[硕士论文精品]ieee_802.16_802.16a物理层及其同步技术的研究

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BWA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DSL技术，因而得到了越来越广泛的关注。为此，IEEE组织为第二代无线城域网WMAN先后定制了新的协议标准IEEE80216及IEEE80216A，定义了新的空中接口规范WIRELESSMAN，以期望提供统的业界标准。本论文介绍了IEEE80216及80216A的标准，并利用MATLAB工具实现了对其物理层的SIMULINI仿真，讨论和研究了无线宽带接入系统在80216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OFDM系统的性能。本论文重点对IEEE80216A系统的关键技术进行了研究，针对0FDM系统对同步误差较为敏感的弱点，提出了一整套基于IEEE80216A的OFDM系统同步方案，其RF，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80216，80216A，无线宽带接入，LMDS，物理层，OFDM，同步，定时频偏，多径信道，MATIAB，SIMULINK南京邮电学院颁卜学位论文ABSTRACTABSTRACTNOWADAYS、THE1ESSDEVELOPMENTOFTHE右XEDSTMCTUREOFWIRELESSINDUSTRYACCELERATESTHETHOU曲TOFTHEMOSTOPTIMIZEDSCHEMEOFTHELASTMILEDUETOTHISPROBLEM，BROADBALLDWIRELESSACCESSISTHEMOSTCHALLENGINGSEGRNEMOFMEWIRELESSREVOLUTIONSINCE“HASTODEMONST豫TEAVISIBLEANEMATIVETOCHECABLEMODEMA11DDSLTECHN0109IESTHATARESTRON91YENTRENCHEDINTLLELASTMILEACCESSENVIRONMEMSOIEEEPRESENTEDNEWPROTOCOLSOF80216AND80216ARESPECTIVELYFORTHESECONDGENERATIONWMAN，WHICHDENNEDNEWAIRINTERFACECRITERIONSOASTOPROVIDEAUNIFIEDSTA1DARDTHISPAPERIMRODUCESTHEPROTOCOLSOFIEEE80216ANDIEEE80216AANDALSODOSETHESIMULATIONOFTHEPHYIAYERUSINGMATLABFURTHEMORE，WEDISCUSS血EPERFBRMANCEOFTHESYSTEMUSMGDIFREFENTCODINGANDMODULATIONSCHEMEACCORDINGTOTHEIEEE80216PROTOC01，ANDRESEARCHTHCPERFORMA工1CEOFOFDMSYSTEMWITHOUTEQUALIZERINTHECIRCUMSTANCEOFMULTIPATHFADINGCHARULELTHEPAPERPUTSEMPHASISONTHERESEARCHOFTHECRITICALTECHNOLOGYOFIEEE80216ASYSTENLWEPROPOSEANINTEGRALSCHEMEOFSYNCHMNIZATIONBASEDONTHEOFDMSYSTEMOFIEEE802。16APROTOCOLAIMINGATTHESENSITIVITYOFFREQUENCYANDTIMINGOFHET_A1SO，THEBETTERALGORITHMOFTIMINGSYNCHRONIZATIONANDPHASETRAC“NGFSPROPOSEDSOAST0IMPROVETHEPERFORMANCEOFTHESYSTEMKEYWORD80216，80216A，WIRELESSBROADBANDACCESS，LMDS，PHY，ORD、，SYNCHR。NIZATION，TIMING，FREQUENCYOFFSET，MULTIPATHCHANNEL，MATLAB，SIMULINK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FN学院颁1二学位论文第一章绪论第一章绪论1I1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BW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DSL技术，因而得到了越来越广泛的关注。IEEE80216工作组于2001年LO月完成了IE雎STANDARD80216200L协议的制定并于2002年4月8F|F式发布。协议为第2代无线城域网WMAN定义了WIRELESSMAN。M空中接口，支持LO到66GHZ的超高频段。基于该协议的WM州系统通过户外天线将大楼中客户网经由用户站SS至远处中心站BS，接入核心网络。当前，WMAN的SS端连接的用户是传统的室内网络，如ETHERNETIEE8023标准、WLANIEE80211标准或专用分组交换机PBX。该标准的基本设计可能最终允许WN网络协议直接高效地扩展到终端个人用户。IEEE80216协议的出现标志着宽带无线接入BWA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。ARC工作小组THEANALYSIS，RESEARCH，ANDCONSULTANCYGROUP预测到2005年，应用于家庭和办公环境中的固定无线配置将达到28亿用户。