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本科毕业设计(论文) 下一代无线通信 理层 系统设计 学 院 信息工程学院 专 业 信息工程学院 (通信工程方向 ) 年级班别 2004 级( 2)班 学 号 3204002607 学生姓名 许卫佳 指导教师 崔苗 2008 年 6 月 I 摘 要 交频分复用 )的基本原理是将高速 的数据流分解成许多低速率的子数据流,利用相互正交且重叠的多个子载波同时传输。它的主要优点是多径失真低,抗符号间干扰 (力强,频带利用率很高。 本文设计了一个基于 法的 统,并在计算机上进行了仿真和结果分析。全文主要由四部分构成: 统基本原理、 统模型分析、 统设计、 统仿真及结果分析。 在 型分析部分分析了传统的 续系统模型和以此为基础而建立的 散系统模型,在对原有 离散系统模型进行改进的同时,建立了本文所采用的模型。在系统设计部分,详细介绍了本系统各个模块的组成及设计机理,调制时采用 16道编码使用卷积码,最终建立了一个基带 统。 本文中 ,介绍了本次仿真中要使用的信道模型及仿真的原理。第四部分主要是关于系统的计算机基带仿真以及仿真结果的分析。 综上所述,本文完成了对一个完整的基带 统的设计与仿真,同时通过仿真为该系统的具体实现提供了大量有用的数据,为 信系统的进一步改进奠定了基础。 关键词 : 正交频分复用,卷积编码,正交幅 度调制,通信系统仿真 he is to a a of a of to In on FT a is on a of of of of of of of in he of of of on At we is in of of of of We 6as as in In we a of it of in of is of of In an is of 录 1 绪 论 . 1 题目背景及目的 . 1 计算机网络的应用 . 1 移动通信领域的应用 . 2 数字传播领域的应用 . 2 内外研究情况 . 3 目研究方法 . 5 文构成及研究内容 . 6 2 统的基本原理 . 7 单载波与多载波通信系统 . 7 单载波传输系统 . 7 多载波传输系统 . 7 频分复用与正交频分复用 . 8 频分复用 . 8 交频率复用 . 10 正交频分复用原理 . 11 多进制数字调制方法 . 11 本原理 . 13 快速傅里叶变换在 统中应用的原理 . 16 保护间隔和循环前缀 . 17 统的主要优缺点 . 20 统的主要优点 . 20 统主要缺点 . 21 3 统设计 . 23 统的 发射 端 . 23 结构设计 . 23 信道编码 . 24 串并变换 . 29 子载波调制和解调 . 29 . 30 加入保护间隔和 并串转换 . 31 统 信道 . 31 道 . 31 道 . 33 接收 端 . 36 . 36 码 . 36 本章小结 . 37 4 统仿真及结果分析 . 38 算机仿真 . 38 仿真平台 . 38 仿真流程 . 38 块设计 . 39 基于块状导频时 制模块如下(导频采用 练序列): . 40 制模块如下图 . 40 入的训练序列 . 40 !未定义书签。 去零解调 . 错误 !未定义书签。 调 . 错误 !未定义书签。 码率的计算 . 43 V 行仿真结果 . 44 统性能仿真结果分析 . 44 比特率 . 44 频谱效率 . 44 误比特率 . 45 本章小结 . 46 工作总结与展望 . 47 参 考 文 献 . 49 致 谢 . 49 1 1 绪 论 题目背景及目的 随着宽带系统的兴起,许多新技术成为研究的热点。正交频分复 (是其中之一。自 1837 年最早的通信形式 电报出现以来,通信已逐渐融入了社会。随着通信技术的不断成熟和发展,现代社会也正在高速发展。如今的通信传输方式可以说多种多样,变化日新月异。从最初 的有线通信到无线通信,再到现在的光纤通信;从最初的电报到固定电话、计算机网络,再到现在的移动通信;从最初的文本信号通信到语音通信,再到现在的多媒体通信;人们对通信的质量也在不断的提高。通信正朝着个性化、全球化、高质量的方向发展。如各种先进通信技术的结晶 移动通信,使得人们随时随地可以联系外界,可以连上网络得到自己所需的信息,甚至可以进行可视对话。现代社会是信息社会,人们似乎都生活在信息高速公路交织的网络中。 近年来, 其优异的性能而受到人们的青睐,并在移动通信、数字电视、数字广播等领域的得到应用, 并已取得许多可喜的成果。这预示着 好的发展前景。 计算机网络的应用 近年来, 惊人的速度发展, 用户众多,分布广泛,但现有的用户网所能提供的用户接入速率太低,传统 能提供 56速度, 务最多也只能提供 128速度,这些都难以已经满足 速发展的需要。宽带技术开始兴起, 以其良好性能在该领域得到很好的应用。