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[導(dǎo)讀]摘要:基于提高WIAN系統(tǒng)的容量和頻譜利用率的目的,在不改變現(xiàn)有WLAN協(xié)議的情況下,采用了IEEE802.11媒體接入控制(MAC)協(xié)議與MIMO系統(tǒng)相結(jié)合的方法。首先對(duì)空時(shí)編碼技術(shù)和智能天線技術(shù)兩種MIMO系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析,

摘要:基于提高WIAN系統(tǒng)的容量和頻譜利用率的目的,在不改變現(xiàn)有WLAN協(xié)議的情況下,采用了IEEE802.11媒體接入控制(MAC)協(xié)議與MIMO系統(tǒng)相結(jié)合的方法。首先對(duì)空時(shí)編碼技術(shù)和智能天線技術(shù)兩種MIMO系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析,確定采用空時(shí)編碼技術(shù)的MIMO系統(tǒng);再進(jìn)一步針對(duì)分層空時(shí)碼、網(wǎng)格空時(shí)碼和分組空時(shí)碼等幾種空時(shí)編碼的特性進(jìn)行比較,最終得到IEEE802.11a結(jié)合分組空時(shí)碼實(shí)現(xiàn)WIAN的MIMO系統(tǒng)的優(yōu)選方案。
關(guān)鍵詞:空時(shí)編碼;智能天線;無(wú)線局域網(wǎng);多輸入輸出

    目前,IEEE802.11已成為無(wú)線局域網(wǎng)的主流標(biāo)準(zhǔn)。1997年IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的制定是無(wú)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(jì)算機(jī)專家審定通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn),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(shù),傳輸速率高,WLAN是目前發(fā)展最迅速、應(yīng)用前景最好的無(wú)線通信技術(shù)之一。然而無(wú)線信道的傳輸環(huán)境較為復(fù)雜,多經(jīng)效應(yīng)、頻率選擇性衰落和其他干擾的存在,使得實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道傳輸困難。這些都是影響WIAN通信質(zhì)量的重要因素。
    通常多徑效應(yīng)會(huì)引起衰落,因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明,對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō),多徑效應(yīng)可以作為一個(gè)有利因素加以利用MIMO技術(shù)使無(wú)線通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)有了重大突破。MIMO技術(shù)在不增加帶寬的情況下能成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。多輸入輸出(MIMO)技術(shù),作為克服多徑、抑制干擾的重要手段,在無(wú)線通信中得到了廣泛應(yīng)用。
    人們對(duì)MIMO技術(shù)的性能作了大量的分析,但由于WLAN是基于載波檢測(cè)/沖突避免(CSMA/CA)協(xié)議的,所以并不是所有MIMO技術(shù)都可以不加分析地直接應(yīng)用于WLAN中。本文分別對(duì)將空時(shí)編碼和智能天線分析在WIAN中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和對(duì)比,得出了在不改變現(xiàn)在WLAN協(xié)議的情況下,空時(shí)編碼更適合于WLAN的結(jié)論,在此基礎(chǔ)上我們?cè)O(shè)計(jì)提出了一種基于IEEE802.11a的MIMO系統(tǒng)。

