CN101207597A - 超高速多输入多输出ofdm无线局域网的实现方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种超高速多输入多输出(MIMO)正交频分复用(OFDM)无线局域网的实现方法与系统，属于无线通信技术的领域。在该实现方法和系统中，发射站点在同一时刻可通过发射天线组发送多个或一个独立的数据子流，它对各独立的数据子流的各OFDM子信道采用不同的信号调制方式；在一定的空时编码方式和纠错码方式下，各独立的数据子流在进行空时编码前在各OFDM子信道所采用的信号调制方式由接收站点依据这些数据子流在进行子信道解调制前在这些子信道上的信噪比来确定；各独立的数据子流在各OFDM子信道所要采用的信号调制方式的信息(子信道－调制方式信息)通过请求－应答方式或主动传送方式实现由接收站点向发射站点的传送。

Description

超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法与系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及多输入多输出(MIMO)正交频分复用(OFDM)无线局域网系统。

背景技术

随着社会生活越来越广泛的对于信息的需求，网络已经越来越成为人们日常生活不可缺少的一部分。无线局域网因其接入灵活、不需要布线等优点，具有广阔的发展前景。

IEEE802.11工作组针对无线局域网的应用需求提出了其无线局域网的解决方案，这就是802.11无线局域网标准。到目前为止，802.11无线局域网物理层的标准主要有四个，即802.11，802.11b，802.11g和802.11a，媒体接入(MAC)层的标准主要有802.11和802.11e。在物理层标准方面，802.11定义了跳频扩频、直接序列扩频和红外三种工作方式；802.11b对802.11的直接序列扩频工作方式进行扩展，使其物理层最高数据速率达到11Mbps(前者只能达到2Mbps)；802.11g则对802.11b作进一步的扩展，在兼容802.11b的基础上，加入了OFDM工作方式，物理层最高数据速率可达54Mbps，802.11g和802.11b均工作在2.4G频段；802.11a标准工作在5G频段，采用OFDM工作方式，物理层最高数据速率为54Mbps；802.11g的OFDM工作方式与802.11a采用了完全相同的实现方式，差别只在于工作频段不同。正在讨论的802.11n协议在802.11a/g的基础上通过在物理层引入MIMO-OFDM工作方式进一步地提高无线网络在物理层的数据速率，其物理层最高数据速率可达到100Mbps以上。在MAC层标准方面，802.11定义了802.11网络中工作站点占用信道的方式，即通过随机竞争占用信道(DCF)和AP通过中央控制占用信道(PCF)两种方式；802.11e主要是针对802.11网络的用户质量问题而提出的解决方案，提出了HCF工作方式来实现局域网通信中的用户质量；正在讨论的802.11n协议通过在MAC层采用帧聚合技术来有效地提高无线局域网在MAC层的数据呑吐量。

802.11n系统通过采用MIMO-OFDM技术可以达到数倍于802.11a/g的物理层数据速率，但这些数据速率的实现需要良好的信道条件。802.11n MIMO-OFDM系统在室内环境工作时，当发射站点与接收站点间不存在直达路径时，其信道就会存在严重的频率选择性，从而会大大限制其物理层的性能和数据速率。

相对于单天线的OFDM系统，MIMO-OFDM系统可通过在同一时刻由发射天线组传送多个独立的数据子流来提高物理层的数据速率。这多个独立的数据子流可以是通过对同一发送数据流进行分割而得到的。在频率选择性信道中，MIMO-OFDM系统的各个子载波信道会呈现不同的信道衰落特性，进而，在接收端对各个独立的数据子流进行解调解码时就会在各OFDM子信道上面临衰落程度不同的信号。这样，若在一个独立的数据子流的各OFDM子信道上采用相同的调制方式，就会出现这样的问题：在那些信道增益高的子信道，过高的增益会被浪费掉；而在信道增益低的子信道、特别是在发生深衰落因而信道增益很低的子信道，则会给发送序列带来严重的误码。频率选择性信道中的深衰落使得802.11nMIMO-OFDM系统不适合于采用高阶调制、高码率方式来传输数据，因而其物理层在实际应用中很难达到其标称的最高数据速率。

本发明对存在频率选择性衰落的无线信道提出了一种超高速MIMO-OFDM无线局域网的实现方法和系统。在该实现方法和系统中，发射站点(指从网络层来看发送数据的站点，下同)在发送数据时对由同一独立数据子流在不同的OFDM子载波信道上发送的数据采用不同的信号调制方式；发射站点所需要的各子信道所要采用的调制方式的信息(子信道-调制方式信息)通过发射站点与接收站点(指从网络层来看接收数据的站点，下同)在MAC层的请求-应答机制而实现，或者通过接收站点在MAC层直接向发射站点发送该信息而实现；接收站点则根据各个独立数据子流在子信道解调制前在这些子信道上的信噪比来确定其在发射端在这些子信道上所要采用的信号调制方式。

在本发明设计的系统中，接收站点依据在一定的空时编码方式和信道纠错码方式下各独立的数据子流在各OFDM子信道所要达到的误码率来确定其调制方式，这样，可以使无线局域网系统在两个方面获得好处：(1)由于在指定的空时编码方式和纠错码方式下OFDM各个子信道均能达到指定的误码率，从而可以使系统达到指定的误帧率、有效地控制丢帧，实现数据在物理层的有效传输；(2)对于信道增益较大的子信道，通过让其采用较高阶的信号调制方式，可以在不损失误码性能的情况下使OFDM符号传输更多比特的数据，提高物理层的数据速率。

