（信息与通信工程专业论文）基于ieee80216e的ofdma物理层算法研究.pdf

摘要 随着信息产业的飞速发展，通信技术和计算机技术的融合已成为必然趋势，因特网的 出现则加速了两种技术的融合。全球通信产业呈现出移动化、宽带化、i p 化的趋势。 i e e e 8 0 2 1 6 e 的出现正好迎合了这样的发展趋势，基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的w 1 m a x 技术兼具 了移动、宽带和坤化的特点，是一种很有发展潜力的无线接入技术。 1 e e e 8 0 2 1 6 e 提供非视距( n l o s ) 的、支持移动性的宽带无线通信，其工作频率为 2 - 6 g h z ，采用的物理层调制和接入方式为o f d m a 。本文主要研究基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的 o f d m a 系统的关键技术，通过理论分析和算法仿真，系统地阐述了o f d m a 物理层涉 及的各种重要过程和算法的原理，形成了相对完整的o f d m a 物理层的理论体系。 本文的第一章介绍了i e e e 8 0 2 1 6 标准的体系和技术特点，并简要地介绍了o f d m 和 o f d m a 的原理以及优缺点。 本文的第二章介绍了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m a 系统的发送原理，并给出了适用于 该协议的无线移动衰落信道模型。 本文的第三章是全文的核一f l , 章节，首先从理论上分析了各同步参数对上下行o f d m a 系统性能的影响，然后结合系统特点，提出了一种适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 协议的同步流程， 并给出了基本的同步参数估计算法，接着对o f d m a 的信道估计作了具体的研究，最后 推导了一种简化的均衡与软解调算法，并给出了系统仿真的结果。 本文的第四章研究了o f d m a 系统的小区搜索问题，提出了有效的帧起始检测算法 和小区标识识别算法，并结合算法给出了小区搜索的流程，最后通过仿真分析了这些算 法和流程的性能。 本文的第五章研究了o f d m a 系统的上行测距问题，首先分析了上行测距过程的调 整参数和调整目标，然后介绍了基本的测距流程，并提出了有效的测距码搜索和合法性 检测算法，最后给出了测距算法的性能仿真结果。 本文的最后一章对o f d m a 系统支持的l d p c 码的编解码算法进行了研究，针对 b l o c k l d p c 码的特点，给出了复杂度较低且适用于o f d m a 系统的编解码算法，然后给 出系统仿真的结果。 【关键词】宽带无线接入、o f d m a 、同步、信道估计、小区搜索、测距、低密度校验码 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n i n d u s t r y , c o m p u t e r a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o k i g i e sc o n t i n u et om e r g e t h ef l o u r i s ho fi n t e m e ta c c e l e r a t e st h ep r o c e s so fm e r g e n c e n o w a d a y st h eg l o b a lc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yd i s p l a y st h et r a i t so fm o b i l i t y , b r o a d b a n da n d i p - b a s e da r c h i t e c t u r e a n dt h ea p p e a r a n c eo fi e e e 8 0 2 1 6 em e e t st h et r e n do fd e v e l o p m e n t w l m a xs y s t e m st h a ts u p p o r ti e e e 8 0 2 1 6 es t a n d a r dh o l da l lt h et r a i t so fn e x tg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s om o b i l ew l m a xi sav e r yp r o m i s i n gb r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s st e c h n o l o g y i e e e 8 0 2 1 6 e p r o v i d e ss p e c i f i c a t i o n s f o rn o nl i n eo f s i g h t ，m o b i l e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f2 - 6g h z i ti sw e l li m p l e m e n t e db yu s i n go f d m a a si t sp h y s i c a ll a y e rs c h e m e h e n c eo f d m a s y s t e m sa r ed i s c u s s e d t h ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e s o fo f d m a s y s t e m st h a ts u p p o r ti e e e 8 0 2 1 6 ea r er