基于IEEE802．11的MIMO系统的分析和设计

摘要：基于提高WIAN系统的容量和频谱利用率的目的，在不改变现有WLAN协议的情况下，采用了IEEE802．11媒体接入控制(MAC)协议与MIMO系统相结合的方法。首先对空时编码技术和智能天线技术两种MIMO系统进行可行性分析，确定采用空时编码技术的MIMO系统；再进一步针对分层空时码、网格空时码和分组空时码等几种空时编码的特性进行比较，最终得到IEEE802．11a结合分组空时码实现WIAN的MIMO系统的优选方案。
关键词：空时编码；智能天线；无线局域网；多输入输出

    目前，IEEE802．11已成为无线局域网的主流标准。1997年IEEE802．11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，定义了单一的MAC层和多样的物理层。
    由于采用分组交换技术，传输速率高，WLAN是目前发展最迅速、应用前景最好的无线通信技术之一。然而无线信道的传输环境较为复杂，多经效应、频率选择性衰落和其他干扰的存在，使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道传输困难。这些都是影响WIAN通信质量的重要因素。
    通常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MIMO系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用MIMO技术使无线通信领域智能天线技术有了重大突破。MIMO技术在不增加带宽的情况下能成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。多输入输出(MIMO)技术，作为克服多径、抑制干扰的重要手段，在无线通信中得到了广泛应用。
    人们对MIMO技术的性能作了大量的分析，但由于WLAN是基于载波检测／冲突避免(CSMA／CA)协议的，所以并不是所有MIMO技术都可以不加分析地直接应用于WLAN中。本文分别对将空时编码和智能天线分析在WIAN中的应用进行了分析和对比，得出了在不改变现在WLAN协议的情况下，空时编码更适合于WLAN的结论，在此基础上我们设计提出了一种基于IEEE802．11a的MIMO系统。

1 IEEE802．11分布协调功能(DCF)
    IEEE802．11的MAC协议包含分布协调(DCF)和点协调(PCF)两方式。其中DCF是基于CSMM／CA的，分两机制，一种是基本接入机制，针对于帧长较短的分组；另一种是RTS／CTS接入机制，针对于帧长较长的分组。文中如不特别说明，所述的WIAN都指基于有中心接入点(AP)的RTS／CTS接入机制。
    图1显示的是RTS／CTS接入机制，处于时间轴上面的是发送站点(station，STA)，处于时间轴下面的是接入STA，收发双方都采用全向天线。在收发问通信开始时，首先发送STA会全向发送请求(RTS)帧，接收STA收到RTS后等待最短帧间间隔(SIFS)全向返回确认发送(CTS)帧，发送STA收到CTS帧后等待SIFS时间间隔，发送数据分组，接收STA收到数据分组后等待SIFS时间间隔，全向发送确认(ACK)帧。收发双方STA发送的每个帧内都有预约时长域(durationfield)，预约时长是相对时间表示信道将被占用的时长，一方面可以通知对端分组传输何时结束，收发STA在发送完当前帧，等待对端确认时，都会设一个超时定时器，如果超时收不到确认就是认为通信失败；另一方面可以用来设置周围未参
与通信的STA的网络分配矢量(NAV)，NAV是绝对时间表示通信何时结束，NAV是否超时和载波检测将联合确定信道是忙还是闲，只有当NAV超时并且载波检测信道是闲，STA才认为信道真正空闲。这样对于接收STA来说的隐藏节点会通过收听RTS来设置NAV，对于发送STA来说的隐藏节点会通过收听CTS来设置NAV，因为RTS和CTS帧长很短，所以大大降低了碰撞的概率，保证正在进行的通信不会被干扰。当因为信道忙或发生碰撞数据帧没有成功发送，STA则会产生一个随机的退避，一旦检测到信道在DIFS时隔后继续空闲，退避计数器会递减，如果检测到信道忙，退避计数器会"冻结"计数，当退避计数器减到零时，分组将再次被发送。

