信息与通信工程硕士论文-基于80211n无线局域网的同步技术研究.pdf

浙江大学信息与电子工程学系 硕士学位论文 基于802.11n无线局域网的同步技术研究 姓名：彭晓霜 申请学位级别：硕士 专业：信息与通信工程 指导教师：李式巨 20090501 摘要 i e e e8 0 2 1 l n 在高吞吐量上有比较大的突破，是下一代无线网络技术的标 准，可支持对带宽最为敏感的应用所需的速率，范围和可靠性，其物理层采用的 是m i m oo f d m 技术。 同步技术作为m i m oo f d m 的关键技术之一，已经成为当前研究的热点。 本文首先介绍了无线局域网的发展情况和i e e e8 0 2 1 1 n 的特点，并对m i m o o f d m 基本原理和i e e e8 0 2 1 1 n 的协议标准进行了阐述和分析；在对无线信道传 播特性和同步误差对系统性能的影响进行研究的基础上，给出了本文的信道模型 和无线局域网仿真模型；文中对m i m oo f d m 系统的同步算法进行了归纳，并详 细介绍了三种经典的同步方法。 本文重点对i e e e8 0 2 1 1 n 无线局域网系统中的定时同步算法和频率同步算 法进行了分析和研究，其中定时同步分为帧定时同步和符号定时同步，频率同步 分为粗频率同步和精频率同步。 定时同步算法在传统算法的基础上，给出了适用于i e e e8 0 2 1i n 无线局域网 的改进算法，研究了实际系统中的峰值检测方法和门限设定要求，还给出了一种 精度较高的定时同步算法。仿真结果表明，改进算法能够更好的适应多径衰落信 道和各种信噪比环境，有效提高了定时同步的精度，降低了虚警概率和误检测概 率，同时基于m i m o 的多天线分集能够起到增强检测的作用。 频率同步算法针对i e e e8 0 2 1 1 n 前导训练符号的结构特点，给出了改进算 法。仿真表明，改进算法能够减小频偏估计的均方误差，提升频偏估计精度。 关键词：8 0 2 1 l n ：无线局域网；同步：正交频分复用；多输入多输出 a b s t r a c t i e e e8 0 2 1ini st h es t a n d a r do fn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s s n e t w o r kt e c h n o l o g i e sw i t h r e m a r k a b l ee n h a n c e m e n to fh i g ht h r o u g h p u t ，w h i c hs u p p l yn e c e s s a r yr a t e ，r a n g ea n dr e l i a b i l i t yf o r a p p l i c a t i o n ss e n s i t i v et ob a n d w i d t h i e e e8 0 2 1 lns t a d a r da d o p t sm i m oo f d mi ni t sp h y s i c a l l a y e r a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fm i m oo f d m ，s y n c h r o n i z a t i o nc o m e s t ot h er e s e a r c h f o c u s i nt h i sp a p e r f i r s t l yw ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sa r e an e t w o r k ( w l a s y s t e m s ，f e a t u r e sa n dp r o t o c a ls t a n d a r do fi e e e8 0 2 1l n ，a n dt h ep r i c i p l e o fo f d m b a s e do nt h e s t u d yo fp r o p e r t i e so fw i r e l e s sa c c e s sc h a n n e la n de f f e c t s o fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o ro ns y s t e m , w e p r e s e n tc h a i l n e lm o d e la n dw l a ns i m u l a t i o nm o d e l a d d i t i o n a l l y , w ei n d u c es y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m so fm i m o o f d ma n dd e s c r i b e d t h r e ec l a s s i c a la l g o r i t h m si nd e t a i l i nt h i sp a p e r ，w ef o c u so nt h ea n a l y s i sa n ds t u d yo ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o nf o ri e e e8 0 2 1i n b a s e dw l a ns y s t e m t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s c o n s i s to ff l a m es y n c h r o n i z a t i o na n ds y m b o lt i m i n g ，a n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s i n c l u d ec o a r s es y n c h r o n i z a t i o na n df m es y n c h r o n i z a t i o n b a s e do nt h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m s ，t h ep r o p o s e dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa r e a p p l i c a b l et oi e e e8 0 2 1l nw l a ns y s t e m w i t ht h e s ea l g o r i t h m s ，w es t u d yt h ep e a kd e t e c t i o n m e t l l o da n dt h r e s h o l ds e n i n gr e q u i r e m e n ti nr e a ls y s t e m s a d d i t o n a l l y ，ah i g ha c c u r a c ya l g o r i t h m i s p r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ti m p r o v e da l g o r i t h m sa r eb e t t e ra d a p tt o t h em u l t i p a t h f a d i n gc h a n n e la n dd i f f e r e n ts n r w i t hh i g h e rp r e c i s i o n ，l o w e rf a l s ea l a r mp r o b a b i l i t ya n de r r o r d e t e c t i o np r o b a b i l i t y m e a n w h i l e ，i ti ss e e nt h a tm i m ob a s e dm u l t i a n t e l m ad i v e r s i t yc a ne n h a n c e t h ed e t e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fp r e a m b l eo fi e e e8 0 2 1l ns t a n d a r d ，w ep r o p o s ei m p r o v e d a l g o r i t h m sf o rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h e yc a nr e d u c et h e m e a ns q u a r ee r l o fo ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n di m p r o v ep r e c i s i o ns i m u l t a n e o u s l y k e yw o r d s ：8 0 2 11 n ；w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ；s y n c h r o n i z a t i o n ；o f d m ；m i m o 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝至三盘茎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 撇一虢吲埔期：7 年么月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位：们慵 签字胁叫年多月j 日 i 导师签名： 式巨 签字日期抛c 7 年厶月厂日 戈汐 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 信息时代，以国际互联网i n t e m e t 和无线移动通信为代表的信息技术的快速 发展给人们的日常生活带来了极大的方便，对可携带、可移动的计算机或工作站 的需求不断增长。近些年来，随着w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 等短距离无线通信技术 在办公室和家庭中逐步得到应用，无线局域网( w l a n ) 以其高灵活性、紧急状况 下的健壮性被广泛应用，开始成为通信发展的一大热点。