（无线电物理专业论文）无线城域网的ofdm系统若干关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载波数字调制技术。o f d m 技术具有很强 的抗符号间干扰、抗多径衰落能力，适合在无线信道中传输高速的数据业务，因而倍 受关注。但是，o f d m 对于同步误差和信道估计误差非常敏感，在匝e e 8 0 2 1 6o f d m 系统中如何有效地实现同步和信道估计是有待解决的新问题。为此，本文重点研究了 i e e e 8 0 2 1 6o f d m 系统中的同步、信道估计和o f d m 系统软硬件设计实现等问题， 主要内容和创新性研究工作如下： 1 、论文通过具体分析i e e e 8 0 2 1 6 协议，针对i e e e 8 0 2 1 6 系统特殊的帧结构， 讨论分析了基于训练符号的帧同步算法一延迟相关算法，提出了一种新的基于特殊加 权序列的帧同步算法，达到精确同步的目的，又具有较低计算复杂度且不易受频偏影 响。讨论分析了符号定时同步算法；利用o f d m 子载波之间的正交性所包含的冗余 信息，提出了一种利用“虚载波”的高性能、低复杂度频偏估计算法，通过仿真我们 发现该算法具有超高分辨率子空间方法m u s i c 的精度，而不需要其计算极为复杂的 子空间分解运算，而且数据利用率高，捕获范围是整个io 2 石】，即使在低信噪比的信 道条件下，也具有比较好的同步性能，满足i e e e 8 0 2 1 6 系统的特点。考虑到系统可 能会工作在低信噪比高误比特率环境下，需要有适当的定时恢复，而通过分析发现许 多现有的算法或效果不佳或延时代价太大，本文提出一种利用v i t e r b i 1 i k e 算法的联合 定时恢复算法，仿真表明这种定时恢复方法即使在检测器的误比特率高于1 0 4 时仍能 很好的工作，适用于8 0 2 1 6 删a n 中应用。 2 、论文研究了块状导频的线性最小均方误差( l m m s e ) 算法、i e e e 8 0 2 1 6 0 f d m 信道估计仿真分析，通过仿真说明i e e e 8 0 2 1 6 系统更适合使用块状导频结构。讨论 分析了m i m o o f d m 中一种基于空频域的最优导频设置算法，给出了导频图案，通 过仿真实验表明，该算法与理想的信道状态信息曲线非常接近，信噪比差距约在2 d b 左右，并且在快衰落条件下具有较好的稳定性，其性能要优于基于前导训练的信道估 计方法。 3 、根据i e e e 8 0 2 1 6 0 f d m 系统特点，论文分别在m a t l a b 中应用s i n i u l i n k 工具 构建o f d m 系统仿真平台、在l a b v i e w 平台上实现了o f d m 调制解调仿真系统， 模拟了整个系统的信号流程，进行了o f d m 仿真系统参数的选择和调制模块的仿真 设计、论证各算法性能，并根据各种不同的条件：例如高斯噪声、多径衰落、有无保 无线城域网的o f d m 系统若干关键技术的研究 护间隔等，对系统的误码特性进行了评估，为正确评价实际o f d m 系统的性能提供 了有效的理论依据。 4 、论文以软件无线电思想作为指导，提出了以2 5 6 点i f f t f f t 为核心和以5 1 2 点i f f t f f t 为核心的两种o f d m 算法模式并存于同一个硬件平台、且可预选的方案， 它们在参数选取和性能指标上有所差异，均实现了相似的模块和功能。 5 、论文参考i e e e8 0 2 1 6 无线网络标准的参数设置，针对本设计系统的应用环 境和系统硬件的性能速率，提出了一种应用于实验室环境的信号结构、帧格式等参数 设计。 6 、论文基于1 r i 公司的6 7 0 1 e v m 数字评估板卡，结合模拟前端搭建数字中频平 台，设计了基带处理的d s p 软件模块并进行系统调试，基本实现了一套完整的o f d m 调制解调方案。经过系统调试与性能分析，验证了本系统的设计是可行的。 7 、论文设计了一种1 6 q a m 星座图映射和q p s k 星座图映射可预选的数字调制 软件模块，根据所选的调制方案，可建立不同特性的o f d m 连接：设计完成的 i f f t f f t 调制软件模块，可在建立连接之前选择r a d i x 2 或r a d i x - 4 的调制方式；设 计并添加了一个滚降系数口软件可选的升余弦滚降窗，加快了o f d m 信号功率谱带 外部分的衰减速度。 8 、论文针对硬件平台，设计并提出了一种以链表数据结构为核心的v i t e r b i 译码 的软件实现方法，适用于6 7 0 1 e v m 平台的卷积解码，应用于解调端，增强了系统的 抗多径衰落能力。 关键词：i e e e 8 0 2 1 6 ，o f d m ，同步，信道估计，系统参数，硬件平台，软件设计。 a b s t r a c t a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( 0 f d m ) i sak i n do fm u l t i c ；a l t i c rd i g i t a l m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y o f d mi sh i 曲l yr o b u s ta g a i n s ti n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s oa n d m u l t i - p a t hf a d i n ge f f e c t i th a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o na sas u i t a b l et e c h n i q u ef o r h i g l l - d a t a - r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n