（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80211a标准的ofdm系统及关键编码技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 无线局域网是未来通信的重要组成部分，以i e e e8 0 2 1 1 系列标准为代表的无 线局域网作为无线接入的一种可选方式得到了广大用户和接入网运营商的青睐， 且已得到了很大的发展。另一方面，对下一代无线局域网的核心技术的研究已成 为无线通信技术领域的热点，并为广泛的专家、学者所关注。以空时编码为关键 技术的m i m o ( 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 ) 与o f d m ( 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 e x i n g ) 的结合被认为是下一代无线移动通信的必然选择。 本文主要是对采用o f d m 技术的i e e e8 0 2 1 l a 物理系统进行研究，并将m i m o 技术和一种高性能的信道编码( 多重级联奇偶校验码) 技术融入8 0 2 1 l a 系统中， 以使系统具有更高的可靠性和更大的可行性。研究工作主要分为三部分，第一部 分以i e e e8 0 2 1 l a 标准为背景，研究o f d m 的几个关键技术，包括同步技术、信 道估计及降低峰均比技术。根据8 0 2 1 l a 协议标准进行参数设定，搭建物理层仿真 平台，进行性能仿真；第二部分研究了一种以奇偶校验码为子码的多维t u r b o 分组 码( 简称多重级联奇偶校验码) ，并用三重串联奇偶校验码( 3 - s c - s p c ) 取代卷 积码，构建新的基于i e e e8 0 2 1 1 a 标准的o f d m 系统；第三部分研究了分层空时 码( l s t c ) 、空时网格码( s t r c ) 和空时分组码( s t b c ) 三类空时编码技术，并 研究了基于空时编码技术m i m o - o f d m 系统，最后构建基于i e e e8 0 2 1 l a 标准 的m i m o o f d m 系统。 通过仿真得到以下有益结论：( 1 ) 多重级联奇偶校验码来说，在相同的译码 条件下，其串并混三种编码结构性能有一定差异，其中串行多重级联奇偶校验码 能够获得比卷积码明显好的性能。因此在实际应用中，编译码相当简单的串行多 重级联奇偶校验码可以考虑取代业已成熟的卷积码。( 2 ) 基于i e e e8 0 2 1 l a 标准 构建的新的o f d m 和m i m o o f d m 系统，在性能上比原8 0 2 1 l a 系统具有很大改 善。 关键词：ie e e8 0 2 1 1a ；正交频分复用；空时编码；多重级联奇偶校验码； m i m o - o f d m 英文摘要 r e s e a r c ho no f d ms y s t e ma n dk e yc o d i n gt e c h n o l o g yb a s e do n i e e e8 0 2 1 l as t a n d a r d a b s t r a c t w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) i sa ni m p o r t a n tp a r to ff u t u r e m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s a sac h o i c eo fw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y ，w l a nt a k i n gt h e i e e e8 0 2 11s e r i e sa st h er e p r e s e n t a t i v ei sp o p u l a ri nl o t so fc u s t o m e r sa n dm e r c h a n t s w h od e a li na c c e s sn e t w o r k ，a n dg e t sal a r g ed e v e l o p m e n t o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r e s e a r c ho nt h ec o r et e c h n i q u e so ft h en e x tg e n e r a t i o nw i _ a ni sb e c o m i n go n eo ft h e h o t s p o t si nc o m m u n i c a t i o n sm a r k e t ，w h i c he x t e n s i v ee x p e r ta n ds c h o l a rp a y a t t e n t i o nt o a n di t st ob et h ei n e v i t a b l ec