一种扩大无线局域网物理层覆盖范围的方法 【技术领域】
本发明涉及无线局域网中物理层技术，特别涉及一种扩大无线局域网物理层覆盖范围的方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，正交频分复用(OFDM)系统越来越多的应用于宽带无线数据传输中，如数字音频广播(DVB)和无线局域网等。OFDM系统是将数据分散在一组正交子载波上进行并行传送，如图1所示，图1为OFDM系统实现无线数据传输的结构图。该系统包括发射端100和接收端107组成，其中发射端由调制器101、OFDM调制模块105和发射机106，接收端由解调器108、OFDM解调模块109和接收机113组成。当数据要发送时，串行数据比特流经过调制器101的编码调制完成星座图映射后，进入OFDM调制模块105，由其中地串转并模块102将该信号分割成N个并行数据子流，逆傅立叶变换(IFFT)模块103和并转串模块104将N个并行数据子流分别调制到N个子载波上并转换成时域信号，该时域信号加入保护间隔114后经过发射机106变成模拟信号发送到无线信道中；当数据接收时，接收机113把从无线信道中收到的模拟信号转换成数字信号，该数字信号取出保护间隔115后在OFDM解调模块109中经过串转并模块112、快速傅立叶变换(FFT)模块111，分离出各个子载波上的并行数据流，该并行数据流通过串转并模块110形成串形数据流后，送到解调器108进行解调解码。上述过程是在物理层实现的。
现有的无线局域网采用802.11a协议或Hiperlan2协议，这两种协议定义的物理层都包含64个子载波的OFDM，经过OFDM调制后形成一个典型的OFDM符号，该OFDM符号的结构如图2所示：该符号包括数据保护间隔GI和IFFT变换后的数据部分，其中数据保护间隔为800ns，数据部分的长度等于一个IFFT变换周期的长度为3.2μs，一个OFDM符号周期为4μs，一个OFDM符号周期共有64个子载波，其中的数据子载波为52，虚拟子载波为12，相邻子载波的间隔为312.5KHz，由于采样频率为子载波的间隔与子载波数量的乘积，即采样频率为20MHz。
当数据以物理帧的形式发送或接收时，其过程如图3所示，图3为物理帧在OFDM传输的结构图：该物理帧包括短训练序列(Short TrainingSequence)、长训练序列(Long Training Sequence)、信令(SIGNAL)和数据(DATA)四个部分，其中，Short Training Sequence的长度为8μs，LongTraining Sequence的长度为8μs，SIGNAL和DATA都为4μs，即一个OFDM符号基本单位。
由图2和图3得知，长度为3.2μs的IFFT变换后数据之间的保护间隔为800ns，由于保护间隔的主要作用是抵抗有多径时延扩展引起的OFDM符号间串扰，所以保护间隔的长度要达到多径时延扩展长度的2-4倍，即800ns的保护间隔抵挡几百纳秒的多径时延扩展，该几百纳秒的多径时延扩展对于小范围的室内应用已经可以满足要求，但对于多径时延严重的大范围室外应用则远远满足不了要求。
如果只是提高保护间隔的长度，而保持IFFT符号周期的长度不变，那就会使得保护间隔在整个OFDM符号中所占的比例增高，由于保护间隔在整个传输过程中不传输数据和信令，保护间隔在OFDM占用的比例过高会浪费无线传输系统的资源。另外，长度4μs的OFDM符号在室外应用中用来传送大流量的数据显然满足不了要求。
由于OFDM系统有52路子载波，其提供的数据速率远远满足不了室外应用的要求，相应的12路虚拟子载波也无法提供足够的保护带宽。
由上述分析可以看出，当前的无线局域网物理层只能覆盖小范围的室内环境，而无法覆盖大范围的室外环境。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供一种扩大无线局域网物理层覆盖范围的方法，该方法解决了无线局域网物理层无法覆盖大范围的问题。
为了达到上述目的本发明的技术方案是这样实现的：一种扩大无线局域网物理层覆盖范围的方法，无线局域网物理层将需要传播的数据通过正交频分复用调制解调(OFDM)系统的发射端转换为一个以上OFDM符号，每个OFDM符号在物理帧中通过子载波发送到OFDM系统的接收端，其中，每个OFDM符号的转换包括：
