（信号与信息处理专业论文）级联码及fpga实现算法的研究.pdf

电子科技大学硕士论文 中文摘要 级联码由于有很强的纠正突发错误的能力，已被广泛应用于d v b 、深空通信、 数据存储等系统中。在无线城域网的i e e e 8 0 2 1 6 a 协议的第一种物理层方案中， 也是选用级联码作为纠错编码。同时随着d s p ，f p 6 a 的发展，越来越容易在各种 通用的硬件平台上实现纠错编码。本论文讨论的就是基于x i l i n x 的v i t e r x l i 系列芯片，i e e e 8 0 2 1 6 a 协议物理层纠错编码实现算法的研究。 在第一章中我们首先概述了无线城域网的发展和应用，接着对信道编码的作 用和发展以及f p g a 的特点和应用作了概述，同时介绍了作者所做的主要工作。 第二章中的开始部分，首先介绍i e e e s 0 2 1 6 协议族。然后具体到i e e e 8 0 2 1 6 a 协议，对其m a c 层，物理层，做了详细的介绍。 在第三到五章中我们分别针对r s 码、交织器、卷积码的算法做了详细介绍 以及f p g a 实现的硬件结构进行了讨论，同时给出了最后仿真调试结果，这也是论 文的主体部分。 关键词：无线城域网，i e e e 8 0 2 1 6 a ，r s 码，卷积码，交织，v i t e r b i b e r l e k a m p m a s s e y ，f o r n e y ，钱搜索 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h ec o n c a t e n a t e dc o d eh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s s u c h a sd v ba n dt h es y s t e mo fd a t as t o r a g eb e c a u s eo fi t ss t r o n ga b i l i t y o fe r r o rc o r r e c t i o n a n di ti sa l s ou s e da st h ee r r o rc o r r e c t i o nc o d e i nt h ef i r s ts c h e m eo fp h y s i c a ll a y e ri nt h ep r o t o c o l1 e e e s 0 2 1 6 ao f w m a n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed s pa n df p g a i ti sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ee a s yt oi m p l e m e n tt h ee r r o rc o r r e c t i o nc o d eo nt h ed i f f e r e n t g e n e r a lh a r d w a r ep l a t f o r m t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st o d e s c r i b et h ei m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h mf o rt h ee r r o rc o r r e c t i o nc o d e i nt h ep h y s i c a ll a y e ro ft h ep r o t o c o li e e e 8 0 2 1 6 a i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no ft h e7 n a n ，t h e nd e s c r i b e st h ef u n c t i o na n dd e v e l o p m e n t o ft h ec h a n n e lc o d e s ，a n dt h ec h a r a c t e ra n da p p l i c a t i o no ff p g a a t l a s tt h em a i nt a s ko ft h ea u t h o ri sa l s og i v e n i nt h es e c t i o nc h a p t e r ，a tf i r s tt h ea u t h o rd e s c r i b e st h e s t r u c t u r eo fi e e e 8 0 2 1 6p r o t o c o ls u i t e ，t h e n g i y e s t h ec o n c r e t e c o n t e n t so ft h ep r o t o c o lo fi e e e s 0 2 1 6 aa n da ti