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          WLAN中的MIMO-OFDM技術(shù)

          作者: 時(shí)間:2017-06-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/357180.htm

          IEEE802.11g工作在2.4GHz頻段上[2],該標(biāo)準(zhǔn)能夠與IEEE802.11b的WiFi系統(tǒng)互相連通,共存于同一接入點(diǎn)(AP)的網(wǎng)絡(luò)里,可保障后向兼容性。這樣原有的系統(tǒng)可以平滑地向高速無線局域網(wǎng)過渡,延長(zhǎng)了IEEE 802.11b產(chǎn)品的使用壽命,可降低用戶的投資。但對(duì)于今后在無線局域網(wǎng)中要開展的多媒體業(yè)務(wù)來說,最高為54 Mb/s的數(shù)據(jù)速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此IEEE已經(jīng)成立802.11n工作小組,以制定一項(xiàng)新的高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11n。該標(biāo)準(zhǔn)采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)和OFDM技術(shù),計(jì)劃將的傳輸速率從54 Mb/s增加至108 Mb/s以上,實(shí)現(xiàn)與百兆有線網(wǎng)的無縫結(jié)合,其最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)320 Mb/s,將成為IEEE 802.11g之后的另一重要標(biāo)準(zhǔn)。

          1 技術(shù)

          1.1正交頻分復(fù)用技術(shù)

          OFDM技術(shù)其實(shí)是多載波調(diào)制(MCM)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,這樣既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。由于每個(gè)子信道上的信號(hào)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(hào)間干擾。圖1所示為頻分復(fù)用(FDM)信號(hào)頻譜與OFDM信號(hào)頻譜的比較。

          各個(gè)子信道中的正交調(diào)制和解調(diào)可以采用逆快速傅立葉變換(IFFT)和快速傅立葉變換(FFT)方法來實(shí)現(xiàn),隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展,IFFT和FFT都非常容易實(shí)現(xiàn)。FFT的引入,大大降低了OFDM實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性,提升了系統(tǒng)的性能。圖2所示為OFDM發(fā)送接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

          無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對(duì)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(duì)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(hào)間干擾和鄰道干擾)抑制以及智能天線技術(shù),最大程度地提高了物理層的可靠性。如再結(jié)合自適應(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),性能可進(jìn)一步優(yōu)化[3]。

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

          1.2多輸入多輸出技術(shù)

          MIMO技術(shù)是無線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。該技術(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,多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使實(shí)現(xiàn)無線信道的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道困難。通常多徑效應(yīng)會(huì)引起衰落,被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明,對(duì)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。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多信道。MIMO的多輸入多輸出是針對(duì)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=1……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。

          這N個(gè)信息子流同時(shí)發(fā)送到信道,各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶,因而并不增加帶寬。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,使得數(shù)據(jù)傳輸率得以提高。

          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(duì)消處理。

          系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的重要標(biāo)志之一,表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對(duì)于發(fā)射天線數(shù)為N,接收天線數(shù)為M的MIMO系統(tǒng),假定信道為獨(dú)立的瑞利衰落信道,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(hào)帶寬,ρ為接收端平均信噪比,min(M,N)為M,N的較小者。公式(1)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?jī)H隨天線數(shù)的對(duì)數(shù)增加而增加。因此,MIMO技術(shù)對(duì)于提高無線局域網(wǎng)的容量具有極大的潛力。

          1.3采用MIMO技術(shù)的OFDM系統(tǒng)

          隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對(duì)無線局域網(wǎng)性能和數(shù)據(jù)速率的要求也越來越高。IEEE802.11a和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)支持的最高為54Mb/s的數(shù)據(jù)速率顯得有些低。理論上,作為高速無線局域網(wǎng)核心的OFDM技術(shù),適當(dāng)選擇各載波的帶寬和采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)可以完全消除多徑衰落對(duì)系統(tǒng)的影響。因此如果沒有功率和帶寬的限制,可以用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)任何傳輸速率。而采用其他技術(shù),當(dāng)數(shù)據(jù)速率增加到某一數(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。實(shí)際上,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,這會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度,增大系統(tǒng)帶寬,對(duì)目前帶寬受限和功率受限的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)不太適合。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)合是下一代無線局域網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。研究表明,在瑞利衰落信道環(huán)境下,OFDM系統(tǒng)非常適合使用MIMO技術(shù)來提高容量。

