（微电子学与固体电子学专业论文）wimax物理层的关键技术研究与fpga设计.pdf

摘要 摘要 w i m a x ( w 训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 ，微波存取全球互通) 是基于无线城域网l e e e 8 0 2 1 6 e 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，兼具了移动、宽带和i p 化的特点，具有广阔 的应用前景，是一种很有发展潜力的无线接入技术。 本文对w i m a x 物理层的关键技术0 f d m a ( o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c e s s ，正交频分复用多址) 进行了讨论和研究。首先，对0 f d m a 物理层涉及的各种重要过程和原理进行了阐述，形成了相对完整的o f d m a 物理 层理论体系。然后，重点对其中的关键模块信道估计与均衡和调制与解调进行了 研究，提出了性能优良、结构合理的电路结构。最后，给出了这些模块详细的 f p g a ( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程逻辑阵列) 设计及实现过程。 f p g a 采用的是a l t e r a 公司的9 0 n m 超大规模集成电路芯片s t r a t i x i i 系列的 e p 2 s 9 0 f 1 0 2 0 c 3 。文中详细介绍了星座映射、解星座映射、信道估计与信道均衡 的基本原理及其设计方法。首先用m a t l a b 7 1 对部分模块进行了软件仿真；然后用 硬件描述语言v e r i l o gh d l 在q u a n u s i l 8 o 环境下完成了关键模块的编写、仿真和 综合。最后详细阐述了o f d m a 上行链路信道估计与均衡的f p g a 设计及实现。在 f p g a 设计中采用了流水线、乒乓切换、串并结合和单元复用等技术，简化了设计 结构的同时减少了硬件资源的占用，达到了系统的要求。 关键词：w i m a xi e e e 8 0 2 1 6 e 正交频分复用多址f p g a 信道估计与均衡 a b s t r a c t a b s t r a c t ab r o a d b a n dw i r e l e s st e c h n o l o g yb a s e do ni e e e 8 0 2 16 e ，w i m a x ( w o r l d w i d e i 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 ) c a np r o v i d eh 追hr a t ed a t a ，a u d i oa n dv i d e o s e r v i c e si nb o t hf i x e da j l dm o b i l ee n v i r o n m e n ta n dm e e ta l lt h er e q u i r e m e n t so f m o b i l i t y ，b r o a d b a n da n di p - b a s e da r c h i t e c t u r e i ti sav e 巧p r o m i s i n gw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g y a m o n gav a r i e t y o f k e yt e c l l l l o l o g i e s i nw i m a xs y s t e m ，t h eo f d m a ( o i 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 ga c c e s s ) t e c h n o l o g yi s s t u d i e di n t h i s t h e s i s f i r s t l y ；t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ep r i n c i p l ea n dp r o c e s s e so fo f d m a p h y s i c a ll a y e ra 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 e l yi n t e g r a t e da i l d f e a s i b l e s c h e m ei sp r o p o s e di nt h i sd i s s e n a t i o n t h e n ，t h ea l g o r i t h m so fk e ym o d u l ea r e r e s e a r c h e d ， i n c l u d i n g c h a r m e le s t i m a t i o n ，c h a n n e i e q u a l i z a t i o n ， m o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n