s t ，i n t r o d u c e si t s m a cl a y e ra n dp h y s i c a ll a y e ri nd e t a i i s f r o mt h et h i r dc h a p t e rt ot h ef if t h ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h e d e t a i l so fa l g o r i t h m sf o rt h er e e d s o l o m o nc o d e 、i n t e r l e a v i n ga n d t h ec o n v o l u t i o n a lc o d ea n dd i s c u s s e st h ei m d l e m e n t a t i o no f t h e s o f t w a r es t r u c t u r eb a s e do nf p g a a tt h es a m et i m e ，t h ef i n a lr e s u l t o fs i m u l a t i o ni sg i v e na n di ti sa l s ot h em a i np a r to ft h i st h e m s k e y w o r d s ：w m a n ，i e e e s 0 2 1 6 a ，r e e d s o l o m o nc o d e s ，c o n v 0 1 u t i o n a l c o d e s ，i n t e r l e a v i n g ，v i t e r b i ，b e r l e k a m p m a s s e y ，f o r n e y ，c h i e n - s e a r c h 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。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：刘 主日期：2 。然年乡月r 1 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名：刻：主导师签名：立趔 签名：型i 导师签名：立尘兰= 2 日期：0 歹年岁月，日 电子科技大学硕士论文 第一章引言 1 1 无线城域网( w m a n ) 的研究背景和发展趋势 互联网的发展已经进入一个比较成熟的阶段，便利的网络极大的丰富了人们 的行为，高效的信息化平台使企业、政府、校园等诸多部门的工作效率得到了很 大的提高，同时工作方式得到了极大的改进。各行各业对网络的依赖程度也日益 加深。在我们随时随地都在使用的网络中一从运营商网络到企业网、校园网等等， 局域网可以说应用最广泛的系统之一，虽然其技术越来越成熟，数据吞吐量可高 达吉比特，但是其有线网的先天不足( 例如必须铺设大量缆线，暂时不能铺设缆 线的地方则无法进行通讯，线缆传输距离有限等等) 无法完全满足用户对在随时 随地都可以进行交流、随时随地可以访问i n t e r n e t 资源的要求，用户需要一种 新的技术来填补这方面的空白。基于这种现实，无线局域网，无线城域网的概念 应运而生。而与无线局域网相比，无线城域网具有覆盖范围大，可扩展性强，q o s 好等先天优势。 多年来，无线局域网i e 8 0 2 1 1 x 技术一直与其它专有技术一起用于宽带无线 接入( b w a ) ，并获得了成功，但是w l a n 的总体设计及其提供的特点并不能很好 的适用于室外b w a 应用。当其用于室外，在带宽和用户数方面将受到限制，同时 还存在通信距离短等问题( 开阔地带最远可以达到3 0 0 米) 。基于上述情况，无 线城域网技术应运而生，与无线局域网制定8 0 2 1 1 标准一样，i e e e 为无线城域 网推出了8 0 2 1 6 标准。此标准又叫做w i m a x ，或宽带无线接入标准，是一种无 线城域网技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。符合 8 0 2 1 6 标准的设备可以在“最后一英里”宽带接入领域替代c a b l em o d e m 、d s l 和t l e 】，也可以为8 0 2 1 1 热点提供回传。新标准规范了一个支持诸如话音和 图象等低时延应用的西议，在用户终端和慕站之间允许非视距的宽带连接，一个 基站可支持数百上千个用户，在可靠性和q o s 方面提供电信级的性能。 目前，基于i e e e 8 0 2 1 6 的无线城域网市场逐渐升温，w i m a x 已成为一个热 门的话题和词汇。2 0 0 1 年4 月，由包括i n t e l ，a i r s p a n ，思科等一些世界主要 通信部件以及设备制造商结成了一个工业贸易联盟组织，即w i m a x 论坛。w i m a x 的目标是促进i e e e 8 0 2 1 6 的应用。