第二章 MIMO-OFDM 系統介紹
2.2 IEEE 802.11n 系統介紹
Feature Mandatory Optional
Number of Spatial Streams 1 and 2 3 and 4
Number of Transmit Antennas 2 Greater than 2
Channelization bandwidth 20MHz 40MHz
Number of Occupied
Subcarriers 56 in 20MHz 114 in 40MHz
Number of Data Subcarriers 52 108
Number of Pilot Subcarriers 4 6
Modulation Order BPSK, QPSK,
16-QAM, 64-QAM 256-QAM
Code Rate 1/2, 2/3, 3/4, 5/6
Guard Interval 800ns 400ns
Convolutional Coding R=1/2, K=7, (g1=1338, g2=1718)
LDPC TX and RX Optional
TX Beamforming TX and RX Optional
表 2.2.1 802.11n 實體層(PHY)需求
其特色主要有下列幾點：
¾ 使用較大的頻寬(40MHz)
¾ 以 MIMO-OFDM 為主
¾ 空間多工(SDM)或時空區塊編碼(STBC)
¾ 空間延展(Spatial Spreading)與傳輸端的波束成型(Beamforming)
¾ 進階編碼(LDPC)
¾ 延伸的調變與編碼方式(Extended Modulation and Coding Scheme) 觀察表 2.2.1，TGn Sync 主要以兩根天線且 20MHz 頻寬為主，與早期的單 天線傳輸使用相同的頻寬。操作的頻帶在 2.4GHz 以及 5GHz，其傳輸端架 構如下圖：
圖 2.2.1 MIMO 傳送端架構
由圖可知，其錯誤更正碼架構是採用單一編碼器。對傳統的迴旋碼 (Convolution Code)而言，在這邊採用的編碼率為 1/2。經過編碼的位元藉 由穿刺器(Puncture)產生其他不同的編碼率，如 2/3，3/4 或是 5/6 等。但是 若編碼器採用 LDPC，則不用搭配穿刺器。
經過穿刺器後的位元將分配到Nss個空間資料串上。在每個空間資料串 上，對應到同一個 OFDM 符元的位元將會被交錯器(Interleaver)打散。由於 此 打 散 動 作 是 將 不 同 子 載 波 間 的 位 元交 錯 ， 所 以 又 稱 為 頻 域 交 錯 器 (Frequency Interleaver)，可避免 Burst Error 對接收端解碼時的影響。經過
交錯器打散後的位元會被對應的不同的星狀圖上，可能是 BPSK，QPSK，
16QAM，64QAM 或是 256QAM，主要是依照環境狀況做調整。然後把這 Nss 個 空 間 資 料 串 對 應 到 天 線 上 ， 此 時 要 注 意 一 個 限 制 ， 也 就 是 Nss≦min{NTx,NRx}。對應的方式是藉由一個轉換矩陣 Q，此轉換矩陣有三 種模式，以下將個別介紹。
直接對應(Direct Map)的 MIMO 架構
圖 2.2.2 直接對應的 MIMO 架構圖
此架構是最簡單的對應模式。在此架構中，轉換矩陣Q 只是一個單位 矩陣的對應，也就是 Tx Tx
N ×N NSS
⎡ ⎤
= ⎣ ⎦
Q I 。每個空間資料串會對應到每根天線
上，為一對一的對應。由於Nss小於NTx，所以只有Q 的前 Nss個列會被使 用到，而剩下的NTx-Nss個列則都設為零。
空間延展(Spatial Spreading)
圖 2.2.3 空間延展搭配循環延遲架構圖
基本的空間延展概念是使用一正交矩陣W 的前 Nss列，而此矩陣在每 波束成型的效應，也可以增加系統的效能(Transmit Diversity)。圖 2.2.3 可 看成是圖 2.2.1 的一種變形，但是在數學上可以使他們相等。我們知道在 時域的延遲等於在頻域乘上一個相位的平移，因此只要讓Q ΦW= r，則圖 2.2.3 就可以表示成如圖 2.2.1 之結構，其中Φ是一個NTx×NTx的對角矩陣，
如(2.2.3)所示。在頻域乘以exp(−j2πk∆FD)，等效在時域做一個D 時間的循 只簡要介紹基於通道 Singular value decomposition(SVD)下的一個最佳方 式。在此架構下，轉換矩陣Q 會根據目前 MIMO 通道狀況做設計。最佳 的轉換矩陣就是通道在 SVD 下的右奇異向量(Singular Vectors)。假設通道 H 代表訊號在頻域遭遇到的通道，是一個 NRx×NTx的矩陣。則通道的 SVD 使用 SVD 的好處是可以藉由適應性調變(Adaptive Modulation)增加傳送效 率，也就是不同的資料串可以根據通道狀況做調整，使傳輸效率提高。在
其中奇異數矩陣D 代表目前通道的狀況，我們可以在 SNR 高的通道傳送 較高的資料量，而 SNR 低的通道則傳送比較少的資料量。
MIMO Modes Characteristic Extent of TX adaptation
Basic MIMO (mandatory)
• Antenna mapping: direct map or spatial spreading
• No adaptation is performed in the spatial domain
• MCS selection (adaptation) is based upon either: (1) binary feedback (i.e.
ACK/noACK), or (2)
recommendation from the RX, or (3) availability of CSI at the TX
TX Beamforming (Optional)
• All spatial streams are spatially shaped via a beamforming matrix that may be different for each subcarrier.
• The basic MCS set and extended MCS set is used, which would support different data rates across spatial streams.
• CSI is required at the TX
• Sounding packet from the recipient to the initiator is required to estimate the CSI at the transmitter
• RF calibration at transmitter side is required since reciprocity is used to perform TX beamforming
• It is not mandated at devices which don’t support Tx BF that they should be involved in calibration sequence.
表 2.2.2 MIMO 傳輸模式
表 2.2.2 是針對上述幾種 MIMO 的傳輸模式做一個整理，主要分為兩 種模式。一個是基本的 MIMO 傳輸，採用直接對應或是空間延展的傳輸架 構，並且可藉由接收端的回饋(Feedback)訊號或是由傳送端自己估測得到 的通道狀態資訊(Channel State Information, CSI)來做調變的選擇；另一種模 式是波束成型，採用延伸的調變模式，可以使不同的空間資料流採用不同 的傳輸率。另外，在 20MHz 的頻寬模式下，每個 OFDM 符元包含 56 個 tones，其中 52 個是 data tones，4 個是 pilot tones，其配置方式大致與 IEEE 802.11a[11]相同，只是在兩邊各多加了兩個 data tones。在 40MHz 頻寬下，
比傳統單天線的頻寬多了一倍，所以 tone 的配置也會不同。如下所示：
Data Tones Populated Tones Pilot Tones
= − − − + + + +39 以及-39 的位置是擺放 Pilot Tones，現在則換成 Data Tones，如此一來 增加了資料的傳輸量。