MIMO與OFDM無線局域網(wǎng)核心技術(shù)與分析

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)。本文全面分析了MIMO與OFDM技術(shù)在無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用，探討了MIMO、OFDM中的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了其發(fā)展前景。

一.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)以及計算機專家審定通過的標(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，實現(xiàn)起來非常困難。

因此，802.1l工作組為了推動無線局域網(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54Mbit/s。另外，IEEE802.1la運行在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?，?GHz上運行的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320Mbit/s，成為802.1lb、802.11a、802.11g之后的另一場重頭戲。

二.在無線局域網(wǎng)中應(yīng)用的MIMO OFDM技術(shù)

1、OFDM技術(shù)

OFDM技術(shù)其實是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，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)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。

在各個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都是非常容易實現(xiàn)的?？焖俑道锶~變換(FFI)的引入，大大降低了OFDM的實現(xiàn)復(fù)雜性，提升了系統(tǒng)的性能，OFDM發(fā)送接收機系統(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)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

目前，OFDM結(jié)合時空編碼、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)編碼以及動態(tài)子載波分配、動態(tài)比特分配算法等技術(shù)，可以使其性能進一步優(yōu)化。

另外，同單載波系統(tǒng)相比，OFDM還存在一些缺點，易受頻率偏差的影響，存在較高的峰值平均功率比(PAR)。

2、MIMO(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)過空時編碼形成N個信息子流Ci(k)，i=l，……，N。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經(jīng)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(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。

特別是，這N個子流同時發(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)獨立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)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，數(shù)據(jù)率必然可以提高。

MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)化，從而可實現(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，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。