（通信与信息系统专业论文）无线局域网物理层关键技术研究.pdf

摘要 本文深入阐述了下一代无线局域网物理层f i 匀关键技术空时编码技术，f 翻 绕空时格形码和空时分组码进行研究。主要分析了采用新型编码准则的空时格形 码，非正交空时分组码以及无需知道信道状态信息的差分空时分组码的编解码算 法并做了大量仿真。本文首次提出空时编码的两种级联方案，即在r ic i a l l 、 r a y le ig h 混合信道下，b c h 编码与新型空时格形码结合的级联方案，和t c m 调制 与差分空时分组码结合的绒联方案，并给出了在不同发射、接牧天线数日f 的仿 真结果。 关键词：无线局域网空时格形码空时分组码多输入多输出 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e do ns p a c e t i m ec o d e ，e s p e c i a l l yt h et r e l l i sc o d ea n d b l o c kc o d e ，t h ek e yt e c h n i q u eo ft h en e x tg e n e r a t i o no fw l a n w ea n a l y z et h e c o d i n g d e c o d i n ga l g o r i t h m sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so f , s p a c e t i m et r e l l i sc o d ew h i c h e m p l o y e sn e wc o d i n gc r i t e r i a ，n o n o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d ea n dd i f f e r e n t i a l s p a c e t i m eb l o c kc o d ew h i c hd o e sn o tr e q u i r et h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) m o r e o v e lt w on e wc o n c a t e n a t i n gc o d e sa r ei n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m ei nr i c i a na n d r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s ，w h i c ha r e ，n e ws p a c e t i m et r e l l i sc o d ec o n c a t e n a t e d w i t h b c hc o d e ，a n dd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m eb l o c kc o d ew i t ht c m s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e p r e s e n t e du s i n gd i f f e r e n tt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n ga n t e n n a s k e y w o r d s ：w l a n s t t cs t b cm i m o jl o o s 0 5 5 独创性( 创新性) 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中个 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：范逭i 丕日期：互婴雏lf 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证牛 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 存解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密车上年解密后适用本授权书。 本人签名：篷整绫同期：垫2 垒! f ：f 导师签名 囊k 囊一 绪论 第一章绪论 1 1引言 近年束，无线局域网( w l a n ) 飞速发展，已迅速成为计算机悯络中。个企 火重要的组成部分。随着i e e e 8 0 21 1 系歹0 无线局域网标准的制定成功，无线技术 已经摆脱了过去那种互不兼容的状态，从而为无法采用有线系统安装的领域提供 可靠的、移动的网络互联方案。高速上网已经在众多热点地区比如机场、宾馆、 校斟等，逐渐普及。 然而，无线局域网一般采用开放的i s m ( 工业，学校，医疗) 频段，众多设 备共用这一频谱资源，这就决定了无线局域别的信道环境极其恶劣，因此，采用 抗j r 扰、抗多径、高频谱利用率的新型技术是无线局域网的发展方向。 