WLAN中的MIMO-OFDM技術

無線通信作為新興的通信技術在日常生活中的作用越來越大。近年來，無線局域網技術發展迅速，但無線局域網的性能、速度與傳統以太網相比還有一定距離，因此如何提高無線網絡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(AP)的網絡里，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線局域網過渡，延長了IEEE 802.11b產品的使用壽命，可降低用戶的投資。但對于今后在無線局域網中要開展的多媒體業務來說，最高為54 Mb/s的數據速率還遠遠不夠。因此IEEE已經成立802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網標準IEEE 802.11n。該標準采用多輸入多輸出(MIMO)技術和OFDM技術，計劃將WLAN的傳輸速率從54 Mb/s增加至108 Mb/s以上，實現與百兆有線網的無縫結合，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

1.1正交頻分復用技術

OFDM技術其實是多載波調制(MCM)的一種。其主要思想是：將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，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)方法來實現，隨著大規模集成電路技術與數字信號處理(DSP)技術的發展，IFFT和FFT都非常容易實現。FFT的引入，大大降低了OFDM實現的復雜性，提升了系統的性能。圖2所示為OFDM發送接收機結構。

無線數據業務一般都存在非對稱性，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。因此無論從用戶高速數據傳輸業務的需求，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據傳輸，而OFDM容易通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

目前，OFDM結合時空編碼、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，最大程度地提高了物理層的可靠性。如再結合自適應調制、自適應編碼以及動態子載波分配、動態比特分配算法等技術，性能可進一步優化[3]。

同單載波系統相比，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

MIMO技術是無線通信領域智能天線技術的重大突破。該技術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將是新一代無線通信系統必須采用的關鍵技術。

在室內，電磁環境較為復雜，多徑效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使實現無線信道的高速數據傳輸比有線信道困難。通常多徑效應會引起衰落，被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIM0系統來說，多徑效應可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統在發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系統的原理圖。傳輸信息流S(k)經過空時編碼形成N個信息子流Ci(k)，i=1……N。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。

這N個信息子流同時發送到信道，各發射信號占用同一頻帶，因而并不增加帶寬。若各發射接收天線間的通道響應獨立，則MIMO系統可以創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，使得數據傳輸率得以提高。

MIMO將多徑無線信道與發射、接收視為一個整體進行優化，從而實現高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優的空域時域聯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。對于發射天線數為N，接收天線數為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，MIMO的最大容量或容量上限隨最小天線數的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統，其容量僅隨天線數的對數增加而增加。因此，MIMO技術對于提高無線局域網的容量具有極大的潛力。

1.3采用MIMO技術的OFDM系統

隨著無線通信技術的飛速發展，人們對無線局域網性能和數據速率的要求也越來越高。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，作為高速無線局域網核心的OFDM技術，適當選擇各載波的帶寬和采用糾錯編碼技術可以完全消除多徑衰落對系統的影響。因此如果沒有功率和帶寬的限制，可以用OFDM技術實現任何傳輸速率。而采用其他技術，當數據速率增加到某一數值時信道的頻率選擇性衰落會占據主導地位，此時無論怎樣增加發射功率也無濟于事。這正是OFDM技術適用于高速無線局域網的原因。實際上，為了進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的無線局域網需要增加載波的數量，這會增加系統復雜度，增大系統帶寬，對目前帶寬受限和功率受限的無線局域網系統不太適合。而MIMO技術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技術與OFDM技術相結合是下一代無線局域網發展的趨勢。研究表明，在瑞利衰落信道環境下，OFDM系統非常適合使用MIMO技術來提高容量。

MIMO-OFDM系統有多個發送天線，多個接收天線。在發送端和接收端各設置多重天線，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。輸入的比特流經串并變換分為多個分支，每個分支都進行OFDM處理，即經過編碼、交織、正交幅度調制(QAM)映射、插入導頻信號、IFFT變換、加循環前綴等過程，再經天線發送到無線信道中；接收端進行與發射端相反的信號處理過程，例如：去除循環前綴、FFT變換、解碼等等，同時進行信道估計、定時、同步、MIMO檢測等技術，來完全恢復原來的比特流。

2 實現MIMO-OFDM技術的關鍵

MIMO-OFDM技術是OFDM和MIMO技術結合產生的一種新技術，其通過在OFDM傳輸系統中采用陣列天線實現空間分集，提高了信號質量。由于利用了時間、頻率和空間3種分集技術，因而使無線系統對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

實現MIMO-OFDM技術需要完成以下關鍵設計：

(1)發送分集

MIMO與OFDM調制方式相結合，對下行信道選用時延分集。時延分集實現簡單、性能優良，又沒有反饋要求。實現方法是讓第2副天線發出的信號比第1副天線發出的信號延遲一段時間。發送端引用這樣的時延后，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。把1個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，分別在不同的天線對不同的數據流獨立編碼、調制和發送，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

如果基臺和用戶終端一側用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個數據流互相干擾，或者從頻率再利用的鄰近地區傳來干擾，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送天線與接收天線之間的信道沖激響應。從每副天線發出的訓練子載波都是相互正交的，能夠唯一地識別每副發送天線到接收天線的信道。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，并根據信道的時延擴展，實現信道內插的最優化。在下行鏈路中，逐幀向所有用戶廣播發送專用信道標識時隙；在上行鏈路中，由于移動臺發出的業務可以構成時隙，而且信道在時隙與時隙之間會發生變化，因此需要在每個時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。時隙按以下方式構成：在偶數序號子載波上發送數據與訓練符號，而在奇數序號子載波設置為零。這樣經過IFFT變換之后，得到的時域信號就會被重復，更加有利于信號的檢測。

(7)自適應調制和編碼

為每個用戶配置鏈路參數，可以最大限度地提高系統容量。根據兩個用戶特定位置和時間內的INR統計特征，以及用戶對服務質量(QoS)的要求，有多種編碼與調制方案用于在用戶數據流的基礎上實現最優化。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。

目前正在開發的WLAN設備能夠實現最大為108Mb/s的傳輸速率?？蛻舳酥С諱IMO-OFDM技術時的傳輸速率為108Mb/s，客戶端不支持MIMO OFDM技術時的傳輸速率為54 Mb/s。

3 結束語

MIMO技術和OFDM技術在各自的領域都發揮了巨大的作用，目前將MIMO與OFDM相結合并應用到下一代無線局域網中，是無線通信的一個研究熱點，將使無線局域網向著更高速率、更大容量、更好性能的方向發展。

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]佟學儉,羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用 [M]. 北京:人民郵電出版社, 2003.