MIMO OFDM无线局域网研究及关键技术
韩旭东 张春业 曹建海
山东大学信息学院
摘要 MIMO技术与OFDM技术相结合被视为下一代高速无线局域网的核心技术。本文全面叙述了MIMO OFDM技术及其特点，分析了MIMO OFDM技术在无线局域网中的应用，探讨了MIMO OFDM中的关键技术，并展望了其发展前景。
关键词 OFDM MIMO IEEE802.11n WLAN
1 引言
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。
目前，IEEE802.11已成为无线局域网的主流标准。1997年802.11标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。其定义了单一的MAC层和多样的物理层，先后又推出了802.11b,a和g物理层标准。802.11b使用了CCK调制技术来提高数据传输速率，最高可达11Mbit/s。但是传输速率超过11Mbit/s，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。因此，802.11工作组为了推动无线局域网的发展，又引入OFDM调制技术。最近，刚刚正式批准的802.11g标准采用OFDM技术，和802.11a一样数据传输速率可达54Mbit/s。另外，IEEE802.11a运行在5GHz的UNII频段上，采用OFDM技术。但是，它不能兼容IEEE802.11b的产品，对于现在市场上占统治地位的IEEE802.11b来说，不能兼容就意味着推广存在着巨大的困难；其次，由于无线电波传输的特性，在5GHz上运行的IEEE802.11a覆盖范围相对较小。
IEEE802.11g工作在2.4GHz频段上，能够与802.11b的WIFI系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。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IEEE802.11b产品的使用寿命，降低用户的投资。而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54Mbit/s的数据速率还远远不够。
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802.11n。802.11n采用了MIMO OFDM 技术，计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbit/s增加至108Mbit/s以上，最高速率可达320Mbit/s，成为802.11b、802.11a、802.11g之后的另一场重头戏。
2 在无线局域网中应用的MIMO OFDM技术
2.1 OFDM技术
OFDM技术其实是MCM(Multi-Carrier Modulation, 多载波调制)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，这样减少了子信道之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。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。
在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法来实现，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的。快速傅里叶变换（FFT）的引入，大大降低了OFDM的实现复杂性，提升了系统的性能。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容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ISI和邻道干扰ICI）抑制以及智能天线技术，最大程度地提高物理层的可靠性。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，可以使其性能进一步优化。
另外，同单载波系统相比，OFDM还存在一些缺点，易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比（PAR）。
2.2 MIMO（多输入多输出）技术
多入多出(MIMO)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。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。普遍认为，MIMO将是新一代无线通信系统必须采用的关键技术。
在室内，电磁环境较为复杂，多经效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难。多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素。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。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。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。
特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。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，数据率必然可以提高。
MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可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最重要标志之一，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的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为公式（1）
C=[min(M,N)]Blog2(ρ／2)
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。上式表明，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。
2.3 无线局域网中的MIMO OFDM技术
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协议标准支持的最高为54Mbit/s的数据速率显得有些低了。理论上来说，作为高速无线局域网核心的OFDM技术，只要适当选择各载波的带宽和采用纠错编码技术，多径衰落对系统的影响可以完全被消除。因此如果没有功率和带宽的限制，我们可以用OFDM技术实现任何传输速率。而其他技术就不具备这种特性，因为采用其他技术时，当数据速率最终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；但从实际上来说，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，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的带宽，这对今日的带宽受限和功率受限的无线局域网系统就不太适合了。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技术相结合是适应下一代无线局域网发展要求的趋势。研究表明，在衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。
MIMO OFDM技术是通过在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，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。
可以看出，MIMO OFDM系统有Nt个发送天线，Nr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、QAM映射、插入导频信号、IDFT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、DFT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。
3 实现MIMO OFDM无线局域网的关键技术
MIMO OFDM技术是通过在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，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。
MIMO OFDM实现主要包括以下关键设计：
（1）发送分集：MIMO OFDM调制方式相结合，对下行通路选用“时延分集”，它装备简单、性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一副天线发出的延迟一段时间。发送端引用这样的时延，可使接收通路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，而不需预知通路情况。
（2） 空间复用：为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。也可能从两副基台天线发送两个各自编码的数据流。这样，可以把一个传输速率相对较高数据流多组成分割为一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的编码、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独立的信道滤波独立发送信号。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：如果基台和用户终端一侧三副接收天线，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC（maximal ratio combining），将多个接收机的信号合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干扰的好处。但是，如有两个数据流互相干扰，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（Minimum Mean Square Error），它使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使“信号与干扰及噪声比SINR（Signal to Interference Plus Noise Ratio）最大。
（4）软译码：上述MRC和MMSE算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和SINR加权组合相结合使用，可能对频率选择性信道提供3-4dB性能增益。
（5） 信道估计：目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲击响应。从每副天线发出的训练子载波都是相互正交的，从而能够唯一识别每副发送天线到接收天线的信道。训练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训练子载波之间的信道估计值。根据信道的时延扩展，能够实现信道内插的最优化。下行链路中，在逐帧基础上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训练和数据子载波。
（6）同步：在上行和下行链路传播之前，都存在同步时隙，用于实施相位、频率对齐，并且实施频率偏差估计。时隙可以按照以下方式构成：在偶数序号子载波上发送数据与训练符号，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。根据两个用户在特定位置和时间内地用户的SINR统计特征，以及用户QoS的要求，存在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中调制和编码级别，即编码模式。在2MHz的信道带宽内，编码模式1-6分别对于1．1-6．8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。
目前正在开发的设备由2组IEEE802．11a收发器、发送天线和接收天线各2个（2×2）和负责运算处理过程的MIMO系统组成，能够实现最大108Mbit／s的传输速度。支持AP和客户端之间的传输速度为108Mbit／s，客户端不支持该技术时（IEEE802．11a客户端的情况），通信速度为54Mbit／s。下一代无线局域网协议802．11n传输速率高达320Mbit/s，净传输速率为108Mbit/s。
4 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，今日将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。势必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，在人们的日常生活中起到越来越重要的作用。
参 考 文 献
[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] 佟学俭 罗涛 著.OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社 2003年6月
关键词： OFDM MIMO IEEE802.11n WLAN
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