（信号与信息处理专业论文）ieee+8021680216a物理层及其同步技术的研究.pdf

南京邮电学院颁卜学位论文摘要 摘要 目前，固定结构的无线产业发展缓慢，从而加速了人们对到底什么是“最后 一公里”的最佳解决方案的思考。在“最后一公里”问题中，宽带无线接入( b w a ) 作为一种曼有效的接入方式将替代传统的电缆调制解调技术和数字用户线( d s l ) 技术，因而得到了越来越广泛的关注。为此，i e e e 组织为第二代无线城域网 ( w m a n ) 先后定制了新的协议标准i e e e 8 0 2 1 6 及i e e e 8 0 2 1 6 a ，定义了新的 空中接口规范w i r e l e s s m a n ，以期望提供统的业界标准。 本论文介绍了i e e e 8 0 2 1 6 及8 0 2 1 6 a 的标准，并利用m a t l a b 工具实现了对 其物理层的s i m u l in i ( 仿真，讨论和研究了无线宽带接入系统在8 0 2 1 6 协议建议 的不同编码方式和调制方式下的系统性能，考察了在多径衰落信道情况下，不使 用均衡器时o f d m 系统的性能。 本论文重点对i e e e 8 0 2 1 6 a 系统的关键技术进行了研究，针对0 f d m 系统对 同步误差较为敏感的弱点，提出了一整套基于i e e e 8 0 2 1 6 a 的o f d m 系统同步方 案，其r f ，对精定时和相位跟踪提出了改进算法，并使整体算法最优。该算法具有 一定的理沦创新和科研参考价值。 关键字：8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 6 a ，无线宽带接入，l m d s ，物理层，o f d m ，同步，定时 频偏，多径信道，m a t i a b ，s i m u l i n k 南京邮电学院颁卜学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s 、t h e1 e s sd e v e l o p m e n to ft h e 右x e ds t m c t u r eo fw i r e l e s si n d u s t r y a c c e l e r a t e st h et h o u 曲to ft h em o s to p t i m i z e ds c h e m eo f t h el a s tm i l e d u et o t h i sp r o b l e m ，b r o a d b a l l dw i r e l e s sa c c e s si st h em o s tc h a l l e n g i n gs e g r n e mo fm e w i r e l e s sr e v o l u t i o ns i n c e “h a st od e m o n s t 豫t eav i s i b l ea n e m a t i v et oc h ec a b l e m o d e ma 1 1 dd s lt e c h n 0 1 0 9 i e st h a ta r es t r o n 9 1 ye n t r e n c h e di nt l l el a s tm i l ea c c e s s e n v i r o n m e m s oi e e ep r e s e n t e dn e wp r o t o c o l so f8 0 2 16a n d8 0 2 16 ar e s p e c t i v e l y f o r t h es e c o n dg e n e r a t i o nw m a n ，w h i c hd e n n e dn e wa i ri n t e r f a c ec r i t e r i o ns oa st o p r o v i d ea u n i f i e ds t a 1 d a r d t h i sp a p e ri m r o d u c e st h ep r o t o c o l so fi e e e 8 0 2 1 6a n di e e e 8 0 2 1 6 aa n da l s o d o s et h es i m u l a t i o no ft h ep h yi a y e ru s i n gm a t l a b f u r t h e m o r e ，w ed i s c u s s 血e p e r f b r m a n c eo ft h es y s t e mu s m gd i f r e f e n tc o d i n ga n dm o d u l a t i o ns c h e m ea c c o r d i n g t ot h ei e e e 8 0 2 16p r o t o c 0 1 ，a n dr e s e a r c ht h cp e r f o r m a 工1 c eo fo f d ms y s t e mw i t h o u t e q u a l i z