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北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 摘要 晰系统提供了一种在城域网一点对多点的多厂商环境下， 可有效地互操作的宽带无线接入手段。在现有的w i m a x 系统中，物 理层传输技术已经包括了随机化扰码、r s 码、o f d m 等等用以保证 系统传输可靠性的先进技术，但是为了保证更高速率业务的移动性可 靠应用，必须更好地提高系统的抗干扰纠错能力，改善w i m a x 系统 性能。而本文的主要工作正是通过搭建w i m a x 系统的物理层传输平 台来仿真系统的误码性能，进而提出了添加c r c 后改进的r s 编译 码方案，最后还改进了w i m a x 中的自适应调制编码方案，在w i m a x 系统中提出了采用基于传输带宽优化的自适应分配算法来改善系统 的性能。 首先，论文根据i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中的参数规定，搭建了整个 w i m a x 系统的物理层传输仿真平台，包括随机化扰码、r s 码、卷 积码、星座符号映射以及o f d m 调制等各个模块，并在不同信道条 件下对w i m a x 系统的性能进行了仿真，给出了性能评估结果。 然后，论文根据无线信道存在各种效应对系统性能的影响，提出 了添加c i 比后的r s 编译码方案，该方案在发送端首先选择一个发 送矩阵，将数据依次填充后，再通过c r c 校验，这样在接收端就能 根据c r c 的校验结果己知r s 码中发生错误的字节位置，由于已知 错误字节位置后的r s 译码能够纠正的字节数是原来的两倍，因此新 方案中r s 码的纠错能力得到了很好的提高。由于论文主要研究的是 高速率业务的可靠传输，因此添加c r c 码带来的额外开销可以忽略， 新方案对于高速率业务仍然是具有可行性的。 最后，论文还根据无线信道中的频率选择性衰落和时变性的特 点，为w i m a x 系统设计了采用基于传输带宽优化的自适应调制算 法，并通过搭建w i m a x 系统的物理层传输平台和信道模型，重点仿 真了新算法在w i m a x 系统中的应用，通过仿真结果表明：基于传输 带宽优化的自适应分配算法不仅能够保证w i m a x 系统的误码率性 能，并且和传统的算法相比，该算法将使得w i m a x 系统能够更快地 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 响应信道的变化，更快地获得最好的系统误码性能。 关键词：w i m a x 系统随机化扰码r s 码o f d m 自适应编码调制 i i r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t o np h y s i c a ll a y e rt e c h n i q u e sf o r w i m 噙s y s t e m a b s t r a c t w i m a xs y s t e mp r o v i d e sam e t h o df o ri n t e r - o p e r a t i o n a lb r o a db a n d w i r e l e s sa c c e s s e f f e c t i v e l y , w h i c hi s i nt h ec o n d i t i o n o f m u l t i m a n u f a c t u r e rf o ro n ep o i n tt om u l t i p o i n ti nt h em e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k i n 也ee x i s t i n gw i m a xs y s t e m , t h et e c h n i q u e so fr a n d o ms c r a m b l e ， r sc o d ea n do f d mi np h y s i c a ll a y e rh a sb e e nu s e dt o e n s u r et h e r e l i a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o n ，b u tf o rt h em o r e r e l i a b l ea p p l i c a t i o na th i g h e r r a t e i tr e q u i r e s t o i m p r o v et h e a n t i - i n t e r f e r ea n de r r o r - c o r r e c t i n g c a p a b i l i t yo ft h es y s t e m t h ep a p e ri sm a i n l yo ns e t t i n gu pt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o np l a t f o r m t os i m u l a t et h eb e ro fw i m a xs y s t e m ，a n dt h e np r o p o s e sam e t h o dt o i m p r o v et h ee x i s t i n gr sc o d i n g d e c o d i n gs c h e m e w i t hc r c f i n a l l y , t h e p a p e ri m p r o v e st h ea d a p t i v em o d u l a t i o nc o d es c h e m eo f w i m l a n a