（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80216a的单载波频域均衡技术.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 摘要 摘要 在过去的十几年里，移动通信技术获得了极大的发展。移动通信技术经历了 从模拟到数字、从提供话音业务到提供包括低速数据传输的综合业务的发展过 程。随着宽带无线技术的发展，越来越多的工作者研究开发未来的移动通信技术 和宽带无线接入标准。i e e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组来专门开 发宽带无线标准，该工作组主要负责为宽带无线接入接口及其相关功能制定标 准。2 0 0 1 年3 月颁布的建议方案8 0 2 1 6 3 c 建议单载波频域均衡系统( s c f d e ) 和正交频分复用( 0 f d m ) 系统做为频段在1 1 g h z 以下的宽带无线接入的物理 层模式。2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 ，1 6 a 标准建议了2 1 1 g h z 频段之间的宽带无线 接入的m a c 层和物理层的标准，建议了s c 、o f d m 和o f d m 接入( o f d m a ) 三种技术作为物理层的传输模式。 o f d m 技术是抵抗频率选择性干扰的有效方法，正在成为宽带无线接入领 域的热点。但是，o f d m 系统存在对定时误差、载频同步误差比较敏感和大的 峰均功率比( p a p r ) 等不足，直接影响了o f d m 技术的更大规模应用。8 0 2 1 6 a 标准中建议的单载波传输模式是一种基于o f d m 的传输模式，发送的是调制后 的高速率单载波信号，接收端通过f f t 和i f f t 变换来实现频域均衡，这种结构 能够克服o f d m 系统的不足，并在保持相同复杂度的同时，获得与o f d m 系统 近似的性能。 本论文的主要内容是s c f d e 系统的信道估计和频域均衡方法以及与发送 分集相结合的m i m o 系统研究。s c f d e 系统可以分为线性均衡系统和判决反馈 均衡系统，可以采用l s 、l m m s e 、l m s 等算法进行信道估计和频域均衡。研 究表明，在多径时延比较大的情况下，s c f d e 系统可以获得比o f d m 系统更好 的误码性能。 发送分集是目前天线分集技术研究的热点，8 0 2 1 6 a 标准中建议了s c 。f d e 系统与发送分集相结合的m i m o 系统，发送分集采用a l a m o u t i 结构，采用两根 天线发送、根或多根天线接收的方式。采用发送分集后可以有效地克服多径干 扰，并以较低的复杂度获得较高的分集增益。 塑塞塑皇兰堕堕主堂垡望茎竺! ! ! ! 生 a b s t r a c t i nt h el a s tt e n y e a r s ，m o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a t t a i n e d g r e a t d e v e l o p m e n t m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ye x p e r i e n c e dp r o g r e s s e sf r o m m o b i l e c o m m u n i c a t i o nt o d i g i t a l c o m m u n i c a t i o na n df r o m p r o v i d i n g v o i c es e r v i c et o p r o v i d i n gi n t e g r a t e s e r v i c ew h i c hi n c l u d e sl o w r a t ed a t at r a n s m i s s i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fw i d e b a n dw i r e l e s s t e c h n o l o g y ，m o r e a n dm o r er e s e a r c h e r sa r e e n g a g e d i nm o b i l ec o n a r n a n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dw i d e b a n dw i r e l e s sa c c e s ss t a n d a r d i nt h ef u t u r e i e e e8 0 2c o m m i a e es e t su p8 0 2 16w o r k g r o u pi n19 9 9 ，w h i c hw o r k so n s t a n d a r d so f 谢d e b a n dw i r e l e s sa c c e s sa n dt h ec o r