h o i c ef o r t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，t h a ti st h ec o m b i n a t i o no fm i m o ( 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 ) t a k i n gs p a c e t i m ec o d i n ga si t sk e yt e c h n i q u ea n do f d m ( 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 e x i n g ) t h i st h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e st h ep h y s i c a ls y s t e mo fi e e e 8 0 2 1l aw h i c ha d o p t s o f d m m i m ot e c h n i q u ea n dak i n do fh i g hp e r f o r m a n c ec h a n n e lc o d e s ( m u l t i p l e s i n g l ep a r i t yc h e c kc o d e s ) a p p l yt o 8 0 2 11 as y s t e m ，i no r d e rt or e a l i z ep o s s i b i l i t y s y s t e m sw i t hh i g h e rc r e d i b i l i t ya n dg r e a t e rp o s s i b i l i t y t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t st h r e e p a r t s t h ef i r s tp a r t ，t a k i n gi e e e8 0 2 1l aa sb a c k g r o u n d ，i sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho f s e v e r a lk e yt e c h n i q u e so fo f d m ，i n c l u d i n gs 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 na n d r e d u c i n gp e a k t oa v e r a g ep o w e rr a t i o t h ep a r a m e t e ra n dp h y s i c a ll a y e rs i m u l a t o ra r e d e s i g n e db a s e do n8 0 2 1l a ，t h e nc a r r yo u tt h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ；t h es e c o n dp a r t s t u d i e so n es p e c i a lm u l t i p l ec o n c a t e n a t e dt u r b ob l o c kc o d e sw h i c he m p l o ys i n g l ep a r i t y c h e c kc o d e sa st h e i rc o m p o n e n tc o d e s ( a l s ob ec a l l e dm u l t i p l es i n g l ep a r i t yc h e c k c o d e s ) u s i n gt h r e es e r i e ss i n g l ep a r i t yc h e c kc o d e s ( 3 一s c - s p c ) t or e p l a c ec o n v o l u t i o n c o d e s ，s e tu pan e wo f d ms y s t e mb a s e do ni e e e8 0 2 1l a ；t h el a s tp a r tp a y sm o r e a t t e n t i o nt o s p a c e - t i m e c o d e i n c l u d i n gl s t c ，s t y ca n ds t b c ，a n dd o e sr e s e a r c h o n m i m o o f d mb a s e do ns p a c e - t i m ec o d i n g ，t h e ns e t su pan e wm i m o o f d ms y s t e mb a s e d o ni e e e8 0 2 11 a w ea t t a i nm a i nc o n c l u s i o n so nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ：( 1 ) m u l t i p l es i n g l ep a r i t y c h e c kc o d e sw i t hd i f f e r e n tc o d i n gs t r u c t u r e sh a v ed i f f e r e n tb u tr e g u l a rp e r f o r m a n c e v a r i a t i o n ，p e r f o r m a n c eo fs e r i e sc o d i n gs t r u c t u r e i sd i s t i n c t l yb e t t e rt h a nc o n v o l u t i o n 英文摘要 c o d i n g t h e r e f o r e ，i t sc o n s i d e r e dt h a tu s i n gs e r i e ss i n g l e p a r i t yc h e c kc o d i n gw i t h s i m p l ee n c o d i n gs t r u c t u r et or e p l a c ea l r e a d ym a t u r ec o n v o l u t i o nc o d e ( 2 ) t h et w on e w s y s t e m s ，o f d ma n dm i m o o f d ms y s t e m ss e t t i n gu pb a s e do ni e e e8 0 2 1la ，h a v e m o r ei m p r o v e m e n tt h a nt h eo r i g i n a l8 0 2 1las y s t e mo np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：le e e8 0 2 1la ；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 ；s p a c e - t i m ec o d i n g ；m u l t i p l es i n g l ep a r i t yc h e c kc o d e s ；m i m o - o f d m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重卢明：本论文是在导师的指导卜，独立进行研究+ l ：作所取得的成果，撰写成硕十 学位论文 ：基王! 曼里星昼q 2 ：! ! 垒拯准的q 堕丛丕统丛羞键缠璺挂盔的盟塞：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本卢明的法律责任由本人承担。 论文作者签名象压q 乃。6 年多月2 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事火学研究生学位论文提交、版权使用管 理办法”，同意人连海事火学保留并向国家有关部i j 或机构送交学位论文的复印作和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权人连海事人学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采片 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权8 。 柑僦媚t 罴d 一” 不保密d ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：饥 导师签名：羞移酸斌 日期：妒6 年多月矽日 基y - i e e e8 0 2 1l a 标准的o f d m 系统及关键编码技术的研究 第1 章绪论 1 1 无线局域网发展与现状 近年来，无线通信技术以及超大规模集成电路( v l s i ) 技术的迅速发展，以 i e e e 8 0 2 1 1 系列标准为代表的无线局域网作为无线接入的一种可选方式得到了广 大用户和接入网运营商的青睐，且已得到了很大的发展。无线局域网是计算机网 络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频( r f ) 技术取代旧式的有线局域网， 使得各个局域网络的终端通过无线信道互相传输数据。 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。1 9 9 0 年7 月，i e e e 委员会接收了n c r 公司“c s m c d 无线媒体标准扩充”的提案，成 立了i e e e 8 0 2 1 1 工作组。1 9 9 3 年1 1 月形成了基础协议，1 9 9 7 年完成了该协议， 并于1 9 9 8 年被i e e e 标准作为草案，1 9 9 9 年公布了第一个正式版本。标准对介质 访问控制层( m a c ) 和物理层( p h y ) 作了规定。