a n ds u i t a b l ea l g o r i t a 1 1 dc i r c u i ts t r u c t u r ea r ep r o p o s e di nt h i ss y s t e m f i n a l l y ；t h e s em o d u l e sa r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nd e t a i lb a s e do nf p g a ( f i e l d p r o g r 锄m a b l eg a t ea r r a y ) t h ef p g au s e di n t h i st h e s i si se p 2 s 9 0 f10 2 0 c 3w h i c hi sa9 0 n mu l t r al a 唱e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tc h i p t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do fc o n s t e l l a t i o nm a p p i n g ， d e c o n s t e l l a t i o nm a p p i n g ，c h 籼e le s t i m a t i o na i l dc h a n n e le q u a l i z a t i o na r ed e t a i l e d l y i n t r o d u c e d s o m em o d u l e sa r es i m u l a t e dw i t hm a t l a b 7 1 t h e n ，e a c h 如n c t i o n a l m o d u l ei si m p l e m e n t e dw i t hv 宅r i l o gh d lo nt h eq u a r t u s i l 8 0s o f t w a r e ，a n dt h e b e h a v i o rs i m u l a t i o na n dt h es y n t h e s i s a r ef i n i s h e d f i n a l l y ， t h ec h a n n e l e s t i m a t i o n & e q u a l i z a t i o no nf p g a i sd e t a i l e d l yd e s i g n e da 1 1 di m p l e m e n t e d t h eu s a g e o fp i p e l i n e ，u n i tr e u s e ，p i n gp a n gs w i t c ht e c h n o l o g yi nt h ef p g ad e s i g ns i m p l 讯e st h e d e s i g n s t l l l c t u r ea n dr e d u c eh a r d w a r es o u r c e o c c u p a n c y ， w h i c hi sa c h i e v et h e r e q u i r e m e n to ft h es y s t e m k e y w o r d ： w i m a xi e e e 8 0 2 16 eo f d m af p g ac h a n n e le s t i m a t i o n & e q u a l i z a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学j x l 和优良的科学道德，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己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，本人承担一切法律责任。 本人签名： 栖筮 日期金塑9 【：3 = s 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。本人保证毕 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 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：拯斌日期3 竺3 ：31 笠 导师签名：煮蒸迢趔日期盈颦= 墨= 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1w i m a x 技术特点及国内外研究现状 w i m a x ( w b 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 ，微波存取全球互 通) 是一项基于i e e e 8 0 2 1 6 的宽带无线接入城域网( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，b w r a m a n ) 技术。