如己经进入千家万户的 对称数字用户环路 )和正在不断升温的高速数字用户线路 ) 对称工作时,上行速率为 行速率可高达 52 称工作时,上下行速率均可高达 26 用不对称工作方式,下行速率 8s,远高于 率;而且上行速率也有 1 s,传输距离则达到 3000m5000m。 电力线网 2 络中也得到了应用。 移动通信 领域的应用 术 的 数 据 传 输 速 度 相 当 于 当 前 球移动通信系统 )和 分多址 )技术标准的 10 倍。从理论上讲, 术要优于当前全球移动运营商所采用的标准技术。预计第三代以后的移动通信的主流技术将是 术。但问题是其成本和兼容性等问题与当前技术相比是否具有竞争力。近来, 始与 术结合,产生了 技术除了继承了 优点外,还具有灵活、高系统容量、强抗干扰、无需复杂的均衡等优点。目前,还有一种采用 术的宽带移动通信系统 是一种小范围无线移动通信系统标准,用于公共和私人的高容量环境。它允许数据速率达到 54Mb/s,工作在 5段。一个 s,其中包括 数据和 保护间隔。可采用的几种调制方式有:用网格编码。具体的调制方式和编码方式的选择是根据发送质量要求而定的。允许速率为 6, 9, 12, 18, 27, 36, 54Mb/s。 数字传播领域的应用 数字广播领域也有杰出的表现。 字语音广播 )/字多媒体广播 )具有音质好 (量 )、可实现多媒体接收、可加密、并可利用卫星大幅度提高广播的覆盖率等优点,是广播事业发展中一个新的里程碑。 采用 术后,发射功率减小、可高速移动接收、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力,有效的实现了数据高速可靠的 传 输。目前, 主流技术有 3 种 : (1)1996 年 12 月 26 日 式公布了 “数字电视标准 ”拿大、韩国、阿根廷和我国的台湾 1997 年和 1998 年先后宣布采用美国的 准。 (2)欧洲 1994 年和 1996 年先后公布了 星广播 )、 线电视广播 )和 面广播 )的标准等。 3 (3) 日 本 地 面 综 合 业 务 数 字 广 播 (采用的频带分段传输正交频分复用 (日本 1998 年 11 月公布了用于地 面数字电视广播的 ,T 标准。 其中,后两种均采用了 术,以第二种最为完善。欧洲数字视频地面广播(准采用的编码正交频分复用(制。 用了 1705(2k)或 6817(8k)个载波。而且它有更多的选项,以适应不同的应用需求,例如可变的载波调制类型。这也是 一个长处所在。和美国的 8制技术相比, 术属于正在不断发展和提高的新技术。除了欧洲国家以外,澳大利亚、新加坡、印度、巴西先后在 1998 年和 1999 年宣布采用欧洲的 准。 内外研究情况 2001 年, “国家 863 计划 ”启动了面向后三代 /四代( G)的移动通信发展研究计划 未来通用无线环境研究计划(简称 划)。其主要目标是面 向未来 10年无线通信领域的发展趋势与需求,重点突破新一代移动通信系统关键技术,逐步建立一个集大范围蜂窝移动通信、区域性宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境,为中国未来无线与移动通信产业的跨越式发展创造条件。 2001 年 “国家 863 计划 ”启动以来,截止到 2006 年已经取得了相当多的科研成果,在国内外申请移动通信技术发明专利 100 余项; 划实施 5 年来,累计培养了近千名移动通信超前研发人才,显著增强了我国移动通信可持续发展能力。 G 研究并不只是一个科研项目,更是一个推动我国 未来通信产业发展的试验系统,涉及知识产权、专利、国际合作等问题,并且能为我国在下一代移动通信标准化上打下基础。在G 研究上,中国与国际同步,而 G 外场技术演示和示范则在世界范围内处于领先地位。在 3G 技术的研究方面,我国比国外晚了 8 10 年,而 4G 技术的研究已经实现了与国际同步,这为我们拥有一个更好的发展前景奠定了基础。 我国启动 4G 研发以来,国内十余家大学、企业和研究所均参与其中。在 京邮电大学等国内六所高校,分别与华为、三星等国内外企业开展合作,经 过一年多的艰苦努力,完成了六种无线传输链路方案的设计,并初步研 4 究了无线资源管理方案和上层协议,基本完成了基带电路核心硬件和软件的设计和测试,并完成了支持分布式多天线接入的射频系统的设计;取得了一系列创新性研究成果,申请了 30 余项国家发明专利,为进一步凝炼面向 “十五 ”末期的超 3 代总体技术方案打下了良好的基础。在此基础之上,国家 ”863”划于 2003 年 11 月启动了第二阶段研究开发计划。本课题研究开发的总体目标是:面向超 3 代移动通信在传输速率、业务支持、系统容量等方面的应用需求,在超 3G 移动通信系统 网络结构、空中接口等各个方面,进一步开展深入系统的研究,重点突破,形成完善的超 3 代总体技术方案,构建具有超 3 代移动通信主要技术特征的试验系统,具备向 交初步的新一代无线通信体制标准建议的技术基础。