有两种基于无线电的p h y 使用 2 4 g h z 频带，第三种使用红外线。三种p h y 都支持1 m b s 的数据速率，以及可 选的2 m b s 速率。i e e e 8 0 2 1 1 的业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2 m b s 。 由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 工作组在1 9 9 9 年9 月又批准了8 0 2 1 i b 和8 0 2 1 l a l l 】两个标准。8 0 2 1 l a 作为主流标准工作频段在 5 g h z ，使用o f d m 调制技术可支持5 4 m b p s 的传输速率。8 0 2 1 l a 优势在于传输 速度快，受干扰小，但产品价格相对较高，且与先前的8 0 2 1 l b ( 工作于2 4 g 频 段，使用c c k 调制) 不兼容。为解决上述问题，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，其在2 4 g 频段使用o f d m 调制技术，使数据传输速率提高到 2 0 m b p s 以上，它能够与8 0 2 1 l b 的w i f i 系统互相连通，保障了后向兼容性。 为了满足同益发展的多媒体业务对速率的要求，i e e e 已经成立了8 0 2 1 l n 小 组，8 0 2 1 l n 采用m i m o o f d m 技术，计划将无线局域网的速率增加至1 0 8 m b p s 以上，最高可达3 2 0 m b p s ，8 0 2 1 l n 协议为双频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 g h z 两个 工作频段) ，这样保障了它与以往的8 0 2 1 l a ，b ，g 标准兼容。另外，天线技术及传 输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公罩。局域网的传输 距离和传输速度的大大增加，使得8 0 2 1 1 n 架起了w i f i 与w i m a x 之间的桥梁， 在8 0 2 1 1 n 的基础上发展w i m a x i7 。，将使全球无线网络上升到无孔不入、无所不 第1 章绪论 在的境界成为可能。 1 2o f d m 概述 o f d m 全称为正交频分复用( 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 ) ，是 一种新型高效编码技术，它有效地对抗多径传输，使得受到干扰的信号能够可靠 地接收。早期由于使用模拟滤波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发 展越柬。直到2 0 世纪7 0 年代，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出利用离散傅立叶变换( d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ，d 踊实现多载波调制及解调的概念，从此开启o f d m 技术数 字化的大门。由于现代数字信号处理技术和超大规模集成电路的迅速发展展，9 0 年代后，这项技术已广泛于有线和无线通信当中。 随着i e e e 8 0 2 1 l a 无线局域网、8 0 2 1 6 a 宽带无线接入等标准的制定，e t s i 的 宽带射频接入m ( b r o a d b a n dr a d i o a c c e s sn e t w o r k ) 和多媒体应用的引入，无线通信 领域已经为o f d m 技术的应用做好了准备。o f d m 技术是未来无线宽带接入系统 的基本技术之一，并且已经被业界定为第四代移动通信系统的核心技术。 许多大学、著名公司己充分认识到o f d m 技术的应用前景。纷纷开展了对无 线o f d m 的研究工作，除了解决o f d m 的同步、峰平比高等传统难题外，还包括 o f d m 与空时码、联合发送、联合检测、智能天线、动态分组分配等相结合的研 究工作。目前一些研究结果表明，它们能提高无线o f d m 系统的性能，将形成未 来o f d m 系统的核心技术。对这些方面的研究是当前一个非常活跃的研究领域， 有许多课题需要我们做进一步的深入研究。 1 3 下一代移动通信关键技术 1 3 1m im o 技术 在上个世纪9 0 年代中期，美国的b e l ll a b s 提出了以引入空域处理技术的 m i m o 技术为代表的多天线通信系统，并就其编码技术方案以及信号处理技术进 行了全面的阐述。此后，m i m o 技术成为通信工业界和学术界共同的热点，并取 得了迅猛的发展。无线m i m o 技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只 要其发射端和接收端都采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线m i m o 系统。无线m i m o 系统采用空时处理技术进行信号处理。