w i m a x 提供一致性测试用工具，加快并增进 成功的互用性测试。这些工具将在设备制造商研发阶段被使用，以确保产品及其 在以后的发展及演进过程中始终遵循标准。在w j m a x 的推动下，w i m a x 得到了广 泛的关注，郎讯，英国电信等著名i t 公司也纷纷加入w i m a x ，加州的a p e r t o 网 络公司融资2 0 0 0 万美元，准备投产w i m a x 产品。英特尔公司准备在2 0 0 4 年下半 电子科技大学硕士论文 年开始销售w i m a x 芯片。该公司将生产基于i e e e s 0 2 1 6 d 标准芯片，力图实现无 线的高速连接。有望在2 0 0 6 年推出的笔记本中支持w i m a x 技术，这样即使用户 乘坐出租车时，也能实现无线上网。2 0 0 4 年6 月，w i m a x 项目在中国启动，英特 尔与大连市和成都市政府达成合作协议，采用w i m a x 技术为这两个大城市部署网 络基础设施，提供宽带无线接入能力。2 0 0 4 年9 月至1 2 月，相关机构预测2 0 0 8 年全球w i m a x 设备将达到1 0 亿美元，到2 0 0 9 年全球w i m k x 用户将达到7 0 0 万户。 1 2 信道编码的背景和应用 信道编码技术是提高数据传输可靠性或数据存储可靠性的一项关键技术。在 实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性的不理想性以及加性噪声的影 响，所收到的信号不可避免的会发生错误。为了在己知信嗓比的情况下达到已定 的误比特率指标，首先合理设计基带信号，选择调制、解调方式，采用频域均衡 和时间均衡，使误比特率尽可能低。但若误比特率仍不能满足要求，则必须采用 信道编码。 信道编码通过在被传输的数据中引入冗余来避免数字数据在传输过程中出 现误码。用于检测错误的信道编码被称作检错编码，而既可检错又可纠错的信道 编码叫做纠错编码。1 9 4 8 年，在信道容量以内，香农( s h a n n o n ) 论证可通过对 信息的恰当编码，由信道噪声引入的错误可以被控制在任何误差范围之内。应用 于a w g n 信道的香农的信道容量公式如下： 龇9 2 ( 1 十南= 肌9 2 ( 1 + 黄) ( 1 - 1 ) 其中公式( 卜1 ) 可用传输带宽归一化，令p ：b r 。即 否c l 0 9 2 ( 1 + 簧争 z ， 其中c b 表示带宽效率，e u 为每比特信号的平均能量，r 。为信号传输的速率 ( h i t s ) 。 香农定理奠定了纠错编码的基石，各国通信专家们不断发明各种有效的编码 方式，使编码效率不断接近香农极限。b c h 码，卷积码，r s 码，t u r b o 码已广泛 的应用到数据通信、无线通信、d v b 等系统中。随着差错控制编码理论和d s p 技 术以及f p g a 技术的不断发展和进步，信道编码已越来越容易在通用平台上实现。 纠错码与密码相结合，可以构造出一类既能加密、签名，又具有纠、检错功能的 密码系统；纠错码和信源码相结合的结果，使得通信系统更为有效可靠。不仅如 此，纠错码中的许多译码技术，可以用来解决神经网络中的一些问题。因此，可 电子科技大学硕士论文 以预测随着科学技术的进步和实际的需要，纠错编码理论必将进一步发展，它的 应用范围必将进一步扩大。 1 3f p g a 的特点以及应用 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵 列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作 为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路 的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部 包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块l o b ( i n p u t o u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要 有： 1 ) 采用f p 6 a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的试样片。 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 目前f p g a 的容量已达几百万门，每秒可以进行多达几百亿次的累加计算， 运算速度大大高于目前最快的d s p 处理器。已经出现了许多支持f p g a 应用的 i p ( 知识产权) 核，利用这些定义的i p 核心功能，器件，包括滤波器，变换器， 相关器，存储器件，正弦余弦变换以及数学处理功能等，可以在设计系统中使 用f p g a 器件实现d s p 功能。 现在主流的f p g a 厂商有x i l i n x 和a l t e r a 公司，在此次项目中我们选择了 x i l i n x 的v i r t e x i i 系列芯片。