国家 “863”项目 “超 3 代蜂窝移动通信无线网络实验系统研究与开发 ”子课题 “统 行链路设计与实现及 术集成 ”由北京邮电大学无线新技术研究所承担,具体负责该课题的实施和集成。该子课题于 2003 年11 月启动, 2004 年 7 月完成了链路方案验收,至 2006 年 6 月完成了上下行链路以及整个系统的联 调工作,在 2006 年 6 月 17 日进行了正式验收。验收结果表明该系统已达到了国际领先水平,这标志着我国在下一代移动通信系统的研究中取得了突破性进展。 2007 年 1 月 28 日,在上海快速移动的测试车上,基于 高清电视等业务的演示十分流畅。工作人员在上海延安西路高架做了 2的覆盖,车辆在真实的路况中以 50km/h 的时速行驶,获得的下行速率为 2090行最高也可达 80标志着我国第一个 4G 试验网已经正式进入第三阶段,即外场试验和预商用计划。该实验系统由三个无线覆盖小 区、六个接入站点和六个移动终端组成,提供多小区、多用户模拟网络集成测试环境,验证室内、开阔地、城市热点,高架路等多种无线场景适用性,其集成测试平台提供从链路空口质量到业务承载质量、从静止模拟信道环境到实时高速移动环境下的多种测试手段。 4G 由技术向产品转移,经过系统集成、产品开发等环节之后,才能进入产业化研发阶段,根据预测还要经历至少 5 年,也就是 2012 年才能实现相关产品的商用试验。 国际上 4G 的技术与标准角力早就如火如荼地展开,任何有企图的厂商、任何有实力的国家,都不愿意在这场战役中缺席。目前,日本、韩国、 美国、欧盟等已经在泛 4些国家无不是采用政府 +运营商 +制造企业的模式来推动泛 4G 技术的研究,许多企业已经在泛 4G 技术领域有了长达十年左右的技术储备。目前,欧洲和美国一些大学和机构都已大力投入对 4G 的研究,并结成了一些联盟。 5 新一代无线通信技术在美国及日本等发达国家已经进入密集的研发和市场化阶段。据美国电气电子工程学会( 新公布的 线宽带技术草案文本,该机构目前正在研究一项无线传输新标准 容 4G。 准在快速移动 状态下的传输速率可达 100s。新标准之所以能达到以上速率,主要归功于 准路由器及接入节点目前已广泛采用 术。 54Mb/术之后,理论传输速率可达 108Mb/s。据称,新标准至少还需一到两年才能出台。 2006 年 3 月,中国、韩国和日本曾就进一步联合研发 4G 移动通信标准一事达成共识。中国信息产业部与他国的 4G 合作研发始于 2003 年,当时与日本 订了合作意向书,共同探讨和研发 4G 技术; 2004 年 10 月 ,又与韩国达成协议,扩大技术合作范围,共同支持对 4G 无线通信系统的研发。在 划的支持下,一批中国研究机构作为合作伙伴参与了欧盟第六框架 国际上有关未来移动通信研究项目,并与一批跨国企业设立了一系列联合研发项目。 目前 际电信联盟的简称)还没确定 4G 标准。根据 4G 时间表: 20062007 年完成频谱规划, 2007 2008 年国际电信联盟将会征集 4G 标准, 2010 年 左右完成全球统一的标准化工作, 2012 年之后开始逐步商用。我国正酝酿联合一些大型电信设备商及大学研究机构组建 4G 标准联盟,以便参与 2008 年开始的 球 4G 标准征集。 对 4G 最为关注的外企包括北电、三星、摩托罗拉等,分别在 3G 以及 拥有较多知识产权的高通和英特尔也 “争得不可开交 ”,希望能获得 4G 的主导权。 2006 年11 月,摩托罗拉正式在北京成立无线宽带中国研究中心,摩托罗拉执行副总裁兼网络及企业通信事业部总裁格雷格 研究重点集中在 涉及 4G 的基础技术方向。 4G 最终采用哪种版本对任何一个企业来说都很重要,中国采取哪种战略则涉及到外企能在未来的中国市场获得多大的市场份额。 目研究方法 在了解 基本原理后,采用工程最为常用的仿真软件 本作为本次试验的平台,仿真工具为 带的仿真工具箱 为图形建模支持环境。建模过程则是将 统按功能分解成若干可由基本通信单元拼合的子系统, 6 子系统本身又被定义成拥有独立通信或运算功能的图形化组建的模块,各模块在通过鼠标拖放构造具有分层或递阶结构的系统模型,对于仿真所需的 各种参数及数据也是可以进行修改和集成管理的,这使设计便于仿真结果的计算和输出。 良好的仿真平台的建立为仿真试验做好必要的准备, 统仿真模型结构图如下 图 统物理层仿真结构图 文构成及研究内容 本文详细分析、研究了该技术,并结合数字通信系统中的信道编码、调制解调、信道分析等技术以 基础设计了一个 统,并分析了系统中各个环节所用的技术及其对系统性能的影响。 信道编码采用卷积码,解码使用 码。