（通信与信息系统专业论文）ieee+8021680216a物理层仿真及其同步技术的研究.pdf

堕室塑皇堂堕兰垡堡兰 i ! 显 摘要 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 y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是 当今高速无线通信领域中的研究与应用热点，由于具有良好的抗噪声性能、抗多 径干扰能力以及频谱利用率高而被普遍认为是第四代移动通信系统中的核心技 术。符合i e e e8 0 2 1 6 a 标准的无线城域网，其物理层采用o f d m 调制。本文在 对i e e e8 0 2 。1 6 标准物理层进行仿真的基础上，着重研究o f d m 系统中的同步技 术以及基于i e e e8 0 2 1 6 a 标准的同步方案设计。 本文首先研究了i e e e8 0 2 1 6 标准并对其物理层进行了仿真。接着介绍了 o f d m 系统的基本原理及其实现，给出了o f d m 的系统组成及其系统模型，并 对实现o f d m 系统的几个关键问题进行了讨论，并简要介绍了宽带无线接入协 议i e e e8 0 2 1 6 a 。在上述工作的基础上，对载波频率偏差和符号定时偏差对 o f d m 接收机性能的影响进行了详细分析，同时还简单介绍了几种典型的同步 算法。 本文在传统方案的基础上提出了一种基于i e e e8 0 2 1 6 a 标准的改进同步方 案，在捕获阶段利用训练符号完成了数据帧头捕获，频偏估计，符号定时等任务， 在跟踪阶段利用循环前缀完成时间和载波频率跟踪，利用导频信号完成载波相位 跟踪以及采样时钟跟踪等任务。与传统方案相比，该同步方案主要对精定时，粗 频偏同步和相位跟踪提出了改进算法，并适当调整了同步顺序，使整体算法更优。 该同步方案具有计算量少，实现结构简单的特点，满足突发性通信环境下迅速实 现同步的要求，计算机仿真结果证明该同步方案在固定宽带无线信道中具有良好 的性能。 壹塞堂皇堂堕兰些丝兰一一竺! ! ! 生 a b s t r a c t o f d mi sn o wo n eo ft h eh o tt o p i c so fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nh i 【g h r a t e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，a n dg e n e r a l l yr e g a r d e da so n eo f t h ec o r et e c h n o l o g i e s o ft h e4 t hm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e md u et oi t sg o o dp e r f o r m a n c ea g a i n s tn o i s e a n d m u l t i p a t hd e l a y , a n d d u et oi t sh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c y t h ep h y s i c a ll a y e ro f t h e w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k sc o n f o r m e dt oi e e e8 0 2 16 aa l s oa d o p t so f d m i nt h i st h e s i s ，b a s e do ns i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a ll a y e rd e f i n e di ni e e es t a n d a r d 8 0 2 16 a ，f o c u si sp u to n s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y a n di t si m p r o v e m e n t t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e si e e es t a n d a r d8 0 2 1 6a n ds i m u l a t e si t sp h y s i c a l l a y e r n e x t ，w ep r e s e n tt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no fo f d ms y s t e m ，g i v e c o m p o n e n t s o fo f d m s y s t e m a n db u i l dt h es y s t e mm o d e l t h e nw ed i s c u s saf e wk e y p r o b l e m so fr e a l i z i n go f d ms y s t e m ，a n db r i e f l yi n t r o d u c e b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s s t a n d a r di e e e8 0 2 。1 6 a b a s e d0 nt h ew o r ka b o v e ，t h ei n f l u e n c eo f c a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e ta n ds y m b o lt i m i n go f f s e tt os y s t e mp e r f o r m a n c eo fo f d mi sa n a l y z e di nd e t a i l a n ds o m e t y p i c a ls y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s a r ea l s oi n t r o d u c e d o nt h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a ls c h e m e ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r do n ei m p r o v e d s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eb a s e do ni e e e8 0 2 16 a t h ec a p t u r eo f d a t af r a m eh e a d ，t h e f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n dt h es y m b o lt i m i n ga r ec o m p l e t e dw i 血t h et r a i n i n g s y m b o l sd u r i n gc a p t u r es t a g e d u r i n gt r a c k i n gs t a g et h ec a r r i e rf r e q u e n c ya n ds y m b o l t i m i n gt r a c k i n ga r ec o m p l e t e dw i t ht h ec y c l i cp r e f i x ，a n dt h ec a r r i e rp h a s et r a c k i n g a n ds a m p l i n gt i m e rt r a c k i n ga r ec o m p l e t e du s i n gt h ep i l o ts i g n a l s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a ls c h e m e s ，t h i ss y n c h r o n i z a t i o ns c h e m em a i n l ym a k e si m p r o v e m e n t so f a l g o r i t h m so f f i n et i m i n g ，c o a r s ef r e q u e n c yo f f s e ts y n c h r o n i z a t i o na n dp h a s e t r a c k i n g ， a n dp r o p e r l ya d j u s t ss y n c h r o n i z a t i o n p r o c e d u r ei no r d e rt om a k e t h ew h o l e a l g o r i t h m b e t t e r t h es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eh a sc h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o m p u t a t i o n sa n dt h e s i m p l er e a l i z i n gs t r u c t u r e ，w h i c h m e e tt h e r e q u i r e m e n t s o ft h e s p e e d o f s y n c h r o n i z a t i o nu n d e rb u r s tc o m m u n i c a t i o nc i r c u m s t a n c e s ，t h er e s u l t so fc o m p u t e r s i m u l a t i o n sp r o v et h a tt h e s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eh a sg o o dp e r f o r m a n c ei nf i x e d b r o a d b a n dw i r e l e s sc h a n n e l sa n di ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lo n e 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 6 2 8 8 5 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：日期 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：一导师签名： 日期 南京邮电学院学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 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 ) 作为一种更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。 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 e es t a n d a r d8 0 2 ，1 6 2 0 0 l f l 】协 议的制定并于2 0 0 2 年4 月8 目正式发布。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 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 a n 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 m e t ( i e e e8 0 2 3 标准) 或w l a n ( i e e e8 0 21 1 标准) ，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 m a n 网络协议赢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。 