w i m a x 一般是指无线城域网 ( w m a n ) 技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准【。 1 w i m a x 技术特点 ( 1 ) 传输距离远、接入速度高。w i m a x 采用o f d m a 传输技术，能有效对 抗多径干扰；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。因而 w i m a x 具有更大的覆盖范围和更高的接入速率。当信道条件较好时，可以将调 制方式调整为6 4 q a m ，同时采用编码效率较高的信道编码，提高传输速率， w i m a x 最高传输速率可以达到7 5 m b i t s ；反之，当信道传输条件恶劣，基站无 法基于6 4 q a m 建立连接时，可以切换为1 6 q a m 或q p s k 调制，同时采用编码 效率更低的信道编码，这样可以提高传输的可靠性、增大覆盖范围。 ( 2 ) 无“最后一公里”瓶颈限制、系统容量大。作为一种宽带无线接入技术， w i m a x 接入灵活、系统容量大。服务提供商无需考虑命线、传输等问题，只需 要在相应的场所架设w i m a x 基站。w i m a x 不仅支持固定无线终端也支持便携 式和移动终端，能适应城区、郊区以及农村等各种地形环境。一个w i m a x 基站 可以同时为众多客户提供服务，为每个客户提供独立带宽请求支持。 ( 3 ) 提供广泛的多媒体通信服务。w i m a x 可以提供面向连接、具有完善 q o s 保障的电信级服务，满足用户的各种应用需要。 ( 4 ) 提供安全保证。w i m a x 系统安全性较好，w i m a x 空中接口专门在 m a c 层上增加了私密子层，不仅可以避免非法用户接入，保证合法用户顺利接 入，而且提供加密功能，充分保护用户隐私。 ( 5 ) 互操作性好。运营商在网络建设时能够从多个设备制造商处购买 w i m a xc e n i f i e d 设备，而不必担心兼容性的问题。 ( 6 ) 应用范围广。w i m a x 可以应用于广域接入、企业宽带接入、家庭“最 后一公里”接入、热点覆盖、移动宽带接入以及数据回路等所有宽带接入市场。值 得提出的是，在有线基础设施薄弱的地区，尤其是广大农村和山区，w i m a x 更 加灵活、成本低，是首选的宽带接入技术i k 2 1 。 口w i m a x 物理层的关键技术研究与f p g a 设计 2 w i m a x 的国内外研究现状 2 0 0 7 年1 0 月1 9 同，国际电信联盟在同内瓦举行的无线通信全体会议上，经 过多数国家投票通过，w i m a x f 式被批准成为继欧洲w c d m a 、美国c d m a 2 0 0 0 和中国t d s c d m a 之后的第四个全球3 g 标准。 目前，w i m a x 在欧洲、拉美、亚太和非洲已有非常多的试验项目，在西班 牙、法国、新西兰、阿根廷、瑞典已进入商用阶段。有关咨洵机构的研究报告显 示，到2 0 0 9 年全球将有8 5 0 万用户采用基于w i m a x 技术的宽带无线接入服务。 研究报告还预测，作为一种低成本的宽带无线接入技术，w i m a x 非常适合于宽 带基础设施还不够完善的发展中国家。在东欧、中东、部分亚太地区和拉美这样 的发展中市场，对w i m a x 的需要是确定无疑的。至2 0 0 9 年，亚太地区的w i m a x 用户数量将占到全球w i m a x 用户总数的4 5 。该地区用于w i m a x 设备上的全 部开支中，4 0 将来自韩国的运营商。除韩国之外，中国运营商将占3 4 的市场 份额、日本将占1 7 。由于韩国宽带产业发展迅速，有可能占居w i m a x 市场的 主导地位。目前，奥维通有限公司( a l v a “o nl t d ) 的b r e e z e m a x 网络和其它 w i m a x 产品已经被世界1 3 0 多个国家采用，在全球范围内对w i m a x 技术实现 商用起着积极的推动作用。 在中国，上海贝尔阿尔卡特凭借全球化的资源优势和强大的本地化实力，已 为国内多家运营商部署了端到端的w i m a x 系统方案。该方案既可以适用于个人 用户，又可以满足银行、铁道、水利、石油、电力等各种专用网的特殊要求，还 可以应用在商务楼宇及中小企业方面。不论是在公网还是在专网上，该方案都有 很大的发展前景。 在w i m a x 技术方面，中兴和华为并肩作战，共同推动该项技术，同时也向 业界宣布，中兴和华为是绝对的领导者，两家企业的合作不但可以推动该项技术 的发展，也可以使得w i m a x 产品的价格迅速降低。中兴通讯在巴基斯坦首都伊 斯兰堡为t e l e c 莉建设一个由1 个6 扇区基站和1 7 个用户终端组成的p r e w i m a x 实验局。该实验局在为居民提供电话服务的同时，还可以为企业提供专线上网服 务，为宾馆提供宽带上网服务等。中兴2 0 0 2 年底已启动w i m a x 项目，是全球 最早开始w i m a x 技术研究的通信厂商之一。中兴通讯已经有多项专利被纳入 w i m a x 标准领域，广泛分布在w i m a x 的物理层、应用层以及m a c 层1 1 3 1 。 因此，为了能够在w i m a x 大量推广的时候掌握知识产权，独立开发符合 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的o f d m a 物理层芯片具有非常重要的现实意义。 