（电路与系统专业论文）基于ieee80216e的上行测距和信道估计算法研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着信息产业的飞速发展，全球通信产业呈现移动化、宽带化、i p 化的趋势， i e e e 8 0 2 1 6 e 迎合了这样的发展趋势，是一种很有发展潜力的宽带无线接入技术。 本文研究了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的o f d m a 系统的物理层技术，上行测距技术和 信道估计技术是物理层中的关键技术，作为本文的重点研究对象。首先介绍了测 距的类型及流程，研究了两种测距算法：时域检测和时频检测算法，针对8 0 2 1 6 e 上行帧结构，给出了有效的时频检测算法，通过仿真可以看出检测性能较优。考 虑到实际系统中的多用户碰撞现象的存在，研究了基于干扰消除的多用户检测算 法并给出了仿真结果。研究了基于导频的l s 、l m m s e 和基于奇异值分解的信道估 计算法，为了获得整个信道的响应，对多种插值算法进行了研究，通过仿真进行 了性能验证。采用a l t e r a 的f p g a 芯片，完成了上行测距和信道估计的功能。 关键词ti e e e s 0 2 1 6 e 测距信道估计 a b s t r a c t 1 1 1 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y , t h eg l o b a lc o m m u n i c a t i o n i n d u s t r yd i s p l a y st h et r a i t so fm 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 ，t h e a p p e a r a n c eo fi e e e 8 0 2 16 em e e t st h et r e n do fd e v e l o p m e n t ，a n di e e e 8 0 2 1 6 ei sa p o t e n t i a lb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y t h i sa r t i c l er e s e a r c h e st h ep h y s i c a l l e v e lt e c h n o l o g yo fo f d m as y s t e mb a s e do ni e e e 8 0 2 16 es t a n d a r d ，t h eu p l i n kr a n g i n g a n dc h a n n e le s t i m a t i o na r ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ep h y s i c a ll e v e l ，f o c u so nt h e s et w o t e c h n o l o g i e s f i r s t l y , ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h er a n g i n gt y p e sa n dp r o c e s s ，t h et i m e d o m a i nd e t e c t i o na n dt h et i m e f r e q u e n c yd e t e c t i o na l g o r i t h ma r er e s e a r c h e d ，i nv i e wo f t h eu p l i n kf r a m es t r u c t u r eb a s e do ni e e e 8 0 2 1 6 e ，t h ee f f e c t i v et i m e f r e q u e n c y d e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft i m e - f r e q u e n c yd e t e c t i o n a l g o r i t h mi ss u p e r i o r s e c o n d l y , i nv i e wo fm u l t i u s e rc o l l i s i o np h e n o m e n o ni nt h e a c t u a ls y s t e m ，r e s e a r c h e st h em u l t i - u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do ni n t e r f e r e n c e c l e a r a n c ea n dg i v e ss i m u l a t i o nr e s u l t s l e a s ts q u a r e ，l i n e a rm i n i m u mm e a n - s q u a r e d e r r o ra n d d e c o m p o s i t i o nb a s e do nt h es i n