    通过上述介绍，可以看出IEEE802．11的MAC协议依靠全向发送和接收，并借助设置虚拟载波，最大限度地避免了覆盖范围内隐藏节点的产生。

2 在WLAN中使用MIMO技术的分析
2．1 智能天线在WLAN中的应用分析
2．1．1 在WLAN中使用智能天线的方法
    鉴于WLAN系统具有准移动性，即可以随处移动，但通信时位置相对固定，或者说移动速度慢信道特性是慢时变的。因此在通信时，收发双方要确定相互之间的位置，方法有3种：1)采用外挂定位设备的智能天线系统，如GPS；2)采用盲方法定位的智能天线系统；3)采用训练的方法定位的智能天线系统。考虑成本因素，文中对第一种方法不作讨论。后两种方法的共同点是发送方在通信建立之前并不知道接收方的位置，因此虽然存在性能、计算复杂度和鲁棒性的差异，本质上这两种方法对WLAN的MAC协议的影响是相同的。
    下面本文就此进行具体分析。
    因为不知道接收方的位置，发送方必须全向发送RTS，接收主在数据接收的接收过程中，即可完成定向并定向接收，如果信道是对称的，接收方可以人接收方向上定向向发CTS。收发双方通过RTS、CTS的收发确定智能天线参数，使随后的数据帧和相应的ACK可以实现定向的收发。
2．1．2 分析
    一方面，全向发送RTS使得覆盖范围受到限制。表面上看，WLAN设置了多种速率选择，通信双方可以以低速率发送RTS，在建立定向连接后，提高传输速率，由于RTS帧相对DATA很短，WLAN可以通过使用智能天线扩大高速率传输的覆盖范围，但实际的IEEE802．11的MAC协议并不支持这种逐帧的速率变化的方式，因为速率的变化造成NAV设置的不准确，依照当前协议，STA只在新的NAV大于旧有的NAV值时才去更新，虽然速率的提高使实际的传输时间比虚拟载波指示的时间短，但不参与当前通信的STA仍要在到达较长的虚拟载波指示的时间时才认为当前传输结束，性能并没有因为传输速率提高而增加，如果要改变这一现状，必须改变现有协议。另外全向发送RTS，最终会使得低速率传输的覆盖范围受限。
    另一方面，定向的收发会产生更多的隐藏站点。依照目前的协议，为了保证通信异常情况下降低WLAN系统性能，不参与通信的STA并不完全以来载波侦听和NAV设置，在帧交换过程中，STA还设置多个定时器，一旦在规定时间内，处于定向天线波瓣外的旁听STA收不到帧的发送，就会认为当前的通讯失败，进面启动自身的发送进程，对于发送方的隐藏STA，由于数据帧发送时间长，这类事件发生的概率较大，容易产生碰撞。
    通过以上分析可以看出，由于会在传输过程中改变天线的方向图，智能天线并不适用于现有的WLAN协议。
2．2 空时编码在WLAN中的应用分析
    空时编码不存在智能天线在WLAN应用中所存在的棘手问题，因为空时编码不会在传输过程中改变天线的方向图。因此可以直接在WLAN中使用，在提高性能的同时，不必改变现有的WLAN协议。
2．2．1 空时编码选型
    分层空时码(Layered Space-Time Codes)是最早提出的一种空时编码方式，是目前已知的唯一一种可以使频带利用率随着min(m，n)线性增加的编码方式。与其它空时编码方式相比，虽然分层空时码有较高的频带利用率，但无法达到最大分集增益，性能相对较差。分层空时码以部分分集增益为代价来换取高频带利用率。
    网格空时码(Space-Time Coded Modulation)是在延时分集基础上结合TCM编码提出的，实际是传输分集方式的改进。STCM把编码和调制结合起来，能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率之间的最佳折中，是一种最佳码。但STCM译码复杂度大，STCM的好码设计也是一个难点，在状态数大的情况下，目前多用计算机搜索来完成。
    分组空时码(STBC)是根据广义正交设计的原理提出，它要求在各天线发射的信号之间正交，这样不仅保证能够达到最大分集增益，而且还可以降低译码复杂度。STBC最大的特点是简单实用，且性能相对较好，是一种较有效的传输分集解决方案。
2．2．2 分析
    我们不考虑非相干的空时码，因为一方面WLAN系统具有准移动性，信道变化慢，准确信道估计是可能，另一方面，WLAN物理帧中携带的引导符号完全可以用来估计信道。选择分组空时码作为在WLAN中实现MIMO的优选方案，其相关参数如表1所示。

    为公平起见依据下式：
    BPS=RST×RCCxModulation Through put         (1)
    对比G2、G3、G4、H3和H4空时码的性能，其中，BPS：指bitper symbol，RST指空时码码率，RCC表示信道编码。对比表1可知，要想得到相同的有效吞吐率，相比G2、G3、G4、H3和H4要采用更高阶调制方式。其中，G3和G4的调制阶数最。由于高阶调制的星座点较密，使得错误概率增大。
    当接收天线的个数增加为2时，G3、G4、H3和H4相对G2的性能增益变小了。这是因为2个接收天线时，G2已将可能获得的分集增益的大部分实现。表2是在BER=10-5时，有效吞吐率分别为1 BPS、2 BPS和3 BPS，采用单天线接收和双天线接收，仿真环境为经过充分交织后得到非相关Rayleigh信道时，G2、G3、G4、H3和H4空时码的性能如表2所示。G2、G3、G4、H3和H4得到相应增益(和未编码PSK调制相比较)。

    文中综合考虑系统性能、计算复杂度、多速率传输将采用高阶调制以及成本等因素，认为采用双接收天线的G2空时码是较合知的解决方案。

3 G2空时码在IEEE802．11a的系统设计
    根据前面的分析，本文针对IEEE802．11a设计一个采用2个发射和2个接收天线的G2空时码的MIMO系统。系统框图见图2。在发射端，调制模块负责纠错编码、交织、QAM调制，IEEE802．11a发送模块负责OFDM调制和射频发送，IEEE802．11a中的长训练序列是已知的。在接收端IEEE802．11a接收模块负责射频接收和OFDM解调，解调模块负责QAM解调、解交织、纠错译码。

    在发射端，将输入QAM符号两两分组送入空时码生成器，设第一个分组为{x1，x2}，输出两路正交分组{x1，-x2}和{-x2，x1}(如图2所示)。将这两路分组分别送入不同的IFFT模块，每个分组占用一个OFDM子信道。这样在接收端经过FFT后会得到两组相应的接收信号{y11，y12}和{y21，y22}。由于OFDM子信道是平坦衰落信道，设收发天线间信道分别为h11、h12、h21和h22(下标第一个数字为发射天线编号，第二个数字为接收天线编号)。显然有：

                

4 结论
    文中基于IEEE802．11协议，对如何在WLAN中使用空时编码和智能天线进行了较详细的分析和对比，得出了在不改变现有WLAN协议的情况下，空时编码更适合于WLAN的结论，在此基础上，在保证系统整体性能提高的同时，综合考虑了系统的兼容性、计算复杂度实现成，设计并提出了一种基于IEEE802．11a的MIMO系统，该实现方案有重要的实用价值。