事实上，BWA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，80216工作组提出了解决NLOS非视距环境下基于OF喇正交频分多址的BWA解决方案80216A协议。在8021680216A协议定义的无线宽带接入系统的基础上，80216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80216E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IP的通信环境，支持对INTERNET或企业内联网透明的接入。80216E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IEEE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MBWAMOBILEBROADBANDWIRELESSACCESS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80220协议。80216E是8021680216A的增补方案，它在26GHZ频段支持低速的移动终端与MBWA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，80216E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WLAN和高移动性但不支持高速率的系统如UMTS之间的空白。BWA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，BWA将得到进一步的发展。12无线通信中的0FDM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OFDM正是这样一种我们需要的调制技术。OFDM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。OFDM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20世纪80年代，当大规模集成电路让FFT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0FDM技术发展的桎梏终于被摘掉。从此0FDM技术成了通信技术舞台上主角之一，从20世纪90年代起，OFDM技术被广泛应用在数字音频广播DAB、高清晰度电视HDTV和无线局域网WLAN当中。当然，要实现OFD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ICI，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，OFDM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OFDM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OFDM中使用相关解调，这就需要进行精确的信道估计。此外，OFDM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OFDM系统中，如何降低多载波信号的功率峰均值比PEAKTOAVERAGEPOWERRA“O，PAPR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IEEE80216A标准的OFDM技术进行研究，针对0FDM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IEEE80216A的0FDM系统的整体同步方案，最后给出了方案性能及其分析；对IEEE802，1680216A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IEEE802，1680216A标准及分别对两个标准的物理层进行了MATLAB仿真，讨论和研究了无线宽带接入系统在802。16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80216A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OFDM系统的性能；第三章介绍了OFDM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OFDL系统造成的性能影响进行了分析，并总结了几种典型的OFDM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80216A帧头的共扼对称性等特点，提出了一套整体的基于80216A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IEEE80211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OFDM技术，同时对无线宽带接入系统南京邮LU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80216A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80216，80216A标准及物理层仿真第二章80216，16A标准及物理层仿真21IEEE80216标准241IE旺802L6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MAC层和物理层PHY层2大部分。