e ri nt h ec i r c u m s t a n c eo fm u l t i p a t hf a d i n gc h a r u l e l t h ep a p e rp u t se m p h a s i so nt h er e s e a r c ho ft h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yo f i e e e 8 0 2 16 as y s t e n lw ep r o p o s ea ni n t e g r a ls c h e m eo fs y n c h m n i z a t i o nb a s e do n t h eo f d ms y s t e mo fi e e e 8 0 2 。1 6 ap r o t o c o la i m i n ga tt h es e n s i t i v i t yo ff r e q u e n c y a n dt i m i n go f h e t _ a 1 s o ，t h eb e t t e ra l g o r i t h mo ft i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n dp h a s e t r a c “n gf sp r o p o s e ds oa st 0i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m k e yw o r d ：8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 6 a ，w i r e l e s s b r o a d b a n da c c e s s ，l m d s ，p h y ， o r d 、 ，s y n c h r 。n i z a t i o n ，t i m i n g ，f r e q u e n c yo f f s e t ，m u l t i p a t hc h a n n e l ， m a t l a b ，s i m u l i n k 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电学院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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：张狴日期：兰! 年，4 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：超生堕导师签名：呈蔓兰日期：塑! 垒垒 南京邮f n 学院颁1 二学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 i1 无线宽带接入技术背景及相关概念 目前，固定结构的无线产业发展缓慢，从而加速了人们对到底什么是“最 后一公罩”的最佳解决方案的思考。在“最后一公里”问题中，宽带无线接入 ( b w ) 作为一种更囱效的接入方式将替代传统的电缆渊制解调技术和数字用户 线( d s l ) 技术，因而得到了越来越广泛的关注。 i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 1 年l o 月完成了i e 雎s t a n d a r d8 0 2 1 6 2 0 0 l 协议的制定并于2 0 0 2 年4 月8f | f 式发布。协议为第2 代无线城域网( w m a n ) 定义了w i r e l e s s m a n 。m 空中接口，支持l o 到6 6 g h z 的超高频段。基于该协议 的w m 州系统通过户外天线将大楼中客户网经由用户站( s s ) 至远处中心站( b s ) ， 接入核心网络。当前，w m a n 的s s 端连接的用户是传统的室内网络，如e t h e r n e t ( i e e 8 0 2 3 标准) 、w l a n ( i e e8 0 2 1 1 标准) 或专用分组交换机( p b x ) 。 该标准的基本设计可能最终允许w n 网络协议直接高效地扩展到终端个人用 户。i e e e8 0 2 1 6 协议的出现标志着宽带无线接入( b w a ) 将作为一个新的主要 途径，把各商业机构和家庭接入全球电信核心网。 a r c 工作小组( t h ea n a l y s i s ，r e s e a r c h ，a n dc o n s u l t a n c yg r o u p ) 预测到 2 0 0 5 年，应用于家庭和办公环境中的固定无线配置将达到2 8 亿用户。事实上， b w a 的前景取决于是否能方便地大规模地迸行用户端的无线配置，而这要求在 用户端能实现完全的室内天线非工程安装，因而技术上要求解决这种非视距环 境中造成的物理层性能严重下降。目前，8 0 2 1 6 工作组提出了解决n l o s ( 非视 距) 环境下基于o f 喇( 正交频分多址) 的b w a 解决方案8 0 2 1 6 a 协议。 