r e l a t e df u n c t i o n si e e e8 0 2 16 3 c p r i n t e do nm a r c h ，2 0 0 1 a d v i s e ss c f d eo ro f d ms c h e m ea st h ep h y s i c sl a y e ro f w i d e b a n dw i r e l e s sa c c e s sb e l o w11g h z i e e e8 0 2 1 6 as t a n d a r dp r i n t e do nj a n 2 0 0 3 a d v i s e st h es t a n d a r d so fm a c l a y e ra n dp h y s i c sl a y e ro fw i d e b a n dw i r e l e s sa c c e s s b e t w e e n2t o11 g h z ，i nw h i c hs c ，o f d ma n do f d m as c h e m e sa r ea d v i s e da s t r a n s m i s s i o nm o d e s o f p h y s i c sl a y e r o f d mi s a l l e f f i c i e n tm e t h o d r e s i s t i n gf r e q u e n c ys e l e c t i v i t y i n t e r f e r ea n d b e c o m i n gt h eh o tr e s e a r c hp o i n to fw i d e b a n dw i r e l e s sa c c e s s h o w e v e r , o f d mh a s d i s a d v a n t a g eo fs e n s i t i v i t yt ot i m i n ge r r o ra n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o r t h e l a r g ep a p r p r o b l e ma l s oa f f e c ti t sa p p l i c a t i o nt ol a r g e rs c o p es cm o d e p r o p o s e di n 8 0 2 1 6 ai sat r a n s m i s s i o nm o d e ，w h i c ht r a n s m i t sm o d u l a t e d h i g hr a t es i n g l ec a r r i e r s i g n a lo nt h et x e n da n dc a r r i e so u tf f ta n d1 f f tt r a n s m i s s i o no d t h er e c e i v i n ge n d s cs c h e m ec a no v e r c o m e d i s a d v a n t a g e s o fo f d ma n d a t t a i n a p p r o x i m a t e p e r f o r m a n c e o fo f d m i ti sa g o o d c h o i c ef o rt h eu p l i n k t h em a i nc o n t e n t so ft h i s t h e s i sa r ec h a n n e le s t i m a t i o na n d f r e q u e n c y e q u a l i z a t i o n o fs c f d es y s t e ma n dt h em i m os y s t e mc o m b i n e d 晡mt r a n s m i t d i v e r s i t y s c - f d ec a nb ec a t e g o r i s e dl i n e a r e q u a l i z a t i o n a n dd e c i s i o nf e e d b a c k e q u a l i z a t i o ns y s t e ma n dc a nu s el s ，l m m s e ，l m sa r i t h m e t i cf o rc h a n n e le s t i m a t i o n a n df r e q u e n c ye q u a l i z a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tw h e n m u l t i p a t ht i m e i i 南京邮电学院硕士学位论文 a b s t r a c t d e l a y i s l a r g e r , s c - f d ec a r l a t t a i n b e t t e re t o rb i t p