以该标准组建的无线城域网WMAN可提供多科R业务。其MAC层能支持多种物理层规范，以适合各种应用环境。LO66GHZ频段的物理环境由于是微波，要求BS和SS间直视LOS，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25MHZ或28MHZ我国采用，因此也被称为WIR01CSSMANSC空中接口。IEEE80216的协议栈结构如图21所示。高层西向业务的汇聚子培CSMAC公共部分子培CPS加密子层PS传输汇聚子层TCL物理媒质依赖子层PMD图2一I80216协议栈结构MAC层由特定业务汇聚子层CS，MAC公共部分子层MACCPS，加密协议予层PRJVACY3部分组成，其中加密协议子层是可选的。CS子层丰要功能负责将其、皿务接入点CSSAP收到的外部网络数据SDU。转换和映射成MACSDU，并传递到MACCPS层业务接入点MACSAP。这具体包括对外部网络数据SDU执行分类，著关联到适当的MAC业务流MACSERVICEFLOW和连接标识符CID上，甚至可能包括净荷头抑制PHS等功能。协议提供多个CS规范ATMCS和PACKETCS作为与外部各种协议的接口。CS净荷的内部格式对CS层是唯一的，MACCPS不需要理解或分析来自CS层的净荷。MACCPS子层主要功能它是MAC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MACSAP接收来自各种CS层的数据并分类到特。SDUSCRVICCDAIAUNIT；业务数姑单儿PDUPFOTOCAIDALAUNIT协泌数据单元5南京邮电学院坝二卜学位论文第二章80216，80216A标准及物理层仿真定的MAC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QOS。通常说的MAC层主要指姒CCPS。PRIVACY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TCL和物理媒质依赖子层PMD组成，通常说PHY主要指后者。物理层定义了两种双工方式TDD和FDD，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MAC层协助完成。下行链路一般采用TDM方式，发送给各个SS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SS根据MAC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TDMA时分多址和DA姒按需分配多址方式，上行链路信道被分为许多的时隙，SS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BS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05MS、LMS或2MS。采用TDD方式时，上下行子帧的帧长可凋。图22为下行子帧帧格式，图中CID是连接标识荷，DIUC是下行链路的间隔使用码，CAZAC是恒幅零相关序列，用于帧同步。DLMAP是定义下行突发起始时间的MAC层管理消息，UL一姒P是定义上行突发起始时间的IAC层管理消息。L“0幽22R行子帧帧格式TC了层传输汇聚予层士要将M、C层传来的MCPDU按适当的码字长度分段成数据块组装成TCPDU，为在PMD子层中执行FEC编码做准备。装配后的TCPDU首部的指针域指明了第一个MACPDU和填充字节的起始位置。PMD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PMD层的。下行链路PMD层概念框图如图23所示。6南京邮电学院硕L学位论立第二章80216，80216A标准及物理层仿真到震I化FEC编码前缀头添加符号映射基带脉冲成形图23PMD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15，在每个突发BURST的起始位罱初始化，种子为100LOLOL0000000，生成多项式GXX”一4L。协议中建议了四种编码类型，如表21所示。其中类型1和2是BS和SS必须能实现的编码方案，两种方案的外码均采用GF256上的REEDS010MON，其中的信息字节长度K可在6至255之间选择，纠错字节长度T可在0至16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23的凿孑L卷积码。RS的码生成多项式；GZX。扛X202R。“，其中202MRS的域生成多项式PXZ8X4X21F1卷积码的生成式是7，5，凿孔矩阵为LLOJ。编码类犁外码内码LGF256的RS尤2GF256的RS卷积码3可选GF256的RS奇偶校验码4可选块TURBO硝无表2一LFEC编码类型调制解调支持0PSK，16QAM，64Q心三种方案，其中64。AM可选。OPSK映射方式如农22所，JI。图24为QI，SK，16Q脒和64QALI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0O1L10一11R一丁一1丁I1一I表22QPSK符号映射0B厦7U卜3二LF一一3RJLLOU0OLB3B2，IDOCIQ20，3LFJ7一O，“5B|吣幽24QPSK，16QAM，64QAM的尼摩幽表23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。