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下一代无线局域网--强健性

2022-08-11 05:36:00 【madkeyboard】

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一、接收分集

通常在接收机上增加额外的接收天线以提高分级数，在MIMO中，如果接收机的天线数量大于发送信号中的空间流数量，分集级数的增加量等于接收天线数量和发送空间流数量之差。
在一个基本的MIMO系统中，发送天线、空间流以及接收天线的数量都等于2。而在接收分集的情况下，有两个发送天线和空间流，却有3个接收天线。

1 MIMO性能改善

额外的接收天线显著改善了SNR，特别是在高阶调制和高码率的情况下。下图是基本的MIMO和使用接收分集MIMO的比较。
在MCS 15PER为1%时，使用额外的接收天线，所要求的SNR减少了9db，MCS 8在同样的情况下SNR减少了2.5db。在又多个空间流时，调制阶数越高，对衰落越敏感，分集的好处就越显著。

在单空间流时，接收分集增益在低阶调制时，大约为7db，在高阶调制时，增加到了9db

接收分集所增加的强健性使得可以在较长覆盖距离内得到某个特定的吞吐率。
在下图中，我们可以看到传统的单天线设备，达到50Mbit/s数据速率的最大距离为20m，而在2 x 2 802.11n系统中，该距离延长到了35m，在2 x 3 11n的系统中该距离增长到40m。
通过使用分集技术，最大数据速率MCS所要求的SNR显著减小

2 选择分集

选择分集提供了一种通过减少硬件复杂度得到适量的分集合并增益得方法。使用选择分集时，RF链的数量比天线数少。选择具有最佳信道的天线子集，并将它们于RF链相连，以减少必需的RF链的数量。

3 空间扩展

空间扩展（SE）：使用较多天线发送较少空间流的方法。
空间扩展可以让平面衰落更明显的信道（信道模型B）得到小的发送分集这样的好处。
下图展示了单空间流的SE的性能，在PE = 1%时，SE可以得到2db的增益。但是在PE = 10%时，MCS7并没有增益，这是因为延迟扩展较大的信道导致了更多频率选择性衰落以及更少的平面衰落。

二、空时块编码

使用Alamouti算法的STBC是802.11n中一个简单的、可选的发送分集机制。它可以使用低成本、小波形因子的设备，以及不要求高数据速率，而得到强健的链路性能。
但是如果将STBC和MRC相比较，如果总发送功率一样的时候，STBC就处于劣势。通常一个单发送天线设备的输出功率为~17dBm，在具有同样总输出功率的两个天线设备中，每个天线的输出功率为14dBm，这样相比，STBC系统有3db的功率代价，此外STBC要求有额外的、用于信道估计的长训练字段，更会降低效率。

1 Alamouti方案

如下图所示，两组数据取样经过Alamouti机制进行编码，并通过两个天线和两个码元周期进行发送。

在码元时间1，天线1发送x₁ ，天线2发送-x₂ *，信号y₁ 在码元时间1内收到。
在码元时间2，天线1发送x₂ ，天线2发送-x₁ *，信号y₂ 在码元时间2内收到。

收到两个码元后，将接收信号合并起来，从中提取出发送数据。

下图是MCS 7（单流，64-QAM，R = 5/6）的其他系统配置比较的STBC性能。
在PER为1%时，STBC提供了大量的增益，比1x1系统高出约5.5dB，比SE高出4dB，但是比MRC差了4dB，因为STBC有一个3dB的功率代价，并且STBC更容易收到损伤的影响。

STBC一个明显有点就是扩张了较高数据速率的覆盖范围，但是在设置最大覆盖区域的最低数据速率上，STBC与SE相比，在覆盖区域上并没有非常明显的改善。

2 额外的STBC天线配置

在802.11n中，实现了2x1之外的天线配置，对于两个空间流（MCS8~15）的情况，STBC可以使用3个或4个发送天线以及最少两个接收天线，使用3个发送天线时，一个空间流使用2x1STBC配置进行发送，另一个空间流发送时不使用STBC配置。

