（交通运输工程专业论文）wimax网络技术及其在公路中应用.pdf

摘要 w i m a x ( 全球微波接入访问) 是基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的o f d m a ( 正交频分多址复用) 技术，它在吞吐量、延时、频谱效率、支持智能天线方面有诸多优势。与现在的广域无 线数据技术相比，能提供更好的服务。此外许多4 g 的下一代无线数据技术可能演变为 o f d m a 和所有基于i p 网络，提供一个理想的经济的无线数据服务。真正宽频速度可望超 过其它无线网络使大众市场认可。w i m a x 今天已经成为宽带无线网络的标准，将会使普 遍连通这一梦想变为现实。 本文阐述了w i m a x 网络技术、网络应用、网络安全性与可靠性、市场定位与发展前 景，以及它所面临的机遇和挑战。通过公路无线热点接入实例验证，证实利用w i m a x 技 术组建和完善现有监控系统，可实现对公路的使用状况、安全营运、收费、事故现场进 行无盲点监控，能极好地提高工作效率。 关键词：w i m a xi e e e 8 0 2 1 6o f d m am i m o 无线接入公路监控实例测试 a b s t r ac t 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 ) i sb a s e do nt h ei e e e s 0 2 16 s t a n d a r do f d m a ( o 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 ea c c e s sm u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g y , w h i c hi nt h et h r o u g h p u t ，l a t e n c y , s p e c t r u me f f i c i e n c y , s m a r ta n t e n n a sh a v em a n ya d v a n t a g e s a tp r e s e n ti tc a np r o v i d eb e t t e rs e r v i c et h a nw i d e - a r e aw i r e l e s sd a t as e r v i c e ，a n dm a n yo ft h e n e x tg e n e r a t i o n4 gw i r e l e s sd a t at e c h n o l o g ym a ye v o l v et oo f d m aa n da l li p b a s e dn e t w o r k t op r o v i d ea ni d e a le c o n o m i cw i r e l e s sd a t as e r v i c e s t r u l yb r o a d b a n ds p e e di se x p e c t e do v e r o t h e rw i r e l e s sn e t w o r ks ot h a tt h ep u b l i cr e c o g n i t i o n w i m a xt o d a yh a sb e c o m eab r o a d b a n d w i r e l e s sn e t w o r ks t a n d a r d s ，u n i v e r s a lc o n n e c t i v i t yw i l lm a k et h ev e r s i o na r e a l i t y t h ep a p e rd e s c r i b e st h ew i m a xn e t w o r kt e c h n o l o g y , n e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，n e t w o r k s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y , a n dm a r k e tp o s i t i o na n dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n ta n di tf a c e st h e o p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e s b yh i g h w a yw i r e l e s sh o t s p o ta c c e s sv e r i f i c a t i o n ，c o n f i r m e dt h a t t h eu s eo fw i m a x t e c h n o l o g yt oo r g a n i z ea n di m p r o v et h ee x i s t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m ，c a n b eu s e do nt h eh i g h w a yc o n d i t i o n s ，s a f eo p e r a t i o n ，c h a r