空时编码是适合于多天线阵信道的一种编码方案，它结合空叫分集和时州分 集的优点，同时提供分集增益和编码增益，能够获得远远高于传统单天线系统的 频带利用率。对于一个拥有r 1 个发射天线和m 个接收天线的多输入多输出( m i m o ) 系统，理论证明，如果接收端可以准确地估计信道信息，并保证，f i 唰发射、接收 天线对之间的衰落相互独立，信道容量随着m i n ( n ，m ) 的增加而线性增加，因 此，多天线信道容量理论的提出无疑给解决高速无线通信问题丌辟了一条新的思 路，而在此基础上发展起来的空时编码技术则是一种很有前途的解决方案。 1 2无线局域网标准与调制解调技术 i e e e 8 0 2 1 l 标准的制定是无线局域网技术发展的一个罩程碑，定义物删层 ( p h y ) 和媒体访问控制( m a c ) 规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互 操作网络设备。t e e e 小组又相继推出了ie f f e 8 0 2 1 1 b 、i e e e 8 0 2 1 l a 和l e e e s 0 2 1 lg 三个新标准，为无线局域网的蓬勃发展注了无限活力。 i e e e 8 0 2 1 1 标准中在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法，定义了 两个射频( r f ) 传输方法和一个红外线传输方法。r f 传输标准足直接序列扩频 ( d s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) 。工作在2 4 0 0 0 g h z 2 4 8 3 5 g h z 频段。直接序列扩 频采用b p s k 和d q p s k 调制技术，支持i m b i t s 和2 m b it s 数据传输速率。跳频扩 频采用2 4 电平g f s k 调制技术，支持1 m b it s 数据传输速率，共有2 2 组跳频图 案，包括7 9 个信道。红外线传输方法工作在8 5 0 n m 9 5 0 n m 段，峰值功率为2 w ， 支持的数据传输速率为1 m b it s 和2 m b i t s 。 1 9 9 9 年9 月，8 0 2 】l b 被f 式批准。该标准使用和8 0 2 1 1 相同的频段，采刚 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 无线局域网物理层关键技术研究 特殊扩频技术补码键控( c c k ) 调制，数据传输速率达到l l i t s ，可以根据信道情 况在ll m b il s 、5 5 m b it s 、2 m b jt s 、i m b i t s 的不同速率间自动切换，扩大了 w i ? 、n 的应用领域。 1 9 9 9 年8 0 2 1 l a 标准制订完成，该标准规定w l a n 工作频段为5 15 g h z 5 3 5 g h z 和5 7 2 5 g h z 5 8 2 5 g h z ，采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术和 m q a m 调制方式，数据传输速率最高达到5 4 m b i t s 。但由于频谱管制和兼容问题， 限制了该标准的广泛应用。 2 0 0 3 年6 月，ie e e 正式推出8 0 2 1 l g 标准，使用频段同8 0 2 1 1 ，采用的调制 ，式为8 0 2 1l a 中采用的o f d m 与8 0 2 1 l b 中采用的c c k ，以及二进制卷积编码调 制( p b c c ) 。做到了与8 0 2 和8 0 2 1l b 的兼容，且最大数据速率达到5 4 m b p s 。 无线局域网标准的演进是围绕着调制解调技术而展开的，调制解调技术无可 争议的成为无线局域网物理层的关键技术。 l 妁系统及其相应的空时编码技术有诸多优良性能和广泛应用前景，目前， 其在移动通信领域应用的相关研究已经全面展丌。然而m i m o 系统在无线局域网 中的应用研究还刚刚起步，i e e e 组织正致力于t e e e 8 0 2 j 1n 标准的制定，其中便 采用了mj m oo f d m 技术。空时编码技术为无线局域网的发展开辟了新的道路，本 课题也具有很强的实用价值。 1 。3 本文研究的主要内容 本文主要研究空时编码技术在无线局域网中的应用。 第二章主要分析无线局域网典型的信道环境。 第- 二常 要回顾现有无线局域网标准i e e e 8 0 21 1 系列物理层的调制与编码技 术。 第四章提出了空时编码概念，主要分析了空时格形码的最新编码准则译码 厅案：并首次提出将b c h 编码与新型空时格形码结合的编解码方案，给出了在不同 收发天线数和不同信道环境下的仿真结果。 缃“葶重点对空时分组码进行分析和分类，阐述了各类空时分组码设计的出 发t 奠、编码准则、译码方法、性能以及应用范围。结合前人成果，首次提出将t c m 渊制技术与恙分宅时分组码结合的编解码方案并给出了仿真结果。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第一二章无线局域网的信道特性 第二章无线局域网的信道特性 2 1无线局域网的和移动通信网的差别 目前，空时编码已成为无线通信、信号处理领域的热点，但空时编码的研究 上要针对在下一代移动通信系统中的应用。