1 IEEE802.11分布協(xié)調(diào)功能(DCF)
    
IEEE802.11的MAC協(xié)議包含分布協(xié)調(diào)(DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)(PCF)兩方式。其中DCF是基于CSMM/CA的,分兩機(jī)制,一種是基本接入機(jī)制,針對(duì)于幀長(zhǎng)較短的分組;另一種是RTS/CTS接入機(jī)制,針對(duì)于幀長(zhǎng)較長(zhǎng)的分組。文中如不特別說(shuō)明,所述的WIAN都指基于有中心接入點(diǎn)(AP)的RTS/CTS接入機(jī)制。
    圖1顯示的是RTS/CTS接入機(jī)制,處于時(shí)間軸上面的是發(fā)送站點(diǎn)(station,STA),處于時(shí)間軸下面的是接入STA,收發(fā)雙方都采用全向天線。在收發(fā)問(wèn)通信開始時(shí),首先發(fā)送STA會(huì)全向發(fā)送請(qǐng)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(rèn)發(fā)送(CTS)幀,發(fā)送STA收到CTS幀后等待SIFS時(shí)間間隔,發(fā)送數(shù)據(jù)分組,接收STA收到數(shù)據(jù)分組后等待SIFS時(shí)間間隔,全向發(fā)送確認(rèn)(ACK)幀。收發(fā)雙方STA發(fā)送的每個(gè)幀內(nèi)都有預(yù)約時(shí)長(zhǎng)域(durationfield),預(yù)約時(shí)長(zhǎng)是相對(duì)時(shí)間表示信道將被占用的時(shí)長(zhǎng),一方面可以通知對(duì)端分組傳輸何時(shí)結(jié)束,收發(fā)STA在發(fā)送完當(dāng)前幀,等待對(duì)端確認(rèn)時(shí),都會(huì)設(shè)一個(gè)超時(shí)定時(shí)器,如果超時(shí)收不到確認(rèn)就是認(rèn)為通信失敗;另一方面可以用來(lái)設(shè)置周圍未參
與通信的STA的網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV),NAV是絕對(duì)時(shí)間表示通信何時(shí)結(jié)束,NAV是否超時(shí)和載波檢測(cè)將聯(lián)合確定信道是忙還是閑,只有當(dāng)NAV超時(shí)并且載波檢測(cè)信道是閑,STA才認(rèn)為信道真正空閑。這樣對(duì)于接收STA來(lái)說(shuō)的隱藏節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)收聽RTS來(lái)設(shè)置NAV,對(duì)于發(fā)送STA來(lái)說(shuō)的隱藏節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)收聽CTS來(lái)設(shè)置NAV,因?yàn)镽TS和CTS幀長(zhǎng)很短,所以大大降低了碰撞的概率,保證正在進(jìn)行的通信不會(huì)被干擾。當(dāng)因?yàn)樾诺烂虬l(fā)生碰撞數(shù)據(jù)幀沒(méi)有成功發(fā)送,STA則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的退避,一旦檢測(cè)到信道在DIFS時(shí)隔后繼續(xù)空閑,退避計(jì)數(shù)器會(huì)遞減,如果檢測(cè)到信道忙,退避計(jì)數(shù)器會(huì)“凍結(jié)”計(jì)數(shù),當(dāng)退避計(jì)數(shù)器減到零時(shí),分組將再次被發(fā)送。


    通過(guò)上述介紹,可以看出IEEE802.11的MAC協(xié)議依靠全向發(fā)送和接收,并借助設(shè)置虛擬載波,最大限度地避免了覆蓋范圍內(nèi)隱藏節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生。

2 在WLAN中使用MIMO技術(shù)的分析
2.1 智能天線在WLAN中的應(yīng)用分析
2.1.1 在WLAN中使用智能天線的方法
    
鑒于WLAN系統(tǒng)具有準(zhǔn)移動(dòng)性,即可以隨處移動(dòng),但通信時(shí)位置相對(duì)固定,或者說(shuō)移動(dòng)速度慢信道特性是慢時(shí)變的。因此在通信時(shí),收發(fā)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(shè)備的智能天線系統(tǒng),如GPS;2)采用盲方法定位的智能天線系統(tǒng);3)采用訓(xùn)練的方法定位的智能天線系統(tǒng)??紤]成本因素,文中對(duì)第一種方法不作討論。后兩種方法的共同點(diǎn)是發(fā)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(jì)算復(fù)雜度和魯棒性的差異,本質(zhì)上這兩種方法對(duì)WLAN的MAC協(xié)議的影響是相同的。
    下面本文就此進(jìn)行具體分析。
    因?yàn)椴恢澜邮辗降奈恢茫l(fā)送方必須全向發(fā)送RTS,接收主在數(shù)據(jù)接收的接收過(guò)程中,即可完成定向并定向接收,如果信道是對(duì)稱的,接收方可以人接收方向上定向向發(fā)CTS。收發(fā)雙方通過(guò)RTS、CTS的收發(fā)確定智能天線參數(shù),使隨后的數(shù)據(jù)幀和相應(yīng)的ACK可以實(shí)現(xiàn)定向的收發(fā)。
2.1.2 分析
    
