劉中凱，冀保峰，陳蘇丹，李萬坤，李　浩

(1.河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南科技大學 林學院，河南 洛陽 471023；3.中車洛陽機車有限公司，河南 洛陽 471000；4.東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

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基于新一代Wi-Fi的MIMO-OFDM技術(shù)研究*

劉中凱1，冀保峰1，陳蘇丹2，李萬坤3，李浩4

(1.河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南科技大學 林學院，河南 洛陽 471023；3.中車洛陽機車有限公司，河南 洛陽 471000；4.東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

無線局域網(wǎng)(WLAN)是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，近年來新一代Wi-Fi標準IEEE 802.11ac的出現(xiàn)，使得無線局域網(wǎng)的吞吐量和用戶體驗獲得大幅度提升，而新一代Wi-Fi引入的多用戶MIMO(Multiple Input and Multiple Output)技術(shù)和帶寬擴展技術(shù)在提升網(wǎng)絡(luò)容量的同時也帶來了較多問題，本文針對新一代Wi-Fi的物理層關(guān)鍵技術(shù)MIMO-OFDM技術(shù)進行了研究，通過仿真實驗分析了MIMO-OFDM技術(shù)在新一代Wi-Fi中所獲得的增益。

IEEE802.11ac；多用戶MIMO；用戶調(diào)度

在無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless Local Area Network)出現(xiàn)之前，有線通信一直作為日常生活的主要通信方式占據(jù)了相當長的一段時間，然而諸多學者逐漸發(fā)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)無論組建、拆裝還是原有基礎(chǔ)上進行的重新布局和改建，都非常困難復雜，且成本和代價也非常高，于是WLAN的無線網(wǎng)絡(luò)通信方式順勢而生。它是比較便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻(Radio Frequency，RF)技術(shù)，使用電磁波取代舊式的雙絞銅線(Coaxial)所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，在空中進行通信，對于有線網(wǎng)絡(luò)實施難度大的場所利用無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋就顯得輕松多了[1]。

為了規(guī)范無線局域網(wǎng)標準，國際電子電氣工程師聯(lián)合會(IEEE)負責局域網(wǎng)標準開發(fā)，1990年7月成立IEEE 802.11任務(wù)組負責制定無線局域網(wǎng)物理層和媒體訪問控制協(xié)議的標準[2]。1997年6月由IEEE標準組織相關(guān)專家審定提出IEEE 802.11協(xié)議標準，于11月正式發(fā)布。IEEE 802.11規(guī)定了無線局域網(wǎng)在2.4 GHz波段進行操作，數(shù)據(jù)傳輸速度大致在1～2 Mb/s，然而隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高， 2 Mb/s的傳輸速度遠遠滿足不了需求,1999年9月，IEEE802.11標準進一步修訂和完善，推出了IEEE802.11a/b兩個新標準。802.11a標準采用正交頻分復用(OFDM)的獨特擴頻技術(shù)，工作頻段在5.15～5.825 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到54 Mbps/72 Mbps(Turbo)，802.11b標準采用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS)和補償編碼鍵控調(diào)制方式(CCK)，工作頻段在2.4～2.483 5 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到11 Mbps。2003年又通過了IEEE802.11g標準，其在2.4 GHz頻帶使用了OFDM調(diào)制技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了20 Mbps以上，且IEEE80211g保障了后向兼容。2009年9月IEEE802.11n標準面世，802.11n是在802.11g和802.11a之上發(fā)展起來的，其工作在2.4 GHz和5 GHz兩個頻段，在PHY層引入了MIMO/SDM技術(shù)，且在MAC層加入更有效的數(shù)據(jù)聚合和確認機制，其理論速率最高可達600 Mbps。2011年起草了IEEE802.11ac，802.11ac沿用了802.11n標準中的多天線正交頻分復用(Multiple Input and Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM)技術(shù)，工作在2.4 GHz和5 GHz兩個頻段，理論上提供3.2 Gbps帶寬進行多站式無線局域網(wǎng)通信。目前無線局域網(wǎng)正持續(xù)快速發(fā)展，繼IEEE 802.11ac之后，具有更高傳輸速率的無線局域網(wǎng)標準IEEE802.11ah、IEEE 802.11ai、IEEE 802.11aj、IEEE802.11aq正在快速進展，因此新一代無線局域網(wǎng)中存在較多問題亟待解決。