而无线局域例是不刊于移动通信的独 志的无线通信系统，因而研究空时编码在无线局域网叶i 的应用必须首先了解其! j 移动通信刚的差异。 首先，在应用方面两者差别宅要体现在： ( 1 ) 支持的业务不同。无线局域网主要为计算机终端便携电脑，p d a 等 设备提供全方位的宽带无线上阚功能；移动通信主要提供话音业务，末来也”j 以 支持多媒体、数据业务和一定限度的无线上网功能。 ( 2 ) 使用场合不同。无线局域网主要为局部热点地区提供无线接入的空r ，接 口，比如办公室，机场，校园，宾馆，会议中心等；而移动通信网是广域网， 提供全国范围内的大面积覆盖。 其次，从各种技术参数角度衡量，主要差别体现在： ( 1 ) 数据传输速率。无线局域网目前最大支持1 l m b p s 和5 4 m b p s 的数据传 输速率，属于高数据速率业务的无线传输系统；第三代移动通信最大可支持约 1 m 2 m b p s 的数据速率，远远低于前者。 ( 2 ) 信道环境。无线局域网信通是一种慢衰落信道，典型在室内应用，覆盖 范围最多3 0 0 米，一般存在无线视距传播，信道环境较好：移动通信网存在快衰 落信道环境，多径效应严重，信道环境恶劣。 ( 3 ) 使用天线数。无线局域网的移动终端和无线接入点都可采用多天线技术， 用户终端天线数不受设备限制；移动通信网中的基站可以采用多副收发天线，而 客户端手机没备受体积限制一般只采用一个收发天线。 ( 4 ) 移动性。无线局域网在中低速的移动环境下，一般限制在1 0 0 k m h ：移 动通信需要考虑高移动性要求相对速率甚至达到5 0 0k m h ，因而需要考虑更多 的多普勒效应，快衰落效应的影响。 ( 5 ) 采用的无线频段不同。无线局域刚采用2 4 g h z 或5 8 g h z 频段，较高 的频段更有利于多天线的使用；移动通信网采用9 0 0 m h z ，1 8 g h z ，和2 g h z 。 2 。2 无线局域网的信道环境 典型的无线局域网信道环境为r a y l e i g h 和r i c i a n 混合信道。传播环境如图2 1 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 无线局域网物理层关键技术研究 所不。 发射端和接收端可能存在相对移动，且从发射机发出的无线电波在传播路径 上受到周围环境中地形地物的作用，产生绕射、反射或透射。这样到达接收机 时将是从多条路径传来的多个信号的叠加。多径传播引起接收信号的幅度、相位 和到达时间的随机变化，同相叠加使信号增强，反相叠加使信号减弱。从而导致 接收信号幅度的剧烈变化以及接收信号在不同维的扩展( 时间、频率、空间) 产生所谓的多径衰落i 严重影响信号传输质量。 2 2 一幅度域的信道特性 图2 1 无线传播环境示意图 在不存在直射路径( l o s ) 的情况下，通过多径信道的信号幅度服从r a y l e i g h 分布，此时信道称为瑞利信道，其相应的概率密度函数为【3 3 】 附，：j 砉e 卅；， 舢 。：刊 10 ， ， 0 当存在有直射路径时，由于该路径信号的强度往往比其它路径大的多，这时 通过多径信道的信号幅度将不再是r a y l e i g h 分布，而变成r i c i a nr 莱斯) 分布，其 相应的概率密度函数为 r o ( 2 2 ) ， 0 上式中，参数a 为直射波的最高幅值，为修正的零阶第一类b e s s e l 函数，。 为各项同性的天线接收到的平均信号功率，此时信道称为莱斯信道。显然，若不 存在直射路径( 即4 = o ) ，则r i c i a n 概率密度函数式( 2 2 ) 退化为r a y l e i g h 概率 密度函数式( 2 1 ) 。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 刁彳一d 如 、“=_ ，广 包括 卜 ， 印 0 ， 、 上 = 一以 第二章无线局域网的信道特性 2 2 2 频率域的信道特性 1 频率选择性衰落 由于不同传输路径问相对时延的存在，导致了信道的频率选择性衰落【3 4 。 设多径传播的路径只有两条且到达接收端的两路信号具有相同的强度和一 个相对时延差f 。令发射信口j 为f ( t ) ，则到达接收端的信弓分别表示f ( t 一，0 ) 利 i ，0 厂( ，一0 一r ) 。这早，t o 为固定时延，f 为两路信号的相列时延差，为某一确 定值。 设，f ( t ) 的频率密度函数为f ( o j ) ，即有f ( t ) f ( c o ) ，则 v o f ( t t o ) v o f ( c o ) e - j a g o ：v o f ( t 一o f ) v o f ( c o ) e 一。呻。 故当两路转播时，系统的传输特性h ( c o ) 为 ( ) ：v o f ( c o ) e - j “7 0 _ ( 1 + e - j c ”t ) ：v o e - j a v 。( 1 + e 一m r ) ( 2 3 ) 、 f f 1 由此可见，所求的传输特性除了常数因子外，是由一个模值为1 ，固定时延为7 0 的网络与另一个特性为( 1 + e 一，“) 的网络级联组成。