（通信与信息系统专业论文）wimax固定无线接入网规划方法研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 无线数据与移动计算网络 作 者：三塑生级研究生 王秀峰 指导教师塞苤立 题目：w i m a x 固定无线接入网规划方法研究 英文题目：t h er e s e a r c ho fw i m a xn e t w o r k sp l a n n i n gf o rf i x e d w i r e l e s sa c c e s sa p p l i c a t i o n s 主题词：w i m a x8 0 2 1 6固定无线接入网 正交频分复用链路预算容量规划网络规划 k e y w o r d s ： w i m a x8 0 2 16f i x e dw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k o f d ml i n kb u d g e t c a p a c i t yp l a n n i n g n e t w o r kp l a n n i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文 图目录 图2 - 1 常规频分复用与o f d m 的信道分配8 图2 - 2o f d m 基本原理框图8 图2 3 模拟o f d m 模型示意图9 图2 4o f d m 频谱结构：a 、单个o f d m 子带频谱；b 、o f d m 信号频谱1 0 图2 - 5 在保护时间内采用零信号时多径的影响1 1 圈2 - 6 进行了循环扩展的o f d m 符号1 2 图2 7o f d m a 符号时域结构1 4 图2 - 8o f d m a 频域描述( 以三个子载波为倒) 1 4 图2 - 9w i r e l e s s m a n o f d m a 的t d d 模式结构1 6 图4 - 1 多径衰落对接收信号的影响2 4 图4 - 2 时间变化对信道的影响：a 、相干时间；b 、多普勒展宽2 5 图4 3 多普勒频谱。2 5 图4 - 4 小尺度和大尺度衰减2 6 图4 - 5 固定无线信道功率谱3 3 图4 6 仿真三条路径的衰落幅度3 4 图4 7m p l 信号幅度概率分布3 4 图5 - 1w i m a x 无线网络规划流程3 6 图5 2 话音业务模型4 2 图5 ，3 数据业务建立过程4 2 图5 4 无线区簇的组成4 4 图5 - 5 干扰源4 5 图5 - 6lx 3 复用方案4 7 图5 7 业务区基站分布图4 8 图5 - 8 基站结构4 9 图5 - 9 n = 1 载干比分布图一5 0 图5 1 0n = l 时不同调制编码方式所占比例5 0 图5 1 ln = 3 载干比分布图一5 1 图5 1 2n ；3 时不同调制编码方式所占比例5 l 图5 1 3n ；7 载干比分布图一5 2 图5 1 4n ；7 时不同调制编码方式所占比例5 2 图5 - 1 5n = 1 2 载干比分布图5 3 - v i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 图5 1 6n = 1 2 时不同调制编码方式所占比例 图5 1 7n = 2 1 载干比分布图 图5 1 8n = 2 1 时不同调制编码方式所占比例 图6 1 基站分布图 图6 2 仿真用天线型号 图6 3 天线水平方向图 图6 _ 4 天线垂直方向图 图6 - 5 无线传播模型 图6 - 6w i m a x 无线网络最佳服务小区覆盖图 图6 - 7w i m a x 无线网络前向接收功率 图6 - 8w i m a x 无线网络业务区c i 覆盖情况 图6 9 调制编码方式门限 i ，5 3 5 4 ，5 4 6 ： 6 3 5 4 1 4 f 4 6 1 ； 6 6 ，6 7 ，6 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 表目录 表2 1w i r e l e s s m a n o f d m a 的调制与编码13 表3 - 1 不同信道环境下的时延扩展值，1 8 表4 - 1 距离损耗指数取值表2 3 表4 2 各种信道类型下信道参数取值列表2 9 表4 3s u i 1 信道参数31 表4 4s u i 2 信道参数3l 表4 - 5s u i 3 信道参数3 1 表4 - 6s u l 4 信道参数3 2 表4 7s u i 5 信道参数3 2 表4 8s u i 一6 信道参数3 2 表5 一l 接收机所获得的s n r 以及e b n 0 取值3 8 表5 - 2w i m a x 无线接入系统接收机灵敏度3 