摘 要: 獲得更高的數(shù)據率" title="數(shù)據率">數(shù)據率、更廣的覆蓋范圍是下一代無線局域網(WLAN)研究的主要目標?；贗EEE 802.11a標準，引入空時編碼" title="空時編碼">空時編碼和Turbo編碼，對系統(tǒng)的模式進行了重新設計。在低信噪比" title="低信噪比">低信噪比情況下，采用高分集低碼率的空時分組碼以及同時利用空間分集和頻率分集的空時頻編碼；高信噪比情況下，采用高效率的分層空時編碼(BLAST)方案。針對2發(fā)2收的MIMO系統(tǒng)，給出了6M~108Mbps傳輸數(shù)據率的新8種模式設計。仿真證明，提出的方案可以在較低的復雜度下獲得高數(shù)據率、高覆蓋且各模式性能分布均勻，有較高的實際應用價值。
關鍵詞： 無線局域網 MIMO OFDM 空時編碼 Turbo編碼
目前的無線局域網(WLAN)系統(tǒng)已經可以提供高達54Mbps的數(shù)據通信，如IEEE 802.11a/g以及歐洲的HiperLAN/2，但是更有效、更可靠是通信研究永恒的目標，關于下一代高速無線網絡技術的研究正如火如荼的展開。
在眾多新技術中，MIMO技術因不需要額外的功率和帶寬即可提供非常高的數(shù)據率而倍受關注[1,3,4]?；贛IMO-OFDM的WLAN方案已成為公認的下一代WLAN的核心方案[5～7]。
筆者基于IEEE 802.11a[2]標準，研究通過不同的空時編碼方案來提高系統(tǒng)容量，同時，以Turbo編碼取代原來的卷積碼進一步提高BER性能。
第一種空時編碼方案選擇的是基于空間復用的分層空時碼[1]，BLAST是一種效率極高的空時編碼，理論上可以線性提高系統(tǒng)容量。為了降低BLAST譯碼的誤差傳播，提出多星座" title="多星座">多星座圖映射的分層空時碼MCM-BLAST，在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，性能更佳，也給本文模式設計帶來更多的選擇。
第二種空時編碼方案選擇的是基于空間分集的空時分組碼[3,4]，STBC可以以極低的處理復雜度獲得全分集，提高通信鏈路的可靠性、高系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量，而且STBC尤其適用于慢變信道，這正是WLAN工作的典型環(huán)境。在極低信噪比情況下，筆者提出空時頻編碼方案，同時利用頻率分集和空間分集，可以獲得比STBC更好的性能。
本文中采用MIMO技術和Turbo編碼升級802.11a系統(tǒng)，期望盡可能保留原系統(tǒng)的方案參數(shù)，且復雜度要盡量低，所以針對2發(fā)2收系統(tǒng)進行設計，給出了新的8種6M~108Mbps數(shù)據率的模式設計。仿真證明，STBC/STBFC更適于低信噪比情況，而BLAST/MCM-BLAST在高信噪比下更有優(yōu)勢，所提出的多天線方案在WLAN應用環(huán)境中性能優(yōu)越，有較高的實用價值。
1 系統(tǒng)模型
考慮一個有NT個發(fā)射天線" title="發(fā)射天線">發(fā)射天線、NR(NR≥NT)個接收天線的MIMO-OFDM系統(tǒng)，設OFDM子載波數(shù)為N，用來傳輸數(shù)據的子載波數(shù)為K(802.11a標準中N=64，K=48)。假設信道是具有豐富散射路徑的慢變頻率選擇性衰落信道，信道脈沖響應矩陣可以表示為：
其中，L延遲擴展，Hi表示第i徑的NT×NR維的復信道矩陣，矩陣元素統(tǒng)計獨立，為0均值高斯隨機變量，方差為σi2。設每對收發(fā)天線之間的信道統(tǒng)計獨立，滿足同樣的功率延遲刨面(PDP)分布。
設αk(i)表示第i個發(fā)射天線通過第k個子載波發(fā)送的調制符號，那么從頻域上看，從子載波k發(fā)送的向量可以表示為ak=[αk(1),αk(2),…，αk(Nt)]T。假設循環(huán)前綴和同步等都理想，可以完全消除多徑導致的符號間干擾，經過OFDM 解調后，子載波k的接收向量可以表示為：
系統(tǒng)發(fā)射機結構如圖1所示，輸入數(shù)據首選進行Turbo編碼，然后根據模式碼率進行打孔并匹配后端OFDM調制，交織、調制后的符號進行相應的空時編碼(STBC、BLAST等)，最后經OFDM調制由發(fā)射天線同時發(fā)射。接收端的各模塊與接收機相對應。
2 WLAN的空時編碼方案研究
2.1空時復用方案
2.1.1 分層空時碼
垂直分層空時碼(V-BLAST)最初由Foschini提出[1]，已經證明可以獲得極高的頻譜效率，非常適用于高信噪比信道。在V-BLAST發(fā)射機，數(shù)據流被分成NT個并列的子數(shù)據流，每個數(shù)據流分別調制，同時從NT個發(fā)射天線發(fā)射出去，在接收端一般采用基于ZF或者MMSE檢測的連續(xù)干擾消除技術(SIC)，ML檢測因復雜度太高而不被采用。