ZOM、25M和28M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MBITS嗣HZMBAUDQPSK16一QAM64一Q躺201632649625204080】20282244488961344表2380216中定义的物理层的多种传输速率南京JL电学院颁L学位论文第二章802，16，80216A标准及物理层仿真22IEEE80216物理层仿真本仿真模型严格按照图23搭建，采用TDD模式，参数选择符合协议规范。假设传码率约为20MBAUD满足16、40MBAUD，下行帧长为1MS，若使用QPSK调制，则下行帧包含20000SY曲01S，即40000BITS。一帧中包含15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RS编码，则净荷长为2208BITS，而子帧的头为64BITS未加控制字所以假设一子帧长为2272BITS。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25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25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80216，80216A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；2FEC编码本文分别对编码类型1和2进行了仿真，外码采用RS255，235，10，即码长为255字节，校验位10字节。本文中K分别取26，60和180，T取LO。若取K26，即在26个字节前面充入209个字节的O，编码成为255个字节，然后把充入的零去掉，形成46个字节。内码无或采用凿孑L卷积码，采用卷积编码时选用12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CAZAC码字，且一个CAZAC码字长为16，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QPSK对帧同步头进行调制。Q映射本文分别采用了QPSK，16QAM和64QAM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一02J，传递函数J如卜H1弘，I厂I1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26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80216，80215A标准及物理层仿真步为理想同步；图27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26符号定时框图SAMDLE图27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ZHENTONBUM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28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CAZAC码字，当第一次检测到相关峰后，延时16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80216，8吆16A标准及物理层仿真10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28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K60的RS码，调制分别采用QPSK，16Q_AM和64QAM时得到的误比特率曲线如图29所示。图中QPSK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，QPSK的性能最好，64QAM的性能最差，但QPSK占用的带宽是64Q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64Q埘。采用QPSK调制时，无FEC编码、只采用K60的RS码以及采用外码为K_60的RS码，内码为凿孔卷积码时得到的误比特率曲线图如图210。从图中可以看到，在差错概率为O05时，与不编码相比，RS码有大约5DB的编码增益，而RSCC又比只用RS码有大约1DB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29不同调制方式比较图210不同编码方式比较南京邮电学院硕上学位论文第二章80216，80216A标准及物理层仿真图211中采用QPSK调制，只采用GF256的RS编码，信息字节数K分别为26，60和180，纠错能力T都为10字节。从图中可以看出，K26的误码率性能最好，而K180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1323，34，1920，K180时码率最高，但性能最差。图211RS码取不同K时BER的比较23IEEE80216A标准371运行于21LGHZ频段之间的80216A标准是IEEE80216标准的扩展，在点到多点PMP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MAC层和物理层PHY层。通过对MAC层规范的修改和PHY层规范的增补来实现对80216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8021L局域网连接到互联网，也可作为线缆和DSL的无线扩展技术。