通过采用本发明的实现方法和系统，MIMO-OFDM无线局域网一方面可以有效地克服其信道存在的频率选择性衰落，另一方面可以充分利用其各子信道的信道增益，从而可以使其物理层获得可观的数据速率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种超高速MIMO-OFDM无线局域网的实现方法与系统。在该实现方法和系统中，发射站点在发送数据时对各独立的数据子流的不同OFDM子载波信道采用不同的信号调制方式；发射站点所需的子信道-调制方式信息通过发射站点与接收站点之间的请求-应答机制而实现，或者通过接收站点直接向发射站点发送该信息而实现；对应的接收站点则在所要采用的空时编码方式和纠错码方式下根据各独立的数据子流在子信道解调制前在各OFDM子信道上的信噪比来确定其在发射端在这些子信道上所要采用的信号调制方式。由于该种实现方法一方面使发射站点有效地克服了室内无线信道的频率选择性衰落，另一方面也使其能更为充分地利用当前信道来传输数据，因而可以使MIMO-OFDM无线局域网的物理层获得可观的数据速率的提高。

子信道-调制方式工作方式的系统结构及实现过程如图1所示。首先由发射站点向接收站点发送包含子信道-调制方式请求标示的数据帧，或者只发送普通数据帧；接收站点在收到上述数据帧后通过信道估计计算得到各独立的数据子流在子信道解调制前在各OFDM子信道上的信噪比，进而在一定的纠错码方式下确定在各OFDM子载波信道上所要采用的调制方式，然后通过标示包含子信道-调制方式信息的数据帧将该信息发送给发射站点；发射站点在获得子信道-调制方式信息后，按该工作方式向接收站点发送数据，直到子信道-调制方式信息的下一次计算和调整。

发射站点在获得子信道-调制方式信息后，即可计算出其各个独立的数据子流在不同的OFDM子载波上所要发送的数据比特数和每个独立的数据子流的一个OFDM符号所要承载的比特数，进而可得到一个MIMO-OFDM符号所要发送的总的数据比特数。一个MIMO-OFDM符号是指由若干个结构相同的OFDM符号组成的同时传送与接收的OFDM符号组。发射站点对所要发送的信息序列(如一个MAC帧)在按照指定的编码方式编码之后，先按上述MIMO-OFDM符号的发送数据比特数进行分割，接着再将这些数据比特进行进一步地分割、分配给各个OFDM符号，然后，在一个OFDM符号内将数据比特分配到不同的子载波信道上。当系统不采用空时编码方式传输数据时，这些OFDM符号将被作为发射数据子流由不同的发射天线直接发送出去；而当系统采用空时编码方式进行数据传输时，则需要在各个MIMO-OFDM子载波信道上，将一组独立的数据子流经空时编码变换为一组发射数据子流，然后进行传输。

接收站点在接收到该发射站点的MIMO物理帧后，首先进行空时解码(如果发射端未采用空时编码的话，则跳过这一步)，然后按约定的子信道-调制方式对各独立数据子流的不同OFDM子信道上的信号进行解调制，得到相应的数据比特的软信息或其硬判决值，最后通过解码求得传输的信息序列。

发射站点通过两种方式获得子信道-调制方式信息。一种方式是请求-应答方式，另一种方式是接收站点的主动传送方式。请求-应答方式的实现过程如图2所示，在该种工作方式下，发射站点首先向接收站点发送一个包含子信道-调制方式请求标示的物理帧，接收站点在收到这一物理帧后通过信道估计计算在一定的空时编码方式和纠错码方式下在不同的OFDM子信道的调制方式，得到子信道-调制方式信息，然后在应答帧中发送给发射站点。主动传送方式的实现过程如图3所示，在该种工作方式下，接收站点在未收到发射站点的子信道-调制方式请求、但收到发射站点的其它物理帧时，仍可进行子信道-调制方式计算，并将该信息传送给发射站点、请求发射站点以该种工作方式工作。

子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点的传送可通过设计特定的子信道-调制方式请求(RSM，Request for Subchannel-Modulation)帧和子信道-调制方式信息(ISM，Information for Subchannel-Modulation)帧来实现。在请求-应答工作方式下，发射站点通过向接收站点发送RSM帧来请求子信道-调制方式信息，而接收站点则用ISM帧进行应答，传送子信道-调制方式信息。在主动传送工作方式下，接收站点则可通过直接向发射站点发送ISM帧来实现这一信息的传送。

无线局域网系统在数据传输过程中，由于信道占用等的需要，在其MAC层可能会存在一种信息交互机制。在采用随机竞用方式和轮询方式分配信道的802.11网络中，即存在着这样一种MAC层的信息交互机制。如：在802.11网络的DCF工作方式下，发射站点在发送完DATA帧后，接收站点要作ACK应答，发射站点用RTS帧作出发送请求后，接收站点要用CTS帧作出应答，等等。

当将本发明提出的方法和系统用于MAC层存在信息交互机制的无线局域网时，其子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点的传送即可以利用无线局域网系统在MAC层的信息交互来实现。如：当将其用于802.11网络时，可以对现行802.11标准或802.11e标准中进行信息交互的MAC帧的Frame Control域中的Subtype子域作新的定义而使其成为携带RSM信息和ISM信息的数据帧，对于携带ISM信息的MAC帧，还要对其定义相应的存放子信道-调制方式信息的数据域。

无论是在请求-应答方式中，还是在主动传送方式中，接收站点都是在所接收到的物理帧的基础之上计算其各OFDM子信道的信号调制方式的。接收站点与发射站点间在未约定新的子信道-调制方式工作方式之前，按照原来的工作方式来传输信息，这可以是各子信道均采用相同的信号调制方式的常规工作方式，也可以是在某一个以前的时刻确定的一种子信道-调制方式工作方式。

