（通信与信息系统专业论文）wlan和hfc网络中若干关键技术研究.pdf

摘要 ( 随着互联网络技术的发展以及人类想象力和对信息需求的无限扩张，如何提 供宽带的、可移动的、可以支持多种业务的、安全的网络接入成为下一代互联网 络发展的热点和重点。宽带无线局域网和有线电视光纤同轴网络( h f c ) 正是其中 两个重要课题。1 本文分两大部分对这两个课题进行介绍和研究。第一部分中，对8 0 2 1 1 b 所 采用的高速调制技术一补码键控( c c k ) 调制技术进行了分析和研究。并基于 i n t e r s i l 公司提供的p r i s m 2 芯片组，提出了宽带无线网卡的硬件设计方案。在第 二部分中，首先介绍基于h f c 网络的数据网络结构和发展现状：然后提出了一种 采用直扩调制技术的h f c 网络上行信道调制方案，并且分析了采用多种调制和编 码方案的系统误码率性能；最后研究了在h f c 网络中采用c d m a 随机多址接入 方案的系统多址接入性能。 关键词：无线局域网vh f c扩频 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e r a c t ，t h ee x p a n s i o no f h u m a nb e i n g si m a g i n a t i o na n d t h en e e d sf o ri n f o r m a t i o n ，n e t w o r ka c c e s st e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r ew i d e b a n d ，m o b i l e a n dm a n ys e r v i c es u p p o r t e d ，h a v eb e c o m et h em o s ti m p o r t a n ta n dh e a t e dp o i n to ft h e n e x t g e n e r a t i o no fi n t e m e t w l a na n dh f cn e t w o r k a r ej u s tt h et w oi m p o r t a n t s u b j e c t so n i t i nt h i sp a p e rt h e r ea r et w os e c t i o n s ，i nw h i c ht h et w os u b j e c t sa r ei n t r o d u c e da n d a n a l y z e d i nt h ef i r s ts e c t i o n ，t h ek e yt e c h n o l o g yo f 8 0 2 11b c c ki ss t u d i e df i r s t l y ， w h i c hc a ns u p p o r tt h eh i g hs p e e dr a t et r a n s m i s s i o n s e c o n d l yb a s e do nt h es e to f p r i s m 一2c h i p s ，t h ed e s i g no fw l a nc a r di sa d v a n c e d i nt h es e c o n ds e c t i o nt h e d a t an e t w o r ks t r u c t u r ea n dd e v e l o p m e n to fh f ci si n t r o d u c e df i r s t l y s e c o n d l yw e p u t f o r w a r dam o d u l a t i o nm e t h o di nt h eu p s t r e a mc h a n n e lo fh f cn e t w o r kw h i c hu s et h e s p r e a ds p e c t r u mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u sm o d u l a t i o n a n dc h a n n e lc o d em e t h o di sa n a l y z e df o l l o w e d l a s t l yt h ep e r f o r m a n c eo ft h er a n d o m m u l t i p l ea c c e s sb a s e do nc d m a i ss t u d e d k e y w o r d ： w l a nh f c s p r e a ds p e c t r u m 创新性声明 y 五0 5 23 2 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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：居舌i本人签名：丛! i日期! 