1 2w i m a x 物理层的关键技术 w i m a x 采用了o f d m o f d m a 、收发分集、自适应调制等多种先进技术实 现非视距和阻挡视距传输，有效提高了城市内无线传输的效能。物理层支持 t d d t d m a 和f d d t d m a 两种无线双工多址方式，以适应不同国家或地区电信 体制要求，支持单载波( s c ) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、o f d m a ( 2 0 4 8 点) 、h u m a n 四种 模式，可根据需要灵活选择。物理层可以根据传输信道性能变化，动态调整调制 方式和物理层参数，以保证较好的传输质量。 1 正交频分复用( o f d m ) 正交频分复用多址( 0 f d m a ) 正交频分复用( o f d m ) 是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统或下 一代蜂窝移动系统的关键技术之一，3 g p p 已将0 f d m 技术作为其l t e 研究的主 要候选技术。在w i m a x 系统中，o f d m 技术属于物理层范畴，主要应用的方式 有两种：o f d m 物理层和o f d m a 物理层。无线城域网o f d m 物理层采用o f d m 调制方式，o f d m 正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流。支 持t d d 和f d d 双工方式，可以采用发射分集以及自适应天线系统。无线城域网 o f d m a 物理层采用0 f d m a 多址接入方式，也支持t d d 和f d d 双工方式，可 以采用发射分集以及自适应天线系统。o f d m a 系统可以支持长度为2 0 4 8 、1 0 2 4 、 5 1 2 和1 2 8 点数的f f t ，通常向下数掘流被分为逻辑数据流。这些数据流可以采 用不同的调制及编码方式，并以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上 数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议分配子信道传输 上行数据流。 正交频分多址( o f d m a ) 技术是一种基于o f d m 的多用户复用和接入技术。 对于o f d m 系统，常用的复用方式为o f d m t d m a ，即对于每个时隙，o f d m 系统将所有的子载波都分配给一个用户使用，而各用户通过时隙分配来实现数据 传输。而对于o f d m a 系统，所有的子载波被事先划分为多个子信道，每个子信 道由若干个子载波组成，系统可以从子信道和时隙两个维度来分配资源，因此资 源分配的粒度较o f d m t d m a 小很多，且灵活性有了很大的提高。由于o f d m a 可以向多个用户灵活分配子载波，并能根据信道状况调整系统资源的分配，因此 它更适合于具有频率选择性的移动衰落信道使用。与传统的o f d m - t d m a 方式 比较，o f d m a 有如下优点：通过可变f f t 点数的o f d m a ，可以支持多种信道 带宽；当采用o f d m a 时，有可能实现频率复用系数为l ；较高的频谱效率，可 在子载波级进行分配，具有最大灵活性；o f d m a 中子载波在子信道中的分配无 需邻接，有利于实现频率分集；支持对每帧子载波级传输进行优化的功率控制。 由于子载波具有正交性，无需严格控制功率【2 引。所以正交频分复用多址( o f d m a ) 是w i m a x 系统中最为关键的技术之一，也是本文的主要研究内容。 2 自适应调制编码( a m c ) a m c 在w i m a x 的应用中有其特有的技术要求，由于a m c 技术需要根据信 道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以a m c 技术必须根据w i m a x 的技术特征来实现。由于w i m a x 物理层采用的是0 f d m 技术，所以时延扩展、 多普勒频移、小区干扰等，对于0 f d m 解调性能有重要影响的信道因素必须被考 虑到。8 0 2 1 6 标准定义了多种编码和调制模式。编码方式包括卷积编码、分组t u r b o 码、卷积t u r b o 码、零咬尾卷积码( z e r ot a i l b a i t i n gc c ) 和低密度奇偶校验码，并 对应不同的码率，主要有1 2 、3 5 、5 8 、2 3 、3 4 、4 5 、5 6 等码率。调制方式包 括b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等多种调制方式。8 0 2 1 6 规定可以选择不同 的调制和信道编码方式组成多种传输方案，根据信道状况以及传输需求，灵活选 择传输方案。例如在无线信道衰落严重的时候可以选择b p s k 调制配合高效的信 道编码方式，减小系统误码率；相反，在无线信道轻微衰落的时候，可以选择更 多电平的6 4 q a m 调制方式配合高效的信道编码方式，有效的提高系统的传输效 率。