一方面,全向發(fā)送RTS使得覆蓋范圍受到限制。表面上看,WLAN設(shè)置了多種速率選擇,通信雙方可以以低速率發(fā)送RTS,在建立定向連接后,提高傳輸速率,由于RTS幀相對(duì)DATA很短,WLAN可以通過(guò)使用智能天線擴(kuò)大高速率傳輸?shù)母采w范圍,但實(shí)際的IEEE802.11的MAC協(xié)議并不支持這種逐幀的速率變化的方式,因?yàn)樗俾实淖兓斐蒒AV設(shè)置的不準(zhǔn)確,依照當(dāng)前協(xié)議,STA只在新的NAV大于舊有的NAV值時(shí)才去更新,雖然速率的提高使實(shí)際的傳輸時(shí)間比虛擬載波指示的時(shí)間短,但不參與當(dāng)前通信的STA仍要在到達(dá)較長(zhǎng)的虛擬載波指示的時(shí)間時(shí)才認(rèn)為當(dāng)前傳輸結(jié)束,性能并沒(méi)有因?yàn)閭鬏斔俾侍岣叨黾樱绻淖冞@一現(xiàn)狀,必須改變現(xiàn)有協(xié)議。另外全向發(fā)送RTS,最終會(huì)使得低速率傳輸?shù)母采w范圍受限。
    另一方面,定向的收發(fā)會(huì)產(chǎn)生更多的隱藏站點(diǎn)。依照目前的協(xié)議,為了保證通信異常情況下降低WLAN系統(tǒng)性能,不參與通信的STA并不完全以來(lái)載波偵聽和NAV設(shè)置,在幀交換過(guò)程中,STA還設(shè)置多個(gè)定時(shí)器,一旦在規(guī)定時(shí)間內(nèi),處于定向天線波瓣外的旁聽STA收不到幀的發(fā)送,就會(huì)認(rèn)為當(dāng)前的通訊失敗,進(jìn)面啟動(dòng)自身的發(fā)送進(jìn)程,對(duì)于發(fā)送方的隱藏STA,由于數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)間長(zhǎng),這類事件發(fā)生的概率較大,容易產(chǎn)生碰撞。
    通過(guò)以上分析可以看出,由于會(huì)在傳輸過(guò)程中改變天線的方向圖,智能天線并不適用于現(xiàn)有的WLAN協(xié)議。
2.2 空時(shí)編碼在WLAN中的應(yīng)用分析
    
空時(shí)編碼不存在智能天線在WLAN應(yīng)用中所存在的棘手問(wèn)題,因?yàn)榭諘r(shí)編碼不會(huì)在傳輸過(guò)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(shí),不必改變現(xiàn)有的WLAN協(xié)議。
2.2.1 空時(shí)編碼選型
    
分層空時(shí)碼(Layered Space-Time Codes)是最早提出的一種空時(shí)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(shí)編碼方式相比,雖然分層空時(shí)碼有較高的頻帶利用率,但無(wú)法達(dá)到最大分集增益,性能相對(duì)較差。分層空時(shí)碼以部分分集增益為代價(jià)來(lái)?yè)Q取高頻帶利用率。
    網(wǎng)格空時(shí)碼(Space-Time Coded Modulation)是在延時(shí)分集基礎(chǔ)上結(jié)合TCM編碼提出的,實(shí)際是傳輸分集方式的改進(jìn)。STCM把編碼和調(diào)制結(jié)合起來(lái),能夠達(dá)到編譯碼復(fù)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(fù)雜度大,STCM的好碼設(shè)計(jì)也是一個(gè)難點(diǎn),在狀態(tài)數(shù)大的情況下,目前多用計(jì)算機(jī)搜索來(lái)完成。
    分組空時(shí)碼(STBC)是根據(jù)廣義正交設(shè)計(jì)的原理提出,它要求在各天線發(fā)射的信號(hào)之間正交,這樣不僅保證能夠達(dá)到最大分集增益,而且還可以降低譯碼復(fù)雜度。STBC最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單實(shí)用,且性能相對(duì)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(shí)碼,因?yàn)橐环矫鎃LAN系統(tǒng)具有準(zhǔn)移動(dòng)性,信道變化慢,準(zhǔn)確信道估計(jì)是可能,另一方面,WLAN物理幀中攜帶的引導(dǎo)符號(hào)完全可以用來(lái)估計(jì)信道。選擇分組空時(shí)碼作為在WLAN中實(shí)現(xiàn)MIMO的優(yōu)選方案,其相關(guān)參數(shù)如表1所示。