而后一个网络的幅频特性为： 1 + e - j c u r l = 1 + c o s c o t - 埘n 甜r i = 1 zc 。s 2 警一j zs i n 等c 。s 警卜z 卜等1 对于不同的频率，两径传播的结果将有不同的衰减。当= 2 z ft n 为整数) 时，出现传播极点：当= ( 2 n + 1 ) x r ( n 为整数) ，出现传输零点。 多径传播的相对时延差通常用最大多径差来衡量，并用它来估计传输零极t i 在频率轴上的位置。设最大多径时延差为t m ，则定义厂= l 即为相邻传输零点的 t m 频率间隔，这个频率间隔称为多径传播的相关带宽。 如果传输信号频谱宽于厂，则浚信号将产生明显的频率选择性衰落。由此可 见，为了不引起明显的频率选择性衰落，传输信号的频带必须小于多径传输媒质 的相关带宽厂。 2 时间选择性衰落 由于收发端相对移动产生的多普勒频移，导致信道的时间选择性衰落。 由于移动终端与无线接入点可能存在的相对运动，每个多径波都会有个明 显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移，用f d 表示， 它与移动用户的运动速度成正i l l 3 l 】 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 无线局域网物理层关键技术研究 如= v _ c o s 0 ( 2 4 ) 无 ，( 2 4 ) 中，v 为移动台的运动速度，入为无线电波的波长，0 为无线电波与移 z 力台运动方向之间的夹角，即到达角。 信号强度与多普勒频移之f 日j 的关系称为信道的多普勒功率谱。若假设散射体 在角度【o ，2 】内服从均匀分布，则多普勒功率谱可表示为： 乳肛蔫肝万 一l ( 2 5 ) 中f m 为最大多普勒频移，f c 为载频，o 为各项同性的天线接收到的平 均f 卉号功率。上式描述的多普勒谱常称为经典谱。多普勒功率谱具有如图2 2 所示 的u 型谱。 仿 母 功 箍 f m 多爵动颊移( h z ) f m 图2 2 多普勒功率谱 多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 是一种由多普勒频移现象引起的衰落过程的频 率扩散( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) ，又称时间选择性衰落( t i m es e l e c t i v e f a d i n g ) 。 多普勒扩展可以用信道的相干时阳j 表征。相干时l 日jt c 。h 就是两个瞬时时间的信道 7 【f i 出响应处于强相关情况下的最大时间间隔。 z c o h2 百c 2 去 可以看出相干时间与多普勒扩展成反比，它是信道随时问变化快慢的一个测 度斗| 1 干时f 日j 越大，信道变化越慢：反之，相干时| 白j 越小，信道变化越快。由 1 + 多普恸扩展与相于时间t ：t 自。关，所以从衰落的角度看问题，多普摹力扩展引起的衰 j 弃j l i 寸i ts j 有关，故称之为时问选择性衰落。既然足i 寸f n j 选择性衰落，根据时问变 化的快慢，有慢衰落和快衰落之分。若基带信号带宽比多普勒扩展大得多，则多 阵恸扩展的作用在接收端就可忽略不汁，这意味着无线信道是一种慢衰落信道， r r ! | j 就应该考虑多普勒扩展的作用，这就是快衰落信道的情况。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第三章现有无线局域网的调制与编码技术 第三章现有无线局域网的调制与编码技术 在无线局域网的应崩过程中，提高数据传输速率是非常迫切的要求。本节精 重介绍已被i e e e 8 0 2 1 l 标准委员会采用的应用j 二w l a nf 0 实川化高迷调制僻f j l j 拽 术c c k 、p b c c 以及0 ：d b a 。 3 1i e e e 8 0 2 1 1 系列标准简介 1 e e e 8 0 2 1 1 是ie e e 标准委员会最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解 决办公室局域网和校园网中用户终端的无线接入问题，业务t 要限于数掘存耳义= 速率最高只能达到2 m b p s 。由于8 0 2 11 在速率和传输距离上都不能满足人们的：焉 要，因此，i e e e 组织又相继推出了8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 二个新标准。i 者之问技术上的主要差别在于物理层，如图3 1 所示。 8 0 2 1 1 b 2 4g h z8 0 2 l g 2 4g h z8 0 2 1 1 a 52g h z r a t em b 日$ ：s i n g l e ；m u l t ic a r r i e rn d 甜o r yo p 【i o n 叫m a n d a l 什o g t i o n a l m a n d a t o r y0 越i o l l l 8 i b h阻l r k er 2src l b 爿“b y o 。 