e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t h o f d m s t ci sa n o t h e rh o tr e s e a r c hp o i n t 8 0 2 1 6s t a n d a r da d v i s e sm i m o t e c h n o l o g y o f c o m b i n i n gs c f d ea n dt r a n s m i td i v e r s i t y , i nw h i c ht h et r a n s m i t d i v e r s i t y u s e s a l a m o u t is t r u c t u r ea n dt h e r e c e i v i n ge n d u s eo n eo rm o r ea n t e n n a s t r a n s m i td i v e r s i t v c a nr e s i s tm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l ya n da t t a i nh i g h e rd i v e r s i t yg a i nw i t h o u t t h ep e n a l t yo f b a n d w i d t h i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 6 28 8 57 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 含为获得南京邮电学院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：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期 堕塞塑皇兰堕堡圭兰垡鲨奎兰二皇! ! 鱼 1 1 论文背景 第一章绪论 采用通信技术来传输信息在现代社会是十分流行和重要的，它已经成为人们 生活和工作的必需和社会发展的重要工具。移动通信领域是当今通信领域内最为 活跃、发展最为迅速的领域之一。移动通信的最终目标是实现任何人可以在任何 地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。在过去的十几年里，移动通 信技术获得了极大的发展，移动业务以空前的速度增长，全球正在迅速向着移动 信息时代迈进。 移动通信技术经历了从传统的单基站大功率系统到蜂窝移动系统、从模拟移 动通信系统到数字移动通信系统、从提供话音业务到提供包括低速数据传输的综 合业务的发展过程。第一代模拟蜂窝移动通信系统，采用频分多址( f d m a ) 接 入技术，在移动通信信道中传输调制模拟电话信号。模拟蜂窝系统本身存在频谱 效率低、保密性能差等缺陷，面临阻塞概率较高、呼叫中断率较高、容量不能满 足需求等问题。第二代数字蜂窝移动通信系统以t d m a 或c d m a 技术为基础， 主要的技术标准有欧洲和世界各地的g s m 、北美的i s 一9 5 、i s 一1 3 6 和日本的j d c 或p d c 。数字蜂窝移动通信系统最吸引人的优点之一是抗干扰能力和潜在的大 容量，可以在环境更为恶劣和需求量更多的地区使用。但是，第二代移动通信系 统不能满足未来的移动通信市场对于容量和抗干扰能力的需求，1 9 9 9 年国际电 信联盟通过了“第三代移动通信系统无线接口技术规范”i m t - 2 0 0 0 ，标志着 第三代移动通信系统的开发和应用进入了实质阶段。第三代移动通信系统采用的 主要空中接1 ：3 技术是扩频码分多址( c d m a ) 技术，是将待传送的信息数据用伪随 机码( p n 码) 调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的p n 码进行相关 处理及解调，恢复原始信息数据。c d m a 系统可获得同样频宽模拟系统1 0 倍的 容量，同时采用软切换、功率控制和分集技术提高系统性能，具有声音质量高、 通话不易中断、接通率高、保密性能好、发射功耗小等优势。第三代移动通信系 统实现的基本目标包括提供全球无缝隙覆盖和漫游、提供窄带和宽带多媒体业 务、适应多种运行环境等。 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 第三代移动通信系统给人们展示了一个美好的前景，但这些前景的实现是以 克服目前所面临的技术难题为先决条件的。这些难题包括多径衰减、时延扩展、 多址干扰、远近效应等。由于电磁波在传播过程中将发生扩散、辐射和折射等， 会产生多条传输路径。不同路径的信号到达接收机天线时，由于天线的位置、方 向和极化方式不同，使接收信号功率、相位起伏变化，产生严重的衰落现象。信 号在不同路径会产生不同的传播时延，可能引起符号间的干扰。由于3 g 系统采 用c d m a 技术，即采用不同的扩频码字来区分用户，这就要求各用户的扩频码 具有极强的自相关性和极弱的互相关性。但是，实际上各用户之间的互相干扰不 可能完全消失，所以c d m a 系统是干扰受限系统，来自本小区和邻近小区用户 的干扰成了决定系统容量和性能的主要因素。