231MAC层IEEE80216A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MAC层支持多种PHY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IEEE80216A中，为了更加稳定、可靠的传输，MAC层增加了许多新功南京邮电学院顺I学位论文第二章8021680216A标准及物理层仿真能，包括对网格拓扑结构的支持；对OFDM和OFDMA的支持；需申请许可执照的频段中的动态频率选择DFS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ARQ功能；对自适应天线系统AAS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BS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BS必须收集某一跳范围内的所有网格SS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SS中。在网格模式中，每个节点有一个48BIT的通用MAC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16BIT的节点标志符NID，NID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LID，在分布式调度中，LID被用来识别资源的请求和分配。与80216的MAC层管理信息比，因为802，16A的MAC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ARQ、AAS和网格有关。新增的12种管理信息如下ARQ反馈信息、ARQ丢弃信息、ARQ复原信息、信道测量报告请求REPREQ、信道测量报告响应REPRSP、网格网络构造MSHNCFG、网格网络登陆MSH_NENT、网格分布式调度FMSHDSCH、网格集中式调度MSHCSCH、AAS反馈请求AASFBCKREQ、AAS反馈响应AASFBCKRSP。MAC子头可分为4种类型与80216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80216比，SS的带宽分配方式与GPSS方式类似，但是GPC方式被取消。南京邮电学院硕士学位论文第二章8021680216A标准及物理层仿真232物理层MEE80216A有3个独立的分别以单载波SC，OFDM和OFDMA为基础的物理层。无需申请许可执照的频段只支持TDD，而在需申请许可执照的频段中SCAPHY层支持TDDFDD及TDMA；OFDMPHY层支持TDD，下DD及TDMA，采用256点FFT调制；OFDMAPHY层支持TDDFDD及OFDMA，采用2048点FFT调制。除了增加了上述2个PHY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，80216A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。WIRELESSMANSCM物理层是以单载波技术为基础，为2，11GHZ频段上的NLOS非视距范围设计的。如同80216中所定义的，SCAPHY层有FDD和TID两种双工方式，FDD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TDD方式中，上行链路和下行链路在同一个MAC帧控制下在不同时间内复用同一载波。在单载波调制中QPSK和16QAM是强制的，64QAM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。WIRELESSMAN0FDM物理层是以OFDM调制为基础的。在时域中，使用IFFT变换产生OFDM波形，其符号时间结构图如下I鬻鬻L露蘩瓦I一SYM削212OFDM符号时域构造T卜有用的符号时间，TG循环前缀CP，TSYM符号时间0FDM符号由载波构成，载波的数目决定了FFT的大小，在0FDMPHY层中，FFT的点数是256。载波的类型有数据载波DATACARRIERS；导频载波PILOTCARRIERS；空载波NULLCARRIERS。图213描述了OFDM的频域南京邮IU学院坝、学位论文第二帚80216，80216A标准及物理层仿真AM。ARRIE瞄DC心MKRLIIO【KRIE隅图2。13OFDM的频域描述OFDM信号的传输参数参考表24参数数值，256N。D200F|BW87或76T|TH14，18，116，132低频保护子载波数28高频保护子载波数27保护子载波一128，一127，一LOL插入位置101，102，127固定导频插入位置一84，一60，一36，一12，12，36，60，84子信道分配188，一76，一50，一39，1，13，64，752一63，一5L，卜25，一14，26，38，89，1003卜100，一89，卜38，一26，L4，25，51，63475，一64，卜13，一1，139，JO，76，88表240FDM符号参数下行键路PMD层概念框图如图2一14所示V图214OFDM系统物理层框封0FDM物理层中，信道编码由3个步骤组成随机化、前项纠错编码FEC、交织。随机化过程与802，16物理层的建议方式相同。80216A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25所示。其中类型1是BS和SS必须能实现的编码方案，外码采用GF256卜的REEDS。10MON，内码采用凿孔卷积码，凿孔原则参考表26；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27。RS的码生成多项式GX0，。00Z2Z271，其中202一。