无线局域网不仅可以实 现许多新的应用，还可以克服线缆限制引起的不便性，解决某些特殊区域无法布 线的问题。目前，无线局域网己经被广大用户作为一般目的的网络连接来使用， 很多场所都配置了w l a n 。无线局域网现有的标准有很多，例女h ：i e e e8 0 2 1 1 、 h i p e r l a n 、b l u e t o o t h 等，但是应用最为广泛的却是i e e e8 0 2 1 1 系列标准。随着 o f d m 、m i m o 等各种新技术的不断引入，无线局域网呈现出大容量、高速率等 特点，给人们的日常信息处理和娱乐生活带来了更大的便利，同时也对满足更高 速率传输的无线局域网协议提出了新的要求。 1 1 1 无线局域网的发展 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。1 9 9 7 年i e e e 8 0 2 1 1 标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算机 专家审定通过的标准。i e e e8 0 2 1 1 标准【l ，2 】定义了单一的m a c 层和多样的物理 层，目前应用于市场的产品中所使用的协议标准主要有i e e e8 0 2 1 1 a b g 。 1 9 9 9 年9 月正式通过的i e e e8 0 2 1 1 b 标准是i e e e8 0 2 1 1 协议标准的扩展。它 可以支持最高1 1 m b p s 的数据速率，运行在2 4 g h z 的i s m 频段上，采用的调制技 术是直序列扩频( d s s s ) 和补偿编码键控( c c k ) 。但是随着用户不断增长的对 数据速率的要求，c c k 调制方式就不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列 扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速 浙江大学硕士学位论文 率就要更高，这对于现有的码片来说比较困难；对于接收端的r a k e 接收机来说， 在高速数据速率的情况下，为了达到良好的时间分集效果，要求r a k e 接收机有 更复杂的结构，在硬件上不易实现。 i e e e8 0 2 1 l a i 作5 g h z 频段上，使用正交频分复用( 0 f d m ) 扩频技术和 q f s k 调制方式，可支持5 4 m b p s 的传输速率。8 0 2 1 1 a 优势在于传输速率快( 最高 5 4 m b p s ) 且受干扰少。由于8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 l b i 作在不同的频段上，不能工作在 同一a p 的网络里，因此两者互不兼容。 为了解决上述问题，进一步推动无线局域网的发展，2 0 0 3 年7 月8 0 2 1 1 工作 组批准了8 0 2 1 l g 标准。它是一种混合标准：采用了8 0 2 1 1 b 中的c c k 和8 0 2 1 1 a 中 的o f d m ，可以在2 4 g h z 频段提供5 4 m b p s 的数据传输速率。8 0 2 1 1 9 标准能够与 8 0 2 1 l b 的w i f i 系统互相连通，共存在同一a p 的网络里，保障了向后兼容性。这 样原有的w l a n 系统可以平滑的向高速无线局域网过渡。 随后的8 0 2 1 l i e f i h 等标准对w l a nm a c 层协议和服务质量( q o s ) 机制进 行了修改和整合，以满足不同的性能需求。表1 1 给出了8 0 2 1 1 系列的接口标准。 表1 18 0 2 1 l 系列标准空中接口标准 协议标准 8 0 2 1 1 b8 0 2 1 1 a 8 0 2 1 l g 8 0 2 1 1 n 标准化时间 1 9 9 91 9 9 92 0 0 3 草案 最大数据传输速率 1 1 m b p s5 4 m b p s5 4 m b p s6 0 0 m b p s d s s s c c 列 调制方式 d s s s c c ko f d md s s s c c k o f d m m i m o0 f d m 占用频率 2 4 g h z 5 g h z2 4 g h z2 4 g h z 5 g h z 空间流个数 1l11 2 3 4 佰】苴带苋2 0 m h z2 0 m h z2 0 m h z2 0 m h z 4 0 m h z 随着市场对性能更高的无线局域网的需求越来越大，上述产品的传输速率已 经不能满足人们对视频流媒体传输的高速率要求。研究更高速率的无线局域网协 议迫在眉睫，i e e e8 0 2 1 1 n 协议呼之欲出。 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 2i e e e8 0 2 1 l n 技术特点及发展现状 电气和电子工程师协会标准协会( i e e e s a ) 在2 0 0 3 年下半年成立了 i e e e 8 0 2 1 1 n 任务小组( 8 0 2 1 1 t g n ) 。