WLAN中的MIMO-OFDM技術(shù)

無線通信作為新興的通信技術(shù)在日常生活中的作用越來越大。近年來，無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，但無線局域網(wǎng)的性能、速度與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比還有一定距離，因此如何提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能和容量日益顯得重要。

IEEE802.11g工作在2.4GHz頻段上[2]，該標(biāo)準(zhǔn)能夠與IEEE802.11b的WiFi系統(tǒng)互相連通，共存于同一接入點(AP)的網(wǎng)絡(luò)里，可保障后向兼容性。這樣原有的WLAN系統(tǒng)可以平滑地向高速無線局域網(wǎng)過渡，延長了IEEE 802.11b產(chǎn)品的使用壽命，可降低用戶的投資。但對于今后在無線局域網(wǎng)中要開展的多媒體業(yè)務(wù)來說，最高為54 Mb/s的數(shù)據(jù)速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此IEEE已經(jīng)成立802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11n。該標(biāo)準(zhǔn)采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)和OFDM技術(shù)，計劃將WLAN的傳輸速率從54 Mb/s增加至108 Mb/s以上，實現(xiàn)與百兆有線網(wǎng)的無縫結(jié)合，其最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)320 Mb/s，將成為IEEE 802.11g之后的另一重要標(biāo)準(zhǔn)。

1 MIMO-OFDM技術(shù)

1.1正交頻分復(fù)用技術(shù)

OFDM技術(shù)其實是多載波調(diào)制(MCM)的一種。其主要思想是：將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣既減少了子信道之間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。由于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頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。圖1所示為頻分復(fù)用(FDM)信號頻譜與OFDM信號頻譜的比較。

各個子信道中的正交調(diào)制和解調(diào)可以采用逆快速傅立葉變換(IFFT)和快速傅立葉變換(FFT)方法來實現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，IFFT和FFT都非常容易實現(xiàn)。FFT的引入，大大降低了OFDM實現(xiàn)的復(fù)雜性，提升了系統(tǒng)的性能。圖2所示為OFDM發(fā)送接收機結(jié)構(gòu)。

無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量。因此無論從用戶高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求，還是從無線通信自身來考慮，都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM容易通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

目前，OFDM結(jié)合時空編碼、分集、干擾(包括符號間干擾和鄰道干擾)抑制以及智能天線技術(shù)，最大程度地提高了物理層的可靠性。如再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動態(tài)子載波分配、動態(tài)比特分配算法等技術(shù)，性能可進(jìn)一步優(yōu)化[3]。

同單載波系統(tǒng)相比，OFDM還存在一些缺點，如易受頻率偏差的影響，存在較高的峰值平均功率比(PAR)。

1.2多輸入多輸出技術(shù)

MIMO技術(shù)是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。普遍認(rèn)為，MIMO將是新一代無線通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

在室內(nèi)，電磁環(huán)境較為復(fù)雜，多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使實現(xiàn)無線信道的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道困難。通常多徑效應(yīng)會引起衰落，被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對于MIM0系統(tǒng)來說，多徑效應(yīng)可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多信道。MIMO的多輸入多輸出是針對多徑無線信道來說的。圖3所示為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個子流由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(jìn)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。

這N個信息子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并不增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立，則MIMO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，使得數(shù)據(jù)傳輸率得以提高。

MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)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。

系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的MIMO系統(tǒng)，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，N、M很大，則信道容量C近似為公式(1)。

C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)(1)

其中B為信號帶寬，ρ為接收端平均信噪比，min(M,N)為M，N的較小者。公式(1)表明，功率和帶寬固定時，MIMO的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。因此，MIMO技術(shù)對于提高無線局域網(wǎng)的容量具有極大的潛力。

1.3采用MIMO技術(shù)的OFDM系統(tǒng)

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對無線局域網(wǎng)性能和數(shù)據(jù)速率的要求也越來越高。IEEE802.11a和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)支持的最高為54Mb/s的數(shù)據(jù)速率顯得有些低。理論上，作為高速無線局域網(wǎng)核心的OFDM技術(shù)，適當(dāng)選擇各載波的帶寬和采用糾錯編碼技術(shù)可以完全消除多徑衰落對系統(tǒng)的影響。因此如果沒有功率和帶寬的限制，可以用OFDM技術(shù)實現(xiàn)任何傳輸速率。而采用其他技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)速率增加到某一數(shù)值時信道的頻率選擇性衰落會占據(jù)主導(dǎo)地位，此時無論怎樣增加發(fā)射功率也無濟于事。這正是OFDM技術(shù)適用于高速無線局域網(wǎng)的原因。實際上，為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)傳輸速率，使用多載波調(diào)制技術(shù)的無線局域網(wǎng)需要增加載波的數(shù)量，這會增加系統(tǒng)復(fù)雜度，增大系統(tǒng)帶寬，對目前帶寬受限和功率受限的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)不太適合。而MIMO技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，因此將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合是下一代無線局域網(wǎng)發(fā)展的趨勢。研究表明，在瑞利衰落信道環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)非常適合使用MIMO技術(shù)來提高容量。

MIMO-OFDM系統(tǒng)有多個發(fā)送天線，多個接收天線。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當(dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個空間信道，不會全部同時受到衰落。輸入的比特流經(jīng)串并變換分為多個分支，每個分支都進(jìn)行OFDM處理，即經(jīng)過編碼、交織、正交幅度調(diào)制(QAM)映射、插入導(dǎo)頻信號、IFFT變換、加循環(huán)前綴等過程，再經(jīng)天線發(fā)送到無線信道中；接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過程，例如：去除循環(huán)前綴、FFT變換、解碼等等，同時進(jìn)行信道估計、定時、同步、MIMO檢測等技術(shù)，來完全恢復(fù)原來的比特流。