g u l a rv a l u e a l er e s e a r c h e d ，t oo b t a i nt h ee n t i r e c h a n n e l sr e s p o n s e ，s e v e r a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m sa r er e s e a r c h e da n ds i m u l a t e d u s e s t h ea l t e r af p g ac h i p ，c o m p l e t e st h eu p l i n kr a n g i n ga n dc h a n n e le s t i m a t i o n k e y w o r d s ：i e e e 8 0 2 1 6 e r a n g i n g c h a n n e le s t i m a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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已 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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盆地日期：趁坦：墨：望 西安电子科技大学 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。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。同时 本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安 电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：匀堑盔丞日期：丝业! 圣! 主2 导师签名：逝塾 日期： 之d ，口3 缸 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景及意义 随着i n t e m e t 和多媒体通信的发展，人们不再局限在传统的语音通信，需要一 种更高速率、更大覆盖率以及更好移动性的无线宽带接入方式，面向城域网的宽 带无线接入技术i e e e 8 0 2 1 6 就是应这种需求而出现的。其中，8 0 2 1 6 e 标准致力于 提供一种既能实现高速数据业务又能使用户具有移动性的宽带无线接入解决方 案，其能够实现多媒体通信服务，支持语音、视频与1 1 1 t e m e t 。数据传输速率最高 可以达到7 5m b p s ，覆盖范围高达5 0k m ，只要建设少数基站就能实现全城覆盖， 使无线网络的应用范围大大扩展。根据业务需求区域灵活部署基站设备，运营商 可以逐渐升级扩大网络容量以适应用户数量增加后的需要，设备标准化，投资成 本低。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，解决了“最后一公里”瓶颈限制。i e e e 8 0 2 1 6 e 凭借其以上诸多特点，获得众 多国际大公司的青睐，被认为是下一代通信的主要热点技术。因此，深入研究 i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的核心技术具有很强的理论和现实意义。 1 2i e e e 8 0 2 1 6 的发展及应用 1 2 1i e e e 8 0 2 1 6 协议族的发展 i e e e 8 0 2 1 6 是为制定无线城域网( w i r e l e s sm a n ) 标准成立的工作组，该工作组 自1 9 9 9 年成立后，主要负责开发工作在2 - - , 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口物 理层( p h y ) 和媒质接入控制层( m a c ) 规范，并且对空中接e l 协议相关的一致性测试 和不同无线接入系统之间共存的问题做了规范。根据使用频段不同，可分为应用 于视距和非视距两种；根据是否支持移动特性，它又可分为固定宽带无线接入空 中接i z i 标准和移动宽带无线接入空中接口标型。i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为 止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 、8 0 2 1 6 9 和8 0 2 1 6 m 在占 寸口 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在1 0 , - - 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接 入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，仅能应用于视距( l o s ) 传输。