MIMO OFDM无线局域网的研究及其关键技术

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1、MIMO OFDM 无线局域网的研究及其关键技术无线局域网的研究及其关键技术摘 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。本文 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。1 引言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

2、 802.11 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。其定义了单一的 MAC 层和多样的物理层，先后又推出了 802.1lb，a 和 g 物理层标准。802.1lb 使用了 CCK 调制技术来提高数据传输速率，最高可达 11Mbit/s。但是传输速率超过 11Mbit/s，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， 802.1l 工作组为 了推动无线局域网的发展，又引入 0FDM 调制技术。最近，刚刚正式批准的 802.1lg 标准 采用 OFDM 技术，和 802.1la 一样数据传输速率可达 54Mbit/s

3、。另外，IEEE802.1la 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 IEEE802.1la 覆盖范围相对较小。IEEE802.11g 工作在 2.4GHz 频段上，能够与 802.1lb 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 IEEE802.1lb 产品的使用寿命，

4、降低用户的投资。而对于今后要开展的在无 线局域网中的多媒体业务来说，最高为 54Mbit/s 的数据速率还远远不够。IEEE 已经成立 802.1ln 工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准 802.11n。802.1ln 采用了 MIM0 0FDM 技术，计划将 WLAN 的传输速率从 802.11a 和 802.1lg 的 54Mbit/s 增 加至 108Mbit/s 以上，最高速率可达 320Mbit/s，成为 802.1lb、802.11a、802.11g 之后的另 一场重头戏。2 在无线局域网中应用的在无线局域网中应用的 MIMO OFDM 技术技术2.1 OFDM 技术技术O

5、FDM 技术其实是 MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)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，这样减少了子信道之 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。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(FFI)的引入，大大降低了 OFDM 的实现复杂性，提升了系统的性能，OFD

6、M 发送接收机系统结 构图 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量的子 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 ISI 和邻道干扰 ICI)抑制以及智 能天线技术，最大程度地提高物理层的可靠性。如再结合白适应调制、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 还存在一些缺

7、点，易受频率偏差的影响，存在较高的峰 值平均功率比(PAR)。2.2 MIMO(多输入多输出多输入多输出)技术技术多入多出(MIMO)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。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。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源的存在使得实现无 线信道的高速数据传输比有线信道困难。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 MIM0 系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。通常， 多径要引起衰落，因而被视为有害因素。

8、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 的多入多出是针对多径无线信道来说的。图 3 所示为 MIMO 系统的原理图。传输信息流 S (k)经过空时编码形成 N 个信息子流 Ci(k)，i=l，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。多天线接收机利 用先进的空时编码处理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，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若 各发射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

9、然可以提高。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的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 的多入多出(MIMO)系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并 设 N、M 很大，则信道容量 C 近似为公式(1) C=min(M，N)Blog2(/2) (1)其中 B 为信号带宽， 为接收端平均信噪比，min(M，N)为 M，N 的较小者。上式表明， 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。

10、而在 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的潜力。2.3 无线局域网中的无线局域网中的 MIMO OFDM 技术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。 IEEE802.1la 和 IEEE802.1lg 协议标准支持的最高为 54Mbit/s 的数据速率显得有些低了。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可以完全被消除。因此如果没有功率和带宽的限制，

11、我们可以用 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；但 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，这对今日的带宽受限和功率受限的无线局域网系统就不太适合了。而 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

12、是适应下一代无线局域网发展要求的趋势。研究表明，在衰落信道环境 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，是联合 OFDM 和 MIMO 而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分 集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。可以看出，MIMO 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。这是因为安排恰当的多 副天线提供多个空间信道，不会全部同时衰落。输入的比特流经串并变换分为

13、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，同时进行信道估计、定时、同步、 MIMO 检测等技术，来完全恢复原来的比特流。3 实现实现 MIMO OFDM 无线局域网的关键技术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，提高了信号 质量，是联合 OFDM 和 MIMO 而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分 集技术，使无线系统对噪声、干扰

14、、多径的容限大大增加。MIMO OFDM 的原理如图 5 所 示。MIMO OFDM 实现主要包括以下关键设计：(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” ，它装备简单、 性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一副天线发出的延迟一段 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。也可能从两副基台天线发送 两个各自编码的数据流。这样，可以把一个传输速率相对较高数据流多组成分割为一组相 对速

15、率较低的数据流，分别在不同的天线对不同的数据流独立的编码、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：如果基台和用户终端一侧三副接收天线，可取得接收分集的效果。 利用“最大比值合并”MRC(maximal ratio combining)，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。但是，如有两个数据流互相干扰，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(Mini

16、mum Mean Square Error)，它使每一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(Signal to Interference Plus Noise Ratio)最大。(4)软译码：上述 MRC 和 MMSE 算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和 SINR 加权组合相结合使用，可能对频率选择性信道提供 3-4dB 性能增益。(5)信道估计：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。从每副天线发 出的训练子载波都是相互正交的，从而能够唯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包括训练和数据子 载波。(6)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，并且 实施频率偏差估