在多径环境下，该技术 能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移 基y - i e e e8 0 2 1 l a 标准的o f d m 系统及关键编码技术的研究 动通信系统的关键技术。 通常多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而p a u l r a j 与k a i l a t h 的研究结 果表明，对于m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 技 术实质上是为系统提供空问复用增益和空间分集增益，目前针对m i m o 信道所进 行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间 分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 1 3 2 空时编码技术 对于m i m o 系统来说，空时编码是勿庸置疑的核心技术之一。通过空时编码 能够恢复从各个发送天线上得到的叠加信号，也能够利用空间复用提高数据速率， 或者利用空间分集来增加系统的可靠性。当前，空时编码的研究主要围绕以下三 种空时编码展开： 1 分层空时【3 】( l a y e r e ds p a c e t i m e ，l s d 编码技术： 1 9 9 6 年由美国的l u c e n tb e l ll a b s 提出了分层空时编码的概念，他们于1 9 9 8 年提出了分层空时编码技术的框架，在此基础上开发出了b l a s t ( b e l ll a y e r e d s p a c e t i m e ) 试验系统。这种系统的结构简单，易于实现，频带利用率随着发射天 线的增加线性增加。它所能达到的频带利用率和传输速率是单天线系统所无法想 象的，但其抗衰落性能不是很好。 2 空时网格【4 】，( s p a c e t i m et r e l l i s ，s y r ) 编码技术： 美国a t & t 公司中央研究院的v t a r o k h 和a e n a g u i b 等人提出了用于高速数 据无线通信的空时编码调带l j ( s p a c e - t i m ec o d i n gm o d u l a t i o n ，s t c m ) ，希望用空时 编码技术改进i s 1 3 6 移动通信系统。这种空时编码以网格编码调制( t c m ) 为基础， 称为空时网格编码，具有很高的编码增益和分集增益，能够有效地抵抗衰落，抑 制干扰及噪声，但其缺点是编译码算法复杂，在天线数目较多和发射速率较高时， 接收机的结构变得极其复杂而难于实现。 3 、空时分组1 5 叫( s p a c e t i m eb l o c k ，s t b ) 编码技术： 由于s t t 码的编译码比较复杂，美国的c a d e n c e 公司的研究人员提出了一种 基于正交设计的空时编码一空时分组( s t b ) 编码的方案，虽然它的性能比空时网格 编码的性能略差，但由于其编译码方法简单，实现容易，很快引起了通信界的广 第1 章绪论 泛关注。 1 3 3 高性能信道编码技术 信道编码，也称差错控制码或纠错码，是提高信息传输可靠性的一种有效手 段，距今已有5 0 多年的发展历史阴。信道编码定理指出，随着码长的增加，译码 错误概率按指数接近于零。因此使码有效就必需用长码，但是，随着码长的增加， 在一个码组中要求纠错的数目相应增加，译码器的复杂度和计算量也相应增加以 至难以实现，为了解决性能与设备复杂性的矛盾，1 9 6 6 年f o m e y 提出了级联码的 概念，把编制长码的过程分为几级完成。级联码在当今的宽带卫星通信中有着广 泛的应用，如r s 卷积码级联码、r s t u r b o 级联码常用于卫星通信的信道编码标准， 而l d p c b c h 码被采纳为d v b s 2 的信道编码标准。在论文中研究了一种新的编 码结构简单的级联编码技术一多重级联奇偶校验码。 1 4 主要研究内容及结构安排 本文研究内容主要有：基于i e e e8 0 2 1 l a 标准的o f d m 关键技术、空时编码 技术、多重级联奇偶校验码、i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层系统及改进系统的仿真。 全文内容安排如下： 第二章介绍了o f d m 技术的基本原理，并以i e e e 8 0 2 1 1 a 标准为背景，研究 了o f d m 的几个关键技术：同步技术、信道估计及降低峰均比技术，并对三种技 术进行了仿真分析。最后介绍了i e e e8 0 2 1 1 a 协议物理层对o f d m 的规范。 第三章详细介绍了分层空时码( l s t c ) 、空时网格码( s t t c ) 和空时分组码 ( s t b c ) 三类空时编码的编译码原理，并给出相关性能仿真结果。 第四章介绍了多重级联奇偶校验码的编码原理，重点研究了似t u r b o 迭代译码 方案和交织器，给出相关性能仿真结果。在性能方面与传统的卷积码进行比较， 用以探讨多重级联奇偶校验码取代卷积码可能性。 