x i l i n x 公司是f p g a 的发明者，老牌p l d 公司， 是最大可编程逻辑器件供应商之一，其开发的v i r t e x i i 系列芯片是新一代大规 模s r a m 工艺f p g a 产品。 1 4 本论文的意义和主要研究工作 无线通信是未来信息和网络技术发展的必然趋势，而无线城域网是未来通信 的重要组成部分。本文的研究为全面掌握i e e e 8 0 2 1 6 a 技术，形成具有自主知识 产权的产品打下了坚实的基础；所搭建的物理层简单实验平台，为今后研究物理 层的更高技术和最优算法奠定了必要的实验基础。 本论文在阅读了i e e e 8 0 2 1 6 a 协议后，重点研究了物理层的信道编码中的级 电子科技大学硕士论文 联码方案，通过查找，搜集和积累其f p g a 实现的相关资料，确定了自己的级联 码i p 核实现方案。前期通过m a t l a b 对方案的可行性进行了验证，并根据仿真结 果对方案作了适当修改，最后用v h d l 将其实现，通过m o d e l s i m 对其进行严格的 仿真调试，符合性能要求。 4 电子科技大学硕士论文 第二章 ie e e 8 0 2 16 ( a ) 协议规范简介 2 1ie e e 8 0 2 1 6 协议族简介概念 随时随地的个人无线通信是通信业发展的目标，个人无线通信中数据通信与 语音通信相比发展更为迅速。目前可提供的宽带无线数据通信主要方式为w l a n 、 3 g 、w m a n 。w m a n 作为后起之秀，随着标准的成熟、芯片及设备的推出、业界的 大力推动以及自身的优势，预计在不远的将来将成为个人宽带无线数据通信的新 方式。 w m a n 使用的国际标准是i e e e 8 0 2 1 6 协议族。该协议族是i e e e 制定的无线 城域网标准。该标准技术范围位于o s i 七层结构中的物理层和链路层。i e e e 8 0 2 委员会于1 9 9 9 成立了8 0 2 1 6 工作组，主要任务是为无线本地环路的无线接口及 其相关功能制定标准，推动固定宽带无线接入系统的发展。 目前i e e e 8 0 2 1 6 协议族包括i e e e 8 0 2 1 6 、i e e e 8 0 2 1 6 a 、i e e e 8 0 2 1 6 c 、 i e e e 8 0 2 1 6 d 四个标准。i e e e 8 0 2 1 6 于2 0 0 2 年4 月发布，它覆盖了l o 6 6 g h z 的频率，采用单载波调制技术。i e e e 8 0 2 1 6 c 于2 0 0 3 年1 月发布，它是i e e e 8 0 2 1 6 的补充标准，制定了宽带无线接入系统共存方面的规范。i e e e 8 0 2 1 6 a 于2 0 0 3 年1 月发布，它也是i e e e 8 0 2 1 6 的补充标准，运行2 1 1 g h z 频段，主要是增加 了对于o f d m ( 正交频分复用) 、a r o ( 自动重发请求) 以及m e s h 网络支持，增 加了m a c 层及p t t y 层的功能。2 0 0 4 年6 月底发布了i e e e8 0 2 1 6 d 标准，该标准 覆盖2 - 6 6 g h z 频段，是i e e e 8 0 2 1 6 标准的修订稿，并且把i e e e 8 0 2 1 6 a 和 i e e e 8 0 2 1 6 c 的内容补充了进来。8 0 2 1 6 工作组现在正在制定i e e e s 0 2 1 6 e 标准， 该标准将对i e e e 8 0 2 1 6 标准m a c 层进行修正，以便固定无线网络中支持移动性， 预计在2 0 0 5 年发布。 2 2i e e e 8 0 2 1 6 a 协议层规范 i e e e 8 0 2 1 6 标准为面向连接或无连接业务提供具有服务质量( o o s ) 的多业 务无线接入手段。i e e e 8 0 2 1 6 标准的物理层针对1 0 6 2 c 4 h 频段制定，主要用 于大业务量的业务接入。由于其设备成本高，标准的市场推广工作十分迟缓。为 了在业已广泛使用的1 1 g h z 以下频段开发市场，i e e e 于2 0 0 3 年1 月2 9 日推出 了运行于2 1 1 g h z 的扩展版本标准i e e e 8 0 2 1 6 a ，即“宽带固定无线接入系 统的空中接口针对2 1 1 g h z 的m a c 层调整及增加的物理层规范”。其m a c 层和i e e e 8 0 2 1 6 基本相同，物理层则增加了相应规范。新标准适用于特许频段 电子科技大学硕士论文 和2 4 g i z 、5 8 g h z 等免特许频段。由于i e e e 8 0 2 1 6 a 标准的实用性，它正在成 为新的产业热点。2 0 0 3 年7 月1 0 日，全球各大媒体报道：业界芯片制造巨头英 特尔公司将开发支持高速无线通信标准i e e e 8 0 2 1 6 a 的芯片组，富士通也已宣布 开发相应的芯片组。 