接收站点通过接收到的物理帧进行子信道-调制方式计算的过程如下：接收站点利用该物理帧进行信道估计，计算得到各独立的数据子流在子信道解调制前在各OFDM子信道上的信噪比；在一定的纠错码方式下，将每个子信道的信噪比与一组事先确定的、与当前纠错码方式相关的信噪比门限作比较，在保证每个子信道均达到一定的误码率性能的前提下，尽可能地选取阶数高的调制方式；将每一种调制方式映射为一个比特组，然后将这些比特组放置在一起构成一个数据组，该数据组即为子信道-调制方式；对每一个独立的数据子流，均可计算得到一个这样的子信道-调制方式数据组；对计算得到的子信道-调制方式编一个标号，用以标示该特定的工作方式，这个标号称为方案号(若系统定义将空时编码和纠错码方式的信息与子信道-调制方式的信息捆绑传输，则是对子信道-调制方式数据组与编码方式的组合设定一个方案号)；最后，将子信道-调制方式数据组、编码方式信息(当系统定义两种信息捆绑传输时)和方案号按约定的格式放入承载子信道-调制方式信息的MAC帧中，发送给发射站点。

在一定的纠错码方式下对OFDM各子信道确定子信道-调制方式的计算中所需要的信噪比门限值可通过Monte-Carlo算法预先在仿真平台上求得。

图4给出了一个在MIMO-OFDM无线局域网系统中采用子信道-调制方式工作方式和各个OFDM子载波信道均采用相同的调制方式的常规工作方式的物理层有效数据速率的仿真结果比较，其中，MIMO系统为2发2收系统，系统发射端采用2个独立的数据子流，MIMO信道为Rayleigh衰落信道。发射端的OFDM帧采用与802.11a的OFDM帧相同的结构，但每个OFDM符号使用56个子载波传输信号，其中52个子载波用于传输数据(802.11a的一个OFDM符号使用52个子载波传输信号，其中48个子载波用于传输数据)。两种工作方式下，纠错码均采用802.11a协议规定的64状态卷积码。采用子信道-调制方式工作方式的系统，采用的卷积码码率为5/6，采用常规调制方式的系统分别采用64QAM 5/6码率、64QAM 3/4码率、16QAM 3/4码率、16QAM 1/2码率等多种工作方式。接收端采用软判决Viterbi算法进行卷积码的解码。

从仿真结果可以看出，通过采用子信道-调制方式工作方式，MIMO-OFDM无线局域网可以获得物理层有效数据速率的大幅提高。

附图说明

图1子信道-调制方式工作方式的系统结构及实现过程

图2用请求-应答方式传送子信道-调制方式信息的实现过程

图3用主动传送方式传送子信道-调制方式信息的实现过程

图4采用子信道-调制方式工作方式和采用常规调制方式的MIMO-OFDM无线局域网的物理层有效数据速率的仿真结果比较

图5不采用空时编码的系统中，发射端由信息比特流生成用于发送的MIMO-OFDM符号的过程

图6采用空时编码的系统中，发射端由信息比特流生成用于发送的MIMO-OFDM符号的过程

图7传送子信道-调制方式信息的方案号域、编码方式域和子信道-调制方式域

图8不采用空时编码的系统中，发射站点比特-符号映射的实现方法

图9采用空时编码的系统中，发射站点比特-符号映射的实现方法

图10采用空时编码的系统中，由空时编码生成待发送的MIMO-OFDM符号序列的实现方法

图11802.11系统RTS帧的帧结构

图12802.11系统CTS帧的帧结构

图13802.11系统实现子信道-调制方式请求的RTS+RSM帧的帧结构

图14802.11系统传送子信道-调制方式信息的CTS+ISM帧的帧结构

图15802.11标准中DATA帧的帧结构

图16802.11系统ACK帧的帧结构

图17802.11标准下实现子信道-调制方式请求的DATA+RSM帧的帧结构

图18802.11系统传送子信道-调制方式信息的ACK+ISM帧的帧结构

图19802.11e标准中DATA帧的帧结构

图20802.11e标准下实现子信道-调制方式请求的DATA+RSM帧的帧结构

图21接收站点通过信噪比判决确定子信道所要采用的调制方式的实现过程

图22接收站点构造子信道-调制方式域、编码方式域和方案号域的过程

图23由Monte-Carlo算法求得的一定纠错码方式下不同调制方式的信噪比-误比特率曲线

具体实施方式

本发明考虑在OFDM各子信道采用不同的调制方式来实现信道的充分利用和克服其频率选择性，每一种阶数的调制选取一种调制方式。本发明推荐采用以下的调制方式组合：

M＝{BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM，256QAM}   (1)

采用QAM调制的优点是其具有良好的距离特性，并且在接收端解码中易于提取软信息。

一、发射站点按照子信道-调制方式工作方式发送数据的实现方法

在不采用空时编码的MIMO-OFDM系统中，其发射端由所要传输的信息比特流生成用于发送的MIMO-OFDM符号的过程如图5所示，其通过纠错编码和比特-符号映射两个步骤来完成。在采用空时编码的MIMO-OFDM系统中，其发射端由所要传输的信息比特流生成用于发送的MIMO-OFDM符号的过程如图6所示，其通过纠错编码、比特-符号映射和空时编码三个步骤来完成。在本发明提出的系统中，发射端各独立的数据子流在不同的OFDM子信道上采用了不同的信号调制方式(常规系统中各独立的数据子流在不同的OFDM子信道上采用相同的信号调制方式)，发射端通过由接收端发送的包含子信道-调制方式信息的数据帧来确定各独立的数据子流在不同的OFDM子信道上的信号调制方式。