事实上，b w a 的前景取决于是否能方便地大规模进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) 环境中基于o f d m ( i e 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，i e e e8 0 2 1 6 工 作小组新近提出了支持终端移动性的技术方案，定为8 0 2 1 6 e 协议，旨在移动环 境下同时支持话音、多媒体和高速数据等业务，构筑一个高效、柔性、集成、基 于i p 的通信环境，支持对i n t e r a c 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 工作小组也提出了 m b w a ( m o b i l e b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s ) 的方案，将以无线宽带接入方式支持更 南京邮电学院学位论文 第一章绪论 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 移动性优势和用户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宽的有效手段，对新兴运营商来说是一种有效成 本的选择，并且随着标准的完善和市场的成熟，b w a 将得到进一步的发展。 1 2 无线通信中的o 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、信道衰落和空间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，频谱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据流，分别调制在正交 的子载波上进行传输。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；另外由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， 制约o f d m 技术发展的桎梏终于被摘掉。从此o 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 技术被广泛应用在广播信道的宽带数 据通信，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f w l a n ) 当中。 当然，要实现o f d m 也存在技术上的难点。首先，它对同步的要求很高。 系统对由多普勒频移或收发端载波频偏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。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 2 南京邮电学院学位论文 第一章绪论 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 用差分解调来简化接收机，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 oa v e r a g e p o w e rr a t i o ，p a p r ) 也是一个很重要的研究课题。 1 3 本论文的内容 本论文的主要任务是对i e e e8 0 2 16 8 0 2 1 6 a 协议的物理层进行仿真；对基于 i e e e8 0 2 1 6 a 标准的o f d m 技术进行研究，针对o f d m 系统对同步误差较为敏 感的弱点，提出了基于i e e e8 0 2 1 6 a 的o f d m 系统同步方案，并给出了方案性 能及其分析。 论文结构的安排如下：第二章介绍i e e e8 0 2 1 6 标准并对该标准的物理层进 行了仿真，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： 第三章介绍了i e e e8 0 2 1 6 协议和o f d m 系统的基本原理以及结构；第四章对各 种非理想同步因素对o f d m 系统造成的性能影响进行了分析，并介绍了几种典 型的o f d m 系统同步算法：第五章在传统方案的基础上提出了一种基于i e e e 8 0 2 1 6 a 的改进同步方案，对精同步，粗频偏估计和相位跟踪提出了改进算法， 并与传统方案作了比较，给出了性能曲线与理论分析；第六章总结全文，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。 1 4 主要工作和创新点 本论文的重点在第二章和第五章。 第二章中作者利用仿真工具s y s t c m e w 对i e e e8 0 2 1 6 标准的物理层进行 了仿真，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，从 而为实现自适应调制和编码技术提供t n 论参考和依据，该成果已发表于南京 邮电学院学报2 0 0 3 年第四期。 第五章中作者以整体最优为出发点，在考虑各种同步算法的性能和复杂度的 南京邮电学院学位论文 第一章绪论 基础上，提出了一整套基于i e e e8 0 2 1 6 a 的同步方案，与传统方案相比，该方 案利用帧头二的共轭对称性，采用了新的精定时算法，并从理论上证明了该算法 不受频偏影响，可以放在频偏估计以前进行，从而克服了同步算法之间的相互依 赖性，使系统的稳健性更强；而且该算法便频偏估计可以在精定时之后进行，估 计更为准确。在频偏估计中，本方案采用了新的粗频偏估计方法，该方法的估计 范围大于i e e e8 0 2 1 6 a 系统的最大可能频偏，从而无需再用传统方案中的整数 频偏搜索，简化了同步过程。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来纠正各种非理想因素造成的影响，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。计算机仿真结果表 明，本文提出的改进方案不但降低了算法复杂度，而且改善了系统的性能。 南京邮电学院学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议介绍及其物理层仿真 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议介绍及其物理层仿真 2 1i e e e8 0 2 1 6 协议概述 i e e e8 0 2 1 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 ) 和物理层( p h y ) 2 大部分。以该系统组建 的无线城域网( w m a n ) 可提供多种业务。其m a c 层能支持多种物理层规范， 以适合各种应用环境。