8 表5 - 3 高端用户数据业务行为统计4 3 表5 _ 4 低端用户数据业务行为统计，4 3 表5 5c i 门限一调制编码方式对应表4 8 表6 - 1w i m a x 前向链路预算表：5 9 表6 - 2w i m a x 反向链路预算表：6 0 表6 - 3 业务区覆盖半径和覆盖面积对应表6 1 表6 - 4 业务区数据业务模型6 l 南京邮电大学学位论文独创性声明 y8 5 1 0 6 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：兰墨玉日期：j 1 2 竺卫 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：童盎叠导师签名 日期： ! 乏丝! 卫 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 随着宽带无线接入技术的发展，w i m a x 无线网络的应用越来越广泛，因此w i m a x 无线 接入网的规划方法和手段受到越来越多的重视。本文从为实际规划项目提供理论指导为出发 点，根据w i m a x 固定无线接入网特征，对网络规划参数的设计以及系统级仿真方法进行详 细的研究，为以后对w i m a x 无线网络规划提供一套切实可行的规划方案。 本文首先介绍了o f d m 技术基本原理以及i e e e8 0 2 1 6 中对o f d m 技术的协议规定，并 对本文所涉及w i m a x 固定无线接入系统的基本参数进行分析，根据系统参数各种设定值， 计算出w i m a x 系统物理层可能达到的最高传送速率；然后对w i m a x 固定无线接入网的无 线信道模型进行研究，并用m a t l a b 方法对s u i 信道进行仿真研究：最后阐述了规划中需重点 考虑的问题，从覆盖、容量以及频率规划角度对w i m a x 固定无线接入网规划方法进行研究， 并运用无线网络系统级仿真软件对网络进行仿真验证。 南京邮电丈学硕士研究生学位沦文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g y , w i m a xw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k sa r c m o r ea n dm o r ep o p u l a r t h u s , t h ep l a n n i n gm e t h o d sa n dt o o l sf o rw i m a xw i r e l e s st l c c e s sn e t w o r k s h a v ed r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s i no r d e rt oo f f e r i n gt h et h e o r e t i c a lg u i d ef o ra c t u a ln e t w o r k p l a n n i n g , t h en e t w o r kp l a n n i n gp a r a m e t e r sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d sa r es t u d i e di nd e t a i la c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ew i m a xf i x e dw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ki nt h i sp a p e r ap r a c t i c a ln e t w o r k p l a r m i n gm e t h o df o rw i m a xs y s t e mi sp r o v i d e d f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d mt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n si ni e e e8 0 2 1 6a r e p r e s e n t e d ，t h eb a s i cp a r a m e t e r so fw i m a xs y s t e ma r ea n a l y z e da n dt h ep o s s i b l ep h yd a t ar a t ei s c a l c u l a t e db a s e do nt h eg i v e ns y s t