2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标准对使用2 l i g h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接 入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 正式 批准了8 0 2 1 6 d 标准【2 1 。8 0 2 1 6 d 根据使用频段的不同，定义了三种不同的物理层 技术：单载波( s c ) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、o f d m a ( 2 0 4 8 点) 。8 0 2 1 6 d 对1 0 - 一6 6 g h z 频 段和小于1 1 g h z 频段的固定宽带无线接入空中接口物理层和m a c 层进行了详细 规定。 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的上行测距和信道估计算法研究与实现 2 0 0 5 年1 2 月7 日获i e e e 批准的8 0 2 1 6 e 标准与前几个标准的最大区别在于 对移动性的支持。该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工 作在小于6 g h z 适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动。 8 0 2 1 6 e 物理层可以支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点和1 2 8 点o f d m a 。8 0 2 1 6 e 标 准规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。 8 0 2 1 6 f 定义了系统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。i e e e8 0 2 1 6 9 是为了规定标准的系统管理流程和接口，从而实现i e e e8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。8 0 2 1 6 m 可在“漫游 模式或高效率、强信号模式下提供1 g b p s 的下行速率，该标准还支持“高移动” 模式，提供1 0 0 m b p s 速率。 1 2 2i e e e 8 0 2 1 6 e 的关键技术 i e e e 8 0 2 1 6 e 关键技术如下【3 】： 1 ) 可支持移动和固定情况，最高移动速度可达1 2 0 k i l 曲。调制方式：q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 。 2 ) 支持频分双i ( f d d ) 、时分双i ( t d d ) 和半频分双i ( h f d d ) 。f d d 需要成对的 频率，t d d 不需要且可以实现灵活的上下行带宽动态分配，半频分双工降低了 终端对收发器的要求。 3 ) 使用先进的多天线( m i m o ) 技术提高系统容量和覆盖范围。采用混合自动重传 ( h a r q ) 技术，其融合了前向纠错( f e c ) 功能，使每次组包的发送操作都能为最 终的正确解码作出贡献。 4 ) 带宽划分灵活，系统带宽范围为1 2 5 m h z - 2 0m h z ，1 2 5 m h z 倍数系列的带宽 包括：1 2 5 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 、2 0 m h z 等，1 7 5 m h z 倍数系列带 宽包括：1 7 5 m h z 、3 5 m h z 、7 m h z 、1 4 m h z 等。占用的频段：2 6 g h z 。物 理层采用o f d m 和o f d m a 技术，实现了高效的频率利用。支持1 2 8 、5 1 2 、 1 0 2 4 、2 0 4 8 点o f d 队。 5 ) 采用先进的信道编码技术来增加通信质量，增大覆盖范围，可支持卷积码、块 t 1 l 舢码、卷积t 1 l 舭码、l d p c 码。采用功率控制技术来最大化频谱效率。 6 ) 采用自适应调制编解码( a m c ) 技术，可根据接收信号的质量实时调整分组包的 调制和编码方式、编码速率，使系统在保证能够达到足够可靠性的条件下，尽 可能提高数据传输速率。 7 ) 采用主动带宽分配、轮询、竞争接入相结合的接入控制。支持空闲、睡眠省电 模式。 1 2 3o f d m 和o f d m a 技术简介 1 o f d m 技术 第一章绪论 正交频分复用o f d m ( 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 i n g ) 是一种特殊 的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术1 4 1 。 o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子 信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。由一系列在频率上等 间隔的子载波组成，子载波之间满足正交性，各个子载波被数字符号单独调制， 调制后的合成信号频谱接近于矩形【5 l 。