在8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 协议定义的无线宽带接入系统的基础上，8 0 2 1 6 工作 组新近又提出了支持终端移动性的技术解决方案，定为8 0 2 1 6 e 协议，旨在移 动环境f 同时支持话音、多媒体和高速数獬等、比务，构筑个高效、柔性、集 成、基于i p 的通信环境，支持对i n t e r n e t 或企业内联网透明的接入。8 0 2 1 6 e 不但要解决移动等技术问题，同时要考虑与原有的协议的前向兼容性。该工作 小组计划在未来几年内提交5 个标准。与此同时，另外一个i e e e 工作小组也提 南京邮电学院硕i 一学位论文第一章绪论 出了m b w a ( m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 的方案，将以无线宽带接入方 式支持更高速率的移动终端，其技术方案定为8 0 2 2 0 协议。8 0 2 1 6 e 是 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 的增补方案，它在2 6 g h z 频段支持低速的移动终端( 与m b w a 相比，移动终端速率较低) ，充分发挥了无线接入方式的移动潜力，使无线宽带 接入比传统的电缆和光纤接入方式更具市场潜力。可以说，8 0 2 1 6 e 的提出是 考虑了系统本身的移动性优势和用，? ，对业务移动性的需求，填补了高速率但不 支持移动性的系统( 如w l a n ) 和高移动性但不支持高速率的系统( 如u m t s ) 之 间的空白。 b w a 作为解决接入网瓶颈的有效手段，对新兴运营商来说是一种有效的和 低成本的选择，并且随着标准的完善与市场的成熟，b w a 将得到进一步的发展。 1 2 无线通信中的0 f d m 技术 无线宽带接入网的巨大吸引力也带来一系列无线网络所特有的问题：多径 传输、信道衰落和空问射频干扰使传输速度和可达距离面临挑战：同时，在固 定的频带中，频潜利用率直接限定系统所能达到的数据吞吐性能，所以在有限 的频带里，需要找到一种能适应大量突发性数据传输的调制方式。所有这些问 题都要求无线宽带接入网的物理层选择一种性能优越的调制技术，而o f d m 正是 这样一种我们需要的调制技术。 o f d m 技术就是将串行的数据流分成若干个并行数掘流，分别调制在正交的 予载波上进行传输。o f d m 系统不需要线性均衡，从而避免了噪声的增加，而且 由于它的符号间隔相对变长，对多径效应、脉冲噪声和快速衰落有较强的抵抗 能力；另为出于子载波之间的正交性，其频谱允许重叠，使得它的频谱利用率 比单载波系统提高很多。 在2 0 世纪8 0 年代，当大规模集成电路让f f t 技术的实现变得越来越容易， 一些其他一度难以实现的困难也都得到了解决时，制约0 f d m 技术发展的桎梏终 于被摘掉。从此0 f d m 技术成了通信技术舞台上主角之一，从2 0 世纪9 0 年代起， o f d m 技术被广泛应用在数字音频广播( d a b ) 、高清晰度电视( h d t v ) 和无线局域 网( w l a n ) 当中。 当然，要实现o f d 也存在技术上的难点。首先，它对同步的要求很高。 2 南京邮电学院硕士掌位论文第一章绪论 系统对由多谱勒频移或收发端晶振不同步产生的频率偏差非常敏感，频偏会破 坏子载波之间的正交性，引入i c i ，而且还会引起传输信号的相位旋转，造成 系统性能大幅度降低。同时，o f d m 系统对定时的要求也很高。若符号定时发生 偏差，落在循环前缀范围之外，系统的解调结果将完全错误。其次，虽然o f d m 系统可以用差分孵调来简化接收机，但同时也会使噪声增加而降低了系统的性 能，若希望提高系统的性能，则必须在o f d m 中使用相关解调，这就需要进行精 确的信道估计。此外，o f d m 系统还有一个问题是发送信号的幅度变化很大，在 很多情况下会超出功率放大器的线性区域，造成严重的带内扭曲和很高的带外 辐射，因此，在o f d m 系统中，如何降低多载波信号的功率峰均值比( p e a kt o a v e r a g ep o w e rr a “o ，p a p r ) 也是一个很重要的研究课题。 l3 本论文的内容及主要贡献 本论文的主要任务是对基于i e e e 8 0 2 1 6 a 标准的o f d m 技术进行研究，针 对0 f d m 系统对同步误差较为敏感的弱点，对精定时和相位跟踪算法进行了改 进，并在此基础上提出了一套新的基于i e e e 8 0 2 1 6 a 的0 f d m 系统的整体同步方 案，最后给出了方案性能及其分析；对i e e e 8 0 2 ，1 6 8 0 2 1 6 a 协议的物理层进行 了仿真，并讨论和研究了在协议建议的不同编码方式和调制方式下的系统性能。 论文结构的安排如下：第二章介绍i e e e 8 0 2 ，1 6 8 0 2 1 6 a 标准及分别对两个 标准的物理层进行了m a t l a b 仿真，讨论和研究了无线宽带接入系统在8 0 2 。