e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h r o u 曲 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h ea l g o r i t h m sa n dp r o c e s s e sf o ro f d m a p h y s i c a ll a y e r a r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d ar e l a t i v ei n t e g r a t e da n df e a s i b l es c h e m ei sp r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n i nc h a p t e ri ，t h ed e v e l o p m e n to fi e e e 8 0 2 1 6s t a n d a r di sr e t r o s p e c t e d ，a n di t st e c h n o l o g y t r a i t sa r ed i s c u s s e d a f t e rt h a t ，t h ep r i n c i p l eo fo f d ma n do f d m ai sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e ma r ei n v e s t i g a t e d i nc h a p t e ri i ，t h et r a n s m i s s i o np r i n c i p l eo fo f d m a s y s t e mt h a ts u p p o r ti e e e 8 0 2 1 6 ei s i n t r o d u c e d ，a n dt h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e lf o ri e e e 8 0 2 1 6 ei sm o d e l e d i nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e ri i i ，t h ei n f l u e n c eo fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r si nd o w n l i n ka n du p l i n ko f d m aa r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da tf i r s t t h e nt h es y n c h r o n i z a t i o nf l o wo fo f d m as y s t e mj sp r o p o s e d a n dc o r r e s p o n d 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 ei n t r o d u c e d a tt h es e c o n dp a r t ，c h a n n e l e s t i m a t i o no fo f d m a s y s t e mi si n v e s t i g a t e d ，a n daf e a s i b l ec h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m ei s p r o p o s e d a tl a s t ，as i m p l i f i e dc h a n n e le q u a l i z a t i o na n d s o f td e m o d u l a t i o na l g o r i t h mi sd e r i v e d a l s ot h es y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n i nc h a p t e ri v ，t h ec e l l ，s e a r c h i n gp r o b l e mo fo f d m a s y s t e mi sr e s e a r c h e d t h ee f f e c t i v e f r a m ed e t e c t i o na n dc e l li d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h e s ea l g o r i t h m s ， t h ec e l l s e a r c h i n gp r o c e s s e sa r ec o n s t r u c t e d t h ep e r f o r m a n c e so fa l g o r i t h m sa n d p r o c e s s e sa r e e v a l u a t e da tt h ee n do ft h e c h a p t e r i nc h a p t e rv ，t h er a n g i n gp r o b l e mo fo f d m as y s t e mi si n v e s t i g a t e d t h er a n g i n g p a r a m e t e r sa n da d j u s t i n ga i m sa r ed i s c u s s e da tf i r s t t h e nt h ef u n d a m e n t a lr a n g i n gp r o c e s s e s a r ei n t r o d u c e d t h ee f f e c t i v er a n g i n g c o