总之，自适应编码调制可以有效提高w i m a x 系统的抗无线信道的多径衰落 性能【2 ，4 1 。 3 多输入多输出( m i m o ) 对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高的q o s 是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于单输入单输出系统，如果 要满足上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有 限和移动终端的特性都制约着单输入单输出系统的发展，所以m i m o 是未来移动 通信的关键技术。m i m o 技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这 两种形式在w i m a x 协议中都得到了应用。协议还给出了同时使用空问复用和空 时编码的形式。目前m l m o 技术币在被开发应用到各种高速无线通信系统中，但 是目前很少有成熟的产品出现，估计在m i m o 技术的研发和实现上，还需要一段 时间彳能够取得突破。支持m i m o 是协议中的一种可选方案，协议对m i m o 的 定义已经比较完备了，m i m o 技术能显著地提高系统的容量和频谱利用率，可以 大大提高系统的性能，未来将被多数设备制造商所支持1 2 ，4 j 。 1 3f p g a 简介 随着现代微电子技术和工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小 规模集成电路逐步发展到今天的超大规模集成电路( v l s i ) 、专用集成电路 ( a s i c ) 。集成电路的一个重要特点是产品更新换代的周期很短。所以a s i c 虽 然具有成本、可靠性和芯片尺寸上的优势，但由于灵活性差、投入大和设计时间 长等缺陷的制约，就难以适应快变的市场需求。因此，可编程逻辑器件 ( p r o g r 锄m a b l el o 西cd e v i c e ，p l d ) 应运而生，它提供了灵活的设计方法，系统 硬件工程师可以根据需要自行设计并更改大规模的数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入市场。 可编程逻辑器件是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型逻辑器件，随着微电 子制造工艺的发展，它也取得了长足的进步，是目前数字系统设计的主要硬件基 础。f p g a 是在可编程阵列逻辑( p r o 伊a m m a b l ea r r a yl o 西c ，p a l ) 、通用阵列逻 辑( g e n e r i c a r r a yl o g i c ，g a l ) 、可擦除的可编程逻辑阵列( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l e l o g i ca r r a y ，e p l a ) 、复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r 咖m a b l el o g i cd e v i c e ， c p l d ) 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为a s i c 领域中的一种 半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电 路有限的缺点。f p g a 一般采用s r a m 工艺，也有一些军品和宇航级f p g a 采用 f l a s h 或熔丝与反熔丝工艺。f p g a 的集成度很高，其器件密度从数万门到数千万 门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的 高端数字逻辑电路设计。它的主要设计和生产厂家有x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 、a c t e l 、 a t m e l 和q u i c k l o 西c 等公司，其中最大的是x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 三家1 5 6 ，7 1 。 f p g a 的出现是超大规模集成电路( v l s i ) 技术和计算机辅助设计( c a d ) 技术 发展的结果。f p g a 器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的 功能。它允许电路设计者用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试 和校验，直至达到预期的结果。使用f p g a 器件可以大大缩短系统的研制周期， 减少资金投入。更吸引人的是，采用f p g a 器件可以将原来的电路板级产品集成 为芯片级产品从而降低了功耗，提高可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在 线修改。f p g a 器件成为研制开发的理想器件，特别适合于产品的样机开发和小 批量的生产。