i e e e 8 0 2 1 6 和i e e e 8 0 2 1 6 a 协议标准都是按两层结构体系组织的，定义了 物理层和m a c 层规范，图2 一l 给出了它们的协议堆栈结构1 5 j 。 ， n 面向业务的会聚子层( c s ) l v i a c 共用部分子层( c p s ) 加密子层( p s ) 物理层( p h y ) 图2 - 1i e e e 8 0 2 1 6 a 协议结构 2 2 1 介质访问控制层 高层 i v l a c 层 物理层 介质访问控制( m a c ) 层，它主要负责将数据组成帧格式来传输和对用户如 何接入到共享的无线介质中进行控制。与i e e e 8 0 2 1 6 一样，i e e e 8 0 2 1 6 a 包括3 个子层，只是增加了自动重传请求和对于网状网络结构的支持： ( 1 )会聚子层( c s ) 。该层根据提供服务的不同提供不同的功能。8 0 2 1 6 a 标准中定义了两种类型的会聚子层，a t m 会聚子层和p a c k e t 会聚子 层，它的作用就是对上层的s d u ( 业务数据单元) 进行分类，把它们 和适当的m a c 连接对应起来，确保不同业务的o o s 。 ( 2 )公共子层。公共子层是m a c 层的核心部分，8 0 2 1 6 a 的m a c 层是一个 面向连接的媒体控制协议，所有的承载的服务最后都被映射到个确 定的连接上，因而必须建立一套关于带宽申请、传输参数设定和针对 不同业务的分配机制。公共子层就是完成上述功能的主体，包括p d u ( 协议处理单元) 帧格式的定义、p d u 的传输、无线链路控制、带宽 申请与确认和a r q 等功能。 ( 3 )加密予层( p s ) 。提供基站( b s ) 和用户站( s s ) 之间的保密性，它 包括两个部分，一是加密封装协议，负责空中的传输和分组数据加密； 二是密匙管理协议( p 跚) ，负责b s 到s s 之间密匙的安全发放。 、ilri_、lpl0， 电子科技大学硕士论文 媒体接入控制是m a c 层的主要功能。i e e e 8 0 2 1 6 a 使用按需分配多路寻址一 时分多址( d a m a t d m a ) 技术。按需分配多路寻址技术是一种根据多个站点之间的 容量需要的不同而动态分配信道容量的技术。i e e e 8 0 2 1 6 a 标准在此基础上又引 入了正交频分多址( o f d m a ) 接入方式。i e e e 8 0 2 ：6 8 0 2 1 6 a m a c 层都是面向连接 的，并且能够灵活地支持多个物理层，下面就从几个方面来介绍一下m a c 层的主要 内容。如图2 2 所示，每个m a cp d u ( 协议数据单元) 由一个长度固定的m a c 报头、 可变长度的有效载荷和循环冗余校验位( c r c ) 组成。 图2 - 2m a cp d u 格式 ( 1 ) m a c 报头有两种类型：通用m a c 报头和带宽请求m a c 报头，分别构成了通用 m a cp d u 和带宽请求p d u ，带宽请求p d u 不包含有效载荷部分。在8 0 2 1 6 a 标准中 定义了g r a n tm a n a g e m e n t 、f r a g m e n t a t i o n 和p a c k i n g 这3 类m a c 子头，它们可能 存在于通用m a cp d u 的通用m a c 报头和有效载荷之间。而在8 0 2 1 6 a 标准与8 0 2 1 6 相比还增加了网格( m e s h ) 子头，用来标识网络中的节点，如果该子头存在，它应该 位于所有其它子头前面。 ( 2 ) m a c 层连接：i e e e 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 具有一个灵活的m a c 层，而且是面向连 接的，所有业务包括一些无线业务也要映射到一个连接上进行传输。每个连接具 有一个1 6 b i t 的连接标识符( c i d ) ，s s 在进入网络以后，每个方向上都会分配3 个管 理连接，分别是：基本连接，用来传输较短的对时间要求严格的m a c 控制信息 和r l c ( 无线链路控制) 消息等：主要管理连接，用来传输鉴权和连接建立等消 息：辅助管理连接，用来传输动态主机配置协议( d h c p ) 或简单网管协议( s n m p ) 和管理消息等。除了这些管理连接以外，b s 还会为s s 分配传输连接，用于数据的广 播，并保留一些连接用于系统的初始接入、下行链路广播消息的发送或是下行链 路多播消息的发送等。对i e e e 8 0 2 1 6 a 而言，由于它支持网络拓扑结构系统，为了 标识不同的网络节点，又引入了1 6 b i t 的n o d ei d 和8 b i t 的l i n ki d 。 ( 3 ) m a c 层管理消息：在i e e e 8 0 2 1 6 a 标准中定义了一系列m a c 管理消息，这些 消息是携带在m a c p d u 的有效载荷部分。