d es e a r c h i n ga n dv a l i d a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h er a n g i n ga l g o r i t h m sa r eg i v e ni nt h ee n d i n c h a p t e rv i ，t h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m so fl d p cc o d e ss u p p o s e db y t t i e e e 8 0 2 1 6 ea r er e s e a r c h e d l o wc o m p l e x i t ye n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m sa r ed e r i v e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fb l o c kl d p c c o d e s a l s ot h ep e r f o r m a n c e so fl d p cc o d e sa r e g i v e n 【k e yw o r d s 】b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，o f d m a , 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 ， c e l ls e a r c h i n g ，r a n g i n g , l d p cc o d e s i 术语表 o f d m ( 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 ) o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) o f c d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c ya n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x ) w l 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 rm i c r o w a v ea c c e s s ) h s d p a ( h i g h - s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) s t c ( s p a c et i m ec o d i n g ) a a s ( a d v a n c e da n t e n n as y s t e m s ) h a r q ( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) a m c ( a d v a n c e dm o d u l a t i o na n dc o d i n g ) t u ( t y p i c a lu r b a n ) p u s c ( p a r f i a l l yu s e ds u b c h a n n e l i z a t i o n ) f u s c ( f u l l yu s e ds u b c h a n n e l i z a t i o n ) l c l ( i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) l s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) m a l ( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) p a r ( p e a k t o a v e r a g er a t i o ) b s ( b a s es t a t i o n ) m s s ( m o b i l es u b s c r i b e rs t a t i o n ) l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i “c h e c k ) c c ( c o n v o l u t i o n a lc o d e ) b t c ( b l o c kt u 【r b oc o d e ) c t c ( c o n v o l u t i o n a lt u r b oc o d e ) c f 0 ( c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ) p n ( p s e u d on o i s e ) l s ( l e a s ts q u a r e s ) m l ( m a x i m u nl i k e l i h o o d ) m m s e ( m i n i m u nm e a ns q u a r ee r r o r ) c b r ( c r a m e r r a ob o u n d ) b p ( b e l i e f p r o p a g a t i o n ) u m p ( u n i f o r m l ym o s tp o w e r f u l ) l l r ( l o g l i k e l i h o o dr a d i o s ) 正交频分复用 正交频分多址 码分多址 正交频分和码分复用 微波接入全球互操作性 高速下行链路分组接入 空时编码 高级天线系统 混合自动重传 自适应调制编码 典型城市环境 部分使用子信道化 全部使用予信道化 信道问干扰 符号问干扰 多接入干扰 峰值平均功率比 基站 移动用户 低密度校验码 卷积码 分组t u r b o 码 卷积t u r b o 码 载波频偏 伪随机噪声 最小二乘 最大似然 最小均方误差 c r a m e r r a o 界 置信传播 一致最有效 对数似然比 v i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着i n t e r a c t 的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长，全球通信产业技术的发 展呈现出三大趋势：无线化、宽带化和i p 化。