5 5s i c kc e kp b c cc c k p b o c 6 , il 1 1 ( 苹o 辩c c k - o ；：0 ”+ f 玳f 9m ub2 t ：删：c k - c f d m 【) i 【1 1 1 s m j c c k p 8 0 cc c kp g c c 12u o f d “c c m 4 3 f c m：f d l l j 8 w t薜c 2 c c f d t ：1 0 c ? 2 23r l ：，p 1 c c 2 4ml i m惜d mc c h ) f o m f ) m 3 3 s n c b糟c c 如 h f u b0 f d n c c k o f d k l 0 i ” 柏 ”l l “0 f d 划：c ( f o u = t t 5 4 m u b二年d ：c ，：f d 、1n ；c f + 图3 1 ie e e 8 0 21 1 a b g 标准的比较 i e e e 8 0 2 1 1 b 物理层采用一种新的扩频技术补码键控c c k ，支持5 5m b p s 和 1 1 m b p s 两个新速率，工作在2 4 g h z i s m 频带。8 0 2 1l b 使用动态速率漂移，可 因环境变化在1 1m b p s 、j 5m b p s 、2m b p s 、lm b p s 之间切换，且在2m b p s 、lm b p s 速率时与8 0 2 i l 兼容。 1 e e e 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z u n 儿频带，物理层速率可达5 4m b s ，传输层可达 2 5 m b p s 。采用正交频分复用( o f d ) 的独特扩频技术，可提供2 5 9 b p s 的无线a t m 接口和l o m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口：支持语音、 数据、图像业务：一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。物理 层传输输率可在6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 m b p s 之问动态切换。 i e e e 8 0 2 1 1 9 使用与 e e e 8 0 2 “b 相同的频带，调制方式可选择c c k 、o f d m 、 p b c c ，使用灵活，无线网络传输速率最高可达5 4 m b p s ，比现在通用的ie e e 8 0 2 1 1 b 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 无线局域网物理层关键技术研究 要快出5 倍，且完全兼容 e e e 8 0 2 儿b 。 同时在w l a n 规范中也存在其它标准，如b 1 u e t o o t h 、h o m er f 工作组、个人局 域吲( p a n ：p e r s o n a la r e an e t w o r k s ) 等，但仅有i e e e 8 0 2 11 系列标准面向数 据速率较高、区域较大的网络，且目前在世界上应用也最为广泛。 3 2 1 互补码介绍 3 2c o k 调制技术 c c k ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) 又称补码键控，是以互补码为基础的一 种直接序列扩频方式，i e e e 8 0 2 1 1 b 的高速率传输草案采用该调制技术可以在 2 4 g h z 的i s m 频段内达到5 5 m b p s 和1 1 m b p s 的数据传输速率u i 。1 9 9 8 年7 月， ln t e f s i l 公司提出c c k 方案并被i e e e 8 0 2 1 l 工作组接受。 所渭二进制互补码是一对有限长的序列：序列长度相同且在给定的时间间隔 l j 、j ，一序列中相同索对的数目与另一个序列中不相同元素埘的数目相同。如下 列就是两互补序列： f a l 序列：一1 ，一l ，- 1 ，l ，l ，1 ，- 1 ，l f b ) 宇列：一1 ，一1 ，一1 ，1 ，一1 ，1 ，1 ，一1 互补码序列的自相关向量可利用下列公式求得： c j = 羔鼠以州) n 1 0 蛳1 ：d j = 芝6 ，6 m o d i 。 i 2 lj 2 】 序列a序列b向 日 里 和 m i 11 li1i l q 偏1 1 1 11111 d jq + 侈1移d j o一111l11118o一11111一l1一l81 6 11111l111o1 1 1 1 1111loo 21 1 一l一1 一l 1 l 1 o 2 l11 1 1 1 1 1 0 o 3i1111 1 11 4 311一l 一1 1 1 11 40 4 l1一l11一11lo41。