第五章对i e e e 8 0 2 1 1 a 物理层系统，及改进系统基于i e e e 8 0 2 1 l a 标准的 o f d m 系统( 3 s c s p c - - o f d m ) 和m i m o - - o f d m 系统( c o n v s t b c o f d m ) 进行仿真，仿真结果表明构建的新系统在性能上获得了明显增益。 第六章对全文的工作进行总结，并对未来的研究进行展望。 基t - i e e e8 0 2 1 l a 标准的o f d m 系统及关键编码技术的研究 第2 章基于ie e e8 0 2 11a 的0 f d m 系统及其关键技术 2 10 f d m 系统的基本原理 o f d m 系统的基本原理是将需要传输的串行高速数据流分成n 个并行的低速 子数据流，每个子数据流调制到不同的子载波上同时传输。通过设定子载波的频 率间隔，使子载波之间相互正交，这样就允许各个子载波的频谱重叠，更有效地 利用频率资源。同时，在时域的每o f d m 符号持续时间相对于同速率下的单载波 系统的要长的多，于是抗多径衰落性能也比单载波系统提高很多。另外，o f d m 符 号中引入的保护间隔能有效的克服多径信道的延时扩展，消除码间干扰，因此消 除了采用复杂均衡器的必要。 o f d m 的收发机结构框图如图2 1 所示1 8 】 l 母匣母一 圃悃固圈罾 圈圈圆圈母 图2 1o f d m 收发机框图 f i g 2 1o f d m t r a n s r e c e i v e rb l o c kd i a g r a m 在发送端，输入数据先经过编码交织后被调制映射成为相应的信号星座点对 应的符号，再经过串并变换和插入导频信号后被n 点i f f t 调制到n 个子载波上， n 点i f f t 输出经过并串变换后加f ：c p 、经d a 变换后构成一个o f d m 符号，最 后由射频( r f ) 把信息送入信道。插入循环前缀是为了减小i s i 和i c i 。 接收端进行发送端相反的操作，将射频信号与基带信号进行混频处理，并用 f f t 变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换为数字信号 第2 章基- 1 - i e e e 8 0 2 1 l a 的o f d m 系统及其关键技术 2 1 1o f d m 的数学模型 o f d m 系统作为一种特殊的多载波系统，其等效低通信号也可以表示为一组 并行传输的载波调制信号： s ( f ) 。薹篆以届t ( f 一疗l ) 2 互e ( f ) 2 但是其特殊之处在于它的各个子载波的选择， 啪叶嚣1 旺2 ， 七是在第n 个o f d m 符号的第k 个子载波上传输的样值，n 是o f d m 系统 的子载波数，r 例表示第n 个o f d m 符号，为o f d m 符号间隔，也就是每个子 载波上传输的单个符号的持续时间，五是第k 个子载波的频率， ；无+ 了k ， 1 - p k ：o 一1 ，二是最低的子载波频率。这种子载波频率的设定保证了各个子载波 在长度为死的时域区间上的正交性： ( g o ，f ) ，g ( f ，七) ) = f g ，o ) g ：o ) 出= f e i 2 a f i t e - j 2 h t d t = f p j 2 , r - w k t 西；即( f 一足) ( 2 3 ) 由于这种正交性，解调器能很方便地从接收信号中解出传输符号： ；手丘1 几) g k 。( t ) d t 吐 k = 0 1 ( 2 4 ) 2 1 2 采用l d f t d f t 实现调制解调 从前面分析可以知道，要实现一个o f d m 传输系统，需要产生n 个子载波， 接收端也要对这n 个子载波进行同步。显然，当n 很大时系统的硬件构成将非常 复杂。w e i n s t e i n 和e b e r t 在文献【9 1 中提出了采用离散傅立叶变换( d 网来实现多载 波调制。随着数字信号处理技术的发展，可以采用快速傅立叶变换( f f r ) 技术实现， 大大降低了o f d m 技术实现的复杂程度，使得o f d m 技术越来越广泛的应用在各 种移动通信系统中。 假设五= o ，以m 研的速率对式( 2 1 ) 的等效低通信号进行采样，o f d m 符号可 基丁二i e e e8 0 2 1 l a 标准的o f d m 系统及关键编码技术的研究 表示为： c 所，= 吒。瓦+ 脚熹，一薹一j p h 毒i l + 。 - ( 专孰p j 2 融寻) - ，胛丁( ) 接收端解调过程同样可采用h t 来实现： 0smsn 一1( 2 5 ) 民 ；专肿阮仰) ) ：万1n 幺- in 乏- i 以j p 胁万i n p 吖“百m k 。n - 1 l ，6 - i ) = x 。 ( 2 6 ) 民 2 专肿阮仰) ) 。万磊刍以j p 归有p 叫“。荟l ，6 一 2 这样就用简单的i f f i 汗f r 模块来实现了多载波的调制解调过程，大大简化了 o f d m 系统的硬件构成。 