d a p t i v ea l l o c a t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e i nw i m a xs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt h et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h o p t i m i z a t i o n f i r s to fa l l ，t h ep a p e rs e t su pt h ew h o l ep h y s i c a ls i m u l a t i o np l a t f o r m f o rw i m a x ，a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r si ni e e e8 0 2 16 es t a n d a r d s t h e p l a t f o r mi sc o m p o s e do fr a n d o ms c r a m b l e r ，r sc o d e r , c o n v o l u t i o n a l c o d e r , c o n s t e l l a t i o ns y m b o lm a p p i n g ，a n d o f d mm o d u l e s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e m o n do ft h el o w e s ts n r t or e c e i v e r s h a sn o ta r r i v e da tt h el e v e la sl o wa sp o s s i b l ea tt h ep r e m i s so fe n s u r i n g t h ed e c o d i n gp e r f o r m a n c e i nt h ed i f f e r e n tm o d u l a t i o nm o d e s f o r w i m a x t h e n ，b a s e do nt h ei m p a c t so fv a r i o u se f f e c t so fw i r e l e s sc h a n n e lo n i l l 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 t h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a l lr sw i t hc r cc o d i n gs c h e m ei sp r o p o s e d f i r s t l y , at r a n s m i s s i o nm a t r i xi ss e l e c t e d a f e rt h ep a d d i n g t h ed a t ai s c h e c k e dw i t hc r c h e n c et h er e c e i c i n ge n dc o u l di d e n t i f yt h ee r r o r l o c a t i o ni nr sc o d ea c c o r d i n gt ot h er e s u l to fc r c w i t ht h ek n o w ne r r o r l o c a t i o n t h er sd e c o d i n gc a nc o r r e c tt w i c et h ea m o u n to fb y t e sa s o r i g n a l t h u st h ec o r r e c t i o nc a p a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dr ss c h e m ei s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d a st h ep a p e rf o c u s e so nt h er e l i a b l i t yo fh i g hr a t e t r a n s m i s s i o n ，t h e nt h ea d d i t o n a ln e t w o r ko v e r h e a dc a u s e db yc r cc a l lb e n e g l e c t e d s o ，t h er sw i t hc i 比c o d i n gs c h e m ec o u l dp u ti n t op r a c t i c e f i n a l l y , a c c o r d i n gt of r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n dt i m e - v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c si nw i r e l e s sc h a n n e l a l la d a p t i v ea l l o c a t i o na l g o r i t h mw a s p r o p o s e di nw i m l 议s y s t e m ，w h i c hi s b a s e do nt h et r a n s m i s s i o n b a n d w i d t ho p t i m i z a t i o n t h r o u g hb u i l d i n gt h ep h y s i c a ll a y e rt r