g e s ，t h es c e n eo ft h ea c c i d e n tf o rn o b l i n ds p o tm o n i t o r i n g ，c a nb ea ne x c e l l e n tw a yt or a i s ew o r ke f f i c i e n c y k e y w o r d s ：w i m a x i e e e 8 0 2 16o f d m am i m ow i r e l e s sa c c e s s h i g h w a y m o n i t o r i n ga p p l i c a t i o nt e s t i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：邻耷i 讳 细7 年口6 月tf 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鄯名i 麟 砷年。6 月l f 日 导师签名： 疑可 炒7 年莎月门日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近几年，我国公路蓬勃发展。无论是每年以几千公里的速度递增的公路，还是数以 万计的乡村公路，已逐步成为拉动内需，促进国民经济快速发展的重要因素之一。公路 建设已受到各级政府的高度重视。随着公路的不断延伸，为道路交通运输的迅速发展创 造了有利条件。 同时，近十年车辆更新换代步伐也在加快，高档客车和大吨位货车日益增多，运输 效率、服务水平和道路运输在国民经济中的地位空前提高。为了保证公路的正常动作， 为老百姓带来更多的效益，全国的各地的公路管理部门也在探索如何利用各种新兴的技 术对公路业务进行扩展和改良，以提高工作效率。总括来看，公路的业务主要包括有以 下几类 文献0 1 ： 公路收费业务 公路机电管理业务 公路监控业务 公路路政管理业务 公路维护业务 上述业务中有部分是传统业务，如机电建设、公路维护及监控系统等，对于这些传 统的业务，我们可以利用当前日益强大的计算机处理能力，将先进的数据通信技术、电 子控制技术等有效地综合运用于整个公路管理。对传统的业务进行信息化、数字化，以 求最终形成一个“数字化公路 。 而在其中的公路收费业务，收费方式也已从传统手工收费逐渐发展到手工收费计算 机管理、联网收费等形式，并在有条件的逐步向不停车电子收费过渡。收费系统在计算 机系统的提升下，发展迅速。而从收费系统开始，无线数据技术正在悄悄的进入到公路 业务运营的方方面面。 1 2 无线数据技术简介 所谓“无线数据技术 是指利用非物理线路来进行数据交换的数据传输链路。利用 无线数据技术来组建网络，最大的特点及好处是可以摆脱光纤及有线网络的困扰，可以 在很短的施工周期内建设好数据网络，同时还具有维护简单、扩展性好的优势。 当前，常用的无线数据技术主要包含有以下几种： 1 第一章绪论 w l a n w i m a x 一一w o 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 3 g u w b - - 超宽带( u l t r aw i d e b a n d ) b l u e t o o t h 蓝牙 z i g b e e 紫蜂 上面几种无线组网技术中，u w b 是一种“特立独行”的无线通信技术，它能为无线 局域网l a n 和个人局域网p a n 的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的 无线通信技术。u w b 解决了困扰传统无线数据技术多年的有关传播方面的重大难题，具 有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘 米级的定位精度等优点。但是同时其传输距离短，无法进行中长距离的数据传输，就公 路的业务应用而言，u w b 技术只能是作为公路服务区、管理中心的小型网络建设技术。 b l u e t o o t h 偏重于小型终端通信，z i g b e e 偏重于传感器网络。 此外，3 g 技术高高在上，参与我国3 g 牌照竞争的共有三种标准，分别是c d m a 2 0 0 0 、 w c d m a 和t d s c d m a 。据了解，3 g 技术试验第二阶段外场测试结果表明，目前3 g 技术已 经基本成熟，3 g 终端种类也相对丰富。但在国内始终没有一种明确的官方说法，而3 g 由于其技术的先进性，人们对它仍然存在期盼。 另外，w i m a x 是i e e e 的i e e e 8 0 2 1 6 标准，全称为全球微波接入互操作系统。它能 够实现5 0 公里的覆盖距离，并支持高达7 0m b p s 的峰值速率。正是由于其大范围覆盖和 超高速性能，w i m a x 曾一度被部分媒体称之为3 g 的终结者。利用这种技术来实现高速的 大范围面积覆盖有其先天优势。而w l a n 技术则是用来实现园区内和室内覆盖。 针对上述各种无线数据技术，总结如表1 - 1 所示。 1 3 无线数据技术在公路的业务应用 不同的无线数据技术具备有不同的技术优势及使用成本，而这里将会针对使用什么 样的技术提升公路的业务运营及扩展进行简单的阐述 文献0 7 。 公路目前正在使用的无线数据技术包括有：d s r c 、w l a n 及c d m a g p r s 无线公网等几 种。