基于IEEE802．11的MIMO系統的分析和設計

　　基于提高WIAN系統的容量和頻譜利用率的目的，在不改變現有WLAN協(xié)議的情況下，采用了IEEE802.11媒體接入控制(MAC)協(xié)議與MIMO系統相結合的方法。首先對空時(shí)編碼技術(shù)和智能天線(xiàn)技術(shù)兩種MIMO系統進(jìn)行可行性分析，確定采用空時(shí)編碼技術(shù)的MIMO系統;再進(jìn)一步針對分層空時(shí)碼、網(wǎng)格空時(shí)碼和分組空時(shí)碼等幾種空時(shí)編碼的特性進(jìn)行比較，最終得到IEEE802.11a結合分組空時(shí)碼實(shí)現WIAN的MIMO系統的優(yōu)選方案。

　　目前，IEEE802.11已成為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的主流標準。1997年IEEE802.11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，定義了單一的MAC層和多樣的物理層。

　　由于采用分組交換技術(shù)，傳輸速率高，WLAN是目前發(fā)展最迅速、應用前景最好的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)之一。然而無(wú)線(xiàn)信道的傳輸環(huán)境較為復雜，多經(jīng)效應、頻率選擇性衰落和其他干擾的存在，使得實(shí)現無(wú)線(xiàn)信道的高速數據傳輸比有線(xiàn)信道傳輸困難。這些都是影響WIAN通信質(zhì)量的重要因素。

　　通常多徑效應會(huì )引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO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技術(shù)使無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域智能天線(xiàn)技術(shù)有了重大突破。MIMO技術(shù)在不增加帶寬的情況下能成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。多輸入輸出(MIMO)技術(shù)，作為克服多徑、抑制干擾的重要手段，在無(wú)線(xiàn)通信中得到了廣泛應用。

　　人們對MIMO技術(shù)的性能作了大量的分析，但由于WLAN是基于載波檢測/沖突避免(CSMA/CA)協(xié)議的，所以并不是所有MIMO技術(shù)都可以不加分析地直接應用于WLAN中。本文分別對將空時(shí)編碼和智能天線(xiàn)分析在WIAN中的應用進(jìn)行了分析和對比，得出了在不改變現在WLAN協(xié)議的情況下，空時(shí)編碼更適合于WLAN的結論，在此基礎上我們設計提出了一種基于IEEE802.11a的MIMO系統。

　　1 IEEE802.11分布協(xié)調功能(DCF)

　　IEEE802.11的MAC協(xié)議包含分布協(xié)調(DCF)和點(diǎn)協(xié)調(PCF)兩方式。其中DCF是基于CSMM/CA的，分兩機制，一種是基本接入機制，針對于幀長(cháng)較短的分組;另一種是RTS/CTS接入機制，針對于幀長(cháng)較長(cháng)的分組。文中如不特別說(shuō)明，所述的WIAN都指基于有中心接入點(diǎn)(AP)的RTS/CTS接入機制。

　　圖1顯示的是RTS/CTS接入機制，處于時(shí)間軸上面的是發(fā)送站點(diǎn)(station，STA)，處于時(shí)間軸下面的是接入STA，收發(fā)雙方都采用全向天線(xiàn)。在收發(fā)問(wèn)通信開(kāi)始時(shí)，首先發(fā)送STA會(huì )全向發(fā)送請求(RTS)幀，接收STA收到RTS后等待最短幀間間隔(SIFS)全向返回確認發(fā)送(CTS)幀，發(fā)送STA收到CTS幀后等待SIFS時(shí)間間隔，發(fā)送數據分組，接收STA收到數據分組后等待SIFS時(shí)間間隔，全向發(fā)送確認(ACK)幀。收發(fā)雙方STA發(fā)送的每個(gè)幀內都有預約時(shí)長(cháng)域(durationfield)，預約時(shí)長(cháng)是相對時(shí)間表示信道將被占用的時(shí)長(cháng)，一方面可以通知對端分組傳輸何時(shí)結束，收發(fā)STA在發(fā)送完當前幀，等待對端確認時(shí)，都會(huì )設一個(gè)超時(shí)定時(shí)器，如果超時(shí)收不到確認就是認為通信失敗;另一方面可以用來(lái)設置周?chē)磪⑴c通信的STA的網(wǎng)絡(luò )分配矢量(NAV)，NAV是絕對時(shí)間表示通信何時(shí)結束，NAV是否超時(shí)和載波檢測將聯(lián)合確定信道是忙還是閑，只有當NAV超時(shí)并且載波檢測信道是閑，STA才認為信道真正空閑。這樣對于接收STA來(lái)說(shuō)的隱藏節點(diǎn)會(huì )通過(guò)收聽(tīng)RTS來(lái)設置NAV，對于發(fā)送STA來(lái)說(shuō)的隱藏節點(diǎn)會(huì )通過(guò)收聽(tīng)CTS來(lái)設置NAV，因為RTS和CTS幀長(cháng)很短，所以大大降低了碰撞的概率，保證正在進(jìn)行的通信不會(huì )被干擾。當因為信道忙或發(fā)生碰撞數據幀沒(méi)有成功發(fā)送，STA則會(huì )產(chǎn)生一個(gè)隨機的退避，一旦檢測到信道在DIFS時(shí)隔后繼續空閑，退避計數器會(huì )遞減，如果檢測到信道忙，退避計數器會(huì )“凍結”計數，當退避計數器減到零時(shí)，分組將再次被發(fā)送。