RS的域生成多项式PXX8X4妒X21卷积码的生成式蝮翥乏FORXFORY编码类型外码内码LGF256的RS卷积码2可选分绢TURBO码无3可选卷积TURBO码无表25FEC编码类型码率RATEL2233456矗M。，10654X1LO10L10101Y111110110LOXYX。KX，I兄，誓艺X3X，IY2X3Z5表26卷积码凿孔原则映射方式未编码长度编码后长度总的编码率RS码CC码率BYTESBYTES0PSK2448L232，24，4230PSK36483440，36，25616Q触L4896L26吐，48，82316QAM72963480，72，456640AM9614423108，96，634640M10814434120，108。656表27不同调制方式F的编码所有经编码后的数据比特流都要经过分组交织器进行两次交织第一步交织南京峭电学院硕，学位论文第二章802I鹕02，16A标准及物理崖仿真确保邻近的编码比特映射到非邻近的载波上；第二步交织确保编码比特交替地映射到星座图上，防止突发错误造成个或几个编码块的块错误而完全无法正确解码。假设JV却，为每个交织块的大小；。为不同映射方式下每个子载波对应的符号数，例如当映射方式分别为QPSK、16QAM和64QAM时，。，2，4DR6，令5。，2；K，M和J分别为第一次交织前、第一次交织后和第二次交织后符号的位置。第一次交织M咖，16是M。D116如。，七16O，1一122第二次交织N争C2参O。R0讥I曲七0扎N曲”一耍OORQ6MIN出J；嘣；M03，N由M一123第一次解交织MS垂OORB0幻奔OORQ6JN协。JQ，、，NT。；一、QQ第二次解交织尼16。肌一V咖。一1ODR16肼蛳棚O，1，渐一125经过比特交织之后，二进制数掘进入星座映剩器。经过格雷映射的0PSK和16QAM是被支持的，64QAM为UJ选方式，三种方式的丛座映射图可参考图24。下行链路支持每一数据分配区的自适应调制和编码。经过星座映射后的数掘插入固定导频，导频序列W。由长度为11的伪随机序列发生器产生，在每个突发数据BURST的起始位置初始化，上行链路种子为10101010101，下行链路种子为】1111111111，生成多项式X”X91。对导频进行BPSK调制后按如下方式插入OFDM符号中DLC一8C一36C60CS4I一2W女年口F一60F12C12F36I一2面ULC一“F一36C12巳6C60F蹦12K和F一60F12I一2瓦接下来对数据流进行串并转换，经过IFFT变换从而实现各个正交子载波的调制，最后并串反变换，通过射频调制后发射。OFDMA的时域表示与OHM的相同，但频域表示与OFDM不同，如图2】5第一二章82L“802】6A标准及物理层仿真负LBCHANLL“2【CA1盯翔BCLLMLND3幽215OFDMA的频域表不OFDMA的FFT点数是2048，在OFDMA方式里，可用予载波被分成组，每一组称为一个子信道。在下行链路，一个子信道可以指定给不同的接收机，在上行链路，一个发射机可以分配一个或多个子信道，几个发射机可以并行发送。组成一个子信道的子载波可以相邻也可以不相邻。符号被分到合理的子信道，以支持可测量性，多点接入和高级天线阵处理。在OFDMA中，从N点FFT中除去DC载波和保护载波，剩下的为有用载波。，这些载波都被分配给导频载波和数据载波在下行链路中，导频先分配，剩F的全部用于数据；在上行链路中，先将有用载波划分为子信道，然后从每一个子信道中指定导频载波。导频又可划分为固定位置导频和可变位置导频在下行链路中，固定位置导频的序号一直不变，可变位霞导频的序号每个符号改变一次，每四个符号之后循环。在上行链路中，每个子信道包含48个数据载波，一个固定位置导频和四个可变位簧导频。0FDMA物理层的其它规范，如信道编码、发射分集、同步以及信道质量度量等与OFDM的相似，这里不作详细介绍，可参考文献【37。24IEEE80216A物理层仿真幕于OFDM技术的80216A物理层是本文研究的重点，本节仅对协议建议的这一物理层进行了MATLAB仿真。本仿真模型是严格按照图214搭建的，参数选择符合协议规范。假设传码率约为18AUD满足1640洮AUD，下行帧长为1MS，每帧包含15个OFDM符号，若使用Q|SK调制，则一帧数据流为4200BITS。采用RS40，36，2作为外码，码率为56的卷积码作为内码。如图216为物理层下行链路仿真框图，其中0FDM凋制部分仿真如图217；另外，由于80216A系统的信道模型为多径衰落信道，必须进行信道估计来补偿南京】|；JU学院坝1掌化论殳第二章8021680216A标准及物埋层仿真信号的相位旋转和幅度衰减，否则无法正确解调，相应的信道估计仿真框图见图2一18幽216OFDM系统物理层仿真幽幽2一】7OF删调制框斟幽2一18信道估计实现框幽笫一鼋8U216，80216A标准发物理层仿真信道估计算法是通过编写SFUNCTION函数，从而生成用户自定义的功能模块来实现，如图218中模块ESTI皿ATIONL。由于信道慢时变且导频数充足，故本文采用了传统的最小二乘法，在理想同步的情况下就可满足系统的误码率要求。同时，也仿真了MMSE，SVI和LFFT三种方法，对最小二乘法的估计结果进行平滑以提高信道估计准确性。25本章小结本章在21节和23节分别介绍了IEEE8021680216A两个标准的PHY层和MAC层，重点对物理层的编码、交织和调制解调等技术规范进行了较为详细的描述。22节对80216的物理层进行了MATLAB仿真，讨论和研究了无线宽带接入系统在80216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。24节对80216A协议基于OFDM技术的物理层进行了仿真，考察了在多径衰落信道情况下，不使用均衡器时OFDM系统的性能，并利用SFUNCTION实现了三种基本的信道估计算法。关于OFDM系统的关键技术的研究主要放在后面两章。