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w i m a x 关键技术与组网策略研究 摘要 随着科学技术的不断发展，人们的各种需求也在不断的膨胀，特别是对通信 技术的要求，人们希望能够得到更高的传输速率、更好的移动性能和服务质量。 这时w i m a x 技术的出现正好满足人们的这种需求。w i m a x 技术很好的解决了 “最后一公里 的接入问题。 2 0 0 7 年1 0 月，w i m a x 正式成为了3 g 标准，同时加剧了各种标准间的竞 争。目前，虽然中国的3 g 发展还不甚明了，但是各家运营商基本上已经选好了 3 g 标准，这就使w i m a x 的地位变得十分尴尬，w i m a x 能否成为真正意义上 的3 g 标准还是未知数。那么，w i m a x 应该采取什么样的策略来摆脱这种困境， 就成了很值得研究的问题。 本文首先对w i m a x 进行了简要的介绍；并分析了无线接入技术的发展趋 势。接着对w i m a x 关键技术进行了分析研究，w i m a x 关键技术包括o f d m 、 o f d m a 、m i m o 、h a r q 、a m c 和q o s 机制等，本文重点研究的是物理层关 键技术o f d m 和o f d m a ；研究了o f d m 系统中基于梳状导频的信道估计技术， 对o f d m 系统进行了仿真分析，改进了o f d m a 子载波分配算法。另外，对 w i m a x 关键技术的研究还包括各种技术的工作原理，技术特点等等。然后对 w i m a x 网络架构进行了分析，包括w i m a x 网络的各个组成部分及其相应的功 能作用等。接着将w i m a x 与其它宽带无线接入技术进行了对比分析，特别是原 有3 g 技术；总结了各种技术的技术特点，为后面对w i m a x 组网策略的研究提 供了技术依据。最后，分析了w i m a x 在中国3 g 中的地位，以及w i m a x 组网 所面临的问题，并对各种w i m a x 组网方案进行了研究分析，提出了w i m a x 在 中国发展的合理组网策略。 关键字：w i m a x 、正交频分复用、正交频分多址、组网策略 r e s e a r c ho nw l m a xk e y t e c h n o l o g i e sa n dn e t w o r ks t r a t e g y a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , p e o p l e s n e e d sa r e c o n s t a n t l ye x p a n d i n g ，p a r t i c u l a r l y t h en e e do n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y p e o p l eh o p et h a tt h e yc a l lg e ts u c hs e r v i c e w i t h h i g h e rr a t e ，b e r e rm o b i l i t ya n dh i g h e rq u a l i t y t h e nw i m a x t e c h n o l o g yi sa b l et om e e tp e o p l e sn e e d s w i m a xt e c h n o l o g yr e s o l v e s t h ep r o b l e mo fl a s to n ek i l o m e t e ra c c e s s i no c t o b e r2 0 0 7 w i m a xb e c o m e so n eo ft h e3 gs t a n d a r d s a tt h e s a m et i m ei ta l s oi n c r e a s e sc o m p e t i t i o na m o n gt h ev a r i o u ss t a n d a r d s a t p r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n to fc h i n a s3 gi sa l s ou n c l e a r ，b u ti n d i v i d u a l o p e r a t o r sh a v eb a s i c a l l ys e l e c t e d3gs t a n d a r d i ti sb a df o rw i m a x t e c h n o l o g y w 1 e t h e rw i m 乙埙c a nb e c o m ear e a l3 gs t a n d a r di su n k n o w n s o i tb e c o m e sav a l u a b l ep r o b l e mw h a tm e a s u r ew i m a xs h o u l dt a k ei n o r d e rt og e to u to ft h i sp r e d i c a m e n t f i r s t ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e