2.1.2 多星座圖映射的分層空時碼
V-BLAST系統(tǒng)中影響性能的一個主要因素是誤差傳播，尤其是最先檢測的層的性能對整個系統(tǒng)的性能有決定性影響，為此提出了排序的SIC算法。但是，在頻率選擇性信道中，因OFDM每個子載波的信道響應都不同，使得排序工作很困難，本文提出多星座映射的BLAST(MCM -BLAST)方案有效地解決了這個問題。
設計思想是既然V-BLAST的各層性能不同，對整體性能的影響也不一樣，那么把重要的層(先檢測的)以映射較低階的調制方式，提高性能，不太重要的數(shù)據用較高階的調制方式，各層發(fā)射功率保持相同，目地是在不降低數(shù)據吞吐量的情況下提高整體性能，或保持性能提高數(shù)據吞吐量。
下面在最小化誤幀率(或誤符號率)意義下推導最優(yōu)的映射方式。首先，譯碼順序應該事先確定，為簡單，假設檢測的順序為{1，2，…，Nt}，即第一層最先檢測，第NT最后檢測。各層的發(fā)射功率保持不變，不同的調制星座圖可以通過乘以功率歸一化因子實現(xiàn)。設M表示總的數(shù)據吞吐量，Mi表示第i層的數(shù)據吞吐量，在符號率不變的情況下，Mi與調制方式直接相關?？偟耐掏铝肯拗茥l件是:
其中λ是由(2)式確定的. 公式(4)意味著所有層的誤幀率的導數(shù)應該相同。這個結果可以直觀地解釋為：假設有2層，一個性能較好，一個較差，可以通過降低差的層一個很小的數(shù)據率△ M，同時給較強層增加△ M來保持總的數(shù)據率不變。如果較弱層降低的誤幀率△ p1大于較強層增加的誤幀率△ p2，那么總的來看誤幀率在下降，可以繼續(xù)降低弱層的數(shù)據率，增加強層的數(shù)據率，直到△ p1=△ p2，這意味著總的誤幀率不能再通過調整末層的數(shù)據率來降低了，所以此時就是最佳的分配方式。
與原始V-BLAST方案相比，MCM-BLAST具有更好的誤碼性能，或者更大的信息吞吐量；與功率分配方案相比，因為每層的功率是恒定的，這就降低了對硬件的要求；不需要信道信息，所以比其他發(fā)射機需要信道信息的方案(如功率分配和自適應調制)復雜度低，尤其適用于發(fā)射機很難獲得信道信息的場合，比如快變信道，以及上下行采用FDD雙工方式的系統(tǒng)(如TDS-CDMA)。映射方案可以事先根據信道狀況(信噪比)以及系統(tǒng)情況(收發(fā)天線個數(shù))來確定，不會增加系統(tǒng)復雜度。在接收機方面采用固定順序的檢測方法，可以進一步降低復雜度。
針對4發(fā)4收系統(tǒng)仿真不同的映射調制方案，檢測算法是固定順序的MMSE-IC算法，如圖2所示。首先仿真了傳統(tǒng)的調制方案，各層調制方式相同，性能隨著調制階數(shù)的增加依次降低，圖中實線從左到右依次為BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調制。仿真了多星座圖映射情況，由黑色虛線表示。從圖2可以明顯地看出多星座圖映射所帶來的性能提高?！?221” 方案當SNR>20dB時，幾乎具有與BPSK相同的性能，信息吞吐量從4比特/符號周期提高到7比特/符號周期，幾乎提高1倍。與QPSK相比，在BER=10-4 時有6dB增益，代價僅僅是信息吞吐量降低了1比特/符號周期。與16QAM 相比，“6421”方案在BER=10-4時有10dB增益，代價是信息吞吐量降低了3比特/符號周期(從16比特/符號周期降為13比特/符號周期)。與QPSK調制相比，在BER=10-4 時不僅有1dB的性能增益，而且有5比特/符號周期的吞吐量提高。
2.2空時分集方案
2.2.1 空時分組碼
STBC可以以非常低的復雜度獲得全分集，成為空間分集的首選方案，其中，Alamouti 提出的2發(fā)射天線正交STBC已經寫入3G標準，Tarokh把STBC推廣到任意發(fā)射天線。
Alamouti碼的發(fā)射矩陣為[3]：
2.2.2 空時頻分組碼
最早，Tarokh把STBC與OFDM相結合，應用于頻率選擇性信道。在頻率選擇性信道，如果能同時利用空間分集和頻率分集，系統(tǒng)抗干擾性能會進一步提高。為此提出一種簡單的基于Alamouti碼的2發(fā)射天線的STBFC方案(也稱AA-OFDM)，性能幾乎等同于4發(fā)射天線的Tarokh STBC碼，低信噪比性能優(yōu)于Alamouti碼。
AA-OFDM編碼具體方案如下：
如表1所示，調制符號經Alamouti編碼由OFDM子載波i發(fā)送，另一個交織版本的Alamouti碼由OFDM子載波j發(fā)送，在接收端聯(lián)合譯碼。
參照Alamouti譯碼，統(tǒng)計判決很容易得到：
其中，hp,q表示由發(fā)射天線p、子載波q的頻域信道響應，n為白高斯噪聲。
很容易看出，本文提出的AA-OFDM方案碼率為1/2，這與4發(fā)射天線的Tarokh STBC相同，為了有效地獲得頻率分集，必須有效地安排子載波i、j的位置。通過理論分析，子載波i、 j距離△k[