最早在收费系统中，使用的是d s r c 无线数据技术来进行收费、车道的改造，率先在 收费运营系统上完成了无线数据技术的应用，大大方便业主管理，减少了人员成本，同 时也提高工作效率。除此之外，公路的收费业务未来必然是向不停车收费发展，而不停 2 长安大学硕士学位论文 车收费就是基于在无线数据传输的技术上实现的。 表1 - 1 常见无线数据技术总结表 序号 技术内容 速率 距离应用备注 手机、掌上电 1w l a n2 5 4 m b s 中长距离 脑 笔记本电脑和 2w im 议 7 0 m b s5 0 公里范围内 p d a 高速移动1 4 4 k b s ， 33 g 步行慢速3 8 4 k b s ，无距离限制无线公网 静止2 m b s 。 4b l u e t o o t h i m b s短距离小型终端 几十m b s 到几百 5u w b 约5 米室内通信 m b s 6 z i g b e e 2 5 0 k b s 短距离传感器 随后，部分收费站因为扩建需要，但是由于一些其它原因又不能重新敷设光纤，为 此引入了w l a n 技术，利用该技术可以很方便地进行无线组网，不再需要敷设光纤，也不 受铺设线缆的困扰，只需要通过简单的端口配置，即可以实现局域网组网，实时把收费 数据上传到中心。再到后来，利用g p r s c d m a 无线公网作为通讯网络技术控制外场设备， 如利用g p r s 无线公网对公路电子信息牌进行信息发布控制。 注：d s r c ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) 专甬短程通信是i t s 智能运输系 统领域中专门甬于机动车辆在公路等收费点实现不停车皂动收费e f c ( e l e c t r o n i cf e e c o l l e c t i o n ) l 彩1 j 7 e , 也就是长距离r f i d 射频识翻( 又称电子标签e - t a g ) o 国际上9 s r c 专甬短程通信技术曾出现3 个i 要的i 作频段：8 0 0 - 9 0 0 m h z 、2 4 g h z 和5 8 g h z 频段b 前我们国家采甬的是源于i s o c 2 0 4 国际标准化组织智能运输系统 技术委员会( 国内编号为s a c ，t c 2 6 8 ) 的5 7 9 5 - 5 8 1 5 g h zi s m 频段。下行链路 ( d 一1 i n k ) 5 0 0 k b p 2 - a ：i t ；上行链路( u 一1 i n k ) 2 5 0 k b p 2 一p s x 的技术标准1 o i s o t c 2 0 4 c 聃t c2 7 8d s r c 技术标准主要涉及蓟“交通专甬短程通信d s r c 和 信息交换、电子收费与支付系统e p c 等”2 的物理甚( l 1 ) 、链路甚t l 2 ) 和应用层( l 7 ) 协 议。 3 第一章绪论 1 4 本文研究的主要内容 监控系统是公路建设业务的一个重要组成部分，大部分公路及城区主干道都建设了 很好的监控系统。利用监控系统对公路的使用情况、安全营运、收费、事故现场进行监 控，极好地提高工作效率。但是，由于建设成本过高，不可能整条公路实现无线盲点监 控，这样就会导致一些事故现场的情况不能通过监控系统反映到管理中心。而利用无线 数据技术实施监控系统作为现有监控系统的补充，则会弥补这方面的不足。 现在已经可以利用c d m a g p r s 无线公网进行视频数据传输，从而为视频监控找到一 个新的技术应用方向。实际使用中，可以发现无线公网的带宽有限，传输速率低，例如 g p r s 的标称峰值速率为11 5 2 k b i t s ，c d m al x 系统的标称峰值速率为1 5 3 6 k b i t s 。而 在实际应用中即使是c d m a 的上传速率在一般的应用中只能达到7 0 k b i t s 左右，远远无 法达到峰值。w l a n 有很好的带宽，但在城区建筑物众多，信号遮挡较为明显。因此，无 线数据传输技术所能输送的数据量不能太大，否则会造成数据丢失而达不到传输的最初 目的。为了进一步提升传输速率，使用目前w i m a x 无线数据技术已经成为一种不可多得 的选择。 尽管无线数据技术目前正在处在蓬勃的发展阶段，但还有许多的新兴技术没有得到 广泛的使用。例如w i m a x 无线网络在我国，目前还没有正式商用，w i m a x 牌照发放日期 迟迟难以确定，同时缺乏真正“高端 应用等多方因素的制约，w i m a x 的发展之路注定 一路坎坷。但对于w i m a x 代表着未来的发展趋势却勿庸置疑。w i m a x 可提供丰富多彩的 移动多媒体业务，其传输速率为7 0m b s 。提供了更大的系统容量、更好的通信质量、 更高的频率复用系数，更强的抗多径能力。 4 长安大学硕士学位论文 第二章w im a x 网络技术 2 1w im a x 的定义 w i m a x 全称为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 ，即全球微波接入访 问，是一项基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的新的宽带无线接入城域网技术( b r o a d b a n dw i r e l e s s a 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 ) 。它是针对微波频段提出的一种新的空中接口标 准。 