t g n 的目标是定义物理层和介质访问控制层 ( p h y m a c ) 的改进，从而在介质访问控制层服务访问点( m a cs a p ) 将传输速率 从8 0 2 1 1 a g 的5 4 m b p s 提高到1 0 8 m b p s 以上，同时要与现有的i e e e8 0 2 1 1w l a n 遗留解决方案( 8 0 2 1 l a b g ) 兼容，确保顺利过渡。8 0 2 1 l n 的提案分为两大阵营， t g n s y n c 和w w i s e 联盟，二者的标准提案差别并不大，均采用了阵列天线加 m i m oo f d m 技术和简化的m a c 协议设计。在解决w w i s e 联盟和t g n s y n c 联盟 两大技术阵营之争后，8 0 2 1 1 n 技术标准将正式出台。 i e e e8 0 2 1 1 n 标准【3 ，4 】全面改进t 8 0 2 1 1 标准，不仅涉及物理层标准，同时也 采用新的高性能无线传输技术提升m a c 层的性能。8 0 2 1 1 n 结合了多种技术，其 中包括空间多路复用多入多出，即s p a t i a lm u l t i p l e x i n gm i m o ( m u l t i i n m u l t i o u t ) 、2 0 m h z 和4 0 m h z 信道以及双频带( 2 4 g h z 和5 g h z ) ，其中将m i m o 与 o f d m 技术相结合而应用的m i m oo f d m 技术，不但提高了无线传输质量，也使 传输速率得到极大提升。而为了提升整个网络的吞吐量，对8 0 2 1 1 标准的单一 m a c 层协议进行了优化，改变了数据帧结构增加了净负载所占的比重减少 管理检错所占的字节数。8 0 2 1 1 n 技术主要有以下特点 2 】： 在天线方面，智能天线技术的应用解决了8 0 2 1 1 n 的传输覆盖范围问题，通 过多组独立天线组成的天线阵列系统，动态地调整波束的方向，使得8 0 2 1 1 n 能 保证用户接收到稳定的信号，同时也能有效减少其它噪音信号的干扰，使无线网 络的传输距离能够增加到几公里，移动性大大增强。 在兼容性方面，8 0 2 1 l n 通过采用软件无线电技术，解决不同标准采用不同 的工作频段、不同的调制方式，造成系统间难以互通，移动性差等问题。软件无 线电技术将根本改变网络结构，实现无线局域网与无线广域网融合并能容纳各种 标准、协议，提供更为开放的接口，最终大大增加网络的灵活性这意味着w l a n 将不但能实现8 0 2 1 1 n 向前后兼容，而且可以实现w l a n 与无线广域网络的结合， 比如3 g 。 此外，8 0 2 1 1 n 技术还采用了最新的安全技术w p a 2 ，配置a e s 力h 密支持5 种可扩展身份验证协议。支持数据密集型应用和多用户接入，帮助企业消除信号 浙江大学硕士学位论文 盲点等等，从而提高工作效率。 1 2 国内外研究状况和前景 对任何数字通信系统来说，同步都是一个需要解决的实际问题。没有精确 的同步算法，就不能对传送数据进行可靠的接收。在o f d m 系统中主要包括定时 同步、载波同步和采样同步。i e e e8 0 2 1 1 n 是物理层采用m i m oo f d m 技术的标 准，对于m i m oo f d m 系统，时间和频率同步是其关键技术。 针对s i s oo f d m 系统的同步算法，研究成果较多，大致分为基于保护间隔 的同步【5 6 1 、基于导频的同步【7 ，8 1 、基于p n 序列的同步9 2 0 1 以及盲同步2 1 彩】，其中 基于p n 序列的同步，是本文参考和研究的重点，因为i e e e8 0 2 1 1 n 的前导结构中 定义了高效的序列，是我们进行同步的基础，后面将对此详细介绍。 目前针对m i m oo f d m 系统同步的研究还刚刚开始，其中既有研究集中式 m i m o 的，也有研究分布式m i m o 的，但研究集中式m i m o 的居多，而在分布式 m i m o 中都是假设各天线对之间时延均相等。 文献 2 4 分析了m i m o 系统定时误差、频率偏移误差对m i m oo f d m 系统性 能的影响，分析结果与仿真结果相吻合。 文献 2 5 ，2 6 y 寸m o d y 提出的时间和频率同步算法，其中 2 5 是最早的关于 m i m oo f d m 系统时间和频率同步的文献，此算法的假设是所有发射天线到达所 有接收天线的时间延迟相同、频率偏移相同。用于同步的训练序列由重复序列构 成，其定时粗同步通过接收信号作延时相关后取模实现；定时精同步通过将接收 信号与本地序列作相关完成；频率粗同步将接收训练序列作f f t 后与本地时域训 练序y u f f t 变换后的序列作相关求最大值实现。文献 2 7 研究了宽带m i m o o f d m 系统无线通信，其中采用的就是m o d y 的方法。 文献 2 8 中z e l s t 矛 1 s c h e n k 提出了m i m oo f d m 同步算法，其先决条件同 m o d y 的方法，其同步训练序列由多个o f d m 符号组成，各发射天线上训练序列 在时域上相互错开。帧同步通过接收信号延迟相关取模、累加来实现，符号定时 同步利用发射分集和接收分集，将接收信号与本地训练序列相关取模得到。频率 同步则是利用接收信号延迟相关所得结果的相位信息。 