WLAN中的MIMO OFDM技术

    作者：韩旭东  张春业  曹建海

    摘要：文章介绍了多输入多输出(MIMO)与正交频分复用(OFDM)技术以及他们各自的特点，给出了在无线局域网中应用的MIMOOFDM技术的实现方案，探讨了实现MIMOOFDM技术的要害，并展望了MIMOOFDM技术的发展前景。

    无线通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。近年来，无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能、速度与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高无线网络的性能和容量日益显得重要。

    IEEE802.11g工作在2.4GHz频段上[2]，该标准能够与IEEE802.11b的WiFi系统互相连通，共存于同一接入点(AP)的网络里，可保障后向兼容性。这样原有的WLAN系统可以平滑地向高速无线局域网过渡，延长了IEEE 802.11b产品的使用寿命，可降低用户的投资。但对于今后在无线局域网中要开展的多媒体业务来说，最高为54 Mb/s的数据速率还远远不够。因此IEEE已经成立802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准IEEE 802.11n。该标准采用多输入多输出(MIMO)技术和OFDM技术，计划将WLAN的传输速率从54 Mb/s增加至108 Mb/s以上，实现与百兆有线网的无缝结合，其最高数据速率可达320 Mb/s，将成为IEEE 802.11g之后的另一重要标准。

    1  MIMOOFDM技术

    1.1正交频分复用技术

    OFDM技术其实是多载波调制(MCM)的一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样既减少了子信道之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。图1所示为频分复用(FDM)信号频谱与OFDM信号频谱的比较。

    各个子信道中的正交调制和解调可以采用逆快速傅立叶变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)方法来实现，随着大规模集成电路技术与数字信号处理(DSP)技术的发展，IFFT和FFT都非常轻易实现。FFT的引入，大大降低了OFDM实现的复杂性，提升了系统的性能。图2所示为OFDM发送接收机结构。

    无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM轻易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

    目前，OFDM结合时空编码、分集、干扰(包括符号间干扰和邻道干扰)抑制以及智能天线技术，最大程度地提高了物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，性能可进一步优化[3]。

    同单载波系统相比，OFDM还存在一些缺点，如易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比(PAR)。

    1.2多输入多输出技术

    MIMO技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。普遍认为，MIMO将是新一代无线通信系统必须采用的要害技术。

    在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难。通常多径效应会引起衰落，被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIM0系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多信道。MIMO的多输入多输出是针对多径无线信道来说的。图3所示为MIMO系统的原理图。传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)，i=1……N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

    这N个信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并不增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，使得数据传输率得以提高。

    MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

    系统容量是表征通信系统的重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的MIMO系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，N、M很大，则信道容量C近似为公式(1)。

    C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)(1)

    其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。公式(1)表明，功率和带宽固定时，MIMO的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此，MIMO技术对于提高无线局域网的容量具有极大的潜力。

    1.3采用MIMO技术的OFDM系统

    随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线局域网性能和数据速率的要求也越来越高。IEEE802.11a和IEEE802.11g标准支持的最高为54Mb/s的数据速率显得有些低。理论上，作为高速无线局域网核心的OFDM技术，适当选择各载波的带宽和采用纠错编码技术可以完全消除多径衰落对系统的影响。因此假如没有功率和带宽的限制，可以用OFDM技术实现任何传输速率。而采用其他技术，当数据速率增加到某一数值时信道的频率选择性衰落会占据主导地位，此时无论怎样增加发射功率也无济于事。这正是OFDM技术适用于高速无线局域网的原因。实际上，为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无线局域网需要增加载波的数量，这会增加系统复杂度，增大系统带宽，对目前带宽受限和功率受限的无线局域网系统不太适合。而MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势。研究表明，在瑞利衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。

    MIMOOFDM系统有多个发送天线，多个接收天线。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。输入的比特流经串并变换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理，即经过编码、交织、正交幅度调制(QAM)映射、插入导频信号、IFFT变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、FFT变换、解码等等，同时进行信道估计、定时、同步、MIMO检测等技术，来完全恢复原来的比特流。