调制给出 制方式,并在 过不同调制方式,不同信道下的仿真结果的对比,绘出误码率与信噪比的曲线图,并分析其成因,为该系统的具体实现提供了大量有用的数据,为 信系统的进一步改进奠定了基础。 伯努利发生器 正交频分复 用调制模块 用调制模块 串 /并转换 加循环前缀 串 /并变换 高斯噪声信道 串 /并转换 去循环前缀 正交频分复 用调制模块 并 /串变换 误码率计算模块 7 2 统的基本原理 单载波与多载波通信系统 单载波传输系统 通常我们采用的通信系统是单载波方案。如图 中 g(t)是匹配滤波器。这种系统在数据传输速率不太高的情况下,多径效应对信号符号之间造成的干扰不是 特别严重,可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正常的工作。但是对于宽带业务来说,由于数据传输的速率较高,时延扩展造成数据符号之间的相互交叠,从而产生了符号之间的串扰 (这对均衡提出了更高的要求,需要引入复杂的均衡算法,还要考虑到算法的可实现性和收敛速度。从另一个角度去看,当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时,信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落,使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性,这是我们不希望看到的。 e 信道 图 载波系统基本结构 多载波传输系统 多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流,这样每个子数据流将具有低得多的比特速率,用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波,从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统中,一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效,但 是在多载波系统中,某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。图 给出多载波系统的基本结构示意图。 多载波传输技术有多种提法,如正交频分复用 (离散多音调制 (多载波调制 (这 3 种提法在一般情况下等同,只是在 各子载波保持相互正交,而在 一条件并不总成立。 g(t) )(* 8 e 图 载波系统的基本结构 频分复用与正交频分复用 频分复用 频分复用是指将信道划分成 N 个子信道,利用 N 个不同频率的子载波并行的在子信道上传输 N 路数据。频分复用的传输系统发送端的组成框图如图 2示,接收端则是一个相反的过程。 图 分多路传输系统组成框图 假设待传的 N 个具有相同带宽 2f 的信号为 f1(t), f2(t) , fN(t),分别通过一个低通滤 波器 子载波 调制器 带通滤波器 低通滤 波器 子载波 调制器 带通滤波器 带通滤波器 子载波 调制器 低通滤 波器 相 加 器 主 载 波 调 制 )()()()(* * * 信道 9 低通滤波器,以保证其带宽不超过 2f,因为这些信号占有同一频带,如果直接加于同一信道上,接收端将无法进行区分。所以要对它们的频谱进行搬移,使其在频率轴上互不重叠。因此,各路信号先要用子载波进行调制从而实现频谱搬移。用一组有相同频率间隔的正弦波作为子载波,相应的频率称为子载频。为了限制各路子载波所占频带,在相加器前,每一路设一个带通滤波器。多路信号仍属于基带信号,可以直接用导线传输。信号此时在频带上是互不重叠的,因此可以用相加器将 N 路信号和在一起传输。频分多路信号可表示为 : t)=Nn n(t) ( 为了实现无线传输,还需将合成的信号对射频载波进行一次调制,称为主载波调制或二次调制。在接收端,解调过程是一个相反的变换。首先,对射频信号进行主载波解调,恢复出的多路信号加到各个分路带通滤波器上,各个带通滤波器的中心频率分别对应该路带宽和子载波频率,只允 许本路信号通过,从而实现了频域的分割。分离后的信号进行子载波解调,就可得到各路信息 频谱分析如下图, )(2 S )(2 S )( )( 图 谱分析图 10 交频率复用 在 原理的基础上,子载波集采用两两正交的正弦或余弦函数 函数集 , n , m=0 , 1 , 2) 的 正 交 性 是 指 在 区 间 (t0, T) 内 o sc o s = )0()()( 其中 T=2( 正弦函数同理。 根据上述理论,令 N 个子信道载波频率为 , 使其满足下面的关系:fk=f0+k/TN,k=1, N ,其中 单

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