sw i t e c h n o l o g y , a n di t a n a l y z e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y t h e ni t a n a l y z e st h ew i m a xk e yt e c h n o l o g i e s ，s u c h a so f d m ，o f d m a ， m i m 0 ，h - a r q ，a m ca n dq o sm e c h a n i s m t h ep a p e rf o c u s e so nt h e p h y s i c a ll a y e rk e yt e c h n o l o g i e so f d ma n do f d m a i tr e s e a r c h e so n c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nc o m bp i l o ti no f d ms y s t e m ， s i m u l a t e so f d m s y s t e m ，a n di m p r o v e ss u b c a r r i r ea l l o c a t i o na l g o r i t h mi n o f d m as y s t e m r e s e a r c h e so nt h ew i m l k e yt e c h n o l o g i e sa l s o i n c l u d ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t e c h n i c a lf e a t u r e s ，a n ds oo n t h e ni ta n a l y z e s w i m a xn e t w o r ki n c l u d i n gp a r t so fw i m a xn e t w o r ka n dt h e i r c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n a n dt h e ni tc o m p a r e st h ew i m l 议t e c h n o l o g y a n do t h e rb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e s ，p a r t i c u l a r l yt h e o r i g i n a l3 gt e c h n o l o g i e s i ts u m su pv a r i o u st e c h n i c a lf e a t u r e so ft h e t e c h n o l o g i e s w h i c hp r o v i d et e c h n i c a lb a s i sf o rt h er e s e a r c ho nw i m 已议 n e t w o r ks t r a t e g y f i n a l l y ，i ta n a l y z e st h ep o s i t i o no fw i m a xi n3 g i n d u s t r yi nc h i n aa n dt h ep r o b l e m sw i m a x i sf a c i n g i ta l s oa n a l y z e sa v a r i e t yo fn e t w o r kp r o g r a m m e r sa b o u tw i m ax t h e ni tm a k e st h eb e s t w i m a xn e t w o r ks t r a t e g yi nc h i n a k e y w o r d ：w i m a x ，i e e e8 0 2 16 ，o f d m ，o f d m a ，n e t w o r ks t r a t e g y 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，1 1 j n 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 本人签名： 言孑一 醐：乎篮型尘l 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。 本学位论文 本人签名： 导师签名： 本鬣。1 ，确厶日期：1 塑尘：! 日期：墅翌2 ：2 剖 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 第一章绪论 随着人类社会的发展，人们的需求也在不断的膨胀，各种新业务的不断推出， 现有的无线通信技术已经无法满足人们的需求。因此，人们对无线通信的探索将 不断发展，以满足人们所期待的更大的覆盖范围，更高的传输速率和更好的移动 性能和服务质量。这时w i m a x 技术的出现不禁让人眼前一亮。 1 1w i m a x 技术 1 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准简介 在上世纪9 0 年代，宽带无线接入技术开始迅速发展起来，各种宽带接入技 术迅速涌现，却没有一个全球统一标准。