1 0 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 e l e s s m a n s c m 空中接口。 2 - 1 1g h z 频段的标准8 0 2 1 6 a 已于2 0 0 3 年年 初发布。i e e e8 0 2 1 6 的协议栈结构如图2 1 所示。 高层 面向业务的会聚子层( c s ) 公共部分子层( c p s ) 加密子层( p s ) 传输会聚子层( t c l ) 物理媒质依赖子层( p m d ) l 物理层 i 图2 - 1 8 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 ) ， 加密协议子层( p r i v a c y ) 3 部分组成，其中加密协议子层是可选的。 c s 子层主要功能：负责将其业务接入点( 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 c s a p ) 。这具体包括对外部网络数据( s d u ) 执行分类，并关联到适当的m a c 业务流( m a cs e r v i c ef 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 。s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ) ：业务数据单元 p d u ( p r o t o c a ld a t au n i t ) ：协议数据单元 5 层c am 、l_iil，-ij 南京邮电学院学位论文 第二章i e e e8 0 21 6 协议介绍及其物理层仿真 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 c c 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m a c c 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 ) 和物理媒质依赖予层( 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。 物理层的数据分帧进行传输，协议中规定帧长可以为o 5 m s 、l m s 或2 m s 。 采用t d d 方式对，上下行子帧的帧长可调。图2 2 为下行子帧帧格式图中c i d 是连接标识符，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 m a p 是定义上行突发起始时间的m a c 层管理消息。 c a z a c 图2 - 2 下行子帧帧格式 t c 子层( 传输汇聚子层) 主要将m a c 层传来的m a cp d u 按适当的码字 6 南京邮电学院学位论文 第二章i e e e8 0 21 6 协议介绍及其物理层仿真 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。本章中的仿真就是针 对p m d 层的。下行链路p m d 层概念框图如图2 3 所示。 叫囊h 蓊。h 凳寨h 蘸翥日蓑蠢 制埋挚h 鍪h i ；h 婴卜 图2 3p m d 子层概念框图 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 长连零出现以利于时钟提取。伪随机序列发生器的长度为1 5 ，在每个突发( b u r s t ) 的起始位置初始化，种子为1 0 0 1 0 1 0 1 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 o l o 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 的凿孔卷积码。 r s 的码生成多项式：g ( x ) = + 旷) 0 + 1 ) + 2 ) 0 + 卢2 r 。1 ) ， 其中= 0 2 。 r s 的域生成多项式：p ( x ) = x 8 + x 4 + 矿+ 工2 + 1 卷积码的生成式是c ，渤，凿孔矩阵( ： 编码类型外码 内码 lg f ( 2 5 6 ) 的r s 无 2g f ( 2 5 6 ) 的r s卷积码 3 ( 可选)g f ( 25 6 ) 的r s奇偶校验码 4 ( 可选)块t 1 3 1 7 b o 码无 表2 - 1f e c 编码类型 7 堕室塑皇兰堕兰垡堕苎 笙三童! ! ! ! ! ! ! ：! 生堡望尘塑墨苎塑堡星笪墨 调制解调支持q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 三种方案，其中6 4 q a m 可选。q p s k 映射方式如表2 - 2 所示。图4 为q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 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。 b 0 0b b ( 1 ) b iq 0 01l 01 1一l 10- il 11 - 11 z , 表2 - 2 q p s k 符号映射 l - 卜- 一，! ifj 一 - f 0 1 l7 小2 一，1o：i f， 5 l i - l i t1 1 n1 0 0i 0 i 0 0 t x m0 1 0o t l 图2 4q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 的星座图 2 2 物理层下行链路的s y s t e m v i e w 仿真 b 舯j s y s t e m v i e w 2 3 是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统 童室堂皇兰堕堂垡丝壅 笙三里! ! ! ! ! ! ! i ! 堡堡丛塑墨茎塑鉴堕墨 的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤 波器设计到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。s y s t e m v i e w 借助大 家熟悉的w i n d o w s 窗口环境，以模块化和交互式的界面，为用户提供了一个嵌 入式的分析引擎。