1　無線局域網(wǎng)中的MIMO-OFDM技術(shù)

正交頻分復用(OFDM)技術(shù)是在每個正交的子載波上傳遞信息，因此可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率。由于OFDM的諸多增益，從IEEE802.11a標準就開始將OFDM技術(shù)作為其中的一項基本調(diào)制方式。IEEE802.11g標準將OFDM作為其物理層主要調(diào)制技術(shù)，并工作在2.4 GHz。之后的802.11n和802.11ac標準都將OFDM技術(shù)作為物理層基本傳輸調(diào)制技術(shù)，多入多出(MIMO)技術(shù)是在發(fā)送端配置多根天線發(fā)送信號，接收端通過多根天線進行接收信號處理。理論和實踐已經(jīng)證明應(yīng)用MIMO技術(shù)能極大提高無線通信系統(tǒng)的性能和容量。2009年通過了IEEE802.11n系統(tǒng)標準支持物理層MIMO- OFDM技術(shù)。802.11ac在WLAN系統(tǒng)中支持多用戶MIMO(Multi-User-MIMO)傳輸，并為多用戶MIMO傳輸做出了很多協(xié)議上的改進。MU-MIMO技術(shù)是在同一時間，同一頻率使用多天線向多個用戶傳輸不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其基本原理是利用不同用戶信道的空間特性，設(shè)計出正交的預編碼矩陣，使每個用戶接收到的信號是此用戶需要的數(shù)據(jù)，并成功地消除其他用戶對此用戶上的干擾，從而實現(xiàn)多用戶傳輸。

MIMO技術(shù)分為單用戶MIMO技術(shù)和多用戶MIMO技術(shù)，單用戶的MIMO技術(shù)是將所有的數(shù)據(jù)流發(fā)送到一個用戶；多用戶的MIMO技術(shù)能把數(shù)據(jù)流分配給不同的用戶，從而增加了系統(tǒng)的容量。但是兩者都需要發(fā)送端已知信道狀態(tài)信息用來進行優(yōu)化預編碼或是發(fā)射波束形成設(shè)計，除去各數(shù)據(jù)流或是各用戶之間的干擾，再進行功率分配獲得最佳性能。單用戶的MIMO技術(shù)中經(jīng)常使用空間分集和空間復用來提高系統(tǒng)的吞吐率；多用戶MIMO信道主要包括上行多址接入信道和下行廣播信道，目前主要研究的是下行MIMO技術(shù)。其主要研究方向是多用戶之間的干擾，用戶之間的干擾可以通過發(fā)送端的預編碼來減小。其預編碼分為線性和非線性，相比較而言，線性預編碼具有較低的復雜度，在實際中有著較好的應(yīng)用場景，因此本文對該新一代Wi-Fi場景下的線性預編碼技術(shù)進行了研究和分析。

多用戶MIMO系統(tǒng)基本工作模式：

圖1　MU-MIMO系統(tǒng)模型

由于MU-MIMO技術(shù)具備頻率、時間和空間三維結(jié)構(gòu)，可以在同一頻率同一時間上利用空分多址實現(xiàn)用戶傳輸[3]，從而提升了系統(tǒng)的容量。用戶所接收到的信號包含了很多的干擾信號，同樣MU-MIMO技術(shù)就是利用用戶信道空分多址(Space Division Multiple Address，SDMA)來實現(xiàn)消除干擾信號?？辗侄嘀芳夹g(shù)比較常用的方法是通過用戶反饋信道狀態(tài)信息，再經(jīng)過多用戶預編碼技術(shù)來消除多用戶之間的信號干擾。