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的， 而o f d m 通过把高速的串行数据流转换为低速的并行数据流，就将总的信道的频 率选择性转化为每个子信道相对平坦的效果，在每个子信道上进行的是窄带传输， 信号带宽小于信道的相干带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。正交频 分复用的特点是各个子载波之间的相互正交性，所以频谱可以相互重叠，减少了 子载波之间的相互干扰，还大大提高了频谱的利用率。 o f d m 的优点：频谱利用率很高；采用动态子载波分配技术能使系统达到最 大比特率；采用i f f t 和f f t 来实现调制和解调，计算复杂度低，适合数据的高速 传输；抗多径干扰和频率选择性衰落能力强；减少了由无线信道的时间弥散所带 来的符号间干扰( i s i ) 和均衡器的复杂度；使用不同数量的子信道来实现上行和下行 链路中不同的传输速率。o f d m 系统存在的缺点：易受频偏的影响1 6 1 ，存在较高的 峰值平均功率比n 心r ( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) 1 7 1 。 2 o f d m a 技术 正交频分多址接入o 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 s ) 是以 o f d m 调制为基础的多址接入方案，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。o f d m a 技术与o f d m 技术相比，每个用户可以 选择信道条件较好的子信道传输数据，而o f d m 技术是在整个频带内发送， o f d m a 可以保证各个子载波都被对应信道条件较好的用户使用，可以灵活的给每 个用户分配一定数量的子载波来实现多用户接入，可获得频率上多用户分集增益， 并能根据信道的状况调整系统资源的分配，因此，在频率选择性衰落信道中有较 强抵抗信道选择性衰落的能力。o f d m a 通过可变点数的f f t 支持多种信道带宽， 子信道中的子载波无需邻接，便于实现频率分集，分配给不同用户的不同的子载 波只要保持时间、频率偏移在足够低的限度内，就可消除i s i 和i c i 。在i e e e 8 0 2 1 6 e 协议中，其上下行接入都采用了o f d m a 的方式蝎】。近年来，随着支持多用户的宽 带无线网络技术的发展，o f d m a 技术迅速发展并被广泛应用到无线宽带多址接入 通信中。 1 3 课题研究的现状 本文主要对基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的o f d m a 系统的物理层关键技术进行了 4 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的上行测距和信道估计算法研究与实现 研究，其中包括随机化、交织、调制等技术，上行测距技术在整个物理层担当着 重要角色，为了保证接收端得到可靠的数据，信道估计技术的研究同样重要。测 距和信道估计的研究现状如下： 目前关于测距技术研究的相关资料很少，文献 9 】提出利用测距码时域的自相 关和互相关特性，通过时域相关检测测距码和时偏，这种算法计算量大，不适合 实际通信系统。文献 1 0 l 研究了假定上行帧的起始位置传送一个训练符号情况下的 算法，由于在i e e e 8 0 2 1 6 e 物理层中不存在上行前导字，因此也不适用。文献 1 1 】 提出了利用i f f t 变换后的峰值点求时偏的方法。本文在以往算法的基础上，基于 8 0 2 1 6 e 协议，考虑到实际系统的真实情况，给出了一种可应用到实际系统中的测 距方法。 常用的信道估计算法有文献【1 2 提出的最小平方l s ，文献【1 3 】介绍的线性最 小均方误差l m m s e 算法。l s 算法比较简单，对高斯白噪声和子载波间干扰0 c i ) 比较敏感，所以在低信噪比的情况下，它的精度会大大降低。l m m s e 算法对于i c i 和高斯白噪声的抑制作用很好，它的效果好于l s 算法。但是l m m s e 算法需要 知道信道的先验知识，并且它的运算量随着相关矩阵的阶数的增加，复杂度增高。 文献 1 4 1 提出利用最佳低阶理论化简l m m s e ，文献【1 5 】提出了通过奇异值分解 的方法化简l m m s e 。文献 1 6 ，1 7 分析了线性内插、高斯多项式内插等插值方式。 本文针对8 0 2 1 6 e 特有的导频分布方式，研究不同的信道估计方法并进行了各种内 插方式的性能仿真。 1 4 本文的主要贡献和内容安排 研究了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的物理层技术，并且给出了物理层上下行链路功 能框图。上行测距技术和信道估计技术是物理层中的关键技术，作为本文的重点 研究对象。本文根据协议了解测距的类型及流程，研究了时域检测算法，根据文 献【2 4 】提出的利用i f f t 变换求时偏的方法，给出了一种时频结合的测距方法，利 用m a t l a b 对时频结合算法进行了仿真，仿真结果显示正确检测概率、虚警概率、 漏检概率和时偏估计的均方误差的性能比较好。最后，考虑到实际系统中的多用 户碰撞现象的存在，研究了基于干扰消除的多用户检测算法并给出仿真结果。