o f d mi sv e r ys e n s i t i v et os y n c h r o n i z a t i o nc t o a n dc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o lh o wt oa c c o m p l i s hs y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o n i ni e e e s 0 2 1 6o f d ms y s t e mi sac r u c i a lp r o b l e mt h a tn e e d st ob et a c k l e d t h i sp a p e r f o c u s e so nt h er e s e a r c ho fd e a l i n gw i t ht h i sc r u c i a lp r o b l e ma n dd e s i g n i n go fo f d m s y s t e mw i t hb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a i nr e s e a r c ha n di n n o v a t i o no ft h ep a p e r i n c l u d e ： 1 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gi e e e 8 0 2 1 6p r o t o c o l s ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h es p e c i a lf r a m e s t r u c t u r eo fi e e e s 0 2 1 6b a s e ds y s t e m ，t h ep a p e re x p l o r e sat i m e - d e l a yr e l a t e df r a m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，w h i c hi sb a s e do nt r a i n i n gs y m b o l s an e wk i n do ff r a m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，e m p l o y i n gas p e c i a lw e i g h t e ds e q u e n c e , i sp u tf o r w a r d e d t h ep r o p o s e da l g o r i t h m , w i t hm u c hr e d u c e dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dl e s s s e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e t ，a c h i e v e sb e t t e rp e r f o r m a n c ei np r e c i s es y n c h r o n i z i n g t h ep a p e ra l s od i s c u s s e ss y m b o lt 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 m a k i n gu s eo ft h e r e d u n d a n ti n f o r m a t i o ni n c l u d e di no r t h o g o n a ls u b - c a r r i e r s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r da f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h mw i t hi m p r o v e dp e r f o r m a n c ea n dr e d u c e d c o m p l e x i t y , w h e r et h e v i r t u a lc a r r i e r i se x p l o i t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h ma c h i e v e st h es a m ep r e c i s i o na st h a to f s u p e r - h i g hr e s o l u t i o n s u b s p a c em u s i ca l g o r i t h m ，b u tw i t hg r e a t l yr e d u c e dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo f s u b s p a c ed e c o m p o s i t i o np r o c e s s i n g m o r e o v e r , t h ea l g o r i t h mm a k e sv e r ye f f i c i e n tu s e o ft h ed a t a , a n di t sp u l l - i nr a n g ec o v e r s0 也了【e v e ni nt h ee n v i r o n m e n tw i t hl o w s n r ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mp r e s e n t ss u p e r i o rs