b s 对s s 的一些控制功能就是通过发送这些 管理消息实现的，目前在1 e e e 8 0 2 1 6 a 标准中定义了2 9 个m a c 管理消息，它们其中 主要包括： u l m a p ( 上行移动应用部分) 消息，它是一个长度可变的m a c 管理消息， 定义了上行链路的发送机会，它包括一个固定长度的消息头和一些消息实体 ( i e ) ，其中每个i e 定义了一定时间范围内微时隙( m i n i - s l o t ) 的使用情况： d l m a p ( 下行移动应用部分) 消息，b s 发送给s s 的消息，定义了下行链路的相关信 息：u c d 消息，b s 周期性发送的一个消息，定义了上行物理信道的特性： 7 电子科技大学硕士论文 u c d 消息，b s 周期性发送的一个消息，定义了下行物理信道的特性。在8 0 2 1 6 a 中又 增加了一些管理消息，主要是用来支持新增自f i a r q ( 自动请求重发) 机制和m e s h 网 状拓扑结构，例如a r q - f e e d b a c k 、m s h - n c f g 和m s h - d s c h 消息等。 ( 4 ) 宽带请求和分配：带宽请求和分配是m a c 层的一个重要机制，在8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 标准中规定各s s 采用t d m a 方式共享上行信道，s s 首先提出带宽请求，向b s 上报业务量信息，b s 根据整个系统的业务量来分配空中带宽资源。s s 向b s 提出带 宽请求有两种方式，种是单独请求( s t a n d a l o n er e q u e s t ) ：另一种是捎带请 求( p i g g y b a c kr e q u e s t ) 。当s s 提出带宽请求以后，b s 会有两种分配带宽方式： g p c ( g e n e r a lp r o t o c o lc o n t r 0 1 ) ，b s 单独为某个连接分配带宽，适合于每个s s 具有很少用户的情况，但是这样做需要较大的额外比特开销： g p s ( g e n e r a l p r o t o c o ls e r v i c e ) ，b s 为整个s s 分配带宽，s s 再进行带宽的具体分配，这就允许 个智能用户站在用户中再分配带宽，有利于在用户密集的地方更有效地分配带 宽。 2 2 2l e e e 8 0 2 1 6 a 物理层 在协议的最底层是物理层，该层的协议主要是频率带宽、调制模式、纠错技 术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输率和时分复用结构等方面。 i e e e 8 0 2 1 6 a 与i e e e 8 0 2 1 6 的主要区别就在于物理层，i e e e 8 0 2 1 6 定义的是 1 0 6 6 g h z 之间的物理层规范，而后制定的i e e e s 0 2 1 6 a 标准规定的是2 1 1 g h z 频段的物理层规范。 i e e e 8 0 2 1 6 a 定义了3 种物理层接口标准，采用不同的技术，它们分别是： ( 1 ) w i r e l e s s l j a n s c a 物理层。基于单载波技术，支持t d d 和f d o 双工方 式，上行链路采用t d m a 多址方式，下行链路采用t d m 复用方式，可以采用s t c ( 空时编码) 发射分级以及m s ( 自适应天线系统) 。 ( 2 ) w i r e l e s s m a n o f d m 物理层。采用o f 嘲调制方式，用2 5 6 点转换的正 交频分复用方式。支持m e s h 网状拓扑结构，支持t d d 和f d d 双工方式，上行链 路采用t d g a 多址方式，下行链路采用t d m 复用方式，可以采用s t c 发射分级以 及从s ( 自适应天线系统) 。 ( 3 ) w i r e l e s s o f d m a 物理层。采用o f d m a 即2 0 4 8 点转换的正交频分多用 户接入。在这个系统中，多用户接入通过给每个接收机分配一个多载波子集来实 现。支持t d d 和f d d 双工方式，可以采用发射分级以及a a s l 7 i 。 在本次论文中，我们采用的是第一种接口标准。在i e e e 8 0 2 1 6 a 协议中，其 基带信号传输过程中，共有8 个模块，其具体体框图如图2 - 3 所示，下面我们对 各模块作一个简单介绍。 电子科技大学硕士论文 q a m 一一 基 + 。 + 口 带 q p s k 王 写 波 形 整 叫 工 4 形 星座 。 至 映射 4 图2 - 3 物理层结构框图 扰码模块：由于信源的不平稳性，有时候信源的符号序列会出现长0 串或长 1 串。这对于符号时钟的提取是非常不利的。采用扰码可以避免出现这种情况 而且还有一定的加密作用，并且不会增加信号的传输带宽。