使用4个天线和两个空间流时，每个空间流分贝使用2x1STBC映射进行编码。

使用4个发送天线和3个空间流时，一个空间流使用标准的2x1配置进行发送，第二个和第三个空间流发送时不使用STBC配置。

3 STBC接收机和均衡

上面所给出的STBC系统可以重新写成Y = HX + Z结构。

2 x 1系统

3 x 2系统

4 x 2系统

4 x 3系统

具有额外接收天线的2x1STBC系统

4 使用STBC的发送和分组编码过程

在整个802.11n的分组编码过程中，STBC编码发生在星座映射器之后、应用循环位移和空间映射之前。加入了STBC，我们需要区分空间流和STBC编码的输出（时空流）。
使用STBC发送高吞吐率分组时，HT-SIG的STBC字段必须清楚地表示出时空流数和空间流数之差。

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并且HT的格式也要进行更改。第一个字段为HT-STF，该公式中(4.17)N_ss 和 i_ss 分别由N_STS 和 i_STS 代替。STBC要求每个时空流都有一个长训练码，使用STBC发送数据字段时，码元数必须是偶数，与以允许对两个码元进行编码。
下面公式中，对应STBC时，m_STBC = 2，否则为1.length为HT-SIG域中长度字段的八进制值；N_DBPS 为每个OFDM码元数据比特数；N_ES 为编码器的数量。

三、低密度奇偶校验码

802.11n引入了使用LDPC码的先进的编码方式，将其作为一种可选模式。LDPC编码是一类特殊的线性分组编码，而且是一种特殊形式的校验检测码，其校验检测矩阵的大部分元素为0，只有几个矩阵元素包含1。
对LDPC的研究发现，这种编码可以得到接近香农容量的性能，同时任然保持相对低的解码复杂度。在802.11n系统设计中对它进行了简化，由于LDPC编码具有内在的随机性，频率交织器就不再是必须的了。

1 LDPC编码过程

LDPC编码过程的一个关键部分是调整载荷比特，使之同时与OFDM码元整数和LDPC码字的整数相匹配（决定使用3种不同LDPC码字长度的哪一种：648bit、1296bit或1944bit）。每个码字包括信息比特和检验和比特，信息比特的数量根据来自所选MCS的码率决定。

计算OFDM码元的最小数量

决定码字大小和码字数量

随着码字大小的增加，LDPC编码的性能也得到改善，因此，选择码字长度的目的在于使码字的大小最大。但是如果在小载荷的情况下所选码字的长度超过了N_TCB ，就需要进行删余操作。这会降低系统的性能，因此需要在最大化码字长度和最小化删余比特数之间取得平衡。

所给例子中，码字长度为1944，在数据分组为3000字节时，码字数量为15，在数据分组为3053字节时，码字数量为16。
在MCS15和20MHz模式，当数据分组的大小为1~57字节时，码字长度就是1296bit，当数据分组的大小为 58~63字节时，码字长度为648bit。

确定缩短零比特数量

大多数载荷大小和所选MCS的组合而言，它们没有足够的信息比特来填充所有码字的信息部分。缩短是在计算校验比特之前，在码字的信息部分加0的过程。在计算得到校验比特之后，这些0就会被去掉，校验比特便和信息比特连接在一起。
码字数量乘以码字产长度就是所有LDPC码字所传输的编码比特总数。将这个积再乘以码率，便得到所有LDPC码字所传输的信息比特总数。如果所有LDPC码字所传输的信息比特总数大于载荷比特数，那么就要求有N_shrt 个缩短0比特。

每个码字的缩短比特的最小数量定义为

生成校验比特位

将N_LDPC （1-R）个检验比特附加在原信息比特上，将一个N_LDPC R比特的信息分组编码成大小为N_LDPC 的码字。
码字c的描述如下。

802.11n标准定义了12个不同的校验检测矩阵（H），各自对应着3种码字大小（648bit、1296bit以及1944bit）和4种码率（1/2、2/3、3/4以及5/6）的一种组合。

封装成OFDM码元

编码比特的总数为N_pld + N_CW N_LDPC (1 - R)，在大多数情况下，它并不等于需要用来填充的OFDM码元的总比特数N_TCB 。因此如果N_pld + N_CW N_LDPC (1 - R) > N_TCB ，就需要进行删余。而删余又会降低性能，因此如果需要删余的校验比特数太大，就加入一个额外的OFDM码元，而N_TCB 也被重新计算为更大的值。
如果N_pld + N_CW N_LDPC (1 - R) < N_TCB ,就有必要重复编码比特来使其适合OFDM码元中的所有必要的比特位。