型 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：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) 本人签名：必西本人签名：屋望i 导师签名 日期兰塑： c 日期出翻 ：! 兰 第一章绪论 1 1 无线局域网和移动计算网络 随着社会对计算机和计算机网络依赖性的迅速增加，用户要求互联的计算机 数量更多，类型也更为复杂。现代固态电子技术的发展使人们可以根据不同的要 求选择不同的网络方案。但传统有线网络由于受设计环境条件的制约，在物理、 逻辑和成本方面普遍存在着一系列问题，特别是当涉及到网络移动和重新布局时 这些问题就变得更加尖锐。发展一种可行的无线通信网络技术作为现有数据链接 的扩充已成为数据网络发展的一种需要。9 0 年代，随着个人数据通信的发展，功 能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广泛应用，人们提出了任何人在任何 时间、任何地点均能实现数据通信的网络发展目标。为了达到这一目标，传统的 计算机网络必须从有线向无线，从固定向移动，从单一业务向多媒体业务发展， 这就使无线局域网络技术( w i r e l e s sl a n ，以下简称w l a n ) 技术成为互联网络 技术的热点。 w l a n 和个人通信网( p c n ) 代表了9 0 年代通信网络技术的发展方向。p c n 主要用于支持速率小于5 6 k b p s 的语音数据通信，而无线l a n 大多用于传输率大 于1 m b p s 的局域和室内数据通信。w l a n 既可满足各类便携机的入网要求，也 可作为传统有线l a n 的补充手段。 同移动电话对电信带来的深刻变革一样，w l a n 的产生和发展也使网络迈出 了具有历史意义的一大步。根据c a l m e r si n - s t a t eg r o u p9 9 的统计和预测，世界 w l a n 用户数在1 9 9 9 2 0 0 3 年将以指数规律增长，在2 0 0 3 年将至少有2 4 0 0 万人 使用w l a n 产品。预计到2 0 0 2 年，世界w l a n 产品的年销售额将达到2 0 亿美 元。 w l a n 是采用无线传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络技术和无线通 信技术结合的产物。作为一种灵活的数据通信系统，无线局域网是有线局域网的 延伸和发展。但是无线局域网并不简单地等同于计算机无线联网，计算机无线联 网是指以无线方式连接的计算机之间资源共享，并不强调计算机位置的变动，而 无线局域网必须加入移动功能，以实现计算机在移动过程中仍能保持与对方的通 信。因此就其移动性，引出了移动计算网络的概念。图1 1 是基于i n t e m e t 的移动 计算网络结构。 ! ! 兰垒型塑坚! 曼堕堑! 董王茎堡垫查竺茎一 囤1 1 基于| n t e m e t 的移动计算网络 八十年代末，美国联邦通信委员会( f c c ) 对使用无线电的计算机通信系统 开放了1 s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段。 19 9 0 年7 月，i e e e 8 0 2 委员 会接受了n c r 公司”c s m a c d 无线媒介标准扩充”的提案，成立了i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网工作委员会。1 9 9 7 年该组织制订出了i e e e 8 0 2 1 1 协议【1 】，它为无线局 域网的设计、与现存有线网络的互联和宽带网络的发展提供了标准。如果说8 0 2 1 1 组织和8 0 2 11 协议的制订是无线局域网大发展的开始话，那末8 0 2 1lb 协议口和 8 0 2 1 l a 协议川的制订就是无线局域网发展的第一次腾飞。其中8 0 2 1 l b 技术更被 美国网络计算杂志评为1 0 年来最具影响力的网络技术。 在i e e e 8 0 2 1 1 协议的基础上，i e e e 8 0 2 1 1 b 协议对调制技术进行了改造，采 用了一种编码效率更高的直接扩频技术c c k 技术，以提高数据传输速率。c c k 技术可以在l e e e 9 0 2 】1 协议所规定的带宽内，使最大数据传输速率提高到 1 1 m b p s 。现在世界很多从事无线通信的公司都在致力于无线网络产品的开发， l u c e n t 、i n t e r s i l 、3 c o m 、n e c 等公司已开发出支持8 0 2 1 1 b 协议的网卡和接入设 备。 i e e e8 0 2 1 l a 是一种为了进步提高数据传输速率而使用5 2 g h z 频段作为 传输频段的无线接入规范。它的普及将在i e e e8 0 2 1 1 b 之后，预计一两年内不会 成为主流，这是因为面向5 2 g h z 频带的滤波器等r f ( 高频) 部件目前还非常贵。 