WLAN中的MIMO-OFDM技術(shù)

無(wú)線(xiàn)通信作為新興的通信技術(shù)在日常生活中的作用越來(lái)越大。近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，但無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的性能、速度與傳統以太網(wǎng)相比還有一定距離，因此如何提高無(wú)線(xiàn)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]，該標準能夠與IEEE802.11b的WiFi系統互相連通，共存于同一接入點(diǎn)(AP)的網(wǎng)絡(luò )里，可保障后向兼容性。這樣原有的WLAN系統可以平滑地向高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)過(guò)渡，延長(cháng)了IEEE 802.11b產(chǎn)品的使用壽命，可降低用戶(hù)的投資。但對于今后在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中要開(kāi)展的多媒體業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，最高為54 Mb/s的數據速率還遠遠不夠。因此IEEE已經(jīng)成立802.11n工作小組，以制定一項新的高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準IEEE 802.11n。該標準采用多輸入多輸出(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(shí)現與百兆有線(xiàn)網(wǎng)的無(wú)縫結合，其最高數據速率可達320 Mb/s，將成為IEEE 802.11g之后的另一重要標準。

1 MIMO-OFDM技術(shù)

1.1正交頻分復用技術(shù)

OFDM技術(shù)其實(shí)是多載波調制(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(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調制和傳輸，這樣既減少了子信道之間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。由于每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)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所示為頻分復用(FDM)信號頻譜與OFDM信號頻譜的比較。

各個(gè)子信道中的正交調制和解調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(lái)實(shí)現，隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)與數字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，IFFT和FFT都非常容易實(shí)現。FFT的引入，大大降低了OFDM實(shí)現的復雜性，提升了系統的性能。圖2所示為OFDM發(fā)送接收機結構。

無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)一般都存在非對稱(chēng)性，即下行鏈路中傳輸的數據量要遠遠大于上行鏈路中的數據傳輸量。因此無(wú)論從用戶(hù)高速數據傳輸業(yè)務(wù)的需求，還是從無(wú)線(xiàn)通信自身來(lái)考慮，都希望物理層支持非對稱(chēng)高速數據傳輸，而OFDM容易通過(guò)使用不同數量的子信道來(lái)實(shí)現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

目前，OFDM結合時(shí)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(xiàn)技術(shù)，最大程度地提高了物理層的可靠性。如再結合自適應調制、自適應編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配、動(dòng)態(tài)比特分配算法等技術(shù)，性能可進(jìn)一步優(yōu)化[3]。

同單載波系統相比，OFDM還存在一些缺點(diǎn)，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(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域智能天線(xiàn)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的容量和頻譜利用率。普遍認為，MIMO將是新一代無(wú)線(xiàn)通信系統必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。

在室內，電磁環(huán)境較為復雜，多徑效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使實(shí)現無(wú)線(xiàn)信道的高速數據傳輸比有線(xiàn)信道困難。通常多徑效應會(huì )引起衰落，被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIM0系統來(lái)說(shuō)，多徑效應可以作為一個(gè)有利因素加以利用。MIMO系統在發(fā)射端和接收端均采用多天線(xiàn)(或陣列天線(xiàn))和多信道。MIMO的多輸入多輸出是針對多徑無(wú)線(xiàn)信道來(lái)說(shuō)的。圖3所示為MIMO系統的原理圖。傳輸信息流S(k)經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流Ci(k)，i=1……N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線(xiàn)接收。多天線(xiàn)接收機利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開(kāi)并解碼這些數據子流，從而實(shí)現最佳的處理。

這N個(gè)信息子流同時(shí)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(xiàn)間的通道響應獨立，則MIMO系統可以創(chuàng )造多個(gè)并行空間信道。通過(guò)這些并行空間信道獨立地傳輸信息，使得數據傳輸率得以提高。

MIMO將多徑無(wú)線(xiàn)信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現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(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。

系統容量是表征通信系統的重要標志之一，表示了通信系統最大傳輸率。對于發(fā)射天線(xiàn)數為N，接收天線(xiàn)數為M的MIMO系統，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(shí)，MIMO的最大容量或容量上限隨最小天線(xiàn)數的增加而線(xiàn)性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線(xiàn)或天線(xiàn)陣列的普通智能天線(xiàn)系統，其容量?jì)H隨天線(xiàn)數的對數增加而增加。因此，MIMO技術(shù)對于提高無(wú)線(xiàn)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

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)性能和數據速率的要求也越來(lái)越高。IEEE802.11a和IEEE802.11g標準支持的最高為54Mb/s的數據速率顯得有些低。理論上，作為高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)核心的OFDM技術(shù)，適當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的影響。因此如果沒(méi)有功率和帶寬的限制，可以用OFDM技術(shù)實(shí)現任何傳輸速率。而采用其他技術(shù)，當數據速率增加到某一數值時(shí)信道的頻率選擇性衰落會(huì )占據主導地位，此時(shí)無(wú)論怎樣增加發(fā)射功率也無(wú)濟于事。這正是OFDM技術(shù)適用于高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的原因。實(shí)際上，為了進(jìn)一步增加系統的容量，提高系統傳輸速率，使用多載波調制技術(shù)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)需要增加載波的數量，這會(huì )增加系統復雜度，增大系統帶寬，對目前帶寬受限和功率受限的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統不太適合。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的容量和頻譜利用率，因此將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結合是下一代無(wú)線(xiàn)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系統非常適合使用MIMO技術(shù)來(lái)提高容量。

