基于IEEE802．11的MIMO系统的分析和设计

摘要：基于提高WIAN系统的容量和频谱利用率的目的，在不改变现有WLAN协议的情况下，采用了IEEE802．11媒体接入控制(MAC)协议与MIMO系统相结合的方法。首先对空时编码技术和智能天线技术两种MIMO系统进行可行性分析，确定采用空时编码技术的MIMO系统；再进一步针对分层空时码、网格空时码和分组空时码等几种空时编码的特性进行比较，最终得到IEEE802．11a结合分组空时码实现WIAN的MIMO系统的优选方案。
关键词：空时编码；智能天线；无线局域网；多输入输出

目前，IEEE802．11已成为无线局域网的主流标准。1997年IEEE802．11标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准，定义了单一的MAC层和多样的物理层。
由于采用分组交换技术，传输速率高，WLAN是目前发展最迅速、应用前景最好的无线通信技术之一。然而无线信道的传输环境较为复杂，多经效应、频率选择性衰落和其他干扰的存在，使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道传输困难。这些都是影响WIAN通信质量的重要因素。
通常多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用MIMO技术使无线通信领域智能天线技术有了重大突破。MIMO技术在不增加带宽的情况下能成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。多输入输出(MIMO)技术，作为克服多径、抑制干扰的重要手段，在无线通信中得到了广泛应用。
人们对MIMO技术的性能作了大量的分析，但由于WLAN是基于载波检测／冲突避免(CSMA／CA)协议的，所以并不是所有MIMO技术都可以不加分析地直接应用于WLAN中。本文分别对将空时编码和智能天线分析在WIAN中的应用进行了分析和对比，得出了在不改变现在WLAN协议的情况下，空时编码更适合于WLAN的结论，在此基础上我们设计提出了一种基于IEEE802．11a的MIMO系统。

1 IEEE802．11分布协调功能(DCF)
IEEE802．11的MAC协议包含分布协调(DCF)和点协调(PCF)两方式。其中DCF是基于CSMM／CA的，分两机制，一种是基本接入机制，针对于帧长较短的分组；另一种是RTS／CTS接入机制，针对于帧长较长的分组。文中如不特别说明，所述的WIAN都指基于有中心接入点(AP)的RTS／CTS接入机制。
图1显示的是RTS／CTS接入机制，处于时间轴上面的是发送站点(station，STA)，处于时间轴下面的是接入STA，收发双方都采用全向天线。在收发问通信开始时，首先发送STA会全向发送请求(RTS)帧，接收STA收到RTS后等待最短帧间间隔(SIFS)全向返回确认发送(CTS)帧，发送STA收到CTS帧后等待SIFS时间间隔，发送数据分组，接收STA收到数据分组后等待SIFS时间间隔，全向发送确认(ACK)帧。收发双方STA发送的每个帧内都有预约时长域(durationfield)，预约时长是相对时间表示信道将被占用的时长，一方面可以通知对端分组传输何时结束，收发STA在发送完当前帧，等待对端确认时，都会设一个超时定时器，如果超时收不到确认就是认为通信失败；另一方面可以用来设置周围未参
与通信的STA的网络分配矢量(NAV)，NAV是绝对时间表示通信何时结束，NAV是否超时和载波检测将联合确定信道是忙还是闲，只有当NAV超时并且载波检测信道是闲，STA才认为信道真正空闲。这样对于接收STA来说的隐藏节点会通过收听RTS来设置NAV，对于发送STA来说的隐藏节点会通过收听CTS来设置NAV，因为RTS和CTS帧长很短，所以大大降低了碰撞的概率，保证正在进行的通信不会被干扰。当因为信道忙或发生碰撞数据帧没有成功发送，STA则会产生一个随机的退避，一旦检测到信道在DIFS时隔后继续空闲，退避计数器会递减，如果检测到信道忙，退避计数器会“冻结”计数，当退避计数器减到零时，分组将再次被发送。

通过上述介绍，可以看出IEEE802．11的MAC协议依靠全向发送和接收，并借助设置虚拟载波，最大限度地避免了覆盖范围内隐藏节点的产生。

2 在WLAN中使用MIMO技术的分析
2．1 智能天线在WLAN中的应用分析
2．1．1 在WLAN中使用智能天线的方法
鉴于WLAN系统具有准移动性，即可以随处移动，但通信时位置相对固定，或者说移动速度慢信道特性是慢时变的。因此在通信时，收发双方要确定相互之间的位置，方法有3种：1)采用外挂定位设备的智能天线系统，如GPS；2)采用盲方法定位的智能天线系统；3)采用训练的方法定位的智能天线系统。考虑成本因素，文中对第一种方法不作讨论。后两种方法的共同点是发送方在通信建立之前并不知道接收方的位置，因此虽然存在性能、计算复杂度和鲁棒性