基于新一代Wi-Fi的MIMO-OFDM技术研究*

刘中凯，冀保峰，陈苏丹，李万坤，李　浩

(1.河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳 471023；2.河南科技大学 林学院，河南 洛阳 471023；3.中车洛阳机车有限公司，河南 洛阳 471000；4.东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)



基于新一代Wi-Fi的MIMO-OFDM技术研究*

刘中凯1，冀保峰1，陈苏丹2，李万坤3，李浩4

(1.河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳 471023；2.河南科技大学 林学院，河南 洛阳 471023；3.中车洛阳机车有限公司，河南 洛阳 471000；4.东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)

无线局域网(WLAN)是计算机网络技术和通信技术完美结合的产物，近年来新一代Wi-Fi标准IEEE 802.11ac的出现，使得无线局域网的吞吐量和用户体验获得大幅度提升，而新一代Wi-Fi引入的多用户MIMO(Multiple Input and Multiple Output)技术和带宽扩展技术在提升网络容量的同时也带来了较多问题，本文针对新一代Wi-Fi的物理层关键技术MIMO-OFDM技术进行了研究，通过仿真实验分析了MIMO-OFDM技术在新一代Wi-Fi中所获得的增益。

IEEE802.11ac；多用户MIMO；用户调度

在无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)出现之前，有线通信一直作为日常生活的主要通信方式占据了相当长的一段时间，然而诸多学者逐渐发现有线网络无论组建、拆装还是原有基础上进行的重新布局和改建，都非常困难复杂，且成本和代价也非常高，于是WLAN的无线网络通信方式顺势而生。它是比较便利的数据传输系统，它利用射频(Radio Frequency，RF)技术，使用电磁波取代旧式的双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络，在空中进行通信，对于有线网络实施难度大的场所利用无线网络覆盖就显得轻松多了[1]。

为了规范无线局域网标准，国际电子电气工程师联合会(IEEE)负责局域网标准开发，1990年7月成立IEEE 802.11任务组负责制定无线局域网物理层和媒体访问控制协议的标准[2]。1997年6月由IEEE标准组织相关专家审定提出IEEE 802.11协议标准，于11月正式发布。IEEE 802.11规定了无线局域网在2.4 GHz波段进行操作，数据传输速度大致在1～2 Mb/s，然而随着人们生活质量的不断提高， 2 Mb/s的传输速度远远满足不了需求,1999年9月，IEEE802.11标准进一步修订和完善，推出了IEEE802.11a/b两个新标准。802.11a标准采用正交频分复用(OFDM)的独特扩频技术，工作频段在5.15～5.825 GHz，数据传输速率达到54 Mbps/72 Mbps(Turbo)，802.11b标准采用直接序列扩频技术(DSSS)和补偿编码键控调制方式(CCK)，工作频段在2.4～2.483 5 GHz，数据传输速率达到11 Mbps。2003年又通过了IEEE802.11g标准，其在2.4 GHz频带使用了OFDM调制技术，使数据传输速率提高到了20 Mbps以上，且IEEE80211g保障了后向兼容。2009年9月IEEE802.11n标准面世，802.11n是在802.11g和802.11a之上发展起来的，其工作在2.4 GHz和5 GHz两个频段，在PHY层引入了MIMO/SDM技术，且在MAC层加入更有效的数据聚合和确认机制，其理论速率最高可达600 Mbps。2011年起草了IEEE802.11ac，802.11ac沿用了802.11n标准中的多天线正交频分复用(Multiple Input and Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing，MIMO-OFDM)技术，工作在2.4 GHz和5 GHz两个频段，理论上提供3.2 Gbps带宽进行多站式无线局域网通信。目前无线局域网正持续快速发展，继IEEE 802.11ac之后，具有更高传输速率的无线局域网标准IEEE802.11ah、IEEE 802.11ai、IEEE 802.11aj、IEEE802.11aq正在快速进展，因此新一代无线局域网中存在较多问题亟待解决。