1 6 协议建议的不同编码方式和调制方式下的系统性能，从而为实现自适应调制编 码技术提供了理论参考与依据，同时在对8 0 2 1 6 a 协议仿真中，考察了在多径 衰落信道情况下，不使用均衡器时o f d m 系统的性能；第三章介绍了o f d m 系统 的基本原理以及结构，重点地对各种非理想同步因素对o f d l 系统造成的性能影 响进行了分析，并总结了几种典型的o f d m 系统同步算法；第四章首先介绍了仿 真同步算法的信道模型，然后根据8 0 2 1 6 a 帧头的共扼对称性等特点，提出了 一套整体的基于8 0 2 1 6 a 的同步方案，其中对精定时和相位跟踪提出了改进算 法，最后对本文提出的同步方案进行仿真，并与传统的同步方案( 基于 i e e e 8 0 2 1 1 的同步方案) 比较，给出了性能比较与分析；第五章总结全文，提 出了系统改进的方向及需要进一步研究的o f d m 技术，同时对无线宽带接入系统 南京邮l u 学院硕i 学位论义第一章绪论 的发展进行了展望。 本论文的重点在第四章，作者从整体最优为出发点，在考虑各种同步方法 的1 生能和算法复杂度以及系统鲁棒性的基础上，提出了一套整体的适合8 0 2 1 6 a 的同步方案，其中采用了新的精定时算法，并理论证明了该算法不受频偏影响， 可以放在频偏估计之前，从而克服了同步算法之间的相互依赖性，使系统的鲁 棒性更强；同时，该算法使小数频偏估计可以放在精定时之后完成，避免了符 号间干扰，估计更为准确，且整数频偏估计算法较之与传统的逐步搜索算法更 简单。同时在相位跟踪的算法中，本文利用类似于信道估计的算法，在导频估 计值之间线性内插纠正了各种非理想因素造成的予载波相位旋转和幅度衰减， 比传统的用导频估计值求均值的方法来进行相位补偿有了明显的改进。仿真结 果显示，本文提出的整体同步方案不但降低了算法复杂度，而且改善了系统的 传输误码率和鲁棒性。该算法具有一定的理论创新和科研参考价值。 南京邮i 乜学院硕i ：学位论文第二章8 0 21 6 ，8 0 21 6 a 标准及物理层仿真 第二章8 0 2 1 6 ，1 6 a 标准及物理层仿真 2 1 i e e e 8 0 2 1 6 标准2 4 1 i e 旺8 0 2 l 6 标准描述了一个点到多点的固定宽带无线接入系统的空中接 口，包括媒体访问控制层( m a c 层) 和物理层( p h y 层) 2 大部分。以该标准组 建的无线城域网( w m a n ) 可提供多科r 业务。其m a c 层能支持多种物理层规范，以 适合各种应用环境。l o 6 6 g h z 频段的物理环境由于是微波，要求b s 和s s 间直 视( l o s ) ，并可忽略多径效应。其信道带宽较大，通常是基于单载波调制的空中 接口，单载波带宽为2 5 m h z 或2 8 m h z ( 我国采用) ，因此也被称为 w i r 0 1 c s s m a n s c 空中接口。i e e e8 0 2 1 6 的协议栈结构如图2 1 所示。 高层 西向业务的汇聚子培( c s ) m a c 公共部分子培( c p s ) 加密子层( p s ) 传输汇聚子层( t c l ) 物理媒质依赖子层( p m d ) 图2 一i8 0 2 1 6 协议栈结构 m a c 层由特定业务汇聚子层( c s ) ，m a c 公共部分子层( m a cc p s ) ，加密协 议予层( p r j v a c y ) 3 部分组成，其中加密协议子层是可选的。 c s 子层丰要功能：负责将其、皿务接入点( c ss a p ) 收到的外部网络数据( s d u 。) 转换和映射成m a cs d u ，并传递到m a cc p s 层业务接入点( m a cs a p ) 。这具 体包括对外部网络数据( s d u ) 执行分类，著关联到适当的m a c 业务流( m a cs e r v i c e f l o w ) 和连接标识符( c i d ) 上，甚至可能包括净荷头抑制( p h s ) 等功能。协议 提供多个c s 规范( a t mc s 和p a c k e tc s ) 作为与外部各种协议的接口。c s 净荷 的内部格式对c s 层是唯一的，m a cc p s 不需要理解或分析来自c s 层的净荷。 m a cc p s 子层主要功能：它是m a c 的核心部分，包括系统接入，带宽分配， 连接建立和连接维护等。它通过m a cs a p 接收来自各种c s 层的数据并分类到特 。s d u ( s c r v i c cd a i au n i t ) ；业务数姑单儿p d u ( p f o t o c a id a l au n i t ) ：协泌数据单元 5 南京邮电学院坝二卜学位论文第二章8 0 216 ，8 0 21 6 a 标准及物理层仿真 定的m a c 连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量控制( q o s ) 。 通常说的m a c 层主要指姒cc p s 。 p r i v a c y 子层的主要功能：提供认证、密钥交换和加解密处理。 物理层由传输汇聚子层( t c l ) 和物理媒质依赖子层( p m d ) 组成，通常说 p h y 主要指后者。