e mp a r a m e t e r s t h e n ，t h ec h a n n e lm o d e l sf o rf i x e dw i r e l e s s a p p l i c a t i o n sa r cd i s c u s s e d , a n ds u ic h a n n e lm o d e li ss i m u l a t e d ，f i a n l l y , t h ep r o c e s sa n dm e t h o do f r a d i op l a n n i n ga n ds o m ek e yp o i n t si nt h ep r o c e s s ，s u c ha s c o v e r a g e 、c a p a c i t ya n dp l a n n i n g f r e q u e n c yp l a n n i n ga r ei n t r o d u c e d a n das y s t e m s - l e v e ls i m u l a t i o no fn e t w o r kp l a n n i n gi sg i v e nt o e v a l u a t en e t w o r kp l a n n i n gs c h e m e l i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来人们对无线通信的质量、速率、服务的要求越来越高，3 g 无线蜂窝系统要求提供 大的系统容量和高速率、多速率数据传输。提供除语音和数据之外的高达2 m b i t p s 的高质量 活动图像。b 3 g 无线蜂窝系统的目标则是提供比目前2 g 3 g 无线蜂窝系统更高的传输速率。 能够提供多种数据业务，如交互多媒体业务，基于i p 的语音业务，网络游戏和视频会议等等。 而从现网的实践来看，大量的多媒体应用给现有网络造成巨大消耗，远远超过了相关收入的 增加。所以解决如何在保证服务质量的前提下，有效的降低成本以更好的满足用户需求对于 运营商及制造商均有着重大意义。 基于o f d m 技术的w i m a x t 4 3 i ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b l i l t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波 接入互操作性) 技术便是在此契机下，由于其诸多技术优势而成为全球电信运营商和设备制 造商的关注热点问题之一。 w i m a x 技术是目前业界对于基于8 0 2 1 6 系列标准的无线城域网技术的约定俗成的称呼。 该技术涉及到两个国际组织的工作：i e e e 8 0 2 标准委员会8 0 2 1 6 工作组和w i m a x 论坛。 i e e e 8 0 2 1 6 工作组是标准的制定者；w i m a x 论坛是i e e e 8 0 2 1 6 技术的推广者。w i m a x 论 坛制定符合i e e e 8 0 2 1 6 标准设备的互通性测试规范，并对设备进行认证性质的测试。其目标 是促进符合i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线网络的应用推广。 w i m a x 采用无线方式代替有线实现“最后一公里”接入的宽带接入技术。w i m a x 采用 o f d m 技术，能有效对抗干扰，同时采用自适应编码调制技术可以实现覆盖范围和传输速率 的折衷；此外，还利用自适应功率控制，可以根据信道状况动态调整发射功率。从而使得 w i m a x 具有更大的覆盖范围以及更高的接入速率。例如，当信道条件较好时，可以采用 6 4 q a m 调制方式，同时采用编码效率更高的信道编码方式，以提高传输速率，w i m a x 最高 传输速率可达7 5 m b i t p s ，反之，当信道环境比较恶劣时，为保证信号能被可靠解调，可以使 用效率比较低的信道编码方式以及调制方式，这样即提高了传输的可靠性也增大了覆盖范围： 另外，设备的互用性使运营商能从多个设备制造商处购买w i m a xc e r t i f i e d 设备，稳定的 基于标准的平台将激发各层，网络管理，天线等技术的创新，从而改善运营费用的问题。 对于正在蓬勃发展的中国信息产业而言，w i m a x 技术的出现与发展是机遇与挑战并存， 如何充分发挥w i m a x 的特点，并结合中国由于无线网络的现状，更好地发挥自身的优势， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 为用户提供更加便捷和优质的服务，创造新的业务增长点，同时如何尽量减少w i m a x 技术 对中国现有和将来的无线网络及相应电信业务的冲击，其意义格外重要。 