MIMO OFDM无线局域网性能分析及其关键技术

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, 因此全面叙述了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: 正交频分复用; 多输入多输出; IEEE802.11g; 无线局域网

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, 先后又推出了IEEE802.11b,IEEE802.11a 和IEEE802.11g 物理层标准。IEEE802.11b 使用了CCK 调制技术来提高数据传输速率, 最高可达11Mbitˆs。因为传输速率超过11Mbitˆs, 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, IEEE802.11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IEEE802.11g标准采用了OFDM 技术, 和IEEE802.11a 一样, 数据传输速率可达54Mbitˆs。

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 的覆盖范围相对较小。

IEEE802.11g 工作在2.4GHz 频段上, 能够与IEEE802.11b 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。对于今后要在无线局域网中开展多媒体业务来说, 最高为54Mbitˆs 的数据速率还远远不够。

IEEE 已经成立IEEE802.11n 工作小组, 以制定一项新的高速无线局域网标准IEEE802.11n。IEEE802.11n 采用了MIMO OFDM 技术, 计划将WLAN 的传输速率从IEEE802.11a 和IEEE802.11g 的54Mbitˆs 增加至108Mbitˆs 以上, 最高速率可达320Mbitˆs, 成为IEEE802.11b, IEEE802.11a, IEEE802.11g 之后的另一场重头戏。

在无线局域网中应用的MIMO OFDM 技术

OFDM 技术

OFDM 技术其实是多载波调制MCM (multicarrier modulation) 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, 其FDM 与OFDM 信号频谱比较如图1 所示。

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, 其OFDM 发送接收机系统结构如图2 所示。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据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IS I 和邻道干扰IC I) 抑制以及智能天线技术, 能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 还存在易受频率偏差的影响, 有较高的峰值平均功率比(PAR ) 等缺点。

多输入多输出(MIMO) 技术

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。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。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 是针对多径无线信道来说的。图3 给出了MIMO 系统的原理图, 其传输信息流S (k ) 经过空时编码形成N个信息子流Cj (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。多天线接收利用先进的空时编码处理就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时, 各发射信号占用同一频带, 因而并未增加带宽。若各发射和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MIMO 系统, 假定信道为独立的瑞利衰落信道, 并设N和M 很大, 则信道容量C近似为

式(1) 中,B为信号带宽, 为接收端平均信噪比。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。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潜力。

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, 而IEEE802.11a 和IEEE802.11g 协议标准支持的最高速率为54Mbitˆs的数据速率显得有些低。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完全可以被消除, 因此如果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据值时,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。

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, 这对当今的带宽受限和功率受限的无线局域网系统就不太适合了。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 技术相结合就能适应下一代无线局域网发展的要求。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。

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, 这是OFDM 和MIMO 相结合而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间3 种分集技术, 使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。

图4 和图5 分别为MIMO OFDM 系统发送、接收方案框图。从图4 和图5 中可以看出:M IMO 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。这是因为安排适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、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, 同时进行了信道估计、定时、同步、MIMO 检测, 完全恢复为原来的比特流。

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, 来提高信号质量, 是OFDM 和MIMO 相结合而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间3 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的原理如图5 所示。MIMO OFDM 的实现主要在于以下技术的关键设计。

(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", 其装备简单, 性能优良, 又没有反馈要求。它是让第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, 就能从2 副基台天线发送2 个各自编码的数据流。这样, 可以把一个传输速率相对较高的数据流分割为一组相对速率较低的数据流, 分别在不同的天线中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。如果基站和用户终端一侧有3 副接收天线, 就能取得接收分集的效果。利用最大比值合并MRC (m ax im al rat iocom b in ing) 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。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 (minimum mean square error) ,使每个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 ( signaltoin terference plus noise ratio) 最大。

(4) 软译码。如上述MRC 和MM SE 算法生成软判决信号, 供软解码器使用。软解码和S INR 加权组合使用, 可以对频率选择性信道提供3～4dB 的性能增益。

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击响应。因每副天线发出的训练子载波都是相互正交的, 从而能够惟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有训练符号和数据子载波。

(5) 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, 而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, 而在奇数序号的子载波被设置为零。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。

(6) 自应用调制和编码。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2 个用户在特定位置和时间内的用户的S INR 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4～64, 编码可以包括凿孔卷积编码与Reedso lomon 编码, 因此存在6 种调制和编码级别, 即编码模式。在2MHz 的信道带宽内, 编码模式1～ 6 分别对应1. 1～6. 8Mbitˆs 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S INR 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)、负责运算处理过程的MIMO 系统组成, 能够实现最大108Mbitˆs的传输速度。支持AP 和客户端之间的传输速度为108Mbitˆs, 而客户端不支持该技术时( IEEE802.11a 客户端的情况) , 通信速度为54Mbitˆs。下一代无线局域网协议802.11n 传输速率高达320Mbitˆs, 净传输速率为108Mbitˆs。

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 和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将起到越来越重要的作用