    為公平起見(jiàn)依據(jù)下式:
    BPS=RST×RCCxModulation Through put         (1)
    對(duì)比G2、G3、G4、H3和H4空時(shí)碼的性能,其中,BPS:指bitper symbol,RST指空時(shí)碼碼率,RCC表示信道編碼。對(duì)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(diào)制方式。其中,G3和G4的調(diào)制階數(shù)最。由于高階調(diào)制的星座點(diǎn)較密,使得錯(cuò)誤概率增大。
    當(dāng)接收天線的個(gè)數(shù)增加為2時(shí),G3、G4、H3和H4相對(duì)G2的性能增益變小了。這是因?yàn)?個(gè)接收天線時(shí),G2已將可能獲得的分集增益的大部分實(shí)現(xiàn)。表2是在BER=10-5時(shí),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(huán)境為經(jīng)過(guò)充分交織后得到非相關(guān)Rayleigh信道時(shí),G2、G3、G4、H3和H4空時(shí)碼的性能如表2所示。G2、G3、G4、H3和H4得到相應(yīng)增益(和未編碼PSK調(diào)制相比較)。


    文中綜合考慮系統(tǒng)性能、計(jì)算復(fù)雜度、多速率傳輸將采用高階調(diào)制以及成本等因素,認(rèn)為采用雙接收天線的G2空時(shí)碼是較合知的解決方案。

3 G2空時(shí)碼在IEEE802.11a的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    
根據(jù)前面的分析,本文針對(duì)IEEE802.11a設(shè)計(jì)一個(gè)采用2個(gè)發(fā)射和2個(gè)接收天線的G2空時(shí)碼的MIMO系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。在發(fā)射端,調(diào)制模塊負(fù)責(zé)糾錯(cuò)編碼、交織、QAM調(diào)制,IEEE802.11a發(fā)送模塊負(fù)責(zé)OFDM調(diào)制和射頻發(fā)送,IEEE802.11a中的長(zhǎng)訓(xùn)練序列是已知的。在接收端IEEE802.11a接收模塊負(fù)責(zé)射頻接收和OFDM解調(diào),解調(diào)模塊負(fù)責(zé)QAM解調(diào)、解交織、糾錯(cuò)譯碼。


    在發(fā)射端,將輸入QAM符號(hào)兩兩分組送入空時(shí)碼生成器,設(shè)第一個(gè)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(gè)分組占用一個(gè)OFDM子信道。這樣在接收端經(jīng)過(guò)FFT后會(huì)得到兩組相應(yīng)的接收信號(hào){y11,y12}和{y21,y22}。由于OFDM子信道是平坦衰落信道,設(shè)收發(fā)天線間信道分別為h11、h12、h21和h22(下標(biāo)第一個(gè)數(shù)字為發(fā)射天線編號(hào),第二個(gè)數(shù)字為接收天線編號(hào))。顯然有:

                

4 結(jié)論
    
文中基于IEEE802.11協(xié)議,對(duì)如何在WLAN中使用空時(shí)編碼和智能天線進(jìn)行了較詳細(xì)的分析和對(duì)比,得出了在不改變現(xiàn)有WLAN協(xié)議的情況下,空時(shí)編碼更適合于WLAN的結(jié)論,在此基礎(chǔ)上,在保證系統(tǒng)整體性能提高的同時(shí),綜合考慮了系統(tǒng)的兼容性、計(jì)算復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)成,設(shè)計(jì)并提出了一種基于IEEE802.11a的MIMO系統(tǒng),該實(shí)現(xiàn)方案有重要的實(shí)用價(jià)值。

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