另外，在各移动台均以相同的功率 发射信号时，基站接收到的近处移动台发射的信号功率将远大于远处移动台发射 的信号功率。远近效应就是指近处大功率信号对远处小功率信号产生的很强的干 扰。为了解决面对的问题，3 0 系统采用了多载波调制、智能天线、功率控制、 多用户检测等技术。 移动通信的数据速率从第一代和第二代的9 6 k b s 或1 4 4 k b s 向第三代的 1 4 4 k b s ( 室内达2 m b s 以上) 和第四代( 后三代) 的2 0 m b s ( 室内可达1 0 0 m b s ) 逐步提升，支持的业务也从语音到发展到多媒体业务和包括实时的流媒体业务。 除公众移动通信外，宽带无线接入技术日益受到人们的重视，i e e e 开发和 制定了一系列宽带无线接入标准。i e e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作 组来专门开发宽带无线标准，该工作组主要负责为宽带无线接入接口及其相关功 能制定标准。i e e e8 0 2 1 6 标准于2 0 0 2 年4 月8 号颁布，i e e e8 0 2 1 6 a 标准于2 0 0 3 年1 月正式得到批准。运行于2 - 1 1 g h z 频段之间的8 0 2 1 6 a 标准是i e e e8 0 2 1 6 标准的扩展，在点到多点( p m p ) 和网格拓扑两种网络结构下，该标准规定了无 线宽带接入系统空中接口的媒体接入控制层( m a c ) 层和物理层( p h y 层) ，通 过对m a c 层规范的修改和p h y 层规范的增补来实现对8 0 2 1 6 的改进。该标准 定义的空中接口技术可用于将8 0 2 1 1 局域网连接到互联网，也可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实现最后英里的无线宽带接入。 i e e e8 0 2 1 6 a 标准的m a c 层支持3 种分别基于单载波( s c ) 、o f d m 和 o f d m a 的物理层，每种p h y 层规范都适用于一种特定的操作环境，操作环境 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 包括无需申请许可执照的频段( 主要在5 - 6 g h z ) 和被指配给公共网络接入的需 申请许可执照的频段。 o f d m 技术是抵抗频率选择性干扰的有效方法，正在成为宽带无线接入领 域的热点。o f d m 系统将串并变换后的信号发送到多个子载波上，每一个子载 波占据很窄的带宽，各子载波频谱相互重叠但保持正交，大大提高了频谱利用率a 发送过程中，每一个子载波的幅度和相位会受到信道的影响，因此在接收端分别 对每一个子载波的相位和幅度变化进行补偿。与相同传输速率的单载波系统比 较，o f d m 系统每个子载波上的码元宽度是单载波系统码元宽度的n 倍( n 为f f t 运算的点数) ，通常远远大于信道的时延扩展，因此o f d m 系统每个子载波均具 有极强的抗码间干扰的能力。但是，o f d m 系统存在对定时误差、载频同步误 差比较敏感和大的峰均功率比( p a j p r ) 等不足，直接影响了o f d m 技术的更大 规模应用。 o f d m a 是通过将可用子载波总数的一部分分配给特定用户来实现多个用 户接入的。在这一点上，它类似于普通的频分多址( f d m a ) ，但在分离各个用 户( 信道) 方面，f d m a 是通过带通滤波器实现，因此各个信道间需要设置保 护间隔。而在o f d m a 中，由于各子载波相互正交，所以可采用f f t 技术来处 理，这样就省去了f d m a 中相对较大的保护频带，从而提高了信道利用率。 o f d m a 的基本概念是将可用子载波分成逻辑组，每一组称为一个逻辑子信道。 每个逻辑子信道由相邻若干子载波构成，每个逻辑子信道含有的子载波的个数不 一定相等，构成一个逻辑子信道的子载波可以相邻也可以不相邻。在i e e e 8 0 2 1 6 a 中构成逻辑子信道的载波就是以交织的方式分配的。 8 0 2 1 6 a 标准中建议的单载波传输模式是一种基于o f d m 的传输模式。能够 克服o f d m 系统的不足，并在保持相同复杂度的同时，获得与o f d m 系统近似 的性能 1 】，本论文的主要内容是研究这种s c 系统及其相关技术。 1 2 主要内容 i e e e8 0 2 1 6 a 标准中的单载波传输模式不同于传统的单载波传输，它发送的 是调制后的商速率单载波信号，接收端通过f f t 和i f f t 变换来实现频域均衡， 实际上是对接收信号的频域分析，这种系统称为( s c - f d e ) 单载波频域均衡系统。 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 在多径频率选择性衰落信道中进行高速数据传输时，通常的时域均衡器，因为抽 头系数太多，难以实现。而s c 系统由于接收端使用f f t 变换对数据块的数据同 时进行处理，大大降低了接收端的复杂性，提高了系统效率。