物理层定义了两种双工方式：t d d 和f d d ，这两种方式都使用 突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数( 调制 方式、编码方式、发射功率等) 可以动态调整，但是需要m a c 层协助完成。 下行链路一般采用t d m 方式，发送给各个s s 的数据采用时分复用的方式进 行传输，数据按照稳健性降序排列，各个s s 根据m a c 报头中的目的地地址接收 发送给自己的数据。上行链路采用t d m a ( 时分多址) 和d a 姒( 按需分配多址) 方式，上行链路信道被分为许多的时隙，s s 根据下行链路中收到的姒c 层控制 信息按入信道相应时隙，这种控制信息由b s 侧根据系统整体性能最优产生，并 实时变化以适应数据传输的突发性。 物理层的数据分帧进行传输，协议中规定帧长可以为0 5 m s 、l m s 或2 m s 。 采用t d d 方式时，上下行子帧的帧长可凋。图2 2 为下行子帧帧格式，图中c i d 是连接标识荷，d i u c 是下行链路的间隔使用码，c a z a c 是恒幅零相关序列，用 于帧同步。d l m a p 是定义下行突发起始时间的m a c 层管理消息，u l 一姒p 是定义 上行突发起始时间的 i a c 层管理消息。 l “ 0 幽2 2r 行子帧帧格式 t c 了层( 传输汇聚予层) 士= 要将m 、c 层传来的m cp d u 按适当的码字长度 分段成数据块组装成t cp d u ，为在p m d 子层中执行f e c 编码做准备。装配后的 t cp d u 首部的指针域指明了第一个m a cp d u 和填充字节的起始位置。 p m d 层具体执行信道编码、调制解调等一系列过程。本文中的仿真就是针对 p m d 层的。下行链路p m d 层概念框图如图2 3 所示。 6 南京邮电学院硕l ：学位论立 第二章8 0 21 6 ，8 0 21 6 a 标准及物理层仿真 到震 i 化 f e c 编 码 前缀 头添 加 符号 映射 基带 脉冲 成形 图2 3 p m d 层概念框图 其中，随机化是将进入的数据流和一个伪随机二进制序列模2 加，用于抑制 长连零出现以便时钟提取。伪随机序列发生器的长度为1 5 ，在每个突发( b u r s t ) 的起始位罱初始化，种子为1 0 0 l o l o l 0 0 0 0 0 0 0 ，生成多项式：g ( x ) = x ”+ 一4 + l 。 协议中建议了四种编码类型，如表2 1 所示。其中类型1 和2 是b s 和s s 必 须能实现的编码方案，两种方案的外码均采用g f ( 2 5 6 ) 上的r e e d s 0 1 0 m o n ，其 中的信息字节长度k 可在6 至2 5 5 之间选择，纠错字节长度t 可在0 至1 6 之间 选择。第一种方案没有内码，第二种方案中的内码为码率为2 3 的凿孑l 卷积码。 r s 的码生成多项式；g ( z ) = ( x + 。) 扛+ ) ( x + 2 ) 0 + 2 r 。“，其中2 0 2 m r s 的域生成多项式：p ( x ) = z 8 + x 4 + + x 2 + 1 f 1 卷积码的生成式是( 7 ，5 ) ，凿孔矩阵为l lo j 。 编码类犁 外码 内码 l g f ( 2 5 6 ) 的r s尤 2g f ( 2 5 6 ) 的r s卷积码 3 ( 可选)g f ( 2 5 6 ) 的r s奇偶校验码 4 ( 可选) 块t u r b o 硝无 表2 一lf e c 编码类型 调制解调支持0 p s k ，1 6 q a m ，6 4 q 心三种方案，其中6 4 。a m 可选。o p s k 映射方 式如农22 所，j i 。图2 4 为q i ，s k ，1 6 q 脒和6 4 q a ：l i 的星座图，为了得到相同的平均 发射功率，星座上的每个点应与归一化因子c 相乘。 堕塞坚皇兰堕堕- 圭兰垡堡奎 兰三兰! ! ! ：! ! 竺! ：! ! ! 茎堡墨塑里星望塞 0o1l 10一11 r 一丁一1 丁i 1 一i 表2 2q p s k 符号映射 0 b 厦 7 u 卜 3二lf一 - 一 - 3 r j ll ou 0o l b 3 b 2 ，i d o c = i q 2 0 ， ，3：l fj 7 一 o ， “5 b | 吣 幽2 4q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 的尼摩幽 表2 3 表示了不同调制方式下，不同信道带宽，所带来的不同传输速率。z o m 、 2 5 m 和2 8 m 三种信道带宽以适合不同地区的频率资源分配。 信道带宽符号率 比特率：m b i t s ) ( 嗣h z )( m b a u d )q p s k1 6 一q a m6 4 一q 躺 2 01 63 26 49 6 2 52 04 08 0】2 0 2 82 2 44 4 88 9 61 3 4 4 表2 38 0 2 1 6 中定义的物理层的多种传输速率 南京j l 电学院颁l ：学位论文 第二章8 0 2 ，1 6 ，8 0 21 6 a 标准及物理层仿真 2 2i e e e 8 0 2 1 6 物理层仿真 本仿真模型严格按照图2 3 搭建，采用t d d 模式，参数选择符合协议规范。 