]為最優(yōu)，其中[x]表示距離x最近的整數(shù)。
本文仿真比較了Alamouti碼、AA-OFDM與Tarokh4 方案，為了公平比較，前者調制采用BPSK，后者采用QPSK。如圖3所示，其中AA-OFDM1為子載波i、 j相鄰分布；AA-OFDM2為子載波i、 j隨機分布；AA-OFDM3為子載波i、 j滿足距離[]的最佳分布?？梢钥闯鯝A-OFDM3是最優(yōu)的方案，不僅性能優(yōu)于Alamouti碼，幾乎與Tarokh 4發(fā)射天線STBC性能相同， 而AA-OFDM僅需要2發(fā)射天線，硬件成本可以大大降低。
3 WLAN多模式設計
前面提到的V-BLAST、MCM-BLAST、Alamouti碼以及AA-OFDM碼復雜度近似，但是因為分集特性和所能達到的數(shù)據率不同，適用于不同的工作環(huán)境。結合不同的Turbo編碼碼率和刪余方案，不同的調制方式，有很多可選擇的模式設計?；?02.11a物理層設計，擴展到多天線情況(2發(fā)射2接收)，對各個可能的方案的誤幀率和所能達到的數(shù)據率進行了詳細的仿真分析，仿真幀長為360bit。每模式所能達到的有效數(shù)據率由下式計算：Ci=
×(1-PERi)，其中表示模式i的數(shù)據比特率，PERi表示模式i的誤幀率。模式選擇原則為：(1)在每個SNR下能獲得最大的數(shù)據率； (2)各模式有很好的區(qū)分度，分布均勻。
例如模式1(6Mbps)，如圖4所示，原來單天線系統(tǒng)采用BPSK調制，1/2碼率的卷積碼，這里分別比較了Alamouti碼、AA-OFDM碼以及BLAST方案，可以看出其中AA-OFDM可以在低信噪比下獲得最好性能，MIMO方案普遍比單天線方案有很大增益。
?
對于模式5(48Mbps)，如圖5所示，MCM-BLAST是其中性能最好的方案，比Alamouti方案和VBLAST方案分別有1dB、3dB的增益。
在對所有可能的方案進行詳細的仿真分析后，確定了最終8種模式方案，如表2所示。每模式性能如圖6所示，同時，給出了單天線系統(tǒng)所能達到的數(shù)據率作為比較。可以看出，2×2系統(tǒng)的新模式體現(xiàn)出全面的優(yōu)勢，能在更低信噪比下工作，提高覆蓋范圍，同時在相應信噪比情況下可以獲得雙倍的容量，這里，Turbo碼提供的高編碼增益作用同樣重要。本文仿真的是短幀(360bit)情況，如果交織長度更大，性能會更好。
本文中引入空時編碼和Turbo碼來升級IEEE 802.11a系統(tǒng)的物理層設計，并提出兩種新穎的空時設計，給出了最優(yōu)的新模式設計。仿真證明，本文方案可以在WLAN環(huán)境工作良好，在覆蓋率和數(shù)據率兩方面都有很大的提高，具有實際應用意義。
參考文獻
1 Foschini G. J. and Gans M. J. On the limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas. Wireless Personal Communications,1998;6(3):311～335
2 IEEE std. 802.11a，1999
3 Alamouti S M. A simple transmit diversity technique for wireless communications. IEEE JSelect. Areas Commun.,1998，16(8):145 1-V
4 Tarokh V, Jafarkhani N and Calde hank A R. Space-Time Block Codes from Orthogonal Designs. IEEE. Trans. Info. Theory,1999;45(5):1456～1467
5 Heejung Yu, Myung-Soon Kim, Eun-young Choi et al. De-sign and prototype development of MIMO-OFDM for next generation wireless LAN. Consumer Electronics, IEEE Trans-actions，2005；51(4):1134～1142
6 Nanda S， Walton R， Ketchum J et al. A high-perfor-mance MIMO OFDM wireless LAN. Communications Maga-zine, IEEE, 2005；43(2):101～109
7 Hongwei Yang. A road to future broadband wireless access: MIMO-OFDM-Based air interface. Communications Maga-zine, IEEE， 2005；43(1):53～60