s c f d e 系统单载 波频域均衡可以与判决反馈相结合提高系统性能，同时8 0 2 1 6 a 标准还建议s c 系统可以与发送分集相结合建立m i m o 系统。本论文重点研究s c f d e 系统的 信道估计和频域均衡方法以及与发送分集结合建立的m i m o 系统。 下面介绍本论文的大致组织情况。在论文的笫二章，首先介绍s c f d e 系统 的原理、特点和特征参数。第三章对本论文在仿真过程中采用的信道一- - s u i 信 道进行了详细介绍。第四章研究s c f d e 系统的信道估计和频域均衡方法，比较 了线性均衡系统和判决反馈均衡系统的性能。第五章研究了单载波频域均衡系统 与发送分集相结合的m i m o 技术，并对m i m o 系统进行了仿真。 1 3 论文完成的工作和主要成果 本论文完成的工作和主要成果有三方面： 1 使用s i m u l i n k 搭建s c f d e 系统的仿真模型，模型显示了s c f d e 系统 的发送、接收和均衡过程。 2 研究s c f d e 系统的频域均衡和信道估计方法，比较了单载波线性均衡 ( s c l e ) 系统和判决反馈均衡( s c d f e ) 系统在使用不同独特字时的性能，并与使 用相同导频数的o f d m 系统性能对比，其中线性均衡系统采用l s 算法，判决反 馈均衡系统采用l m m s e 算法，仿真信道为s u i 信道。同时，研究了s c l e 系 统和s c d f e 系统的编码增益，编码方式为r s 码和卷积码( c c ) 的级联码 ( r s c c ) 。 3 研究了单载波频域均衡系统与发送分集相结合的m i m o 技术，发送分集 采用a l a m o u t i 结构，比较了采用两个发送天线、一个接收天线和采用两个发送 天线、两个接收天线时的分集增益。 发表论文： 1 基于i e e e s 0 2 1 6 a 标准的单载波频域均衡系统，中国移动通信， 2 0 0 3 ，6 2 单载波频域均衡系统的信道估计方法，电力系统通信，2 0 0 4 ，1 4 南京邮电学院硕士学位论文 第二章单载波频域均衡系统简介 第二章单载波频域均衡系统简介 在宽带无线通信系统中，由多径传输引起的频率选择性衰落会严重影响通信 的可靠性。基于f f t i f 盯实现的正交频分复用( o f d m ) 技术可以有效克服频率选 择性衰落带来的载波干扰和码间干扰，因此成为无线通信和移动通信领域的热 点。但o f d m 技术存在对定时误差、载频同步比较敏感和峰均功率比( p a p r ) 较大等不足。因此一种基于o f d m 系统信号处理方式的单载波频域均衡系统方 案被提出，该方案有效克服了o f d m 技术的不足，并且能够达到与o f d m 系统 近似的性能 1 】。 2 1 8 0 2 1 6 a 标准简介 i e e e 8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组来专门开发宽带无线标准， 该工作组主要负责为宽带无线接入接口及其相关功能制定标准。i e e e8 0 2 ，1 6 标 准于2 0 0 2 年4 月8 号颁布，i e e e8 0 2 1 6 a 标准于今年1 月正式得到批准。 运行于2 - l l g h z 频段之间的8 0 2 1 6 a 标准是8 0 2 1 6 标准的扩展，在点到多 点( p m p ) 和网格拓扑( 可选的) 两种网络结构下，该标准规定了无线宽带接入 系统空中接口的媒体接入控制层( m a c ) 层和物理层( p h y 层) ，通过对m a c 层规范的修改和p h y 层规范的增补来实现对8 0 2 1 6 的改进。该标准定义的空中 接口技术可用于将8 0 2 1 1 局域网连接到互联网，也可作为线缆和d s l 的无线扩 展技术，从而实现最后一英里的无线宽带接入 2 】。 2 1 1i e e e8 0 2 1 6 a 标准总体框架 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准的协议分层结构与8 0 2 1 6 标准的协议分层结构相同，如 南京邮电学院硕士学位论文第二章单载波频域均衡系统简介 面向业务的会聚子层( c s ) m a c 共用部分子层( c p s ) 加密子层( p s ) 单载渡( s c ) i o f d m ：o f d m a ! ! 图2 ，18 0 2 1 6 a 标准协议分层结构 层 l 物理层 j 在8 0 2 1 6 a 标准中，会聚子层并无变化，加密子层和8 0 2 1 6 标准的差别也不 大，主要增加了业务流加密密钥( t e k ) 在网格模式中的交换和使用。不过为了 更加稳定、可靠的传输，8 0 2 1 6 a 的共用部分子层增加了许多新功能，包括：对 网格拓扑结构的支持；对o f d m 和o f d m a 的支持：无需申请许可执照频段中 的动态频率选择( d f s ) 功能；自动重复请求( a r q ) 功能；对自适应天线系统 ( a a s ) 的支持等等。 i e e e8 0 2 1 6 a 标准的m a c 层支持3 种分别基于单载波( s c ) 、o f d m 和 o f d m a 的物理层，每种p h y 层规范都适用于一种特定的操作环境，这个操作 环境包括无需申请许可执照的频段( 主要在5 - 6 g h z ) 【5 和被指定给公共网络接 入的需申请许可执照的频段。 