在从接收站点发往发射站点的包含子信道-调制方式信息的数据帧中，包含了以下与子信道-调制方式信息相关的数据域：一个方案号域、一个编码方式域、一个独立数据子流数域和L个子信道-调制方式域(L即为独立数据子流数域中传输的数据)(见图7)。方案号用若干比特来实现，用于标识当前这种在一定的空时编码方式和纠错码方式下的一组特定的子信道-调制方式工作方式；编码方式域用若干比特来实现，用于标识当前的空时编码方式和纠错码方式，它用虚框标出，当系统定义空时编码方式和纠错码方式的信息与子信道-调制方式信息捆绑传输时，存在该数据域，否则，该域不存在，空时编码方式和纠错码方式信息由其它途径传输到发射站点；独立数据子流数域中传输发射端所要发送的的独立数据子流数，同时也表明当前数据帧中子信道-调制方式域的个数；每个子信道-调制方式域由K个子域构成(K为OFDM系统用于传输数据的子载波数)，每个子域由若干个比特构成，表示与其对应的子载波信道上所要采用的信号调制方式，在本发明中，这些子域被称为ModType子域。

子信道-调制方式域的ModType子域中的每个数据比特组表示一种信号调制方式，以物理层采用式(1)所示的调制方式M为例，表1给出了当用4比特的数据组来表示调制方式时的一种数据比特-调制方式映射的实现方案。在该映射方案中，NULL表示不传输数据。编码方式域中的每个数据比特组则映射为一种空时编码方式和纠错码方式的组合。方案号域中的每个数据比特组表示一个方案号。

表1  数据比特-调制方式映射的一种实现方案

数据比特	0000	0001	0010	0011	0100
						调制方式	NULL	BPSK	QPSK	8QAM	16QAM
数据比特	0101	0110	0111	1000
						调制方式	32QAM	64QAM	128QAM	256QAM

发射站点在获得子信道-调制方式信息后，即可计算得到一张子信道-比特分配表，并可确定各个独立的数据子流的OFDM符号所发送的数据比特数和一个MIMO-OFDM符号所要发送的数据比特数。设MIMO-OFDM系统在同一时刻传送L个独立的数据子流、每个独立的数据子流采用K个子载波发送数据，对每个独立的数据子流，其发送比特数分别为：b_l，1，b_l，2，…b_l，K(l＝1，2，…，L)，则第l个数据子流的一个OFDM符号上承载的发送比特数为：

$B_l=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{l,k}---\left(2\right)$

进一步可得到一个MIMO-OFDM符号的发送比特数为：

$B=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{B}_l---\left(3\right)$

对于图5所示的系统(即不采用空时编码的MIMO-OFDM系统)，发射端点将编码后的数据比特通过比特-符号映射构成待发送的MIMO-OFDM符号序列的过程如图8所示，其分以下几个步骤来完成：第一步，发射站点将编码后的数据序列分割成若干个B比特的数据组(最后一个数据组不足B比特时，通过数据填充——如填充0——将其加长到B比特)；第二步，将每个B比特数据组再进一步地分割成L个数据比特组，其长度分别为B₁，B₂，……，B_L；第三步，对于长度为B_l的数据比特组(l＝1，2，…，L)，首先按子信道-比特分配表将相应的比特数分配到不同的子信道上，接着在各子信道通过指定的调制方式将数据比特映射为复数值的符号，然后通过FFT变换将其变换为若干个时域的OFDM符号；第四步，将L个OFDM符号构成为一个未进行空时编码的MIMO-OFDM；第五步，将各个MIMO-OFDM符号排列成MIMO-OFDM符号序列，用于发射。

对于图6所示的系统(即采用空时编码的MIMO-OFDM系统)，发射端点将编码后的数据特通过比特-符号映射构成空时编码前的频域MIMO-OFDM符号序列的过程如图9所示，其分以下几个步骤来完成：第一步，发射站点将编码后的数据序列分割成若干个B比特的数据组(最后一个数据组不足B比特时，通过数据填充——如填充0——将其加长到B比特)；第二步，将每个B比特数据组再进一步地分割成L个数据比特组，其长度分别为B₁，B₂，……，B_L；第三步，对于长度为B_l的数据比特组(l＝1，2，…，L)，先按子信道-比特分配表将相应的比特数分配到不同的子信道上，然后在各子信道通过指定的调制方式将数据比特映射为复数值的符号，进而得到频域OFDM符号；第四步，将L个频域OFDM符号构成为一个未进行空时编码的MIMO-OFDM；第五步，将各个频域MIMO-OFDM符号排列成MIMO-OFDM符号序列，用于下一步的空时编码。图9与图8的主要区别是图9的OFDM是未经过FFT变换的频域OFDM符号，而图8中的OFDM符号是经过FFT变换之后的时域OFDM符号。