假设传码率约为2 0 m b a u d ( 满足1 6 、4 0 m b a u d ) ，下行帧长为1 m s ，若使用q p s k 调 制，则下行帧包含2 0 0 0 0 s y 曲0 1 s ，即4 0 0 0 0 b i t s 。一帧中包含1 5 个子帧。每个 子帧的结构如下： 仿真若采用编码类型1 ，每个t 嘲包含2 个r s 编码，则净荷长为2 2 0 8 b i t s ， 而子帧的头为6 4 b i t s ( 未加控制字) ：所以假设一子帧长为2 2 7 2 b i t s 。本文分别 对不同的映射方式和编码方式仿真，具体的参数计算如上，因而需要在不同条件 下调整系统仿真参数。 如图2 5 为物理层下行链路仿真框图，下面对仿真流程进行具体阐述。 鲜洱螃j ；| 步 榉映射辩码 图2 5 物理层下行链路仿真框图 发射端： 1 信号源及随机化 利用伪随机序列发尘器产生一串数据流模拟信号源，并与按照协议规定产生 南京邮1 毡学院硕= | 。学位论文第二章8 0 21 6 ，8 0 21 6 a 标准及物理层仿真 的伪随机序列进行模2 加，从而完成数据产生和随机化工作； 2 f e c 编码 本文分别对编码类型1 和2 进行了仿真，外码采用r s ( 2 5 5 ，2 3 5 ，1 0 ) ，即码 长为2 5 5 字节，校验位1 0 字节。本文中k 分别取2 6 ，6 0 和1 8 0 ，t 取l o 。若取 k = 2 6 ，即在2 6 个字节前面充入2 0 9 个字节的o ，编码成为2 5 5 个字节，然后把 充入的零去掉，形成4 6 个字节。内码无或采用凿孑l 卷积码，采用卷积编码时选 用1 2 的码率，约束长度为3 ，并按照协议建议的凿孔矩阵对内码进行处理。 3 插入帧同步码 帧同步码选用具有良好自相关性特性的c a z a c 码字，且一个c a z a c 码字长 为1 6 ，并重复两次，以保证同步的可靠性。为了确保其准确传输，协议规定采 用q p s k 对帧同步头进行调制。 q 映射 本文分别采用了q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 进行符号映射，并将映射后的符号分 为i 路和q 路传给基带脉冲成形模块。 5 基带脉冲成形及调制 本文使用滤波器设计工具，按照协议生成均方根升余弦滤波器，其中n 一0 2 j ，传递函数( j 如卜： h ( ) = 1弘，i 厂i ( 1 + 口) 调制过程中，分别将经过滤波器后的i 路和q 路与余弦和正弦信号相乘，余弦和 正弦信号的频率为系统的工作射频，然后经两路相加形成最后的模拟信号。 6 信道 由于是高速传输，采用直视链路，因而多径可以忽略。仿真中采用高斯白噪 声信道，根据不同信噪比要求加入高斯白噪声。 接收端： 7 符号定时同步及解调 如图2 6 为符号定时的设计框图，采用闭环锁相环跟踪最佳采样点，载波同 南京邮电学院硕：学位论文 第二章8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 5 a 标准及物理层仿真 步为理想同步；图2 - 7 为解调的仿真框图。解调端使用均方根升余弦滤波器对i 路和0 路再次滤波，以避免码阃干扰。 幽2 6 符号定时框图 s a m d l e 图2 7 解润仿真框图 8 解映射及帧同步 帧同步通过编写m 函数文件z h e n t o n b u m 创建帧同步模块，幽模块的输出决 定是否已实现帧同步，如图2 8 所示。帧同步过程采月j 传统的求序列自相关最大 峰值的方法，帧同步码选用具有良好自相关性特性的c a z a c 码字，当第一次检 测到相关峰后，延时1 6 个采样时间再判断，如果继续检测到相关峰，则认为捕 获到了帧同步头；否则，重新等待。帧同步后，去掉帧头进入解映射过程。 9 解码 按照采用的编码类型选取正确的解码方法，具体解码方法不再阐述。 南京郎电学院硕士学位论文第二章8 0 2 1 6 ，8 吆1 6 a 标准及物理层仿真 1 0 解随机化 解随机化过程即随机化过程的逆过程，这里也不再阐述。 图2 8 帧j 司步仿真框图 信息速率和平均符号功率都相同的情况下，编码采用k = 6 0 的r s 码，调制分 别采用q p s k ，1 6 q _ a m 和6 4 q a m 时得到的误比特率曲线如图2 9 所示。图中q p s k 的 理论曲线是无纠错编码时得到的，由图中可以看出，在相同信噪比条件下，q p s k 的性能最好，6 4 q a m 的性能最差，但q p s k 占用的带宽是6 4 q 肼的三倍，所以在 信道条件较好的情况下，自适应调制会采用6 4 q 埘。 采用q p s k 调制时，无f e c 编码、只采用k = 6 0 的r s 码以及采用外码为k _ 6 0 的r s 码，内码为凿孔卷积码时得到的误比特率曲线图如图2 1 0 。从图中可以看 到，在差错概率为o 0 5 时，与不编码相比，r s 码有大约5 d b 的编码增益，而r s + c c 又比只用r s 码有大约1 d b 的增益，但是这种增益是以复杂度和处理对间的 增大为代价的。 