1 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准和w i m a x 组织 i e e e8 0 2 1 6 标准1 3 3 1 最初于2 0 0 1 年制定，使用的频率范围为1 0 6 6 g h z ，支持执照许可和 非执照许可的频段。由于频率较高，需要系统在视距范围内进行通信。2 0 0 3 年1 月，i e e e 对8 0 2 1 6 进行了修改，修改后的协议为8 0 2 1 6 a ，使用的频率范围为2 1 1 g h z 。频率的降低以 及一些新技术的采用使得其可以在非视线范围内工作，8 0 2 1 6 a 标准支持1 5 2 0 m h z 多种信 道带宽划分方式，2 0 m h z 带宽时单信道最高容量可达7 0 m b s 。标准不支持用户终端的移动性， 支持的常用接入距离为7 - 1 0 k m ，最大可达5 0 k m ，从而使8 0 2 1 6 a 成为适合“最后一公里”接 入的解决方案。2 0 0 4 年6 月推出的i e e e8 0 2 1 6 d 是对8 0 2 1 6 a 标准的进一步补充和完善，重 点是增强设备的互操作性。 i e e e8 0 2 1 6 系列规范提供了统一的空中接口标准，为规范设备能力、实现不同厂家设备 之间的互联和技术的全球化打下了坚实的基础，但是对于运营商而言将i e e e8 0 2 1 6 标准推 向市场还需要诸多的要素。因此一个由运营商、设备商、周边部件提供商和研究机构组成的 非盈利组织w i m a x 论坛成立起来，w i m a x 论坛的宗旨是在全球范围内推广遵循i e e e 8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入设备，并且对设备的兼容性和互操作性 做统一的认证以保护系统互联、方便运营商部署。为此w i m a x 论坛专门成立了w i m a x 产 品认证的工作组和实验室，保证不同厂商w i m a x 设备间的互操作性和兼容性。这样，经认 证后的w i m a x 设备具有良好的互操作性和对规范顺从性。此外，w i m a x 论坛组织还致力 于帮助解决技术以外的问题，如各国的频率分配。市场应用案例分析等。 i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准规范了o s i 参考模型中物理层和链路层中的媒体接入层。物理层定 义了4 种不同的调制方式：s c ( 单载波) 、s c a ( 单载波增强) 、o f d m ( 正交频分复用) 、o f d m a ( 正交频分复用多址) 。w i m a x 论坛将要进行互操作性认证的是其中基于o f d m 物理层的 8 0 2 1 6 规范。i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 媒体接入层的特点是支持具有q o s 保障的不同种类的业务。 8 0 2 1 6 e 是i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议的增强版本，定义了同时支持固定和移动性宽带无线接 入系统的空中接口，支持s s ( 用户站) 以车速移动。协议规范了s s 在b s ( 基站) 或扇区之 间高层切换的功能。协议适用于6 g h z 以下的l i c e n s e d 频段。 i e e e8 0 2 1 6 标准系列中各标准相对于的技术领域分别如下： 8 0 2 1 6 ：1 0 - - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口； 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 8 0 2 1 6 a ： 8 0 2 1 6 c ： 8 0 2 1 6 d ： 8 0 2 1 6 e ： 8 0 2 1 6 f ： 8 0 2 1 6 9 ： 2 1 1 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口； 1 0 , - , 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的兼容性： 2 , - - , 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口； 2 - 6 g h z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库； 固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库要求； 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求。 