w i m a x 的基本目标是提供一种在城域网接入多厂商环境下，确保不同厂商的无线设 备互连互通；主要用于为家庭、企业以及移动通信网络提供最后一公里的高速宽带接入， 以及将来的个人移动通讯业务。技术标准基于i e e e 8 0 2 1 6 系列标准，主要是i e e e 8 0 2 1 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 。该标准仅仅制定了物理层( p h y ) 和媒质接入层( m a c ) 的规范。 为了推广i e e e 8 0 2 1 6 无线宽带接入技术，促进和认证符合i e e e 8 0 2 1 6 标准的宽带 无线接入设备的兼容性和互操作性，由i n t e l 和n o k i a 在2 0 0 1 年发起并成立了w i m a x 论坛组织，该组织是非盈利性、非官方的工业联盟贸易组织，目前有3 0 0 多位成员，包 括运营商、芯片厂商、设备厂商等参与的w i m a x 论坛组织，形成了完整的产业链。 2 2w im a x 技术特点 和目前的其它技术相比，w i m a x 具有以下的技术特点： 标准化、成本低：由于使用同一技术标准，不同厂商设备可在同一系统中工 作，增加了运营商选择设备时的自主权，降低了成本： 数据传输速率更高：w i m a x 所能提供的最高接入速度是7 5 m b p s ，目前实际应 用时每3 5 m i l z 载波可传输净速率为1 8 m b p s ，频率利用系数高； n l o s ( 非视距传输) ：采用o f d m o f d m a 技术，具备非视距传输能力，可方便 更多用户接入基站，大大减少基础建设投资： 传输距离远：最大传输半径5 0 公里，是无线局域网所不能比拟的； 部署灵活，配置伸缩性强，可平滑升级：根据业务需求区域灵活部署基站， 网络建设初期，可选用最小配置，根据业务增长，逐步增加设备； 无“最后一公里瓶颈限制：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： 同时支持数百个企业级和家庭d s l 连接； 5 第二章w i l v l a 2 ( 网络技术 提供广泛的多媒体通信服务：能够实现电信级的多媒体通信服务，支持语音、 视频和i n t e r n e t 。 2 3w im a x 支持的业务 针对w i m a x 技术的特点，w i i a x 需要支持的业务有以下5 类： 多人交互式游戏； v o l p 和视频会议； 流媒体下载； 网页浏览与及时信息； 媒体内容下载。 2 4w i m a x 技术关键理论 w i m a x 作为当今热门的宽带接入技术，受到越来越多的关注和重视。以下就从w i m a x 采用的关键技术进行介绍说明。 2 4 1w im a x 与ie e e 8 0 2 16 w i m a x 是一种无线城域网( w m a n ) 技术，作为线缆和d s l 的无线扩展技术实现无线宽 带接入。在2 0 m h z 信道带宽、6 4 q a m 调制、最高的信道编码效率下，w i m a x 的理论最高速 率可达到7 5 m b i t s 。 根据是否支持移动特性，i e e e 8 0 2 1 6 的空中接口标准又可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。i e e e 8 0 2 1 6 主要提供城域范围的宽带无 线用户接入，面向企业、社区、家庭及公共部门，作为宽带网络的无线延伸。 作为宽带无线城域网的i e e e 8 0 2 1 6 标准具有如下特点：支持l o s 和n l o s 传播，最 大传输距离为5 0 公里，支持网格组网；支持可变速率传输，最高7 5 m b i t s 2 0 m h z ；双 工方式可选择f d d t d d ；m a c 层的q o s 机制及多业务支持能力；开放的技术发展空间，支 持m i m o 等技术的运用；共享核心网，简明的网络发展之路。 2 4 2w im a x 关键技术理论 2 4 2 1o f d m 一正交频分复用 o f d m ( 正交频分复用) 技术实际上是m c m ( 多载波调制) 的一种。其主要思想是把高速 数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低，符号 持续时间大大加长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响。通常 6 长安大学硕士学位论文 在o f d m 符号前加入保护间隔，只要保护问隔大于信道的时延扩展就可完全消除符号间干 扰 文献0 2 。 ( 1 ) 0 f 瑚的实现原理 正交频分复用0 f 叫( o 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 ) 是一种多载波 调制方式通过减小和消除码问串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原 理是将信号分割为n 个子信号，然后用n 个子信号分别调制n 个相互正交的子载波，然 后将高速数据信号转换成多个并行的低速子数据流，调制到每个信道的子载波上进行窄 带传输。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰 落，从而可以消除信道波形闻的干扰。