a n s m i s s i o n p l a t f o mf o rw i m a xs y s t e m sa n dc h a n n e lm o d e l s t h es i m u l a t i o nw a s m a d et of o c u so nt h ea p p l i c a t i o no ft h en e wa l g o r i t h mi nw i m _ a xs y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ea d a p t i v ea l l o c a t i o na l g o r i t h m ，w h i c h i sb a s e do nt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t ho p t i m i z a t i o n n o to n l yg u a r a n t e e s b e rp e r f o r m a n c eo fw i m a xs y s t e m b u ta l s om a k e sw i m a x s y s t e m r e s p o n s et ot h ec h a n g e si nw i r e l e s sc h a n n e lm o r eq u i c k l yt or e a l i z et h e b e rp e r f o r m a n c e ，c o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m k e yw o r d s ：w i m a x s y s t e m r a n d o ms c r a m b l er sc o d eo f d m a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d e i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 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：。：鲁；4 ：场 日期： 型i 星旦幽 j 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 1 1w i m a x 背景简介 第一章绪论 w i m a x ( w o r l di 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 ) 的中文译为全球微波 接入互操作性或全球通用微波接入，或被称为i e e ew i r e l e s s m a n ( m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) 。它是一项基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入城域网( b r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k , b 、7 队m a 技术，提供一种在城域网 一点对多点的多厂商环境下，可有效地互操作的宽带无线接入手段。它的无线信 号传输距离最远可达5 0 公里，其网络覆盖面积是3 g 基站的1 0 倍。w i m a x 还 具有q o s 保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。w i m a x 的技术起点较高， 采用了代表未来通信技术发展方向的o f d m o f d m a 、a a s 、m i m o 等先进技 术，随着技术标准的发展，w i m a x 将逐步实现宽带业务的移动化。 根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准可以分为固定宽带无线接入空中 接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准，其中8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 属于固定无 线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中接口标准。8 0 2 1 6 d 是2 - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的标准，已经于2 0 0 4 年6 月在i e e e8 0 2 委 员会获得通过，将以i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 名称发布。8 0 2 1 6 e 是2 6 g h z 支持移动 性的宽带无线接入空中接口标准。 2 0 0 1 年，w i m a x 论坛组织成立，旨在推广i e e e8 0 2 1 6 无线宽带网络技术， 相关研究则开展得更早。目前该组织拥有包括a l e a t d ，a t & t 、英国电信、 f u j i t s u 、n o k i a 以及i n t e l 等行业巨头的1 0 0 多个成员。w i m a x 技术的研发、 推广随之成为了通信技术领域的热点之一。据统计，目前w i m a x 联盟内1 4 的 成员都是电信运营商，其他成员还包括芯片厂商、设备厂商等，具有完整的产业 链，这无疑增加了人们对这项技术的信心。w i m a x 之所以能获得如此广泛的关 注，并不完全是商业上的炒作，其固有的技术优势也为它目前在通信领域的地位 莫定了基础【l 】。而各厂商也正是看到了w i m a x 的优势所可能引发的强大市场需 求才对其抱有浓厚的兴趣。 优势一，实现更远的传输距离。