WLAN中的MIMO-OFDM技术

其中B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。公式(1)表明，功率和带宽固定时，MIMO的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此，MIMO技术对于提高无线局域网的容量具有极大的潜力。

1.3采用MIMO技术的OFDM系统

随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线局域网性能和数据速率的要求也越来越高。IEEE802.11a和IEEE802.11g标准支持的最高为54Mb/s的数据速率显得有些低。理论上，作为高速无线局域网核心的OFDM技术，适当选择各载波的带宽和采用纠错编码技术可以完全消除多径衰落对系统的影响。因此如果没有功率和带宽的限制，可以用OFDM技术实现任何传输速率。而采用其他技术，当数据速率增加到某一数值时信道的频率选择性衰落会占据主导地位，此时无论怎样增加发射功率也无济于事。这正是OFDM技术适用于高速无线局域网的原因。实际上，为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无线局域网需要增加载波的数量，这会增加系统复杂度，增大系统带宽，对目前带宽受限和功率受限的无线局域网系统不太适合。而MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是下一代无线局域网发展的趋势。研究表明，在瑞利衰落信道环境下，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高容量。

MIMO-OFDM系统有多个发送天线，多个接收天线。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。输入的比特流经串并变换分为多个分支，每个分支都进行OFDM处理，即经过编码、交织、正交幅度调制(QAM)映射、插入导频信号、IFFT变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中；接收端进行与发射端相反的信号处理过程，例如：去除循环前缀、FFT变换、解码等等，同时进行信道估计、定时、同步、MIMO检测等技术，来完全恢复原来的比特流。

2 实现MIMO-OFDM技术的关键

MIMO-OFDM技术是OFDM和MIMO技术结合产生的一种新技术，其通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量。由于利用了时间、频率和空间3种分集技术，因而使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。

实现MIMO-OFDM技术需要完成以下关键设计：

(1)发送分集

MIMO与OFDM调制方式相结合，对下行信道选用时延分集。时延分集实现简单、性能优良，又没有反馈要求。实现方法是让第2副天线发出的信号比第1副天线发出的信号延迟一段时间。发送端引用这样的时延后，可使接收的信道响应得到频率选择性。如采用适当的编码和穿插，接收端可以获得"空间-频率"分集增益而不需预知信道情况。

(2)空间复用

为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。把1个传输速率相对较高的数据流分割为1组相对速率较低的数据流，分别在不同的天线对不同的数据流独立编码、调制和发送，同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同的独立的信道滤波发送信号。接收机利用空间均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用，恢复出原始信号。

(3)接收分集和干扰消除

如果基台和用户终端一侧用3副接收天线，可取得接收分集的效果。利用最大比值合并(MRC)将多个接收机的信号合并，可得到最大信噪比(SNR)，具有遏止自然干扰的好处。但是，如有2个数据流互相干扰，或者从频率再利用的邻近地区传来干扰，MRC就不能起遏止作用。这时，利用最小的均方误差(MMSE)可使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使信号干扰噪声比(SINR)最大。

(4)软译码

MRC和MMSE算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和SINR加权组合结合使用，可能对频率选择性信道提供3？4dB的性能增益。

(5)信道估计

信道估计的目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲激响应。从每副天线发出的训练子载波都是相互正交的，能够唯一地识别每副发送天线到接收天线的信道。训练子载波在频率上的间隔要小于相干带宽，因此可以利用内插获得训练子载波之间的信道估计值，并根据信道的时延扩展，实现信道内插的最优化。在下行链路中，逐帧向所有用户广播发送专用信道标识时隙；在上行链路中，由于移动台发出的业务可以构成时隙，而且信道在时隙与时隙之间会发生变化，因此需要