如今，f p g a 器件广泛应用于通信、自动控制、信息处理等诸多领 域，越来越多的电子设计人员在使用f p g a ，熟练掌握f p g a 设计技术己经是对 电子设计工程师的基本要求。 1 4 本文研究的主要内容及章节安排 i e e e 8 0 2 1 6 e 是全球第4 个3 g 标准的宽带无线接入技术，其核心技术o f d m a 更 是下一代移动通信的关键技术之一，如何结合标准实现o f d m a 的信道估计与均 衡，就是本文研究的主题。 尽管w i m a x 技术在这几年得到了飞速发展，并且也有了一定的商用场合，但 实际上大部分研究都是针对i e e e 8 0 2 1 6 a 和i e e e 8 0 2 1 6 d 标准的，这两个标准仅仅支 持固定接入。而移动接入比固定接入要复杂的多，因为信道中不仅会产生多径衰 落，而且还会产生多普勒频移。真正支持移动接入的i e e e 8 0 2 1 6 e 标准在2 0 0 5 年年 底才真正推出，其物理层包含o f d m 和o f d m a 两种接口，目前对o f d m 的信道估 计与均衡的研究己经非常充分，技术相对成熟，o f d m a 下行链路类似o f d m 的广 播方案，到目前为止也己经有了相对成熟的解决方案，而o f d m a 的上行链路比起 r w i m a x 物理层的关键技术研究与f p g a 设计 o f d m 以及o f d m a 的下行链路要复杂的多，因为它包含多个用户的同时接入，目 前为止真正针对i e e e 8 0 2 1 6 e 标准o f d m a 上行链路的信道估计与均衡方案并不 多，本文将重点讨论o f d m a 上行链路的信道估计与均衡问题。 本文主要研究的内容包括： ( 1 ) w i m a x ( i e e e 8 0 2 1 6 e ) 协议的物理层部分，对0 f d m a 涉及的各种重要 过程和原理进行阐述，形成相对完整的o f d m a 物理层理论体系。 ( 2 ) 对w i m a x 系统的o f d m a 信道估计与均衡的算法进行深入研究，从f p g a 设计的角度结合实现复杂度和占用的资源情况提出性能优良、结构合理且适用于 本系统的电路结构。 ( 3 ) 基于q u a n u s l l8 o 丌发平台和v e r i l o gh d l 硬件描述语言，对调制与解调 中的q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 的星座映射与解星座映射、信道估计和信道均衡 进行f p g a 设计及实现。 本文的章节安排如下： 第一章介绍了w i m a x 技术特点、以及当前国内外的研究现状。列举阐述 w i m a x 物理层关键技术，并指出了本文的研究重点是o f d m a 上行链路的信道 估计与均衡问题。 第二章结合i e e e 8 0 2 1 6 e 标准详细阐述了w i m a x 物理层的0 f d m a 技术。 第三章介绍了f p g a 设计的相关知识。 第四章介绍了数字调制和解调技术，完成了q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 的 星座映射与解星座映射的f p g a 设计及实现。 第五章研究了w i m a x 物理层的关键技术o f d m a 的信道估计与信道均衡。 选取了基于导频的信道估计方法，分别对导频估计的算法和数据估计的算法进行 了研究。最后，详细说明了信道估计与均衡的f p g a 设计与实现过程。 第六章对本文进行了简单的回顾，总结了本文的主要工作，并确定下一步研 究方向。 1 5 本章小结 本章主要介绍了w i m a x 的特点与物理层的关键技术，然后对f p g a 进行了 简单介绍，最后给出了本文研究的主要内容及章节安排。 第二章w i m a x 物理层的o f d m a 技术 i e e e 8 0 2 1 6 协议支持多种物理层实现，对于移动w i m a x 规范而言，系统支 持s c ( 单载波) 物理层，s c a ( 单载波多址接入) 物理层，o f d m ( 正交频分复用) 物理 层以及o f d m a ( 正交频分复用多址接入) 物理层。其中典型的物理层技术是o f d m 和o f d m a ，o f d m 和o f d m a 物理层都工作在2 1 1 g h z 频段，为非视距传播， o f d m 系统支持2 5 6 点的调制方式，而o f d m a 可支持1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 及2 0 4 8 点四种的调制方式。伴随大容量、高速率的宽带无线城域网技术的不断发展， o f d m a 技术正以其高传输效率、强抗干扰性、易于实现的优势而成为 l e e e 8 0 2 1 6 e 的主流物理层技术，备受关注。本章主要介绍w i m a x 物理层的关 键技术o f d m a 。 2 1o f d m a 基本概念 首先介绍o f d m a 符号描述。o f d m a 符号的时域描述与0 f d m 一样，在时 域上由有效符号长度n 和循环前缀( c p ) t g 组成2 1 ，如图2 1 所示。循环前缀用 于抵抗由于多经产生的时延扩展，以及帮助进行符号时间同步。 