i e e e 8 0 2 1 6 a 协议中 的扰码模块结构如图2 4 所示 信道编码：在i e e e 8 0 2 1 6 a 协议中，提供了三种信道编码方案，分别是外码 为r s 码，内码为卷积码的级联码，b l o c kt u r b o ，c o n v o l u t i o n a lt u r b o ，无信道 编码四种方案。在本论文中我们采用第一种方案，后面将做详细介绍。 q a m ( q p s k ) 映射模块：i e e e 8 0 2 1 6 a 系统中的自适应调制技术在不增加发射 功率和对其他用户干扰的情况下，根据s n 和c i 动态的采用q p s k 、1 6 q a m 和 6 4 q a 1 等不同的调制方式，确保在不同的衰落的信道环境下传输的有效性。星座 图采用格雷码编码，相邻星座点的对应编码都只有i b i t 不相同。在解调判决时， 即使出现错误，也能成倍减少错比特数。 t d m a ( t d m ) 模块：i e e e 8 0 2 1 6 a 中下行链路采用t d m ( 时分复用) 方式，发 送给各个接入设备的数据采用时分复用的方式进行传输。上行链路采用d a m & ( 按 需分配多址) 和t d m a ( 时分多址) 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，更好的利用上行信道资源。其帧长选用0 5 、1 或2 m s ，每帧划分为多个物 理时隙，每个物理时隙定义为4 个q a m 符号长度。其格式如图2 5 。 9 电子科技大学硕士论文 p f 二一+ fs y m b o l s - pf - p 图2 - 5t d m t d m a 帧时隙结构 t d d ( f d d ) 模块：i e e e 8 0 2 1 6 支持两种双工方式时分双工( t d d ) 或频分 双工( f d d ) 方式，这两种方式各自支持适应的突发( b u r s t ) 类型。在t d d 模式 下，上行子帧接着下行子帧在同一载波频率中发送，其格式如图2 6 所表示，而 f d d 模式下，上下行子帧同时在不同的频率段上发送，其格式如图2 7 所表示。 t = nt d d 下行帧保护间隔t = n + it d d 上行帧 前i 控制 缀l 时隙 t d m 时隙n旧 控制t d m at d m a l 时隙时隙1时隙ni b u r s tp r e a m b l e lp a y l o a d ( a n dp i l o tw o r d s )l r x d s 频段f 1 f d d 下行帧 保护间隔 频段f 2 f d d 上 图2 - 6t d d 上下行子帧结构 t = nt 扑l 旧 控制t d mt d m实现半双工的 时隙时隙1时隙nt d i v i a 上行帧部分 图2 7f d d 模式上下行子帧结构 下行子帧开头的f e c ( q p s k ) 是帧控制部分，包括d l m a p ( 下行帧控制部分) 和u l m a p ( 上行帧控制部分) 分别用于控制上下行数据发送，随后就是t d m 数 据部分。而上行帧的开头部分为包括基于竞争方式的初始接入所需的带宽及广播 1 0 电子科技大学硕士论文 方式或组播方式的带宽请求部分，随后为t d m a 数据部分。 基带波形整形模块：为了使信号在带限信道上传输，而无码间干扰，在调制 以前必须对基带波形进行整形滤波。i e e e 8 0 2 1 6 a 协议所使用的滚降系数为0 2 5 的升余弦根滤波器，另外还可以选择滚降系数为：0 1 5 和0 1 8 。理想的升余弦 根滤波器频率转移特性为： 日( ，) = 压翻 o ，( 1 一口) l f 降厶( 1 + 口) f 仆厶( 1 + 。) ( 2 1 ) 在这而厶= 壶= 譬 其中厶是奈奎斯特采样频率，t s 是码元持续时间，r s 是码率。 正交调制模块：i e e e 8 0 2 1 6 a 协议定义正交调制的波形为： s ( t ) = l ( t ) c o s ( 2 x f j ) 一q ( t ) s i n ( 2 x f j ) ( 2 - 2 ) 其中i ( t ) 和q ( t ) 分别是i 路和q 路的基带波形，z 是载波频率。 功率控制模块：通过合理、动态地分配发射功率可有效降低系统干扰，保证 通信链路的服务质量【1 8 1 。 2 3 基于i e e e s 0 2 1 6 a 的宽带无线接入( b w a ) 解决方案 2 3 1 i e e e 8 0 2 1 6 a 的系统组成 i e e e 8 0 2 1 6 a 作为宽带接入的一种手段，与传统的宽带接入技术a d s l 和l a n 相比，具有如下优势： 1 灵活性强：无需要等待数周时间安装线路，无线宽带接入可以轻松快速的在 任何 临时站点建立起来。同时可根据用户需求和信道状况动态分配系统资源， 减少资金或设备的浪费。 2 应用范围广：在不便于部署有线宽带接入技术的区域，i e e e 8 0 2 1 6 a 具有更 强的适应能力。例如，a d s l 接入的有效覆盖范围仅限于距局端5 k m 以内的区 域，而i e e e 8 0 2 1 6 a 则可以打破这一距离限制。 