MIMO技術與OFDM技術相結合被視為下一代高速無線局域網(wǎng)的核心技術。本文全面分析了MIMO與OFDM技術在無線局域網(wǎng)中的應用，探討了MIMO、OFDM中的關鍵技術，并展望了其發(fā)展前景。
1.引言
無線通信作為新興的通信技術在日常生活中的作用越來越大。近年來，無線局域網(wǎng)技術發(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)的主流標準。1997年802.11標準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準。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物理層標準。802.1lb使用了CCK調制技術來提高數(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，需要更復雜的均衡及調制，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調制技術。最近，剛剛正式批準的802.1lg標準采用OFDM技術，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。但是，它不能兼容IEEE802.11b的產品，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)務來說，最高為54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率還遠遠不夠。
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)標準802.11n。802.1ln采用了MIM00FDM技術，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。
2.在無線局域網(wǎng)中應用的MIMO OFDM技術
2.1OFDM技術
OFDM技術其實是MCM(Multi-CarrierModulation，多載波調制)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制和解調可以采用IFFT和FFT方法來實現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術與DSP技術的發(fā)展，IFFT和FFT都是非常容易實現(xiàn)的。快速傅里葉變換(FFI)的引入，大大降低了OFDM的實現(xiàn)復雜性，提升了系統(tǒng)的性能，OFDM發(fā)送接收機系統(tǒng)結構圖2所示。無線數(shù)據(jù)業(yè)務一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠遠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，最大程度地提高物理層的可靠性。如再結合白適應調制、自適應編碼以及動態(tài)子載波分配、動態(tài)比特分配算法等技術，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)。
2.2MIMO(多輸入多輸出)技術
多入多出(MIMO)技術是無線通信領域智能天線技術的重大突破。MIMO技術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。普遍認為，MIMO將是新一代無線通信系統(tǒng)必須采用的關鍵技術。
在室內，電磁環(huán)境較為復雜，多經(jīng)效應、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。多徑效應會引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIM0系統(tǒng)來說，多徑效應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技術對于提高無線局域網(wǎng)的容量具有極大的潛力。
2.3無線局域網(wǎng)中的MIMOOFDM技術
隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，人們對無線局域網(wǎng)性能和數(shù)據(jù)速率的要求也越來越高。IEEE802.1la和IEEE802.1lg協(xié)議標準支持的最高為54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率顯得有些低了。理論上來說，作為高速無線局域網(wǎng)核心的OFDM技術，只要適當選擇各載波的帶寬和采用糾錯編碼技術，多徑衰落對系統(tǒng)的影響可以完全被消除。因此如果沒有功率和帶寬的限制，我們可以用OFDM技術實現(xiàn)任何傳輸速率。而其他技術就不具備這種特性，因為采用其他技術時，當數(shù)據(jù)速率最終增加到某一數(shù)值時信道的頻率選擇性衰落會占據(jù)主導地位，此時無論怎樣增加發(fā)射功率也無濟于事，這正是OFDM技術適用于高速無線局域網(wǎng)的原因;但從實際上來說，為了進一步增加系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)傳輸速率，使用多載波調制技術的無線局域網(wǎng)需要增加載波的數(shù)量，而這種方法會造成系統(tǒng)復雜度的增加，并增大系統(tǒng)的帶寬，這對今日的帶寬受限和功率受限的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)就不太適合了。而MIMO技術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技術與OFDM技術相結合是適應下一代無線局域網(wǎng)發(fā)展要求的趨勢。研究表明，在衰落信道環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)非常適合使用MIMO技術來提高容量。