图2 - 9 不同调制方式比较图2 1 0 不同编码方式比较 南京邮电学院硕上学位论文 第二章8 0 21 6 ，8 0 21 6 a 标准及物理层仿真 图2 1 1 中采用q p s k 调制，只采用g f ( 2 5 6 ) 的r s 编码，信息字节数k 分别 为2 6 ，6 0 和1 8 0 ，纠错能力t 都为1 0 字节。从图中可以看出，k = 2 6 的误码率性 能最好，而k = 1 8 0 的误码率性能最差，这个结论是符合实际的。它们的码率分别 为1 3 2 3 ，3 4 ，1 9 2 0 ，k = 1 8 0 时码率最高，但性能最差。 图2 1 1r s 码取不同k 时b e r 的比较 2 3i e e e 8 0 2 1 6 a 标准3 7 1 运行于2 1l g h z 频段之间的8 0 2 1 6 a 标准是i e e e8 0 2 1 6 标准的扩展，在点 到多点( p m p ) 和网格拓扑( 可选的) 两种网络结构下，该标准规定了无线宽带 接入系统空中接口的媒体接入控制层( m a c 层) 和物理层( p h y 层) 。通过对 m a c 层规范的修改和p h y 层规范的增补来实现对8 0 2 1 6 的改进，从而满足非 视距环境下的无线宽带接入。该标准定义的空中接口技术可用于将8 0 2 1 l 局域 网连接到互联网，也可作为线缆和d s l 的无线扩展技术。 2 3 1m a c 层 i e e e8 0 2 1 6 a 可以按照一种给定的业务质量接入到数据、视频和声音业务 中。该标准的m a c 层支持多种p h y 层规范，每种规范都适用于一种特定的操 作环境，这个操作环境包括无需申请许可执照的频段和被指定给公共网络接入的 需要申请许可执照的频段。 在i e e e8 0 2 1 6 a 中，为了更加稳定、可靠的传输，m a c 层增加了许多新功 南京邮电学院顺i 学位论文第二章8 0 21 6 8 0 2 1 6 a 标准及物理层仿真 能，包括：对网格拓扑结构的支持；对o f d m 和o f d m a 的支持；需申请许可 执照的频段中的动态频率选择( d f s ) 功能：用来解决无线媒体固有的耗损性能 的每个连接上的自动重复请求( a r q ) 功能；对自适应天线系统( a a s ) 的支持 等等。 在网格网络中，在传输方法的选择问题上，根据协议可平等地选择分布式调 度的方式，集中式调度的方式，或两者结合的方式来进行传输。如采用分布式调 度的方式，所有的节点包括网格b s 必须在它们的二跳范围中调整它们的传输， 并且把它们的调度情况广播发送给它们所有的相邻节点知道。如采用集中式的调 度，资源则通过一种更集中的方式给予，网格b s 必须收集某一跳范围内的所有 网格s s 的资源需求，来决定在网络中的每条链路( 包括上行链路和下行链路) 的可给予的资源总量，并且将这些资源信息传输到二跳范围内的所有网格s s 中。 在网格模式中，每个节点有一个4 8 b i t 的通用m a c 地址，这个地址般使 用在网络登陆过程和部分认证过程中。通过这些过程，候选节点和网络可以证 实对方。当候选节点通过认证，就会获得一个1 6 b i t 的节点标志符( n i d ) ，n i d 是正常操作时识别节点的基础。每个节点还会分配给已经建立了相邻节点的链路 一个链路标志符( l i d ) ，在分布式调度中，l i d 被用来识别资源的请求和分配。 与8 0 2 1 6 的m a c 层管理信息比，因为8 0 2 ，1 6 a 的m a c 层新增了功能，管 理信息的种类也随之增加，而且这些增加的管理信息多数与a r q 、a a s 和网格 有关。新增的1 2 种管理信息如下：a r q 反馈信息、a r q 丢弃信息、a r q 复原 信息、信道测量报告请求( r e p r e q ) 、信道测量报告响应( r e p r s p ) 、网格网 络构造( m s h n c f g ) 、网格网络登陆( m s h _ n e n t ) 、网格分布式调度 f m s h d s c h ) 、网格集中式调度( m s h c s c h ) 、a a s 反馈请求( a a s f b c k - r e q ) 、 a a s 反馈响应( a a s f b c k r s p ) 。 m a c 子头可分为4 种类型：与8 0 2 1 6 相比，除了拆分子头、打包子头和带 宽分配子头外，还增加了网格子头；丽且当网格子头被需要时，它优先于其它的 子头。 与8 0 2 1 6 比，s s 的带宽分配方式与g p s s 方式类似，但是g p c 方式被取消。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章8 0 21 6 8 0 21 6 a 标准及物理层仿真 2 3 2 物理层 m e e 8 0 2 1 6 a 有3 个独立的分别以单载波( s c ) ，o f d m 和o f d m a 为基础 的物理层。