l111 1 1lo 0 ll11l一11145111 1 1 1 11 40 【6f 1 l1llli1o6一l1111111oo 71】111111o711l一11111oo 表1 互补序列自相关特性 衷l 可得出二进制互补码的相关性质： 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第三章现有无线局域网的调制与编码技术 u f 1 1 、 ( 是码字长度) ”“ 二进制互补码在零偏移时自柏火向量町以取得最大值8 ，其余偏穆时e | 4 | i 天 矗 的取值相对较小，且互补序列的周期性自相关向量总和( c j + d j ) 始终为零，这说明 # i 、 码具有良好的自相关特性。 多相位互补码则指具有互补特性的序列中的元素具有干月化参数，例如，一个多 相f 市码字中的元素u j 以有四个不i 司的相何。i e e e 8 0 21 1 b 中定义的互补码集为复数 2 卜 码集合，其元素为复数集 l ，一lj ，- j 中之一。码字的互补特征与_ 二进制码字的l l 扮 征类似。 在i e e e s 0 2 1 1 b 高速数据传输标准中，利用互补码良好f 勺自相关特性扩展信弓的 带宽可以获得扩频处理增益，其中扩展码字的长度为8 ，码片速率为1 1 m b p s ，8 个复 码片组成一个符弓，9 1 u 符号速率为1 3 7 5 m b p s 。码片速率和系统带宽与原婚 ，j 、准 lm b p s 2 m b p s 一致，但数据速率提高到11m b p s 8 一b i tc c k 码字可由下列公式获得： r1 i p l p 2 + 3 + p 4 )l ( p 1 + 口3 + p 4 )j ( o l + ( 0 2 + t o i )i ( p 1 + p 4 11 c 2 ee ，t * ；+ * z + ，- ，ee j o l - m 3 ) ! ，t m ，+ r z ，! 。巴， ( 3 - 2 ) e e 【e ， e ，。， 此公式可产生具有8 个复码片的码字。其中，妒l 用于码字中的所有码片，可以修 改序列所有码字的相位，并进行d q p s k 编码。它相对于前一符号的相位作桐应角 度的旋转。2 用于所有奇数码片，妒3 用于所有的奇码片对，妒4 用于所有奇数的 p q 码片组。符号的最后个码片表示了符号的相位。妒l 一妒4 用来确定复码组的十h 位值。 3 。2 。2c c k 调制技术 1 5 5 m b p s 模式的c c k 模块 要得到稳定的商数据速率，要对码字集合进行选择，使其向量的数目减少 向量间有较大间距，从而获得较好的抗干扰性能。在5 5 m b p s 模式中有两种选择： 一是选择8 相符号，然后对符号进行b p s k 调制。二是选择4 相符号，然后对符 号进行q p s k 调制，而后者的抗多径性能优于前者。 数据流的输入分成四比特组 d o ，d l , d ，d 3 。从左到右重要性依次升高，重要性 低的比特( d o ) 最先传送。d o 与d l 按照表2 进行d q p s k 调制组成( p l 。另外，全 部的奇数符号在d q p s k 调制的基础上旋转z 相位。为了确定奇偶性，数据单元的 符号从0 开始编号( 从偶数开始) 。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 = ，观 篇 c g 无线局域网物理层关键技术研究 偶符号相位变化奇符号相位变化 双比特形式( 成，d 。) ( + j w )( + j w ) o o o 7 0 1厅23 口2 ( 一r e 2 ) l i 石 0 l 。 3 x 2 ( 一万2 )石2 表2 i q p s k 调制编码表 d ! 与d 3 按照下列生成公式进行编码构成妒2 、妒3 、妒4 相位 妒2 = ( d 2 厅) + 石2 妒3 = 0 ； 妒4 = d 3 刀 、i 衰为不考虑口l 影响下5 5 m b p sc c k 编码表 d 二，屯 码字 0 0 j l j l j l 一j l 0 1 一j l 一j l j l j l 1 0 一j l 一j l 一j l j 1 1 1 j l j l 一j l j l 表35 5 m b p so o k 调制编码表 2 1 1 m b p s 模式的o o k 模块 在i e e e 8 0 2 1 i b 标准的1 1 m b p s 模式中，把从m a c 芯片送出的数据比特流组成 ：f | | f 字节形式： d o ，d l ，d 2 ，d 3 ，d 4 ，d 5 ，d 6 ，d 7 。dr ，最先传送，比特对( d * d 。) 按照表2 方 案进行d q p s k 编码构成相位( p l ( 妒1 相对于前面符号中的p 1 相应变化如果速率模 改变妒1 则相对y - 前面c c k 符号中的妒1 进行相位变化) 。比特对( d ! ，d ，) 、( d ，d 、) 和( d ，d 一) 进行q p s k 编码分别构成相位0 2 、p 3 和驴4 ( 按表4 ) 。 比特对( d i 。+ 1 ) , d 相位 0 0o 0 1丌2 1 1 丌 1 03 x 2 ( 一7 2 ) 表4o p s k 调制编码表 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第三章现有无线局域网的调制与编码技术 将所得叫、妒2 、p 3 和c p 4 据位参数带入码字生成公式可求得1 1 m b p s 模式下c c k 复码字编码波形串行送到q p s k 调制器进行调制。