4 浙江大学硕士学位论文 文献 2 9 中提出了一种m i m o 系统时间延迟相同、频率偏移不同的频率同步 方法。该方法中训练序列由重复的相互正交的序列组成。其频率同步通过接收信 号与发射天线放置的不同训练序列相关，所得结果再延迟相关，最后利用相位信 息实现对发射天线和接收天线对间的频偏估计。 文献 3 0 中提出了一种m i m o 系统中时间延迟相同、频率偏移相同的时间和 频率同步方法。 文献 3 1 是一种盲频率同步方法，不需要训练序列。它利用虚子载波进行频 率偏移估计，由于利用了接收天线分集，与其在s i s om i m o 系统中的性能相比 较，低信噪比时性能改善明显。此外文献 3 2 1 h h 也采用了盲频率同步方法，与利 用虚子载波的方法相比，具有计算复杂度低的优点。 通过对上述各种算法的分析，可以发现在m i m oo f d m 系统中进行同步的算 法往往分两步：第一步通过前后相关( 或利用保护间隔或利用重复序列) 得到粗定 时位置，同时得到粗频偏的估计值；第二步通过对已校正了粗频偏的数据作本地 相关得到精定时位置和精频偏估计。第一步与s i s oo f d m 系统的方法类似，尽 管由于多天线的存在导致信道的多径数增多，但其对系统性能影响不大，在某些 情况下还可以使得信道类似于瑞利( r a y l e i g h ) 信道而有利于估计。考虑到m i m o o f d m 系统所应用的环境所受噪声影响更大，因此这一步主要考虑算法对抗噪声 的能力。因此就算法而言，s i s oo f d m 系统中的粗定时和粗频偏算法可以直接 应用到m i m oo f d m 系统当中。对于m m i oo f d m 系统中算法中的第二步，由于 解调的需要，一般要求确定出接收天线所接收的各个发射天线所发射的信号的起 始位置，这就要求各个发射天线用于确定精定时位置的序列之间是相互正交的， 如果能解决这一点，则用于s i s oo f d m 系统的定时同步算法就能用于m m i o o f d m 系统之中。此外，还可以看到，在o f d m 系统中，主要存在两种典型的整 体同步方案，如图1 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 时频域同步方案 一鬻h 黼暑葬h 频嚣h 髫h 频掣h 肿i_ 1 钟同步广 粗频偏估计广校正广 同步广校正广 什1 全时域同步方案 图1 - 1 两种同步方案 总之，m i m oo f d m 系统同步技术的研究尚处在探索阶段，深入的研究工 作正待进行，同时，根据i e e e8 0 2 1 l n 无线局域网的特点有效利用这些算法，也 是提升w l a n 性能的一个重要方面。 1 3 本文的主要工作 i e e e8 0 2 1 l n 无线局域网采用了m i m oo f d m 技术，而同步问题是m i m o o f d m 的一项关键技术和难点。本文主要研究在i e e e8 0 2 1l n 标准下，同步误差 对系统性能的影响，并利用其前导的特殊结构，将s i s oo f d m 和m i m oo f d m 系统的各种算法运用到无线局域网系统中，提供在恶劣信道环境中仍然具有一定 抗干扰，抗衰落性能的同步解决方案。同步方案中包括定时同步和频率同步，重 点介绍了同步方法并进行了仿真分析。本文的组织结构如下： 第一章为绪论部分，主要介绍无线局域网技术的发展，包括i e e e8 0 2 1 l n 技术的特点和发展现状，并对国内外目前关于o f d m 系统同步研究的文献内容进 行归纳和总结。 第二章将介绍o f d m 的基本原理、优缺点，m i m o 的技术思想和特点以及 m i m oo f d m 系统的优势和发展方向。 第三章对i e e e8 0 2 1 1 n 物理层标准进行详细介绍，包括帧结构、系统时间参 数、前导结构等；建立i e e e8 0 2 1 1 n 无线局域网的系统仿真模型，包括收发端方 6 浙江大学硕士学位论文 案，构造运用于仿真的前导训练符号等。 第四章首先介绍无线信道的传播特性并给出本文仿真的信道模型，然后运 用数学方法分析同步误差对系统性能的影响，最后对经典的m i m oo f d m 同步方 法进行详细的介绍。 第五章阐述基于m i m oo f d m 的无线局域网定时同步算法，其中针对帧同 步算法给出两种改进算法，讨论实际系统中的峰值检测方法和门限设定要求；针 对符号定时算法进行改进；此外还将介绍一种精度较高的定时同步算法，可用于 联合定时同步；对上述算法都将进行仿真分析和比较，验证算法的性能。 第六章分析讨论频率同步算法，粗频率同步算法中给出两种算法的原理和 频偏估计变量，并进行仿真比较；精频率同步算法对s i s oo f d m 中的算法进行 扩展，并加以改进，同样给出仿真分析结果。 第七章总结全文的工作，并对未来的工作提出展望和建议。 浙江大学硕士学位论文 第二章m i m oo f d m 系统基本原理及关键技术 2 1o f d m 基本原理 正交频分复用【3 3 】( o f d m ) 是一种多载波调制方式，其基本思想是把高速 率的串行信源信息流通过串并变换，变换成低速率的路并行数据流，然后将 这路数据流分别调制到n 个相互正交的子载波上，最后将路调制后的信号 相加即得发送信号。