由于0 f 叫是一种多载波调制技术，o f d m 系统采 用正交方法来区分不同子载波，子载波间的频谱可以相互重叠，这样不但减d y 子载波 间的相互干扰，同时又极大地提高了频谱利用率。如图2 - l 可见o f d m 的正交性。 圈2 - lo f d m 信号频谱 当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码问串扰的作用， 子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保 护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护问隔的多径信号将不会延伸到下一个码 元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小i s i 的影响，需要 采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。 第二章w i m a x 网络技术 由于o f d m 系统中有大量载波，所以在实际应用中不可能像传统的处理方法一样，使 用几十个甚至几百个振荡器和锁相环进行相干解调。因此，w e i n s t e i n 提出了一种用离 散傅里叶变换实现o f d m 的方法。 图2 2 是o f d m 基带信号处理原理图。其中，图2 2 ( a ) 是发射机工作原理，图 2 2 ( b ) 是接收机工作原理。 笼射l 愿z 睢喙鹾9 敛 吁 褛牧机i 作甄理 图2 - - 2o f d m 基带信号处理原理图 设o f d m 信号发射周期为 o ，t ，在一个周期内传输的n 个符号为( d 0 ，d 1 ，d n 一1 ) 。 第k 个符号d k 调制第k 个载波f k ，所以合成的o f d m 信号为： s ( o ：r e 一v - i d e j 2 n f , 7 ) t 6f o ，t 式z - l 其中：设发射载频为f o 。为使各子裁波张整个0 f d m 信号的符号岗期内满足正交性，令f k = f o + k f ( k 兰0 1 n - 1 ) f 为子载波之间的频率闻隔取： f = 上= 上 tn l i 式2 - 2 式中f i 为符号序列( d o d 。，d n - i ) 的时问间 隔。显然，t = n t 6 。则： 8 长安大学硕士学位论文 s ( o 皇r e z “d e j 一2 勿f h 7 ) 皇 f ) = r e i 篁d 2 万( f o j r , + 李) ，j= r e i d - e _ ，z 万+ 亍j ，j = r e l ( 芝d 一，加李，) e 2 矾，) = r e 【c ( ，) e j z 刀f o t 式2 - 3 其中s ( t ) 信号的复包络x j c ( ，) = 芝帅胁多r式2 4 如果以z = 百1 为采样额率对d t ) 采样那么一个发射 _ 周期内共有 一个采样值，取0 n n 一1 ，吼q 有： 砌复q ，) i ，吲 式2 5 由式可见，以f s 对c ( t ) 采样所得的n 个样值( c 0 ，c 1 ，c n 一1 ) 刚好为( d 0 ，d 1 ， d n - 1 ) 的n 点反向离散傅里叶变换( i d f t ) 。因此o f d m 系统可以这样实现：在发射端，先 由( d 0 ，d 1 ，d n - 1 ) 的i d f t 求得( c 0 ，c 1 ，c n - 1 ) ，再经过低通滤波器即得所需的 o f d m 信号c ( t ) ：在接收端，先对c ( t ) 采样得到( c o ，c 1 ，c n - 1 ) ，再对( c 0 ，c 1 ， c n - 1 ) 求d f l ，即得( d 0 ，d 1 ，d n - 1 ) 。 图2 - 3 所示为一个典型的基于i f f t f f t 实现的o f d m 系统模型。输入数据序列经过 编码调制后被分割为n 个并行的子信号，进行i f f t 变换，将n 路频域信号转换到n 路时 域信号，添加循环前缀后的n 路信号经并串变换后串行发送出去。 9 l 七叫r 被一 万 万 2 2 p e d d = 量 第二章w i m a x 网络技术 。 用户越dft 1 腿 i 阡t 一 用户2 ld ft 一1 扩展 k 、 f f t 到疑域i | ：l 均衡| ： d f t i 用户1 鲟_ 扩展 户2 i ) f t - $ - o f o i 发射轨d f t s - o f i ) l l 接收虮 图2 - 3d f t - s - o f d m 模型 添加循环前缀的目的就是在o f d m 有用符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道 的时延扩展就可完全消除符号间干扰。循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 通常取i f f t 输出 的有用符号的后t g 时间内的数据，将其复制添加到有用符号前，即形成循环扩展的o f d m 信元，如图2 - 4 所示。循环前缀时间长度t g 一般应为时延扩展均方根值的2 到4 倍。子 载波间隔f 为有用符号周期长度的倒数( 1 t b ) 。在i e e e 8 0 2 1 6 d 中，采用2 5 6 个子 载波的o f d m 。循环前缀时间长度t g 和有用符号周期长度t b 的比值g 的取值范围为 1 4 ，1 8 ，1 1 6 ，1 3 2 。 