到目前为止还没有厂商出售符合这一标准规格的芯片组。 i e e e 8 0 2 1 1 协议与i e e e 8 0 2 1 1 b 协议及i e e e 8 0 2 1 l a 协议的特性比较如表1 1 所示。 第一章绪论 表1 18 0 2 】1 、8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 协议比较 特性 8 0 2 1 18 0 2 1 1 b 8 0 2 1 1 a 频谱 24 g h z24 g h z5 2 g h z 最大传输速率 2 m b v s 1 1 m b p s5 4 m b p s 晟大l a y e r 3 速率 1 2 m b p s5 m b p s 3 2 m b p s m a cc s m a c ac s m a c at d m a 厂r d d 连接特性无连接无联连接面向连接 多路广播支持支持支持 q o s p c fp c fa t m 8 0 21p r s v p d i 行r v 频率选择跳频或d s s s d s s s 动态选择频率 认证有有n a i 5 0 9 加密4 0 位r c 44 0 位r c 4d e s 、3 d e s 转换支持无无无 固定网络支持以太网以太网以太网、1 p 、a t m 、l m t s 管理 8 0 2 1 1m i b8 0 2 1 1 m i b h i p e r l a n 2m i b 无线链路质量控制无无 链路自适应 在“宽带无线i p 技术”( 8 0 2 1 i b ) 的实现中，高速无线网卡是其核心部分。本 文结合实际工作对网卡的设计进行了说明，并对其所采用的关键技术一c c k 调 制进行了分析。 1 2h f c 网络和c a b l em o d e m 信息高速公路已成为信息社会的一种标志，通过它，我们可以充分享受到高 科技给人们带来的便利。但在“最后一公里”( 宽带接入) 问题上一直存在许多 争论。现在有许多用户接入网方案，如高比特率数字用户线( h d s l ) 、不对称数 字用户线( a d s l ) 、光纤到路边( f t t c ) 和光纤混合同轴网( h f c ) 等。由于 接入网的高速数据服务都可以归结为通过网络提供的多媒体信息传输，因此数据 传输的速率成为高速接入网络性能优劣的最主要标准。如何提供价格较低，带宽 较宽的网络接入，是无数工程科研技术人员追求的目标。 随着有线电视网络的发展，h f c 网络空前发展。h f c 网络以较低的价格和较 宽的网络带宽逐渐成为最佳的宽带网络接入方案之一。对于h f c 网络的c a b l e m o d e m ( 电缆调制解n n ) 的研究也成为通信领域的一个重要课题。 h f c 网络由光纤干线和同轴电缆分配网络通过光节点结合而成。在网络中， 光纤干线一般采用星形拓扑结构，同轴电缆分配网则采用树形结构，这种模型被 称为光纤到馈点模型( t f t ) 。h f c 网络是宽带传输网络，它不仅能够提供更多、 更丰富、质量更好的电视节目，还有足够的频带资源提供给其它各种非视频广播 业务，其中包括可视电话、传真、数据通信、会议电视、视频点播、游戏和监控 系统。 w l a n 和h f c 网络中若干关键技术研究 c a b l em o d e m 是一种可以通过h f c 网络实现高速数据接入( 如i n t e r n e t ) 的 设备。它通常有两个接口，个用于连接有线电视端口，另个用来与计算机相 连。在h f c c a t v 网上实现数据传输服务的主要设备就是c a b l em o d e m 。九十 年代中期随着网络和c a t v 的发展，c a b l em o d e m 技术有了巨大的进步。1 9 9 5 年 以前c a b l em o d e m 处于研制阶段；1 9 9 6 1 9 9 7 年开始大规模研究和实验；1 9 9 9 年以来c a b l em o d e m 技术已经趋于成熟，采用不同技术的较成熟的产品也不断问 世。随着有线电视的普及，基于h f c 网络的有线电视网在国内外迅速发展，现 在世界上使用c a b l em o d e m 的用户已经超过5 0 0 万，仅a t & t 公司每年就能售出 约1 0 0 万台c a b l em o d e m 。 c a b l em o d e m 代表了当今宽带网络发展的一个方向。通过c a b l em o d e m ，用 户可以通过双向h f c c a t v 网络直接接入互联网络，从而在现有网络的基础上实 现数据宽带接入。在h f c 网络中，下行链路( 有线电视台前端到用户端计算机) 的数据传输速率可以达到3 6 m b p s ( 理论最高值为4 2 m h z ) ；上行链路( 用户端计 算机到有线电视台前端) 的数据传输速率可达1 0 m b p s ，现在大多数c a b l em o d e m 产品的上行速率为2 0 0 k b p s - 2 m b p s 。