2　MU-MIMO線性預編碼技術(shù)研究

常用的多用戶預編碼技術(shù)有線性預編碼技術(shù)和非線性預編碼技術(shù)兩種，對于線性預編碼設(shè)計結(jié)構(gòu)比較簡單，容易實現(xiàn)；而非線性預編碼具有較高的性能，然而復雜度較高，實際中的無線局域網(wǎng)傳輸較少采用，因此本文針對線性預編碼技術(shù)進行重點分析和研究。本文研究的線性預編碼技術(shù)主要包括最小均方誤差預編碼(MMSE)、迫零預編碼(ZF)和塊對角化預編碼(BD)。各種預編碼的方法都是假設(shè)AP(Access Point)端已知用戶的信道狀態(tài)信息，但實際中完全信道信息的反饋代價較大，不利于網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提升，因而部分信道狀態(tài)信息的反饋是主要的應(yīng)用方向之一[4]。

考慮到MAC層調(diào)度開銷和用戶性能，依據(jù)信道相關(guān)性[6]、衰落水平等因素802.11ac將BSS中的用戶分成不同的組[7]。AP進行多用戶MIMO傳輸前需要競爭信道，對于不同的業(yè)務(wù)類型有不同的信道接入方式[8]，不同的接入模式有不同的主次關(guān)系。由于反饋機制AP能了解所有用戶的信道信息，在主用戶能發(fā)送的條件下將多余的空間流分配給信道衰減幅度較小的用戶，這樣接收端的SNR相對較大、誤碼性能較好。將該方法記為PNML(Primary N And Max Labda)，既保證了主用戶又提高了系統(tǒng)的吞吐量。

文獻[9]提到一種基于半正交化的用戶調(diào)度算法,主要思路是邊選擇用戶邊將余下的用戶與所選用戶進行正交化，在去正交化后的正交分量中選擇最大值對應(yīng)的用戶，再通過迭代解出所選用戶?？梢栽诖嘶A(chǔ)上先進行用戶調(diào)度出一個主用戶，之后將余下的主用戶和次用戶利用半正交化的用戶調(diào)度算法進行用戶調(diào)度，將該方法記為PMVS(Primary Max And V Sus)，這種方法選擇了已選用戶信道正交性最好的用戶。PMVS依據(jù)信道衰落水平進行主用戶調(diào)度，依據(jù)信道正交性進行次用戶調(diào)度?？梢詫烧呓Y(jié)合統(tǒng)一起來，將其記為PMLVS(Primary Max And Labda V Matrix Sus)方法，該方法既考慮每個用戶信道的衰落水平又考慮了已選用戶與其他用戶信道正交性。

3　仿真和分析

通過仿真，傳統(tǒng)的利用信道H進行多用戶預編碼和利用右奇異向量V進行多用戶預編碼做性能上的比較，進行仿真的直觀比較。仿真條件如表1所示，仿真結(jié)果如圖2,3,4,5,6所示。

表1　仿真條件

圖2　利用信道H與V進行BD多用戶預編碼誤碼率性能

圖2，圖3，圖4三幅圖中兩條曲線的走向都非常的相似，說明V矩陣中非奇異值對應(yīng)的奇異向量作多用戶預編碼可以達到與實際用戶信道信息作多用戶預編碼非常相近的效應(yīng)，也是一種可行實用的方法。

為進一步說明幾種方案的優(yōu)缺點并突出調(diào)度效果，設(shè)置仿真基本場景和條件相同，分別考慮強相關(guān)性的信道場景和弱相關(guān)性的信道場景，參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖3　利用信道H與V進行ZF多用戶預編碼誤碼率性能

