基于IEEE802.11的MIMO系統的分析和設計
摘要:基于提高WIAN系統的容量和頻譜利用率的目的,在不改變現有WLAN協議的情況下,采用了IEEE802.11媒體接入控制(MAC)協議與MIMO系統相結合的方法。首先對空時編碼技術和智能天線技術兩種MIMO系統進行可行性分析,確定采用空時編碼技術的MIMO系統;再進一步針對分層空時碼、網格空時碼和分組空時碼等幾種空時編碼的特性進行比較,最終得到IEEE802.11a結合分組空時碼實現WIAN的MIMO系統的優選方案。
關鍵詞:空時編碼;智能天線;無線局域網;多輸入輸出
目前,IEEE802.11已成為無線局域網的主流標準。1997年IEEE802.11標準的制定是無線局域網發展的里程碑,它是由大量的局域網以及計算機專家審定通過的標準,定義了單一的MAC層和多樣的物理層。
由于采用分組交換技術,傳輸速率高,WLAN是目前發展最迅速、應用前景最好的無線通信技術之一。然而無線信道的傳輸環境較為復雜,多經效應、頻率選擇性衰落和其他干擾的存在,使得實現無線信道的高速數據傳輸比有線信道傳輸困難。這些都是影響WIAN通信質量的重要因素。
通常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MIMO系統來說,多徑效應可以作為一個有利因素加以利用MIMO技術使無線通信領域智能天線技術有了重大突破。MIMO技術在不增加帶寬的情況下能成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率。多輸入輸出(MIMO)技術,作為克服多徑、抑制干擾的重要手段,在無線通信中得到了廣泛應用。
人們對MIMO技術的性能作了大量的分析,但由于WLAN是基于載波檢測/沖突避免(CSMA/CA)協議的,所以并不是所有MIMO技術都可以不加分析地直接應用于WLAN中。本文分別對將空時編碼和智能天線分析在WIAN中的應用進行了分析和對比,得出了在不改變現在WLAN協議的情況下,空時編碼更適合于WLAN的結論,在此基礎上我們設計提出了一種基于IEEE802.11a的MIMO系統。
1 IEEE802.11分布協調功能(DCF)
IEEE802.11的MAC協議包含分布協調(DCF)和點協調(PCF)兩方式。其中DCF是基于CSMM/CA的,分兩機制,一種是基本接入機制,針對于幀長較短的分組;另一種是RTS/CTS接入機制,針對于幀長較長的分組。文中如不特別說明,所述的WIAN都指基于有中心接入點(AP)的RTS/CTS接入機制。
圖1顯示的是RTS/CTS接入機制,處于時間軸上面的是發送站點(station,STA),處于時間軸下面的是接入STA,收發雙方都采用全向天線。在收發問通信開始時,首先發送STA會全向發送請求(RTS)幀,接收STA收到RTS后等待最短幀間間隔(SIFS)全向返回確認發送(CTS)幀,發送STA收到CTS幀后等待SIFS時間間隔,發送數據分組,接收STA收到數據分組后等待SIFS時間間隔,全向發送確認(ACK)幀。收發雙方STA發送的每個幀內都有預約時長域(durationfield),預約時長是相對時間表示信道將被占用的時長,一方面可以通知對端分組傳輸何時結束,收發STA在發送完當前幀,等待對端確認時,都會設一個超時定時器,如果超時收不到確認就是認為通信失敗;另一方面可以用來設置周圍未參