t 图2 1o f d m a 符号的时域结构 但是它的频域描述则与o f d m 有所不同，能够很好地体现出o f d m a 符号的 结构。在o f d m a 物理层中，两个基本概念非常重要：子载波和子信道。 1 子载波的概念 o f d m a 符号由子载波组成的，它的数目决定了f f t 运算的大小，与o f d m 一样，这些子载波分成三种类型： ( 1 ) 数据子载波：用于传输数据； ( 2 ) 导频子载波：用于各种估计； ( 3 ) 空载波：不发送任何信息，用于保护频带和d c 载波。 2 子信道的概念1 2 9 1 0 】 在o f d m a 模式中，有效的子载波被分成子集，每个子集被称为一个子信道。 qw i m a x 物理层的芙键技术研究与f p g a 设计 在下行链路中，子信道可以被用于不同的接收者；在上行链路中，发送者可以被 分配一个或多个子信道，并且几个发送者可以同时进行发送。构成一个子信道的 子载波可以是相邻的，也可以是不相邻的。o f d m a 的p h y 中有两种子信道的分 配方式，总体来说有部分利用子信道( p a n i a lu s e ds u b c h a n n e l i z a t i o n ，p u s c ) 和 全部利用子信道( f u l lu s e ds u b c h a n n e l i z a t i o n ，f u s c ) 两种，后面将详细介绍。 图2 2 清楚地显示了子信道与子载波的概念。 1 _ 呈u a r db a n d c h a n n e l g u a r db a 巴璺， 图2 2o f d m a 符号的频域结构 3 o f d m a 符号的基本参数f 2 ，8 l o f d m a 符号的参数与在w i r e l e s sm a n o f d m 中基本一致，只有采样因子n 的取值有所变化。在i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中，如果可用带宽是1 2 5 m h z 、1 5 m h z 、 2 m h z 或2 7 5 m h z 中某个值的整数倍，则取2 8 2 5 ，如果带宽是1 7 5 m h z 的整数 倍或者其它任何情况，采样因子都取8 7 。 l 蒯：使用的子载波数； f f r ：1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 、2 0 4 8 点为2 的幂； b w ：f 常信道带宽，可以在1 2 5 m h z 2 8 m h z 带宽内按规律变化，但乘以2 的幂次必须等于所能分配给该系统的总带宽，且必须为2 5 0 k h z 的整数倍； n ：采样因子； g ：循环前缀时间和有用符号时间比值，1 4 ，1 8 ，1 1 6 ，1 3 2 ； 酵：采样阃隔，弩= f ；曙1 ； 瓦：有用符号时间，五= 1 鲈； 疋：c p 时间，疋= g 瓦； c：o f d m a 符号时间，z = t + 7 ：，。 2 2o f d m a 帧的结构 1 点对多点帧结构【8 9 1 0 1 在授权频段里，o f d m a 物理层的复用方式可以是f d d 或t d d 。使用f d d 的用户可以采用半双工f d d ( h f d d ) 。在非授权频段罩，复用方式必须是t d d 。 在两种不同的复用方式下，帧的结构会有很大的区别。在这旱我们以t d d 复用方式为例，分析一下在点对多点通信方式中0 f d m a 帧的结构。o f d m a 帧 的分布是一个频域和时域的二维结构，图2 3 是一个t d d 时隙的帧结构。 o f d m as y m b o in u m b d 甏涅 瞄“。目_ 兰 l 重 受 二 o 卜面r h f 丽+ 飞：r g 图2 3t d d 模式下o f d m al 帧结构 t d d 方式的o f d m a 帧由基站( b s ) 的下行链路( d l ) 子帧和用户站( s s ) 的上行链路( u l ) 子帧构成，中间插入t t g ( t r a n s m i t r e c e i v et r a n s i t i o ng a p ) i 日j 隔； 在帧的未尾插入i 汀g ( r e c e i v e t r a n s m i tt r a n s i t i o ng a p ) 间隔与下一帧隔开，以保证b s 正常的收发切换。每个d l 子帧依次由前导，帧控制头( f c h ) ，d l m a p ，u l - m a p 和突发数据构成。从图2 3 中可以看到，前导主要占用了一个o f d m a 符号的所 有子信道，f c h 占用了4 个子信道。 2 帧控制头( f c h ) f c h 包含了d l f r a m e p r e f i x ，d l m a p 消息的长度信息和d l m a p 消息的 重复编码，占用4 个子信道。将f c h 中的d l f r a m e p r e f i x 解码后，s s 就知道哪 些子信道分配给了p u s c 域。为了使下行子信道的分配是连续的子信道块，子信 道应被重新编号，重新编号从f c h 子信道丌始，然后继续以循环方式编号，直到 分配的最后一个子信道。 