1 1 2w i m a x 的技术优势及发展前景 在众多的宽带无线接入( b w a ) 技术中，w i m a x 以其独具优势的高速接入能力成为了业界 追捧的宠儿。高数据率、高移动性，宽带实现全球覆盖、实现对等的文件传输和其他应用， 同时我们可以利用这种宽带技术来实现其他多种多样的应用。另外点在设计网络的时候， 使用的方式是宽带的接入，各种各样的用户都可以同时进行接入。正是由于这些优势使得 w i m a x 弓i 起整个业界的关注。 如前面已对8 0 2 1 6 的系列标准进行概述，8 0 2 1 6 d 提供固定应用而8 0 2 1 6 e 是提供移动 性，这两个规范是目前8 0 2 1 6 系列标准中最受关注的。 目前，在整个产品开发当中主要是8 0 2 1 6 d 技术，应该说它的开发进展还是非常快的，从 去年6 月份做的第一次互通测试，不同厂家的设备在一同做互通测试，这个测试在去年6 月份 的时候只有4 个厂商的设备在西班牙，而去年1 1 月份在中国，在北京，有l o 个厂家的设备参加 测试，在短短时间内设备厂家增加的数量还是比较多。从目前来看，今年8 0 2 1 6 d 有望进入市 场。 在去年1 1 月份w i m a x 论坛峰会1 4 3 】召开之际，英特尔发布了一项新的统计，全球将有2 4 家 运营商部署基于英特尔固定w i m a x 技术的商用网络。其中，1 3 家运营商正在部署全球首批 基于英特尔w i m a x 技术的固定w i m a x 网络，以便为从德国到危地马拉地区范围内的企业和 住宅用户提供高速宽带接入服务。据预测，蛰j 2 0 0 8 年全球w i m a x 设备销售额将达到数十亿美 元，其中超过一半的设备将用于用户驻地网，届时美国9 8 的家庭将被w i m a x 网络覆盖；到 2 0 0 9 年，美国宽带无线接入用户数量可能会上升到1 0 0 0 万个，其中4 9 将是企业用户，基于 w i m a x 等技术的宽带无线接入市场将达到3 7 亿美元，占美国宽带连接的3 6 。而在中国， w i m a x 作为一个重要的话题，正在引起中国政府、运营商、设备厂商、研究院所和大学以及 其他业界合作伙伴的注意，中国有着大量的潜在高端w i m a x 用户，同时在中国典型的小区居 住环境以及城市边缘大量新建小区的发展状况下，固定w i m a x 将有独特的发展优势。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 撕一蒂绪论 w i m a x 本身的市场发展在今天我们所看到的已经初见产锗化的产- n i 足1 6 d 的，实际上 w i m a x 本身的发展是不断地往前先进。我们可以看到有当前的企业接入和高端家庭接入的应 用，也有接下来的家庭接入应用还未来个人便携的应用。标准的成熟和室内型业务的发展可 能会推动w i m a x 的市场出现拐点，我们认为v o i p 的成熟会成为产品发展的助动力。我们发 现到后续包括1 6 e 技术的逐渐成熟、上行链路在多种技术下的支持，可能桌面的应用会逐渐 占据主流，这个本身会推动w i m a x 市场的拐点和发展。 由于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准尚未正式发布，符合i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的设备的工作频段在我国还没 有确定下来，相关的系统容量、覆盖范围等无法确定，因此本文主要针对w i m a x 固定接入网 进行研究。 1 2 国内无线接入业务现状及发展趋势 目前，国内已运营的无线接入业务包括3 5 g h z 固定无线接入、l m d s 、w l a n 、p h s 、 g p r s 和c d m a1 x 。各种无线接入技术应用模式、目标用户群各不相同。 3 5 g h z 固定无线接入和l m d s 主要在有线网络缺乏的地方提供承载业务。如在i j 国电信 的北方地区提供家庭和企业语音及数据的接入业务；在移动通信网络中缺乏传输资源的地方 作为基站和基站控制器之间的互连线路。w l a n 是短距离、高速率的接入技术，是用户流 动性较大且有较强数据业务需求的公共热点地区的重要接入手段。 g p r s 、c d m a l x 提供用户随时随地接入网络的手段。g p r s 提供用户l i 5 2 k b i f f s 的峰值 速率，平均业务速率可以达到2 0 4 0 k b i f f s 。