互联网业务的发展推动了市场对宽带网络 的需求，宽带用户数量在全球呈现出非常强劲的增长态势。在众多的宽带技术中，无线 技术尤其是移动通信技术成为近年来通信技术市场的最大亮点，是构成未来通信技术的 重要组成部分。当前支持宽带无线接入的w i m a x 技术受到了业界的普遍关注，w i m a x 技术是基于无线城域i j 5 9 i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线技术，可以在固定和移动的环境提供 高速的数据、语音和视频等业务，具有广阔的应用前景。作为i e e e8 0 2 1 6 标准的主流技 术，o f d m ( i f 交频分复用) 和o f d m a ( 正交频分多址) 技术被广泛地应用到w i m a x 系统的物理层中，特别是后者，它是支持移动性的i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的基础，因此对于 o f d m a - 忮术的研究有很重要的现实意义。 1 1i e e e 8 0 2 1 6 标准的体系 i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，对工作于不同频带的无 线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围在公里( k m ) 量级， 因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网。根据使用频带高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用 于视距和非视距两种，其中使用2 l l g h z 频带的系统可应用于非视距( n l o s ) 范围， 而使用1 0 6 6 g h z 频带的系统应用于视距( l o s ) 范围。根据是否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准。 i e e e8 0 2 1 6 标准系列主要包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 标准【1 ，其中 8 0 2 1 6 、1 6 a 、1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空 中标准。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在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，因此仅能应用于视距 ( l o s ) 传输。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标准对之前颁布的8 0 2 1 6 标准进行了扩展，对使用2 l l g h z 许可和免许可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，该 频段具有非视距( n l o s ) 传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 公里，通常小区半径为1 0 公里以内。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供t q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业 务。 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟且具有实用性的一个 标准版本。8 0 2 1 6 d 对1 0 6 6 g h z 频段和 l l g h z 频段的固定宽带无线接入空中接v i 物理层 和m a c 层进行了详细规定，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 浙江人学硕上学位论文 和相对应的多个物理层。该标准对前几个8 0 2 1 6 标准进行了整合和修订，仍属于固定宽带 无线接入规范。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准。 8 0 2 1 6 e 标准区别于前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准规定了可问 时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工作在 6 g h z 适宜于移动性的许可频段，可支 持用户终端以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影 响。8 0 2 1 6 e 标准规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。制定8 0 2 1 6 e 标准的目的， 是希望能够提出一种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。8 0 2 1 6 e 标准已于2 0 0 5 年1 2 月7 日获i e e e 批准。 8 0 2 1 6 系列各空中接口标准的比较如表1 1 所示。 