2 1 3 循环前缀的引入 为了最大限度地消除多径时延扩展引起的符号间干扰i s i ，可以在每个o f d m 符号间插入保护问隔( 一般为循环前缀c p ，如图2 2 所示) ，而且该循环前缀长 度t g 要大于信道最大时延扩展。将o f d m 符号的后t g 时间内的样点复制到 最l i f 端作为c p ，只要多径时延f 。不超过保护间隔t g ，子载波间的正交性就不会 被破坏，就可以保证在f i 丌周期内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，解调过程中就不会产生子载波间干扰i c i 。 t g r b t s 图2 2 循环前缀 f i g 2 2c y c l i cp r e f i x 加入循环前缀后o f d m 的符号周期为t s = t g + t ，保护问隔的离散长度，即 样值点个数为n g 之 。n r , ，这样包含循环前缀、功率归一化的o f d m 采样序 笫2 章基ti e e e 8 0 2 1 1 a 的o f d m 系统及其关键技术 列 ) 为： = 丽1n 盏- i s 2 砌，胪一一，_ 1 ( 2 7 ) 图2 3 给出了包含循环自可缀的o f d m 符号和频谱，其中共发送1 0 2 4 个数据， 使用1 2 8 点的i f f t ，循环前缀长度为1 6 。 童蜘3 j 撑黪龇豳蝴 毓1 0 - 1 帮涮l i l l ；i ；l l 一上一一 一i m i 且山! l l i 图2 3 带c p 的o f d m 符号和频谱 f i g 2 3t h es i g n a l sa n ds p e c t r u mo fo f d m w i t hc p 设接收信号为y ( t ) ，经过a d 变换后得到接收序列 y 。) ，( 甩= 一也，一1 ) ， y 。) 为对y ( t ) 按t n 的采样速率得到的数字采样。i s l 只会对接收序列的前。个 样点形成干扰，因此将自订。个样点去掉，就可以完全消除i s i 的影响。对去掉保 护间隔的序列 y 。) ，( 咒= o ，n 一1 ) 进行d f r 变换，可得到d f r 输出的多载波解调 序列 r ) ，( 七f f io , - - , n 一1 ) ，得到n 个复数据点为： r k2 赤磊y ，删k = o , - - , n - 1 q 怎 通过适当选择子载波个数n ，可以位信道响应平士日，插入保护怕l 隔还有助于 基y - i e e e8 0 2 1 l a 标准的o f d m 系统及关键编码技术的研究 保持子载波之间的正交性，因此o f d m 有消除i s l 和多径带来的i c l 的影响的条 件。 2 2 基于ie e e8 0 2 11a 标准的0 f d m 关键技术 2 2 1 同步技术 同步性能的好坏对o f d m 系统的性能影响很大。o f d m 系统中的同步包括 符号同步、载波同步和样值同步三部分【1 0 l 。本节主要研究了分组检测( 帧同步) ， 频偏估计，载波相位跟踪。 分组检测 由于i e e e 8 0 2 1 l a 的o f d m 传输模式是基于分组的突发式传输模式，不同于 d v b t 的连续流，所以接收端首要解决的是分组检测问题，即判断o f d m 帧何时 到来，及帧头的定位信息都要在这个部分给出f l l l ，这一工作是整个接收机的首要 问题，否则后面的定时同步和载波同步都无法进行。 在s c h i m d l 和c o x 的文献【1 2 】中提出的方法是有关符号定时的，但一般方法均 适合于分组检测。它利用了前导中短训练符号的周期性，该方法称为延时和相关 算法，算法流程图中有两个滑动窗口c 和p ，窗口c 为接收信号和接收信号延时 的互相关系数，所以叫延时相关；延时z ”等于前导起始的周期，例如，i e e e 8 0 2 1 l a 的d = 1 6 ，即短训练符号的周期，窗口p 计算了互相关系数窗口期间接收信号的 能量，此窗口的值用于判决统计的归一化，因此它和接收功率的绝对值是独立的。 白的值通过式( 2 。9 ) 计算，m 的值通过( 2 1 0 ) 计算 一1 巳5 乏诚一 ( 2 9 ) j _ ；荟l - i + t + 。t 薹i ，；+ t + 。1 2 。2 1 。， 统计判决m 。通过式( 2 1 1 ) 进行计算 黔 ( 2 1 1 ) 当接收信号只有噪声时，输出的延时相关值c n 为0 ，即为随机变量，因为噪 第2 章基丁i e e e 8 0 2 1 l a 的o f d m 系统及其关键技术 声的取样值的互相关系数为0 ，因此在数据分组开始之前m 。值很低。一旦数据分 组丌始接收，锄就是短训练符合的互相关系数，因此m 。迅速跳变为最大值，该跳 变可以给出数据分组丌始很好的估计。 图2 4 分组检测率 f i g 2 4t h er a t eo fp a c k e td e t e c t i o n 喇 椒 霜 蚕 轵 象 图2 5 不同频率误差卜的分组检测均值和方差 f i g 2 5t h em e a na n dv a r i a n c eo fp a c k e td e t e c t i o nu n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c ye r r o r 基y - i e e e8 0 2 1 l a 标准的o f d m 系统及关键编码技术的研究 仿真中，搜索窗大小取为8 0 0 ，d = 1 6 。