正是在这种情况下，i e e e8 0 2 1 6 标准 被提了出来，以建立全球统一的宽带无线接入标准。另外，随着无线局域网 ( m ，a n ) 等技术的广泛应用，人们对无线宽带接入通信有了更多的要求，希望 有更高的传输速率，更大的覆盖范围和更好的服务质量。为了能够满足这些要求， i e e e8 0 2 1 6 工作组又推出了i e e e8 0 2 1 6 系列标准。 i e e e8 0 2 1 6 系列标准对工作于不同频带的无线接入系统空中接口进行了规 范。由于它所规定的覆盖范围可达数千米，因此该系列标准又被称为无线城域网 空中接口标准。根据使用频带高低的不同，i e e e8 0 2 1 6 系列标准可以分为应用 于视距和非视距两种。使用2 1 1 g h z 频带的系统应用于视距范围，使用 1 0 6 0 g h z 频带的系统应用于非视距。另外，根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 系列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 e8 0 2 1 6 系列标准主要包括7 个标准：i e e e8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 1 6 a 、i e e e 8 0 2 1 6 c 、i e e e8 0 2 1 6 d 、i e e e8 0 2 1 6 e 、i e e e8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 。其中， i e e e8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 1 6 a 和i e e e8 0 2 1 6 d 属于固定宽带无线接入空中接口标 准，而i e e e8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中接口标准。由于i e e e8 0 2 1 6 d 是对前三者的修订，所以目前所提及的主要是i e e e8 0 2 1 6 d ( 固定宽带无线接入 标准) 和i e e e8 0 2 1 6 e ( 支持固定和移动特性的宽带无线接入标准) 。 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 表1 - 1 i e e e8 0 2 1 6 系列标准 标准编号 定义描述 8 0 2 1 6定义了1 0 - - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的空中接口标准，包括m a c 层和物 理层，以及点到多点拓扑结构。 8 0 2 1 6 a定义了2 1 1 g h z 固定宽带无线接入系统的空中接口m a c 层和物理层规范 8 0 2 1 6 e1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准增补文件，更新扩展了匝e e 8 0 2 1 6 的部分内容，是i e e e8 0 2 1 6 系统的兼容性标准。 8 0 2 1 6 d2 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口m a c 层和物理层规范，主要是对上 面三者的修订。 8 0 2 1 6 e2 6 6 g h z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 f 定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) ，以及相关的管理流 程。 8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准管理平面流程和服务要求。 i e e e8 0 2 1 6 系列标准主要定义了空中接口的物理层和m a c 层规范。m a c 层独立于物理层，并能支持多种不同的物理层。i e e e8 0 2 1 6 系列标准协议参考 模型如图1 1 所示。 不。 图1 1 i e e e8 0 2 1 6 系列标准协议参考模型 基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准的宽带无线接入网络的典型应用场景如图1 2 所 2 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 围定率内 移动数 终端 盯蝤体输 图1 2 基于i e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入技术典型应用场景 1 1 2w i m a x 简介 w i m a x 技术是目前业界对于基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准的宽带无线接入技 术的统称。该技术主要涉及两个国际组织：i e e e8 0 2 1 6 系列标准的制定者i e e e 8 0 2 1 6 工作组和i e e e8 0 2 1 6 技术的推广者w i 论坛。 