    2  实现MIMOOFDM技术的要害

    MIMOOFDM技术是OFDM和MIMO技术结合产生的一种新技术，其通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量。由于利用了时间、频率和空间3种分集技术，因而使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。

    实现MIMOOFDM技术需要完成以下要害设计：

    (1)发送分集

    MIMO与OFDM调制方式相结合，对下行信道选用时延分集。时延分集实现简单、性能优良，又没有反馈要求。实现方法是让第2副天线发出的信号比第1副天线发出的信号延迟一段时间。发送端引用这样的时延后，可使接收的信道响应得到频率选择性。如采用适当的编码和穿插，接收端可以获得“空间-频率”分集增益而不需预知信道情况。

    (2)空间复用

    为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。把1个传输速率相对较高的数据流分割为1组相对速率较低的数据流，分别在不同的天线对不同的数据流独立编码、调制和发送，同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同的独立的信道滤波发送信号。接收机利用空间均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用，恢复出原始信号。

    (3)接收分集和干扰消除

    假如基台和用户终端一侧用3副接收天线，可取得接收分集的效果。利用最大比值合并(MRC)将多个接收机的信号合并，可得到最大信噪比(SNR)，具有遏止自然干扰的好处。但是，如有2个数据流互相干扰，或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，MRC就不能起遏止作用。这时，利用最小的均方误差(MMSE)可使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使信号干扰噪声比(SINR)最大。

    (4)软译码

    MRC和MMSE算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和SINR加权组合结合使用，可能对频率选择性信道提供3？4dB的性能增益。

    (5)信道估计

    信道估计的目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲激响应。从每副天线发出的练习子载波都是相互正交的，能够唯一地识别每副发送天线到接收天线的信道。练习子载波在频率上的间隔要小于相干带宽，因此可以利用内插获得练习子载波之间的信道估计值，并根据信道的时延扩展，实现信道内插的最优化。在下行链路中，逐帧向所有用户广播发送专用信道标识时隙；在上行链路中，由于移动台发出的业务可以构成时隙，而且信道在时隙与时隙之间会发生变化，因此需要在每个时隙内包括练习和数据子载波。

    (6)同步

    上行和下行链路传播之前，都需要同步时隙，以便实施相位、频率对齐及频率偏差估计。时隙按以下方式构成：在偶数序号子载波上发送数据与练习符号，而在奇数序号子载波设置为零。这样经过IFFT变换之后，得到的时域信号就会被重复，更加有利于信号的检测。

    (7)自适应调制和编码

    为每个用户配置链路参数，可以最大限度地提高系统容量。根据两个用户特定位置和时间内的INR统计特征，以及用户对服务质量(QoS)的要求，有多种编码与调制方案用于在用户数据流的基础上实现最优化。QAM级别可以介于4到64，编码可以包括凿孔卷积编码与Reed-solomon编码。因此存在6种调制和编码级别。在2MHz的信道带宽内，编码模式1？6分别对于1.1？6.8Mb/s的数据传输速率。下行链路中，在使用空间复用的情况下，上述速率可以被加倍。链路适配层算法能够在SINR统计特性的基础上，选择使用最佳的编码模式。

    目前正在开发的WLAN设备能够实现最大为108Mb/s的传输速率。客户端支持MIMOOFDM技术时的传输速率为108Mb/s，客户端不支持MIMO OFDM技术时的传输速率为54 Mb/s。

    3  结束语

    MIMO技术和OFDM技术在各自的领域都发挥了巨大的作用，目前将MIMO与OFDM相结合并应用到下一代无线局域网中，是无线通信的一个研究热点，将使无线局域网向着更高速率、更大容量、更好性能的方向发展。

    4  参考文献

    [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]佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用 [M]. 北京:人民邮电出版社, 2003.