目前的無線局域網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)已經(jīng)可以提供高達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]?；贛IMO-OFDM的WLAN方案已成為公認的下一代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編碼方案來提高系統(tǒng)容量,，同時,，以Turbo編碼取代原來的卷積碼進一步提高BER性能。
　　第一種空時編碼方案選擇的是基于空間復(fù)用的分層空時碼^[1],，BLAST是一種效率極高的空時編碼,，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)計帶來更多的選擇,。
　　第二種空時編碼方案選擇的是基于空間分集的空時分組碼^[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,，筆者提出空時頻編碼方案,，同時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2發(fā)2收系統(tǒng)進行設(shè)計,，給出了新的8種6M~108Mbps數(shù)據(jù)率的模式設(shè)計,。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,，所提出的多天線方案在WLAN應(yīng)用環(huán)境中性能優(yōu)越，有較高的實用價值,。
1 系統(tǒng)模型
　　考慮一個有N_T個發(fā)射天線" title="發(fā)射天線">發(fā)射天線,、N_R(N_R≥N_T)個接收天線的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延遲擴展，H_i表示第i徑的N_T×N_R維的復(fù)信道矩陣,，矩陣元素統(tǒng)計獨立,，為0均值高斯隨機變量，方差為σ_i²,。設(shè)每對收發(fā)天線之間的信道統(tǒng)計獨立,，滿足同樣的功率延遲刨面(PDP)分布。
　　設(shè)α_k⁽ⁱ⁾表示第i個發(fā)射天線通過第k個子載波發(fā)送的調(diào)制符號,，那么從頻域上看,，從子載波k發(fā)送的向量可以表示為ak=[α_k⁽¹⁾,α_k⁽²⁾,…，α_k^(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)射機結(jié)構(gòu)如圖1所示,，輸入數(shù)據(jù)首選進行Turbo編碼,，然后根據(jù)模式碼率進行打孔并匹配后端OFDM調(diào)制，交織,、調(diào)制后的符號進行相應(yīng)的空時編碼(STBC,、BLAST等)，最后經(jīng)OFDM調(diào)制由發(fā)射天線同時發(fā)射,。接收端的各模塊與接收機相對應(yīng),。

2 WLAN的空時編碼方案研究
2.1空時復(fù)用方案
2.1.1 分層空時碼
　　垂直分層空時碼(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，數(shù)據(jù)流被分成N_T個并列的子數(shù)據(jù)流,，每個數(shù)據(jù)流分別調(diào)制,，同時從N_T個發(fā)射天線發(fā)射出去，在接收端一般采用基于ZF或者MMSE檢測的連續(xù)干擾消除技術(shù)(SIC),，ML檢測因復(fù)雜度太高而不被采用,。
2.1.2 多星座圖映射的分層空時碼
　　V-BLAST系統(tǒng)中影響性能的一個主要因素是誤差傳播，尤其是最先檢測的層的性能對整個系統(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問題,。
　　設(shè)計思想是既然V-BLAST的各層性能不同,，對整體性能的影響也不一樣，那么把重要的層(先檢測的)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，為簡單,，假設(shè)檢測的順序為{1,，2,，…，N_t},，即第一層最先檢測,，第N_T最后檢測。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現(xiàn),。設(shè)M表示總的數(shù)據(jù)吞吐量，M_i表示第i層的數(shù)據(jù)吞吐量,，在符號率不變的情況下,，M_i與調(diào)制方式直接相關(guān)?？偟耐掏铝肯拗茥l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,。這個結(jié)果可以直觀地解釋為：假設(shè)有2層,，一個性能較好,，一個較差，可以通過降低差的層一個很小的數(shù)據(jù)率△ M,，同時給較強層增加△ 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,，因為每層的功率是恒定的,，這就降低了對硬件的要求；不需要信道信息,，所以比其他發(fā)射機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)射機很難獲得信道信息的場合，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)天線個數(shù))來確定，不會增加系統(tǒng)復(fù)雜度,。在接收機方面采用固定順序的檢測方法,，可以進一步降低復(fù)雜度,。
　　針對4發(fā)4收系統(tǒng)仿真不同的映射調(diào)制方案，檢測算法是固定順序的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,，幾乎具有與BPSK相同的性能,，信息吞吐量從4比特/符號周期提高到7比特/符號周期，幾乎提高1倍,。與QPSK相比,，在BER=10^-4 時有6dB增益，代價僅僅是信息吞吐量降低了1比特/符號周期,。與16QAM 相比,，“6421”方案在BER=10^-4時有10dB增益，代價是信息吞吐量降低了3比特/符號周期(從16比特/符號周期降為13比特/符號周期),。與QPSK調(diào)制相比,，在BER=10^-4 時不僅有1dB的性能增益，而且有5比特/符號周期的吞吐量提高,。

2.2空時分集方案
2.2.1 空時分組碼
　　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,，如果能同時利用空間分集和頻率分集,，系統(tǒng)抗干擾性能會進一步提高。為此提出一種簡單的基于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)制符號經(jīng)Alamouti編碼由OFDM子載波i發(fā)送,，另一個交織版本的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隨機分布,；AA-OFDM3為子載波i、 j滿足距離[]的最佳分布,?？梢钥闯鯝A-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
　　前面提到的V-BLAST,、MCM-BLAST,、Alamouti碼以及AA-OFDM碼復(fù)雜度近似，但是因為分集特性和所能達到的數(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,。基于802.11a物理層設(shè)計,，擴展到多天線情況(2發(fā)射2接收),，對各個可能的方案的誤幀率和所能達到的數(shù)據(jù)率進行了詳細的仿真分析，仿真幀長為360bit,。每模式所能達到的有效數(shù)據(jù)率由下式計算：_Ci=×(1-PER_i),，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,。
　　在對所有可能的方案進行詳細的仿真分析后，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,，給出了單天線系統(tǒng)所能達到的數(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,，能在更低信噪比下工作,，提高覆蓋范圍，同時在相應(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,，性能會更好。