　　通過(guò)上述介紹，可以看出IEEE802.11的MAC協(xié)議依靠全向發(fā)送和接收，并借助設置虛擬載波，最大限度地避免了覆蓋范圍內隱藏節點(diǎn)的產(chǎn)生。

　　2在WLAN中使用MIMO技術(shù)的分析

　　2.1智能天線(xiàn)在WLAN中的應用分析2.1.1在WLAN中使用智能天線(xiàn)的方法鑒于WLAN系統具有準移動(dòng)性，即可以隨處移動(dòng)，但通信時(shí)位置相對固定，或者說(shuō)移動(dòng)速度慢信道特性是慢時(shí)變的。因此在通信時(shí)，收發(fā)雙方要確定相互之間的位置，方法有3種：1)采用外掛定位設備的智能天線(xiàn)系統，如GPS;2)采用盲方法定位的智能天線(xiàn)系統;3)采用訓練的方法定位的智能天線(xiàn)系統?？紤]成本因素，文中對第一種方法不作討論。后兩種方法的共同點(diǎn)是發(fā)送方在通信建立之前并不知道接收方的位置，因此雖然存在性能、計算復雜度和魯棒性的差異，本質(zhì)上這兩種方法對WLAN的MAC協(xié)議的影響是相同的。

　　下面本文就此進(jìn)行具體分析。

　　因為不知道接收方的位置，發(fā)送方必須全向發(fā)送RTS，接收主在數據接收的接收過(guò)程中，即可完成定向并定向接收，如果信道是對稱(chēng)的，接收方可以人接收方向上定向向發(fā)CTS.收發(fā)雙方通過(guò)RTS、CTS的收發(fā)確定智能天線(xiàn)參數，使隨后的數據幀和相應的ACK可以實(shí)現定向的收發(fā)。

　　2.1.2分析一方面，全向發(fā)送RTS使得覆蓋范圍受到限制。表面上看，WLAN設置了多種速率選擇，通信雙方可以以低速率發(fā)送RTS，在建立定向連接后，提高傳輸速率，由于RTS幀相對DATA很短，WLAN可以通過(guò)使用智能天線(xiàn)擴大高速率傳輸的覆蓋范圍，但實(shí)際的IEEE802.11的MAC協(xié)議并不支持這種逐幀的速率變化的方式，因為速率的變化造成NAV設置的不準確，依照當前協(xié)議，STA只在新的NAV大于舊有的NAV值時(shí)才去更新，雖然速率的提高使實(shí)際的傳輸時(shí)間比虛擬載波指示的時(shí)間短，但不參與當前通信的STA仍要在到達較長(cháng)的虛擬載波指示的時(shí)間時(shí)才認為當前傳輸結束，性能并沒(méi)有因為傳輸速率提高而增加，如果要改變這一現狀，必須改變現有協(xié)議。另外全向發(fā)送RTS，最終會(huì )使得低速率傳輸的覆蓋范圍受限。

　　另一方面，定向的收發(fā)會(huì )產(chǎn)生更多的隱藏站點(diǎn)。依照目前的協(xié)議，為了保證通信異常情況下降低WLAN系統性能，不參與通信的STA并不完全以來(lái)載波偵聽(tīng)和NAV設置，在幀交換過(guò)程中，STA還設置多個(gè)定時(shí)器，一旦在規定時(shí)間內，處于定向天線(xiàn)波瓣外的旁聽(tīng)STA收不到幀的發(fā)送，就會(huì )認為當前的通訊失敗，進(jìn)面啟動(dòng)自身的發(fā)送進(jìn)程，對于發(fā)送方的隱藏STA，由于數據幀發(fā)送時(shí)間長(cháng)，這類(lèi)事件發(fā)生的概率較大，容易產(chǎn)生碰撞。