t b ( 2 ) o f d m 技术优势 t g 图2 - 4 循环扩展的o f d m 信元 8 ：簟环霹缓f 问长度 i ：有用并号一廓童 度 频谱利用率很高 o f d m 信号的相邻子载波之间存在正交性，子信道的频谱相互重叠，理论上可以接近 n y q u i s t 极限，可以最大限度地利用频谱利用率。而传统的频分复用系统中，子信道之 间要留有足够的保护频带。 以o f d m 为基础的多址技术o f d m a ( 正交频分多址) 可以实现小区内各用户之间的正 交性，从而有效避免用户间干扰。这使o f d m 系统可以实现很高的小区容量。 1 0 长安大学硕士学位论文 带宽扩展性强 有o f d m 系统的信号取决于使用的子载波的数量，因此o f d m 系统具有很好的带宽扩 充性。小到几百千赫，大到几百兆赫，都比较容易实现。o f d m 系统对大宽带的有效支持， 成为其决胜于单载波技术( 如c d m a ) 的决定性优势。 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强 由于o f d m 系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波符号速率，从而 减弱多径传播影响，再通过采用加循环前缀作为保护间隔，甚至可以完全消除符号间干 扰。 o f d m 将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水 平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的 复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽( 如2 0 m h z 以上) 。 频谱资源灵活分配 o f d m 系统可以通过灵活地选择适合的子载波进行传输，来实现动态的资源分配，从 而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。 实现m i m o 技术较简单 由于每一个o f d m 子载波内的信号可以看作水平衰落信道，多天线( m i m o 系统) 带 来的复杂度可以控制在较低的水平。相反，单载波m i m o 系统的复杂度与天线数量和多径 数量的乘积的幂成正比，不利于m i m o 技术的应用。 易实现性 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 有快速算法。o f d m 采用i f f t 和f f t 来实现多载 波调制和解调，易用大规模集成电路实现。 2 4 2 2 m o - 多输入多输出 m i m o 技术是针对多径无线信道来说的，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天 线和接收天线，从而提高数据速率、减少误比特率，改善无线信号传送质量。如图2 - 5 所示，m i m o 系统同时利用信道编码和多天线技术，信号s ( t ) 经过空时编码形成n 个发射 子流w k ( t ) ( k = o ，1 ，n 一1 ) 。这n 个子流由n 个天线发射出去，经空间传输后由 m 个接收天线接收。m i m o 接收机通过空时解码处理这些子数据流，对其进行区分和解码， 从而实现最佳的信号处理。m i m o 系统正是依靠这种同时使用空域和时域分集的方法来降 低信道误码率，提高无线链路的可靠性。 另一方面，这n 个子流同时发射时，只占用同一传输信道，并不会增加使用带宽。 1 1 第= 章w i m a x 月络技术 在自由空间里，m i m o 系统占用比普通天线系统更多的传输空间，用来在各发射和接收天 线间构筑多条相互独立的通道，产生多个并行空间信道，并通过这些并行的空间信道独 立地传输信息，达到了空间复用的目的，以此方式来提高系统的传输容量。 圈2 - 5m m o - 多输入多簪出 对于天线数与信道容量的关系，我们可以假设在发射端，各天线发射独立的等功率 信号，而且各信号满足r a y l e j g h ( 瑞利) 分布，根据m i m o 系统的信道传输特性和香农 信道容量计算方法，推导出平衰落m i m o 系统信道容量近似表达式为： c - r a i n ( n ，川( 半)船6 其中b 为信号带宽，s n r 为接收端平均信噪比m i n ( n 。m ) 为发射天线数量n 和接收 天线数量m 中的最小者。式 表明，在同等传输带宽，而且接收端信噪比不变化的情况 下( 基本取决于外界条件和发射功率的变化) ，多入多出系统的信道容量随最小天线数 目的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普 通智能天线系统，其容量仅随天线数量的对数增加而增加。相对而言，在不占用额外的 带宽，也不消耗额外的发射功率的情况下，利用m i m o 技术可以成倍地提高系统传输容量， 大大提高了频谱利用率，这是无线通信领域智能天线技术的重大突破。 24 23m l m o o f d m 系统 ( 1 ) m i m o 、o f d m 系统组合的必要性 在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过 程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素。