MIMO-OFDM系統有多個(gè)發(fā)送天線(xiàn)，多個(gè)接收天線(xiàn)。在發(fā)送端和接收端各設置多重天線(xiàn)，可以提供空間分集效應，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當的多副天線(xiàn)提供多個(gè)空間信道，不會(huì )全部同時(shí)受到衰落。輸入的比特流經(jīng)串并變換分為多個(gè)分支，每個(gè)分支都進(jìn)行OFDM處理，即經(jīng)過(guò)編碼、交織、正交幅度調制(QAM)映射、插入導頻信號、IFFT變換、加循環(huán)前綴等過(guò)程，再經(jīng)天線(xiàn)發(fā)送到無(wú)線(xiàn)信道中；接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過(guò)程，例如：去除循環(huán)前綴、FFT變換、解碼等等，同時(shí)進(jìn)行信道估計、定時(shí)、同步、MIMO檢測等技術(shù)，來(lái)完全恢復原來(lái)的比特流。

2 實(shí)現MIMO-OFDM技術(shù)的關(guān)鍵

MIMO-OFDM技術(shù)是OFDM和MIMO技術(shù)結合產(chǎn)生的一種新技術(shù)，其通過(guò)在OFDM傳輸系統中采用陣列天線(xiàn)實(shí)現空間分集，提高了信號質(zhì)量。由于利用了時(shí)間、頻率和空間3種分集技術(shù)，因而使無(wú)線(xiàn)系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

實(shí)現MIMO-OFDM技術(shù)需要完成以下關(guān)鍵設計：

(1)發(fā)送分集

MIMO與OFDM調制方式相結合，對下行信道選用時(shí)延分集。時(shí)延分集實(shí)現簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，又沒(méi)有反饋要求。實(shí)現方法是讓第2副天線(xiàn)發(fā)出的信號比第1副天線(xiàn)發(fā)出的信號延遲一段時(shí)間。發(fā)送端引用這樣的時(shí)延后，可使接收的信道響應得到頻率選擇性。如采用適當的編碼和穿插，接收端可以獲得“空間-頻率”分集增益而不需預知信道情況。

(2)空間復用

為提高數據傳輸速率，可以采用空間復用技術(shù)。把1個(gè)傳輸速率相對較高的數據流分割為1組相對速率較低的數據流，分別在不同的天線(xiàn)對不同的數據流獨立編碼、調制和發(fā)送，同時(shí)使用相同的頻率和時(shí)隙。每副天線(xiàn)可以通過(guò)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、譯碼和解復用，恢復出原始信號。

(3)接收分集和干擾消除

如果基臺和用戶(hù)終端一側用3副接收天線(xiàn)，可取得接收分集的效果。利用最大比值合并(MRC)將多個(gè)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(gè)數據流互相干擾，或者從頻率再利用的鄰近地區傳來(lái)干擾，MRC就不能起遏止作用。這時(shí)，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加權組合結合使用，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(xiàn)與接收天線(xiàn)之間的信道沖激響應。從每副天線(xiàn)發(fā)出的訓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(xiàn)到接收天線(xiàn)的信道。訓練子載波在頻率上的間隔要小于相干帶寬，因此可以利用內插獲得訓練子載波之間的信道估計值，并根據信道的時(shí)延擴展，實(shí)現信道內插的最優(yōu)化。在下行鏈路中，逐幀向所有用戶(hù)廣播發(fā)送專(zhuān)用信道標識時(shí)隙；在上行鏈路中，由于移動(dòng)臺發(fā)出的業(yè)務(wù)可以構成時(shí)隙，而且信道在時(shí)隙與時(shí)隙之間會(huì )發(fā)生變化，因此需要在每個(gè)時(shí)隙內包括訓練和數據子載波。

(6)同步

上行和下行鏈路傳播之前，都需要同步時(shí)隙，以便實(shí)施相位、頻率對齊及頻率偏差估計。時(shí)隙按以下方式構成：在偶數序號子載波上發(fā)送數據與訓練符號，而在奇數序號子載波設置為零。這樣經(jīng)過(guò)IFFT變換之后，得到的時(shí)域信號就會(huì )被重復，更加有利于信號的檢測。

(7)自適應調制和編碼

為每個(gè)用戶(hù)配置鏈路參數，可以最大限度地提高系統容量。根據兩個(gè)用戶(hù)特定位置和時(shí)間內的INR統計特征，以及用戶(hù)對服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求，有多種編碼與調制方案用于在用戶(hù)數據流的基礎上實(shí)現最優(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種調制和編碼級別。在2MHz的信道帶寬內，編碼模式1？6分別對于1.1？6.8Mb/s的數據傳輸速率。下行鏈路中，在使用空間復用的情況下，上述速率可以被加倍。鏈路適配層算法能夠在SINR統計特性的基礎上，選擇使用最佳的編碼模式。

目前正在開(kāi)發(fā)的WLAN設備能夠實(shí)現最大為108Mb/s的傳輸速率?？蛻?hù)端支持MIMO-OFDM技術(shù)時(shí)的傳輸速率為108Mb/s，客戶(hù)端不支持MIMO OFDM技術(shù)時(shí)的傳輸速率為54 Mb/s。

3 結束語(yǔ)

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相結合并應用到下一代無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中，是無(wú)線(xiàn)通信的一個(gè)研究熱點(diǎn)，將使無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)向著(zhù)更高速率、更大容量、更好性能的方向發(fā)展。

4 參考文獻

[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(dòng)通信技術(shù)原理與應用 [M]. 北京:人民郵電出版社, 2003.