（通信与信息系统专业论文）ieee80216a信道模型和信道估计技术研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 i e e e $ 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研芄 i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 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。为此，i e e e 组织为第二代无线城域网w m a n 制定了新的 协议标准i e e e 8 0 2 1 6 ，定义了新的空中接口规范w i r e l e s s m 、 期望提供统一的业界标准。论文第二章主要工作涉及8 0 2 1 6 a 系统的 m a c 层、物理层。从体系结构上介绍了8 0 2 1 6 a 的各个网络层的功 能作用。描述了不同双工方式下的帧结构和物理层的系统参数、信道 编码方式等。 理解无线信道的传播特性并建立准确有效的无线信道模王j 、 评估无线移动通信技术的优劣至关重要。论文第三章全面介绍了无线 信道的传播特性和常用的信道仿真方法。然后重点分析了针尹 8 0 2 1 6 a 应用的无线信道特征及其模型。介绍了目前常用的6 种s u i 模型。并且用m a t l a b 软件对这些信道进行了仿真。 多天线技术由于能够有效的解决无线频谱资源缺乏和系统容量 受限的问题，而成为当前研究的热点技术。8 0 2 1 6 a 标准中也推荐使 用m i m o 技术。第四章首先从理论上对m i m o 系统进行了详细的分 析。而信道估计技术一直是无线通信中的一个关键技术。为了保证宽 i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 带无线移动通信系统在恶劣的无线信道环境中具有良好性能，必须对 r 时变的无线多径衰落信道进行准确估计。第四章详细研究了m i m o 系统中基于导频的l s 估计方法。在8 0 2 1 6 a 信道中仿真分析了信道 估计的m s e 性能，最后通过软件仿真分析了这种方法在8 0 1 6 a 系统 中的差错概率性能。 关键词：i e e e 8 0 2 1 6 a 信道估计多输入多输出正交频分复用 均方误差导频 坐垦墅皇燮圭堂垡堡苎里垦壁! ! ：! 塑笪望堡型塑堡鲎笪盐垫查堕塞 r e s e a r c ho nc h a n n e lo f i e e e 8 0 2 1 6 aa n d c h a n n e le s t i m l a t i o n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s e v e r a ll a s tm i l e h i g h s p e e dt e c h n o l o g i e sh a v eb e e n e x p l o r e dt op r o v i d ei n t e r n e ta c c e s sa n dm u l t i m e d i as e r v i c e st ou s e r s f o r f i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ( b w a ) s y s t e m s ，an e w p r o t o c o l ，c a l l e d i e e e8 0 2 16w a s d e v e l o p e da n dp u b l i s h e di na p r i l2 0 0 2 t h es t a n d a r d d e f i n e st h ea i ri n t e r f a c ef o rw 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 s ( m a n ) 。 i na n o t h e rw a y , t h e a p p e a r a n c eo f m i m o ( m u l t i p l ei n p u ta n d m u l t i p l eo u t p u t ) i so n eo f i m p o r t a n tw a y sf o rr e s o l v i n gt h es c a r c i t yo f r e s o u r c e i th a sp r o v e dt h a tm i m o s y s t e mh a sm o r ec a p a c i t yt h a ns i n g l e a n t e n n a , w ec a nn o to n l yi m p r o v et h et r a n s m i t t i n gr a t eo f s y s t e mb u ta l s o i n c r e a s et h ei n f o r m a t i o n r e d u n d a n c y t om e n dt h es y s t e m r e l i a b i l i t