可以构成一种更为灵活的多址方案，此外由于OFDMA可以灵活地适应带宽要求，可以与动态信道分配技术结合使用来支持高速的数据传输[5]。除了信道模式的改进，802.11ax还有很多其他的功能，如BSS着色、网络分配向量、微睡眠操作、目标唤醒时间、机会主义节能等等[6]。

除了协议上的改进，使用新的频段也是研究的热点。因为使用高频段可以提升无线网的容量、带宽，并且降低干扰。在国外，研究的热点是60GHz系统。2000年7月，日本开放59GHz-66GHz频段，同时限制发射机的发射功率为10dBm，天线增益小于47dBi。欧洲使用双频段，62GHz-63GHz和65GHz-66GHz用于移动宽带系统，59GHz-62GHz用于局域网系统[7]。2003年，美国电气和电子工程师协会(IEEE)发布802.15.3-2003无线个域网标准。2005年3月，成立IEEE 802.15.3c工作组，研究基于60GHz频段物理层，以代替之前的802．15．3-2003标准。于2008年9月，发布IEEE 802.15.3c WPAN标准，同时，开发针对标准的相应产品。60GHz射频技术的发展也推动了单片微波集成电路(MMIC)的发展。尤其，GaAs场效应管(FET)技术在该频段已经具备成熟的商业应用能力[8]。而CMOS半导体技术跟GaAs相比，价格便宜很多，但射频性能也要差很多。目前，90nm、65nm、45nm等CMOS工艺已经有相关器件的报道。2011年，日本东京工业大学在基于IEEE 802.15.3c标准下，采用65nm COMS技术研制出60GHz射频芯片，实现了8Gbps(QPSK)、11Gbps(16QAM)的高速传输，同时收发信机功耗控制在200mW内[9]。在产品级芯片方面，2019年，FCC认证委员会通过了高通的两款802.11ay芯片组的FCC认证，也就意味着高通这两款芯片组离正式上市使用越来越近了，60GHz Wi-Fi快要真正走进我们的生活了。

相比较国外，我国的高速无线个域网络的发展起步较晚。2010年东南大学洪伟教授团队提出超高速近远程毫米波无线通信标准Q-LINKPAN，2013年工信部正式颁布Q波段近远程通信频谱规划，2018年8月，IEEE正式发布IEEE 802.11aj-2018，对45GHz频谱的使用进行标准化。与60GHz频段相比，45GHz频段具有以下优点[10]：首先，60GHz处在空气衰减的一个峰值(10.15dB/km)，这样的高衰减量完全不能适用于高速的长距离通信系统，而Q波段的大气衰减量只有1dB/km，不仅适合短距离传输，同样也适合中远距离传输。同样，与60GHz频段相比，在同等的短距离通信条件下，45GHz系统的功耗要较小；其次，除了衰减率上的优势，45GHz频段拥有更大的吞吐率（ge;1Gbps）和更低的功耗，相同指标下，45GHz频段的功耗仅为60GHz频段的80% ；最后，更低的频段所需的工艺要求也会更低，在设计同等性能通信系统下，Q-LINKPAN只需要0.13um CMOS工艺，但对60GHz WPAN，要完成这样的设计却需要90nm CMOS工艺。更低的工艺线的价格也会更便宜。但由于起步晚，目前国内还没有出现完整的可以像高通已被认证的802.11ay芯片组那样可以投入商用的产品级芯片，还需要广大科研人员做出努力。

参考文献

1. P. Serrano, P. Salvador, V. Mancuso, et al. Experimenting with commodity 802.11 hardware: Overview and future directions[J]. IEEE Commun. Surveys Tuts., 2015,(17):671–699.
2. R. Karmakar, S. Chattopadhyay, S. Chakraborty. Impact of IEEE 802.11n/ac PHY/MAC high throughput enhancements on transport and application protocols—A survey[J]. IEEE Commun. Surveys Tuts.,2017,(19):2050–2091.
3. O.Aboul-Magd.(2014).802.11HEWSGProposedPAR.[Online].Available:https://mentor.ieee.org/802.11/dcn/14/11-14-0165-01-0hew-802-11-hew-sg-proposed-par.docx
4. Draft Standard for Information Technology—Telecommunications and Information Exchange Between Systems—Local and Metropolitan Area Networks—Specific Requirements—Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications—Amendment 6: Enhancements for High Efficiency WLAN. D3.0, Draft IEEE Standard P802.11, 2018.
5. 顾艳春．接入网技术（第二版）[M]．北京：清华大学出版社，2016
6. Evgeny Khorov, Anton Kiryanov, Andrey Lyakhov,et al. A Tutorial on IEEE 802.11ax High Efficiency WLANs[J]. IEEE Communications Surveys amp; Tutorials, Vol. 21, NO.1, pp.197-216, First Quarter 2019.
7. Yong SK,Chong C-C．An overview of multigigabit wireless through millimeter wave technology：potentials and technical challenges[J]．Eurasip Journal on Wireless Communications and Networking,2006，2007
8. Watkins E，Schellenberg J，Hackett L，Yamasaki H，Feng M．A60 GHz GaAs FETAmplifier[C]．In：Microwave Symposium Digest,1983 IEEE MTT-S International：IEEE，1983．145-147
9. Okada K, Li N，Matsushita K，Bunsen K Murakami RMusa A，Sato T，Asada H，Takayama N, Ito S. A 60-GHz 16QAM/8PSK/QPSK/BPSK Direct-Conversion Transceiver for IEEE 802.15.3c．Solid—Stateuits，IEEE Journal of, 20ll，46(12)：2988-3004
10. 洪伟，王海明，陈继新，等．超高速近远程毫米波无线传输标准Q．LINKPAN研究进展[J].信息技术与标准化, 2013, (12): 54-57．