目前的无线局域网(WLAN)系统已经可以提供高达54Mbps的数据通信，如IEEE 802.11a/g以及欧洲的HiperLAN/2，但是更有效、更可靠是通信研究永恒的目标，关于下一代高速无线网络技术的研究正如火如荼的展开。
　　在众多新技术中，MIMO技术因不需要额外的功率和带宽即可提供非常高的数据率而倍受关注^[1,3,4]。基于MIMO-OFDM的WLAN方案已成为公认的下一代WLAN的核心方案^[5～7]。
　　笔者基于IEEE 802.11a^[2]标准，研究通过不同的空时编码方案来提高系统容量，同时，以Turbo编码取代原来的卷积码进一步提高BER性能。
　　第一种空时编码方案选择的是基于空间复用的分层空时码^[1]，BLAST是一种效率极高的空时编码，理论上可以线性提高系统容量。为了降低BLAST译码的误差传播，提出多星座" title="多星座">多星座图映射的分层空时码MCM-BLAST，在不增加系统复杂度的情况下，性能更佳，也给本文模式设计带来更多的选择。
　　第二种空时编码方案选择的是基于空间分集的空时分组码^[3,4]，STBC可以以极低的处理复杂度获得全分集，提高通信链路的可靠性、高系统的覆盖范围和容量，而且STBC尤其适用于慢变信道，这正是WLAN工作的典型环境。在极低信噪比情况下，笔者提出空时频编码方案，同时利用频率分集和空间分集，可以获得比STBC更好的性能。
　　本文中采用MIMO技术和Turbo编码升级802.11a系统，期望尽可能保留原系统的方案参数，且复杂度要尽量低，所以针对2发2收系统进行设计，给出了新的8种6M~108Mbps数据率的模式设计。仿真证明，STBC/STBFC更适于低信噪比情况，而BLAST/MCM-BLAST在高信噪比下更有优势，所提出的多天线方案在WLAN应用环境中性能优越，有较高的实用价值。
1 系统模型
　　考虑一个有N_T个发射天线" title="发射天线">发射天线、N_R(N_R≥N_T)个接收天线的MIMO-OFDM系统，设OFDM子载波数为N，用来传输数据的子载波数为K(802.11a标准中N=64，K=48)。假设信道是具有丰富散射路径的慢变频率选择性衰落信道，信道脉冲响应矩阵可以表示为：
　　
　　其中，L延迟扩展，H_i表示第i径的N_T×N_R维的复信道矩阵，矩阵元素统计独立，为0均值高斯随机变量，方差为σ_i²。设每对收发天线之间的信道统计独立，满足同样的功率延迟刨面(PDP)分布。
　　设α_k⁽ⁱ⁾表示第i个发射天线通过第k个子载波发送的调制符号，那么从频域上看，从子载波k发送的向量可以表示为ak=[α_k⁽¹⁾,α_k⁽²⁾,…，α_k^(Nt)]^T。假设循环前缀和同步等都理想，可以完全消除多径导致的符号间干扰，经过OFDM 解调后，子载波k的接收向量可以表示为：

　　系统发射机结构如图1所示，输入数据首选进行Turbo编码，然后根据模式码率进行打孔并匹配后端OFDM调制，交织、调制后的符号进行相应的空时编码(STBC、BLAST等)，最后经OFDM调制由发射天线同时发射。接收端的各模块与接收机相对应。

2 WLAN的空时编码方案研究
2.1空时复用方案
2.1.1 分层空时码
　　垂直分层空时码(V-BLAST)最初由Foschini提出^[1]，已经证明可以获得极高的频谱效率，非常适用于高信噪比信道。在V-BLAST发射机，数据流被分成N_T个并列的子数据流，每个数据流分别调制，同时从N_T个发射天线发射出去，在接收端一般采用基于ZF或者MMSE检测的连续干扰消除技术(SIC)，ML检测因复杂度太高而不被采用。
2.1.2 多星座图映射的分层空时码
　　V-BLAST系统中影响性能的一个主要因素是误差传播，尤其是最先检测的层的性能对整个系统的性能有决定性影响，为此提出了排序的SIC算法。但是，在频率选择性信道中，因OFDM每个子载波的信道响应都不同，使得排序工作很困难，本文提出多星座映射的BLAST(MCM -BLAST)方案有效地解决了这个问题。
　　设计思想是既然V-BLAST的各层性能不同，对整体性能的影响也不一样，那么把重要的层(先检测的)以映射较低阶的调制方式，提高性能，不太重要的数据用较高阶的调制方式，各层发射功率保持相同，目地是在不降低数据吞吐量的情况下提高整体性能，或保持性能提高数据吞吐量。
　　下面在最小化误帧率(或误符号率)意义下推导最优的映射方式。首先，译码顺序应该事先确定，为简单，假设检测的顺序为{1，2，…，N_t}，即第一层最先检测，第N_T最后检测。各层的发射功率保持不变，不同的调制星座图可以通过乘以功率归一化因子实现。设M表示总的数据吞吐量，M_i表示第i层的数据吞吐量，在符号率不变的情况下，M_i与调制方式直接相关。总的吞吐量限制条件是:

　　其中λ是由(2)式确定的. 公式(4)意味着所有层的误帧率的导数应该相同。这个结果可以直观地解释为：假设有2层，一个性能较好，一个较差，可以通过降低差的层一个很小的数据率△ M，同时给较强层增加△ M来保持总的数据率不变。如果较弱层降低的误帧率△ p₁大于较强层增加的误帧率△ p₂，那么总的来看误帧率在下降，可以继续降低弱层的数据率，增加强层的数据率，直到△ p₁=△ p₂，这意味着总的误帧率不能再通过调整末层的数据率来降低了，所以此时就是最佳的分配方式。
　　与原始V-BLAST方案相比，MCM-BLAST具有更好的误码性能，或者更大的信息吞吐量；与功率分配方案相比，因为每层的功率是恒定的，这就降低了对硬件的要求；不需要信道信息，所以比其他发射机需要信道信息的方案(如功率分配和自适应调制)复杂度低，尤其适用于发射机很难获得信道信息的场合，比如快变信道，以及上下行采用FDD双工方式的系统(如TDS-CDMA)。映射方案可以事先根据信道状况(信噪比)以及系统情况(收发天线个数)来确定，不会增加系统复杂度。在接收机方面采用固定顺序的检测方法，可以进一步降低复杂度。
　　针对4发4收系统仿真不同的映射调制方案，检测算法是固定顺序的MMSE-IC算法，如图2所示。首先仿真了传统的调制方案，各层调制方式相同，性能随着调制阶数的增加依次降低，图中实线从左到右依次为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM调制。仿真了多星座图映射情况，由黑色虚线表示。从图2可以明显地看出多星座图映射所带来的性能提高。“2221” 方案当SNR>20dB时，几乎具有与BPSK相同的性能，信息吞吐量从4比特/符号周期提高到7比特/符号周期，几乎提高1倍。与QPSK相比，在BER=10^-4 时有6dB增益，代价仅仅是信息吞吐量降低了1比特/符号周期。与16QAM 相比，“6421”方案在BER=10^-4时有10dB增益，代价是信息吞吐量降低了3比特/符号周期(从16比特/符号周期降为13比特/符号周期)。与QPSK调制相比，在BER=10^-4 时不仅有1dB的性能增益，而且有5比特/符号周期的吞吐量提高。

2.2空时分集方案
2.2.1 空时分组码
　　STBC可以以非常低的复杂度获得全分集，成为空间分集的首选方案，其中，Alamouti 提出的2发射天线正交STBC已经写入3G标准，Tarokh把STBC推广到任意发射天线。
　　Alamouti码的发射矩阵为^[3]：
　　
2.2.2 空时频分组码
　　最早，Tarokh把STBC与OFDM相结合，应用于频率选择性信道。在频率选择性信道，如果能同时利用空间分集和频率分集，系统抗干扰性能会进一步提高。为此提出一种简单的基于Alamouti码的2发射天线的STBFC方案(也称AA-OFDM)，性能几乎等同于4发射天线的Tarokh STBC码，低信噪比性能优于Alamouti码。
　　AA-OFDM编码具体方案如下：
　　如表1所示，调制符号经Alamouti编码由OFDM子载波i发送，另一个交织版本的Alamouti码由OFDM子载波j发送，在接收端联合译码。

　　参照Alamouti译码，统计判决很容易得到：
　　
　　其中，hp,q表示由发射天线p、子载波q的频域信道响应，n为白高斯噪声。
　　很容易看出，本文提出的AA-OFDM方案码率为1/2，这与4发射天线的Tarokh STBC相同，为了有效地获得频率分集，必须有效地安排子载波i、j的位置。通过理论分析，子载波i、 j距离△k[]为最优，其中[x]表示距离x最近的整数。
　　本文仿真比较了Alamouti码、AA-OFDM与Tarokh4 方案，为了公平比较，前者调制采用BPSK，后者采用QPSK。如图3所示，其中AA-OFDM1为子载波i、 j相邻分布；AA-OFDM2为子载波i、 j随机分布；AA-OFDM3为子载波i、 j满足距离[]的最佳分布。可以看出AA-OFDM3是最优的方案，不仅性能优于Alamouti码，几乎与Tarokh 4发射天线STBC性能相同， 而AA-OFDM仅需要2发射天线，硬件成本可以大大降低。

3 WLAN多模式设计
　　前面提到的V-BLAST、MCM-BLAST、Alamouti码以及AA-OFDM码复杂度近似，但是因为分集特性和所能达到的数据率不同，适用于不同的工作环境。结合不同的Turbo编码码率和删余方案，不同的调制方式，有很多可选择的模式设计。基于802.11a物理层设计，扩展到多天线情况(2发射2接收)，对各个可能的方案的误帧率和所能达到的数据率进行了详细的仿真分析，仿真帧长为360bit。每模式所能达到的有效数据率由下式计算：_Ci=×(1-PER_i)，其中表示模式i的数据比特率，PERi表示模式i的误帧率。模式选择原则为：(1)在每个SNR下能获得最大的数据率； (2)各模式有很好的区分度，分布均匀。
　　例如模式1(6Mbps)，如图4所示，原来单天线系统采用BPSK调制，1/2码率的卷积码，这里分别比较了Alamouti码、AA-OFDM码以及BLAST方案，可以看出其中AA-OFDM可以在低信噪比下获得最好性能，MIMO方案普遍比单天线方案有很大增益。

　　对于模式5(48Mbps)，如图5所示，MCM-BLAST是其中性能最好的方案，比Alamouti方案和VBLAST方案分别有1dB、3dB的增益。
　　在对所有可能的方案进行详细的仿真分析后，确定了最终8种模式方案，如表2所示。每模式性能如图6所示，同时，给出了单天线系统所能达到的数据率作为比较。可以看出，2×2系统的新模式体现出全面的优势，能在更低信噪比下工作，提高覆盖范围，同时在相应信噪比情况下可以获得双倍的容量，这里，Turbo码提供的高编码增益作用同样重要。本文仿真的是短帧(360bit)情况，如果交织长度更大，性能会更好。