摘 要: 獲得更高的數(shù)據(jù)率" title="數(shù)據(jù)率">數(shù)據(jù)率、更廣的覆蓋范圍是下一代無線局域網(wǎng)(WLAN)研究的主要目標(biāo)。基于IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)，引入空時(shí)編碼" title="空時(shí)編碼">空時(shí)編碼和Turbo編碼，對(duì)系統(tǒng)的模式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。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(shí)分組碼以及同時(shí)利用空間分集和頻率分集的空時(shí)頻編碼；高信噪比情況下，采用高效率的分層空時(shí)編碼(BLAST)方案。針對(duì)2發(fā)2收的MIMO系統(tǒng)，給出了6M~108Mbps傳輸數(shù)據(jù)率的新8種模式設(shè)計(jì)。仿真證明，提出的方案可以在較低的復(fù)雜度下獲得高數(shù)據(jù)率、高覆蓋且各模式性能分布均勻，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 無線局域網(wǎng) MIMO OFDM 空時(shí)編碼 Turbo編碼
目前的無線局域網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)已經(jīng)可以提供高達(dá)54Mbps的數(shù)據(jù)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(biāo)，關(guān)于下一代高速無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究正如火如荼的展開。
在眾多新技術(shù)中，MIMO技術(shù)因不需要額外的功率和帶寬即可提供非常高的數(shù)據(jù)率而倍受關(guān)注[1,3,4]。基于MIMO-OFDM的WLAN方案已成為公認(rèn)的下一代WLAN的核心方案[5～7]。
筆者基于IEEE 802.11a[2]標(biāo)準(zhǔn)，研究通過不同的空時(shí)編碼方案來提高系統(tǒng)容量，同時(shí)，以Turbo編碼取代原來的卷積碼進(jìn)一步提高BER性能。
第一種空時(shí)編碼方案選擇的是基于空間復(fù)用的分層空時(shí)碼[1]，BLAST是一種效率極高的空時(shí)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(shí)碼MCM-BLAST，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，性能更佳，也給本文模式設(shè)計(jì)帶來更多的選擇。
第二種空時(shí)編碼方案選擇的是基于空間分集的空時(shí)分組碼[3,4]，STBC可以以極低的處理復(fù)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(shí)頻編碼方案，同時(shí)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(shù)和Turbo編碼升級(jí)802.11a系統(tǒng)，期望盡可能保留原系統(tǒng)的方案參數(shù)，且復(fù)雜度要盡量低，所以針對(duì)2發(fā)2收系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了新的8種6M~108Mbps數(shù)據(jù)率的模式設(shè)計(jì)。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(shì)，所提出的多天線方案在WLAN應(yīng)用環(huán)境中性能優(yōu)越，有較高的實(shí)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)模型
考慮一個(gè)有NT個(gè)發(fā)射天線" title="發(fā)射天線">發(fā)射天線、NR(NR≥NT)個(gè)接收天線的MIMO-OFDM系統(tǒng)，設(shè)OFDM子載波數(shù)為N，用來傳輸數(shù)據(jù)的子載波數(shù)為K(802.11a標(biāo)準(zhǔn)中N=64，K=48)。假設(shè)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(yīng)矩陣可以表示為：
其中，L延遲擴(kuò)展，Hi表示第i徑的NT×NR維的復(fù)信道矩陣，矩陣元素統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，為0均值高斯隨機(jī)變量，方差為σi2。設(shè)每對(duì)收發(fā)天線之間的信道統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，滿足同樣的功率延遲刨面(PDP)分布。
設(shè)αk(i)表示第i個(gè)發(fā)射天線通過第k個(gè)子載波發(fā)送的調(diào)制符號(hào)，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(shè)循環(huán)前綴和同步等都理想，可以完全消除多徑導(dǎo)致的符號(hào)間干擾，經(jīng)過OFDM 解調(diào)后，子載波k的接收向量可以表示為：
系統(tǒng)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入數(shù)據(jù)首選進(jìn)行Turbo編碼，然后根據(jù)模式碼率進(jìn)行打孔并匹配后端OFDM調(diào)制，交織、調(diào)制后的符號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的空時(shí)編碼(STBC、BLAST等)，最后經(jīng)OFDM調(diào)制由發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射。接收端的各模塊與接收機(jī)相對(duì)應(yīng)。
2 WLAN的空時(shí)編碼方案研究
2.1空時(shí)復(fù)用方案
2.1.1 分層空時(shí)碼
垂直分層空時(shí)碼(V-BLAST)最初由Foschini提出[1]，已經(jīng)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(jī)，數(shù)據(jù)流被分成NT個(gè)并列的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流分別調(diào)制，同時(shí)從NT個(gè)發(fā)射天線發(fā)射出去，在接收端一般采用基于ZF或者M(jìn)MSE檢測(cè)的連續(xù)干擾消除技術(shù)(SIC)，ML檢測(cè)因復(fù)雜度太高而不被采用。
2.1.2 多星座圖映射的分層空時(shí)碼
V-BLAST系統(tǒng)中影響性能的一個(gè)主要因素是誤差傳播，尤其是最先檢測(cè)的層的性能對(duì)整個(gè)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(gè)子載波的信道響應(yīng)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(gè)問題。
設(shè)計(jì)思想是既然V-BLAST的各層性能不同，對(duì)整體性能的影響也不一樣，那么把重要的層(先檢測(cè)的)以映射較低階的調(diào)制方式，提高性能，不太重要的數(shù)據(jù)用較高階的調(diào)制方式，各層發(fā)射功率保持相同，目地是在不降低數(shù)據(jù)吞吐量的情況下提高整體性能，或保持性能提高數(shù)據(jù)吞吐量。