然 而m i m o 系统是针对多径无线信道而产生的，在一定程度上可以利用传播过程中产生的多 径分量，多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但m i m o 对于 频率选择性衰落仍无法避免，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是o f d m 的一个长处。 长安大学硕士学位论文 o f d m 技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带 子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择 性衰落可以看作是平坦性衰落。o f d m 被认为是第四代移动通信中的核心技术，然而4 g 需要高的频谱利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率，使用o f d m 技术 的无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系 统的占用带宽。而m i m o 多天线技术能在不增加带宽的情况下，在每一个窄带平坦子信道 上获得更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的容量和频谱效率，是一种利用空间 资源换取频谱资源的技术。 因此m i m o - o f d m 系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、信号传 输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。m i m o - o f d m 系统 内组合了多输入和多输出天线和正交频分复用调制两大关键技术。这种系统通过空间复 用技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时分集和正交频分复用达到很强的 可靠性和频谱利用率。 ( 2 ) m i m o - o f d m 系统模型 在典型的m i m o - o f d m 系统模型中，发射端( n 个发射天线) 工作流程如下：输入的 数据符号流经串并电路分成n 个子符号流，采用信道编码技术对每个符号流进行无失真 压缩并加入冗余信息，调制器对编码后的数据进行空时调制：调制后的信号在i f f t 电路 中实现o f d m 调制处理，完成将频域数据变换为时域数据的过程，然后输出的每个o f d m 符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展产生的影响，每个时隙前加前缀用以定时， 这些处理过的o f d m 信号流相互平行地传输，每一个信号流对应一个指定的发射天线，并 经数模转换及射频模块处理后发射出去。m i m o - o f d m 系统模型如图2 - 6 所示。 接收端进行与发射端相反的信号处理过程，首先通过接收端的m 根接收天线接收信 号，这些信号经过放大、变频、滤波等射频处理后，得到基带模拟接收信号：并分别通过 模数转换将模拟信号转换为数字信号后进行同步，在去循环前缀后通过f f t 解调剩下的 o f d m 符号：此时，时延数据变换成为频域数据，接下来在频域内，从解调后的o f d m 符号 中提取出频率导频，然后通过精细的频率同步和定时，准确地提取出导频和数据符号， 实现数据还原。 如上说明，i f f t f f t 和循环前缀的添加和去除过程都在每一个独立的发送和接收模 块内完成，而m i m o 的空时编码和空间复用处理技术也可以应用于o f d m 的每个子载波上 ( 对应平衰落信道) 。总而言之，在m i m o - o f d m 系统中，增加了频域的分集和复用作用， 13 第二章w i m a x 月结拄术 带来了更大的系统增益和系统容量。 雄卜| 州系缱堙毫 r & 一稿舞豳蚓蔓斛 j 卅h - 采纯j 生收。m 田2 6 带自适应方案的m i 岫0 f 叫系统基奉结构 ( 3 ) w i w o - o f d m 系统的关键技术 夺w i m o 空时信号处理技术 空时信号处理是随着w i w o 技术而诞生的一个崭新的概念，与传统信号处理方式的不 同之处在于其同时从时间和空间两方面研究信号的处理问题。空时信号处理包括发射端 的信令方案和接收端的检测算法。从信令方案的角度看，w i b o 可以大致分为空时编码 ( s t c ：s p a c et i m ec o d i n g ) 和空间复用( s m ：s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 两种。 空时编码技术 空时编码技术在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的 符号错误率，通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接收端获得最 大的分集增益和编码增益：但它的缺点是无法提高数据传输速率。一般而言，空时编码包 括空时格码( s t t c ：s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) 和空时分组码( s t b c ：s p a c e t i m eb l o c k c o d e ) 。空时格码可以实现满分集增益，并且具有相应的编码增益，抗衰落性能比较好。 