由于h f c 网络具有下行带宽大、上行带宽小 的特点，所以对于下载数据量大、上载数据量小的数据业务非常适用。 目前的c a b l em o d e m 按数据传输的方式可划分为对称型业务与非对称型业 务；按使用功能可划分为公共信息型和专用信息型；按技术可以划分为动态分配 带宽速率( c s m a c d ，t o k e np a s s i n g ，c d m a 等) 和固定分配带宽速率 ( t d m a ，f d m a 等) 。其中动态分配带宽速率c a b l em o d e m 系统适用于 n t e r n e t 的接入和公共信息查询等业务；固定分配带宽速率c a b l em o d e m 适用于电话，可 视会议系统，数据专线业务等。在本文中，我们主要对动态分配带宽速率c a b l e m o d e m 进行研究。 c a b l em o d e m 技术要想成功地占有市场，各厂商的产品相互兼容性是极其重 要的，而这有赖于协议的统一和国际标准的制定。 目前参与研究和制订c a b l em o d e m 标准组织有很多，最中最具有影响的组织 有四个： i ) c a b l e l a b s ( 美国有线电视开发研究联合体) ； 2 ) e u r o c a b l e l a b s ( 欧洲有线电视实验室) ； 3 ) i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ( 美国电器与电子工程师仂、 会) ； 4 ) d i g i t a l v i s u a lb r o a d c a s t i n g d v b 。 在这些组织中，c a b l e l a b s 最具影响力，其制定的o p e n c a b l e ( d o s c i s l o 1 1 ) ”1 标准是最主要的标准。1 9 9 8 年3 月国际电联i t u 第九研究组批准d o s c i s i 0 1 1 成为国际标准，即i t u t j 1 1 2 。与有线电视数字通信有关的产品，都要由c a b l e l a b s 进行评估和测试。c a b l e l a b s 的o p e n c a b l e 标准带有规范性质，入网产品及相应 第一章绪论 规范必须对其兼容。图1 2 就是基于d o s c i s 标准的数据网络结构示意图。 分布式h u b 。兰篙。终一“，厂1 端幕统 ? 。习。l 、 点形一z ， 壶竺疆 图12 基于h f c 的数据网络结构 e u r o c a b l e l a b s 成立于1 9 9 6 年l o 月，前身是e c c at e c h n i c a lc e l l ( e t c ) ，它 的目的是建立适合欧洲的c a b l em o d e m 规范，并检验相关的标准。 i e e e 的8 0 2 1 4 是“有线电视媒体存取控$ f j ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) - 与物理层协 议( p h y s i c a lp r o t o c 0 1 ) i 作小组”，它成立于1 9 9 4 年5 月，其目的是制定一个标准 化的基于h f c 网的物理层协议和m a c 协议，以支持各种数字化的应用，并建立 基于h f c 的城域网。 成立于1 9 9 4 年d a v i c 直从事双向电视的标准的制定工作，1 9 9 8 年在t 9 8 欧洲有线电视研讨会上与d v b 以及9 家领先的有线电视设备厂家合作成立了 d a v i c d v b 互操作联合体。其制定的d v b r c c l 规范以被e t s i 和i t u 正式采 纳为标准( e t s 3 0 0 8 0 0 及j 11 2a n n e xa ) ，该标准分别适用于交互式机顶盒和c a b l e m o d e m 的带外与带内选择设备。 其他组织也制定了一些规范，如c o m 2 1 制定的上行标准建议( c o m 2 1u p s t r e a m p r o p o s a l ) 等，但是都没有形成标准。 在现有的四个协议标准中，上行数据的接入无一例外都采用了t f d m a 这种 固定分配带宽的方式。在本文中，我们提出了一种采用c d m a 机制的上行信道 接入方式，对其物理层的性能进行了仿真，最后提出了采用c d m a 技术的随机 多址接入方案。 1 3 主要研究内容及章节安排 w l a n 和h f c 网络中若干关键技术研究 本文结合国家高科技发展计划( 8 6 3 ) 重大课题项目“宽带无线i p 技术”， 对w l a n 无线网卡及其关键技术补码键控( c c k ) 调制进行了研究和实现； 同时，我们又结合华为公司基金项目“h f c 网络宽带接入技术研究”，对采用扩 频技术的h f c 上行信道接入的若干关键技术进行了研究。 