          系統(tǒng)有多個(gè)發(fā)送天線,多個(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)受到衰落。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、正交幅度調(diào)制(QAM)映射、插入導(dǎo)頻信號(hào)、IFFT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(hào)處理過程,例如:去除循環(huán)前綴、FFT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(cè)等技術(shù),來完全恢復(fù)原來的比特流。

          2 實(shí)現(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵

          MIMO-OFDM技術(shù)是OFDM和MIMO技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的一種新技術(shù),其通過在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(hào)質(zhì)量。由于利用了時(shí)間、頻率和空間3種分集技術(shù),因而使無線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

          實(shí)現(xiàn)MIMO-OFDM技術(shù)需要完成以下關(guān)鍵設(shè)計(jì):

          (1)發(fā)送分集

          MIMO與OFDM調(diào)制方式相結(jié)合,對(duì)下行信道選用時(shí)延分集。時(shí)延分集實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良,又沒有反饋要求。實(shí)現(xiàn)方法是讓第2副天線發(fā)出的信號(hào)比第1副天線發(fā)出的信號(hào)延遲一段時(shí)間。發(fā)送端引用這樣的時(shí)延后,可使接收的信道響應(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)知信道情況。

          (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)。把1個(gè)傳輸速率相對(duì)較高的數(shù)據(jù)流分割為1組相對(duì)速率較低的數(shù)據(jù)流,分別在不同的天線對(duì)不同的數(shù)據(jù)流獨(dú)立編碼、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的獨(dú)立的信道濾波發(fā)送信號(hào)。接收機(jī)利用空間均衡器分離信號(hào),然后解調(diào)、譯碼和解復(fù)用,恢復(fù)出原始信號(hào)。

          (3)接收分集和干擾消除

          如果基臺(tái)和用戶終端一側(cè)用3副接收天線,可取得接收分集的效果。利用最大比值合并(MRC)將多個(gè)接收機(jī)的信號(hào)合并,可得到最大信噪比(SNR),具有遏止自然干擾的好處。但是,如有2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)可使每一有用信號(hào)與其估計(jì)值的均方誤差最小,從而使信號(hào)干擾噪聲比(SINR)最大。

          (4)軟譯碼

          MRC和MMSE算法生成軟判決信號(hào),供軟解碼器使用。軟解碼和SINR加權(quán)組合結(jié)合使用,可能對(duì)頻率選擇性信道提供3?4dB的性能增益。

          (5)信道估計(jì)

          信道估計(jì)的目的在于識(shí)別每組發(fā)送天線與接收天線之間的信道沖激響應(yīng)。從每副天線發(fā)出的訓(xùn)練子載波都是相互正交的,能夠唯一地識(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,并根據(jù)信道的時(shí)延擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)信道內(nèi)插的最優(yōu)化。在下行鏈路中,逐幀向所有用戶廣播發(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

          上行和下行鏈路傳播之前,都需要同步時(shí)隙,以便實(shí)施相位、頻率對(duì)齊及頻率偏差估計(jì)。時(shí)隙按以下方式構(gòu)成:在偶數(shù)序號(hào)子載波上發(fā)送數(shù)據(jù)與訓(xùn)練符號(hào),而在奇數(shù)序號(hào)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(hào)就會(huì)被重復(fù),更加有利于信號(hào)的檢測(cè)。

          (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)用戶特定位置和時(shí)間內(nèi)的INR統(tǒng)計(jì)特征,以及用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求,有多種編碼與調(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(jí)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種調(diào)制和編碼級(jí)別。在2MHz的信道帶寬內(nèi),編碼模式1?6分別對(duì)于1.1?6.8Mb/s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)備能夠?qū)崿F(xiàn)最大為108Mb/s的傳輸速率??蛻舳酥С諱IMO-OFDM技術(shù)時(shí)的傳輸速率為108Mb/s,客戶端不支持MIMO OFDM技術(shù)時(shí)的傳輸速率為54 Mb/s。

          3 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,目前將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),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。

          4 參考文獻(xiàn)

          [1]IEEE802.11Part11, Wireless LAN Medium Access Control

          (MAC)andPhysicalLayer (PHY) Specifications [S].

          [2]IEEE802.11g,Further High-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band [S].

          [3]佟學(xué)儉,羅濤.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用 [M]. 北京:人民郵電出版社, 2003.



          關(guān)鍵詞: MIMO-OFDM WLAN

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