y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e a l lt h e f e a t u r e sm a k ei t s a t i s f yi e e e 8 0 2 1 6o f d ms y s t e mv e r yw e l l c o n s i d e r i n gt h e n e c e s s i t yo ft i m i n gr e c o v e r yi n t h ee n v i r o n m e n tw i t hl o ws n ra n dh i g hb e r t h e p a p e rp r o p o s e sau n i f i e dt i m i n gr e c o v e r ya l g o r i t h m ，w h e r et h ev i t e r b i l i k ea l g o r i t h mi s e m p l o y e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h m a c h i e v e sas i g n i f i c a n t p e r f o r m a n c eg a i no v e rm a n yn o w - e x i s t i n ga l g o r i t h m sw i t hs u f f e r i n gf r o me i t h e rl e s s e f f i c i e n to rt o om u c ht i m ed e l a y i tc a nw o r kv e r yw e l le v e na tt h ec o n d i t i o no fd e t e c t o r b e r g r e a t e rt h a n1 0 - z t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea l g o r i t h mm a k ei ts u i t a b l ef o r8 0 2 1 6 w m a n a p p l i c a t i o n s 2 t h ep a p e ri n v e s t i g a t e sb o t hb l o c k t y p e p i l o t l i n e a rm i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r a l g o r i t h ma n di e e e 8 0 2 1 6o f d mc h a n n e le s t i m a t i o na n a l y s i s s i m u l a t i o nr e s u l t s c o n f i r mt h eb l o c k - t y p ep i l o ts t r u c t u r ei sm o r es u i t a b l ef o ri e e e 8 0 2 1 6s y s t e m a n o p t i m a lp i l o ts e t t i n ga l g o r i t h m ，b a s e do ns p a c ef r e q u e n c yd o m a i n , i se x p l o r e da n dt h e p i l o tc h a r ti sp r e s e n t e d t h ep r o p o s e da l g o r i t h mf i n d si t sa p p l i c a t i o ni nm i m o - o f d m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ea l g o r i t h i np r e s e n t sag o o da p p r o x i m a t i o nt ot h ep e r f e c t c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ( c s i ) c u r v e , w i t ha b o u t2 d bd i f f e r e n c e i ns n r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s od e m o n s t r a t et h ea l g o r i t h ma c h i e v e sf a i r l yh i g hs t a b i l i t yi nt h e e n v i r o n m e n to ff a s tf a d i n g , p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sb e t t e rt h a to f p i l o tt r a i n i n gc h a n n e le s t i m a t i o n 3 t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi e e e 8 0 2 1 6o f d ms y s t e m , o f d ms y s t e m s i m u l a t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e di nm a t l a b ，e x p l o i t i n gs i m u l i n ka sat 0 0 1 o f d m m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e ma r ec o n f i g u r e do nl a b v i e