o f d m 系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实 现调制和解调，从而可以大大简化系统实现的复杂度。 ( 互) o f d m 系统基本模型 一个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子 载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调锌i i j ( q a m ) 符号的调制。如果表 示子信道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度，d i ( i = o ，1 ，一1 ) 是分配给每个子 信道的数据符号，z 是第。个子载波的载波频率。r e c t ( t ) = 1 ，i t i r 2 ，则从 t r 2 开始的o f d m 符号复等效基带信号可以表示为 j ( ，) ：箩- j d r e c t ( r 一一吾 e x p ( 歹2 万吾( ，一乞) ) 乞r t + 丁 。2 。， 【0f 气+ 丁 图2 一l a 是o f d m 原理图，图2 一l b 是o f d m 系统框图，其中z = z + 丁。 虱一：击- 瓜i & p + ： - e , - 2 确 瓜n 一。o 一奎幅砷 叫壹卜辐一叫；：卜叫f ( o 汁一 b ，s ： l 一勰似 叫孓一幅g 砑一叫。：卜一- 【0 井_ 图2 1 ao f d m 原理图 浙江大学硕士学位论文 图2 1 bo f d m 系统框图 o f d m 调制要求子载波间完全正交，所以每个子载波在一个o f d m 符号周期 r 内需包含整数倍个周期，而相邻子载波的频率间隔是o f d m 符号周期丁的 倒数，即a f = l r 。可以证明得到o f d m 信号的频谱实际上是满足奈奎斯特准则 的，即多个子载波之间保持正交，不存在相互干扰。 保护间隔( g i ) 和循环前缀( c p ) 应用o f d m 的一个最主要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输 入的数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数 据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的 比值也同样降低倍。为了最大限度消除符号间干扰( i s i ) ，还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) ，而且该保护间隔长度i 一般要大于 无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干 扰。为了消除由于多径造成的信道间干扰( i c i ) ，o f d m 符号需要在其保护间隔 内填入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 信号。这样就可以保证在f f t 周期内，o f d m 符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔 疋的时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 o f d m 技术优缺剧3 3 】 o f d m 技术能引起如此多的关注并得到广泛的应用，是因为其具有很多优 点： ( 1 ) 有效减d x l s i 。把高速率数据流通过串并变换，可以有效减少由无线信 道的时间弥散所带来的i s i ，从而减少了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以 9 浙江大学硕士学位论文 不用均衡，仅通过采用插入循环前缀的方法就可以消除i s i 的不利影响； ( 2 ) 支持非对称业务。o f d m 系统通过使用不同数量的子信道来实现无线 数据业务中上下行的不同速率传输，确保物理层支持非对称的高速率数据传输； ( 3 ) 提高频谱利用率。o f d m 系统由于各个子频带之间存在正交性，允许 子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大 限度的利用频谱资源，当子载波数目很大时，系统的频谱利用率趋于2 b a u d h z ； 但是o f d m 系统内存在多个正交的子载波，且输出信号也是多个子信道的叠 加，因此与单载波系统相比存在如下缺点： ( 1 ) 存在较高的峰均功率比( p a p r ) 。多载波系统的输出是多个子信道信号 的叠加，因此如果多个信号的相位一致，那么所得到的叠加信号的瞬时功率就会 远远高于信号的平均功率，出现较大的峰均功率比，使信号的频谱发生变化，从 而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统性能恶化。 ( 2 ) 易受频率偏差的影响。o f d m 技术对子载波之间的正交性有严格的要 求，但是由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的频谱偏移或频率偏差都会 使o f d m 系统子载波间的正交性受到破坏，产生子信道的信号互相干扰( i c i ) ，这 种对频率偏差的敏感是o f d m 系统的主要缺点之一，也是o f d m 系统频率同步中 需要重点解决的问题。 