yb y t h e m g hc a p a c i t yo f m i m o ，s p a t i a lm u l t i p l e x i n gs c h e m ec a na d v a n c e t r a n s m i t t i n gr a t ea n ds p a c et i m ec o d i n gc a ni m p r o v er e l i a b i l i t y t h i s m a k e si tb e c o m eo n eo f t h er e s e a r c hf o c u sl a s ty e a r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l y , w ew i l ld e p i c tt h e8 0 2 16 am a c l a y e ra n d p h y l a y e ri ns e c o n dc h a p t e r a n dp r e s e n tt h ec h a n n e lm o d e l sf o r 8 0 2 1 6 aa n ds i m u l a t i o no f i ti nt h et h i r dc h a p t e r s e c o n d l y , w ed e p i c tt h e 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 m i m os y s t e ma n dd i s s u c s st w oc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sf o rm i m o s y s t e ma n da n a l i z et h e i rp e r f o r m a n c ei nm s e ( m e a n s q u a r ee r r o r ) a n ds h o wt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w om e t h o d si nc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y l a s t l y , b yt h es i m u l a t i o n ，w es h o wt h et h e i rp e r f o r m a n c ei n c o n d i t i o no nt h e8 0 2 16 as y s t e m 。 k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 a c h a n n e le s t i m a t i o nm i m o o f d m ， m e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) p i l o t 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 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。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：塞建盟日期：垒生生兰 导师签名：日期：尘! ：丝兰 北京邮电大学硕士学位论文i e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 第一章引言 无线移动通信经过几十年的发展，深刻的影响和改变着人们的生产生活方 式。未来的无线移动通信系统将能够实现人们在任何时间、任何地点、和任何人 以任何方式进行通信的愿望。为了达到这一目标，各种各样的通信新技术层出不 穷，如何利用有限的频谱资源提供高速可靠的宽带数据业务更是成为当前学术界 和产业界所关心的焦点。本章首先介绍了当前无线通信的发展状态。 1 1 无线移动通信发展现状和趋势 l _ i 1 无线移动通信发展特点 当前社会，移动通信已经成为最大和最快捷的通信方式。其发展特点如下： 1 、移动通信持续高速增长 移动通信在上个世纪8 0 年代初开始商用，到2 0 0 4 年底仅2 0 多年的时间， 全球移动用户已经超过1 5 亿。全球每年平均增加2 亿移动通信用户。我国的移 动通信在t 9 8 t 牟教六商用谳土世纪九十年代末开始持续高速增长，截止到2 0 0 4 年1 1 月底，我国的移动通信用户达到3 3 亿，普及率达到2 4 8 。截止到2 0 0 4 年1 1 月，w c d m a 的商用网络已经达到4 3 个，用户数达到1 3 3 0 万，c d m a 2 0 0 01 x 的商用网络已经达到6 7 个，用户达到1 2 2 亿，c d m a 2 0 0 0i x e v - d o 的用户也已 经达到1 0 4 0 多万。而且3 g 技术的成熟和逐渐规模商用，3 g 设备的性价比也在 大幅度提高，以w c d m a 为例，系统设备单位容量的性价比已经与g s m g p r s 相当 甚至更高。 