圖4　利用信道H與V進行MMSE多用戶預編碼誤碼率性能

參數(shù)名稱值的大小調(diào)度用戶STA數(shù)8主用戶STA數(shù)1AP發(fā)送天線數(shù)4STA接收天線數(shù)1STA信道模型B模型NLOS用戶和AP距離8m系統(tǒng)帶寬20MHz調(diào)制編碼MACQPSK1/2碼率多用戶預編碼方式BD

圖5　強相關(guān)性場景下三種方案性能曲線

圖6　弱相關(guān)性場景下三種方案性能曲線

從圖5和圖6中可以看出，強相關(guān)性場景下PMVS性能較好于PMVS和PNML，并且可以看出隨著信噪比的增大曲線走勢更優(yōu)于另外兩條曲線。當用戶信道衰落水平相近時，多用戶預編碼性能決定系統(tǒng)誤碼率，相關(guān)性較強的用戶就會影響多用戶預編碼的效果。PMVS和PMLVS是通過信道右奇異向量相關(guān)性選擇正交性好的用戶，故性能優(yōu)于PNML。弱相關(guān)性場景下可以看出，隨著信噪比不斷增大PMVS顯然不如PNML和PMLVS，原因是在弱相關(guān)性場景下用戶信道相對獨立，信道衰落水平是其主要影響因素，而PNML和PMLVS用戶信道衰落水平較小，故出現(xiàn)這種情況。又因為信道相關(guān)性，信噪比較大時用戶干擾為主要因素，所以PMLVS性能好于PNML。

4　結(jié)束語

本文首先介紹了無線局域網(wǎng)的發(fā)展，并闡述了IEEE802.11的標準改進和相關(guān)技術(shù)，針對新一代Wi-Fi所采用的多用戶MIMO技術(shù)做出詳細分析，重點講述了MU-MIMO-OFDM的關(guān)鍵技術(shù)。多用戶MIMO技術(shù)受到用戶信道信息之間的相關(guān)性的影響，利用用戶反饋的有限信道信息進行了三種多用戶調(diào)度方案。并通過仿真，結(jié)合其適用的仿真場景，指出在用戶信道相關(guān)性較強時考慮相關(guān)性的調(diào)度方案得到的預編碼性能更好，在相關(guān)性較弱的場景下，只簡單考慮每個用戶信道衰落情況即可達到較好的預編碼性能。對于未來不斷改進的技術(shù)，需要從不同因素進行分析和改進，考慮實際因素得出最佳的解決方案。

[1]趙紅禮，黃清.無線局域網(wǎng)[M].北京:科學出版社,2004.

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The Research on MIMO-OFDM Technology Based on Next Generation Wi-Fi

Liu Zhongkai1, Ji Baofeng1, Chen Sudan2, Li Wankun3, Li Hao4

(1.InformationEngineeringCollege,HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471023,China；2.ForestryCollege,HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471023,China；3.CRRC,LuoyangCo.Ltd.,LuoyangHenan471000,China；4.SchoolofInformationScienceandEngineering,SoutheastUniversity,NanjingJiangsu210096,China)

Wireless local area network (WLAN) is the perfect combination of computer network technology and communication technology. In recent years, the emergence of a new generation of Wi-Fi standard IEEE 802.11ac greatly promotes the WLAN throughput and user experience. The introduction of multi-user MIMO (multiple input and multiple output) technology and the bandwidth extension technology by a new generation of Wi-Fi enhance the capacity of the network, but at the same time it also brings many problems. The paper analyzes the gain of MIMO-OFDM technology in a new generation of Wi-Fi according to the key physical layer technology of MIMO-OFDM technology.

IEEE802.11ac; multi-user; user scheduling

2015-12-31

2016-01-18

國家自然科學基金(U1404615)；河南科技大學教育教學改革項目(2015YB-033,2015ZD-010)

劉中凱(1993- )，男，河南洛陽人，大學本科，專業(yè)方向：無線局域網(wǎng)等。

1674- 4578(2016)04- 0076- 03

TN925

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