先根据无线局域网当前多径时延扩展的长度计算出当前OFDM符号中的保护间隔，再根据保护间隔计算出OFDM符号中逆快速复立叶变换(IFFT)的变换周期长度，然后根据预先设置的采样频率和当前OFDM符号中IFFT的变换周期长度计算承载当前OFDM符号的子载波个数，其特征在于，
所述每个转换后的OFDM符号中的保护间隔大于800ns，所述每个转换后的OFDM符号中IFFT的变换周期长度大于3.2μs。
所述保护间隔占OFDM符号中的比例不大于1/4。
所述物理层发送端和接收端之间传输的每个物理帧包括：定长的短训练序列、定长的长训练序列和一个以上所述的OFDM符号，其中第一个OFDM符号传输信令，其余OFDM符号传输数据。
该方法进一步包括：
在物理层的发送端和接收端之间，传输若干个包含所述OFDM符号的物理帧后插入一定长的长训练序列。
该方法进一步包括：在所述插入的长训练序列中进行信道估计。
该方法进一步包括：
根据当前的多径时延计算出当前OFDM符号中保护间隔时间长度为12.8μs，计算出OFDM符号中逆快速复立叶变换(IFFT)的变换周期长度为51.2μs。
该方法进一步包括：设置物理帧中的短序列长度为64μs或128μs、长序列长度为128μs，在传输若干个OFDM符号后插入长度为128μs的长序列。
该方法进一步包括：
根据当前的多径时延计算出当前OFDM符号中的保护间隔时间长度为12.8μs，计算出OFDM符号中逆快速复立叶变换(IFFT)的变换周期长度为102.4μs。
该方法进一步包括：设置物理帧中的短序列长度为115.2μs或230.4μs、长序列长度为230.4μs，在传输若干个OFDM符号后插入长度为230.4μs的长序列。
本发明通过增大保护时间间隔GI和IFFT数据部分的带宽，并维持GI与IFFT之间的一定比例，即可扩大OFDM系统抵抗多径时延扩展的能力，同时降低无线传输系统资源的浪费，从而解决了无线局域网物理层无法覆盖大范围的问题。本发明还可以通过在连续若干个OFDM符号后插入一段训练序列进一步保护OFDM系统信道估计性能。
【附图说明】
图1为OFDM系统实现无线数据传输的结构图。
图2为一个OFDM符号的结构图。
图3为数据物理帧在OFDM传输的结构图。
图4为本发明获得OFDM符号的流程图。
图5为本发明中OFDM符号的第一个实施例结构图。
图6为本发明中物理帧在OFDM传输的第一个实施例结构图。
图7为本发明中OFDM符号的第二个实施例结构图。
图8为本发明中物理帧在OFDM传输的第二个实施例结构图。
图9为本发明中OFDM符号的第三个实施例结构图。
图10为本发明中OFDM符号的第四个实施例结构图。
【具体实施方式】
本发明针对现有无线通信系统物理层只适用于小范围室内的缺点，提出了一种适用于大范围室外应用的无线通信系统物理层解决方法，该方法抛弃了所定义包含64个子载波OFDM符号的标准，根据地域范围来确定不同的OFDM符号：一方面该方法根据地域范围多径时延的扩展长度扩大了保护间隔，使保护间隔的长度为多径时延的扩展长度的2-4倍；为了维持保护间隔在整个OFDM符号周期中的适当比例，即保护间隔占整个OFDM周期的1/4或小于1/4，使IFFT变换周期长度远远大于保护间隔，因此提高了整个OFDM符号周期的IFFT变换后数据部分的比例，从而扩大了IFFT周期的长度，由于子载波之间的间隔为IFFT变换后数据部分长度的倒数，所以子载波之间间隔相应的下降，根据传输数据流量的大小相应的提高数据子载波的个数，子载波个数为采样频率乘以IFFT变换周期得到的；另一方面当数据以物理帧的形式发送或接收时，在连续若干个OFDM符号后插入一段训练序列保证在室外大范围内应用中无线通信系统的信道估计性能，使得当无线信道随终端移动速度提高，多普勒频移扩大而迅速变化时，信道估计仍然能够及时的反映信道变化。
如图4所示，图4为本发明获得OFDM符号的流程图，其具体步骤如下：
步骤400，根据当前多径时延估算出大于800ns的保护间隔GI值，该多径时延为保护间隔GI的2-4倍；
步骤401，根据步骤400计算的保护间隔GI估算出IFFT变换周期，这里，保护间隔占整个OFDM周期的1/4或小于1/4，IFFT变换周期占整个OFDM周期的3/4或大于3/4；
步骤402，将保护间隔GI和IFFT变换周期相加得出当前OFDM符号的长度；