从全球和国内移动通信的发展整体形势来看，用户持续高速增长，新业务发 展速度加快，而且第三代移动通信技术开始进入规模商用阶段。 2 、移动通信向宽带化方向发展 移动通信从8 0 年代初期第一代模拟蜂窝移动通信商用开始，基本上每1 0 年 商用一代新的技术，每1 5 2 0 年的时间退出一代技术。目前全球范围内模拟移动 通信已经基本退出历史舞台，占据移动通信市场9 8 以上的为第二代移动通信 ( 2 g ) 和二代半( 2 5 g ) 网络，第三代移动通信则已经步入规模商用阶段，今后几年 将是3 g 和2 g 长期并存发展的时期。随着技术的不断演进，频谱效率越来越高， 第1 页 北京邮电大学硕士学位论文i e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 支持的速率也越来越高。从目前2 g 2 5 0 的几十k b p s ，增加到3 g 初期的几百k b p s 再到3 g 增强型的几m b p s ，然后在3 g 进一步增强型的几十到上百m b p s ，再到超 3 g ( b 3 g ) 的上百m b p s 一1 g b p s 。见图卜l 。 开始商用时间 2 0 - 2 0 0 9 图卜1 移动通信技术演进路线 b 3 0 ( s y s t e m sb e y o n d3 0 ) 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 9 9 年底随着第三代移 动通信系统技术标准的尘埃落定之后提出的，它面向3 g 进一步增强和下一代 第四代移动通信技术。b 3 g 的目标是在高速移动环境支持最高约1 0 0 m b p s 的下行 数据速率，在室内和静止环境支持最高约1 g b p s 的下行数据速率。而且近两年来， 随着3 g 逐步开始商用化，各国对b 3 g 的研究越来越开始进入实质研究阶段。除 了围绕着业务、市场和频谱以外，对b 3 g 的技术研究也开始越来越多，越来越具 体。如欧洲的w i n n e r 计等。 移动通信的技术发展路线相对清晰，为移动通信的健康和持续规模发展奠定 了良好的基础。移动通信的技术发展趋势在无线部分主要体现在频谱效率更高、 数据速率更高；网络部分则既充分考虑与现有2 g 网络的后向兼容，同时逐步向 基于i p 的方向演进。如目前3 g p p 的r 9 9 和r 4 、r 5 、r 6 等版本就体现了这一思 想。r 5 和r 6 版本的核心网引入了基于i p 的i m s ( i p 多媒体子系统) ，i m s 已经成 第2 页 北京邮电大学硕士学位论文i e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 为整个n g n 的基础。普遍认为b 3 g 的核心网络也将基于3 g 的网络架构逐步演进 和过渡，也就是基于i p 方式来发展和演进。 3 、宽带无线接入需求增加，新技术不断涌现 随着宽带业务的迅速发展，移动化和宽带化已经成为整个通信和网络技术领 域的两大技术发展趋势。宽带接入为手段的互联网业务在全球范围内迅速发展。 如前所述，移动通信技术已经从2 g 向提供越来越高数据速率的3 g 、3 g 增强型和 未来的b 3 g 演进，也就是向着宽带化方向发展。 而从固定宽带接入技术向着移动化方向发展则是另外一个分支。采用宽带无 线接入技术则是在宽带基础上增加移动性的主要方式。无线宽带接入技术，特别 是w l a n i e e e8 0 2 11 技术的逐渐普及和广泛应用，使得各种宽带无线技术开始 凸现其便利性和发展优势。w l a n ( w i - f i ) 8 0 2 1 1 b 发展迅速，但由于w l a n 技术 的覆盖非常有限，一般只在一些热点地区覆盖，所以难以形成大范围覆盖，移动 性有限。而且支持的速率也有限。因此2 0 0 4 年初面向提供更高速率、更大覆盖 和带有移动性的w i m a x 8 0 2 1 6 无线城域网技术w m a n 技术在全球被广泛关注，更： 进一步地引发了这些技术与3 g 和超3 g 技术发展的争论。 1 l 2i e e e8 0 2 系列标准的比较 i e e e8 0 2 主要制定电子工程和计算机领域的标准，又称为l m s c ( l a n 姒n s t a n d a r d sc o m m i t t e e ，局域网城域网标准委员会) 。i e e e8 0 2 下设工作组、研 究组，分别就不同的技术领域进行研究，主要开发局域网和城域网的物理层( p h y ) 和媒质接入控制层( m a c ) 规范。 i e e e8 0 2 在局域网领域推出的最成功的标准为i e e e8 0 2 3 ，该标准已经被 i s o 采纳，形成了i s o8 8 0 2 - 3 标准，是局域闻中应用最广泛的协议。在无线领 域，i e e e8 0 2 目前主要有四个工作组在进行相关标准研究工作，分别是8 0 2 1 5 ( 无线个域网) 、8 0 2 i i ( 无线局域网) 、8 0 2 1 6 ( 无线城域网) 、8 0 2 2 0 ( 无线 广域网) ，这四种技术以覆盖范围的大小进行区分，覆盖范围由小到大。 8 0 2 1 5 主要用于短距离设备之间的通信，一般在l o m 以内，目前8 0 2 1 5 中 的两种主要技术包括：蓝牙和超宽带( u w b ) 。