韩旭东 张春业 曹建海
山东大学信息学院
摘要 MIMO技能与OFDM技能相结合被视为下一代高速无线局域网的中心技能。本文全面叙说了MIMO OFDM技能及其特色，剖析了MIMO OFDM技能在无线局域网中的运用，探讨了MIMO OFDM中的要害技能，并展望了其展开前景。
要害词 OFDM MIMO IEEE802.11n WLAN
1 导言
无线通讯作为新式的通讯技能在日常日子中的效果越来越大。近年来，无线局域网技能展开迅速，但无线局域网的功能、速度与传统以太网比较还有必定距离，因而怎么进步无线网络的功能和容量日益显得重要。
现在，IEEE802.11已成为无线局域网的干流规范。1997年802.11规范的拟定是无线局域网展开的里程碑，它是由很多的局域网以及计算机专家审定通过的规范。其界说了单一的MAC层和多样的物理层，先后又推出了802.11b,a和g物理层规范。802.11b运用了CCK调制技能来进步数据传输速率，最高可达11Mbit/s。可是传输速率超越11Mbit/s，CCK为了对立多径搅扰，需求更杂乱的均衡及调制，完成起来十分困难。因而，802.11作业组为了推进无线局域网的展开，又引进OFDM调制技能。最近，刚刚正式同意的802.11g规范选用OFDM技能，和802.11a相同数据传输速率可达54Mbit/s。别的，IEEE802.11a运转在5GHz的UNII频段上，选用OFDM技能。可是，它不能兼容IEEE802.11b的产品，关于现在市场上占控制方位的IEEE802.11b来说，不能兼容就意味着推行存在着巨大的困难；其次，因为无线电波传输的特性，在5GHz上运转的IEEE802.11a掩盖规模相对较小。
IEEE802.11g作业在2.4GHz频段上，可以与802.11b的WIFI体系彼此连通，共存在同一AP的网络里，保证了后向兼容性。这样原有的WLAN体系可以滑润地向高速无线局域网过渡，延长了IEEE802.11b产品的运用寿命，下降用户的出资。而关于往后要展开的在无线局域网中的多媒体事务来说，最高为54Mbit/s的数据速率还远远不够。
IEEE现已建立802.11n作业小组，以拟定一项新的高速无线局域网规范802.11n。802.11n选用了MIMO OFDM 技能，计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbit/s添加至108Mbit/s以上，最高速率可达320Mbit/s，成为802.11b、802.11a、802.11g之后的另一场重头戏。
2 在无线局域网中运用的MIMO OFDM技能
2.1 OFDM技能
OFDM技能其实是MCM(Multi-Carrier Modulation, 多载波调制)的一种。其首要思维是：将信道分红许多正交子信道，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彼此搅扰，一起又进步了频谱运用率。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因而每个子信道上的频率挑选性式微是平整的，大大消除了符号间搅扰。
在各个子信道中的这种正交调制宽和调可以选用IFFT和FFT方法来完成，跟着大规模集成电路技能与DSP技能的展开，IFFT和FFT都是十分简略完成的。快速傅里叶改换（FFT）的引进，大大下降了OFDM的完成杂乱性，提升了体系的功能。无线数据事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。因而不管从用户高速数据传输事务的需求，仍是从无线通讯本身来考虑，都期望物理层支撑非对称高速数据传输，而OFDM简略通过运用不同数量的子信道来完成上行和下行链路中不同的传输速率。
现在，OFDM结合时空编码、分集、搅扰（包含符号间搅扰ISI和邻道搅扰ICI）按捺以及智能天线技能，最大程度地进步物理层的可靠性。如再结合自习惯调制、自习惯编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技能，可以使其功能进一步优化。
别的，同单载波体系比较，OFDM还存在一些缺陷，易受频率差错的影响，存在较高的峰值均匀功率比（PAR）。
2.2 MIMO（多输入多输出）技能
多入多出(MIMO)技能是无线通讯范畴智能天线技能的重大突破。MIMO技能能在不添加带宽的状况下成倍地进步通讯体系的容量和频谱运用率。普遍认为，MIMO将是新一代无线通讯体系有必要选用的要害技能。