3 消息映射和信息单元 消息映射域和信息单元包括d lm a pp h y 同步域、d lm a pi e 和u lm a p i e 。上行子帧包括测距子信道和突发子信道，测距子信道的组成由u lm a p 消息 指定，用于s s 进行初始周期测距和带宽请求。o f d m a 的u l m a p 在下行子帧 的第一个b u r s t 中发送，同样的一个u l m a pm e s s a g e 中包含多个u l m a pi e 。 1 2 30 f d m a 子载波分配 在o f d m a 中，所有的子载波被划分成一些子信道，一个用户占用一个或几 个子信道。实际过程中，子信道划分和子载波分配是同时进行的，i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 i皇_=，受苦一置兰皇名景 规定o f d m a 使用2 0 4 8 个子载波。载波可以被分成可用子载波、d c 子载波和保 护频带。可用子载波可被划分成固定位置导频、可变位置导频和数据子信道。上 行链路和下行链路的子载波分配方式是不同的。 2 3 1 下行链路的子载波分配 1 前导子载波分配h 1 0 川 从图2 3 中我们得知下行链路的帧结构由三段组成：日矿导、控制信息和突发数 据。前导首先被发送，可以被用作0 f d m a 的帧同步。它有三种类型的前导子载 波集，通过分配不同的子载波定义的，用一个特定的伪随机码，采用功率增强的 b p s k 方式来调制这些子载波。 一个帧中的第一个符号为前导，一次传输可以分为3 个s e g m e n t 。每个s e g m e n t 传输前导序列的子载波编号不同，具体划分步骤为： 第一步：去除左右保护子载波。 对于2 0 4 8 点f f t 模式左右保护子载波数为1 7 2 ；对于1 0 2 4 点f f t 模式左右保护 子载波数为8 6 ；对于5 1 2 点f f t 模式左右保护子载波数分别为4 2 和4 1 ：对于1 2 8 点 f f t 模式左右保护子载波数为1 0 【2 1 。 第二步：对剩余子载波按物理上从低向高的顺序重编号。 第三步：将编号为n 牛3 ( n = 0 ，1 ，2 ) 子载波分配给s e g m e n to ；将编号为n 拳3 + 1 州= o ，l ，2 ，) 子载波分配给s e g m e n t1 ；将编号为n 母3 + 2 ( n = o ，1 ，2 ，) 子载波分 配给s e g m e n t2 。 2 f u s c 的符号结构和载波分配1 2 9 川 o f d m a 符号结构由导频、数据和零载波组成。在f u s c 中，首先分配合适 的导频和零载波，剩下的子载波被用于数据子载波，这些数据子载波被划分成子 信道。下图2 4 是载波分配的示意图。 全i ：i 全i ：i 全i ：i 全ii 全i ：i 土ii ：ii 全i- 堋：8 一p a n ? ( i7 3 p i i o ts u b c a 盹r r ；g h tg - u 8 一p a n d l z 2 ， s u b c a r r l e r s j-s u b c a r r i e r s l fd a t as u b c a 州e r a i i o c a t e dt 0a l ls u b c h a n n e l s 图2 4d l f u s c 载波分配图 导频子载波的分配 这里，有两个可变位置导频集合和两个固定位置导频集合。在f u s c 中，每 个段都使用可变固定位置导频集合。不同的是：所有的o f d m 符号都可以使用固 定集合；可变集合还要被分成子集，在奇偶符号中被交替地使用，这样做的目的 是为了在功率分配和导频产生的频率分集( 在信道估计中) 之问提供合适的折中。 子信道内子载波的分配 总共支持3 2 个子信道，每个子信道由4 8 个子载波组成，数据总共占用1 5 3 6 个子载波。下面介绍如何为子信道分配子载波。首先我们将所有的子载波分成连 续的组，每个子信道由每一个组中的一个子载波构成。所以组的数目等于每个子 信道中子载波的数目：同样一组中子载波的数目等于子信道的数目。 3 p u s c 的符号结构和载波分配【2 ，9 ，1 2 】 与f u s c 不同，在p u s c 中，符号首先被分成最基本的簇，同时零载波也被 分配。然后导频和数据子载波在每一簇中进行分配。图2 5 为子载波分配过程。 图2 5 子载波分配过程 第一步：所有子载波中除去左右保护子载波和d c 子载波，剩余子载波用于 进一步分配。 第二步：将剩余子载波按物理上的顺序重新编号。并将每1 4 个连续的子载波 划分为一个物理簇( c l u s t e r ) 。 第三步：将物理c l u s t e r 重新编号为逻辑c l u s t e r 。 第四步：将逻辑c l u s t e r 分配给g r o u p 。 第五步：在c i u s t e r 内划分导频子载波和数据子载波。设一个c l u s t e r 的子载波编 号为o 、1 1 3 ，对于偶数符号，4 号和8 号子载波为导频子载波，其它为数据子载 波。对于奇数符号，o 号和1 2 号子载波为导频子载波，其它为数据子载波。协议中 规定一个域中的第一个符号为偶数符号( 不包括前导) 如图2 6 所示。 卜一t 仁 oo o ooo o ooo oo o o 一偶数符号 oo o