使用s y s t e m v i e w 时，用户只需要关心项目的设计思想和过程， 用鼠标点击图标就可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必花费太多的时间 和精力通过编程来建立系统仿真模型。s y s t e m v i e w 2 3 5 允许用户插入自己用c c + + 编写的用户代码库，插入的用户库自动集成到s y s t e m v i e w 中，如同系统内建的 库一样使用。 本仿真模型是严格按照图2 。3 搭建的，参数选择也是符合协议规范的，仿真 中采用t d d 模式。图5 为物理层下行链路的仿真图，其中模块5 7 ，8 0 ，1 0 3 ， 1 3 2 是子系统，模块1 2 7 ，1 2 9 和1 3 0 是用c 语言编写的用户模块。 图2 - 5 物理层下行链路仿真图 图2 - 5 的上半部分是发射端( b s ) ，下面对发射端的各个步骤进行描述： 1 假设下行子帧帧长为0 5 m s ，图符1 是一个伪随机序列发生器，产生数据流。 2 输入数据进行随机化。图符8 0 是一个子系统，用来产生符合协议规定的伪随 机序列，按协议规定每个突发( b u r s t ) 的起始位置发生器都要重新置位，假设每 个突发长为o 0 5 m s ，则每隔0 0 5 m s 需重新置位一次。 3 进行f e c 编码。本文只实现了表2 - 1 中的类型i 和2 ，外码采用的是 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 9 南京邮电学院学位论文 第二章i e e e8 0 21 6 协议介绍及其物理层仿真 和1 8 0 ，t 取1 0 。若取k = 2 6 ，即在2 6 个字节前面充入2 0 9 个字节的0 ，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。图符0 是r s 编码模块， 因为r s 是非二进制编码，所以需要图符2 和1 8 分别进行比特符号转换和符号 比特转换。图符4 8 是卷积编码，采用1 2 的码率，约束长度为3 ，图符4 9 ，5 2 ， 5 3 完成凿孔。 4 插入同步码。同步码字为6 4 个比特的c a z a c 序列，码序列为 o o l 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，采用 q p s k 调制( 协议规定同步码必须采用q p s k ) 。图2 - 6 为该序列的自相关特性。 子系统1 0 3 产生这个序列，加同步头后应保持信息速率不变。 剀2 - 6c a z a c 序，0 的自相关函数 5 符号映射和串并变换。用户模块1 2 7 实现映射过程，映射可以是q p s k ，1 6 q a m 或6 4 q a m ，根据图2 4 实现。图符6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，t l 完成串并变换，形成同 相( i ) 路和正交( q ) 路，q 路首先经过一个码元宽度的延时，这样两路分别采 第奇数和偶数个码元。为了使两路信号采样后在相位上对齐，i 路也加入了相应 的时间延迟。 6 基带脉冲成形。采用均方根升余弦滤波器，其中口= o ，2 5 。传递函数h ( ，) 如 下： 日( 厂) = 1 l 州 厶( 1 一口) 厣翻 o l o 厶( 1 一口) i 州- 矗( 1 + 口) 南京邮电学院学位论文第二章i e e e9 0 21 6 协议介绍及其物理层仿真 其中厶= 去= 鲁。 图符1 2 和4 0 是均方根升余弦滤波器，完成脉冲成形。 7 ，调制。受到仿真系统的限制，载波频率无法符合实际要求，取载波频率为数 据速率的2 倍。图符1 2 8 和4 分别产生余弦和正弦信号，作为调制载波，与i 路、 q 路信号相乘后，q 路取反，然后两路信号叠加。 8 发送到信道。由于是高速传输，采用直视链路，因而多径可以忽略。仿真中 采用一径的r i c e 幅度衰落信道。随机产生统计独立的两个高斯随机变量a ：和 口。，其均值为m ，( 滓1 ，2 ) ，方差为盯2 ，分别作为r i c e 信道的实部与虚部。其中m ： = o ，m 。和o - 2 的值由r i c e 衰落因子世决定， m i = 筮( 足+ 1 ) ， 盯= 1 4 2 ( 1 + k 1 本文中取k = 1 。 由随机过程知识可知： j 华 c 【服从r i c e 分布，并且是不相关的。 图符5 是r i c e 信道，图符3 2 产生高斯白噪声，图符6 3 控制噪声的增益。 图2 5 的下半部分是接收端，下面对接收端的各个环节进行描述： 1 载波同步和解调 4 】。子系统5 7 完成载波同步和解调，图2 7 所示的载波跟踪 环是5 7 的内部结构，其中图标7 1 为频率调制器，其输出的载波频率随输入信号 规律变化，以其作为载波跟踪环中的压控振荡器( v c o ) 。压控振荡器输出的同 相和正交两路信号分别与输入的信号相乘，经过图标6 4 ，6 5 ，6 6 完成相加和相 减运算。图标6 7 ，6 8 ，6 9 ，7 0 ，7 2 ，7 3 ，7 4 ，7 6 完成判决功能，判决输出的四 路信号由图标7 l 进行异或，经低通滤波器7 5 得到控制v c o 的误差信号。当该 载波跟踪环捕捉载波达到稳定后，图标6 1 和6 2 的输出即分别为同相分量和正交 童塞堂皇兰堕兰竺堕苎 笙三兰! 望! ! ! 三二堕皇堕塑兰曼坚苎塑里星堕墨 分量的反相值。图标1 6 和1 7 为低通滤波器，滤除高频分量。 图2 - 7 载波提取内部环路 2 符号定时。通过观察图标1 6 和1 7 输出得到的眼圈，可以知道最佳判决时刻， 图标2 0 和2 l 作了相应的延迟，作为符号定时。 3 并串变换和反映射。图符2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 ，2 6 完成并串变换，为了保证解调 信息与原码信息相同，对e 路信号进行了一个码元的延迟。用户模块1 2 6 完成 判决及反映射，判决按照最小欧氏距离准则进行，反映射根据图2 - 4 实现。 4 帧同步。用户模块1 3 0 完成帧同步，利用c a z a c 序列的自相关特性( 图2 - 6 所示) ，将当前接收的6 4 个比特与6 4 个比特的c a z a c 序列对应相乘，考虑到 噪声的影响，将判决门限设为5 0 ，当乘积的和大于5 0 时，认为一帧开始。 5 解码。图符3 5 ，5 0 ，5 4 完成凿孔的恢复，图符5 1 实现卷积码的软判决维特 比译码，其留存路径取为1 5 ，并对信号实行8 级量化后进行计算。