本文总共分为四章：第一章介绍了宽带无线i p 和h f c 网络的背景和发展情 况；第二章介绍了宽带无线i p 技术中的核心高速无线网卡的设计，并对其所 采用的关键技术c c k 调制进行了分析 在第三章中，我们提出了采用扩频技 术的h f c 上行链路数据传输的解决方案，并对多种调制方案和编码方案进行了 性能分析和仿真；在第四章中，我们提出了数据网络中时隙s a m a 和时隙多码 c d m a 随机多址接入解决方案，在此基础上对它们吞吐特性和时延特性进行了分 析和仿真，最后介绍了它们在v s a t 和h f c 系统中的应用。 筮三童 壹姿垂垡旦主丝盐垦苤壁堡查一二 第二章高速无线网卡设计及关键技术 【摘要】在w l a n 中，无线网络适配器( 无线网卡) 是一个核心问题。在本章中， 我们首先对其中所采用的高速调制技术补码键控( c c k ) 调制技术进行了分 析和研究，并基于i n t e r s i l 公司提供的p r i s m - 2 芯片组提出了基于8 0 2 1 l b 的宽带 无线网卡的硬件设计方案。 2 1 1 无线网卡的组成 2 1 无线网卡原理1 2 1 ，f 5 i ，【6 扩频通信机 网络接口控制 图2 1 无线网卡的组成 无线网卡是实现无线局域网的硬件基础。在逻辑结构上，由网络接口控制单 元( n i c ) 、扩频解扩单元( s s ) 、中频调制解调器( i f ) 和是射频单元( r f ) 四 部分组成，如图2 1 所示。 n i c 用来实现i e e e 8 0 2 1 l 的协议规范中的媒体接入控制功能。在移动主机有 数据要发送时，n i c 负责接收主机发送的数据，并按照一定的格式封装成帧，最 后根据多址接入协议( 在w l a n 中采用1 e e e 8 0 2 1 1 协议) 把数据帧发送到信道 中去。当接收数据时，n i c 根据接收帧中的目的地址，判别是否是发往本机的数 据，如果是则接收该帧信息，并进行c r c 校验，拆去帧头，把数据提交给主机。 为了实现上述功能，n i c 还需要完成发送和接收缓存的管理，通过微机总线进行 d m a 操作和i o 操作，并与微机交换数据。 s s 、i f 和r f 组成扩频通信机，用来实现物理层的功能，并与n i c 进行控制 信息交换。在发送数据时，n i c 单元的输出数据通过s s 单元进行扩频，之后进 入i f 单元进行中频调制，然后由r f 单元进行上变频，最终变换到射频上发射。 在接收数据时，射频信号首先由r f 单元变换到中频，然后经过l f 处理器得到基 带接收信号，再由s s 处理器进行解扩、解调、恢复位定时信息，最后把获得到 ! ! 兰垒型塑旦! 堕竺董王差堡塾莶翌堕l 一 的数据交给n i c 单元。 2 1 2d s s s 无线网卡的主要技术指标 在宽带无线网卡的设计中，提出了以下主要的技术指标，并以此为依掘设计 具有自主知识产权的无线宽带网卡。 l1 工作频率：2 4 0 0 0 g h z 2 4 8 3 5 g h z ； 2 1 数据速率：11 m b p s 5 5m b p s 2m b p s 1 m b p s 自适应； 3 ) 扩频方式：d s s s ； 4 ) 调制方式：c c k ； 5 ) 解扩解调方式：匹配滤波相干或差分相干： 6 ) 通信方式：时分双工； 7 ) 天线分集：二重极化分集或二重空间分集： 8 ) 总线接口：p c m c i a 接口。 2 2c c k 调制技术 i e e e 8 0 2 1 1 标准只要求实现1 m b p s 2 m b p s 的数据传输速率。为了提高数据传 输速率以支持无线宽带多媒体业务，在i e e e 8 0 2 1 l 基础上，l u c e n t 和i n t e r s i l 共 同提出的高速扩频调制技术c c k ( c o m p l e m e m a r yc o d ek e y i n g ，补码键控) 调制方案。1 9 9 8 年7 月，i e e e 8 0 2 1 1 工作组接受了c c k 方案，将其作为物理层 高速扩展的解决方案。采用c c k 技术可以使数据速率在规定的带宽内达到1 1 - m b p s 和5 5 m b p s ，这样就在保证了和i e e e 8 0 2 1 1 ( 1 2 m b p s ) 协议的兼容的前提下实 现了高速f 1 i 5 5 m b p s ) 数据传输。 2 2 1c c k ( 补码键控调制) 1 7 j i e e e 8 0 2 1 1 协议规定数据传输速率为1 m b p s 2 m b p s ，码片( c h i p ) 速率为 1 1 m c p s 。采用c c k 调制可以使传输速率为1 1 m b p s 时的c h i p 速率为1 l m c p s ，从 而使其信道信号波形占据的带宽同传输速率为1 m b p s 2 m b p s 时的信道波形近似相 同。 c c k 是基于m o k ( m 进制正交键控) 调制的一种调制方式，采用频率f 交 调制方式。该扩频调制技术的c h i p 速率和频谱形状和在8 0 2 1 l b 协议中采用b a r k e r 码的扩频方案所获得的c h i p 速率和频谱形状相同。 