w i m a x 所能实现的5 0 公里的无线信号传 输距离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍，只要 少数基站建设就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。 优势二，提供更高速的无线宽带接入。据悉，w i m a x 所能提供的最高接入 速度是7 0 m ，这个速度是3 g 所能提供的宽带速度的3 0 倍。 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 优势三，提供优良的最后一公里网络接入服务。作为一种无线城域网技术， 它可以将w i f i 热点连接到互联网，也可作为d s l 等有线接入方式的无线扩展， 实现最后一公里的宽带接入。w i m a x 可为5 0 公里线性区域内提供服务，用户 无需线缆即可与基站建立宽带连接。 优势之四，提供更为丰富的多媒体通信服务。由于w i m a x 较之晰一f i 具 有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务。 1 2w i m a x 系统的研究现状 w i m a x 系统主要有两个技术标准，一个是指满足固定宽带无线接入的 i e e e 8 0 2 1 6 d 标准，另一个是满足固定和移动的宽带无线接入技术i e e e 8 0 2 1 6 e 标准。w i m a x 系统中现有的关键技术 2 1 主要包括以下几个方面： ( 一) o f d m 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下 一代蜂窝移动系统的关键技术之一，3 g p p 已将o 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 技术为物理层技术，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，上行链路采用t d m a 多址方式，下行链路 采用t d m 复用方式，可以采用s t c 发射分集以及a a s 自适应天线系统。无线 城域网o f d m a 物理层采用o f d m a 多址接入方式，支持t d d 和f d d 双工方 式，可以采用s t c 发射分集以及a a s 。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 的f f r 点数，通常向下数据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以及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( m a p ) 分配 子信道传输上行数据流。虽然o f d m 技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义 了s e a la b l e f f t ，可以根据不同的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能 够以高性能的方式工作。 ( 二) h a r q h a r q 技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为 重传可以带来合并增益，所以间接扩大系统的覆盖范围。在1 6 e 的协议中虽然规 定了信道编码方式有卷积码( c c ) 、卷积t u r b o 码( c t c ) 和低密度校验码( l d p c ) 编码，但是对于h a r q 方式，根据目前的协议，1 6 e 中只支持c c 和c t c 的h a r q 方式。具体规定为：在1 6 e 协议中，混合自动重传要求( h a r q ) 方法在m a c 2 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 部分是可选的。r a r q 功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中用消 息s b c 被确定和协商的。r a r q 是基于每个连接的，它可以通过消息d s a d s c 确定每个服务流是否有h a r q 的功能。 ( 三) a m c a m c 在w 孙嗄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 的技术特征来实现a m c 功能。与c d m a 技术不同的是，由于w i m a x 物理层采用的是o f d m 技术，所以时延扩展、多普勒频移、p a p r 值、小区的干 扰等对于o f d m 解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到a m c 算法中， 用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。w f l v i a x 标准定义了多种 编码调制模式，包括卷积编码、分组t u r b o 编码( 可选) 、卷积t u r b o 码( 可选) 、 零咬尾卷积码( z c r o t a i l b a i t i n g c c ) ( 可选) 和l d p c ( 可选) ，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。 ( 四) 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s i s o 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s i s o 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间复用和空时编码的形 式。