表1 1i e e e 8 0 2 1 6 系列各空中接口标准特征的比较 8 0 2 1 68 0 2 1 6 a8 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e 标准情况2 0 0 1 年1 2 月正式2 0 0 3 年1 月正式2 0 0 4 年6 月2 3 日2 0 0 5 年1 2 月7 日 发布发布获批获批 使用频段1 0 6 6 g h z 1 1 g h z1 0 6 6 g i z 6 g h z 1 1 g h z 信道条件视距非视距视距+ 非视距非视距 同定移 固定 崮定周定移动+ 漫游 动性 主流调制o p s k 、1 6 q a m2 5 6 0 f d m2 5 6 0 f d m 2 5 6 0 f d m 方式和6 4 q a m( b p s l p s k( b p s k q p s k ( b p s k q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m )1 6 q a m 6 4 q a m ) 1 6 q a m 6 4 q a m ) 1 2 8 5 1 2 1 0 2 4 2 0 4 8 2 0 4 8o f d m a o f d m a 信道带宽2 5 2 8 m h z1 2 5 2 0 m h z 1 2 5 2 0 m k1 2 5 2 0 m h z 传输速率 3 2 1 3 4m b p s在2 0 m h z 信道在2 0 m i - i z 信道在5 m h z 的信道 ( 以2 8 m h z 为上提供约7 5上提供约7 5上提供约1 5 载波带宽) m b p s 的速率m b p s 的速率m b p s 的速率 额定小区 j 时，若n 能被i 整除，则数据分成k 块均包含i 个时隙的f e c 块，否则 数据分成( k 一1 ) 块均包含i 个时隙的f e c 块、一块包含c e i l ( ( m + j ) 2 ) 个时隙的f e c 块和一块包含f l o o r ( ( m + j ) 2 ) 个时隙的f e c 块 9 i 。其中j 的值按照表2 1 定义。 表2 1 不同调制方式下的j 值 m o d u l a f i o na n dr a t e j 1 ) o p s k1 ，2 j = 6 2 ) q p s k3 厂4 j = 4 3 ) 1 6 - q a m1 2j = 3 4 ) 1 6 - 0 a m3 4 j = 2 5 ) 6 4 - o a m1 2j = 2 6 ) 6 4 - o a m2 3 j = 1 7 ) 6 4 - q a v l3 4 j = 1 2 2 2 数据的随机化 为了保持数据比特0 、1 的平衡性，避免出现k 时间的相同比特，需要对已分块数据进行随机化 处理，随机器的结构如图2 2 所示，其中随机器的生成多项式为s ( x 1 = 1 + 工1 4 + z ”。 m s b l s b - i 1 l ：。 5e9 1 8l li 31 4 i “一程 j | f 、一孙 盯”、。 蛐近 #夕一“4 图2 2 随机器的结构 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 卷积编码和删余 系统通过t a i l b i t i n g 卷积编码和删余束实现数据的前向差错控制( f e c ) ，所谓 t a i l b i t i n g 是指一个f e c 块在编码之6 口将卷积码编码器的初始状态设为该f e c 块的最后 若干比特，这样在译码时可以通过比较t r e l l i s 图的起始和结束状态是否相同来判断译码 是否正确。 卷积码编码器的生成多项式为g 1 = 1 7 1 ( 。1 ，g 2 = 1 3 3 f 。l ，系统支持r = l 2 、2 3 、3 4 三 种编码速率，其中后两者码率需要通过删余( p u n c t u r e ) 来实现，其中r = 2 3 的删余模式 为盖，x 石：艺一墨i e ，r = 3 4 的删余模式为工，x x 3 y , 一z ，骗鼍。 2 2 4 交织 交织的作用是将突发错误转化为随机错误，有利于前向纠错码的译码。交织由两个变 换过程组成。第一次变换保证了相邻的编码比特被映射到不相邻的子载波上。第二次变 换保证了相邻的编码比特被分别映射到星座图的重要和非重要比特上，避免出现长时间 的低比特位映射。假定第一次变换前比特的下标为k ，第一次变换后其下标为m 。，第二 次变换后下标为 ，则两次变换的表达式分别为： m i = ( v k p d ) k 。0 d ( d ) + f l o o r ( k d ) ，k = o ，1 ，。m 一1 = s l t o o r ( s ) + ( m k + 0 一f l o o r ( d m k 母) ) 。k = o ，卜， k 一1 其中为交织块的长度，对q p s k 、1 6 - q a m 和6 4 一q a m 分别为2 、4 、6 ， s = n c 。i2 ，d = 1 6 n 2 2 5 数据映射 交织后的数据被映射成频域上的数据符号，其映射过程可使用q p s k 、1 6 q a m 或 6 4 q a m 。系统将数据流顺序划分为分组序列，根据调制方式的不同，分组有2 、4 、6 比特不等，每个分组映射到星座图上的一点。不同调制方式的g r a y 码映射星座图如图2 3 所示。 浙江人学硕上学位论义 ，j s - ： 0 1 l 一- - o l 0 - o 5 - i ： 一 ，毒：if， 一 l - 0 - 3 0 - 5 , l o b s b b 3 图2 3 不i j 调制方式下的映射星座图 为了使不同星座图映射的数据符号有相同的平均功率，需要引入归一化因子k 。对 映射结果进行处理，不同调制方式的归一化因子如表2 2 所示。 表2 2 不同调制方式的映射归一化系数 m o d u l a t i o n k m 0 p s k 1 压 1 6 一q a m 1 而 6 4 0 a m 1 石 2 2 6 子载波分配 o f d m a 的传输机制是建立在o f d m 基础上的，而o f d m a 与o f d m 的最大区别体 现在对子载波分配的处理上。