2 2m i m o 基本原理 多输入多输出【3 4 】( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术已经被视作 第四代移动通信技术的重要组成部分而受到通信界的强烈关注。m i m o 技术提供 了解决无线通信容量瓶颈的可能性，这对将来的无线通信非常重要。m i m o 系统 可以简单的理解为一个多输入多输出系统，即有多个发送天线和多个接收天线的 系统。 m i m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发 射端与接收端采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播 的多径分量足够丰富，各对发送接收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各 1 0 浙江大学硕士学位论文 对等效的发送接收天线间的无线传输信道趋于独立，这些同频率、同时间、同 信道特征码的子信道趋于相互正交。 m i m o 系统的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过 使用多副天线来增加空间维，实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间分集 增益。因此，m 1 m o 技术可以视为智能天线技术的一种扩展。m 1 m o 系统不仅可 以提供更多的空间分集增益，而且还可以通过信号组合来提供阵列增益。实际上， m i m o 系统将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的 通信容量和频谱利用率。m i m o 系统具有如下几方面的优点： ( 1 ) 在假设各天线互相独立的条件下，多天线系统比单天线系统在信道容量 方面有显著提高。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率，也可以通过 增加信息冗余度来提高通信系统的传输可靠性，或者在两者间获得一个合理的折 衷。 ( 2 ) 空间复用提高频谱利用率。 ( 3 ) 利用发送分集提高系统的传输性能。m i m o 系统的一个主要特征是，它 可以将多径作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统能利用多副天线所带来的多 条传输路径获得空间分集增益，从而提高系统传输性能。 2 3m i m oo f d m 系统 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带 宽效率。m i m o 技术利用多天线实现多收多发，充分利用空间资源，但对于频率 选择性深衰落，m i m o 系统则依然无能为力。另一方面，o f d m 系统利用频分复 用技术，提供了一种将频率选择性信道变换为平衰落信道的有效方法。 o f d m 技术利用串并变换和正交性将信道分成若干正交的窄带子信道，从时 域看是展宽了o f d m 符号的持续时间，变高速数据信号为并行的低速子数据流； 从频域看是将频率选择性信道变为平坦衰落信道。而m i m o 系统在平坦衰落信道 上可显著提高信道容量【35 l 。因此，将m i m o 和o f d m 相结合构成的m m i oo f d m 系统【2 7 , 3 6 】可以充分发挥m i m o 和o f d m 各自的优势：通过o f d m 调制把频率选择 浙江大学硕士学位论文 性m i m o 衰落信道转换成一组并行的平坦衰落信道，再利用m i m o 技术来提高系 统信道容量。m m i oo f d m 系统已经成为无线通信研究的一个热点。 除去纯粹的天线分集外，m i m oo f d m 系统主要有两个发展方向：一是空时 编码o f d m ( s p a c e t i m ec o d e do f d m ，s t c o f d m ) ，即o f d m 与基于发射分集 的空时码的结合，它主要利用信道编码和多天线阵技术提高系统的抗衰落特性， 从而可以在低信噪比下利用多进制传输，以提高系统的数据传输速率。二是基于 o f d m 的空间复用( o f d m - b a s e ds p a t i a lm u l t i p l e x i n gs y s t e m s ) ，即o f d m 与贝尔实 验室b l a s t 系统( 分层空时编码) 的结合，它主要利用无线信道的多径传播特性产 生并行空间信道，以达到提高传输速率的目的。 2 4 本章小结 本章对o f d m 系统的基本原理、优缺点进行了阐述和分析，同时对无线通信 领域研究的热点之一：m i m o 技术，介绍了其基本思想和技术特征。在此基础上， 对m i m o 和o f d m 技术相结合产生的m i m oo f d m 系统的优势和发展方向做了 简要介绍。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第三章i e e e8 0 2 1ln 物理层标准及仿真模型 3 1i e e e8 0 2 1 ln 物理层标准 i e e e8 0 2 1 i n 物理层【4 】结构又被称为h t ( h i g h t h r o u g h p u t ) ，即高数据吞吐量 系统。