箜三童直婆垂垡堕量丝生垦茎堡丝查三 旺b l m l t d 妇r 如= 8 味姆t b d + 1 研5 怔牺= ”怃秘 图2 2 8 0 2 1l b 协议中11 m b p s 模式调制器原理框图 c c k 调制方案如图2 2 所示。c c k 采用正交调制方式，每次从6 4 个正交的 长度为8 c h i p s 的码字中选取一个，并作为一个扩频符号发送。由于6 4 个码字可 以表示6 b i t s 的信息，那么就可以在每个扩频符号( 8 c h i p s ) 中调制6 b i t s 的信息， 加上q p s k 调制时的4 个相位可以表示2 b i t s 信息，这样一个扩频符号总共包含 8 b i t s 信息。图2 2 也给出了c c k 码字的定义公式。识是q p s k 调制时整个向量 的相位变化，仍、仍和妒4 分别是对( 1 ，3 ，5 ，7 ) 、( 1 ，2 , 4 ，5 ) 和( 1 ，2 ，3 ，4 ) c h i p 的相位 调制。 c c k 调制采用了由复w a l s h h a d a m a r d 函数所生成的一组被称为补码的复符 号向量。与w a l s h 函数相比复w a l s h h a d a m a r d 函数具有很多特点( 图2 3 是复 w a l s h h a d a m a r d 函数和w a l s h 函数空间对比图1 ： 8bps kch1ps ： 2 “8 ；25 6code wor ds 8ops kc h i ps ： 4 “s = 655 36code wor ds 图2 3 复w a l s h h a d a m a r d 函数和w a l s h 函数列的比较图 1 ) 复w a l s h h a d a m m d 函数有四个相位，码的结构比w a l s h 函数复杂； 2 ) 同w a l s h 函数一样，复w a l s h h a d a m a r d 函数同样具有正交性； 3 ) 复w a l s h h a d a m a r d 函数的符号空间和正交符号空间远远大于w a l s h i n w l a n 和h f c 网络中若干关键技术研究 _ 一一 函数。例如：8 b i t s 复w a l s h h a d a m a r d 函数的符号空间和正交符号空间分 别为4 8 = 6 5 5 3 6 和6 4 ，而8 b i t sw a l s h 函数的符号空间和正交符号空间分 别为2 n 8 = 3 5 6 和8 ： 4 ) 采用复w a l s h h a d a m a r d 函数的c c k 调制技术在发送时要求同步，并 且在通过信道时具有相同的幅度增益和相位畸变，这样保证了在接收 端i q 信号保持正交，使得它比采用w a l s h 函数的m b o k 调制可以更 有效地克服由多径所引起的i q 通路的耦合干扰( c r o s s c o u p l e c r o u p p t ) 。 2 2 2c c k 与i e e e 8 0 2 1 1 调制方式兼容性1 7 l i e e e s 0 2 1 1 b 为了实现与i e e e 8 0 2 1 1 的兼容性，其1 m b p s 2 m b p s 调制方式采 用了i e e e 8 0 2 1 1 协议中的相应调制方式；其5 5 m b p s 1 1 m b p s 调制方式采用了c c k 调制方式。图2 4 对这四种调制方式进行了比较。从图中可以看到1 m b p s 调制模 式采用了1 1 ( 1 1 m c p s ) 位的巴克码扩频+ b p s k 调制方式；2 m b p s 模式采用了1 1 ( 1 1 m c p s ) 位的巴克码扩频+ q p s k 调制方式；5 5 m b p s 模式采用c c k 调制( 2 b i t s 选择1 个扩频码字) ；1 1 m b p s 模式采用c c k 调制( 6 b i t s 选择1 个扩频码字) 。从 图中还可以看到虽然四种工作模式提供的数据传输速率不同，但是它们在经过调 制后的c h i p 传输速率都是1 1 m c p s ，射频信号带宽都是2 2 m h z 。这就保证了 i e e e 8 0 2 1 1 b 与i e e e 8 0 2 1 1 在信道空间中传输的信号具有一致的频谱特性。 第二章 高速无线网卡设计及关键技术 为了保证与i e e e s 0 2 1 1 协议所采用的同步帧定位和载波侦昕退避 ( c s m a c a ) 多址接入等方案保持一致，在保证信号频带的兼容性的同 时，1 e e e 8 0 2 1 1 b 协议采用了i e e e 8 0 2 1 1 中规定的传输速率为1 m b p s 的物理帧头， 其调制方式采用协议中规定的1 m b p s 调制方案。这样就保证了在不同传输速率下 同步捕获、帧定位和c s m a c a 等操作的一致性。在只面对使用高速传输模式的 用户时，为了提高速率，i e e e s 0 2 1 1 b 协议也提供了一个可选的短捕获帧头，可 以用较低的报文冗余来提高数据传输的速率。