其基本原理框图如图3 3 。 数据输入 ( 1l m o p s ) 。1 13 7 5 m s p s 厂。厂一渊姚1 一q 。乏盎翳，l 二一靴5 器q p s k j ；j m - 嚣裳“1_137bmspsps) 3 7 b m s p s 厂_ - 一i 肝 ( 1 1 m b j 制圳i _ _ _ 1 ：8 3 i u x r 解 i q 器卜1 妒5 “解调勰r 一 。，+ _ 一l _ j l j 图331 1 m b p sc c k 调制解调原理框图 3 c c k 与ie e e 8 0 2 1 1 调制方式的比较 图3 4 对c c k 调制与i e e e 8 0 2 1 l 中1 m b p s 2 m b p s 调制模式进行了比较。在 1 m b p s 模式中，首先对信号进行b p s k 调制，然后再使用li m c p s 速率的码长为l l 的巴克码对其进行扩频调制。在2 m b p s 模式中，先对信号进行q p s k 调制，然后再 进行扩频调制。 对于5 5 m b p s 的c c k 模式，输入的数据流分成4 个比特一组，其中2 个用于 选择扩频码( 四中选一) ，另外2 个比特对扩频后的信号进行q p s k 调制。要实现 1 m b d s 的c c k 调制，将输入数据分成8 个比特一组，其中前6 个比特用于从码长 为8 的6 4 条扩频码中选出一个，其余2 比特对已扩信号进行d q p s k 调制。所有模 式中的码片速率均维持在1i m c p s 。 m0 d u l a t i o1 1 1 t e c h n i q u ea n dd a t ar a t e s c = f 一( 纠。钮+ 们+ 似) ，一( 纠+ 哟+ 蝴) ，一9 l + 妒2 4 9 驯 一纠+ 舛) ，一( 纠+ 蛇+ 鹕1 ，一( 州+ 蝴，一一竹+ 、，p 7 1 j c o d cs c t 图3 4 各种调制速率比较图 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 无线局域网物理层关键技术研究 3 2 3c c k 的性能 1 处理增益 f c c ( 美国联邦通信委员会) 要求用于2 4 g h zi s m 波段的调制技术的处理增 益最小为1 0 d b ，而使用c c k 的扩频解扩则提供了1l d b 的处理增益，符合f c c 标准。 2 + 信噪比特性 c c k 调制将几个比特看成一个整体接收机对接收的信号作出判决，得到一组 比特。如果一个传输符号出错，虽然这个接收符号中任一个比特都有出错的可能， 但并不表示全部的比特都发生错误。尽管正确判决一个符号所需的信噪比大于正 确判决一个比特所需的信噪比，但却小于全部比特都被正确判决所需的信噪比。 这是因为在基本的扩频处理中获得了编码增益。 按照香农定理，高速率的数据传输要求较高的信噪比，因此高速调制相对于 低速调制更容易受到多径干扰和滤波器失真的影响。大量仿真结果显示，c c k 调 制在室内环境中有比较好的特性，硬件测试也表明其性能优良。图3 5 显示了扩频 调制芯片h f a 3 8 6 l 中两种c c k 模式的实际性能与理论值的比较。 c c * p e r f o r m a n c ev i t h e o i e t | c a l 5 a7eq1 0”1 21 3 惑、 舔 瓣 鼙 受嚣 熏 ，i 蠢 i 藕 慕蔫 r 一： 鬟 0。 。_弋 ；x i k t s 第二章现有无线局域网的调制与编码技术 3 3p b c c 调制技术 p b c c ( p a c k e tb i n a r yc o n v o l u t i o n a lc o d i n g ) 是分组二进制卷积码的简称1 3 l 。f 1 为高速率数据传输的可选模式，卡要是对输入信息比特的进行：进制卷积编码j ： 在调制输出之前进行符号的扰码处理。其基本原i 里框图如图3 6 所示。 图3 6p b c c 调制框图 利用p b c c 凋制技术可以达到5 5 m b s 和1 1 m b s 的数据速率。在这两种模式卜使 用一个如图3 7 所示的1 2 的生成多项式矩阵g ( d ) ，码率为i 2 。八进制时此，j i 成 矩阵为：g = 4 6 ，1 7 5 】 m m m 5 5 m b 8 ，1i i b s 模式p b c c 卷积秘编码器 2 2 m b s 模式p b c c 卷积码编码器 c0 c l c2 c 图37p b c c 卷积码编码器结构图 在j 5 m b s 模式时，二进制卷积编码( 6 4 状态) 的两个输出比特( c ，c 。) 进行并 串转换后进行b p s k 调制：1l m b s 模式时，二进制卷积编码的输出比特对( c ，c 。，) 直接进行q p s k 调制。 利用p b c c 调制技术还可以达到2 2 m b s 和3 3 m b s 的数据速率。参见图3 7 。在 2 2 m b s 模式时，输入数据首先经过二进制卷积编码，使用2 x 3 的生成多项式矩阵 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 无线局域网物理层关键技术研究 ( 2 5 6 状态) ，码率为2 3 。 