1　无线局域网中的MIMO-OFDM技术

正交频分复用(OFDM)技术是在每个正交的子载波上传递信息，因此可以提高系统的频谱利用率。由于OFDM的诸多增益，从IEEE802.11a标准就开始将OFDM技术作为其中的一项基本调制方式。IEEE802.11g标准将OFDM作为其物理层主要调制技术，并工作在2.4 GHz。之后的802.11n和802.11ac标准都将OFDM技术作为物理层基本传输调制技术，多入多出(MIMO)技术是在发送端配置多根天线发送信号，接收端通过多根天线进行接收信号处理。理论和实践已经证明应用MIMO技术能极大提高无线通信系统的性能和容量。2009年通过了IEEE802.11n系统标准支持物理层MIMO- OFDM技术。802.11ac在WLAN系统中支持多用户MIMO(Multi-User-MIMO)传输，并为多用户MIMO传输做出了很多协议上的改进。MU-MIMO技术是在同一时间，同一频率使用多天线向多个用户传输不同的数据业务，其基本原理是利用不同用户信道的空间特性，设计出正交的预编码矩阵，使每个用户接收到的信号是此用户需要的数据，并成功地消除其他用户对此用户上的干扰，从而实现多用户传输。

MIMO技术分为单用户MIMO技术和多用户MIMO技术，单用户的MIMO技术是将所有的数据流发送到一个用户；多用户的MIMO技术能把数据流分配给不同的用户，从而增加了系统的容量。但是两者都需要发送端已知信道状态信息用来进行优化预编码或是发射波束形成设计，除去各数据流或是各用户之间的干扰，再进行功率分配获得最佳性能。单用户的MIMO技术中经常使用空间分集和空间复用来提高系统的吞吐率；多用户MIMO信道主要包括上行多址接入信道和下行广播信道，目前主要研究的是下行MIMO技术。其主要研究方向是多用户之间的干扰，用户之间的干扰可以通过发送端的预编码来减小。其预编码分为线性和非线性，相比较而言，线性预编码具有较低的复杂度，在实际中有着较好的应用场景，因此本文对该新一代Wi-Fi场景下的线性预编码技术进行了研究和分析。

多用户MIMO系统基本工作模式：

图1　MU-MIMO系统模型

由于MU-MIMO技术具备频率、时间和空间三维结构，可以在同一频率同一时间上利用空分多址实现用户传输[3]，从而提升了系统的容量。用户所接收到的信号包含了很多的干扰信号，同样MU-MIMO技术就是利用用户信道空分多址(Space Division Multiple Address，SDMA)来实现消除干扰信号。空分多址技术比较常用的方法是通过用户反馈信道状态信息，再经过多用户预编码技术来消除多用户之间的信号干扰。

2　MU-MIMO线性预编码技术研究

常用的多用户预编码技术有线性预编码技术和非线性预编码技术两种，对于线性预编码设计结构比较简单，容易实现；而非线性预编码具有较高的性能，然而复杂度较高，实际中的无线局域网传输较少采用，因此本文针对线性预编码技术进行重点分析和研究。本文研究的线性预编码技术主要包括最小均方误差预编码(MMSE)、迫零预编码(ZF)和块对角化预编码(BD)。各种预编码的方法都是假设AP(Access Point)端已知用户的信道状态信息，但实际中完全信道信息的反馈代价较大，不利于网络吞吐量的提升，因而部分信道状态信息的反馈是主要的应用方向之一[4]。

考虑到MAC层调度开销和用户性能，依据信道相关性[6]、衰落水平等因素802.11ac将BSS中的用户分成不同的组[7]。AP进行多用户MIMO传输前需要竞争信道，对于不同的业务类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关系。由于反馈机制AP能了解所有用户的信道信息，在主用户能发送的条件下将多余的空间流分配给信道衰减幅度较小的用户，这样接收端的SNR相对较大、误码性能较好。将该方法记为PNML(Primary N And Max Labda)，既保证了主用户又提高了系统的吞吐量。

文献[9]提到一种基于半正交化的用户调度算法,主要思路是边选择用户边将余下的用户与所选用户进行正交化，在去正交化后的正交分量中选择最大值对应的用户，再通过迭代解出所选用户。可以在此基础上先进行用户调度出一个主用户，之后将余下的主用户和次用户利用半正交化的用户调度算法进行用户调度，将该方法记为PMVS(Primary Max And V Sus)，这种方法选择了已选用户信道正交性最好的用户。PMVS依据信道衰落水平进行主用户调度，依据信道正交性进行次用户调度。可以将两者结合统一起来，将其记为PMLVS(Primary Max And Labda V Matrix Sus)方法，该方法既考虑每个用户信道的衰落水平又考虑了已选用户与其他用户信道正交性。