在通过比特-符号映射得到频域MIMO-OFDM符号后，在OFDM各子载波信道上，发射站点将未经空时编码的数据流经空时编码后得到待发送的数据流，然后经FFT变换为时域的MIMO-OFDM符号进行发送。设经过比特-符号映射处理得到的频域MIMO-OFDM符号序列的长度为T，每个MIMO-OFDM符号包含L个OFDM符号，每个OFDM符号中用K个子载波信道发送数据，且分别设为子载波信道1，2，...，K，再设在子信道k(k＝1，2，...，K)上的L个长度为T的发送序列分别为{X_1，k(t)|_{t＝1，2，…T}}、{X_2，k(t)|_{t＝1，2，…，T}}、……、{X_1，k(t)|_{t＝1，2，…，T}}，对这L个序列进行空时编码得到M个长度为Q的待发送的符号序列：{Y_1，k(t)|_{t＝1，2，…，Q}}、{Y_2，k(t)|_{t＝1，2，…Q}}……、{Y_M，k(t)|_{t＝1，2，…，Q}}，这里，每个待发送序列的长度Q可以与原序列的长度T相等，也可以与T不等。由M个待发送的序列{Y_1，k(t)|_{t＝1，2，…，Q}}、{Y_2，k(t)|_{t＝1，2，…，Q}}……、{Y_M，k(t)|_{t＝1，2，…，Q}}即可构成Q个待发送的频域MIMO-OFDM符号。最后，对每个OFDM符号作FFT变换，即可得到Q个待发送的时域MIMO-OFDM符号。由T个未进行空时编码的MIMO-OFDM符号经空时编码和FFT变换生成Q个待发送的时域MIMO-OFDM符号的过程如图10所示，其中，MIMO-OFDM系统在每个子载波信道上采用相同的空时编码方式，这里的空时编码不仅包含了在空间和时间两个维度上进行编码(即数据变换)的情形，也包含了只在空间一个维度上进行编码(即数据变换)的情形。至此，在空时编码系统中得到待发送的MIMO-OFDM符号序列。

发射站点在采用子信道-调制方式工作方式发送数据时，必须将当前采用的子信道-调制方式的方案号写入到其发送的物理帧开始部分的定义数据传输特性的OFDM符号(如802.11a中SIGNAL符号)中，用以向接收站点标示当前MIMO物理帧的工作方式，使对应的接收站点在对该物理帧中的数据符号进行子信道解调制之前能够预先知道这一信息，以便正确地对各OFDM子信道的信号进行解调制。

二、接收站点向发射站点传送子信道-调制方式信息的实现方法

接收站点向发射站点传送子信道-调制方式信息可通过两种方式来实现，即：请求-应答方式和接收站点主动传送方式。

在请求-应答方式中，发射站点可通过在MAC层直接向接收站点发送特定的子信道-调制方式请求(RSM)帧来请求获得子信道-调制方式信息，接收站点则通过特定的子信道-调制方式信息(ISM)帧对RSM帧作出应答，将子信道-调制方式信息发送给发射站点。在RSM帧中包含有子信道-调制方式请求的标示，在ISM帧中则包含子信道-调制方式信息，它采用图7所示的方案号域、编码方式域、独立数据子流数域和若干个子信道-调制方式域来实现。在主动传送方式中，接收站点在未收到发射站点的RSM帧、但收到来自发射站点的其它数据帧时，接收站点可由该数据帧计算得到子信道-调制方式信息，并用特定的ISM帧将该信息传送给发射站点，该特定的ISM帧可采用与请求-应答方式中特定的ISM帧相同的帧结构。

无线局域网系统在数据传输过程中，由于信道占用等的需要，在其MAC层可能会存在一种信息交互机制。如：在采用随机竞用方式和轮询方式分配信道的802.11网络中，即存在着这样一种MAC层的信息交互机制。802.11网络中MAC层信息交互的典型例子是：RTS-CTS信息交互和DATA-ACK信息交互。当将本发明提出的系统用于这类网络时，可利用这种MAC层的信息交互中发送的数据帧来实现子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点的传送。在这里，请求-应答方式与主动传送方式的主要不同是在于，请求-应答方式使用了发射、接收站点间的一个完整的MAC层交互，而主动传送方式只使用了MAC层信息交互中接收站点对发射站点的应答。

在802.11网络中通过MAC层的信息交互来实现RSM信息和ISM信息的交互时，可通过对802.11标准和802.11e标准中进行信息交互的MAC帧的Frame Control域中的Subtype子域或Type子域作新的定义使其成为携带RSM信息和ISM信息的数据帧来实现，对于携带ISM信息的MAC帧，再对其定义相应的存放子信道-调制方式信息的数据域。

下面以在802.11网络中利用MAC层的RTS-CTS信息交互和DATA-ACK信息交互实现子信道-调制方式信息的传输为例来说明在MIMO-OFDM无线局域网中通过MAC层的信息交互来实现子信道-调制方式信息由接收站点传输到发射站点的方法。

1.RTS-CTS信息交互下子信道-调制方式请求与应答的实现方法

802.11系统为了解决无线网络存在的隐藏节点问题，在MAC层设计了RTS-CTS工作方式。RTS帧的帧结构及其Frame Control域的结构如图11所示，其Frame Control域的Subtype子域的赋值为1011。CTS帧的帧结构及其Frame Control域的结构如图12所示，其Subtype子域的赋值为1100。

通过对RTS帧重新定义其Subtype子域，即可对该系统定义一种新的MAC帧：RTS+RSM帧。图13给出了一个实现RTS+RSM帧的实例，其中用Subtype＝0011来表示这是一个RTS+RSM帧(一般性地，Subtype子域也可定义为其它保留值)。

通过对CTS帧重新定义其Subtype子域，并加入方案号(Scheme Index)域、独立数据子流数(Number of Data Substream)域、若干个子信道-调制方式(SM，Subchannel-Modulation)域和编码方式(Code Type)域(当系统定义编码方式的信息与子信道-调制方式信息捆绑传输时，下同)，即可对系统定义CTS+ISM帧。图14给出了一个实现CTS+ISM帧的实例，其中用Subtype＝0100来表示这是一个CTS+ISM帧(一般性地，Subtype子域也可定义为其它保留值)。独立数据子流数域中存放了该帧中子信道-调制方式域的个数，即图中的L。编码方式域用虚框标出，其含义与图7中虚框的含义相同。

