MIMO OFDM無線局域網(wǎng)核心技術(shù)研究
摘要 MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合被視為下一代高速無線局域網(wǎng)的核心技術(shù)。本文全面敘述了MIMOOFDM技術(shù)及其特點(diǎn)，分析了MIMOOFDM技術(shù)在無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用，探討了MIMOOFDM中的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了其發(fā)展前景。
1引言
無線通信作為新興的通信技術(shù)在日常生活中的作用越來越大。近年來，無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，但無線局域網(wǎng)的性能、速度與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比還有一定距離，因此如何提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能和容量日益顯得重要。
目前，IEEE802.11已成為無線局域網(wǎng)的主流標(biāo)準(zhǔn)。1997年802.11標(biāo)準(zhǔn)的制定是無線局域網(wǎng)發(fā)展的里程碑，它是由大量的局域網(wǎng)以及計(jì)算機(jī)專家審定通過的標(biāo)準(zhǔn)。其定義了單一的MAC層和多樣的物理層，先后又推出了802.1lb，a和g物理層標(biāo)準(zhǔn)。802.1lb使用了CCK調(diào)制技術(shù)來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達(dá)11Mbit/s。但是傳輸速率超過11Mbit/s，CCK為了對抗多徑干擾，需要更復(fù)雜的均衡及調(diào)制，實(shí)現(xiàn)起來非常困難。因此，802.1l工作組為了推動(dòng)無線局域網(wǎng)的發(fā)展，又引入0FDM調(diào)制技術(shù)。最近，剛剛正式批準(zhǔn)的802.1lg標(biāo)準(zhǔn)采用OFDM技術(shù)，和802.1la一樣數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)54Mbit/s。另外，IEEE802.1la運(yùn)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(xiàn)在市場上占統(tǒng)治地位的IEEE802.11b來說，不能兼容就意味著推廣存在著巨大的困難；其次，由于無線電波傳輸?shù)奶匦裕?GHz上運(yùn)行的IEEE802.1la覆蓋范圍相對較小。
IEEE802.11g工作在2.4GHz頻段上，能夠與802.1lb的WIFI系統(tǒng)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(tǒng)可以平滑地向高速無線局域網(wǎng)過渡，延長了IEEE802.1lb產(chǎn)品的使用壽命，降低用戶的投資。而對于今后要開展的在無線局域網(wǎng)中的多媒體業(yè)務(wù)來說，最高為54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
IEEE已經(jīng)成立802.1ln工作小組，以制定一項(xiàng)新的高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11n。802.1ln采用了MIM00FDM技術(shù)，計(jì)劃將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.1lg的54Mbit/s增加至108Mbit/s以上，最高速率可達(dá)320Mbit/s，成為802.1lb、802.11a、802.11g之后的另一場重頭戲。
2 在無線局域網(wǎng)中應(yīng)用的MIMO OFDM技術(shù)
2.1OFDM技術(shù)
OFDM技術(shù)其實(shí)是MCM(Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)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(diào)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(diào)制和解調(diào)可以采用IFFT和FFT方法來實(shí)現(xiàn)，隨著大規(guī)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(xiàn)的。快速傅里葉變換(FFI)的引入，大大降低了OFDM的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性，提升了系統(tǒng)的性能，OFDM發(fā)送接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2所示。無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量。因此無論從用戶高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)傳輸，而OFDM容易通過使用不同數(shù)量的子信道來實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
目前，OFDM結(jié)合時(shí)空編碼、分集、干擾(包括符號間干擾ISI和鄰道干擾ICI)抑制以及智能天線技術(shù)，最大程度地提高物理層的可靠性。如再結(jié)合白適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)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(tǒng)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)。
2.2MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)
多入多出(MIMO)技術(shù)是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(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(tǒng)的容量和頻譜利用率。普遍認(rèn)為，MIMO將是新一代無線通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。
在室內(nèi)，電磁環(huán)境較為復(fù)雜，多經(jīng)效應(yīng)、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使得實(shí)現(xiàn)無線信道的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道困難。多徑效應(yīng)會(huì)引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對于MIM0系統(tǒng)來說，多徑效應(yīng)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(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道。MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。圖3所示為MIMO系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流S(k)經(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流Ci(k)，i=l，……，N。這N個(gè)子流由N個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M個(gè)接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)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)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。
MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標(biāo)志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為N，接收天線數(shù)為M的多入多出(MIMO)系統(tǒng)，假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道，并設(shè)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。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數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。因此，MIMO技術(shù)對于提高無線局域網(wǎng)的容量具有極大的潛力。
2.3無線局域網(wǎng)中的MIMOOFDM技術(shù)
隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對無線局域網(wǎng)性能和數(shù)據(jù)速率的要求也越來越高。IEEE802.1la和IEEE802.1lg協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)支持的最高為54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率顯得有些低了。理論上來說，作為高速無線局域網(wǎng)核心的OFDM技術(shù)，只要適當(dāng)選擇各載波的帶寬和采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)，多徑衰落對系統(tǒng)的影響可以完全被消除。因此如果沒有功率和帶寬的限制，我們可以用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)任何傳輸速率。而其他技術(shù)就不具備這種特性，因?yàn)椴捎闷渌夹g(shù)時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)速率最終增加到某一數(shù)值時(shí)信道的頻率選擇性衰落會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)無論怎樣增加發(fā)射功率也無濟(jì)于事，這正是OFDM技術(shù)適用于高速無線局域網(wǎng)的原因；但從實(shí)際上來說，為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)傳輸速率，使用多載波調(diào)制技術(shù)的無線局域網(wǎng)需要增加載波的數(shù)量，而這種方法會(huì)造成系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，并增大系統(tǒng)的帶寬，這對今日的帶寬受限和功率受限的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)的容量和頻譜利用率，因此將MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合是適應(yīng)下一代無線局域網(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(tǒng)非常適合使用MIMO技術(shù)來提高容量。
MIMO OFDM技術(shù)是通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)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)，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。
可以看出，MIMOOFDM系統(tǒng)有Nt個(gè)發(fā)送天線，Nr個(gè)接收天線，在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€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)過編碼、交織、QAM映射、插入導(dǎo)頻信號、IDFT變換、加循環(huán)前綴等過程，再經(jīng)天線發(fā)送到無線信道中；接收端進(jìn)行與發(fā)射端相反的信號處理過程，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(jì)、定時(shí)、同步、MIMO檢測等技術(shù)，來完全恢復(fù)原來的比特流。
3實(shí)現(xiàn)MIMOOFDM無線局域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
MIMOOFDM技術(shù)是通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)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)，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。MIMOOFDM的原理如圖5所示。
MIMOOFDM實(shí)現(xiàn)主要包括以下關(guān)鍵設(shè)計(jì)：
(1)發(fā)送分集：MIMOOFDM調(diào)制方式相結(jié)合，對下行通路選用“時(shí)延分集”，它裝備簡單、性能優(yōu)良，又沒有反饋要求。它是讓第二副天線發(fā)出的信號比第一副天線發(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(yīng)得到頻率選擇性。如采用適當(dāng)?shù)木幋a和穿插，接收端可以獲得“空間---頻率”分集增益，而不需預(yù)知通路情況。
(2)空間復(fù)用：為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，可以采用空間復(fù)用技術(shù)。也可能從兩副基臺(tái)天線發(fā)送兩個(gè)各自編碼的數(shù)據(jù)流。這樣，可以把一個(gè)傳輸速率相對較高數(shù)據(jù)流多組成分割為一組相對速率較低的數(shù)據(jù)流，分別在不同的天線對不同的數(shù)據(jù)流獨(dú)立的編碼、調(diào)制和發(fā)送，同時(shí)使用相同的頻率和時(shí)隙。每副天線可以通過不同獨(dú)立的信道濾波獨(dú)立發(fā)送信號。接收機(jī)利用空間均衡器分離信號，然后解調(diào)、譯碼和解復(fù)用，恢復(fù)出原始信號。
(3)接收分集和干擾消除：如果基臺(tái)和用戶終端一側(cè)三副接收天線，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC(maximalratiocombining)，將多個(gè)接收機(jī)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(shù)據(jù)流互相干擾，或者從頻率再利用的鄰近地區(qū)傳來干擾，MRC就不能起遏止作用。這時(shí)，利用“最小的均方誤差”MMSE(MinimumMean Square Error)，它使每一有用信號與其估計(jì)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。
(4)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(quán)組合相結(jié)合使用，可能對頻率選擇性信道提供3-4dB性能增益。
(5)信道估計(jì)：目的在于識(shí)別每組發(fā)送天線與接收天線之間的信道沖擊響應(yīng)。從每副天線發(fā)出的訓(xùn)練子載波都是相互正交的，從而能夠唯一識(shí)別每副發(fā)送天線到接收天線的信道。訓(xùn)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(nèi)插獲得訓(xùn)練子載波之間的信道估計(jì)值。根據(jù)信道的時(shí)延擴(kuò)展，能夠?qū)崿F(xiàn)信道內(nèi)插的最優(yōu)化。下行鏈路中，在逐幀基礎(chǔ)上向所有用戶廣播發(fā)送專用信道標(biāo)識(shí)時(shí)隙。在上行鏈路中，由于移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的業(yè)務(wù)可以構(gòu)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(nèi)包括訓(xùn)練和數(shù)據(jù)子載波。
(6)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(jì)。時(shí)隙可以按照以下方式構(gòu)成：在偶數(shù)序號子載波上發(fā)送數(shù)據(jù)與訓(xùn)練符號，而在奇數(shù)序號子載波設(shè)置為零。這樣經(jīng)過IFFT變換之后，得到的時(shí)域信號就會(huì)被重復(fù)，更加有利于信號的檢測。(7)自適應(yīng)調(diào)制和編碼：為每個(gè)用戶配置鏈路參數(shù)，可以最大限度地提高系統(tǒng)容量。根據(jù)兩個(gè)用戶在特定位置和時(shí)間內(nèi)地用戶的SINR統(tǒng)計(jì)特征，以及用戶QoS的要求，存在多種編碼與調(diào)制方案，用于在用戶數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(diào)制和編碼級別，即編碼模式。在2MHz的信道帶寬內(nèi)，編碼模式1-6分別對于1.1-6.8的數(shù)據(jù)傳輸速率。下行鏈路中，在使用空間復(fù)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(tǒng)計(jì)特性的基礎(chǔ)上，選擇使用最佳的編碼模式。
目前正在開發(fā)的設(shè)備由2組IEEE802.1la收發(fā)器、發(fā)送天線和接收天線各2個(gè)(2×2)和負(fù)責(zé)運(yùn)算處理過程的MIMO系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)最大108Mbit/s的傳輸速度。支持AP和客戶端之間的傳輸速度為108Mbit/s，客戶端不支持該技術(shù)時(shí)(IEEE802.1la客戶端的情況)，通信速度為54Mbil/s。下一代無線局域網(wǎng)協(xié)議802.1ln傳輸速率高達(dá)320Mbit/s，凈傳輸速率為108Mbit/s。
4結(jié)束語
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(jié)合，并應(yīng)用到下一代無線局域網(wǎng)中，是無線通信的一個(gè)研究熱點(diǎn)。勢必將使無線局域網(wǎng)向著更高速率、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越重要的作用。