MIMO OFDM無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)研究及關(guān)鍵技術(shù)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　韓旭東　張春業(yè)　曹建海
　　　　　　　　　　　　　　　　　　山東大學(xué)信息學(xué)院

摘要 MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結合被視為下一代高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的核心技術(shù)。本文全面敘述了MIMO OFDM技術(shù)及其特點(diǎn)，分析了MIMO OFDM技術(shù)在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的應用，探討了MIMO OFDM中的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了其發(fā)展前景。

　　關(guān)鍵詞 OFDM MIMO IEEE802.11n WLAN

1 引言

　　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。

　　 目前，IEEE802.11已成為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的主流標準。1997年802.11標準的制定是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)發(fā)展的里程碑，它是由大量的局域網(wǎng)以及計算機專(zhuān)家審定通過(guò)的標準。其定義了單一的MAC層和多樣的物理層，先后又推出了802.11b,a和g物理層標準。802.11b使用了CCK調制技術(shù)來(lái)提高數據傳輸速率，最高可達11Mbit/s。但是傳輸速率超過(guò)11Mbit/s，CCK為了對抗多徑干擾，需要更復雜的均衡及調制，實(shí)現起來(lái)非常困難。因此，802.11工作組為了推動(dòng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的發(fā)展，又引入OFDM調制技術(shù)。最近，剛剛正式批準的802.11g標準采用OFDM技術(shù)，和802.11a一樣數據傳輸速率可達54Mbit/s。另外，IEEE802.11a運行在5GHz的UNII頻段上，采用OFDM技術(shù)。但是，它不能兼容IEEE802.11b的產(chǎn)品，對于現在市場(chǎng)上占統治地位的IEEE802.11b來(lái)說(shuō)，不能兼容就意味著(zhù)推廣存在著(zhù)巨大的困難；其次，由于無(wú)線(xiàn)電波傳輸的特性，在5GHz上運行的IEEE802.11a覆蓋范圍相對較小。

　　IEEE802.11g工作在2.4GHz頻段上，能夠與802.11b的WIFI系統互相連通，共存在同一AP的網(wǎng)絡(luò )里，保障了后向兼容性。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IEEE802.11b產(chǎn)品的使用壽命，降低用戶(hù)的投資。而對于今后要開(kāi)展的在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的多媒體業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，最高為54Mbit/s的數據速率還遠遠不夠。
　　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802.11n。802.11n采用了MIMO OFDM 技術(shù)，計劃將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbit/s增加至108Mbit/s以上，最高速率可達320Mbit/s，成為802.11b、802.11a、802.11g之后的另一場(chǎng)重頭戲。

2 在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中應用的MIMO OFDM技術(shù)

2.1 OFDM技術(shù)

　　OFDM技術(shù)其實(shí)是MCM(Multi-Carrier Modulation, 多載波調制)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。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。
　　在各個(gè)子信道中的這種正交調制和解調可以采用IFFT和FFT方法來(lái)實(shí)現，隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展，IFFT和FFT都是非常容易實(shí)現的?？焖俑道锶~變換（FFT）的引入，大大降低了OFDM的實(shí)現復雜性，提升了系統的性能。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ISI和鄰道干擾ICI）抑制以及智能天線(xiàn)技術(shù)，最大程度地提高物理層的可靠性。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)，可以使其性能進(jìn)一步優(yōu)化。
　　 另外，同單載波系統相比，OFDM還存在一些缺點(diǎn)，易受頻率偏差的影響，存在較高的峰值平均功率比（PAR）。

2.2 MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)

　　多入多出(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。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。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，多經(jīng)效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使得實(shí)現無(wú)線(xiàn)信道的高速數據傳輸比有線(xiàn)信道困難。多徑效應會(huì )引起衰落，因而被視為有害因素。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。通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。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))和多通道。MIMO的多入多出是針對多徑無(wú)線(xiàn)信道來(lái)說(shuō)的。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。

　　 特別是，這N個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。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，數據率必然可以提高。

　　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，從而可實(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最重要標志之一，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的多入多出（MIMO）系統，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設N、M很大，則信道容量C近似為公式（1）

　　　　C=[min(M,N)]Blog2(ρ／2)
　　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。上式表明，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。

2.3 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的MIMO OFDM技術(shù)