w i m a x 论坛是由i n t e l 、富士通、诺基亚等公司共同组建的非营利性组织， 主要工作是推动基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准的宽带无线设备的兼容性和互操作 性。w i m a x 论坛是唯一在宽带无线接入领域倡导兼容性和互操作性的组织，对 基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入的产品进行 兼容性和互操作性的测试和认证，发放w i m a x 认证标志。通过w i m a x 认证的 产品在全球范围内都可以使用。这样对于设备生产者而言，w i m a x 认证将会减 少它们在产品开发过程中的不确定性；同时，对于网络运营商而言，w i m a x 认 证将会使他们自由选择不同设备制造商的产品，从而减少网络建设成本。另外， w i m a x 论坛还致力于基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准基础上的需求分析、应用推广、 网络架构与完善等后续研究工作，促进i e e e8 0 2 1 6 无线接入产业的成熟和发展。 w i m a x 论坛目前已经发展成为全球极有影响力的组织，成为推动i e e e8 0 2 1 6 技术发展的主力军和领航者。 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 w i m a x 起初的技术定位为一种城域网宽带无线接入技术。w i m a x 技术可 以应用于基站回传传输、w l a n 热点回传传输、大客户综合业务接入、企业信 息化应用、家庭宽带业务、农村信息化等方面。w i m a x 技术的市场定位是为用 户提供低成本、有移动能力的无线宽带数据业务。从应用的角度可以分为两类： 第一类是通过便携式计算机提供低速流媒体和视频电话以及高带宽流媒体等业 务；第二类是提供全移动业务，通过个人数字助理终端( p d a ) 或者类似于手机 的移动终端提供v o l p 话音、视频、流媒体等业务。 各种技术定位比较如图1 3 所示。 可4 g 、 。、t 。， 琵题潦 馘簿、： 程缀荔影 、獭蟛如椭卅 i 2 g c o v e r a g a 图1 - 3 各种技术定位比较 1 1 3w j m a x 技术的特点 w i 技术的特点主要有： ( 1 ) 覆盖范围大 w i 的无线信号最大传输距离可达5 0 公里，是w i f i 所不能比拟的， 其覆盖面积是3 g 基站的1 0 倍，有效的扩大了无线网络的应用范围。w i 之 所以能够有这么大的覆盖范围是因为标准中采用了很多先进技术，包括先进的网 络拓扑( 网状网) 、o f d m 和天线技术( 波束成形、天线分集和多扇区) 。另外， w i m a x 还针对各种传播环境进行了优化。 ( 2 ) 数据传输速率高 w i m a x 技术具有足够的带宽，支持高频谱效率，其最大数据传输速率可高 达7 5 m b i t s ，是3 g 所能提供的传输速度的3 0 倍。即使在链路环境最差的环境下， 也能提供比3 g 系统高的多的传输速率。 ( 3 ) 支持t c p i p 协议 w i m a x 技术支持t c p i p 协议，t c p i p 协议的特点之一是对信道的传输质 量有较高的要求，无线宽带接入技术面对日益增长i p 数据业务，必须适应t c p i p 4 北京邮电大学硕士论文 w i m a x 关键技术与组网策略研究 协议对信道传输质量的要求。w i m a x 技术在链路层加入了a r q 机制，减少到 达网络层的信息差错，可大大提高系统的业务吞吐量。同时w i m a x 采用天线阵、 天线极化方式等天线分集技术来应对无线信道的衰落。这些措施都提高了 w i m a x 的无线数据传输的性能。 ( 4 ) 丰富的业务功能 w i 技术各种具有q o s 性能的数据、视频、话音( v o i p ) 业务。支持不 同的用户环境，在同一信道上可以出现上千个不同的用户。 ( 5 ) 优异的q o s 性能 w i m a x 可以向用户提供具有q o s 性能的数据、视频、话音( v o w ) 业务。 w i m a x 可以提供三种等级的服务：c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ，固定带宽) 、 c i r ( c o m m i t t c di n f o r m a t i o nr a t e ，承诺带宽) 、b e ( b e s te f f o r t ，尽力而为) 。c b r 的优先级最高，任何情况下网络操作者与服务提供商以高优先级、高速率及低延 时为用户提供服务，保证用户订购的带宽。c 1 r 的优先级次之，网络操作者以约 定的速率来提供，但速率超过规定的峰值时，优先级会降低，还可以根据设备带 宽资源情况向用户提供更多的传输带宽。b e 则具有更低的优先级，这种服务类 似于传统m 网络的尽力而为的服务，网络不提供优先级与速率的保证。在系统 满足其他用户较高优先级业务的条件下，尽力为用户提供传输带宽。 ( 6 ) 可靠的安全性 w i m a x 技术在m a c 层中利用一个专用子层来提供认证、保密和加密功能。 1 1 4w i m a x 应用模式 按照终端的移动性，w i m a x 的应用可以划分为两类：固定终端接入模式和 移动终端接入模式。