除了增加了上述3 个p h y 规范外，在2 1 1 g h z 需申请许可执照的频段中， 为了支持在视距和非可视距离范围内的传输，8 0 2 1 6 a 标准的物理层也增加了别 的功能：如对高级能量管理技术的支持、对多重天线的支持和冲突缓解、共存功 能等等。 2 1 2m a c 层 2 1 2 1 m a c 层新增功能 网格模式 一个网络共用一个媒体，就需提供个有效的共享机制。点对多点和网格拓 扑这两种无线网络就是共享无线媒体的例子。在8 0 2 1 6 标准中只提到了点对多 点模式，在8 0 2 1 6 a 标准中则增加了网格模式。 6 层 屺 隐。r。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章单载波频域均衡系统简介 点到多点与可选的网格模式的主要区别在于，在点到多点模式中业务流只发 生在基站( b s ) 和用户站( s s ) 之间，而在网格拓扑模式中业务流还可以发生在各个 s s 之间，网格网络中的每个站点都可以和网络中其它的一些站点形成直接的通 信链路【4 。在网格网络中有几个重要的术语，分别为： 网格b s ：网格网络中的一个站点，其与网格网络之外的业务有直接的连 接。 网格s s ：除网格b s 外，网格网络中的其它站点。 上行链路( u l ) ：指向网格b s 的业务流。 下行链路( d l ) ：离开网格b s 的业务流。 节点：网格网络中的站点。 相邻节点：和一个节点直接链接的节点。 邻域：由一个节点的相邻节点形成的区域。 扩展邻域：包含邻域所有相邻节点的区域。 在网格模式中，候选节点和网络通过网络登陆和认证过程证实对方，在上述 过程中需要用到4 8 b i t 的通用m a c 地址。当候选节点通过认证，就会获得一个 1 6 b i t 的节点标志符，用来在正常操作时识别节点。为了在领域中访问节点，还 需要使用一个8 b i t 的链路标志符，在分布式调度中，该标志符可以被用来识别资 源的请求和分配。 自动重复请求( a r q ) 机制 a r q 机制是m a c 层一个可选部分，可以使用在每个连接上，它的优点是 使得重发过程具有机动性。与m a c 层协议的其它特性相似，对单向连接，一个 特定a r q 的作用范围是有限制的。a r q 反馈信息可以作为独立的m a c 管理信 息在适当的基本管理连接上传输，或背负在现成的连接上。 对自适应天线系统( a a s ) 的支持 a a $ 使用了多重天线，通过适应天线模式和将辐射集中到各个用户，a a s 可以增加覆盖范围并提高系统的容量，随着天线数量的增加，频谱的利用率也会 随之线性增高。在8 0 2 1 6 a 中a a s 提供了一个可选的机制，可以将非a _ a s 迁移 到a a s 中，a a s 中的s s 也可以通过使用u l m a p 和d l m a p 消息来防止与非 a a s 业务的抵触。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章单载波频域均衡系统简介 动态频率选择( d f s ) 在无需申请许可执照的频段上，d f s 是必需要被用到的，因为冲突在无需申 请许可执照的频段中更容易产生，所以需要d f s 通过检测和避免基本用户来缓 解冲突。 2 1 2 2 m a c 层管理信息和数据格式 与8 0 2 1 6 的m a c 层管理信息相比，8 0 2 1 6 a m a c 层新增了功能，管理信息 的种类也随之增加，而且这些增加的管理信息多数与a r q 、a a s 和网格结构有 关。新增的1 2 种管理信息有：a r q 反馈信息、a g q 丢弃信息、a r q 复原信息、 信道测量报告请求( p e p r e q ) 、信道测量报告响应( p e p r s p ) 、网格网络构造 ( m s h - n c f g ) 、网格网络登陆( m s h - n e n t ) 、网格分布式调度( m s h d s c h ) 、网 格集中式调度( m s h c s c h ) 、网格集中式调度构造( m s h c s c f ) 、a a s 反馈请 求( a a s f b c k p e q ) 、a a s 反馈响应( a a s f b c k r s p ) 4 】。 m a c 子头可分为4 种类型：与8 0 2 1 6 标准相比除了拆分子头、打包子头和 带宽分配子头外，增加了网格子头，而且网格子头领先于其它的子头。 在p d u 的构造和传输问题上，由于8 0 2 1 6 a 标准中增加了a r q 机制，就要 对带a r q 的连接进行特殊的打包。带有a r q 的连接的打包子头的使用与不带 a r q 的很相似，不过带有a r q 的连接不支持固定长度的打包。a r q 与非a r q 打包的最主要的区别在于分段存储的相互作用。 对于带有a r q 的连接，当打包子头在使用时，每个单独的m a cs d u 或 m a c s d u 片断的分段存储信息被包含在相关的打包子头中；当不使用打包子头 时，这些信息包含在消息中的分段存储中。 