无需申请许可执照的频段只支持t d d ，而在需申请许可执照的频段 中：s c ap h y 层支持t d d f d d 及t d m a ；o f d mp h y 层支持t d d ，下d d 及 t d m a ，采用2 5 6 点f f t 调制；o f d m a p h y 层支持t d d f d d 及o f d m a ，采 用2 0 4 8 点f f t 调制。 除了增加了上述2 个p h y 规范外，在需申请许可执照的频段中，为了支持 在视距和非视距环境下的传输，8 0 2 1 6 a 的物理层也增加了其它功能：如对高级 能量管理技术的支持、对多重天线的支持和冲突缓解、共存功能等等。 w i r e l e s s m a n s c m 物理层是以单载波技术为基础，为2 ，1 1 g h z 频段上的 n l o s ( 非视距范围) 设计的。如同8 0 2 1 6 中所定义的，s c ap h y 层有f d d 和 t i ) d 两种双工方式，f d d 方式中，上行链路和下行链路使用不同的载频：基站 使用下行链路载频，移动用户使用上行链路载频。上行链路和下行链路子帧在长 度上应保持一致，并有规律地加入保护间隔；在t d d 方式中，上行链路和下行 链路在同一个m a c 帧控制下在不同时间内复用同一载波。在单载波调制中 q p s k 和1 6 q a m 是强制的，6 4 q a m 是可选的。功率控制在上行链路中使用， 基站根据整体系统性能最优，对用户的发射功率进行周期性的调整。 w i r e l e s s m a n 0 f d m 物理层是以o f d m 调制为基础的。在时域中，使用i f f t 变换产生o f d m 波形，其符号时间结构图如下： i 鬻鬻l露蘩 瓦i 一 s y m 削2 1 2o f d m 符号时域构造 t 卜有用的符号时间，t g 循环前缀( c p ) ，t s y m 符号时间 0 f d m 符号由载波构成，载波的数目决定了f f t 的大小，在0 f d mp h y 层 中，f f t 的点数是2 5 6 。载波的类型有：数据载波( d a t ac a r r i e r s ) ；导频载波( p i l o t c a r r i e r s ) ；空载波( n u l lc a r r i e r s ) 。图2 1 3 描述了o f d m 的频域： 南京邮i u 学院坝、学位论文第二帚8 0 21 6 ，8 0 21 6 a 标准及物理层仿真 ) a m ( 。a rr i e 瞄 d c 心m k rl i i o 【( k r i e 隅 图2 。1 3o f d m 的频域描述 o f d m 信号的传输参数参考表2 4 ： 参数数值 ， 2 5 6 n 。d 2 0 0 f | b w8 7 或7 6 t ：| t h 1 4 ，1 8 ，1 1 6 ，1 3 2 低频保护子载波数 2 8 高频保护子载波数 2 7 保护子载波一1 2 8 ，一1 2 7 ，一l o l 插入位置+ 1 0 1 ，+ 1 0 2 ，1 2 7 固定导频插入位置一8 4 ，一6 0 ，一3 6 ，一1 2 ，1 2 ，3 6 ，6 0 ，8 4 子信道分配1 ： - 8 8 ，一7 6 ) ， 一5 0 ，一3 9 ， 1 ，1 3 ) ， 6 4 ，7 5 ) 2 ： 一6 3 ，一5 l ，卜2 5 ，一1 4 ， 2 6 ，3 8 ， 8 9 ，1 0 0 3 ：卜1 0 0 ，- ，一8 9 ，卜3 8 ，一2 6 ， l 4 ，2 5 ) ， 5 1 ，6 3 ) 4 ： 7 5 ，一6 4 ，卜1 3 ，一1 ，1 3 9 ，j o ， 7 6 ，8 8 ) 表2 40 f d m 符号参数 下行键路p m d 层概念框图如图2 一1 4 所示 v 图2 14o f d m 系统物理层框 封 0 f d m 物理层中，信道编码由3 个步骤组成：随机化、前项纠错编码( f e c ) 、 交织。随机化过程与8 0 2 ，1 6 物理层的建议方式相同。8 0 2 1 6 a 中建议了三种编码 6 堕塞l 坚璺兰堡婴主兰竺堡苎 兰三兰! ! ! ：! ! ! ! 丝：! ! ! 塑堡垄塑里星堡塞 类型，如表2 5 所示。其中类型1 是b s 和s s 必须能实现的编码方案，外码采用 g f ( 2 5 6 ) 卜的r e e d s 。1 0 m o n ，内码采用凿孔卷积码，凿孔原则参考表2 6 ；外码 的信息字节长度k 、纠错字节长度t 以及卷积码码率将根据映射方式选择，如表 2 7 。 r s 的码生成多项式：g ( x ) = 0 + ，。) 0 + ) 0 + z 2 ) ( z + 2 7 1 ) ，其中2 0 2 一。 r s 的域生成多项式：p ( x ) = x 8 + x 4 + 妒+ x 2 + 1 卷积码的生成式蝮翥乏 f o rx f o ry 编码类型 外码 内码 l g f ( 2 5 6 ) 的r s卷积码 2 ( 可选)分绢t u r b o 码 无 3 ( 可选)卷积t u r b o 码无 表2 5f e c 编码类型 码率 r a t el 2 2 33 45 6 矗m 。， 1 0654 x1l o1 0 l 1 0 1 0 1 y