g ：1 1 + d 4 ， d ， d + d 3 d 1 ，1 + d 2 + d 4 ，d 3 + di 八进制时生成矩阵为： r 2 1 ，2 ， 1 2 1 0 ，2 5 ， 1 2 2 2 m b s 模式时，经过二进制卷积编码，每两个输入的数据比特将产生三个比 特的输出，对输出的三个比特进行8 一p s k 调制，则在星座图中每一个符号代表二进 制卷积编码产生的三比特输出，即编码率为2 比特符号。在p b c c 一2 2 和p b c c 一3 3 中， 将输入数据流的每相邻两比特分成一组，组成一个比特对。每个比特对的第个 比特送到卷积编码器的高端，而第二个比特则被送到卷积编码器的低端。输入比 特对为( m l ，m o ) 的卷积编码框图如图3 7 所示。 值得注意得是，存所有模式下移位寄存器的仞始状态都应为零。 在调制信号进入信道传输f j 要加入扰码s 。此扰码为一个特殊的2 5 6 b i t 周期性 二进制序列( 一般为伪随机序列) 。当s = 0 时，b p s k q p s k 8 p s k 调制输出符号直 接被输出到信道：而s = i 时，调制输出符号将逆时针旋转9 0 。后再输出。各调制模 式下星座图如图3 8 所示。 s = 0 s = i s = 0s = 1 。西 a ) 55m b p s ，b p s k 模式，p b c c i 决射图 ( b ) 1 1 m b p s - q p s k 模式，p b c c i 欢射图 s = 0 1 0 0 s = 1 1 ll - 豫i l l l o i 鳓i 1 0 ( c ) 2 2 m b p s ，8p s k 模式p b c c i 映射翻 图38p b c c 映射图 p b c c 调制技术向后兼容i e e e8 0 211 b 标准。利用现代数字通信技术( 如： 慨冲整形和自适应均衡技术) ，可以在相同带宽内获得更高的符号传输速率。现 血的i e e e8 0 211 b 标准和p b c c 2 2 都是基于l1m s p s 的符号速率和2 0m h z 带宽 的。t i 还提出p b c c 一3 3 调制技术使数据传输速率达到3 3m b p s ，为了解决与已存网 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第二章现有无线局域网的调制与编码技术 络的互操作性和兼容性，采取不改变报头的结构( 包括报头的符号速率) 的方法、 在11 m s p s 的报头后面传输更高符号编码速率( 1 6 5m s p s ) 的数据来产生3 3m b p s 的数据速率。这里不再详述，清查阅相关资料。 3 4o f d m 调制技术 o f d m 是一种多载波技术。多载波的主要思想是在频域内将信道分成多个子 信道，在每个予信道上使用独立的子载波分别调制，并且进行并行传输。这样， 尽管总的信道是非平坦的频率选择性信道，但每个子信道是相对平坦的，并且每 个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽，可以大大消除山 于多径时延造成的码问干扰的影响。 1 9 9 9 年i e e e 将o f d m 作为其无线局域网标准i e e e s 0 2 1 l a 的物理层的调 制标准2 l 。 3 4 1o f d m 调制在w l a n 中的应用 0 f d m 凋制和解调的常用的实现方式为i f f t ( 逆快速傅立叫变换) 和f f t ( 陕 速傅立叶变换) ，这里不再详述。阻3 9 描述了0 f d n 在无线局域网中典型收发信 机结构图。 图3 90 f d m 调制发射机和接收机功能框图 输入数据序列首先进行f e c 编码，纠错码采用k = 7 ，状态数为6 4 ，编码速率 可变的卷积码；编码后的信号进行交织映射，用来消除码字间的相关特性：其后 为6 4 点i f f t 变换整形，加载波，实现o f d m 调制。解调过程是其逆过程。 在实际的0 f d t 调制过程中，6 4 点的i f f t 变换只用了其中的5 2 个点，其中 4 8 点传输有用的数据信息。另外4 点传p o l i t 信息，对应序列号一2 l ，一7 ，7 ，2 1 ，采 用8 p s k 调制传送随机二进制序列，起到抗频率偏移和相位噪声的作用。 映射方式见图3 1 0 ，序列号1 至2 6 对应i f f t 的输入系数，一2 6 至一1 对应t f f t 综台业务网理论及关键技术国家重点实验室 无线局域网物理层关键技术研究 的3 8 至6 3 ，其余的标志为n u l l ( o ：2 7 至3 7 ) 的输入自动置为o 值。可以看到， 这样映射形成连续的5 2 个子载波。 0o 1 l 22 2 6 2 8 2 7 i f f t 2 7 3 7 3 7 3 83 8 6 2 6 2 b 36 3 时 域 输 出 图31 0o f d m 映射规则及其频谱 3 4 2o f d m 各种速率的实现 o f d g 蛹制通过6 4 点【f f t 变换，采用的子载波数为j 2 个，其中4 8 个载波传 数据信息，4 个传p o l i t 信息。