wp l a t f o r m a l lt h es y s t e ms i g n a lp r o c e s s i n gi ss i m u l a t e d ，i n c l u d i n gd e f i n i n gs y s t e mp a r a m e t e r s ， d e s i g n i n gm o d u l a t i o nm o d e l a n dv e r i f y i n ga l lt h ep r o p o s e da l g o r i t h m su n d e rd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s ，s u c ha sw h i t eg a u s s i a nn o i s e ，m u l t i - p a t hf a d i n g , w i t ho rw i t h o u tg u a r d i n t e r v a le t c b i te r r o rp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e d t h er e s e a r c hp r o v i d e sv a l i dt h e o r e t i c a l b a s i sf o rp r a c t i c a lo f d m s y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n 4 t a k i n ga d v a n t a g eo fs o f t w a r er a d i o t h ep a p e rd e s i g n sah a r d w a r ep l a t f o r mw i t hb o l h 2 5 6 i f l 叮y h 叮a n d5 1 2 一i f f t ，f f ro f d ms c h e m e sc o - e x i s t i n gi no n ep l a t f o r m y o u c a np r e d e t e r m i n eo n ef r o mt h et w os c h e m e st o c a r r yo u ta l m o s tt h es a m em o d e l f u n c t i o nw i t hd i f f e r e n ts y s t e mp e r f o r m a n c ea n d p a r a m e t e rs e t t i n g 5 r e f e r r i n gt oi e e e 8 0 2 1 6s t a n d a r d ，t h ep a p e rp r o p o s e sad e s i g nm e t h o df o rg e n e r a t i n g s i g n a l sa n df r a m e ss u i t a b l ef o rl a b o r a t o r yi n v e s t i g a t i o n si m p l e m e n t e di nl a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t a b s t r a c t 6 b a s e do n6 7 0 1 e v md i g i t a le v a l u a t i o nc a r d , c o m b i n e dw i t ha n a l o g yf r o n t e n d , t h ep a p e r d e s i g n sad s ps o f t w a r em o d e lt od e a lw i t hb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g a no v e r a l l o f d ms c h e m e w j t hm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nf u n c t i o n , i sa c c o m p l i s h e d b o t h e x p e r i m e n t a lt e s ta n dp e f f o r m a n c aa n a l y s i sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ei s f e a s i b l e 7 t h ep a p e rp r o p o s e sas o f t w a r ed i g i t a lm o d u l a t i o nm o d e l ，w h e r ey o uc a l lp r e d e t e r m i n e e i t h e r1 6 q a mc o n s t e n a t j o nm a p p i n go rq p s kc o n s t e l l a t i o nm a p p i n gt of u l f i l lt h e f u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h es e l e c t e dm o d u l a t i o ns c h e m e ，y o u c a ns e tu pa l lk i n d so f d m l i n k sw i t hd i f f e r e n tf e a t u r e s b e f o r es e t t i n gu pt h e s el i n k s ，y o uc a ns e l e c te i t h e rr a d i x 2 o rr a d i