c d m a1 x 能够提供用户1 5 3 6 k b i r i s 的峰值速率， 平均业务速率为8 0 1 0 0 k b i t s 。目前，中国移动已推出g p r s 业务，中国联通也推出了以“联 通无限”和“掌中宽带”为品牌的c d m a1 x 无线数据业务。 当前这多种接入技术都在共同发展。对于运营商有多种选择，但是这个选择必然取决于 运营商当前网络现存的现状，w i m a x 会和其他的接入是融合的，多种接入技术共存、多种 接入网络互相配合、协调工作会是将来相当长的一段的趋势。同时保持这些系统应用之问的 有效互联互通及增强其自身竞争力也是w i m a x 所面临的重要任务。 总之，w i m a x 还需要等待市场需求真正启动后，在各种同类型技术的竞争夹缝中生存， 而且必须尽量降低建设成本和设备价格，才能够得到合理、健康的发展。 南京邮电人学硕士研究生学位论文 鼐一释绪论 1 3 无线网络规划的必要性及流程 一个健康的网络不仅需要在技术方面进行提高，还需要根据所需的覆盖范围、质量、业 务以及经济需要对技术进行调整。运营商自然希望能从刚络基础设施投资，及风险投资中扶 得最大的经济效益。因而我们应该注意网络性能的两个重要方面：网规和网优m i 。规划和优化 对任何网络都是必需的。本文主要工作内容是针对w i m a x 固定无线接入网进行网络规划。 网络规划是覆盖、容量、质量和成本的平衡，规划的基础数据以应尽量准确，其中数据 包括地理、地貌数据，电子地图应根据城市大小，城市类型进行适当选择；人口发展数据等。 网络规划的业务模型应尽量预测准确；覆盖方式应多种多样：覆盖型基站应充分根据地 形特点。采用多种方式( 如塔放。扇区分裂等) 进行，容量型基站要根据预测的话务模型进 行配置。 网络的规划应当考虑未来技术的发展，尽量使现有网络资源得到充分利用；同时应当考 虑多种业务的规划：不同业务对资源的占用情况；不同业务对服务质量要求的不同。 对未来的w i m a x 运营商来说，如何经济有效地建设一个w i m a x 网络，保证建设的性 价比无疑也是他们最关心的问题，换言之，就是支持多种业务，并满足一定的q o s 的条件， 获得良好的网络容量和覆盖，同时通过调整容量和覆盖之间的均衡关系使网络提供最佳业务 质量。8 0 2 1 6 标准采用了诸多先进的无线技术，同时w i m a x 网络支持多种灵活的应用模式， 因此传统的2 g 和3 g 规划方法已经无法满足w i m a x 网络规划的需要。在这种情况下，针对 w i m a x 网络的规划方法和手段就尤为必要。 1 4 本文主要工作 本文主要研究了w i m a x 无线固定接入网的网络规划方法，重点从覆盖、容量以及频率 规划角度进行研究，并对w i m a x 无线固定接入网规划方案进行仿真验证，为以后对w i m a x 无线网络规划提供了一套可以依据规划方案。论文的结构安排如下：第二章对o f d m 的基本 原理以及i e e e8 0 2 1 6 协议中与无线网络规划相关的o f d m 物理层规范进行详细介绍：第三 章根据设定的w i m a x 无线接入网系统参数，对系统物理层最高传送速率进行计算：第四章 详细介绍了无线电波传播特点、无线信道模型分类，最后重点对s u i 信道进行仿真研究。第 五章简单介绍w i m a x 无线网络规划的特点和目标，然后详细介绍了w i m a x 无线网络规划 流程，其中着重介绍了覆盖和容量规划理论依据，最后对不同的频率规划进行仿真研究，通 过对仿真结果分析，选择出用户对数据吞吐量需求的满足和系统容量设计的折衷的频率规划 南京邮电大学硕士研究生学位论文 讹一荜绪论 方案。第六章依据前面的假设条件以及w i m a x 无线网络规划设计步骤对实际网络进行规划 并运用m o n t e c a r l o 仿真方法对网络进行仿真验证。 南糸邮l 乜人学坝i 刨究生学位论文 筘节i e e e8 0 21 6 - 的o f d m 技术”究 第二章 i e e e8 0 2 1 6 中的o f d m 技术研究 如阿所述，在最新版的i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议中，物理层技术制式彳j4 种：s c 、s c a 、 o f d m 、o f d m a 。o f d m a 技术足8 0 2 1 6m 议所定义的物删层实脱方之，小丈所没汁 w i m a x 系统所采用的物理层技术是o f d m a 。 这是由于o f d m 和o f d m a 其有较高的频谱利用率，且在抵抗多径效应、频牢选择性衰 落和窄带干扰上具有明显的优势，因此成为8 0 2 1 6 中主要的物理层关键技术。 本章主要介绍o f d m 技术原理以及1 e e e 8 0 2 1 6 协议中o f d m 物理层规范。