空时分组码也可以获得满分集增益，而且这种技术只需在接收端进行简单的线性处理， 大大简化了接收机的结构。 空间复用技术 空间复用是通过不同的天线尽可能多地在空间信道上传输相互独立的数据。m i m 0 技 术的空间复用就是在接收端和发射端使用多个天线，充分利用空间传播中的多径分量， 4 dd 长安大学硕士学位论文 在同一信道上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得信道容量随着天线 数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射 功率，因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。 目前，该技术主要的解码方法有z f 、m m s e 、m l 、b l a s t 等。典型的空间复用技术是 贝尔实验室的空时分层结构( b l a s t ) ，包括v - b l a s t ，h - b l a s t 和d - b a l s t 三种。其中最 基本的形式是针对平衰落信道的v - b l a s t 结构，它没有得到空间分集，而是纯粹的m i m o 多路传输，可获得最大速率或流量增益。 空间复用能最大化m i m o 系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益。将空间 复用和空时编码相结合，能在保证每个数据流获得最小分集增益的条件下，最大化平均 数据率，从而得到高频谱效率和传输质量的良好折中。目前将空间复用和空时编码相结 合的方案主要有两种，即链接编码和使用块码映射的自适应m i m o 系统。 令同步 对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使m i m o - o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。 由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它正 确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差会破坏子载波之间 的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤 波器来控制正确的时间进行采样。 相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟 踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响：其次也会引入一定量的信道间干 扰，因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1 t 了。 为解决m i m o - o f d m 的同步问题，出现了多种同步算法，主要是针对循环扩展和特殊 的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的e s p r i t 同步算法和 m l 估计算法，其中e s p r i t 算法虽然估计精度高，但计算复杂、计算量大；而m l 算法利 用o f d m 信号的循环前缀，可以有效地对m i m o - o f d m 信号进行频偏和时偏的联合估计，而 且与e s p r i t 算法相比，其计算量要小得多。目前，对m i m o o f d m 技术的同步算法研究得 比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可 行的。 信道估计 在m i m o - o f d m 系统中，发送端编码和接收端信号检测都需要真实准确的信道状态信 1 5 第二章w i m a x 网络技术 息。信道状态信息的准确性将直接影响着m i m o - o f d m 系统的整体性能。然而对于 m i m o - o f d m 系统，不同的信号同时从不同的天线发射出去，对于每一个天线、每一个子 载波都会对应很多个信道参数，信道参数太多，对信道估计带来了较大的困难。但对于 不同的子载波，同一空分信道的参数是相关的，我们可以利用这一相关特性得到参数的 估计方法。 信道纠错编码 纠错编码技术在现代数字通信的作用毋庸置疑，作为改善数字信道通信可靠性的一 种有效手段，低复杂度、高性能的编码方案明显可以大大提高系统的性能。在数字通信 领域，比较常用的编码方法主要有卷积码、分组码、t u r b o 码和l d p c ( 低密度奇偶校验) 码。而其中最受人们关注、理论最成熟的是t u r b o 码和l d p c 码。 t u r b o 码可获得比传统级连码更大的编码增益，被认为是大编码存储卷积码或传统 级连码的替代方案。但是，对于使用t u r b o 的系统来说，其解码的复杂度远高于编码的 复杂度，无线通信系统要求的是一个复杂度很低的终端，以尽量节省系统成本。于是， 解码复杂度低的l d p c 编解码技术开始大量运用。 l d p c ( 低密度奇偶校验码) 是一类可以用非常稀疏的p a r i t y c h e c k ( 奇偶校验矩阵) 或b i - p a r t i t eg r a p h ( 二分图) 定义的线性分组纠错码。其特点是：性能优于t u r b o 码， 具有较大的灵活性和较低的差错平底特性( e r r o rf l o o r s )