目前m i m o 技术正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，还需要一段时间才 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。 ( 五) q o s 机制 在w i m a x 标准中，m a c 层定义了较为完整的q o s 机制。m a c 层针对每 个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括速率、延时等指标。w i m a x 系统所 定义的4 种调度类型只针对上行的业务流。对于下行的业务流，根据业务流的应 用类型只有q o s 参数的限制( 即不同的应用类型有不同的q o s 参数限制) 而没 有调度类型的约束，因为下行的带宽分配是由b s 中的b u f f e r 中的数据触发的。 这里定义的q o s 参数都是针对空中接1 2 1 的，而且是这4 种业务的必要参数。 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 1 3 课题研究的目的和意义 随着通信技术的飞速发展以及人们日益增长的需求要求，高速率以及移动性 的业务越来越符合人们的需要。作为一种新兴的无线宽带接入技术，w i m a x 系 统能够提供比其他接入技术更高的接入速率，满足用户在业务速率上的要求；但 是随着w i m a x 向移动环境应用的发展，特别是i e e e8 0 2 1 6 e 标准的应用，在 移动环境中遇到的一些复杂效应对系统性能的影响也将越来越明显。本论文主要 考虑解决了如下两个关键问题： 首先，无线信号受到多径效应的作用会产生严重的幅度衰落和时延扩展，尤 其是在高速速率业务的条件下，影响会变得非常明显，系统性能将造成严重的恶 化。w i m a x 中虽然采用了各种先进技术比如o f d m 等等来保证系统的传输性 能，但是为了更进一步提高w i m a x 系统的抗干扰性能，我们有必要提出一种新 的方案来解决这个问题。本设计就是研究w i m a x 系统的物理层传输技术，包括 编码、交织以及o f d m 调制技术【3 】等等，提出通过添加c r c ，在接收端来已知 r s 码的错误字节位置，从而将r s 码的纠错能力提高到原来的两倍，使得w i m a x 系统的传输性能得到更好的提高和改善。 另外一方面，由于无线信道的多径传播特性，宽带信号在无线信道中将经历 频率选择性衰落，导致o f d m 系统各个子信道的传输特性可能各不一样。对于 某一个用户来说，在某一时刻最优的比特和功率分配的结果，可能只用到所有子 信道的一部分，其余的子信道则不使用。因此，对于o f d m 系统，自适应比特 和功率分配算法中非常重要的步骤，就是优化传输带宽，即确定所有可用子信道。 同时，由于无线环境下的信道特性可能是时变的，当信道条件发生改变时，自适 应分配算法需要能够及时调整比特和功率在不同子信道之间的分配，从而跟踪信 道的变化。为了使系统能够及时响应信道的变化，自适应分配算法的复杂度必须 足够低，从而使系统硬件速度达到要求。因此我们有必要提出一种在满足性能要 求同时，复杂度又非常低的自适应分配算法。这同样是本论文的研究重点内容之 1 4 论文的内容和结构安排 本论文主要针对w i m a x 系统的物理层传输技术，搭建了w i m a x 物理层传 输仿真平台，包括编码、交织以及o f d m 调制技术等，并进而提出了添加c r c 后的r s 编译码方案，使得w i m a x 系统的传输性能得到更好的提高和改善；同 4 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 时根据w i m a x 系统的特点，通过对自适应算法的研究，提出了基于传输带宽优 化的自适应比特和功率分配算法在w i m a x 系统中的应用，最后通过仿真得出新 算法在w i m a x 系统中，不仅可以保证系统的误码性能，更重要的是其算法复杂 度比传统算法都要低。全文的结构如下： 第一章介绍w i m a x 系统的背景及研究现状，包括w i m a x 系统中采用的关 键技术，提出本文拟解决的关键问题，介绍本文研究内容的选取原因，综述研究 工作的范围和本文的结构。 第二章从w i m a x 系统的物理层传输技术出发，阐述了w r l m a x 系统中原有 的各种模块，通过m a t l a b 搭建整个w i m a x 系统的物理层传输仿真平台，包 括随机化扰码、r s 码、卷积码、星座符号映射以及o f d m 调制等等，并且通过 仿真结果表明，原系统在一定的目标误码率条件下，对接收信噪比的最低要求还 可以进一步地提高。 第三章首先详细介绍了r s 编译码的原理，然后根据无线信道存在各种效应 对系统性能的影响，尤其是在高速率业务的环境下，系统性能更容易恶化，提出 了添加c r c 后的r s 编译码方案，通过c r c 校验，在接收端能已知r s 码中发 生错误的字节位置，从而将r s 码的纠错能力提高到两倍，并且通过仿真分析系 统性能。 第四章根据宽带信号在无线信道中的频率选择性衰落和时变性的特点，在 w i m a x 系统中提出了采用基于传输带宽优化的自适应分配算法，通过搭建 w i m a x 系统的物理层传输平台和信道模型，重点仿真了新算法在w l m a x 系统 中的应用，通过仿真结果表明：基于传输带宽优化的自适应分配算法不仅能够保 证w i m a x 系统的误码率性能，并且和传统的算法相比，该算法具有更低的复杂 度性能。 第五章为论文总结和下一步的研究工作。 5 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 2 1 总述 第二章w i m a x 系统的物理层传输技术 w i m a x 系统主要有两个技术标准，一个是指满足固定宽带无线接入的 w i m a x 8 0 2 1 6 d 标准，另一个是满足固定和移动的宽带无线接入技术 w i m a x 8 0 2 1 6 e 标准。