依照o s i 的 标准七层模型划分方法，无线城域网技术主要涉及到该模型中的m a c 层和p h y 层。而影响 无线网络规划方法的主要是p h y 层舰范。因而本文对i e e e8 0 2 1 6 规范的m a cj ；h i i l f 赘述。 2 1 o f d m 技术原理 o f d m 的英文全称为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 ，中文含义为正交频分复 用技术。是一种高效的并行多载波传输技术，其主要思想f 2 j 就是在频域内将信通分成许多j f 交子信道，在每个子信道上使用一个予载波进行调制，并且各个子载波并行传输，这样尽管 总的信道是非平坦的，但每个子信道是相对平坦的：在每个子信道上的信号带宽小j ：信道的 相关带宽，因此可以有效的消除符号问二f 扰，对抗频率选择性衰落。 其实，o f d m 并不是如今发展起来的新技术，o f d m 技术的应用已有近4 0 年的历| 殳，j i 要用于军用的无线高频通信系统。但是，一个o f d m 系统的结构非常复杂，从而限制了其进 一步推广。直到7 0 年代，人们提出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系 统结构，使得o f d m 技术更趋于实用化。八t 年代，人们研究如何将o f d m 技术应用于高 速m o d e m 。进入九十年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数掘传输。 目前o f d m 技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统q 主要的应用 包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播 ( d v b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 、h i p e r l a n 和i e e e 8 0 2 1 1 无线局域嗍( w l a n ) 和 i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网等系统采用。 传统的f d m ( 频分复用) 理论将整个频带分成n 个不重复的了信道，中l l i j 用保护频带 来降低干扰，接收端用滤波器组进行分离，这种方式的缺点是频谱的利用率低，- - 信道之间 要留有保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难，如图2 1 所示。 南京邮电大学颅i 研究生学化沦史 饥蒂i e e e8 0 21 6 中的o f d m 技术埘究 o f d m 系统比传统的f d m 系统要求的带宽婴少衡多如图2 - 1 所示，符载波彳】1 1 2 的 重叠，但保持相互正交，在接收端通过棚关解调技术分离f l j 求，避免使1 j 滤波器组，州时使 频谱效率提高近1 倍。 图2 】常规频分复用与o f d m 的信道分配 2 1 1 o f d m 的基本原理 o f d m 基本原理框图如下： 图2 2o f d m 基本原理框图 其基本原理1 1 1 1 4 2 1 是将一个有效频谱分成一些子信道，各个子信道频谱足重叠的，相邻子信 道相互正交，即菜子信道信号能量峰值时其相邻信道信号能量为零值，因此子信道之n u 不会 相互干扰，在接收端可互不干扰地对各子载波进行解调。如果各予信道所占带宽足够窄，它 们将分别经历平坦衰落，有效对抗频率选择性衰落。 一个o f d m 符号由频率间隔为掣的n 个子载波构成。因此系统总带宽b 被分成n 个等 距离的子信道。所有的子载波在间隔长度t b = 1 , a j 的时i i 玎j 内相互i f 交。其中第k 个子载波信 号可以用函数s ( f ) ，k ：1 ，n 1 来描述： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二帝i e e e8 0 21 6 中的o f d m 技术研究 聃f 潲烈 ， 对于一个给定的系统带宽，子载波个数的选取要满足符号持续时间大于信道的最大延迟。 为了满足这一要求，一般为子载波信号磊( f ) 加上一个长度为t g 的循环前缀( 或称为保护问 隔) 得到下面的信号： 驰，= ，手2 脚 v t 【- ，瓦 v tg 一，瓦】 ( 2 2 ) 保护间隔的作用是避免因多径信道传输产生的i s i ( 符号间干扰) 。在接收端，会删去保 护间隔而只估计时间间隔 0 ，t s 。因此保护间隔是纯粹的系统开销。整个o f d m 组的持续时 间是t s = t b + t g 。