2 1 2 3 带宽分配 8 0 2 1 6 a 的m a c 层由于支持多种p h y 层规范及网格拓扑结构，其带宽分配 方式与8 0 2 1 6 就有所不同。 无线城域网o f d m 及o f d m a 的物理层分别支持基于带宽申请的两种竞争 机制，其中的一种机制是相同的，都是允许s s 在p e q 全域( p e qr e g i o n f u l l ) 中发送带宽申请头，不过另一种竞争机制有所不同，o f d m 的另一种机制允许 南京邮电学院磺学位论文 第二章单载波频域均衡系统简介 s s 在r e q 聚焦区域( r e qr e g i o n - f o c u s e d ) 发送聚焦竞争传输，而o f d m a 的另 一种机制是以c d m a 带宽申请为基础的竞争机制。 无需执照的高速无线城域网( h u m a n ) 系统则支持可选的网格拓扑。在网格 网络的带宽分配问题上，根据协议可平等地选择分布式调度方式、集中式调度方 式、或两者结合的方式来进行分配。如采用分布式调度方式，所有的节点包括网 格b s 必须在它们的二跳( 节点的相邻节点被认为是离开该节点的跳) 范围中 调整它们的传输，并且把它们的调度情况( 可用带宽及带宽请求和分配的情况) 广播发送给它们所有的相邻节点知道，采用该种方式在不产生冲突的条件下，两 个节点之间也可以不经过网格b s 进行直接的带宽请求和分配。如采用集中式的 调度，带宽则通过一种更集中的方式分配，网格b s 必须收集某一跳范围内的所 有网格s s 的带宽需求，来决定在网络中的每条链路( 包括上行链路和下行链路) 的可给予的带宽总量，并且将这些带宽传输到那一跳范围内的所有网格s s 中。 2 1 2 物理层 8 0 2 1 6 a 标准建议了三种物理层的模式，即s c f d e 、o f d m 和o f d m a 。 s c f d e 在下一节有详细的介绍，先简要介绍一下o f d m 和o f d m a 。 2 1 2 1 o f d m 物理层 无线m a n o f d m 物理层是以o f d m 调制为基础的，也适应于2 ，1 1 g h z 上 n l o s 范围内的操作。在时域中，使用i f f t 变换产生o f d m 波形，其符号时间 结构图如图2 2 所示： h 卜_ + o 曼 ， t s 图2 2o f d m 符号时域构造 9 南京邮电学院硕士学位论文 第二章单载波频域均衡系统简介 t 卜有用的符号时间，t g - 罐环前缀( c p ) ，t s 一符号时间 o f d m 符号由载波构成，载波的数目决定了f f t 的大小，在o f d m p h y 层 中，f f t 的点数是2 5 6 。载波的类型有：数据载波( d m ac 枷e r s ) 导频载波o i l o t c a r r i e r s ) ：空载波( n u l lc a r r i e r s ) 。图2 1 3 描述了o f d m 的频域： 敬撼载城 图2 3o f d m 的频域描述 o f d m 物理层的信道编码由随机化、向前错误纠正( f e c ) 、交织这3 个步 骤组成。经过比特交织之后，二进制数据进入星座映射器( 协议支持经过格雷映 射的q p s k 和1 6 q a m ，然而6 4 q a m 的支持是可选的) 。经过星座映射后的数据 随后调制到所分配的数据载波上。 需申请许可执照的频段中，双工方式有t d d 和f d d ，f d d 可以是半双工的 f d d ，无需申请许可执照的频段中，双工方式只有t d d 。o f d mp h y 支持以帧 为基础的发射，p m p 帧由个u l 子帧和一个d l 子帧组成，网格帧则由一个控 制和数据子帧组成。 在o f d m 的下行链路中还可以使用时空码s t c 来提供发射分集，图2 4 表 示了s t c 在o f d m 通路中的插入： 南京邮电学院硕士学位论文第二章单载波频域均衡系统简介 t x 分 集 编 码 2 1 2 2 o f d m a 物理层 图2 4s t c 在o f d m 通路中的插入 o f d m a 可支持多用户的接入，其物理层的适用频段和时域表示都与o f d m 的相同，频域表示则与o f d m 的不同。在o f d m a 方式里，f f t 个数是2 0 4 8 ， 可用载波被分成若干组，每一组称为一个子信道，图2 5 是o f d m a 的频域表示 ( 以3 个子信道为例) ： 子信道l予信道2子信道k 图2 5o f d m a 的频域表示 在下行链路，子信道可以指定给不同的接收机，在上行链路，发射机可以分 配一个或多个子信道，几个发射机可以并行发送。组成予信道的子载波可以相邻 也可以不相邻。符号被分到合理的子信道，以支持可测量性、多点接入和高级天 线阵处理。 o f d m a 物理层的数据区域是2 维的，并可以定义o f d m a 的数据分配， 图2 6 就是一个例子。该数据区域可以在上行链路被分配到一个( 数据群) s s ， 或可以在下行链路中被b s 发射传输到一个( 数据群) s s 。m a c 数据可按一定 的算法映射到o f d m a 数据区域上。