x - 4m o d u l a t i o nm o d et oa c c o m p l i s hi f f t f f l rs o f t w a r em o d u l a t i o nm o d e l i n o r d e rt oa c c e l e r a t eo u t b a n do f d mp o w e rs p e c t r u md e c r e a s i n g , ar i s i n gc o s i n er o l l o f f w i n d o wi sa d d e d , w h e r et h er o l l - o f ff a c t o r8i ss o f t w a r es e l e c t a b l e 8 c o m b i n e dw i t ht h eh a r d w a r ep l a t f o r m , as o f t w a r ev i t e r b id e c o d i n gm e t h o d ，b a s e do n c h a i n e dd a t aa r c h i t e c t u r e ，i sp r o p o s e d t h em e t h o di ss u i t a b l ef o rc o n v o l u t i o n a l d e c o d i n go f6 7 0 1 e v mp l a t f o r m a p p l y i n gt h i sm e t h o dt od e m o d u l a t i o nm o d ec a n g r e a t l ye n h a n c et h ec a p a b i l i t yo f t h es y s t e mt oe l i m i n a t em u l t i p a t hf a d i n g k e yw o r d ：i e e e 8 0 2 1 6 ，o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，s y s t e m p a r a m e t e r , h a r d w a r ep l a t f o r m ，s o f t w a r ed e s i g n v 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：鲤日期：亟皿 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：彳i 卵媳并玛 臼期；闽：f 。 一名；柚强岛 日期：丝竺z ! ! f 2 第一章绪论 第一章绪论 进入2 l 世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户对 各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来无线通信 技术将会具有更高的信息传输速率，为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动 速率，在下一代的无线通信中必须采用频谱效率更高、抗多经干扰能力更强的新型传 输技术。在当前能提供高速率传输的各种无线解决方案中，以正交频分复用( o f t ) m ) 为代表的多载波调制技术是最有前途的方案之一。正交频分复用技术( o f t ) m ) 是一种 多载波系统，通过延长传输符号的周期，从而增强抵抗多径衰落的能力。是一种新型 高效的数字调制技术，它能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠地接 收，它采用了数字信号处理领域的先进技术，具有高效的频谱利用率、极强的抗多径 干扰性能等特点，已经在众多的研究领域里引起关注，并将在未来的多种先进通信系 统中得到越来越广泛的应用。 1 1ie e e 8 0 2 16 无线城域网技术的发展现状 i e e e8 0 2 在无线领域针对不同的市场需求和应用模式制订了不同的标准，如应 用于p a n 的i e e e8 0 2 1 5 标准，应用于无线局域网的i e e e8 0 2 1 1 标准等。i e e e 8 0 2 1 6 1 j 则是为制订无线城域网( w i r e l e s sm a n ) 标准成立的工作组，成立于1 9 9 9 年。 其工作主要内容是制订宽带无线接入标准，包括空中接口及其相关功能标准。它由三 个工作小组组成，每个小组分别负责不同的方面：i e e e8 0 2 1 6 1 负责制定频率为 1 0 g h z 6 0 g h z 频段的无线接口标准；i e e e8 0 2 1 6 2 负责制定宽带无线接入系统共 存方面的标准；i e e e8 0 2 1 6 3 负责制定频率范围在2 g h z 1 0 g h z 之间获得频率使用 许可应用的无线接口标准。 2 0 0 1 年4 月，由业界领先的通信设备公司及器件公司共同成立了一个非盈利组 织一一微波接入全球互操作性认证联盟w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v e a c c e s s ) 。该联盟旨在对基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s i h i p e r m a n 标准的宽 带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。w i m a x 将使用与w i f i 联盟推动无线 局域网行业发展的相同方法，定义和进行互操作性测试。w i f i 模式已经影响了整个 通信产业。i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的规模应用与w i f i 联盟的作用是分不开的。