固定终端接入模式主要解决政府、写字楼、宾馆饭店、居民 小区等建筑的集团网络接入问题，还可以应用于实时监控等特殊应用场景。移动 终端接入模式主要解决车载用户、室外用户等移动条件下的用户通信要求。由于 移动接入模式的灵活性，这种方式还可以广泛应用于无线数字多媒体网络、数字 奥运配套通信系统、应急通信系统、抢险指挥系统、城市智能通信系统等综合通 信系统。 1 2 无线接入业务发展趋势 随着现代通信技术的快速发展，各种无线接入技术相继出现，可以说是五花 八门，让人目不暇接。这里我们可以将通常所说的无线接入技术分为两类，一类 5 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 是固定无线接入，一类是移动无线接入。固定无线接入技术又可分为无线个域网 技术，包括蓝牙技术、蓝牙技术等等；无线局域网技术，包括i e e e8 0 2 1l b a 和 w i f i 等技术；无线城域网技术，包括m m d s 、i e e e8 0 2 1 6 和w i m a x 等技术； 以及正在探索的无线广域网技术，包括i e e e8 0 2 2 0 等技术。移动无线接入技术 包括g s m 、c d m a 等2 g 技术、g p r s 等2 5 g 技术、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a 、w i m a x 等3 g 技术以及b 3 g 、4 g 等技术。 由上面的各种相继出现的无线接入技术我们可以看出，对于固定无线接入技 术来说，其覆盖范围越来越大、带宽越来越宽、面对的用户规模越来越大、提供 的业务越来越丰富、频谱利用率越来越高等等，各项指标都在不断的发展进步， 同时还有向移动发展的趋势；对于移动无线接入技术来说，其覆盖范围也是越来 越广泛、带宽越来越宽、频谱利用率越来越高、提供的业务越来越丰富多彩，最 重要的进步就是带宽的不断增加。 由此我们可以看出，无线接入技术的发展趋势将是宽带移动化、移动宽带化， 最终达到移动与宽带的融合。 1 3 本章小结 本章介绍了i e e e8 0 2 1 6 系列标准的起源与发展基本知识，并对i e e e8 0 2 1 6 系列标准的各个标准的定义分别进行了描述；另外，介绍了本文的重点w i m a x 技术的基本概况和相关组织，并总结了w i m a x 技术的突出特点；最后分析了无 线接入技术的发展趋势。 1 4 本文的内容安排和主要工作 本文的内容安排如下： 第一章简单介绍i e e e8 0 2 1 6 系列标准相关基础知识，w i m a x 的发展概 况，w i m a x 技术的特点以及无线接入技术的发展趋势。 第二章对w i m a x 关键技术o f d m 、o f d m a 和m i m o 进行较深入地研 究，包括这些技术的结构、特性、技术特点、算法以及相关的技术 等：并对h a r q 、a m c 、q o s 做简要地论述。 第三章对w i m a x 网络架构做简要地介绍，包括w i m a x 网络的各个组 成部分及其相应的功能作用，以及w i m a x 网络架构的类型和参考 模型，并对各种网络接口进行描述；然后总结w i m a x 网络架构的 6 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 基本原则和w i 的组网关键技术，为后面的w i m a x 组网策略 的决定提供依据。 第四章首先简要介绍其它的宽带无线接入技术，包括w i f i 、w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ；然后分别将w i m a x 与这些技术进行 对比分析，并总结出w i m a x 与这些技术的关系，从而为后面 w i m a x 组网策略的决定提供依据。 第五章分析w i m a x 在中国3 g 中的地位，以及在中国w i m a x 组网所面 临的问题，最后给出w i m a x 在中国发展的最佳组网策略。 第六章总结全文。 本文的主要工作是对w i m a x 关键技术和组网策略进行研究分析。重点分析 o f d m 、o f d m a 和m i m o 等w i m a x 关键技术，以及w i m a x 网络架构；将 w i m a x 技术与其它3 g 技术进行对比分析，依据w i m a x 技术特征、技术定位 以及目前国内通信技术的发展应用现状，提出在国内适合w i m a x 技术发展的组 网策略。 7 北京邮电大学硕士论文 w i m a x 关键技术与组网策略研究 第二章w i m a x 关键技术研究 与其它宽带无线接入技术相比，w i m a x 具有更加丰富的先进技术，w i m a x 所采用的关键技术有正交频分复用( o f d m ) 技术、正交频分多址( o f d m a ) 技术、混合自动请求( h a r q ) 技术、自适应编码( a m c ) 技术、多入多出( m i m o ) 天线处理技术、q o s 机制、等等。这些技术的应用充分体现了w i m a x 在技术 上的优势，下面将对这些技术逐一进行分析研究。 2 1o f d m 技术 2 1 1o f d m 技术综述 o f d m 技术是由多载波调制( m c m ) 技术发展而来。