通过以上定义的RTS+RSM帧和CTS+ISM帧，系统即可在RTS-CTS信息交互中实现子信道-调制方式的请求与应答。

2.DATA-ACK信息交互下子信道-调制方式请求与应答的实现方法

首先考虑802.11系统采用802.11标准定义的MAC层时的情形。

在802.11标准中，发射站点通过MAC层传送DATA帧时，接收站点在正确接收后必须作ACK应答。DATA帧的帧结构及其Frame Control域的结构如图15所示，其FrameControl域的Subtype子域的赋值为0000，并注意到其Type域的赋值为Data。ACK帧的帧结构及其Frame Control域的结构如图16所示，其Subtype子域的赋值为1101，并注意到其Type域的赋值为Control。

通过对DATA帧重新定义其Subtype子域，即可对系统定义实现子信道-调制方式请求功能的DATA+RSM帧，图17给出了一个实现DATA+RSM帧的实例，其中用Subtype＝1101来表示这是一个DATA+RSM帧(一般性地，Subtype子域也可定义为其它保留值)。

通过对ACK帧重新定义其Subtype子域，并加入方案号域、独立数据子流数域、子信道-调制方式域和编码方式域，即可对系统定义实现子信道-调制方式传送功能的ACK+ISM帧。图18给出了一个实现ACK+ISM帧的实例，其中用Subtype＝0101来表示这是一个ACK+ISM帧(一般性地，Subtype子域也可定义为其它保留值)。独立数据子流数域中存放了该帧中子信道-调制方式域的个数，即图中的L。编码方式域用虚框标出，其含义与图7中虚框的含义相同。

这样，通过以上定义的DATA+RSM帧和ACK+ISM帧，系统即可在DATA-ACK信息交互中实现子信道-调制方式的请求与应答。

其次考虑802.11系统采用802.11e标准定义的MAC层时的情形。

802.11e标准定义的DATA帧的帧结构及其Frame Control域、QoS Control域的结构如图19所示。注意到，由于需要对该DATA帧作正常应答，因此，其QoS Control域的Ack Policy子域须设置为00，表示Normal Ack。通过重新定义其Frame Control域的Subtype子域，即可定义802.11e协议下的DATA+RSM帧，图20给出了一个802.11e协议下实现DATA+RSM帧的实例，其中用Subtype＝1101来表示这是一个DATA+RSM帧。

由于802.11e标准采用了与802.11标准相同的ACK帧的帧结构，因此可采用与802.11标准下相同的方法来构造ACK+ISM帧，进而实现子信道-调制方式的请求与应答。

3.RTS-CTS信息交互下子信道-调制方式信息主动传送的实现方法

发射站点首先向接收站点发送一个RTS帧，接收站点接着采用图14所示的CTS+ISM帧进行应答(一般性地，其Subtype子域也可定义为其它保留值)，将子信道-调制方式信息传送给发射站点。

4.DATA-ACK信息交互下子信道-调制方式信息主动传送的实现方法

发射站点首先向接收站点发送一个DATA帧，接收站点接着采用图18所示的ACK+ISM帧进行应答(一般性地，其Subtype子域也可定义为其它保留值)，将子信道-调制方式信息传送给发射站点。

三、接收站点根据信道信息确定各子信道的调制方式的实现方法

接收站点通过由发射站点发送的物理帧对传输信道作信道估计，进而确定在一定的空时编码方式和纠错码方式下MIMO系统中各OFDM子信道所要采用的调制方式。

在一定的空时编码方式和纠错码方式下，接收站点可根据信道估计的结果来计算得到各独立的数据子流在子信道解调制前在各OFDM子信道上的信噪比，从而确定这些子信道所要采用的调制方式，以克服OFDM工作方式下存在的频率选择性衰落和更充分地利用信道增益。

当接收站点接收到一个来自发射站点的物理帧后，它即可对发射站点到接收站点间的信道进行信道估计，进而，依据各独立的数据子流在发射端所要采用的空时编码方式得到它们在接收端子信道解调制之前在各OFDM子信道上的信噪比，从而可以确定各独立的数据子流在进行子信道调制时在各OFDM子信道上所要采用的信号调制方式。对于任一独立的数据子流，可通过以下步骤来确定其在发射端进行子信道调制时在各OFDM子信道上的信号调制方式。

设OFDM信号共有N个子载波，其中工作的子载波数为N′，传输信息数据的子载波数为K，N′-K个子载波用于实现系统的其它功能。设对于当前的独立数据子流，经过空时解码后、在进行子信道解调制之前各OFDM子载波信道上的信噪比可计算得到分别为SNR_k(k＝1，2，…，K)。为通过各子信道的信噪比来确定对应的发射数据子流在各子信道所要采用的调制方式，系统已事先针对对应的纠错码方式和设定的误码性能指标计算出了一组信噪比门限，该组门限中的每一个值对应于一种信号调制方式，表示当子信道的信噪比大于等于该门限值时，若其采用对应的调制方式，在该子信道将可达到好于设定指标的误码性能。

设系统所采用的调制方式为：{M(0)，M(1)，…，M(P)}，其中，圆括弧里的数字表示调制阶数，P为最高调制阶数，M(0)表示不发送数据，再设调制方式M(p)所对应的信噪比门限为S(M(p))(定义：S(M(0))＝0)，则对已经计算得到的信噪比SNR_k(k＝1，2，…，K)，可通过下式计算出各子信道所要采用的调制方式：

${\mathrm{Mod}}_k=\underset{M\left(p\right)}{\arg \max }\left\{S\left(M\left(p\right)\right)\right|{\mathrm{SNR}}_k\≥S\left(M\left(p\right)\right),p=\mathrm{0,1},\·\·\·,P\},(k=\mathrm{1,2},\·\·\·,K)---\left(4\right)$