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章单载波频域均衡系统简介 司t u b c h 。a e l z ) 酉 o f d m a 的一个重点是载波分配。在o f d m a 中，从f f t 个数中去掉d c 载波和保护载波就得到有用载波个数。不管在上行还是下行链路，有用载波都被 分配给导频载波和数据载波，但是有一点细微的差别：在下行链路，导频载波先 分配，剩下的全部用于数据载波，下行链路只有一套普通导频载波；在上行链路， 先将有用载波划分为子信道，然后从每一个子信道中指定导频载波，上行链路的 每个子信道拥有各自的导频载波。 在上述的3 种物理层传输方式中，s c f d e 技术是对传统的单载波技术加以 改进的技术，o f d m 则是近年来得到推广一种多载波调制技术，它的抗衰落能 力强，能有效地抗多径干扰，频谱利用率高 6 】。在单载波系统中，单个衰落或干 扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会 受到干扰。不过o f d m 对频率偏移和相位噪声很敏感，峰均功率比相对较大， s c 就不存在峰均功率比的问题，其发射和接收也比较简单。o f d m a 则是一种 基于o f d m 原理的多址技术，具有很高的带宽利用率，同时汇集了o f d m 、跳 频及t d m a 技术的诸多优点，在无需使用均衡器的情况下，可有效地克服码间 干扰，并且能提供较大的容量。可见，这3 种物理层都有其各自的特点，可根据 需要采用合适的技术来传输数据。 8 0 2 1 6 a 标准还对同步、信道质量度量、及能量管理等方面进行了规范。 网络同步：对于实际的t d d 和f d d ，协议建议所有的基站都和同一 个定时信号进行时间同步，在网络定时信号丢失期间，基站继续运作， 并当定时信号恢复时自动再次与之同步。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章单载波频域均衡系统简介 s s 同步：对于任何一种双工方式，所有的s s 要调整它们的定时，以 保证上行信道的所有o f d m 符号的到达时间以较好的精确度与基站 一致。 信道质量测量：r s s i 和c i n r 这两个参数能在质量测量、以及b s 选 择分配等过程中发挥作用，协议中给出了它们的均值和标准差。 能量管理：基站必须提供接收到的突发信号的正确能量量度，这个值 与参考水平相比较所得出的误差结果可反馈到用户站。能量控制算法 可用来支持远距离传输中的能量衰减或能量波动。 2 2 单载波频域均衡系统 s c f d e 系统是宽带无线传输中一种很有前途的抗多径干扰的方法，但目前 研究得较少。s c 系统发送的是调制后的高速率单载波信号，接收端通过f f t 和 i f f t 变换来实现频域均衡，实际上是对接收信号的频域分析。s c 系统的结构如 图2 7 所示，使用n 点f f t 变换和有n 个抽头系数的频域均衡器。 接收端 i 载波 涮亟 西 图2 7s c - f d e 系统原理 2 2 1 s o f o e 系统的信号发送过程 s c 传输是i e e e8 0 2 1 6 a 标准建议的物理层的三种模式之一，可以在2 11 g h z 频带范围内进行非视距信号传输。在执照频带范围内，信道宽度不低于 1 2 5 m h z 。8 0 2 1 6 a 标准中建议的s c 模式的特征包括： 支持时分复用( t d d ) 和频分复用( f d d ) 两种复用方式 上行链路( u l ) 采用时分多址接入( t d m a ) 掌 长 母 一 | 爨 塑塞塑皇堂堕堡圭堂笪笙苎 苎三里苎望垫塑苎塑塑墨堕堕坌 下行链路( d l ) 采用时分复用( t d m ) u l 和d l 均采用分组自适应调制和前向纠错编码( f e c ) 选取能够提高信道估计和均衡性能的导频信号 使用r s 码和格栅码( t c m ) 级联的f e c 和随机交织方式 f e c 候选编码方案为分组t u r b o 码( b t c ) 和卷积t u r b o 码( c r c ) 不加f e c 时发送自动重发请求进行差错控制 采用s 1 发送 8 0 2 1 6 a 标准建议了s c 系统发送信号的过程，如图2 8 所示。首先对数据源 进行随机化，然后进行前向纠错编码( f e c ) 和q h m 映射。下一步是按照协议 规定的帧格式将q a m 符号变换为突发帧( b u r s tf r a m i n g ) 的形式，并加入突发 前缀、保护间隔等数据符号。然后突发符号被复用为包含两路突发的双路帧 ( d u p l e xf r a m e ) 。下一步i 路和q 路符号分别经过突发成形滤波器，然后正交调 制到载波频率上，最后经过功率控制，使用合适的输出功率发射出去。突发特征 ( b u r s t p r o f i l e ) 参数规定了发送过程中的参数。 溉刊墨怪忙圆址妒 为了避免多个0 符号或l 符号连续出现，信息比特进行编码之前，先进行 随机化。如图2 9 所示，源比特的随机化通过线性反馈移位寄存器( l f s r ) 进 行模2 加运算( x o r ) 来实现，寄存器的关系表达式为l + z ”+ 工”。l f s r 在每 一帧开始的时刻设定初值1