i e e e8 0 2 1 6 d e 标准物理层支持t d d 和f d d 模式，两 种格式下都采用突发格式发送。另外i e e e8 0 2 1 6 d e 标准都没有具体规定载波的 带宽，系统可采用1 2 5 - 2 0 m h z 的带宽。 i e e e8 0 2 1 6 d 和i e e e8 0 2 1 6 e 标准的物理层实现方式基本一致，但i e e e 8 0 2 1 6 e 协议重点关注o f d m a 物理层标准，两者的区别在于i e e e8 0 2 1 6 e 对 o f d m a 进行了扩展，使得可支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点和1 2 8 点的i f f t 变 换，以适应不同地区从2 0 m h z 到1 2 5 m h z 的不同载波带宽的需要。本章主要关 注了i e e e8 0 2 1 6 d 和i e e e8 0 2 1 6 e 标准的整个物理层传输技术，并且对i e e e 8 0 2 1 6 e 系统进行了m a t l a b 性能仿真。首先数据通过物理层和m a c 层的接口 进入缓冲区，然后数据从数据缓冲区中取出进行分组，再进行随机化扰码，分组 编码，卷积编码，交织编码以及o f d m 调制等等，接收机则按相反的次序进行。 w i m a x 系统的物理层传输平台【4 】如图2 1 所示，每一个模块完成相应的功能。 塑部神搿h 面可斗磊计丁面 星襄嚣号h m 调制k - q 信遣 解交织卜一v i t e r b i 译码卜_ 叫r s 译码 2 1 1 物理帧结构 随机化 解扰 图2 - 1w i m a x 的物理层传输系统 数据输出 w i m a x 标准物理层支持t d d 和f d d 两种模式，o f d m 物理层支持基于帧 6 型 j 目 一1l 审一一卜调二特m 工韩 d 二健 【_ r 一一尝月焉 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 的发送。一个帧由下行链路子帧和上行链路子帧组成。一个下行链路子帧仅仅由 个下行物理层p d u 组成。一个上行链路子帧包括指配用于初始测距和带宽申 请的竞争区间，以及一个或者多个上行链路物理层p d u 。每个p d u 来自不同的 用户s s 。 一个下行链路物理层p d u 由长前导开始，用于物理层的同步。前导后紧跟 着的是f c h ( f r a m ec o n t r o lh e a d ) 。f c h 突发为1 个o f d m 符号长度，强制使 用编码率1 2 的b p s k 方式。f c h 包括d lf r a m ep r e f i x ，用于指定紧跟f c h 的 一个或者几个下行链路突发的突发参数和长度。如果在当前帧发送d l m a p 信 息，应该是在f c h 之后的第一个m a cp d u 。u l m a p 紧跟在d l - m a p 之后( 如 果有的话) 或d l f p 之后。如果在这个帧中传送u c d ( 上行链路信道描述符) 和d c d ( 下行链路信道描述符) 信息，它们应该紧随d l - m a p 和u l - m a p 信 息。虽然b u r s t # 1 包括m a c 控制广播信息，但并不是必须使用b p s k 调制编码 方式。可以使用b s 下的所有s s 都支持的更为有效的调制编码方式。 f c h 后面是一个或者多个下行链路突发，每个突发按照不同参数发送。每 个下行链路突发由整数个o f d m 符号组成。第一个下行链路突发的位置和参数 在下行帧前缀( d l f p ) 中指定。最大可能数目的后续突发的位置和参数也必须 在d l f p 中指定。在规定的l o s td l m a pi n t e r v a l 时间范围内，至少有一个完整 的d l m a p 在b u r s t # l 中广播传送出去。其他突发的位置和参数指定在d lm a p 中。突发参数由4 比特的r a t ei d ( 用于第一个下行链路突发) 指定，或者d i u c 指定。d i u c 编码在d c d ( 下行链路信道描述符) 信息之中定义。h c s 域位于 d l f p 的最后一个字节。如果在d l f p 有未使用的i e ，第一个未使用的i e 必须 编码为0 。 在o f d m 物理层，无论是下行链路还是上行链路的物理层突发，都由整数 个o f d m 符号组成。o f d m 符号传输m a c 信息，即m a cp d u 。为了组成整数 数量的o f d m 符号，在突发载荷中未使用的字节应该填充字节0 x f f 。然后载荷 使用标准中定义的突发物理层参数进行扰码，编码，调制。如果s s 在上行链路 指配区没有任何数据发送，s s 应该发送一个上行物理层突发包，它包含带宽请 求头( b r = o ) 和它的基本c i d 。如果指配区足够大，一个具有a a s 功能的s s ， 还可以提供a a s 反馈响应( a a s f b c k r s p ) 信息。s s 可以发送一个不使用整 个u l 指配区上行链路物理层突发。 