便携和移动计算设备，如笔记本电 脑、p d a 、计算机外设、移动电话、寻呼机和家用电子产品等通过8 0 2 1 5 技术形 成无线网络。 每种技术都有其应用的场合。8 0 2 1 1w l a n 最大的特点是便携性，主要解决 用户“最后l o o m ”的通信需求，定位于热点地区的高速游牧数据接入，不支持 第3 页 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 高速移动性，主流应用是商务用户在酒店、机场等热点使用便携电脑上网浏览或 访问企业的服务器。8 0 2 1 6 d 定位于为企业用户提供无线传输的手段。8 0 2 1 6 e 在移动性和覆盖范围上比8 0 2 1 1 获得了增强，可以提供更广范围的高速数据接 入，主要解决“最后l k m ”的通信需求。8 0 2 2 0 定位于提供一个基于i p 的全移 动网络，提供高速移动数据接入，业务定位与使用范围与b 3 0 系统相似。由于这 几种技术的定位不同，它们在很多方面存在差异，如采用的具体物理层、m a c 层 技术不同、覆盖范围不同、带宽不同、支持的业务以及市场应用不同等等。 1 1 3i e e e8 0 2 1 6 技术的发展现状 i e e e8 0 2 1 f i 的主要任务是开发工作于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，同时还有与空中接口协议 相关的一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范。i e e e8 0 2 1 6 规定的 无线系统主要应用于城域网。 根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准可以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，其中8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 属 于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中接口标准。 8 0 2 1 6 d 是2 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的标准，是对8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 c 的修订，已经于2 0 0 4 年6 月在i e e e8 0 2 委员会获得通过，将以i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 名称发布。8 0 2 1 6 d 可以应用于2 1 1o h z 非视距( n l o s ) 传输和 1 0 6 6g h z 视距( l o s ) 传输。 8 0 2 1 6 e 是2 6 g h z 支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。8 0 2 1 6 e 的 目标是能够向下兼容8 0 2 1 6 d ，因此8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在8 0 2 1 6 d 的基础上进行的。在8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特 性，8 0 2 1 6 e 加入了新的特性，以支持终端的移动性。 1 2 论文结构 论文的第一章为引言，主要介绍了当前无线技术的发展趋势和动态，并初步 的介绍了8 0 2 系列标准。第二章首先介绍了o f d m 的基本原理然后8 0 2 1 f i a m a c 层和物理层进行了概述。第三章分析研究了无线信道的特性和8 0 2 1 6 a 环境下的 信道的特殊性，并通过软件对8 0 2 1 6 a 信道进行了仿真分析。第四章主要分析研 究了m i m o 系统的模型和m i m o o f d m 系统中的一种信道估计技术。在8 0 2 1 6 a 信道中对这种估计方法进行了m s e 性能分析。然后通过软件仿真分析了这种方 法在8 0 2 1 6 a 系统中的差错概率性能。 第4 页 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 第二章8 0 2 1 6 a 协议概述 葺 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制方式，由于其有抗多径，避免频率 选择性衰落和频谱利用率高等优点，使得o f d m 系统特别适用于多径无线信道环 境下高速率数据的传输。成为当前研究的重点技术。 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换， 分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号 周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性 对系统造成的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔 大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符 号间干扰( i s i ) 。