在室内，电磁环境较为杂乱，多经效应、频率挑选性式微和其他搅扰源的存在使得完成无线信道的高速数据传输比有线信道困难。多径效应会引起式微，因而被视为有害要素。可是研讨结果标明，关于MIM0体系来说，多径效应可以作为一个有利要素加以运用。一般，多径要引起式微，因而被视为有害要素。MIMO体系在发射端和接纳端均选用多天线(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。传输信息流S(k)通过空时编码构成N个信息子流Ci(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个接纳天线接纳。多天线接纳机运用先进的空时编码处理可以分隔并解码这些数据子流，然后完成最佳的处理。
特别是，这N个子流一起发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未添加带宽。若各发射接纳天线间的通道呼应独立，则MIMO体系可以发明多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独登时传输信息，数据率必定可以进步。
MIMO将多径无线信道与发射、接纳视为一个全体进行优化，然后可完成高的通讯容量和频谱运用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和搅扰抵消处理。
体系容量是表征通讯体系的最重要标志之一，标明了通讯体系最大传输率。关于发射天线数为N，接纳天线数为M的多入多出（MIMO）体系，假定信道为独立的瑞利式微信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为公式（1）
C=[min(M,N)]Blog2(ρ／2)
其间B为信号带宽，ρ为接纳端均匀信噪比，min（M，N）为M，N的较小者。上式标明，功率和带宽固守时，MIMO的最大容量或容量上限随最小天线数的添加而线性添加。而在相同条件下，在接纳端或发射端选用多天线或天线阵列的一般智能天线体系，其容量仅随天线数的对数添加而添加。因而，MIMO技能关于进步无线局域网的容量具有极大的潜力。
2.3 无线局域网中的MIMO OFDM技能
跟着无线通讯技能的飞速展开，人们对无线局域网功能和数据速率的要求也越来越高。IEEE802．11a和IEEE802．11g协议规范支撑的最高为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中心的OFDM技能，只需恰当挑选各载波的带宽和选用纠错编码技能，多径式微对体系的影响可以彻底被消除。因而假如没有功率和带宽的约束，咱们可以用OFDM技能完成任何传输速率。而其他技能就不具有这种特性，因为选用其他技能时，当数据速率终究添加到某一数值时信道的频率挑选性式微会占有主导方位，此刻不管怎样添加发射功率也杯水车薪，这正是OFDM技能适用于高速无线局域网的原因；但从实际上来说，为了进一步添加体系的容量，进步体系传输速率，运用多载波调制技能的无线局域网需求添加载波的数量，而这种方法会形成体系杂乱度的添加，并增大体系的带宽，这对今天的带宽受限和功率受限的无线局域网体系就不太合适了。而MIMO技能能在不添加带宽的状况下成倍地进步通讯体系的容量和频谱运用率，因而将MIMO技能与OFDM技能相结合是习惯下一代无线局域网展开要求的趋势。研讨标明，在式微信道环境下，OFDM体系十分合适运用MIMO技能来进步容量。
MIMO OFDM技能是通过在OFDM传输体系中选用阵列天线完成空间分集，进步了信号质量，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技能。它运用了时刻、频率和空间三种分集技能，使无线体系对噪声、搅扰、多径的容限大大添加。
可以看出，MIMO OFDM体系有Nt个发送天线，Nr个接纳天线，在发送端和接纳端各设置多重天线，可以供给空间分集效应，战胜电波式微的不良影响。这是因为组织恰当的多副天线供给多个空间信道，不会悉数一起式微。输入的比特流经串并改换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理，即通过编码、交错、QAM映射、刺进导频信号、IDFT改换、加循环前缀等进程，再经天线发送到无线信道中；接纳端进行与发射端相反的信号处理进程，例如：去除循环前缀、DFT改换、解码等等，一起进行信道估量、守时、同步、MIMO检测等技能，来彻底康复本来的比特流。
3 完成MIMO OFDM无线局域网的要害技能
MIMO OFDM技能是通过在OFDM传输体系中选用阵列天线完成空间分集，进步了信号质量，是联合OFDM和MIMO而得到的一种新技能。它运用了时刻、频率和空间三种分集技能，使无线体系对噪声、搅扰、多径的容限大大添加。
MIMO OFDM完成首要包含以下要害规划：
（1）发送分集：MIMO OFDM调制方法相结合，对下行通路选用“时延分集”，它配备简略、功能优秀，又没有反应要求。它是让第二副天线宣布的信号比榜首副天线宣布的推迟一段时刻。发送端引证这样的时延，可使接纳通路呼应得到频率挑选性。如选用恰当的编码和交叉，接纳端可以取得“空间——频率”分集增益，而不需预知通路状况。