关 于信道估计部分，首先研究了导频的插入方式及信道估计l s 、l m m s e 和基于奇 异值分解的信道估计算法，为了获得整个信道的响应，对各种插值算法进行了研 究，通过仿真进行了信道估计性能验证。针对实际链路的实现方式，采用了a l t e r a 的f p g a 芯片，完成了上行测距和信道估计的f p g a 实现。 具体各章节的内容安排如下： 第一章介绍了宽带无线通信系统的发展现状，主要回顾了i e e e 8 0 2 1 6 协议族 第一章绪论 的发展历程，重点介绍了8 0 2 1 6 e 协议的关键技术。对o f d m 和o f d m a 技术进 行了分析。 第二章介绍了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的物理层结构，给出了物理层上下行链路 功能框图，对链路中加扰、编码、交织、调制等技术进行了研究。 第三章阐述了测距的意义和目标参数，介绍了测距的流程，研究了测距类型 和测距码的生成以及测距上行传输的分配方式。研究了现有的时域检测算法，由 于时域检测算法计算量很大，需要的时间很长，不适合实际通信系统的应用。针 对8 0 2 1 6 e 上行帧结构，基于现有的时频结合检测思想，给出了有效的时频检测算 法及其步骤，利用m a t l a b 仿真工具，搭建了时频结合测距算法仿真平台，仿真了不 同数量的测距用户情况下的正确检测概率、漏检概率、虚警概率和时偏估计均方 误差的性能，通过仿真结果可以看出这种方法的检测性能较高。针对实际系统中 存在的多用户测距碰撞现象，研究了基于干扰消除的多用户检测算法，通过仿真 时频检测算法和多用户干扰消除算法，可以看出加入干扰消除后，检测性能更好。 第四章首先说明了信道估计的目的与意义，接着对影响无线通信信道的各种 参数进行了研究并给出多径衰落信道模型。分析了导频的插入方式，研究了l s 、 l m m s e 和基于奇异值分解的信道估计算法，介绍了多种内插算法和均衡原理，通 过m a t l a b 仿真对比了采用不同内插方式的信道估计的性能。 第五章设计了测距和信道估计的实现原理图并给出了实现流程说明，采用 a l t e r a 的f p g a 器件实现了测距和信道估计功能，最后，给出了综合仿真后的资源 占用、时钟频率结果和仿真波形图。 最后，总结了各部分的研究结果并且提出未来继续研究的范围。 第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 物理层研究 第二章i e e e 8 0 2 16 e 物理层研究 2 1 物理层系统简介 目前业界普遍关注的8 0 2 。1 6 e 在移动环境下最为合适的物理层实现模式即 o f d m a 。i e e e8 0 2 1 6 e 标准对移动业务、小区间切换和多小区组网等方面进行了 规范。i e e e 8 0 2 1 6 e 的典型物理层技术是o f d m a ，可支持1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 和2 0 4 8 共4 种不同的子载波数目，由于子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比。 在调制技术方面，i e e e s 0 2 1 6 e 支持的调制方式有q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 。 i e e e 8 0 2 1 6 e 选用了b t c 、c t c 等纠错能力强但译码延时较大的信道编码以此适 应高质量数据通信的要求，同时支持低复杂度、低延时的l d p c 码。支持f d d 和 t d d 两种方式。i e e e 8 0 2 1 6 e 在固定或低速环境下可使用更大的带宽为2 0m h z ， 实现高达7 5 m i t s 的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统很难达到的。 2 2 物理层链路算法研究 2 2 1 物理层链路图及基本理论 1 物理层上下行链路原理图 二进制比特卜+ l 数据随机化卜叫编码卜_ 一交织 图2 1 下行链路原理框图 图2 2 上行链路原理框图 2 物理层基本理论 ( 1 ) 子载波( s u b e a r r i e r ) 的概念 数据子载波：用于传输数据。 导频子载波：用于各种数据估计。 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( s u b c h a n n e l ) 的概念 在o f d m a 模式中，有效的子载波组成的集合被称为一个子信道。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。子信道内的子载波可以是相 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的上行测距和信道估计算法研究与实现 邻的，也可以是不相邻的。 ( 3 ) o f d m a 符号的概念 通过傅立叶反变换可产生o f d m a 时域符掣1 8 1 如图2 3 ： 1 f 卜i + i 卜 t s 图2 3o f d m a 符号时域结构 t g 是循环前缀的时间，t b 是有用符号时间，t s 是o f d m a 符号的时间，循 环前缀是把符号后面( t g 时间内) 一定数目的子载波复制到前边，用于保持子载波 的正交性。 ( 4 ) 时隙( s l o t ) 的概念 o f d m a 物理层的一个时隙需要时间和子信道两个因素来决定，时隙是最小 的数据分配单位。o f d m a 时隙的定义是基于o f d m a 符号的结构，上行和下行 不同，f u s c 和p u s c 不同，相邻子载波排列和分布式子载波排列不同。例如： 对于采用分布式子载波排列的p u s c ，上行一个时隙占用一个子信道宽度和三个符 号长度，下行一个时隙占用一个子信道宽度和两个符号长度。 ( 5 ) 突发( b u r s t ) 的概念：1 个突发中的数据编码调制方式相同，一个突发包括 若干个时隙。 ( 6 ) 域( z o n e ) 的概念：域是由连续符号和连续子信道组成的二维区域，一个帧 内可能包含多种域。 2 2 2 数据随机化 为了避免发送频谱中出现固定的谱线而干扰其他系统，即为了保持数据比特 o 、1 的平衡性，避免出现长时间的相同比特，需要对输入数据进行加扰随机化。 加扰随机化过程中的扰码器表示一种反馈寄存器，以确保数据比特流被修改，可 产生足够的“0 ”到“1 的变化( 或相反的变化) ，由此保证接收机可根据数据流 来同步。接收端有相同的解扰码器用以恢复出原始数据流。 扰码器的多项式生成公式为l + x 1 4 + x ”，扰码器结构如图2 4 所示： 图2 4 数据随机化生成器 第二章i e e e 8 0 2 1 6 e 物理层研究 9 2 2 3 编码 卷积码是目前系统中最为广泛应用的一个信道编码。卷积码将连续输入的k 个比特映射成竹个比特输出，该映射是通过对输入比特和二进制冲激响应进行卷积 完成的，故称之为卷积码。k 表示信息码元个数，行表示码长，两者通常较小，故 时延小，特别适合于以串行形式传输信息的场合。定义约束长度 ，表示移位寄存 器长度加l ，随着的增加，卷积码的纠错能力随之增强，误码率则呈指数下降。 正因为卷积码在编码过程中充分应用了各码组之间的相关性，无论是从理论上还 是实际上其性能优于分组码，因此在通信领域应用得越来越多。 卷积码编码器的生成多项式为g 。= 1 7 1 ，g 2 = 1 3 3 ，它是通过移位寄存器 和模2 加法器来实现。下图2 5 是r = 1 2 码率( 卷积码的速率r = 七，? ) 的结构图， 每输入lb i t 数据都有2b i t 的输出x 和y ，交替输出x 和y 就得到编码结果。每 一对输出比特 x y ) 与当前输入比特和前面输入的存储在移位寄存器中的六个比特 有关。支持r = 1 2 ，2 3 ，3 4 三种编码速率，其中后两者码率需要通过删余( p u n c t u r e ) 来实现，其中r = 2 3 的删余模式为墨z 置k - - + x 1 z k ，r = 3 4 的删余模式为 五k x 3 k x l x k 托。 输入 图2 5 编码率为1 2 卷积编码器 2 2 4 交织 交织的作用是把突发错误在时域扩散开来，当出现深度衰落或者突发干扰时， 源比特中的某一块重要的码位不会被同时扰乱，这样就使得每个码字内的错误看 起来是独立的，有利于前向纠错码的译码。交织由两个变换过程组成，第一次变 换是载波之间的交织，保证了相邻的编码比特被映射到不相邻的子载波上；第二 次变换保证了相邻的编码比特被分别映射到星座图的重要和非重要比特上，避免 出现长时间的低比特位映射。 ( 慨是每个子载波上的编码比特数，q p s k 、1 6 q a m 或6 4 一q a m 分别为2 、 4 或6 ，设s = 2 。在比特的发送块中，假设k 是编码比特经过排序第一 步前的序列号；m 。是编码比特经过排序第一步但未经过第二步时的序列号； 是 1 0 基于i e e e s 0 2 1 6 e 的上行测距和信道估计算法研究与实现 编码比特经过排序第二步但未经过调制映射时的序列号。 第一次排列规则： m k = ( d ) 。k d ) + f o o r ( k d )k = o ，1 ，一1 ，d = 1 6 ( 2 1 ) 第二次排列规则： jk = s f l o o r ( m k s ) + ( m k + n c 惦一f l o o r ( d 。m k nc h 瑚吣s 、 k = o ，1 ，c 蛔一l ，d = 1 6 解交织器也由两次排列组成，在枥比特的接收块中，j 所接收比特的索引，m ，为第一次排列后第二次排列前的索引， 卷积解码前的索引。 第一次排列规律： ( 2 - 2 ) 为在第一次排列前 k j 为第二次排列后 m j = s x f l o o r ( j s ) + ( j + f l o o r ( d x j n 。h r , ) ) m o d ( ，) = o ，1 ，n c b p s 一1 ，d = 1 6 ( 2 3 ) 第二次排列规律： 乃= d xm j 一( 矗筘一1 ) x f l o o r ( d xm ：n 曲p , )_ ，= 0 , 1 ，n c b p s 一1 ，d = 1 6 ( 2 4 ) 2 2 5 调制 ( 1 ) 数据调制 数据比特交织之后，数据比特流将串行进入星座映射模块，其中q p s k 和 1 6 q a m 为必选，6 4 q a m 为可选，都遵守格雷码映射规则。