子载波的分配在o f d m a 中很复杂，有很多必选和可选的 模式，其中f u s c 方式需要首先在可用子载波中分配用于导频的子载波，然后将剩余的 子载波分成不同的子信道进行数据传输；而p u s c 方式则首先将可用子载波分为子信道， 然后在子信道中确定哪些子载波用于传送导频信号。由于对下行和上行o f d m a ，p u s c 方式是必须支持的，因此这里主要介绍p u s c 的子载波分配方式。 2 2 6 1 下行链路的p u s c 方式 1 2 浙江大学硕士学位论史 在f 行o f d m a 的p u s c 方式中，每个扇区都会分配到一组子信道，其中子信道的 划分是按照簇( c l u s t e r ) 结构来实现的，对于下行p u s c ，一个簇的结构包含1 4 个子载 波宽度以及2 个符号长度，其导频和数据子载波的位置如图2 4 所示。 | 、荨i i 1 ： g 誊号j ； 1 _ | ；_ ； ie 曩j曩1 | i 誊； ； ； j 矾忱。珊0 k e ； 曩鬟。董= = 蓉ii | ； j i 爹曩0 i i o d d s y m b o l s 矗l n c d m c e p t | t r lc a r r i e f 型2 4 下行p u s c 的簇结构 对于f f t 点数为2 0 4 8 的o f d m a 系统，其p u s c 方式的子载波分配算法为： 1 1 分簇：将所有的有用子载波分为1 2 0 个物理簇，每个簇包含相邻的1 4 个子载波。 2 ) 簇位置映射：将所有的物理簇映射为逻辑簇，映射的关系式为 l o g i c a l c l u s t e r = r e n u m b e r s e q u e n c e ( ( p h y s i c a l c l u s t e r + 1 3 + d l p e r m b a s e ) m o d l 2 0 ) 。 3 1 分组：将所有的逻辑簇分为6 个组，偶数号的组包含2 4 个逻辑簇，奇数号的组 包含1 6 个逻辑簇，然后以组为单位分成3 个s e g m e n t ，每个s e g m e n t 中的子载波 分配给一个扇区使用。 4 ) 子载波分配：首先在每个组的每个逻辑簇中分配导频予载波，然后将组中的剩余 子载波划分为子信道，对于偶数号的组，可划分为1 2 个子信道，对于奇数号的 组，可划分为8 个子信道。由于每个组占了2 个符号长度，因此在组中划分子信 道时，每个子载波的位置是按照符号为单位来计算的，其对应关系式为 删纽砌 ，s ) = n k + 缸【m o d ：m + d l p e m z b a s e r o o d mc ，其中 s u b c a r r i e r ( k ，s ) 表示在予信道s 中第k 个子载波的逻辑序号位置，以。为每 个组的子信道数，如。一为每个子信道的数据子载波数( 以符号为单位) ， n k = + 1 3 s ) m o a ；，p , i j 】为基本排列序列循环左移s 位获得的序列。 对于其它f f t 点数的p u s c 方式，也是按照上述方式来分配子载波的，只是参数有 所不同。对于不同的f f t 点数，具体的参数如表2 3 所示。 表2 3 不同f i t 点数的f 行p u s c 分配方式 参数取值 f f r s i z e1 2 85 1 21 0 2 4 2 0 4 8 虚载波( 左，右) 4 3 ( 2 2 2 1 ) 9 1 “6 4 5 )1 8 3 ( 9 1 )3 6 7 ( 1 8 4 1 8 3 ) c l u s t e r s u b c h a n n e l6 3 3 0 1 56 0 3 01 2 咖 有用子载波8 54 2 18 4 11 6 8 1 数据子载波 7 23 6 07 2 01 4 4 0 导频子载波 1 26 01 2 02 4 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 6 2 上行链路的p u s c 方式 在上行o f d m a 的p u s c 方式中，子信道的划分是基于堆( t i l e ) 结构的，其中每个 堆结构包含4 个子载波宽度和3 个符号长度，其导频和数据予载波的位置如图2 5 所示。 e i i i | | ；s y m b o l 0 黉 | | | | | i i 曩：s y m b o l l 鬻i 褰一譬s 3 v a b o l 2 国p i l o t c n e r | | | ；| 囊d o t ac 枷f 图2 5l 行p u s c 的堆结构 对于f f t 点数为2 0 4 8 的o f d m a 系统，其p u s c 方式的子载波分配算法为： 1 1 分堆：首先将有用子载波分为4 2 0 个堆，每个堆包含相邻的4 个子载波。 2 1 划分子信道：将所有的堆划分为7 0 个子信道，每个子信道占用6 个堆，其计算 式为t i l e ( s ，n ) = 7 0 - n + ( e t i ( s + n ) r o o d 7 0 】+ u l p e r m b a s e ) m o d 7 0 ，其中t i l e ( s ，n ) 表 示第s 个子信道的第n 个堆的索引，p t 为堆排列序列。 3 ) 子载波分配：首先在子信道中分配导频予载波，然后再分配数据子载波，其中数 据子载波位置的计算式为s u b c a r r i e r ( n ，s ) = 0 + 1 3 s ) m o d m 。k 一。，其中 s u b c a r r i e r ( n ，s ) 表示第n 个子信道的第s 个子载波的位置。 