而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多 径带来的信道间干扰( i c i ) 。 2 1 1 系统模型 o f d m 的基本原理是把高速的数据流通过串并交换，分配到传输速率相对 较低的若干个子信道中进行并行传输 2 3 2 9 。由于每个子信道中的符号周期会相 对增加，因此可以减轻无线信道的多径时延扩展对系统造成的影响。通过在 o f d m 符号之间插入保护间隔，并且令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展， 这样就可以最大限度的消除符号间干扰( i s i ) 。而且，一般都采用循环前缀作为 保护间隔，从而可以避免子载波间干扰( i c i ) 。 一个o f d m 符号是多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波可 以采用相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果表示子载波的个数， r 表示o f d m 符号的长度，z ( i = 0 , 1 ，n 一1 ) 是分配给每个子载波的数据符号， 丘是第0 个子载波的载波频率，r e t c o ) = 1 ，1 4 r 2 ，则采用等效基带信号进行描 述的0 f d m 符号可以表示为 n - l，巾、，：、 j ( r ) = 珥阳把i 卜一告1 e x p l ，2 石言fl ，o r s 丁 ( 2 一1 ) 第5 页 些型竖墅璧塑生竖! 垡堡奎 ! 堕! ! ! ：! 坚堡望堡型塑堕塑笪盐垫查里塞 图2 1 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中z = 以+ i t 。 一眨卜 每1 至p p 。， 卜 s ( o o 选弘 哥 摹 靖 + b j 4 l r l 锥 _ 一 图2 - 1o f d m 系统的基拉模型框图 手r e x p ( ，q 小e 印( j c a j ) 出= ：i ： ( 2 - 2 ) 之= ；r e 冲( 一，2 玎手r 善乏8 x p ( - ，2 万事r 。：，1 n - i = 亍轳铲t p j 2 疗丁i - j ，卜 毕叫 驴 )=善n-i，e。丁2，riksovn d p ，k - 0 1 ，n 一1 0 ( 2 - 4 ) = ) = ，e xi 了l ，= o 1 ，一，一( 2 - 4 ) 扣 j 第6 页 北京邮电大学硕士学位论文i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 可以看至l j s k 等效为对面进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据 符号吐，可以对进行逆变换，即d f t 得到 儡= 蓦唧( 一，警 ， ，一- ， 可见，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 来代替。在实际应用 中，可以采用快速傅立叶变换( f f t 腑t ) ，能显著降低运算复杂度。 2 1 2 循环前缀 为了最大限度的消除符号间干扰i s i ，可以在每个o f i ) m 符号之间插入保护 间隔，而且该保护间隔长度疋要大于无线信道的最大多径时延，这样一个符号 的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。如果保护间隔完全空闲，虽然不会引 起符号间干扰，但却会产生子载波间干扰i c i ，即子载波之间的正交性可能遭到 破坏。 为了消除i c i ，o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，见图2 2 。 这样就可以保证在f f r 周期内，o f d m 符号的延时副本内所包含的波形的周期 个数也是整数。这样，时延小于保护间隔l 的时延信号就不会在解调过程中产 生i c i 。采用f 腓f t 和循环前缀后的0 f d m 系统框图参见图2 3 。 o f d m 系统中加入保护间隔之后，会带来功率和信息速率的损失，但是插 入循环前缀作为保护间隔可以消除i s i 和i c i 的影响，因此这个代价是值得的。 孑l 图2 - 2o f d m 符号的循环前缀 第7 页 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 冈 6 ( r 1 ) i 雌卒搂鬣江参盥 剖荐纂巨霞登匿酒卜l 垂一一 2 1 3 频域模型 按照线性系统的原理，一个o f d m 符号内的接收信号序列应该为发送信号 序列与信道序列的线性卷积。当采用循环前缀时，时域信号样值看起来很像周期 信号，于是这种线性卷积就被转换为圆周卷积 y = x o h + z( 2 6 ) 其中圆表示数字序列的圆周卷积，z 为高斯噪声。 将上式变换到频域，则可得 = l s + 瓦，n = o ，n 一1( 2 - 7 ) o吖。 