因 无线城域网的o f d m 系统若干关键技术的研究 此，w i m a x 希望通过它的努力，加快符合i e e e8 0 2 1 6 技术标准的宽带无线接入设 备的上市速度，从而加速全球最后一英里宽带的部署【“。 最早的i e e e8 0 2 1 6 标准是在2 0 0 1 年1 2 月获得批准的，该标准对使用1 0 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用 的频段较高，因此只能应用于视距范围内。 2 0 0 3 年1 月2 9 日，i e e e 8 0 2 1 6 标准有了修正草案i e e e 8 0 2 1 6 a 3 1 ，以解决较低 频率的无线连接问题。8 0 2 1 6 a 在2 g h z l l g i - l z 的频带上提供连接家庭、企业和无 线局域网热点的无线最后一公里宽带接入。8 0 2 1 6 a 规范作为i e e e8 0 2 1 6 规范的扩 展，大大改进了非视距性能，是在出现树木和建筑等障碍时较合适的技术。基站可以 安装在住宅或建筑顶部，而不必安装在山顶的高塔上。 i e e e8 0 2 1 6 a 标准仅仅是i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准的修改和扩展，不是一个独立的 标准，所以2 0 0 4 年6 月i e e e8 0 2 1 6 组织又通过了i e e e8 0 2 1 6 d i ”，i e e e8 0 2 1 6 d 对 2 g h z 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，定义了支持多种业 务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。该标准对i e e e 8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范，是相对比较成熟并且 最具实用性的一个标准版本。 i e e e8 0 2 1 6 e s l 是工作在2 g h z 6 g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接口 标准。制订i e e e 8 0 2 1 6 e 的目的是为了实现既能提供高速数据业务又使用户具有移动 性的宽带无线接入解决方案。i e e e8 0 2 1 6 e 被业界视为目前唯一能与3 g 竞争的下一 代宽带无线技术。i e e e8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容i e e e8 0 2 1 6 d ，因此i e e e 8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上进行的。在i e e e8 0 2 1 6 d 固 定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性i e e e8 0 2 1 6 e 提出了具有移动特性 的系统框架结构，并于2 0 0 4 年9 月通过草案。 1 1 1i e e e 8 0 2 1 6 系列标准技术参数 基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准的w i m a x 的特点明显：实现的5 0k m 无线信号的传 输距离是无线局域网所不能比拟的；网络覆盖面积是3 g 发射塔的l o 倍，只要建设 少数基站就能实现全城覆盖，使得无线网络应用范围大大扩展；提供的接入速度达 7 0m b s ( 1 4m h z 载波) ，使无线网络的接入速度有了一个很大的进步。表1 - - 1 为 2 第一章绪论 i e e e 8 0 2 1 6 的技术参数。 表l 一1 ：i e e e 8 0 2 1 6 的技术参数 标准 正e e 8 0 2 1 6i e e e 8 0 2 1 6 a d砸e e 8 0 2 1 6 e 频率1 0 6 6 g h z 2 1 1 g h z2 6 g h z 带宽2 0 2 5 2 8 m h z 1 2 5 2 0 m h z1 2 5 2 0 m h z 数据速率 3 2 1 3 4 m b s7 5 m b s1 5 6 0 m b s 传输方式视距非视距 非视距 调制方式q p s k 、1 6 q a m主流o f d m 、2 5 6 子载主流o f d m 、2 5 6 子载 和6 4 q a m波、8 p s k 、q p s k 、波、8 p s k 、q p s k 、 1 6 0 a m 和6 4 q a m1 6 q a m 和6 4 q a m 移动性 固定固定小于1 5 0 k m h 1 1 2i e e e 8 0 2 1 6 协议栈模型【6 】t 【7 】 8 0 2 1 6 协议规定的b s 和s s 的协议栈模型如图1 1 所示，协议栈模型纵向可 以分为数据控制平面和管理平面，而协议找模型横向则分为介质访问控制层( m a c ) 层和物理层( p h y ) 。物理层由传输汇聚子层( t c l ) 和物理媒质依赖子层( p m d ) 组成， 通常说的物理层主要是指p m d 。物理层定义了两种双工方式：t d d 和f d d ，这两种 方式都使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数 ( 调制方式、编码方式、发射功率等) 可以动态调整，但是需要m a c 层协助完成。m a c 图1 18 0 2 1 6 d 的协议栈模型 3 无线城域网的o f d m 系统若干关键技术的研究 层又分成了三个子层：特定服务汇聚子层( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 、 公共部分子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ) 、安全子层( p r i v a c ys u b l a y e r ) 。 