星座映射之后，每一 个映射点都要用因子c 作归一化处理，以保持功率一致。图2 6 是q p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q a m 星座映射图。 b jl 3一 i一 一 与 三i j 一 l一 4一 i i1 0 1r0 0 0 1 qc ：i 压 6 2 6 1 6 0 o l i一7 0 1 0一5 咖 一， l 一l 一 一 - 7s3- 1l357 j o l 1一 1 0 0 3一 i l o - 5一 l l l o o 7一 l i l1 1 01 0 01 0 10 0 10 0 0 0 1 00 1 1 玩 r 图2 6q p s k 、16 q a m 、6 4 q a m 星座映射图 第二章i e e e 8 0 2 16 e 物理层研究 交织后的比特以m 为单位( m 表示星座映射点包含的比特数，q p s k ：2 ， 1 6 q a m ：4 ，6 4 一q a m ：6 ) 映射到星座点上，其中b o 为低比特，b ( m 1 ) 为高比特， 随后星座点会被调制到分配的数据子载波上。 ( 2 ) 导频调制 导频子载波的调制公式如下所示，其中，w 。由p r b s 发生器生成，生成多项 式为x 1 1 + x 9 + 1 。 r e q = 2 幸( 1 2 一)( 2 - 5 ) h n 气 = 0( 2 - 6 ) 2 2 6i f f t 与添加循环前缀 经过i f f t 模块把调制的频域数据变化成时域的o f d m a 符号。为了克服多径 时延引起的符号间干扰( i s i ) ，需要为每个o f d m a 符号引入保护时间间隔，但是 如果在保护时间间隔内不发送信号，各子载波不再保持正交性，当解调子载波时， 由于相邻子载波在f f t 间隔中没有相隔整数倍周期，将受到相邻子载波的干扰， 引起子载波间干扰( i c i ) ，为了消除这种影响，o f d m a 符号需要在保护时间间隔 中添加循环前缀，具体而言，就是把o f d m a 符号时域波形的后面一段复制到最 前面形成保护时间间隔，这样就保证了在f f t 周期内，延迟的o f d m a 符号总是 包含整数个子载波周期，因此通过f f t 后不会引起i c i 。 2 3 本章小结 本章首先介绍了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的物理层技术，给出了上下行链路实现 的连接方式。阐述了基本术语的意义。分别研究了数据随机化的目的和介绍了实 现的方法，研究了卷积码的产生方式，介绍了交织和解交织的实现步骤，研究了 数据和导频调制等技术，为整体理解物理层做好理论准备。 第三章上行测距原理与仿真 第三章上行测距原理与仿真 3 1 测距的目的 通过o f d m a 接入方式，一个基站可同时接入多个用户，由于各移动用户在小 区位置的随机性，基站接收到的各上行用户信号的定时将受往返时延( r o u n dt r i p d e l a y ) 的影响，导致接收端产生定时偏差，由于基站需要根据上行帧的开始时标来 界定符号的起始和解调数据帧，所以需要进行定时偏差调整以达到使各移动用户 上行帧到达基站的时刻基本相同，如果到达时刻偏差过大，会导致符号定界超出 循环前缀( c p ) 范围，引起更为严重的符号间干扰( i s i ) 和子载波间干扰( i c i ) ，使上行 链路无法工作，因此必须确保各移动用户上行帧到达基站的时刻与基站上行帧开 始时标的偏差在c p 容限之内。在时分双工( t d d ) 系统中，移动用户通过对下行帧 的接收，大致可以确定上行帧的开始时刻，利用这些初始数据并且经过一系列调 整之后，可以相对精确地定出移动用户的发送时标，使各用户的上行帧到达基站 的时刻满足要求。 各移动用户的上行信号受到的路径衰耗各不相同，为了保证各个用户发射的 信号在基站处具有足够大的功率并且接收功率基本一致，这样可以避免各移动用 户的信号出现过大的功率差异，需要进行功率控制。 由于移动台或传播环境的运动所造成的多普勒频移也会使各用户的载波频率 和基站的本地载波之间产生一定的偏差。如果移动用户与基站的载波频率有差异， 会引起严重的i c i ，因此必须将载波频偏调整到足够小的范围。对于频分双i ( f d d ) 系统，由于上下行载波频率不同，有必要各自估计和调整，即通过接收下行前导 ( p r e a m b l e ) 来估计下行载波频偏，通过测距过程来调整上行载波频偏。对于t d d 系统，因为移动用户可以通过对下行帧p r e a m b l e 的接收，估计和调整载波频偏，留 给上行调整的剩余频偏量己经很小了，上行频偏的校正显得不是很重要。 在8 0 2 1 6 e 系统中，实现对用户的时偏和频偏的校正以及功率控制的过程被称 为测距( r a n g i n g ) 。 3 2 测距的类型及测距码的生成 测距信道由一个或多个连续相邻的6 个子信道组成的分组构成，这里的分组可 任意从第一个子信道开始，也可由一个或多个连续相邻的8 个子信道组成的分组构 成，这里如果子信道有连续的逻辑子信道号，则这些子信道可被视为是相邻的。 同时定义了2 个上行时隙，每个上行时隙占3 个符号，这些上行区域可以划分为3 个 初始测距时隙，每个测距时隙占2 个符号。