2 實現(xiàn)MIMO-OFDM技術(shù)的關(guān)鍵

MIMO-OFDM技術(shù)是OFDM和MIMO技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的一種新技術(shù)，其通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，提高了信號質(zhì)量。由于利用了時間、頻率和空間3種分集技術(shù)，因而使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

實現(xiàn)MIMO-OFDM技術(shù)需要完成以下關(guān)鍵設(shè)計：

(1)發(fā)送分集

MIMO與OFDM調(diào)制方式相結(jié)合，對下行信道選用時延分集。時延分集實現(xiàn)簡單、性能優(yōu)良，又沒有反饋要求。實現(xiàn)方法是讓第2副天線發(fā)出的信號比第1副天線發(fā)出的信號延遲一段時間。發(fā)送端引用這樣的時延后，可使接收的信道響應(yīng)得到頻率選擇性。如采用適當(dāng)?shù)木幋a和穿插，接收端可以獲得“空間-頻率”分集增益而不需預(yù)知信道情況。

(2)空間復(fù)用

為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，可以采用空間復(fù)用技術(shù)。把1個傳輸速率相對較高的數(shù)據(jù)流分割為1組相對速率較低的數(shù)據(jù)流，分別在不同的天線對不同的數(shù)據(jù)流獨立編碼、調(diào)制和發(fā)送，同時使用相同的頻率和時隙。每副天線可以通過不同的獨立的信道濾波發(fā)送信號。接收機利用空間均衡器分離信號，然后解調(diào)、譯碼和解復(fù)用，恢復(fù)出原始信號。

(3)接收分集和干擾消除

如果基臺和用戶終端一側(cè)用3副接收天線，可取得接收分集的效果。利用最大比值合并(MRC)將多個接收機的信號合并，可得到最大信噪比(SNR)，具有遏止自然干擾的好處。但是，如有2個數(shù)據(jù)流互相干擾，或者從頻率再利用的鄰近地區(qū)傳來干擾，MRC就不能起遏止作用。這時，利用最小的均方誤差(MMSE)可使每一有用信號與其估計值的均方誤差最小，從而使信號干擾噪聲比(SINR)最大。

(4)軟譯碼

MRC和MMSE算法生成軟判決信號，供軟解碼器使用。軟解碼和SINR加權(quán)組合結(jié)合使用，可能對頻率選擇性信道提供3？4dB的性能增益。

(5)信道估計

信道估計的目的在于識別每組發(fā)送天線與接收天線之間的信道沖激響應(yīng)。從每副天線發(fā)出的訓(xùn)練子載波都是相互正交的，能夠唯一地識別每副發(fā)送天線到接收天線的信道。訓(xùn)練子載波在頻率上的間隔要小于相干帶寬，因此可以利用內(nèi)插獲得訓(xùn)練子載波之間的信道估計值，并根據(jù)信道的時延擴展，實現(xiàn)信道內(nèi)插的最優(yōu)化。在下行鏈路中，逐幀向所有用戶廣播發(fā)送專用信道標(biāo)識時隙；在上行鏈路中，由于移動臺發(fā)出的業(yè)務(wù)可以構(gòu)成時隙，而且信道在時隙與時隙之間會發(fā)生變化，因此需要在每個時隙內(nèi)包括訓(xùn)練和數(shù)據(jù)子載波。

(6)同步

上行和下行鏈路傳播之前，都需要同步時隙，以便實施相位、頻率對齊及頻率偏差估計。時隙按以下方式構(gòu)成：在偶數(shù)序號子載波上發(fā)送數(shù)據(jù)與訓(xùn)練符號，而在奇數(shù)序號子載波設(shè)置為零。這樣經(jīng)過IFFT變換之后，得到的時域信號就會被重復(fù)，更加有利于信號的檢測。

(7)自適應(yīng)調(diào)制和編碼

為每個用戶配置鏈路參數(shù)，可以最大限度地提高系統(tǒng)容量。根據(jù)兩個用戶特定位置和時間內(nèi)的INR統(tǒng)計特征，以及用戶對服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求，有多種編碼與調(diào)制方案用于在用戶數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上實現(xiàn)最優(yōu)化。QAM級別可以介于4到64，編碼可以包括鑿孔卷積編碼與Reed-solomon編碼。因此存在6種調(diào)制和編碼級別。在2MHz的信道帶寬內(nèi)，編碼模式1？6分別對于1.1？6.8Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。下行鏈路中，在使用空間復(fù)用的情況下，上述速率可以被加倍。鏈路適配層算法能夠在SINR統(tǒng)計特性的基礎(chǔ)上，選擇使用最佳的編碼模式。

目前正在開發(fā)的WLAN設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)最大為108Mb/s的傳輸速率。客戶端支持MIMO-OFDM技術(shù)時的傳輸速率為108Mb/s，客戶端不支持MIMO OFDM技術(shù)時的傳輸速率為54 Mb/s。

3 結(jié)束語

MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)在各自的領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大的作用，目前將MIMO與OFDM相結(jié)合并應(yīng)用到下一代無線局域網(wǎng)中，是無線通信的一個研究熱點，將使無線局域網(wǎng)向著更高速率、更大容量、更好性能的方向發(fā)展。

4 參考文獻(xiàn)

[1]IEEE802.11Part11, Wireless LAN Medium Access Control

(MAC)andPhysicalLayer (PHY) Specifications [S].

[2]IEEE802.11g,Further High-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band [S].

[3]佟學(xué)儉,羅濤.OFDM移動通信技術(shù)原理與應(yīng)用 [M]. 北京:人民郵電出版社, 2003.