二墅裔，吉鱼一 富 h ，n 。 并 并 蹦一n 审 变变 换换 h 一i一l 旦穗( ) 图2 - - 4o f d m 系统的等效额域模型 其中甄为第n 个子载波的复衰落系数，乙代表第n 个子信道的加性白高斯噪声 ( a w ( n ) ，它的实部与虚部均服从零均值高斯分布，且相互独立。 根据式( 2 7 ) ，通过适当选择子载波个数，可以使每个子载波带宽内的信道 响应平坦，多载波传输系统可以等效为如图2 - 4 所示的频域系统。这个系统有 第8 页 北京邮电大学硕士学位论文m e e 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 个并行的子系统，每个子系统经受复值乘性衰落和加性白高斯噪声的影响。 2 28 0 2 1 6 a 的体系结构 如图2 - 5 所示，8 0 2 1 6 a 标准只包括了数据控制平面。数据，控制平面包括m a c 层和p h y 层。在数据，控制平面中总共定义了三个服务接入点s a p ，分别是c s s a p ，m a cs a p ，p h ys a p 。层与层之间的信息流由所定义的原语来完成。 m a c 层又分成了三个子层：特定服务汇聚子层( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c e s u b l a y e r ) 、公共部分子层( c o m m o n p a r ts u b l a y e r ) 、安全子层( p r i v a c ys u b l a y e r ) 。 r - 二：丽磊；一j ： ； 2 2 18 0 2 1 6 a 中的帧结构 图2 - 58 0 2 1 6 琳系框架圈 在物理信道上传输的数据以帧的格式传输。每帧包括下行链路的子帧和上行 链路的子帧；支持的帧长是o 5 m s 、l m s 、2 m s 。如果采用t d d 模式，下行链路 的子帧先传输，随后是上行链路的子帧。如果采用f d d 格式，上行链路和下行 链路的子帧将同时传输。每个子帧以前导序列( p r e a m b l e ) 开始，该前导序列用 于同步和均衡，用q p s k 调制。接着是帧控制信息部分，包含m a c 层的一些控 制消息。帧的最后是数据部分。i e e e8 0 2 1 6 的物理层以一定长度的突发脉冲 ( b 1 l r s t ) 传输数据为一个单元。因此每个帧都包含若干个b u r s t 。根据b u r s t 中 第9 页 北京邮电大学硕士学位论文i e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 业务数据类型，每个b u r s t 都对应一个突发脉冲规范( b u r s tp r o f i l e ) 。突发脉冲 规范中包含以下参数。 $ 调制类型； 女前向纠错码( f e c ) 类型； + 每个b u r s t 中最后一个码字的长度。 根据b u r s t 选用的前向纠错码类型的不同，b u r s t p r o f i l e 中还可能包括r s 码 的信息比特长度k ( b y t e ) 和校验位长度r ( b y t e ) ，分组卷积码( b c c ) 的类型等 等。 i e e e8 0 2 1 6 中共定义了1 2 个b u r s tp r o f i l e ，每个b u r s t 对应的b u r s tp r o f i l e 类型可以从控制信息部分中得知。不同的b u r s t 由于对应的b u r s t p r o f i l e 不同， 即采用的调制类型和编码类型不同，因此有不同的抗干扰性。抗干扰性越高的 b u r s t ，在帧中的位置就越靠前，就越先传输。例如，以q e s k 调制的b u r s t 先 传输，随后是用1 6 q a m 调制，再随后是用6 4 q a m 调制的。 点对多点p m p 的帧结构： 8 0 2 1 6 a 支持f d d ，t d d 两种双工方式。物理帧包含传输数据块、空时隙和保 护间隔。 一个帧由上行子帧和下行子帧构成。下行子帧中只包含传输数据块，上行子 帧中还包含一些特别的间隔用于初始的搜索和带宽请求。 下行p h y 协议数据单元以长前导序列( 用于同步) 开始，然后是f e c 字符 段。 除了p m p 的帧结构外，1 6 还支持一种针对格状网络的帧结构。这种帧由网 络控制子帧和数据子帧构成。 第1 0 页 北京邮电大学硕士学位论文i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 慧鬣麓兰盘恐t 8 c b 耐血d d n ，锄瑚血n 州o m 图2 - - 6t d d 方式下的0 f d m 的帧结构 图2 - 7f d d 下的帧结构 第1 1 页 豢、， 甲， 、昌蠹 f号、| 北京邮电大学礤士学位论文 i e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信遒估计技术研究 f 姗e 石广 瓦忑f 1 雨磊赢t 1 丽赢雨 二二曼鱼叠鲎咝型型垄坚，_ ! 