與通信的STA的網絡分配矢量(NAV),NAV是絕對時間表示通信何時結束,NAV是否超時和載波檢測將聯合確定信道是忙還是閑,只有當NAV超時并且載波檢測信道是閑,STA才認為信道真正空閑。這樣對于接收STA來說的隱藏節點會通過收聽RTS來設置NAV,對于發送STA來說的隱藏節點會通過收聽CTS來設置NAV,因為RTS和CTS幀長很短,所以大大降低了碰撞的概率,保證正在進行的通信不會被干擾。當因為信道忙或發生碰撞數據幀沒有成功發送,STA則會產生一個隨機的退避,一旦檢測到信道在DIFS時隔后繼續空閑,退避計數器會遞減,如果檢測到信道忙,退避計數器會“凍結”計數,當退避計數器減到零時,分組將再次被發送。
通過上述介紹,可以看出IEEE802.11的MAC協議依靠全向發送和接收,并借助設置虛擬載波,最大限度地避免了覆蓋范圍內隱藏節點的產生。
2 在WLAN中使用MIMO技術的分析
2.1 智能天線在WLAN中的應用分析
2.1.1 在WLAN中使用智能天線的方法
鑒于WLAN系統具有準移動性,即可以隨處移動,但通信時位置相對固定,或者說移動速度慢信道特性是慢時變的。因此在通信時,收發雙方要確定相互之間的位置,方法有3種:1)采用外掛定位設備的智能天線系統,如GPS;2)采用盲方法定位的智能天線系統;3)采用訓練的方法定位的智能天線系統。考慮成本因素,文中對第一種方法不作討論。后兩種方法的共同點是發送方在通信建立之前并不知道接收方的位置,因此雖然存在性能、計算復雜度和魯棒性的差異,本質上這兩種方法對WLAN的MAC協議的影響是相同的。
下面本文就此進行具體分析。
因為不知道接收方的位置,發送方必須全向發送RTS,接收主在數據接收的接收過程中,即可完成定向并定向接收,如果信道是對稱的,接收方可以人接收方向上定向向發CTS。收發雙方通過RTS、CTS的收發確定智能天線參數,使隨后的數據幀和相應的ACK可以實現定向的收發。
2.1.2 分析
一方面,全向發送RTS使得覆蓋范圍受到限制。表面上看,WLAN設置了多種速率選擇,通信雙方可以以低速率發送RTS,在建立定向連接后,提高傳輸速率,由于RTS幀相對DATA很短,WLAN可以通過使用智能天線擴大高速率傳輸的覆蓋范圍,但實際的IEEE802.11的MAC協議并不支持這種逐幀的速率變化的方式,因為速率的變化造成NAV設置的不準確,依照當前協議,STA只在新的NAV大于舊有的NAV值時才去更新,雖然速率的提高使實際的傳輸時間比虛擬載波指示的時間短,但不參與當前通信的STA仍要在到達較長的虛擬載波指示的時間時才認為當前傳輸結束,性能并沒有因為傳輸速率提高而增加,如果要改變這一現狀,必須改變現有協議。另外全向發送RTS,最終會使得低速率傳輸的覆蓋范圍受限。
另一方面,定向的收發會產生更多的隱藏站點。依照目前的協議,為了保證通信異常情況下降低WLAN系統性能,不參與通信的STA并不完全以來載波偵聽和NAV設置,在幀交換過程中,STA還設置多個定時器,一旦在規定時間內,處于定向天線波瓣外的旁聽STA收不到幀的發送,就會認為當前的通訊失敗,進面啟動自身的發送進程,對于發送方的隱藏STA,由于數據幀發送時間長,這類事件發生的概率較大,容易產生碰撞。
通過以上分析可以看出,由于會在傳輸過程中改變天線的方向圖,智能天線并不適用于現有的WLAN協議。
2.2 空時編碼在WLAN中的應用分析
空時編碼不存在智能天線在WLAN應用中所存在的棘手問題,因為空時編碼不會在傳輸過程中改變天線的方向圖。因此可以直接在WLAN中使用,在提高性能的同時,不必改變現有的WLAN協議。
2.2.1 空時編碼選型
分層空時碼(Layered Space-Time Codes)是最早提出的一種空時編碼方式,是目前已知的唯一一種可以使頻帶利用率隨著min(m,n)線性增加的編碼方式。與其它空時編碼方式相比,雖然分層空時碼有較高的頻帶利用率,但無法達到最大分集增益,性能相對較差。分層空時碼以部分分集增益為代價來換取高頻帶利用率。