3　仿真和分析

通过仿真，传统的利用信道H进行多用户预编码和利用右奇异向量V进行多用户预编码做性能上的比较，进行仿真的直观比较。仿真条件如表1所示，仿真结果如图2,3,4,5,6所示。

表1　仿真条件

图2　利用信道H与V进行BD多用户预编码误码率性能

图2，图3，图4三幅图中两条曲线的走向都非常的相似，说明V矩阵中非奇异值对应的奇异向量作多用户预编码可以达到与实际用户信道信息作多用户预编码非常相近的效应，也是一种可行实用的方法。

为进一步说明几种方案的优缺点并突出调度效果，设置仿真基本场景和条件相同，分别考虑强相关性的信道场景和弱相关性的信道场景，参数设置如表2所示。

图3　利用信道H与V进行ZF多用户预编码误码率性能

图4　利用信道H与V进行MMSE多用户预编码误码率性能

参数名称值的大小调度用户STA数8主用户STA数1AP发送天线数4STA接收天线数1STA信道模型B模型NLOS用户和AP距离8m系统带宽20MHz调制编码MACQPSK1/2码率多用户预编码方式BD

图5　强相关性场景下三种方案性能曲线

图6　弱相关性场景下三种方案性能曲线

从图5和图6中可以看出，强相关性场景下PMVS性能较好于PMVS和PNML，并且可以看出随着信噪比的增大曲线走势更优于另外两条曲线。当用户信道衰落水平相近时，多用户预编码性能决定系统误码率，相关性较强的用户就会影响多用户预编码的效果。PMVS和PMLVS是通过信道右奇异向量相关性选择正交性好的用户，故性能优于PNML。弱相关性场景下可以看出，随着信噪比不断增大PMVS显然不如PNML和PMLVS，原因是在弱相关性场景下用户信道相对独立，信道衰落水平是其主要影响因素，而PNML和PMLVS用户信道衰落水平较小，故出现这种情况。又因为信道相关性，信噪比较大时用户干扰为主要因素，所以PMLVS性能好于PNML。

4　结束语

本文首先介绍了无线局域网的发展，并阐述了IEEE802.11的标准改进和相关技术，针对新一代Wi-Fi所采用的多用户MIMO技术做出详细分析，重点讲述了MU-MIMO-OFDM的关键技术。多用户MIMO技术受到用户信道信息之间的相关性的影响，利用用户反馈的有限信道信息进行了三种多用户调度方案。并通过仿真，结合其适用的仿真场景，指出在用户信道相关性较强时考虑相关性的调度方案得到的预编码性能更好，在相关性较弱的场景下，只简单考虑每个用户信道衰落情况即可达到较好的预编码性能。对于未来不断改进的技术，需要从不同因素进行分析和改进，考虑实际因素得出最佳的解决方案。

[1]赵红礼，黄清.无线局域网[M].北京:科学出版社,2004.

[2]IEEE Std 802.11-1997, IEEE802.11 Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification[S].1997.

[3]Telatar E.Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels[J].Europe Transactions on Telecommunications,1999,10(1):585-598.

[4]冀保峰，宋康.基于IEEE 802.11ac的多用户MIMO传输方案的优化设计及其性能分析[J].通信学报,2013,34(5):96-106.

[5]The 802.11ac Working Group of the 802 Committee.IEEE P802.11ac[S].2014.

[6]Erceg V,Laurent S,et.al.IEEE P802.11 Wireless LANs TGn Channel Models[S].Working Group of the 802 Committee,2004：7.

[7]Lee D,Robert V,et al.11-10-0581-00-00ac-sta-group-management-for-mu-mimo[R].IEEE802.11ac proposal,2010.

[8]Perahia E,Stacey R.Next Generation Wireless LANs Throughput,Robustness,and Reliability in 802.11n[M].Cambridge University Press,2008.

[9]Yoo T,Goldsmith A.On the Optimality of Multi-antenna Broadcast Scheduling Using Zero-forcing Beamforming[J].IEEE Journal on Selected Area in Comminication,2006,24(3):235-242.

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

国家自然科学基金(U1404615)；河南科技大学教育教学改革项目(2015YB-033,2015ZD-010)

刘中凯(1993- )，男，河南洛阳人，大学本科，专业方向：无线局域网等。

1674- 4578(2016)04- 0076- 03

TN925

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