图符2 6 ，2 7 ， 2 8 ，3 0 ，5 6 完成r s 解码。 6 解随机化。子系统1 3 2 和8 0 相同，产生p n 序列，3 1 ，3 8 ，3 9 和1 3 2 完成解 随机化过程。图符4 4 的输出即为信息数据。 7 误码率计算。图符4 l 是误码率计数器。 2 _ 3 仿真结果及分析 图2 - 8 所示为信息速率和平均符号功率都相同的情况下，编码采用k = 2 6 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。图中 南京邮电学院学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议介绍及其物理层仿真 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，在相同符号信噪比 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 a m 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 a m 。 图2 - 9 所示为采用q p s k 调制时，无f e c 编码，只采用k = 6 0 的r s 码和采 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。从图中 可以看到，在差错概率为0 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l d b 的增益，但是是以复杂度和处理时间的增 大为代价的。 图2 - 8 不同调制方式比较 图2 - 9 不同编码方式比较 图2 1 0 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。 南京邮电学院学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 协议介绍及其物理层仿真 2 4 本章小结 图2 1 0r s 码取不同k 时b e r 的比较 i e e e8 0 2 1 6 标准适用于点对多点宽带无线接入系统，它为宽带无线接入技 术的发展制定了一个统一的规范，本章简单介绍了这个协议，并采用软件仿真工 具s y s t e m v i e w 对其物理层的下行链路进行了仿真，给出了仿真结果，并对采用 不同调制方式和编码方式时的误比特率性能分别进行了分析和比较。 1 4 塑塞塑皇兰堕鲎垡笙苎 塑三皇q ! 望型墨堕墨羔星里型型鱼苎i ! ! 塑 第三章o f d m 系统及i e e e 8 0 2 1 6 a 协议介绍 3 1o f d m 系统介绍 3 1 1多载波传输的历史背景 4 0 多年前，c o l l i o n sk i n e p l e s 就提出了多载波传输原理：将串行传输的数 据分成若干个数据流，分别调制到不同的载波上，进行并行传输。 现代o f d m 系统的核心思想之一正交多载波则是在1 9 6 6 年由b e l l 实验室的 r w c h a n g 首次提出，他写了一篇有关于带限信号综合用于多信道传输的文章， 提出了一种在线性带限信道上同时传输多路信息的方法，多个正交载波分别调制 后的频谱可以相互重叠，能同时避免信道间干扰( i c i ：i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。相对于传统的多载波调制系统，这 种允许频谱重叠的方案极大的提高了频谱利用率。1 9 6 7 年，b r s a l t z b e r g 对c h a n g 提出的方法进行了性能分析，得出很重要的结论，即在并行传输系统中，相邻信 道问的干扰将是信道畸变的主要原因，因此系统设计的重点应在于尽量减少相邻 信道间的串扰，而不是完善每一个单独的信道。s b w e i n s t e i n 和r m e b e r t 在1 9 7 1 年提出多路载波的调制解调可以利用d f t i d f t 来完成，目的是简化系统的处理 过程，使系统无需用一组震荡滤波器来产生多个子载波。他们还在o f d m 符号 间引入了保护间隔，以减小i s i 和i c i 带来的影响。1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 提出 了循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于解决子载波正交性的问题。与通常在 符号间插入空的保护时间来防止i s i 的做法不同，他们是将o f d m 符号进行了 循环扩展，这种方法有效的将信道与传送符号之间的线性卷积近似成循环卷积， 当循环前缀比信道的脉冲响应时间长时，能很好的保证子载波间的正交性。当然 循环前缀也引入了与其长度成正比的系统的能量损失，但与它消除的i c i 比较起 来，这种能量损失是可以承受的。 9 0 年代以前，除了军事领域外，基于o f d m 的实用新系统很少见，这是因 为o f d m 所要求的实时数字信号处理器、高速a d 和d a 变换器、高稳定度的 震荡源、高线性的功率放大器等硬件超出了当时所能提供的水平。但随着理论研 南京邮电学院学位论文 第三章o f d m 系统及i e e e8 0 2 1 6 a 协议介绍 究的深入和集成电路及其器件制造技术的飞速发展，这些障碍逐渐得到克服，今 天o f d m 技术的广泛应用正在变为现实。 o f d m 适用于从卫星通信到地面无线通信的广泛领域，各种基于o f d m 技 术的通信标准相继出现。数字视频广播( d v b ) 和数字音频广播( d a b ) 的物理层标 准，无线局域n j ( w l a n ) 和无线城域i n ( w m a n ) 都是o f d m 的应用热点。e t s i 和i e e e 的新一代w l a n 物理层标准h i p e r l a n 2 和i e e e8 0 2 1 6 a 都使用了 o f d m 技术来达到最高5 4 m b i v s 的数据速率。 o f d m 多载波系统与单载波系统相比，优势在于一是不需要线性均衡，从而 避免了噪声的增加，且由于它的符号间隔很长，对多径效应、脉冲噪声和快速衰 落有较强的抵抗能力；另一个优点是子载波频谱的重叠使其频谱利用率比单载波 系统要高得多。但是一直以来，o f d m 技术并没有得到广泛的应用。近年来， 随着频率资源的日益紧张，通信系统对频带利用率的要求越来越高，此外，通信 系统