式中，arg max表示与序列中的最大值对应的自变量参数。

通过信噪比比较来确定各子信道所要采用的调制方式的过程分别如图21所示。

接收站点在计算得到各子信道的调制方式后将其映射为数据比特组(即图7中的ModType子域)，放入图7所示的子信道-调制方式域中。对应于发射端各个独立的数据子流，均得到一个子信道-调制方式域。为使发射端在收到包含子信道-调制方式的数据帧后能准确地知道该数据帧中包含的子信道-调制方式域的个数，接收站点须在此数据帧中加入一个独立数据子流数域来标示该信息。当系统定义空时编码方式和纠错码方式的信息与子信道-调制方式信息捆绑传输时，还需要将当前的编码方式映射为数据比特组，放入到编码方式域中。接着，接收站点再为该编码方式和子信道-调制方式确定一个方案号、并写入到方案号域中。最后将该方案号域、编码方式域(如果其存在的话)、独立数据子流数域和子信道-调制方式域一起放入到传送子信道-调制方式信息的数据帧中。由各独立数据子流的各OFDM子信道的调制方式构造子信道-调制方式域、独立数据子流数域、编码方式域和方案号域的过程如图22所示，图中，编码方式域用虚框标出，其含义同图7中虚框的含义。至此，在接收站点得到准备向发射站点发送的子信道-调制方式信息。

四、信噪比判决门限的确定方法

接收站点子信道-调制方式的确定中所需的信噪比判决门限可预先在仿真平台上通过Monte-Carlo算法来求得。下面给出一个利用Matlab平台通过Monte-Carlo算法计算在一定的纠错码方式下各种调制方式的信噪比门限的实际例子来说明该方法。

设无线局域网系统采用式(1)所示的调制方式集M，其信道纠错码采用802.11a/g中规定的64状态的卷积码，采用3/4码率，并假定接收端采用软判决Viterbi算法进行译码。在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，我们通过Monte-Carlo算法，对M中每一种调制方式求得一条信噪比(SNR)-误比特率(BER)曲线。最后，我们得到各种调制方式下的信噪比-误比特率曲线如图23所示。

设系统要求物理层所要达到的误比特率为10^-4，则由图23，我们得到与10^-4对应的一组信噪比值(dB表示)为：

[3.5，6.5，10.2，12.8，16.7，18.4，22.3，24.0]

加入不传输数据的工作方式，得到相应的门限值为：

[0.0，3.5，6.5，10.2，12.8，16.7，18.4，22.3，24.0]

将其转化为绝对的倍数为：

[0.00，2.24，4.47，10.47，19.05，46.77，69.18，169.82，251.19]

于是，即得到当系统采用802.11a/g定义的3/4码率的卷积码时，接收站点在确定OFDM子信道所要采用的调制方式时所需要的一组信噪比判决门限值。

Claims (15)

1.一种超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于：

发射站点——指从网络层来看发送数据的站点，下同——在通过MIMO-OFDM方式传输数据时，在不同的OFDM子信道采用不同的信号调制方式；

由对应的接收站点——指从网络层来看接收数据的站点，下同——向发射站点提供在一定的空时编码方式和纠错码方式下在不同的OFDM子信道所要采用的调制方式的信息——这些信息在本发明中简称为子信道-调制方式信息；

接收站点依据发送数据在子信道解调制前的信噪比来确定在一定的空时编码方式和纠错码方式下发射端在各OFDM子信道所要采用的调制方式；

子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点的传送通过以下两种方式之一来实现：(1)发射站点与接收站点间的请求-应答方式，(2)接收站点的主动传送方式；

子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点的传送可以通过设计特定的数据帧来实现，也可以利用无线局域网在MAC层进行信息交互时发送的数据帧来实现；

该方法在MIMO-OFDM无线局域网中实现。

2.根据权利要求1所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，MIMO-OFDM系统的数据传输方法：

该MIMO系统的发射端在同一时刻可发送多个或一个独立的数据子流，这些独立的数据子流可以是通过对单个发送数据流进行分割而得到的；

由各个发射天线发送的发射数据子流均通过OFDM方式进行传输；

各个独立数据子流的数据被映射到各个OFDM子信道上进行传输；

对于不采用空时编码方式进行数据传输的系统，各个独立数据子流被直接作为发射数据子流进行发送；

对于采用空时编码方式进行数据传输系统，由独立的数据子流经空时编码生成相应的发射数据子流后进行发送。

3.根据权利要求2所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，MIMO-OFDM系统的各个独立的数据子流经空时编码生成相应的发射数据子流的方法：

MIMO-OFDM系统的空时编码在OFDM的各个子信道上分别实现，且对每个子信道上的数据采用相同的空时编码方式；

在各个OFDM子信道上，由各个独立数据子流在若干个时刻内在该子信道上的对应数据符号所构成的数据符号组被变换为另一个数据符号组进行发送；

这里的空时编码包含了在空间和时间两个维度上进行编码——即数据变换——的情形，也包含了只在空间一个维度上进行编码——即数据变换——的情形。

4.根据权利要求1和2所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于：发射站点通过对各独立的数据子流的不同OFDM子信道采用不同阶数的调制方式实现不同数量的数据比特传输的方法，它通过以下处理而实现：

接收站点根据各独立的数据子流在子信道解调制前在各OFDM子信道上的信噪比来确定发射端该独立的数据子流在各OFDM子信道的信号调制方式；

除了OFDM无线局域网已经采用的BPSK，QPSK，16QAM，64QAM调制方式外，还采用了256QAM，128QAM，32QAM，8QAM等调制方式。

5.根据权利要求1和2所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于：接收站点根据各独立的数据子流在子信道解调制前在各OFDM子信道上的信噪比来确定发射端该独立的数据子流在各OFDM子信道的信号调制方式的方法，它通过以下步骤而实现：