在发射之前，在p r e a m b l e 之前加了5 0 0 个样值的额外的噪声。因此接端歼始检测的是噪声。通常用分组检测率，分组检 测的均值和方差来评估分组检测算法的性能。图2 4 和图2 5 分别给出了在指数多 径信道环境中，频率误差分别为6 0 k h z 和6 0 0 k h z 时的分组检测率，分组检测的均 值和方差。从图2 5 可以看到，s c h i m d l 和c o x 提出的分组检测算法的方差存在地 板效应。 频偏估计 易受频差影响是o f d m 的主要缺陷之一。在w l a n 应用中，主要应用基于嵌 入传输信号的特点训练信息的估算载波频率偏移的各种算法。在仿真中，实现的 是频率同步的时域算法。 首先要推导的是运行于时域的数据辅助的最大似然估计器f 1 3 】。这种方法训练信 息至少需要两个连续重复的符号。 发送信号为毛，通频带信号y 。的复杂基带模型为 y 一= s 疗e ，2 石允札 ( 2 1 2 ) 其中丘为发送载波频率。在接收机对载波频率丘的信号进行降频转换后，接 收的复杂基带信号在忽略瞬时噪声的情况下为 = s h e 2 4 船e - j 2 。r ，妇l s 。e 扫厶一厶) 一无= 瓯p ，2 j r ，a “ ( 2 1 3 ) 其中，一厶一厶是发送和接收载波的频差，设d 为两个重复符号的相同取样 之间的延时。接下来的频率偏移估计推导如下，从中间变量z 开始 z 2 磊厶。2 酗扩砒螺( s n * d e j 2 x f a ( n + d ) i , ) 一l = n 磊s n j ：+ 。p 7 2 。厶”t e 一2 4 ，“+ 。# p 一2 ”厶。磊l - il r ( 2 ，4 ) 频率偏移角度均衡的复杂变景之和，最后频率误差估计器为 = 一壶z 汜 第2 章基t - i e e e 8 0 2 1 l a 的o f d m 系统及其关键技术 z 的形式为一纫p i ，严格定义在【啊，万】范围内，因而当频率误差的绝对值大 于下面的临界值时 l 仆壶；壶 估算值将不不正确，因为z 的选择比万大。允许的最大频率误差通常利用子载 波间隔正进行归一化。如果延时d 等于符号长度，则 上2 d t 。! 无 ( 2 1 7 ) 一一， 、i ，j , 2 。5 因此频率误差多为子载波间隔的一半。 在仿真中，是采用短训练符号来作为辅助数据的。取样时间为5 0 n s ，延时d = 1 6 ( 短训练符号长度) ，则可以估算的最大频率误差为 厶上。j 二j ：6 2 5 k h z r h z r # 一l 2 巾“2 d t , 2 1 6 5 0 1 0 9 载波相位跟踪 频偏估计并非十全十美，还会有一些频率误差，还会存在星座图的旋转。这 时要求接收机在接收数据符号时对载波进行相位跟踪。载波相位的数据辅助跟踪 是最简单的方法。i e e e8 0 2 1 l a 包括了4 个发送数据中预先确定的子载波，这些专 用的子载波都指的是导引子载波，导引的主要目的在于帮助接收机准确的跟踪载 波。在第1 1 个接收符号的d f t 之后，导引子载波r 。等于信道频率响应h 。和已知 导引符号只j 的乘积根据余下的频率误差旋转后的结果1 1 3 1 ， r ，= 峨只j e h 叽 ( 2 1 8 ) 假设信道频率响应估计值也是可以得到的，则相位估算为 $ 。【耋r j c 疗t 只j ，】。 叁h t 只 e ? c 西t 只 ，】 c 2 t 9 ， 假定信道估算是非常准确的，则可以得到估算值 基于i e e e8 0 2 1 1 a 标准的o f d m 系统及关键编码技术的研究 面。= 叁l ，t 1 2 1 只，t 1 2e ，2 叫k 】= p 加叽耋l f ，t 1 2 ( 2 2 0 ) 频偏估计和载波相位跟踪的性能仿真 从上面的分析可知，取样时间为5 0 n s 时，使用短训练符号可以估算的最大频 率误差为6 2 5 k h z 。 如图2 6 所示，当f r e q u e n c ye r r o r = 6 0 0 k h z 时，单纯的相位跟踪对b e r 性能 没有改善，但单纯的频偏估计有较好的性能。结合使用频偏估计和相位跟踪时， 性能更好。 1 0 1 0 1 0 鬓1 0 1 0 1 0 1 0 ：l + 相位跟踪 ；引十频偏估计 ：坩- 频偏估计麴塑垡l 旦监 图2 6 频偏估计和相位跟踪的性能 f i g 2 6t h ep e r f o r m a n c eo ff r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na n dp h a s et r a c k i n g 2 2 2 信道估计 基于导频的信道估计方法大致可以分为两类：一类是在时域内进行信道估计， 另一类是在频域内进行信道估计。根据o f d m 的基本构成，可以在时域和频域内 进行导频的插入。比较典型的导频插入方式有块状导频和梳状导频，块状导频是 在i f f t 之后加入的，即在时域加入导频1 1 4 】；梳状导频是在i