早在2 0 世纪五六十年 代，美国军方就创建了世界上第一个m c m 系统，在1 9 7 0 年衍生出了采用大规 模子载波和频率重叠技术的o f d m 系统，但是当时的f f t 技术的现状制约了 o f d m 技术的发展。直到2 0 世纪8 0 年代，大规模集成电路的发展使得f f t 技 术的实现不再是难以逾越的障碍，o f d m 技术才得到突破性发展。 2 1 1 1 o f d m 信号的产生与解调 o f d m 技术把所传的高速数据流分解成若干个子比特流，每个子比特流具 有低很多的传输速率，并且用这些低速数据流调制若干个子载波。例如一个周期 内传送的码元序列为( a la za 3 a n 一1 ) ，它们通过串并转换器分别调制在n 个子载波上，这些子载波满足正交特性，其频谱相互重叠。只要子载波之间满足 特定的约束条件，采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各个子信道的信 号。 o f d m 系统调制器与解调器如下图2 1 和图2 2 所示 北京邮电大学硕士论文 w i m a x 关键技术与组网策略研究 s i n ( 肌一旬 图2 1o f d m 调制信号发生器 c o s ( 田0 0 土 4 何 ， 、 j 7 谢 7 p 研，口) 荆 f f 串 i x m ) 数 一并据 信道7 s i - ( 田0 0c o s ：西，一蠢) 变解 1 换码 扣 ， a e d - o 器器 王 ，坼n 一， 、 f7 r s i n ( 幽- o 图2 - 2o f d m 调制信号解调器 2 1 1 2o f d m 信号的频谱特性 与一般的频分复用传输系统相比，o f d m 系统的子信道间不但没有保护频 带，相反各个子信道的信号频谱还相互重叠。由此我们可以得出o f d m 系统的 频谱如图2 3 所示，由子载波的频谱s i n e 函数叠加而成。这使得o f d m 系统的 频谱利用率相比其它频分复用技术又了很大的提高，同时各个子载波可以采用频 谱效率高的q a m 和m p s k 调制方式，进一步提高o f d m 系统的频谱效率。由 于选择子载波频率间隔为1 t s ，各个子信道的频谱峰值对应于所有其它子信道的 频谱零点，这样在接收端每一路子信道都能够正确解调，而不受其它子信道的影 响。 9 北京邮电大学硕士论文 w i m a x 关键技术与组网策略研究 冬乡外仆仉j、爪介、碉聊二 图2 - 3o f d m 信号的频谱特性 2 1 1 3o f d m 技术特点 o f d m 的接收机是通过f f t 来实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频， 然后在一个码元周期内积分，其它载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会 对信息的提取产生影响。o f d m 的数据速率也与子载波的数量有关。 o f d m 每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的 不同选择不同的调制方式，比如b p s k ，q p s k ，8 p s k , 1 6 q a m ，6 4 q a m 等，从而 获得频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为，通过选择满足一定误码率的最佳调 制方式就可以获得最大频谱效率。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹 配的调制方式。 o f d m 技术使用了自适应调制，可以根据信道条件来选择使用不同的调制方 式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由b p s k ( 频 谱效率1 ( b i t s ) h z ) 转换成1 6 - - 6 4 q a m ( 频谱效率4 - 6 ( b i t s ) h z ) ，整个系统的频 谱利用率就会得到大幅度的改善。自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号 必需包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。终端还 须定期更新调制信息，这也会增加开销比特。 o f d m 还采用了功率控制与自适应调制相协调的工作方式。信道条件好的时 候，发射功率不变就可以采用高调制方式( 如6 4 q a m ) ，或者在低调制方式( 如 q p s k ) 时降低发射功率。如果在差的信道上使用较高的调制方式，就会产生很高 的误码率，影响系统的可用性。自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和 准确的了解，o f d m 系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏，发送一 i o 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调 制方式。 2 1 2o f d m 技术的优势与不足 1 o f d m 的优点 ( 1 ) o f d m 能够有效的对抗频率选择性衰落和载波间干扰，并通过将各子 信道联合编码，实现子信道间的频率分集作用，从而使系统整体性能得以提高。 ( 2 ) o f d m 使用正交子载波作为子信道，极大地提高了频谱利用率，当子 载波个数越多时，系统的频谱利用率越高。 ( 3 ) 由于o f d m 的自适应调制可以根据信道环境的优劣采用更合理的调制 方式，并通过使用加载算法，可以将数据集中到好的信道上进行数据传输。即对 于相对慢的时变信道，可以根据子载波的s n r 相应的选取各子载波及其调制方 式、每个符号的比特数以及分配给各子载波的功率，使总比特率最大，以此提高 系统容量。 ( 4 ) 把高速率数据流进行串并转换，并采用插入循环前缀的方法，消除了 i s i 造成的不利影响，甚至可以不使用均衡器，减小了接收机内均衡的复杂程度， 降低了系统成本。 ” ( 5 ) 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于 上行链路中的数据传输量，o f d m 系统可以机动地调整子信道数来实现上、下 行链路中的不同传输速率。 ( 6 ) o f d m 易于和其他多种接入方法结合使用。o f d m 易于与时空编码、 分集、干扰抑制、智能天线等技术结合，最大限度的提高物理层信息传输的可靠 性。 2 o f d m 的不足 ( 1 ) 对频率偏移和相位噪声很敏感。由于发送端和接收端的上、下行转换 器和调谐振荡器会带来相位噪声抖动、频率偏移以及相位噪声会使子载波间的正 交特性遭到破坏，仅l 的频率偏移就能使信噪比( s n r ) 下降3 0 d b 。 ( 2 ) o f d m 所采用的自适应调制技术以及加载算法会增加发射机和接收机 的复杂度，并且当终端移动时速高于3 0 k m 时，信道变化加快，刷新频率增加， 用于跳频的比特开销也相应增加，此时，自适应调制会变得比较不适合，同时也 会降低系统效率。 ( 3 ) o f d m 信号的p a p r 相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的 效率。 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 2 1 3o f i ) m 系统的同步技术 同步是o f d m 系统中非常重要的问题，在o f d m 系统中，子载波的同步是 要求发送端和接收端使用精确相同的频率，两者间频率的任何偏差都将会引起载 波间的干扰( i c i ) 。在信号传输过程中，由于无线信道具有时延和衰落特性，以及 通信设备本身的匹配性能等因素，在接收端接收到的信号总会有不同程度的误 差。因此，在o f d m 信号解调之前，必须对信号进行同步，以消除各种误差， 提高系统性能。 o f d m 中的同步通常包括3 方面的内容，帧检测、载波频率偏差及校正和 采样偏差及校正。基于这3 方面内容，o f d m 的同步方案主要有以下3 种。第 一种是基于c p ，由o f d m 中设置c p ，则可以运用冗余信息来进行同步，但是 这种方法只能用于时偏的粗估计和分数频偏的估计。第二是基于训练符号，这种 方法是在时域上将已知信息加入待发o f d m 符号，通常置于o f d m 符号前或者 由多个o f d m 符号构成的帧的起始位置处。第三种是基于子载波的导频，即在 特定子载波位置处加入导频信号。引入导频的目的是为了在接收端对信号进行估 计和恢复，同时也可以被用于时频同步。 在o f d m 系统中同步主要有三种，载波同步、符号同步和样值同步。三种 同步技术在o f d m 系统中的相应位置如下图2 4 所示。 叫蔼器曰髅h 觚j p f f l l 瑟 或l f f tl 一转换l 一 隔 o f d m 符号 定时剜步 样值 问步 刊翟咽器| = 艄锵p 惭p 转换i 二一或f f tl 二一转换厂_ 问隔r ，u l ，r 一 图2 _ 4o f d m 系统同步示意图 2 1 4o f o m 系统的信道估计 昏 一t ， 铆调 无线通信系统的性能主要受无线信道的影响，无线信道中的各种干扰和衰落 使得发射机和接收机间的传播路径变得非常复杂。此外，无线信道不像有线信道 那样固定并可以预见，而是有很多的不确定性，这就对接收机的设计提出了很大 1 2 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 的挑战，信道估计就成了接收机获知信道状态信息的方法和过程，准确的信道估 计是提高接收机接受性能和数据传输质量的关键，从而使得信道估计器成为了接 收机的一个重要组成部分。 o f d m 系统的信道估计按照是否加入导频分，可以分为两类：导频信道估 计和盲信到估计。盲估计法可以在完全不知发送数据的情况下完成信道估计。因 此，在盲信到估计下，发射机不必发送特殊的训练序列，从而提高了系统的频谱 效率；但是，该方法却需要利用大量的数据积累来进行统计分析，其计算时延非 常大，并且非常复杂。相反，导频信道估计却具有复杂度低和时延小的特点，其 实用性非常好。因此，常见的信道估计方法主要是基于导频的，有基于导频信道 和基于导频符号两种。由于多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号辅 助信道估计更为灵活。 所谓的基于导频符号的信道估计是指在发送端的信号中的某些位置插入一 些接收端已知的符号或序列，接收端利用这些信号或序列受传输衰落影响的程度 根据某些算法来估计信道的衰落性能。信道估计的精度与导频符号的疏密有着直 接的联系。一般来说，在相同的传播环境下，导频密度越大，信道估计的精度就 越高；但是，系统的频谱效率也会随着导频密度的增加而降低。