步骤403，由于子载波个数与当前的采样频率有关，根据预先设置的采样频率和所计算出的IFFT变换后数据部分值计算出子载波个数，该子载波个数为采样频率与IFFT变换周期的乘积；
步骤404，根据IFFT变换后数据部分长度算出子载波间隔，该子载波间隔为IFFT变换周期的倒数。
本发明由于适用于大范围的室外，所以信道估计在现有即书中的长短训练序列不能完成，故在连续若干个OFDM符号后设置一段训练序列保证在室外大范围内应用中无线通信系统的信道估计性能。
以下举实施例并参照附图对本发明详细说明。
实例一，如图5所示，图5为本发明中OFDM符号的第一个实施例结构图，其具体描述为：
设置采样频率为5MHz，根据当前室外大范围内长达数微秒的多径时延扩展计算出当前保护间隔GI为12.8μs，相应的计算出该IFFT变换后的数据部分为51.2μs，该OFDM符号的长度为64μs，一个OFDM符号周期共有256个IFFT子载波，子载波间隔为19.53125KHz。
当数据以物理帧的形式发送或接收时，其过程如图6所示，图6为本发明的第一个物理帧在OFDM传输的结构图：该物理帧包括长度为64μs或128μs短训练序列(Short Training Sequence)、长度为128μs长训练序列(LongTraining Sequence)、长度为64μs信令(SIGNAL)和长度为64μs数据(DATA)四个部分，第一个物理帧传输完后再进行第二个物理帧的传送，当进行完第m物理帧时插入一个长度为128μs长训练序列(Long Training Sequence)用于信道估计。
实例二，如图7所示，图7为本发明的第二个OFDM符号结构图，其具体描述为：
设置采样频率为10MHz，根据当前室外大范围内长达数微秒的多径时延扩展计算出保护间隔GI为12.8μs，IFFT变换后的数据部分为102.4μs，该OFDM符号的长度为115.2μs，一个OFDM符号周期共有512个IFFT子载波，子载波间隔为9.7656KHz。
当数据以物理帧的形式发送或接收时，其过程如图8所示，图8为本发明的一个物理帧在OFDM传输的结构图：该物理帧包括长度为115.2μs或230.4μs短训练序列(Short Training Sequence)、长度为230.4μs长训练序列(Long Training Sequence)、长度为115.2μs信令(SIGNAL)和数据(DATA)四个部分，第一个物理帧传输完后再进行第二个物理帧的传送，当进行完第m物理帧时插入一个长训练序列(Long Training Sequence)用于信道估计。
实例三，如图9所示，图9为本发明的第三个OFDM符号结构图，其具体描述为：
设置采样频率为10MHz，根据当前室外大范围内长达数微秒的多径时延扩展计算出保护间隔GI为12.8μs，IFFT变换周期长度为51.2μs，该OFDM符号的长度为64μs，一个OFDM符号周期共有512个IFFT子载波，子载波间隔为19.53125KHz。
当数据以物理帧的形式发送或接收时，其过程如图5所描述的一样。
实例四，如图10所示，图10为本发明的第四个OFDM符号结构图，其具体描述为：
设置采样频率为20MHz，根据当前室外大范围内长达数微秒的多径时延扩展计算出保护间隔GI为12.8μs，IFFT变换周期长度为51.2μs，该OFDM符号的长度为64μs，一个OFDM符号周期共有1024个IFFT子载波，子载波间隔为19.53125KHz。
当数据以物理帧的形式发送或接收时，其过程如图5所描述的一样。
实例五，本实施例对现有的标准802.11a做尽可能小的改动，仅通过降低采样频率来扩大保护间隔。即把图2所述的OFDM符号的采样频率分别降低为10MHZ、5MHZ、2.5MHZ、1.25MHZ，则保护间隔的虚拟子载波个数分别扩大了2倍、4倍、8倍和16倍，保护间隔的虚拟子载波个数分别为24、48、96和192。
如上所述，本发明提供的方法，一方面通过加大保护间隔扩大OFDM系统的抵抗多径时延的能力，由于保护间隔在OFDM符号所占的比例不能太大，所以增大了子载波的个数和IFFT变换周期长度的长度，，另一方面通过减小采样频率增大保护间隔，该方法使物理层可以覆盖室外的广大范围，本发明还通过连续若干个OFDM符号后插入一段长训练序列保证无线通信系统的信道估计性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。