MIMO OFDM技術是通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，提高了信號質量，是聯(lián)合OFDM和MIMO而得到的一種新技術。它利用了時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。
可以看出，MIMOOFDM系統(tǒng)有Nt個發(fā)送天線，Nr個接收天線，在發(fā)送端和接收端各設置多重天線，可以提供空間分集效應，克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當?shù)亩喔碧炀€提供多個空間信道，不會全部同時衰落。輸入的比特流經(jīng)串并變換分為多個分支，每個分支都進行OFDM處理，即經(jīng)過編碼、交織、QAM映射、插入導頻信號、IDFT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;接收端進行與發(fā)射端相反的信號處理過程，例如：去除循環(huán)前綴、DFT變換、解碼等等，同時進行信道估計、定時、同步、MIMO檢測等技術，來完全恢復原來的比特流。
3.實現(xiàn)MIMOOFDM無線局域網(wǎng)的關鍵技術
MIMOOFDM技術是通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，提高了信號質量，是聯(lián)合OFDM和MIMO而得到的一種新技術。它利用了時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。
MIMOOFDM實現(xiàn)主要包括以下關鍵設計：
(1)發(fā)送分集：MIMOOFDM調制方式相結合，對下行通路選用“時延分集”，它裝備簡單、性能優(yōu)良，又沒有反饋要求。它是讓第二副天線發(fā)出的信號比第一副天線發(fā)出的延遲一段時間。
發(fā)送端引用這樣的時延，可使接收通路響應得到頻率選擇性。如采用適當?shù)木幋a和穿插，接收端可以獲得“空間---頻率”分集增益，而不需預知通路情況。
(2)空間復用：為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，可以采用空間復用技術。也可能從兩副基臺天線發(fā)送兩個各自編碼的數(shù)據(jù)流。這樣，可以把一個傳輸速率相對較高數(shù)據(jù)流多組成分割為一組相對速率較低的數(shù)據(jù)流，分別在不同的天線對不同的數(shù)據(jù)流獨立的編碼、調制和發(fā)送，同時使用相同的頻率和時隙。每副天線可以通過不同獨立的信道濾波獨立發(fā)送信號。接收機利用空間均衡器分離信號，然后解調、譯碼和解復用，恢復出原始信號。
(3)接收分集和干擾消除：如果基臺和用戶終端一側三副接收天線，可取得接收分集的效果。利用“最大比值合并”MRC(maximalratiocombining)，將多個接收機的信號合并，得到最大信噪比SNR，可能有遏止自然干擾的好處。但是，如有兩個數(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，利用“最小的均方誤差”MMSE(MinimumMean Square Error)，它使每一有用信號與其估計值的均方誤差最小，從而使“信號與干擾及噪聲比SINR(Signal to Interference Plus Noise Ratio)最大。
(4)軟譯碼：上述MRC和MMSE算法生成軟判決信號，供軟解碼器使用。軟解碼和SINR加權組合相結合使用，可能對頻率選擇性信道提供3-4dB性能增益。
(5)信道估計：目的在于識別每組發(fā)送天線與接收天線之間的信道沖擊響應。從每副天線發(fā)出的訓練子載波都是相互正交的，從而能夠唯一識別每副發(fā)送天線到接收天線的信道。訓練子載波在頻率上的間隔要小于相干帶寬，因此可以利用內插獲得訓練子載波之間的信道估計值。根據(jù)信道的時延擴展，能夠實現(xiàn)信道內插的最優(yōu)化。下行鏈路中，在逐幀基礎上向所有用戶廣播發(fā)送專用信道標識時隙。在上行鏈路中，由于移動臺發(fā)出的業(yè)務可以構成時隙，而且信道在時隙與時隙之間會發(fā)生變化，因此需要在每個時隙內包括訓練和數(shù)據(jù)子載波。
(6)同步：在上行和下行鏈路傳播之前，都存在同步時隙，用于實施相位、頻率對齊，并且實施頻率偏差估計。時隙可以按照以下方式構成：在偶數(shù)序號子載波上發(fā)送數(shù)據(jù)與訓練符號，而在奇數(shù)序號子載波設置為零。這樣經(jīng)過IFFT變換之后，得到的時域信號就會被重復，更加有利于信號的檢測。(7)自適應調制和編碼：為每個用戶配置鏈路參數(shù)，可以最大限度地提高系統(tǒng)容量。根據(jù)兩個用戶在特定位置和時間內地用戶的SINR統(tǒng)計特征，以及用戶QoS的要求，存在多種編碼與調制方案，用于在用戶數(shù)據(jù)流的基礎上實現(xiàn)最優(yōu)化。QAM級別可以介于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中調制和編碼級別，即編碼模式。在2MHz的信道帶寬內，編碼模式1-6分別對于1.1-6.8的數(shù)據(jù)傳輸速率。下行鏈路中，在使用空間復用的情況下，上述速率可以被加倍。鏈路適配層算法能夠在SINR統(tǒng)計特性的基礎上，選擇使用最佳的編碼模式。
目前正在開發(fā)的設備由2組IEEE802.1la收發(fā)器、發(fā)送天線和接收天線各2個(2×2)和負責運算處理過程的MIMO系統(tǒng)組成，能夠實現(xiàn)最大108Mbit/s的傳輸速度。支持AP和客戶端之間的傳輸速度為108Mbit/s，客戶端不支持該技術時(IEEE802.1la客戶端的情況)，通信速度為54Mbil/s。下一代無線局域網(wǎng)協(xié)議802.1ln傳輸速率高達320Mbit/s，凈傳輸速率為108Mbit/s。
4.結束語
MIMO技術和OFDM技術在各自的領域都發(fā)揮了巨大的作用，今日將MIMO與OFDM相結合，并應用到下一代無線局域網(wǎng)中，是無線通信的一個研究熱點。勢必將使無線局域網(wǎng)向著更高速率、更大容量、更好性能的方向發(fā)展，在人們的日常生活中起到越來越重要的作用。