（2） 空间复用：为进步数据传输速率，可以选用空间复用技能。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率较低的数据流，别离在不同的天线对不同的数据流独立的编码、调制和发送，一起运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。接纳机运用空间均衡器别离信号，然后解调、译码宽和复用，康复出原始信号。
（3） 接纳分集和搅扰消除：假如基台和用户终端一侧三副接纳天线，可取得接纳分集的效果。运用“最大比值兼并”MRC（maximal ratio combining），将多个接纳机的信号兼并，得到最大信噪比SNR，可能有抑止天然搅扰的优点。可是，如有两个数据流彼此搅扰，或许从频率再运用的邻近地区传来搅扰，MRC就不能起抑止效果。这时，运用“最小的均方差错”MMSE（Minimum Mean Square Error），它使每一有用信号与其估量值的均方差错最小，然后使“信号与搅扰及噪声比SINR（Signal to Interference Plus Noise Ratio）最大。
（4）软译码：上述MRC和MMSE算法生成软判定信号，供软解码器运用。软解码和SINR加权组合相结合运用，可能对频率挑选性信道供给3-4dB功能增益。
（5） 信道估量：意图在于辨认每组发送天线与接纳天线之间的信道冲击呼应。从每副天线宣布的练习子载波都是彼此正交的，然后可以仅有辨认每副发送天线到接纳天线的信道。练习子载波在频率上的距离要小于相干带宽，因而可以运用内插取得练习子载波之间的信道估量值。依据信道的时延扩展，可以完成信道内插的最优化。下行链路中，在逐帧基础上向一切用户播送发送专用信道标识时隙。在上行链路中，因为移动台宣布的事务可以构成时隙，而且信道在时隙与时隙之间会发生变化，因而需求在每个时隙内包含练习和数据子载波。
（6）同步：在上行和下行链路传达之前，都存在同步时隙，用于施行相位、频率对齐，而且施行频率差错估量。时隙可以依照以下方法构成：在偶数序号子载波上发送数据与练习符号，而在奇数序号子载波设置为零。这样通过IFFT改换之后，得到的时域信号就会被重复，愈加有利于信号的检测。
（7）自习惯调制和编码：为每个用户装备链路参数，可以最大极限地进步体系容量。依据两个用户在特定方位和时刻内地用户的SINR计算特征，以及用户QoS的要求，存在多种编码与调制计划，用于在用户数据流的基础上完成最优化。QAM等级可以介于4到64，编码可以包含凿孔卷积编码与Reed-solomon编码。因而存在6中调制和编码等级，即编码形式。在2MHz的信道带宽内，编码形式1-6别离关于1．1-6．8的数据传输速率。下行链路中，在运用空间复用的状况下，上述速率可以被加倍。链路适配层算法可以在SINR计算特性的基础上，挑选运用最佳的编码形式。
现在正在开发的设备由2组IEEE802．11a收发器、发送天线和接纳天线各2个（2×2）和担任运算处理进程的MIMO体系组成，可以完成最大108Mbit／s的传输速度。支撑AP和客户端之间的传输速度为108Mbit／s，客户端不支撑该技能时（IEEE802．11a客户端的状况），通讯速度为54Mbit／s。下一代无线局域网协议802．11n传输速率高达320Mbit/s，净传输速率为108Mbit/s。
4 结束语
MIMO技能和OFDM技能在各自的范畴都发挥了巨大的效果，今天将MIMO与OFDM相结合，并运用到下一代无线局域网中，是无线通讯的一个研讨热门。必然将使无线局域网向着更高速率、更大容量、更好功能的方向展开，在人们的日常日子中起到越来越重要的效果。
参 考 文 献
[1] Part11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications ANSI/IEEE STD 802.11 1999 Edition
[2] IEEE802.11,Further High-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band , IEEE Std.802.11g-2003
[3] 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide By Matthew S.Gast O’REILLY Published 2002
[4] A.van Zelst,student Member,IEEE,and T.C.W.Schenk,,student Member,IEEE Implementation of a MIMO OFDM based Wireless LAN System
[5] 佟学俭 罗涛 著.OFDM移动通讯技能原理与运用.人民邮电出版社 2003年6月