網格空時碼(Space-Time Coded Modulation)是在延時分集基礎上結合TCM編碼提出的,實際是傳輸分集方式的改進。STCM把編碼和調制結合起來,能夠達到編譯碼復雜度、性能和頻帶利用率之間的最佳折中,是一種最佳碼。但STCM譯碼復雜度大,STCM的好碼設計也是一個難點,在狀態數大的情況下,目前多用計算機搜索來完成。
分組空時碼(STBC)是根據廣義正交設計的原理提出,它要求在各天線發射的信號之間正交,這樣不僅保證能夠達到最大分集增益,而且還可以降低譯碼復雜度。STBC最大的特點是簡單實用,且性能相對較好,是一種較有效的傳輸分集解決方案。
2.2.2 分析
我們不考慮非相干的空時碼,因為一方面WLAN系統具有準移動性,信道變化慢,準確信道估計是可能,另一方面,WLAN物理幀中攜帶的引導符號完全可以用來估計信道。選擇分組空時碼作為在WLAN中實現MIMO的優選方案,其相關參數如表1所示。
為公平起見依據下式:
BPS=RST×RCCxModulation Through put (1)
對比G2、G3、G4、H3和H4空時碼的性能,其中,BPS:指bitper symbol,RST指空時碼碼率,RCC表示信道編碼。對比表1可知,要想得到相同的有效吞吐率,相比G2、G3、G4、H3和H4要采用更高階調制方式。其中,G3和G4的調制階數最。由于高階調制的星座點較密,使得錯誤概率增大。
當接收天線的個數增加為2時,G3、G4、H3和H4相對G2的性能增益變小了。這是因為2個接收天線時,G2已將可能獲得的分集增益的大部分實現。表2是在BER=10-5時,有效吞吐率分別為1 BPS、2 BPS和3 BPS,采用單天線接收和雙天線接收,仿真環境為經過充分交織后得到非相關Rayleigh信道時,G2、G3、G4、H3和H4空時碼的性能如表2所示。G2、G3、G4、H3和H4得到相應增益(和未編碼PSK調制相比較)。
文中綜合考慮系統性能、計算復雜度、多速率傳輸將采用高階調制以及成本等因素,認為采用雙接收天線的G2空時碼是較合知的解決方案。
3 G2空時碼在IEEE802.11a的系統設計
根據前面的分析,本文針對IEEE802.11a設計一個采用2個發射和2個接收天線的G2空時碼的MIMO系統。系統框圖見圖2。在發射端,調制模塊負責糾錯編碼、交織、QAM調制,IEEE802.11a發送模塊負責OFDM調制和射頻發送,IEEE802.11a中的長訓練序列是已知的。在接收端IEEE802.11a接收模塊負責射頻接收和OFDM解調,解調模塊負責QAM解調、解交織、糾錯譯碼。
在發射端,將輸入QAM符號兩兩分組送入空時碼生成器,設第一個分組為{x1,x2},輸出兩路正交分組{x1,-x2}和{-x2,x1}(如圖2所示)。將這兩路分組分別送入不同的IFFT模塊,每個分組占用一個OFDM子信道。這樣在接收端經過FFT后會得到兩組相應的接收信號{y11,y12}和{y21,y22}。由于OFDM子信道是平坦衰落信道,設收發天線間信道分別為h11、h12、h21和h22(下標第一個數字為發射天線編號,第二個數字為接收天線編號)。顯然有:
4 結論
文中基于IEEE802.11協議,對如何在WLAN中使用空時編碼和智能天線進行了較詳細的分析和對比,得出了在不改變現有WLAN協議的情況下,空時編碼更適合于WLAN的結論,在此基礎上,在保證系統整體性能提高的同時,綜合考慮了系統的兼容性、計算復雜度實現成,設計并提出了一種基于IEEE802.11a的MIMO系統,該實現方案有重要的實用價值。
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