3 成本低：在城郊和农村等部署传统的宽带接入成本较高的地区，采用无线接 入手段可以有效的降低成本；运营商可以通过单个基站为成千上万的用户提 电子科技犬学硕士论文 供不同的服务。 但是，i e e e 8 0 2 1 6 a 也有其固有的局限性。虽然其相对于有限网络的成本低， 但在城市等适宜有线宽带接入的地区，i e e e s 0 2 1 6 a 用户接入设备成本仍然比较 高。虽然i e e e 8 0 2 1 6 a 信号最远可以达5 0 k m ，但通常只有3 5 k m 范围内才可以 真正体会7 5 m b i t s 的高速度，一旦超过这一范围，数据传输率会下降。相对于 有线接入，无线通信的安全问题也不可避免的成为i e e e 8 0 2 1 6 a 竞争能力的弱 势。同时，在i e e e 8 0 2 1 6 e 标准完成前，i e e e s 0 2 1 6 a 还不能实现用户终端在各 基站之间的移动，也就无法实现基于i e e e 8 0 2 1 6 b 的无线终端的无缝连接。 图2 8 所示是i e e e 8 0 2 1 6 a 网络的体系结构，包括核心网络、基站( 8 s ) 、 用户基站( s s ) 、接力站( r s ) 、用户终端设备( t e ) 以及网管。对于一个i e e e 8 0 2 1 6 a 网络系统而言，通常只包括一个b s 和多个s s ，也可能根据需要设置若干接力站， 形成点对多点或多点对多点体系结构。 图2 - 8i e e e s 0 2 1 6 a 网络的体系结构 核心网络：i e e e s 0 2 1 6 a 连接的核心网络通常为传统交换网或因特网。 i e e e 8 0 2 1 6 a 系统提供核心网络与基站间的连接借口，但注意i e e e 8 0 2 1 6 a 系统 不包括核心网络。 基站：基站提供用户基站与核心网络的连接，通常采用扇形定向天线或全向 天线。i e e e 8 0 2 1 6 a 基站可提供灵活的子信道部署和配置功能，能够使运营商根 据所拥有的授权，或非授权频段资源灵活规划信道带宽，并根据用户群体状况不 断升级扩展。 用户基站：用户基站提供基站与用户终端设备的中继连接。i e e e 8 0 2 1 6 a 用 户基站通常采用固定天线，并安装在屋顶上。基站与用户基站采用动态适应性信 电子科技大学硕士论文 号调制模式，这种模式能够使基站根据信号强弱调整每个用户基站的带宽，以确 保与用户基站的正常连接。 接力站：在点到多点体系结构中，接力站通常用于提高基站的覆盖能力，也 就是说充当1 个基站和若干用户基站( 或用户终端设备) 间信息的中继站。接力 站面向用户一侧的下行频率可以与其面向基站的上行频率相同，当然也可以采用 不同的频率。 用户终端设备：i e e e 8 0 2 1 6 a 系统定义用户终端设备与用户基站间的连接接 口，提供用户终端设备的接入。但用户终端本身不属于i e e e 8 0 2 1 6 a 系统。 网管：网管系统用于脏视和控制网内所有基站和用户基站，提供查询、状态 监控、软件下载、系统参数配置等功能【6 o 2 3 2 ie e e 8 0 2 16 a 应用解决方案 基于i e e e 8 0 2 1 6 a 的技术特点和优势，w m a n 主要应用将集中在电信运营 商的无线城域网范畴。其应用主要定位在两个方面。一是作为有线带宽接入 方式的补充，扩展带宽接入的范围和灵活性；另一个是作为无线城域网技术， 将与w i f i 技术并驾齐驱，分别鼎立于局域网与城域网两个互为补充的领域。 图2 9 所示为i e e e 8 0 2 1 6 a 的应用解决方案。 圈2 - 9i e e e 8 0 2 1 6 a 的应用解决方案 在此方案中，运营商城域网可选择i e e e 8 0 2 1 6 a 作为有线带宽接入方式的补 充，用于无线连接企业网用户和带宽个人用户。该连接方案能克服传统连线系统 的物理障碍，适合应用在那些接入困难的大城市市中心的建筑、用户局端很远的 郊区以及人口密度低、电信基础薄弱的农村，可以显著的降低这些地方的宽带服 务的基建投资。此方案的一个典型应用就是在城市会展中心，平时可以只备有 条接入线路来满足日常宽带连接的需求，但在有召开大型会议或展览会等突发的 电子科技大学硕士论文 通信需求时，可以临时申请i e e e 8 0 2 1 6 a 业务，解决上千名用户同时接入因特网 或通过v p n 连接到其公司的网络需求。 本方案中的另一种应用就是将i e e e 8 0 2 1 6 a 作为无线城域网技术，直接作为 用户终端的无线接入手段。其典型应用是：在热点区域内使用i e e e 8 0 2 1 1 连接， 离开热点区域但仍然在i e e e 8 0 2 1 6 a 服务区内时使用i e e e 8 0 2 1 6 a ，这样用户将 可以在整个城域网内始终保持无线连接。同时，i e e e 8 0 2 1 6 a 还可以作为 i e e e 8 0 2 1 1 接入热点的无线回路，即运营商只需要采用i e e e 8 0 2 1 l 规格的热点 作为用户的基站，使无线局域网通过i e e e 8 0 2