塑啦墅些 ：一： 圈圈一图蛩堑i 坐l l 堂h 骘怪壁 - - 区亟l 2 2 28 0 2 1 6 a m a c 层概述 图2 - 8m e s h 帧结构 m a c 层协议支持两种无线网络拓扑应用：点到多点( p o i n t - t o m u l t i p o i n t ) 应用 和网状网应用( m e s ht o p o l o g y ) 。支持时分双工和语音、p 连接和i p 语音( v o i d ) 等多种业务，可以采用连续方式通信，也可以采用突发方式通信。同时为了支持 各种q o s 级别的灵活性，带宽的分配和调度以及资源管理等由开发商确定。 8 0 2 16ma c 层采用请求确认机制，实现了每个终端多个连接、每个终端多个 q o s 级别的高效率。m a c 层存在一个加密子层，提供网络接入和连接建立的授 权，避免窃取数据，保证系统安全。 m a c 包括提供上层接口的特定业务的汇聚子层、提供核心功能的m a c 公共部分子层以及提供安全功能的加密子层。 2 2 2 1 特定业务汇聚子层( g s ) c s 子层完成的主要功能是接收上层来的p d i j 对接收到的上层p 1 3 u 进行分类 如果需要的话，对上层p d u 进行处理接收从对等层发过来的c sp d u 发送c sp d u 到m a cs a p 目前标准中暂时只制定了两种类型的c s 子层，一种是a t mc s ，为 a t m 服务而定义的。另一种是p a c k e tc s ，为像1 p v 4 ，i p v 6 、以太网帧和v l a n 等这样的包服务而定义的。其它的未来待定。 第1 2 页 耋銎 北京邮电太学碗士学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 在c s 子层定义了一系列的分类器，分类器有优先级的不同。根据上层来的 数据的特定的参数，来选择使用不同的分类器。每个分类器包含了一个优先级别 的字段，来决定搜索使用分类器的秩序。如果找到匹配的分类器，则会把数据包 对应到相应的连接。如果没有找到，则可以选择丢弃或者送到缺省的连接。如果 有多个分类器与数据包匹配，则选择优先级高的分类器。上层来的s d u i ( s e r v i c e da t a un i t ) ，把它们分类映射到某一个合适的连接，这个连接关联着 一系列的服务流参数，这些参数都是与q o s 和带宽分配相关的，会体现到数据通 过物理层时的调度和发送。也就是说，连接的建立是从c s 子层开始的。除此之 外，这一子层也包含了可选的头压缩功能。 2 2 2 2 公共部分子层 8 0 2 1 6 m a c 采用基于连接的方案，所有的服务，包括固有的无连接服务如广 播，都映射到一个连接。这种方案提供一种有效机制允许带宽请求、q o s 通信参 数关联、传输和路由数据到合适的汇聚子层。以及其它的交联功能。每个连接由 1 6 位连接标识c i d 所识别，每个s s 都有一个标准唯一的4 8 位m a c 地址。在接 入网络过程中，每个s s 分配了三个管理c i d ，这三个c i d 反映了三种不同q o s 级别。基本连接c l d 用于发送短小数据的、时间受限的m a c 无线链路控制r l c 消息。首要管理c i d 用于传送基于标准的管理消息，如动态主机配置协议( d h c p ) 小文件传输协议( t f t p ) 和简单网络管理协议( s n m p ) ，此外，还提供一个传输c i d 传输数据业务。 2 2 2 3 加密子层 提供数据传输加密功能。i e e e 8 0 2 1 6 的加密协议是基于加密管理协议 ( v k m ，p r i v a c yk e ym a n a g e m e n t ) ，经过改进后无缝地适合8 0 2 1 6m a c 协议和提供 强大的密钥方式。 2 2 3w i r e l e s s m a n - o f d m 物理层 ：一 - ， 8 0 2 1 6 a 支持s c ，s c a , o f d m 和o f m d a 四种物理层，本文主要讨论的是 o f d m 物理层。 2 2 3 io f d m 符号描述 时域： 反傅立叶变换产生o f d m 波形，延续时间为有用的符号时间瓦。o f d m 符 第1 3 页 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 号的后面的的符号时间的拷贝用来作为循环前缀c p 。用来克服多径所引起的 符号间干扰。下图为o f d m 符号的结构图。 卜- 毛 巧 兰l 。 图2 - 9o f d m 符号时域结构图 因为加入循环前缀，所以发送端要增加额外的发送能量。接收端的能量保持 不变( 循环前缀被丢弃) a 因此有1 0 l o g ( 1 一( 瓦+ r e ) ) 1 0 9 0 0 ) d b 的损耗。相应 增加f f t 的大小可以减少信噪比损耗，但会导致系统对振荡器相位噪声的敏感度 增加。使用循环前缀后，在接收端进行f f t 采样可以在循环前缀中的任何位置开 始采样。因此可以有效的消除多径和符号同步带来的影响。 在初始化时，用户站搜索所有可能的c p 时间值，直到发现基站( b s ) 使用的c p 时间。 终端( s s ) 在上行中也使用相同的时间。一旦在b s 的下行中指定了c p 的时间值，一般就不 应修改。