F_京邮LU学筑坝】学位沦义第一章OFDM系统殷矧步技术第三章0FDM系统及同步技术31多载波传输的历史背景40多年前，COLLINSKINEPLES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掘流，分别调制到不同的载波上，进行并行传输。现代OFDM系统的核心思想之一F交多载波则是在1966年由BELL实验室的RWCHANG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ICIINTERCHANNELINTERFERENCE和符号问干扰ISIINTERSY讯B01INTERFERENCE。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。1967年，BRSALTZBERG对CHANG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，相邻信道间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I刮的串扰，而不是完善每一个单独的信道。SBWEINSTEIN和PMEBERT在1971年提出多路载波的调制解调可以利用DFTIDFT来完成，目的是简化系统的处理过程，使系统无需用一组振荡滤波器来产牛多个子载波。他们还在OFDM符号间引入了保护川稿，以减小ISI和ICI带来的影响。1980年，PELED和RUIZ提出了循坏前缀CPCYCLICPREFIX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ISI的做法不同，他们是将OFDM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问的线性卷积近视成循环卷积，当循环前缀比信道的脉冲响应时闻氏时，能很好的保证予载波问的正交性。当然，循环前缀也引入了与其长度成正比的系统能量损失，但与它消除的ICI比较起来，这种能量损失是可以承受的。90年代以前，除了军事领域外，基于OFDM的实用通信系统很少见，这是因为OFDM所要求的实时数字信号处理器、高速AD和DA变换器、高稳定度的振荡源、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，南京1】1|LU学院蝴1学位论义靴工章OFDM系统发问步技术今天OFDM技术的J“泛应用正在变为现实。OFDM适用于从卫星通信到地面无线通信的广泛领域，各种基于OFDM技术的通信标准相继出现。数字视频广播DVB和数字音频广播DAB的物理层标准，无线局域网WLAN和无线城域网WMAN都是OFDM的一个应用热点。ETSI和IEEE的新一代WLAN物理层标准MPERLAN2和IEEE80216A都使用了OFDM技术来达到最高54MBITS的数据速率。OFDM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，OFDM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，通信系统需要传输的数据速率也越来越高，而传统的单载波系统受多径信道引起的ISI的限制，不能提供高速的数据传输速率。由于单载波系统的种种限制，再加上DSP技术和微电子技术的发展，人们开始对OFDM技术在有线和无线通信巾的应用产，上浓厚兴趣，掀起了一。股研讨0FDM的高潮。3，2OFDM原理OFDM系统的基本原理是将需要传输的串行高速数据流分成N个并行的低速子数据流，每个子数据流调制到不周的子载波上J二J时传输。通过设定子载波的频率间隔，使子载波之间相互正交，这样就允许各个子载波的频谱重叠，更有效地利用频率资源。同时，在时域的每个OFDM符号持续时间相对于同速率下的单载波系统的要长得多，于是抗多径衰落性能也比单载波系统提高很多。另外，OFD符号中还引入的保护问隔能有效的克服多径信道的延时扩展，消除码问干扰，因此消除了采用复杂均衡器的必要。OFDM系统作为一种特殊的多载波系统，其等效低通信号也可以表示为一组并行传输的载波调制信号一L十JF。氍，一月LC，31一女O但是其特殊之处在于它的各个子载波的选择，南京邮电学院砸T学位论文第三章0FDM系统及同步技术引归R【0，L其它32X是在第N个OFDM符号的第K个子载波上传输的样值，N是OFDM系统的子载波数，瓦表示第N个OFDM符号，瓦为OFDM符号间隔，也就是每个子载波上传输的单个符号的持续时间，是第K个子载波的频率，C寺K0N一1，五是最低的予载波频率。这种子载波频率的设定保证了各个子载波在长度为L的时域区间上的正交性J59，GO廊RE2硼E川瑚础FE口”百出L6卜H33L广毒吣姗肛“T134匕。为接收端解调后第N个OFDM符号的第K个子载波上样值。33OFDM信号的频谱OFDM由于采用了正交的子载波，允许频谱重叠，因此提高了频谱利用率。如果不使用正交载波，则相邻子频段的频谱是不允许重叠的，子频段之间还要加保护间隔，频谱利用率低；为尽量增加予频段的数目，同时减小相邻频段之间的干扰，每个频段的射频通道需要使用频率特性非常陡峭的滤波器。下图为0FDM信号的频谱与FDM信号的频谱比较。假定系统传送速率为RBITS的BPSK信号，OFDM符号波形为矩形，只考虑频谱主瓣。如图所示，OFDM系统所用的主瓣带宽为W。N1T。，而传输速率RNT”这里T为OFDMFDM时域符号的长度，1T，为0FDM子载波间隔。而对于FDM系统，为保证接收端24南京邮电学院颀卜掌位论文第三章OFDM系统及同步技术OFDM频谱图FDM频谱圈图31频谱图的比较可以正确区分各个子载波，FDM子载波的主瓣不能重叠，所以FDM的信号主瓣带宽至少为W。2NR，此时传输速率为RNT。因此当N趋向于无穷大时，FDM系统的所