对于不同的h 丌点数，具体参数如表2 4 所示： 表2 4 不同f f t 点数的上行p u s c 分配方式 参数 取值 系统带宽 1 2 551 02 0 h 盯b i z e1 2 85 1 21 0 2 42 0 4 8 虚载波3 11 0 31 8 3 3 6 7 2 41 0 22 1 04 2 0 n t i k 每个t i l e 中 4444 的子载波 个数 有用子载 9 74 0 98 4 11 6 8 1 波 子信道数 41 73 57 0 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 - 7 导频插入和调制数据加扰 导频子载波的作用在于提供参考信号，接收端可以利用这些参考信号来校正系统参数 的偏移值，有利于提高相干检测性能。 当映射的数据符号调制到子信道的数据子载波之后，系统在相应位置插入导频数据， 这些数据都是基于b p s k 调制的，其中对于下行o f d m a ，导频数据的幅度为4 3 ，而对 于上行o f d m a ，导频数据的幅度为1 。然后系统对所有的调制数据( 包括导频，加扰前 导频插4 3 和1 ) 在频域加扰，其结构如图2 5 所示。因此加扰后导频数据为4 3 ( 1 2 w k ) 和1 2 w k ，而映射的数据符号也获得了随机化。 图2 5 频域加扰器的结构 2 2 8i f f t 和添加循环前缀 调制的频域数据经过串并变换后送到i f f t 模块，将获得时域的o f d m a 符号。为了 克服多径时延引起的符号问干扰( i s i ) ，需要为每个o f d m a 符号引入保护时间间隔， 但是如果在保护时间间隔内不发送信号，仍会引起子载波间干扰( i c i ) 。为了消除这种 影响，o f d m a 符号需要在保护时间间隔中添加循环前缀，具体而言，就是把o f d m a 符号时域波形的后面一段复制到最前面形成保护时间间隔，这样就保证了在f f t 周期内， 延迟的o f d m a 符号总是包含整数个子载波周期，因此通过f f t 后不会引起i c i 。 2 3 无线衰落信道模型 移动环境下的无线衰落信道模型可分为大尺度( l a r g es c a l e ) 衰落模型和小尺度 ( s m a l ls c a l e ) 衰落模型【4 2 】，其中大尺度衰落模型用来描述发射机和接收机之间的长距 离的信号强度变化，而小尺度衰落模型则用来描述短距离或短时间的接收信号强度的快 速变化。在同一个无线衰落信道中既存在着大尺度衰落，也存在着小尺度衰落，在本节 将对适用于1 e e e 8 0 2 1 6 e 标准的无线衰落信道进行建模。 浙江大学硕士学位论文 2 3 1 大尺度衰落模型 假定发射机到接收机的距离为d ，相对于发射机的近地参考距离为d 。，则平均大尺 度路径损耗可表示为【1 0 l ： ( f ，e ) d b = 善p ，d 。) d b + l o n l o g ( d d o ) + x 。o ) ( 2 1 ) 其中n 为路径损耗因子，一般为2 4 ，x 。o ) 为零均值的高斯随机变量，反映了对数 正念阴影效应。 为了计算参考距离d 。处的大尺度衰落值，这里假定该参考点上的路径衰落服从自由 空间衰落模型，因此平均大尺度路径损耗模型可改写为： p a t h l o s s ( d ) = l o l o g 警椭i d + x ( 2 - 2 ) 图2 6 给出大尺度衰落的仿真结果，假定小区( c e l l ) 的半径为3 k m ，载波频率为 2 5 g h z ，参考距离为1 0 0 m ，暂不考虑由阴影效应引起的对数正态过程。从仿真曲线可以 看出，路径衰耗的上限约为1 4 0 d b 。 1 加 1 2 0 1 璺部 8 3 看即 n d 0 一 一 ? 01 0m m m d l s t ( m ) 图2 6 大j t 度衰落的路径损耗 2 3 2 小尺度衰落模型 图2 7 单径的自相关和互相关性能 多径和多普勒频移是反映小尺度衰落的两个重要因素。对于多径，一般可用多径时延 扩展和相关带宽来描述信道的时间扩展特性，当信号带宽小于相关带宽时，信号通过信 道之后各频率分量的变化具有一致性，称为平坦衰落，当信号带宽大于相关带宽时，信 号通过信道之后各频率分量的变化具有非一致性，称为频率选择性衰落。而对于多普勒 频移，一般用多普勒扩展和相关时间来描述信道的时变特性，当信号的符号周期大于信 道的相关时间时，信号将经历时间选择性衰落，而当信号的符号周期远小于信道的相关 浙江大学硕+ 学位论文 时间时，信号将经历慢衰落。因此在i e e e 8 0 2 1 6 e 的o f d m a 系统中，小尺度衰落的特 征反映为频率选择性的慢衰落。 由于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准支持非视距( n l o s ) 的信号传输，因此其信道为典型的多径 瑞利衰落信道，即信道中不含主径信号。关于瑞利衰落单径的产生，有一种改进的j a k e s 模型可以很好地符合各径衰落的自相关和互相关要求1 1 1 i 。 能量归一化的瑞利衰落单径可通过如下计算式产生： 厂“一l 瓦( f ) 2 j 寿荟 c o s ( c o s a n k t + 丸) + 埘n ( s i n f + ) 】，= 0 ，m 。2 渤 其中m 为需要产生的独立衰落单径数，为振荡器个数，甜。为最大多普勒频移， 0 = ，4 ，a “；警+ 篙+ 刍茜，丸和为随机相位。 图2 7 给出了移动速度为5 0 k m h 时瑞利衰落单径的自相关和互相关性能，可以看出， 单径的自相关特性与理论值吻合，且两个单径之间的互相关特性接近于零，因此瑞利衰 落单径的性能很好。 多径哀落信道可以通过以上的瑞利衰落单径来构建，考虑到i e e e 8 0 2 1 6 e 应用的典型 城市多径环境，本文采用1 2 径的t u 衰落信道【1 2 j ，其信道参数如表2 5 所示。 表2 5 1 2 径t u 衰落信道参数 各径 12 3 456 7 8 9 1 0 1 11 2 相对 0010 30 5081 1131 72331325 口 时延 ( u s ) 相对4 30 2 63 5756 5 86儿 1o 功率 ( 曲) 2 4 本章小结 本章首先