下面在最小化誤幀率(或誤符號(hào)率)意義下推導(dǎo)最優(yōu)的映射方式。首先，譯碼順序應(yīng)該事先確定，為簡(jiǎn)單，假設(shè)檢測(cè)的順序?yàn)閧1，2，…，Nt}，即第一層最先檢測(cè)，第NT最后檢測(cè)。各層的發(fā)射功率保持不變，不同的調(diào)制星座圖可以通過乘以功率歸一化因子實(shí)現(xiàn)。設(shè)M表示總的數(shù)據(jù)吞吐量，Mi表示第i層的數(shù)據(jù)吞吐量，在符號(hào)率不變的情況下，Mi與調(diào)制方式直接相關(guān)。總的吞吐量限制條件是:
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(dǎo)數(shù)應(yīng)該相同。這個(gè)結(jié)果可以直觀地解釋為：假設(shè)有2層，一個(gè)性能較好，一個(gè)較差，可以通過降低差的層一個(gè)很小的數(shù)據(jù)率△ M，同時(shí)給較強(qiáng)層增加△ M來保持總的數(shù)據(jù)率不變。如果較弱層降低的誤幀率△ p1大于較強(qiáng)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(jù)率，增加強(qiáng)層的數(shù)據(jù)率，直到△ p1=△ p2，這意味著總的誤幀率不能再通過調(diào)整末層的數(shù)據(jù)率來降低了，所以此時(shí)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?yàn)槊繉拥墓β适呛愣ǖ模@就降低了對(duì)硬件的要求；不需要信道信息，所以比其他發(fā)射機(jī)需要信道信息的方案(如功率分配和自適應(yīng)調(diào)制)復(fù)雜度低，尤其適用于發(fā)射機(jī)很難獲得信道信息的場(chǎng)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(jù)信道狀況(信噪比)以及系統(tǒng)情況(收發(fā)天線個(gè)數(shù))來確定，不會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度。在接收機(jī)方面采用固定順序的檢測(cè)方法，可以進(jìn)一步降低復(fù)雜度。
針對(duì)4發(fā)4收系統(tǒng)仿真不同的映射調(diào)制方案，檢測(cè)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(diào)制方案，各層調(diào)制方式相同，性能隨著調(diào)制階數(shù)的增加依次降低，圖中實(shí)線從左到右依次為BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調(diào)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。“2221” 方案當(dāng)SNR>20dB時(shí)，幾乎具有與BPSK相同的性能，信息吞吐量從4比特/符號(hào)周期提高到7比特/符號(hào)周期，幾乎提高1倍。與QPSK相比，在BER=10-4 時(shí)有6dB增益，代價(jià)僅僅是信息吞吐量降低了1比特/符號(hào)周期。與16QAM 相比，“6421”方案在BER=10-4時(shí)有10dB增益，代價(jià)是信息吞吐量降低了3比特/符號(hào)周期(從16比特/符號(hào)周期降為13比特/符號(hào)周期)。與QPSK調(diào)制相比，在BER=10-4 時(shí)不僅有1dB的性能增益，而且有5比特/符號(hào)周期的吞吐量提高。
2.2空時(shí)分集方案
2.2.1 空時(shí)分組碼
STBC可以以非常低的復(fù)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(jīng)寫入3G標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)頻分組碼
最早，Tarokh把STBC與OFDM相結(jié)合，應(yīng)用于頻率選擇性信道。在頻率選擇性信道，如果能同時(shí)利用空間分集和頻率分集，系統(tǒng)抗干擾性能會(huì)進(jìn)一步提高。為此提出一種簡(jiǎn)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(diào)制符號(hào)經(jīng)Alamouti編碼由OFDM子載波i發(fā)送，另一個(gè)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(jì)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(yīng)，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(diào)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(jī)分布；AA-OFDM3為子載波i、 j滿足距離[]的最佳分布。可以看出AA-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(shè)計(jì)
前面提到的V-BLAST、MCM-BLAST、Alamouti碼以及AA-OFDM碼復(fù)雜度近似，但是因?yàn)榉旨匦院退苓_(dá)到的數(shù)據(jù)率不同，適用于不同的工作環(huán)境。結(jié)合不同的Turbo編碼碼率和刪余方案，不同的調(diào)制方式，有很多可選擇的模式設(shè)計(jì)。基于802.11a物理層設(shè)計(jì)，擴(kuò)展到多天線情況(2發(fā)射2接收)，對(duì)各個(gè)可能的方案的誤幀率和所能達(dá)到的數(shù)據(jù)率進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，仿真幀長為360bit。每模式所能達(dá)到的有效數(shù)據(jù)率由下式計(jì)算：Ci=
×(1-PERi)，其中表示模式i的數(shù)據(jù)比特率，PERi表示模式i的誤幀率。模式選擇原則為：(1)在每個(gè)SNR下能獲得最大的數(shù)據(jù)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(diào)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(duì)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(duì)所有可能的方案進(jìn)行詳細(xì)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(shí)，給出了單天線系統(tǒng)所能達(dá)到的數(shù)據(jù)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(shì)，能在更低信噪比下工作，提高覆蓋范圍，同時(shí)在相應(yīng)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(huì)更好。
本文中引入空時(shí)編碼和Turbo碼來升級(jí)IEEE 802.11a系統(tǒng)的物理層設(shè)計(jì)，并提出兩種新穎的空時(shí)設(shè)計(jì)，給出了最優(yōu)的新模式設(shè)計(jì)。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(jù)率兩方面都有很大的提高，具有實(shí)際應(yīng)用意義。
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