但这种短帧头仅适用于i e e e 8 0 2 1 l b 协议中的高速传输方案。 2 2 3c c k 性能分析1 7 1 f c c ( 美国联邦通信委员会) 要求被用于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 。在c c k 调制中，传送每符号的带宽的减少提供了1 0 l 0 9 8 = 9 d b 的处理增益而m o k 编码又提供了2 d b 的处理增益，所以c c k 调制总共提供了 1 l d b 的处理增益，完全符合f c c 标准。 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 低速调制更容易受多径干扰和滤波器失真的影响。由于c c k 调制采用了i o 路相 关的策略，其性能优于采用i q 路独立的m b o k 调制方式。大量仿真结果证明， 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2 5 显 示了h f a 3 8 6 1 中两种c c k 模式的实际性能与理论值的比较。 图2 5c c k 性能曲线 w l a n 和h f c 网络中若干关键技术研究 2 3 宽带无线网卡设计方案1 9 j i n t e r s i l 公司在1 9 9 9 年推出了支持8 0 21 1 b 协议的网卡芯片组p r i s m 一2 套 片系列，它实现了8 0 2 1 1 b 所规定的高速传输技术。在这组芯片的基础上，我们 提出了宽带无线网卡设计方案。 2 3 1 设计总体方案 p r i s m 2 套片实现了速率为1i m b p s 的宽带无线网卡总体解决方案，在实现 c c k 调制技术的同时，采用了功耗较小、支持3 3 v 电压的电路设计。其总体性 能优于支持i e e e 8 0 2 1 1 的p r i s m 一1 芯片组。图2 6 是该方案的总体设计原理图。 图26 基于p r i s m 一2 芯片组的无线网卡解决方案 这套芯片组包括四大部分：射频( r f ) 部分、中频( i f ) 部分、基带处理器( b b p ) 和媒体访问控制器( m a c ) 。采用的频段是1 s m 频段的2 4 0 0 0 g h z 一一24 8 3 5 g h z 部分。 这套芯片组可以工作在i e e e 8 0 2 1 1 规范及i e e e 8 0 2 1 1 b 规范两种模式下，我们 在这里重点研究5 5 m b p s 和1 1 m b p s 传输速率的实现。 2 3 2 主要芯片介绍 笙三童壹垄垂垡堕主望型望塑壁型塞查 p r i s m 2 芯片组由五片芯片构成，它们分别是h f a 3 8 4 1 、h f a 3 8 6 1 、h f a 3 7 8 3 、h f a 3 6 8 3 和h f a 3 9 8 3 。 1 ) n i c 芯片h f a 3 8 4 1 ： h f a 3 8 4 1 是媒体访问控制器，它能够最优化地实t 见i e e e 8 0 2 1 l b 的m a c 层功 能，并以低功耗支持1 1 m b p s 的数据传输速率，并有射频控制端口，是无线网卡的 核心。 h f a 3 8 4 1 直接同基带处理芯片h f a 3 8 6 x 进行交互操作，提供完全的端到端的解 决方案。i n t e r s i l 在提供h f a 3 8 4 1 芯片的同时也提供了支持该处理器的固件 ( f i r m w a r e ) 。该固件实现t i e e e 8 0 2 1 l b 中m a c 层协议，支持基本的d c f 协调方 式，也支持可选的p c f 方式。低层的功能, ( r t s c t s 帧的生成和确认、分段和重组、 信标帧的自动检测等) 都可以在无主机的干预的情况下由h f a 3 8 4 1 自主完成。图2 7 是h f a 3 8 4 1 原理框图： 图2 7h f a 3 8 4 1 原理框图 2 ) 基带处理芯片h f a 3 8 6 1 ： 基带处理芯片h f a 3 8 6 1 内部集成高速a d 、d a 变换器，用于对中频调制、解 调器h f a 3 7 8 3 的模拟信号进行处理。h f a 3 8 6 1 和h f a 3 8 4 1 协调工作，共同完成 8 0 2 1 1 ： 1 1 8 0 2 1 1 b 协议中的多种调制方式，并提供不同的数据传输速率。h f a 3 8 6 1 允许用户终端通过控制总线进行配置，从而提高了灵活性，满足了在不同情况下 的网络接入需要。h f a 3 8 6 1 还提供了7 比特高速a g c 控制，使通信机获得较好的 接收性能。图2 _ 8 是h f a 3 8 6 l 的原理框图。 3 ) 中频调制解调器h f a 3 7 8 3 ： h f a 3 7 8 3 支持半双工的正交调制解调功能。在h f a 3 7 8 3 的接收模块中集成了 一个a o c 中频放大器，可以提供7 0 d b 的增益，从而提高了接收机的性能。 ! !型! 垒型塑旦! 至堕堑! 