因此系统的要求 通常是信道估计精度和系统频谱效率的折中。 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要涉及两个方面：一是导频信息的选 择以及发射时机的把握，由于无线信道的时变性，因此导频信息必须不断的被传 送；二是在确定导频发送方式和信道估计准则条件下，寻找最佳的信道估计器结 构。在实际的设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的， 因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。 2 1 4 1 基于梳妆导频的信道估计 在基于导频的信道估计中，有两种导频插入配置：一种是梳状导频，另一种 是块状导频。图2 5 和图2 - 6 显示了两种不同的导频插入配置。 北京邮电大学硕士论文w t m a x 关键技术与组网策略研究 阱 聚 僻 餐 时间 时间 图2 5 梳状导频插入图2 - 6 块状导频插入 从图2 5 和图2 - 6 可以看出，对于梳状导频配置，每个o f d m 符号的部分子 载波总是被用来承载导频信号；对于块状导频，则是定时发送一导频序列。这里 着重讨论基于梳状导频的信道估计，在梳状导频为基础的信道估计中，n p 个导 频信号被均匀地插入x ( k ) 中，可以求出基于l s ( l e a s ts q u a r e s ) 估计的导频子载波 处的信道估计，目标是使给定数据y p 和无噪声数据) ( p 之差的平方达到最小，也 即是使如下代价函数最小 fp i - ，伊p ) = iy p 一x p r k - - o ( 2 - 1 ) 通过使( 2 1 ) 式最小化可获得导频子载波处的信道估计h 州琊y p 和 x p 是相应导频子载波的输出和输入。 得到了导频子载波处的信道估计h p 后，就需要通过导频位置获取的信道信 息较好地恢复出其它子载波的信道信息。这里有很多方法，其中基于插值的方法 简单而有效，插值方法又分为线性插值、c u b i c 插值和二阶插值等等。线性插值 法利用前后两个相邻的导频子信道信息来确定位于它们之间的数据子信道的信 道响应。由导频子载波处的信道估计，使用线性插值可以得到数据子载波处的信 道估计 h 山ik ) = h | ( m l + 1 ) = i hp m + t ) 一 ， h r 阳j jj + 日，似) 限，、) ui ，l c u b i c 插值法与线性插值法类似，都是利用已有数据得到插值曲线，不同的 是线性插值利用两个数据点产生简单的插值曲线，而c u b i c 插值利用4 个数据点 产生三阶方程来插值数据。 下面对上面所介绍的基于梳状导频的信道估计进行仿真。进行仿真的o f d m 系统的主要参数为子载波总数目m = 2 5 6 ，循环前缀长度c p = 6 4 ，导频比为1 8 ， 1 4 o o o 0 o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 o o o o o o o o 0 o o o 0 0 o o o o o o o o o o 0 o o o 0 0 o o o o 0 0 o d 0 o 0 o o 0 o o o o o o 0 0 o o 0 0 0 o 0 o o 0 0 o 0 o o o 0 o o o 0 o o 0 o 0 o 0 o o 0 0 o o o o o o 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组网策略研究 发送数据符号采用1 6 q a m 的调制方式，传播信道为4 径瑞利衰落信道。在本文 的仿真中，假设系统同步是良好的，因为本文主要关注信道估计的性能。 以下是对l s 信道估计加不同插值方法在不同信噪比下，进行性能仿真的结 果。 一6 - 4 2 024 6 图2 7 接收信号星座图2 - 8 均衡后的星座 s n i 己d ：b 图2 9b e r 性能 图2 7 显示了发送信号在信噪比2 0 d b 情况下通过多径信道后，接收信号的 星座图，从图2 7 可以看出，它的幅度和相位都发生了失真。图2 8 显示了经过 l s 估计和插值后的估计的信号星座图。从图2 8 可以看出，对失真的信号补偿得 较好。图2 - 9 显示了采用l s 信道估计的o f d m 系统的b e r 性能，其中导频插 入方式是基于梳状安排的。从图2 - 9 可以看出，c u b i c 插值曲线更光滑，插值噪 声更小，其性能略好于线性插值。 2 1 5o f d m 系统仿真 图2 - 4 既是o f d m 系统同步示意图，同时也可以作为o f d m 系统的d f t 方 式实现原理图。依照该图，本文应用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工具设计了一个 基带的o f d m 系统并进行仿真。设所要求的延时扩展为2 0 0 n s ，o f d m 符号的 保护间隔时间长度取为延时扩展的4 倍，即8 0 0n s 。选择o f d m 符号的长度为 6 4 2 o 2 4 6 - 北京邮电大学硕士论文w i m a x 关键技术与组嘲策略研究 保护间隔的5 倍，即5 8 0 n s = 4i js ，子载波间隔取4 0 8 = 3 21 ts 的倒数，即3