在t d d 模式下，w i m a x 系统的o f d m 物理帧结构如图2 2 所示： 7 ，、， 图2 - 2t d d 模式下的o f d m 物理帧结构 同样，f d d 模式下，w i m a x 系统的o f d m 物理帧结构如图2 - 3 所示： t i m e | _ f r a m e n - 1 f r a m er lf r a m en 十l f r a m e n + 2 】 s 高确眦、 -， 一 d l p h y p d u o n eo rm o 他d lb u r s t s e a c hw i 曲d i f f e r e n tm o d u l a d o w c o d i n g , t r a n s m i t t a l mo r d e ro f d e c r e a s i n gr o b u s t n e s s d l d l p r e a m b l ef c hd l h 亘s 群m b u r s t 撵l b u r s t 撑2 ：、= = - - _ b r o a d c a s tr e g u l a rm a c m a c m s g lm a c m s g n d l f p p a d m s g s p d u s ( m a cp d u 1 ) l( m a cp d u n ) 2 2 扰码 u ls u b f r a m e i t - 【c o n t e n t i o ns l o t c o n t c n t i o l as l o tu l p h y p d u f o rm i t i a lr a n g i n gf o rb wr e q u e s t sf r o ms s 撑l 图2 - 3f d d 模式下o f d m 物理帧结构 在下行链路和上行链路的每个突发数据包都要进行扰码操作【5 1 ，就是说对于 每个指配的数据块( 在频域的子信道和时域的o f d m 符号) 分别使用不同的扰码 8 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 器。如果发送数据的数量与指配数据的数量不相等，在每个发送数据块的尾部填 充0 x f f ( 仅仅1 ) 。对于r s c c 和c c 编码数据，在每个发送数据块的尾部进行填充， 直到指配的数据数量减去1 个字节，这个字节保留给f e c 编码的尾部字节( 0 x 0 0 ) 。 对于b t c 和c t c ，如果实现的话，则一直填充到所指配的数据数量。 对每次新的指配，扰码器的移位寄存器应该初始化。p r b s 多项式为1 + x 1 4 + x 1 5 ，如图2 - 4 所示。每个发送的数据字节应该串行进入扰码器，首先是m s b 。 前导码不进行扰码处理。种子值与每个突发的串行比特流进行异或来计算扰码比 特。仅对信息比特进行扰码。 l s b 图2 4 用于扰码的p r b s 扰码器输出的比特应该送给编码器。 在下行，在每个帧起始处扰码器以序列1 0 0 10 1 0 10 0 0 00 0 0 重新初始化。扰 码器不应该在突发包# l 复位。在后面突发包的起始处，扰码器应该按照图2 5 所示的向量初始化。用于初始化的帧计数指下行突发开始被发送的帧计数号。 b s i d d i u cf r a m en u m b e r m s b b 3b 2b lb ob 3 b 2 b 1 lb o b 3ib 2b l lb o l s b m s bb 1 4 b 1 3 b 1 2b 1 1 | 1 l1 | b 8b 7 b 6 | b 5l 1 l b 3b 2l b llb o il s b 图2 - 5 用于突发包带2 # n 的o f d m 扰码器下行链路初始化向量 在上行链路，扰码器初始化向量如图2 6 所示。用于初始化的帧计数指上行 突发开始被发送的帧计数号。 b s i d u i u cf r a m en u m b e r m s bb 3 b 2b lb o b 3b 2b lb o b 3 b 2 | b ll b o l s b m s bb 1 4 b 1 3 b 1 2b l i i li | b 8 b 7b 6b 51 l b 3ib 2 b lb o l s b 图2 - 6o f d m 扰码器上行链路初始化向量 在接收端，由于随机化扰码器的本质是把数据与一个随机化序列相异或，而 9 北京邮电大学硕士学位论文w i m a x 系统物理层传输技术研究与改进 与同一序列异或两次即可恢复原数据，所以解扰与加码是完全对应的关系，在接 收方把接收数据按相同的方式( m s b 在前) 进入到随机化解扰器，与同一随机化序 列进行异或，即完成了解扰。 2 3 前向纠错编码 在无线通信系统中，通常采用两次附加纠错码的前向纠错( f e c ) 编码来提 高信息传输的可靠性问题。r s 编码属于第一个f e c ，也可以称为外编码。第二 个附加纠错码的f e c 一般采用卷积编码，又称为内编码。外编码和内编码结合 一起，称之为级联编码。级联编码后得到的数据流再按规定的调制方式对载频进 行调制。前向纠错码( f e c ) 的码字是具有一定纠错能力的码型，它在接收端解 码后，不仅可以发现错误，而且能够判断错误码元所在的位置，并自动纠错。这 种纠错码信息不需要储存，不需要反馈，实时性好。所以在很多无线系统中都采 用这种信道编码方式。 w i m a x8 0 2 1 6 系统中，f e c 由级联的r s 外编码和一定比率的卷积内编码 组成，上行链路和下行链路应该支持。在请求接入网络和f c h 突发包中，应该 使用编码率为1 2 的r s c c 编码模式。编码过程是首先数据以块的形式经过r s 编码器，然后经过0 截止的卷积编码器。 2 3 1l 塔码 为了了解r s 码的编码和译码，有必要深入到成为伽罗华域( g a l o i sf i e l d ，g f ) 的有限域中。对于任何质数p ，存在一个有限域，表示为g f ( p ) ，其中包含有p 个元素。可以将g f ( p ) 延伸为一个含有2 p 个元素的域，这称为g f ( p ) 的扩展域， 表示为g f ( 2 p ) 。m 是一个非零正整数。扩展域g f ( 2 m ) 中的码元用于构造r s 码。 除了数字0 和1 ，在扩展域中还有特殊的元素，用一个新的符号口的幂次表示。 元素的无限集f ，就是根据元素集 o ，l ，口) 而形成的，后一个元素通过前一项 乘以口 而得到，f = o ，1 ，口，口2 ，口7 ，) = o ，口o ，口，口2 ，口7 ，) 对f 域施加条件，使它只能含有2 一个元素并且对乘法封闭。域元素集对乘法封闭 的条件可由不可约多项式表示，口( 2 w - 1 ) + l = 0 ，根据这个多项式