茎三茎塑塾堑望堕窒一 h f a 3 7 8 3 的接收模块采用了一对二阶带通滤波器，并和集成的直流偏置消除 电路一起完成从中频到基带的操作。另外，a g c 环路中还有一个中频电平检测器， 用于门限的比较和判决，并对i 、q 支路中进行中频处理的双平衡复用器进行上、 下频率转换。图2 9 是其原理框图。 图28h f a 3 8 6 1 原理框图 图2 9h f a 3 7 8 3 原理框图 wd 日e l 奠_ o r0 u t r e c e e g c 弘s e 队n dr 瑚 c le m b l e b a s e 弘n dr x a i f 2 x l o ，v c o i n c h a r e ep u m po u t 3 w l 眭i 椎r 陆c e r e f 舢 8 a s e 队n d t x l 队s e b n dt x a t r a n s m i tl fa g c 4 ) 2 4 g h z 射频中频变频器h f a 3 6 8 3 a ： h f a 3 6 8 3 a 是工作在i s m 频段的半双工射频中频变频器。它主要由增益可选 择的低噪声放大器、下变频器、频率合成器和由h f a 3 8 6 l 控制的三线编程接口组 成。 箜三童塞垄歪垡旦主望塑堡蔓塑堕型 中频接收和发送通路复用了一个差分匹配网络，减少了滤波器的数量。此外， 由于内部集成了一个抗镜像干扰的滤波器，使得接收和发送回路的射频放大器和 混合器可以直接进行连接，提高了设计的可靠性。图2 1 0 是h f a 3 6 8 3 a 的简化的原 坪框图。 图2 1 0h f a 3 6 8 3 原理框图 5 ) 2 4 g h z 功率放大监测器h f a 3 9 8 3 h f a 3 9 8 3 是工作在i s m 波段的功率放大器，主要由一个两级放大器和一个 2 4 g h z 功率监测器组成。它可以提供3 0 d b 的增益( 第一旁瓣 一3 0 d b c ，第二旁瓣 一5 0 d b c ) ，从而得至0 1 8 d b m 的输出功率。图2 1 1 是h f a 3 9 8 3 的简化原理框图。 图2 11h f a 3 9 8 3 组成框例 2 3 3 无线网卡的完成情况 w l a n 和h f c 网络中若干关键技术研究 经过一年多的设计和调试，课题组已基本完成了无线网卡硬件电路的设计和 调试。现在无线网卡已能在8 0 2 1 1 和8 0 2 1 1 b 两种工作模式下e 常工作，在 1 m b p s 2 m b p s 模式下网卡可以f 常地在6 0 m 的范围内f 常通信；在 55 m b p s 1 1 m b p s 模式下可以实现3 0 5 0 m 范围内的正常通信。 在以后的工作中，还需要对高速网卡在不同环境下的适用性设计和可靠性设 计上进行大量的改进和实验。 笙三童坚匹皇芝望焦墨丛焦堕塑里丝堂坌堑旦 第三章h f c 直扩通信系统信道编码性能分析 摘要 光纤同轴电缆( h f c ) 网络信道中的干扰主要是窄带噪声干扰和宽带噪 声干扰。本章首先建立了存在单频噪声干扰和宽带噪声干扰的h f c 网络信道模 型，并在此基础上分析了采用不同数字调制技术和不同离散信道编码技术的直扩 通信系统性能。 3 1h f c 编码系统模型 在数字通信系统中，信道编码系统由离散信道编码器、数字调制器、信道、 数字解调器和离散信道解码器五部分组成( 图3 1 ) 。本节对采用直扩技术的h f c 网络的信道编码系统进行分析： 图3 1 信道编码系统框图 3 1 1h f c 上行信道模型 在h f c 网络中有两种信道：上行信道和下行信道。在本节中，我们仅对上行 信道进行研究。所谓上行信道，就是指上行同轴电缆信道。根据d o c s i s 所规定 的h f c 网络频谱划分方案，低频端的5 4 2 m h z 被安排为上行信道的频段，图3 2 是典型的h f c 网络拓扑。在h f c 中，影响上行信道的最主要因素是来自外界的 各种噪声干扰，这些噪声主要来源于人为噪声、自然噪声和内部噪声等( 图3 3 ) 。 另外，上行信道是多点到一点的网络，各支路放大器的级联噪声和来自用户端的 噪声在光节点处汇集、叠加，这样就形成了一个汇聚噪声的“漏斗”( n o i s e f u r m e l i n g ) o l ，使干扰对信道的影响更大了。典型的上行信道噪声频谱如图3 4 所示： 图3 2h f c 网络拓扑图 。w l a n 塑旦! 竺旦塑董王茎堡垫查堑壅 国移 、l 一一一， 图3 3h f c 网络中的入侵噪声 所以对于h f c 信道，我们只考虑其加性高斯白噪声干扰和单频干扰的影响 其模型如图3 5 所示。 图3 5 h f c 信道模型 其中z ( t ) 为均值为零，方差为n 。2 的双边带高斯白噪声，j ( t ) 为宽带噪声干扰或单 频干扰。 3 1 2 数字调制解调器 数字调制解调器主要是使二进制信号转变为适合信道传输的波形信号进行发 送和接收。由于上行信道受到较为严重的干扰，迫使我们在各种数字调制解调技 术中选择具有较强抗干扰能力的方案，而不象下行信道那样，将频带利用率放在 首位。根据信号检测理论