接收站点事先确定一组信噪比的判决门限，每一个判决门限对应于一种信号调制方式；

将计算得到的各独立的数据子流子信道解调制前在各OFDM子信道上的信噪比与上述信噪比判决门限作比较，从而确定发射端各独立的数据子流在各OFDM子信道上的信号调制方式。

6.根据权利要求1所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于：发射站点与接收站点间通过请求-应答方式实现子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点传送的方法，它通过以下步骤来实现：

发射站点向接收站点发送一个包含子信道-调制方式请求的数据帧——子信道-调制方式请求帧；

接收站点通过应答向发射站点发送一个包含子信道-调制方式信息的数据帧——子信道-调制方式信息帧；

该子信道-调制方式请求帧可通过特定的传送子信道-调制方式请求功能的数据帧来实现，也可利用MAC层的信息交互机制来实现；

该子信道-调制方式信息帧可通过特定的传送子信道-调制方式信息功能的数据帧来实现，也可利用MAC层的信息交互机制来实现。

7.根据权利要求6所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，由发射站点发往接收站点的子信道-调制方式请求帧的帧格式：

在其帧结构中包含了向接收站点请求子信道-调制方式信息的标志位。

8.根据权利要求6所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，接收站点发往发射站点的子信道-调制方式信息帧的帧格式：

在其帧结构中包含了在一定的空时编码方式和纠错码方式下发射端的各独立的数据子流的子信道-调制方式信息。

9.根据权利要求8所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，子信道-调制方式信息帧中子信道-调制方式信息的表示方法：

在子信道-调制方式信息帧中包含了一个方案号域、一个独立数据子流数域和若干个子信道-调制方式域；

独立数据子流数域标示了当前数据帧中子信道-调制方式域的个数，每个子信道-调制方式域对应于一个独立的数据子流；

若系统定义将采用的空时编码方式和纠错码方式的信息与子信道-调制方式信息捆绑传输，则在该数据帧中还包含一个编码方式域。

10.根据权利要求6所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，发射站点与接收站点间通过请求-应答方式实现子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点传送的方法：利用无线局域网MAC层的信息交互机制——如802.11网络MAC层的信息交互机制——实现子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点传送的方法，其特征在于：

发射站点与接收站点间在MAC层存在信息交互——802.11网络中MAC层信息交互的典型例子是：RTS-CTS信息交互和DATA-ACK信息交互；

在MAC层信息交互过程中，发射站点在向接收站点发送相应的MAC帧时，同时在该帧中标示对子信道-调制方式的请求；

在MAC层信息交互过程中，接收站点在对发射站点的MAC帧进行应答时，将子信道-调制方式信息置入应答帧，传送给发射站点。

11.根据权利要求1所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于：接收站点通过主动传送方式实现子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点传送的方法，它通过以下步骤而实现：

发射站点向接收站点发送了一个不包含子信道-调制方式请求的数据帧；

接收站点在此后向发射站点发送一个包含子信道-调制方式信息的数据帧——子信道-调制方式信息帧；

该子信道-调制方式信息帧可通过特定的传送子信道-调制方式信息功能的数据帧来实现，也可利用MAC层的信息交互机制来实现。

12.根据权利要求11所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，接收站点发往发射站点的子信道-调制方式信息帧的帧格式：

在其帧结构中包含了在一定的空时编码方式和纠错码方式下发射端的各独立的数据子流的子信道-调制方式信息；

该帧可采用与权利要求8所述的子信道-调制方式信息帧相同的帧格式。

13.根据权利要求12所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，子信道-调制方式信息帧中子信道-调制方式信息的表示方法：

在子信道-调制方式信息帧中包含了一个方案号域、一个独立数据子流数域和若干个子信道-调制方式域；

独立数据子流数域标示了当前数据帧中子信道-调制方式域的个数，每个子信道-调制方式域对应于一个独立的数据子流；

若系统定义将采用的空时编码方式和纠错码方式的信息与子信道-调制方式信息捆绑传输，则在该数据帧中还包含一个编码方式域；

可采用与权利要求9所述的子信道-调制方式信息表示方法相同的表示方法。

14.根据权利要求11所述的超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现方法，其特征在于，接收站点通过主动传送方式实现子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点传送的方法：利用无线局域网MAC层的信息交互机制——如802.11网络MAC层的信息交互机制——实现子信道-调制方式信息由接收站点向发射站点传送的方法，其特征在于：发射站点与接收站点间在MAC层存在信息交互——802.11网络中MAC层信息交互的典型例子是：RTS-CTS信息交互和DATA-ACK信息交互；

在MAC层信息交互过程中，发射站点在向接收站点发送相应的MAC帧时，同时在该帧中标示对子信道-调制方式的请求；

在MAC层信息交互过程中，接收站点在对发射站点的MAC帧进行应答时，将子信道-调制方式信息置入应答帧，传送给发射站点。

15.一种超高速多输入多输出OFDM无线局域网的实现系统，其特征在于：其由发射站点和接收站点所构成，在MIMO-OFDM无线局域网中实现；

其通过采用权利要求1所述的实现方法来实现；

其实现步骤为：发射站点首先向接收站点发送一个包含子信道-调制方式请求的数据帧或发送一个不包含该请求的普通数据帧；接收站点在接收到来自发射站点的数据帧后计算在一定的空时编码方式和纠错码方式下各独立的数据子流在不同的OFDM子信道所要采用的调制方式，得到子信道-调制方式信息；接收站点通过请求-应答方式或主动传送方式向发射站点发送该子信道-调制方式信息；发射站点在获得子信道-调制方式信息后，按该工作方式向接收站点发送数据。

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