　　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協(xié)議標準支持的最高為54Mbit/s的數據速率顯得有些低了。理論上來(lái)說(shuō)，作為高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)核心的OFDM技術(shù)，只要適當選擇各載波的帶寬和采用糾錯編碼技術(shù)，多徑衰落對系統的影響可以完全被消除。因此如果沒(méi)有功率和帶寬的限制，我們可以用OFDM技術(shù)實(shí)現任何傳輸速率。而其他技術(shù)就不具備這種特性，因為采用其他技術(shù)時(shí)，當數據速率最終增加到某一數值時(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；但從實(shí)際上來(lái)說(shuō)，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，而這種方法會(huì )造成系統復雜度的增加，并增大系統的帶寬，這對今日的帶寬受限和功率受限的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統就不太適合了。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)相結合是適應下一代無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)發(fā)展要求的趨勢。研究表明，在衰落信道環(huán)境下，OFDM系統非常適合使用MIMO技術(shù)來(lái)提高容量。

MIMO OFDM技術(shù)是通過(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，是聯(lián)合OFDM和MIMO而得到的一種新技術(shù)。它利用了時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無(wú)線(xiàn)系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

可以看出，MIMO OFDM系統有Nt個(gè)發(fā)送天線(xiàn)，Nr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)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、QAM映射、插入導頻信號、IDFT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、DFT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。

3 實(shí)現MIMO OFDM無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

MIMO OFDM技術(shù)是通過(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，是聯(lián)合OFDM和MIMO而得到的一種新技術(shù)。它利用了時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無(wú)線(xiàn)系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

　　MIMO OFDM實(shí)現主要包括以下關(guān)鍵設計：

　?。?）發(fā)送分集：MIMO OFDM調制方式相結合，對下行通路選用“時(shí)延分集”，它裝備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，又沒(méi)有反饋要求。它是讓第二副天線(xiàn)發(fā)出的信號比第一副天線(xiàn)發(fā)出的延遲一段時(shí)間。發(fā)送端引用這樣的時(shí)延，可使接收通路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，而不需預知通路情況。

　?。?） 空間復用：為提高數據傳輸速率，可以采用空間復用技術(shù)。也可能從兩副基臺天線(xiàn)發(fā)送兩個(gè)各自編碼的數據流。這樣，可以把一個(gè)傳輸速率相對較高數據流多組成分割為一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的編碼、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)不同獨立的信道濾波獨立發(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。

　?。?） 接收分集和干擾消除：如果基臺和用戶(hù)終端一側三副接收天線(xiàn)，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC（maximal ratio combining），將多個(gè)接收機的信號合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干擾的好處。但是，如有兩個(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（Minimum Mean Square Error），它使每一有用信號與其估計值的均方誤差最小，從而使“信號與干擾及噪聲比SINR（Signal to Interference Plus Noise Ratio）最大。

　?。?）軟譯碼：上述MRC和MMSE算法生成軟判決信號，供軟解碼器使用。軟解碼和SINR加權組合相結合使用，可能對頻率選擇性信道提供3-4dB性能增益。

　?。?） 信道估計：目的在于識別每組發(fā)送天線(xiàn)與接收天線(xiàn)之間的信道沖擊響應。從每副天線(xiàn)發(fā)出的訓練子載波都是相互正交的，從而能夠唯一識別每副發(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。根據信道的時(shí)延擴展，能夠實(shí)現信道內插的最優(yōu)化。下行鏈路中，在逐幀基礎上向所有用戶(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。

　?。?）同步：在上行和下行鏈路傳播之前，都存在同步時(shí)隙，用于實(shí)施相位、頻率對齊，并且實(shí)施頻率偏差估計。時(shí)隙可以按照以下方式構成：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。

　?。?）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)在特定位置和時(shí)間內地用戶(hù)的SINR統計特征，以及用戶(hù)QoS的要求，存在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中調制和編碼級別，即編碼模式。在2MHz的信道帶寬內，編碼模式1-6分別對于1．1-6．8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)的設備由2組IEEE802．11a收發(fā)器、發(fā)送天線(xiàn)和接收天線(xiàn)各2個(gè)（2×2）和負責運算處理過(guò)程的MIMO系統組成，能夠實(shí)現最大108Mbit／s的傳輸速度。支持AP和客戶(hù)端之間的傳輸速度為108Mbit／s，客戶(hù)端不支持該技術(shù)時(shí)（IEEE802．11a客戶(hù)端的情況），通信速度為54Mbit／s。下一代無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議802．11n傳輸速率高達320Mbit/s，凈傳輸速率為108Mbit/s。

4 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，今日將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)。勢必將使無(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，在人們的日常生活中起到越來(lái)越重要的作用。

參 考 文 獻

[1] Part11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications ANSI/IEEE STD 802.11 1999 Edition

[2] IEEE802.11,Further High-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band , IEEE Std.802.11g-2003

[3] 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide By Matthew S.Gast O'REILLY Published 2002

[4] A.van Zelst,student Member,IEEE,and T.C.W.Schenk,,student Member,IEEE Implementation of a MIMO OFDM based Wireless LAN System

[5] 佟學(xué)儉 羅濤 著(zhù).OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應用.人民郵電出版社 2003年6月