用户可在测距信道上发生碰撞，用户端 1 4 基于i e e e s 0 2 1 6 e 的上行测距和信道估计算法研究与实现 在许可测距码字集合中随机的选择一个测距码，进行b p s k 调制后分配到测距信道 的子载波上。测距类型不同，其相应的发射形式也不相同。 3 2 1 测距类型 ( 1 ) 初始切换测距 初始测距码应用于移动用户初始网络接入和关联。切换测距码应用于用户在 不同基站之间进行切换过程中。初始测距切换测距发射应在2 个或4 个连续的符号 中进行。初始测距切换测距的发射形式如图所示： 循环 前缀 厂 循环 壁望 前缀 厂 循环 后缀 广 复制复制 图3 1o f d m a 初始测距和切换测距发射( 连续2 个o f d m a 符号) 堕旦 循环循环 后缀前缀 几 循环 后缀 厂 0 f d m a 符号周期o f d m a 符号周期 卜i _ _ 卜 o f d m a 符号周期0 f d m a 符号周期 图3 2o f d m a 初始测距和切换测距发射( 连续4 个o f d m a 符号) ( 2 ) 周期带宽申请测距 周期测距被周期的发送，用于系统接入后通信中的测距。带宽申请用于向基 站申请上行链路带宽。这些发射只被已经与系统同步的用户发送。在测距子信道 的一个o f d m a 符号上调制一个测距码，发射信号形式如图3 3 所示。 霉翟缀 堕塑 ， ，复制 o f d m a 符号周期 图3 3o f d m a 周期测距和带宽申请发射( 1 个o f d m a 符号) 在测距子信道的3 个o f d m a 符号上调制连续的3 个测距码，如图3 4 所示( 开始 码总是3 的倍数，每个符号一个测距码) 。 第三章上行测距原理与仿真 循环 前缀 广 循环 前缀 广 循环 前缀 广 _ - i _ _ - - _ - 卜 o f d m a 符号周期o f d m a 符号周期o f d m a 符号周期 图3 4o f d m a 周期测距和带宽申请发射( 连续3 个o f d m a 符号) 3 2 2 测距码的生成 测距码生成器如图3 5 所示，多项式生成公式为1 + x + x 4 + x 7 + x 1 5 。生成器的 初始化种子为b 1 4 b o = o ，0 ，1 ，0 ，1 ，o ，1 ，1 ，s 0 ，s l ，s 2 ，s 3 ，s 4 ，s 5 ，s 6 ，其e p s 6 是生成器初始化种 子的最低位，并h s 6 ：s 0 i 扫u l _ - p e r m b a s e 来决定，s 6 是u l p e r m b a s e 的最高位。 低比特位 s 6s 5s 4 s 3s 2s ls oll0l0lo0 高比特位 图3 5 测距码生成器 二进制测距码是端口g 输出的伪随机序列的子序列，规定每个测距码的长度 为1 4 4 比特。可用的测距码的个数是2 5 6 ，编号为o 2 5 5 。每个基站使用这些码的 一个子组，其中子组由一个数s 来定义，0 = s = 2 5 5 。该子组中的码由编号从s 3 u ( ( s + o 斗n + m + l ) m o d2 5 6 ) 之间的码组成。 前n 个码用于初始测距。对应生成器的1 4 4x ( sm o d2 5 6 ) 3 u1 4 4x ( ( s + n ) m o d 2 5 6 ) 1 ： 接着的m 个码用于周期测距。对应生成器的1 4 4x ( ( s + n ) m o d2 5 6 ) 3 01 4 4x ( ( s + n + m ) m o d2 5 6 ) - 1 ： 接着的l 个码用于带宽申请。对应生成器的1 4 4 x ( ( s + n + m ) m o d2 5 6 ) 3 0 1 4 4 x ( ( s + n + m + l ) m o d2 5 6 ) 1 ： 接着的o 个码用于切换测距。对应生成器的1 4 4 x ( ( s + n + m + l ) m o d2 5 6 ) 至u 1 4 4 ( ( s + n + m + l + o ) m o d2 5 6 ) l 。 测距码采用b p s k 调制，其实部和虚部分别由下式表示： r e c k ) = 2 木( 1 2 一g )( 3 - 1 ) i r a q = 0( 3 2 ) 其中，c k 是测距信道中的第k 个子载波，g 是生成器生成的第k 个比特。 基丁i e e e 8 0 21 6 e 的上行测距和信道估计算法研究与宴现 3 3 测距传输分配 在1 6 e 标准中，u l m a pi e 分配测距所占的子信道和符号。 u i u c ( u p l i n k i n t e r v a lu s a g ec o d e ) 等于1 2 时，u l - m a pi e 就为r a n g i n g _ i e ，携带测距信息。o f d m a 的符号偏移，子信道偏移，符号长度和子信道长度，画出一块区域用于测距信息 的传输，测距区域见图3 6 t d d ( t i m e d i v i s i o n d u p l e x i n g ) 方式下帧结构图。 一1 孑百+ 舟丽 ， t 。* 。* i j 图3 6 t d d 方式下帧结构 在每一帧中，分配的r a n g i n g _ l e 不能超过三个。l 几一m a pi e 中的d e d i c a t e d r a n g i n g i n d i c a t o r 置为0 ，r a n g i n g m e t h o