1 1 2 1 物理层( 唧) 结构 i e e e8 0 2 1 6 物理层定义了两种双工方式：t d d 和f d d 。f d d 既支持全双工的 s s ，也支持半双工的s s ，但是支持半双工f d ds s 会增加系统调度的复杂性。根据 使用频段的不同，分别有不同的物理层技术与之相对应：单载波( s c ) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、o f d m a ( 2 0 4 8 点) ； 物理层的上行链路采用t d m a 和d a m a 混合接入方式，上行信道分为许多个 微时隙( m i n i s l o t ) ，由m a c 层控制这些微时隙的分配，根据用户的不同需求分配 时隙，更好地利用上行信道资源。下行链路一般采用t d m 方式，发送给各个s s 的 数据采用时分复用的方式进行传输，数据按照稳健性降序排列，各个s s 根据m a c 报头中的目的地地址接收发送给自己的数据。而对于发送给半双工f d d 方式的s s ， 下行数据的传输采用t d m a 方式，每个t d m a 数据部分前面都有前缀，主要是为 了防止s s 失去同步。 8 0 2 1 6 物理层还具备以下一些特点：灵活的信道宽度，r e e d - - s o l o m o n 码与卷积 级联码的前向纠错，自适应天线系统( a a s ) ( 可改善通信距离，提高系统容量) ， 动态频率选择( d f s ) ( 可帮助减小干扰) ，空时编码( s t c ) ( 通过空间分集提高 在衰落环境下的性能) 。 1 1 2 2 媒质接入控制层( m a c ) 结构 m a c 可以被视为是一个同物理层紧密相关的用以实现可靠、高效数据通信的引 擎装置。从功能层面上来看，m a c 可被视为由一系列可完成诸如信息交换、功率控 制、关联管理、同步管理和过程管理的服务组成。这些所有的m a c 功能都是通过定 义适当的m a c 帧并对这些m a c 帧迸行交换来实现的。每个特定的m a c 帧都包含 很多比特位，这些比特位组合起来不仅能准确确定出所有m a c 帧，并且还能确定出 这个m a c 帧所起的作用。m a c 帧具备不同类型的帧结构，这些类型包括数据类型 帧、控制类型帧和管理类型帧。一般而言，数据类型的m a c 帧是散布于控制类型 m a c 帧和管理类型m a c 帧之中的。控制类型的m a c 帧可以终止数据交换过程，而 管理类型m a c 帧则能提供管理方面的支持作用。因此m a c 又被视为在站之间通过 交换恰当定义的帧格式来达到为网络提供虚拟数据和管理服务的目的。 i e e e8 0 2 1 6m a c 层由高到低划分为三个子层： 4 第一章绪论 1 、特定业务会聚子层( s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r s ) ：提供与更高层的接口， 通过不同的会聚方式更好地适配各种上层协议。 2 、m a c 公共子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ) ：负责执行m a c 层的核心功能，包括系统 接入、带宽分配、连接建立、连接维护等。 3 、安全子层( p r i v a c ys u b l a y e r ) ：提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。 1 1 2 3 姒c 层对物理层的支持 在形成物理层帧的过程中，b s 的m a c 层需要产生d l - m a p 消息和u l - m a p 消 息，为s s 访问下行子帧和上行子帧提供相关信息。b s 还需要产生d c d 消息和u c d 消息，以提供下行和上行信道的参考信息。d l - m a p 、u l - m a p 、d c d 、u c d 消息 都位于帧控制头部分。上行子帧中包含各种用途的时隔，而这些时隔的用途以及具体 分配也是由m a c 层决定的。 1 1 3i e e e 8 0 2 1 6 的技术优势及应用展望 1 1 3 1i e e e 8 0 2 1 6 的技术优势 1 、传输距离远 2 、接入速度高 3 、无“最后一公里瓶颈”限制 4 、提供广泛的多媒体通信服务 1 1 3 2i e e 鹋0 2 1 6 的应用展望 1 、i e e e8 0 2 1 6 标准为宽带无线接入城域网无线接口规范提供了一个公共的、开放的 平台； 2 、i e e e8 0 2 1 6 有可能在未来数十年内成为无线城域网发展的坚实基础和主流技术。 i e e e 8 0 2 1 6 发展路线主要分三个阶段： 第一阶段：基于8 0 2 1 6 d 的室外固定终端作为建筑物的接入手段，作为固定网络 的辅助，以企业用户为主； 第二阶段：用户可以自行安装的基于8 0 2 1 6 d 室内固定终端上市，降低运营商建 网成本，向家庭用户提供接入业务； 第三阶段：基于8 0 2 1 6 e 的芯片内置笔记本、p d a 等可携带终端，提供移动性， 针对个人用户提供移动宽带数据业务。 5 无线城域网的o f d m 系统若干关键技术的研究 1 20 f d m 技术的发展历史 频分复用( f d m ) 技术早在1 9 世纪以前就已经提出，它把可用带宽分成若干相 互隔离的子频带，同时分别传送一路低速信号( 如电报) ，从而达到信号复用的目的。 各子载波上的被调制数据可以来自同一信号源，也可以来自不同信号源。这种传统的 多载波传输方式复杂性比较高，因为各子载波都需要自己的模拟前端，同时为了使得 接收机可以区分各子频带，各子频带之间必须有足够的间隔，从而避免经过信道后发 生频谱混叠，所以频谱效率通常很低。但是在这种并行传输机制下，因为各载波上的 数据速率低，相应的信号的码元符号周期较长并远大于信道的最大时延扩展，从而可 以有效地减小由于信道单位时延扩展引起的符号之间的串扰( i