　　通過(guò)以上分析可以看出，由于會(huì )在傳輸過(guò)程中改變天線(xiàn)的方向圖，智能天線(xiàn)并不適用于現有的WLAN協(xié)議。

　　2.2空時(shí)編碼在WLAN中的應用分析空時(shí)編碼不存在智能天線(xiàn)在WLAN應用中所存在的棘手問(wèn)題，因為空時(shí)編碼不會(huì )在傳輸過(guò)程中改變天線(xiàn)的方向圖。因此可以直接在WLAN中使用，在提高性能的同時(shí)，不必改變現有的WLAN協(xié)議。

　　2.2.1空時(shí)編碼選型分層空時(shí)碼(Layered Space-Time Codes)是最早提出的一種空時(shí)編碼方式，是目前已知的唯一一種可以使頻帶利用率隨著(zhù)min(m，n)線(xiàn)性增加的編碼方式。與其它空時(shí)編碼方式相比，雖然分層空時(shí)碼有較高的頻帶利用率，但無(wú)法達到最大分集增益，性能相對較差。分層空時(shí)碼以部分分集增益為代價(jià)來(lái)?yè)Q取高頻帶利用率。

　　網(wǎng)格空時(shí)碼(Space-Time Coded Modulation)是在延時(shí)分集基礎上結合TCM編碼提出的，實(shí)際是傳輸分集方式的改進(jìn)。STCM把編碼和調制結合起來(lái)，能夠達到編譯碼復雜度、性能和頻帶利用率之間的最佳折中，是一種最佳碼。但STCM譯碼復雜度大，STCM的好碼設計也是一個(gè)難點(diǎn)，在狀態(tài)數大的情況下，目前多用計算機搜索來(lái)完成。

　　分組空時(shí)碼(STBC)是根據廣義正交設計的原理提出，它要求在各天線(xiàn)發(fā)射的信號之間正交，這樣不僅保證能夠達到最大分集增益，而且還可以降低譯碼復雜度。STBC最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單實(shí)用，且性能相對較好，是一種較有效的傳輸分集解決方案。

　　2.2.2分析我們不考慮非相干的空時(shí)碼，因為一方面WLAN系統具有準移動(dòng)性，信道變化慢，準確信道估計是可能，另一方面，WLAN物理幀中攜帶的引導符號完全可以用來(lái)估計信道。選擇分組空時(shí)碼作為在WLAN中實(shí)現MIMO的優(yōu)選方案，其相關(guān)參數如表1所示。

　　為公平起見(jiàn)依據下式：BPS=RST×RCCxModulation Through put (1)

　　對比G2、G3、G4、H3和H4空時(shí)碼的性能，其中，BPS：指bitper symbol，RST指空時(shí)碼碼率，RCC表示信道編碼。對比表1可知，要想得到相同的有效吞吐率，相比G2、G3、G4、H3和H4要采用更高階調制方式。其中，G3和G4的調制階數最。由于高階調制的星座點(diǎn)較密，使得錯誤概率增大。

　　當接收天線(xiàn)的個(gè)數增加為2時(shí)，G3、G4、H3和H4相對G2的性能增益變小了。這是因為2個(gè)接收天線(xiàn)時(shí)，G2已將可能獲得的分集增益的大部分實(shí)現。表2是在BER=10-5時(shí)，有效吞吐率分別為1 BPS、2 BPS和3 BPS，采用單天線(xiàn)接收和雙天線(xiàn)接收，仿真環(huán)境為經(jīng)過(guò)充分交織后得到非相關(guān)Rayleigh信道時(shí)，G2、G3、G4、H3和H4空時(shí)碼的性能如表2所示。G2、G3、G4、H3和H4得到相應增益(和未編碼PSK調制相比較)。

　　文中綜合考慮系統性能、計算復雜度、多速率傳輸將采用高階調制以及成本等因素，認為采用雙接收天線(xiàn)的G2空時(shí)碼是較合知的解決方案。

　　3 G2空時(shí)碼在IEEE802.11a的系統設計

　　根據前面的分析，本文針對IEEE802.11a設計一個(gè)采用2個(gè)發(fā)射和2個(gè)接收天線(xiàn)的G2空時(shí)碼的MIMO系統。系統框圖見(jiàn)圖2.在發(fā)射端，調制模塊負責糾錯編碼、交織、QAM調制，IEEE802.11a發(fā)送模塊負責OFDM調制和射頻發(fā)送，IEEE802.11a中的長(cháng)訓練序列是已知的。在接收端IEEE802.11a接收模塊負責射頻接收和OFDM解調，解調模塊負責QAM解調、解交織、糾錯譯碼。