修改c p 值将导致终端( s s s ) 重新进行与基站( b s ) 的同步流程。 频域： o f d m 符号的频域基本结构。 一个o f d m 符号有子载波构成，子载波的数量决定f f t 变换的大小。 这里有三种子载波类型。 一数据子载波：用于数据传输。 一导频子载波：用于多种估计 一n u l l 子载波：不用来传输数据。例如：保护带宽子载波，非活动子载波 和d c 予载波 d a t as u b c a n i 盯s p i l o ts u b c a m o i - s 图2 1 0 0 f d m 频域描述 第1 4 页 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 保护带宽的目的只是为了使信号能够自然的衰减。非活跃子载波只有在用户 端进行子信道话传输时使用。 2 2 3 28 0 2 1 6 ao f d m 符号参数和信号定义 简单参数定义： 一b w 实际使用信道带宽。 一虬。实际使用子载波数。 一h 采样参数。与b w 和m 硎一起决定子载波间隔和符号时间 下面的参数是在简单的参数定义基础上定义的。 一。：大于。的最小的2 的n 次幂。 一抽样频率带宽： e = l o o r ( n b w 8 0 0 0 ) 4 8 0 0 0 一子载波间隔： a f = 乓，一 一有效符号时间：瓦= 1 a f c p 时间：乃= g + 瓦 一o f d m 符号是间：t = 瓦+ 瓦 一采样时间：瓦， 等式( 2 - 8 ) 为o f d m 符号的代数表达式。 斗：制”酗 s ， i：i 担j r 表示时间：且0 t i a 咏为复数。表示在一个o f d m 符号内第k 个子载波上传输的数据传输信号参 数：表 2 - 1 中给出了o f d m 符号的参数 第1 5 页 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 表2 - 18 0 2 1 6 a o f d m 符号参数表 n f 1 2 5 6 n 。d 2 0 0 n对于带宽为1 7 5 m h z 的倍数，n = 8 7 带宽为1 5 m h z 的倍数，n = 8 6 7 5 带宽为1 2 5 m h z 的倍数，n = 1 4 4 1 2 5 带宽为2 7 5 m h z 的倍数，n = 3 6 1 2 7 5 带宽为2 0 m h z 的倍数，n = 5 7 1 5 0 其他带宽：n = 8 7 g i 4 ，1 8 ，1 1 6 ，1 3 2 低频保护带宽子载波数2 8 高频保护带宽子载波数2 7 保护带宽子载波索引 - 1 2 8 ，一1 2 7 ，一1 0 1 + 1 0 1 ，+ 1 0 2 ，1 2 7 导频子载波索引 - 8 8 ，一6 3 ，3 8 ，一1 3 ，1 3 ，3 8 ，6 3 ，8 8 子信遭索引： 一1 0 0 j - 9 8 ，_ 3 7 ：- 3 5 ，1 ：3 ，6 4 ：6 6 分为1 6 个子信道 _ 9 7 ：_ 9 5 ，一3 4 ：_ 3 2 ，4 ：6 ，6 7 ：6 9 一9 4 ：_ 9 2 ，- 31 ：- 2 9 ，7 ：9 ，7 0 ：7 2 一9 1 ：- 8 9 ，以8 ：- 2 6 ，1 0 ：1 2 ，7 3 ：7 5 一8 7 ：一8 5 ，一5 0 ：4 8 ，1 4 ：1 6 ，5 1 ：5 3 ) - 8 4 ，一8 2 ，4 7 “5 ，1 7 ：1 9 ，5 4 ：5 6 f 一8 1 ：一7 9 ，4 4 q 2 ，2 0 ：2 2 ，5 7 ：5 9 一7 8 ：- 7 6 ，- 4 l ：_ 3 9 ，2 3 ：2 5 ，6 0 ：6 2 ) 一7 5 ：- 7 3 ，- 1 2 ：一1 0 ，2 6 ：2 8 ，8 9 ：9 1 ) f 一7 2 i - 7 0 ，- 9 ：- 7 ，2 9 ：3 1 ，9 2 ：9 4 ) “9 ：“7 ，“：_ 4 ，3 2 ：3 4 ，9 5 ：9 7 f “6 ：6 4 ，_ 3 ：一i ，3 5 ：3 7 ，9 8 ：1 0 0 “2 ：“0 ，- 2 5 ：- 2 3 ，3 9 ：4 1 ，7 6 ：7 8 一5 9 ：_ 5 7 ，- 2 2 ：- 2 0 ，4 2 ：4 4 ，7 9 ：8 1 ) f 5 6 ：一5 4 ，一19 ：一17 ，4 5 ：4 7 ，8 2 ：8 4 ) 5 3 ：一5 l ，一1 6 ：一1 4 ，4 8 ：5 0 ，8 5 ：8 7 ) 第1 6 页 北京邮电大学硕士学位论文 e e e s 0 2 1 6 a 信道模型和信道估计技术研究 2 2 3 3 信道编码 信道编码由3 部分组成：扰码器，f e c 编码器器和交织器构成。在接收端要 进行相反的解码。 扰码器： 扰码要对上行或下行中的每一个数据脉冲进行。随机编码在每次的分配中都 要进行。如果要传输的数据量少于分配的数据块数量，则在传输块的后面一个比 特填充o x f f ，对于r s c c 和c c 编码数据，填充到数据总数减一为止。最后一 个字节保留给f e c 编码。对于b t c ，c t c 编码，则一直填充到完。 扰码编码器如下：输入码元与伪随机序列模二加。生成多项式为l + x “+ 一s ， 周期为3 2 7 6 7 。