在i e e e8 0 2 1 1 n 关于无线局域网的规定中，其物理层汇聚协议( p l c p ， p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 采用的是m i m oo f d m 调制的技术标准。该 标准的基本模式( m a n d a t o r ym o d e ) 占有2 0 m h z 的频宽，天线数为2 根：而选择模式 ( o p t i o n a lm o d e ) 贝, l j 可以占有4 0 m h z 的频宽，天线数可达4 根。物理层数据子载波调 制方式可选用b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 或6 4 q a m ；前向纠错编码( 卷积码) 可使用l 2 、 2 3 、3 4 或5 6 的编码速率，在选择模式下可使用低密度奇偶校验( l d p c ) 码。 3 1 1i e e e8 0 2 1 l n 物理层帧结构 i e e e8 0 2 1 1 n 物理层的p l c p 协议数据单元( p p d u ) 包括前导和数据两部分， 格式如图3 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 n o d h tp p d u 8 1 a s8 i i s4 厂l 、厂人 广 h r m i x e df o r m a tp p d u 妒驴 4 i l s 吵 4 p s 4 p sp e rl t f4 p sp e rl tfdata tl t f se x t e n s i o nh t - l t f s h 厂k 厂_ ，k 、r 八、，、l v ，人 厂_ = 二k e 三 三工工三j 习习王匝 h t - g r e e n f i e l df o r m a tp p d u 妒寸8 p s d 。a 肛t ah 咿t - l l 丌t f 8 聃嚣嚣8 厂八、厂 、厂入、，_ 二二 一、厂二_ 、 e 三三工三正王臣 图3 1i e e e8 0 2 1i np p d u 帧结构 i e e e8 0 2 1 l n 的前导( p r e a m b l e ) 是为了帮助数据分组起始点的检测而设计 的，采用前导的不同段完成同步、自动增益控制( a g c ) 、分集选择、信道估计 等。与i e e e8 0 2 1 l a 标准相比，i e e e8 0 2 1 1 n 数据的帧结构是在8 0 2 1 1 a 数据帧结 构的基础上增加了一些开销用于m i m o 信道检测，同时为了向下兼容8 0 2 1 1 a 和 8 0 2 1 l g 标准，i e e e8 0 2 1 l n 标准中提出了三种不同的帧格式，分别用于三种工作 模式：n o n h t 模式，h t - m i x e d 模式和h t - g r e e n f i e l d 模式。表3 1 给出了帧结构中 不同域的介绍。 表3 1i e e e8 0 2 11 n 帧结构组成 e l e m e n t d e s c r i p t i o n l s t f n o n h t 短训练序列域 l l t f n o n h t 长训练序列域 l s i g n o n h t 信号域 h t - s i g h t 信号域 h t s t f h t 短训练序列域 h t - g f s t f h t - g r e e n f i e l d 短训练序列域 h t - l t f l 第一个h t 长训练序列域 1 4 浙江大学硕士学位论文 h t - l t f s附j j i h t 长训练序列域( 数据h t 长训练序列域) d a t a包括p s d u 的数据域 1 n o n h t 模式，又称为l e g a c y 模式。在这种模式下，前导的结构与8 0 2 1 l a 完全相同。它包括l - s t f 、l l t f 和l s i g 三部分。n o n h t 格式如图3 2 所示。 l s t fl l t fl s i gd a t a 图3 2n o n - h t 模式 l s t f 对应于8 0 2 1 1 a 前导中的短训练符号，用于分组检测、自动增益控制 ( a g c ) 、分集选择、粗频偏估计和定时同步；l l t f 对应于8 0 2 1 l a 前导中的长 训练符号，用于信道估计、精频偏估计；l - s i g 对应于8 0 2 1 l a 前导中的s i g n a l 符号，包含来自于m a c 层提交的发送向量中的速率和长度信息；最后是数据符 号。n o n h t 模式运用于收发射机双方处于不同标准状态下的传输，因此在 n o n h t 模式下，可实现支持8 0 2 1 1 n 标准的h t 系统与不支持8 0 2 1 1 n 标准的 n o n h t 系统的相互兼容。 2 h t - m i x e d 模式：这种模式兼容n o n h t 模式，其帧结构中前导的前半部分 与n o n h t 模式完全相同，即与8 0 2 1 1 a 的前