o f d m 传输技术的一个重要优势是可以明显降低i s i ，如果保护间隔t g 大于无线信道的最大延迟，那么先前传输信息的干扰仅在保护间隔内出现，在t s 的时间间隔 内，多径信道仅改变子载波信号的幅度和相位。因此保护间隔可以使接收的数据不受l s l 的 影响，并且可以保证子载波间的正交性要求。 如图2 - 3 所示，为有n 个子载波，符号长度为t 的o f d m 模拟示意图： 而 工i ： 冀_ 第1 n 个o f d m 信号为： 图2 - 3 模拟o f d m 模型示意图 y l y l ： j k ( 2 3 ) 式中，x 蛐( 七5 0 ，1 ，一1 ) 分别是第m 个o f d m 符号中各子载波上传输的基带复信号 s k ( t ) 为发送端各子载波上的调制器特性。由所有o f d m 符号构成的时间连续信号是： n l x ( f ) = 瓦( f ) = 以，。最( f r o t ) ( 2 4 ) k = o 在o f d m q b ，最重要的一个思想就是引入了保护时隙c p 的概念，如图2 3 所示。在加入c p ) 丁m oi s t x = )0m r 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二二章i e e e8 0 2 】6 中的o f d m 技术研究 之后，各子信道的正交性仍能保持，而且c p 还能消除或大大减少各子信道的i s i 。当然引) k c p 会带来一些能量损失，但o f d m 系统正是通过牺牲这己小部分能量资源，来降低接收机的复 杂度。 2 1 。2 。0 f d m 的性能分析 o f d m 技术最初提出是为了提高载波的频谱利用率，也即为了改进对多载波的调制，它 的特点是各子载波相互正交，是扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相 互干扰。 o f d m 信号由n 个子载波信号叠加而成，每个子载波信号的频谱为s i n c 函数并且与相邻 子载波信号的频谱有1 2 的交叠，o f d m 传输的频谱结构如图2 4 所示。在理想化的情况下， 对o f d m 信号的频谱效率进行如下的分析m 】。 a b 图2 4o f d m 频谱结构：a 、单个o f d m 子带频谱；b 、o f d m 信号频谱 假定串行数据流码元速率为l 厂r ，t s - n t 则子载波频率间隔为1 n t ，如果将o f d m 信号频 谱两侧的旁瓣忽略不计，则整个频谱的宽度为： b = ( n + 1 ) ( n t )( 2 5 ) o f d m 信号的波特率为： r 口= n ，瓦= 1 r ( 2 6 ) 如果采用q a m 调制，映射的星座为m 点，则比特率为： r = r b l 0 9 2 m2 l 0 9 2 m t ( 2 7 ) o f d m 信号的频谱利用率为： 叩2 凡b 2 n l 0 9 2 m ( n + 1 ) ( 2 8 ) 而对于一般的单载波系统，在相同的波特率和调制模式下，其相应的频谱宽度为b s = 2 t , 频谱利用率为： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第= 章i e e e8 0 2 1 6 中的o f d m 技术研究 仉= r b = l 0 9 2 m 2 r ，o 、 比较两个系统的频谱效率表达式可知，q r , , 。2 ( + 】) _ 1 2 , 即采用q a m 调制时， o f d m 系统的频谱效率比一般的单载波系统的频谱效率提高了将近一倍 2 0 1 1 2 1 。 这里需要说明的是，以上公式的推导是在理想化情况下的结果，o f d m 实际的频谱效率 是要低于上述推导的理想数值，尽管如此，o f d m 的频谱效率高于单载波系统的频谱利用率 仍是一个不争的事实。 使用o f d m 的另一个重要原因是因为它可以有效消除多径延时扩展对解调的影响。通过 把输入的数据流串并变换到n s 个并行的子信道中，使得每个用于调制子载波的数据符号周期 扩大为原始数据周期的n s 倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低了n 倍。 如前面已经介绍，为了最大限度的消除符号间干扰，为每个o f d m 符号引入保护间隔t z ， 保护间隔应该大于无线信道的最大延时扩展，这样一个符号的多径分量就不会干扰下一个符 号。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即空闲的传输。然而在这种情况下，由于多 径传播的影响，载波间的正交性会被破坏，从而造成子载波间的干扰。如下图所示： f 碲玎- b 训_ d 1 2 t x 彪 v 1 u f l