IEEE802.11ah 物理层链路性能仿真研究

1、IEEE802.11ah 物理层链路性能仿真研究学 生： 学 号： 指导老师： 专 业： 完成年月： 目录53摘要3Abstract4第一章 绪论51.1 无线局域网的发展与现状51.2 无线局域网频段选择51.3 课题研究目的、方法及意义6第二章 IEEE802.11ah 物理层规范72.1 802.11 物理层概述72.2 802.11ah 应用案例82.3 802.11ah 新增技术82.4 信道特点102.4.1 典型信道模型102.4.2 信道分布112.4.3 信道传输规范122.5 S1G PLCP 子层技术规范122.5.1 >=2 MHz 模式下的物理层132.5.2

2、1 MHz 模式下的物理层162.5.3 空间多路复用182.5.4 子载波规划18第三章 IEEE802.11ah 的 OFDM 关键技术193.1 OFDM 概述193.2 OFDM 的基本原理模型193.3 OFDM 的 FFT/IFFT 实现203.3 802.11ah 的 OFDM 基带收发原理213.3.1 基带发射机213.3.2 基带接收机同步253.3.3 基带接收机均衡与解调26第四章 IEEE802.11ah 物理层仿真平台274.1 Simulink 简介及其在通信领域中的应用274.1.1 MATLAB/Simulink 概述274.1.2 使用 SIMULINK 进

3、行 11ah 基带系统设计274.2 GUI 界面制作294.3 信道模型及工作频段对系统影响的仿真分析314.3.1 瑞利信道模型仿真314.3.2 BER 误差原因分析334.4 调制编码方式对系统影响的仿真分析334.4.1 调制方式对系统传输性能的影响334.4.2 编码方式对系统传输性能的影响344.5 链路预算354.5.1 两种典型的路径损耗模型364.5.2 预算及结果分析37第五章 总结与展望41英文文献42英文文献翻译中文47致谢51参考文献52摘要IEEE802.11 系列标准及 WIFI 技术作为一种低成本无线近距离接入手段，被广泛应用在教育科研和医疗卫生等领域。目前，

4、IEEE802.11ah 工作组开始考虑利用 900MHz 等 1GHz以下频段，进行 WIFI 技术的扩展研究。该技术旨在利用低频段实现较长距离传输，可广泛应用于电力、仪表等特种行业。论文结合正在制定的 IEEE802.11ah 标准在物理层进行理论调研。在了解其物理层技术规范的基础上，使用 MATLAB 的 GUI 及 Simulink 平台搭建 OFDM 物理层链路传输系统， 结合链路预算，对链路性能进行理论分析和评估，全面验证其传输距离长、可靠性高等优越性能。为后续紧跟 WIFI 最新标准的制定，做好技术准备。其中，仿真链路主要包括扰码、卷积编码、交织、星座映射、IFFT、插前导和循环

5、前缀、瑞利信道、信道估计与均衡等功能模块。重点测试了 1MHz/32FFT 模式下，信道模型、工作频段及调制编码方式对链路性能的影响。关键词：IEEE802.11ah，OFDM，物理层，Simulink，性能评估AbstractAs a means of low-cost and short-distance wireless access, IEEE802.11 standard and WIFI technologies have been widely used in fields of education and scientific and health research. At p

6、resent, the task group IEEE802.11ah began to consider using frequency bands below 1GHZ, such as 900MHz, to extend studies on WIFI technology. The technology is designed to use the lower frequency band for longer distances, which can be widely applied to power, instruments and other special industrie

7、s.The article does theoretical research on physical layer technologies of IEEE802.11ah criterion under discussion. On the basis of its specification, an OFDM link transmission system has been built on Simulink and GUI of MATLAB platform. Combined with the link budget, the performance can be analyzed

8、 and assessed, which fully validates its superior performance including long transmission distance and high reliability. It makes technical preparations for the subsequent development of keeping up with the latest WIFI standards.Besides, the simulation link includes modules such as scrambler, Convol

9、utional coding, interleaving, constellation mapping, IFFT, preamble and cyclic prefix adding, Rayleigh fading channel, channel estimation and equalization. And different effects on link performance occur under different channel models, frequencies and modulation and coding in 1MHz/32FFT mode.Key wor

10、ds: IEEE802.11ah, physical layer, Simulink, performance evaluation第一章 绪论1.1 无线局域网的发展与现状无线局域网是利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质连接形式的网络。它是对有线连网方式的一种补充和扩展，具有安装简易、灵活性高、容易维护、易于扩展等优势1。IEEE802.11 系列标准及 WIFI 技术中作为一种低成本的无线近距离接入手段，已经越来越为市场所广泛接受。WIFI 技术历经十余年的研究，目前仍然在向前发展中，满足不断增长的带宽需要。IEEE 802.11 工作组研究和标准化了完整的 WIFI 技术体系

11、，涵盖物理层核心标准、频谱资源管理、视频车载应用等多方面的一系列标准。图 1 WIFI 标准的演进过程目前，IEEE802.11 工作组开始考虑利用 1GHz 以下的频谱，进行 WIFI 技术的扩展研究，标准化项目是 IEEE802.11ah。该项目在 802.11ac 和 802.11n 基础上演进而成，是正在制定的新一代无线局域网标准，有望成为 WLAN 主流技术之一。1.2 无线局域网频段选择ISM(Industrial Scientific Medical)频段，是由 ITU-R （ITU Radio Communication Sector， 国际通信联盟无线电通信局）定义的。此频段

12、主要是开放给工业，科学、医学这三个主要机构使用，属于 Free License，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率(一般低于 1W)， 并且不对其它频段造成干扰即可。常用的 ISM 频段如下：表 1 常用 ISM 频段分布频率范围（Hz）中心频率（Hz）可行性6.7656.795 MHz6.780 MHz取决于当地13.55313.567 MHz13.560 MHz26.95727.283 MHz27.120 MHz40.6640.70 MHz40.68 MHz433.05434.79 MHz433.92 MHz902928 MHz915 MHz Region 2 only2.4002.5

13、00 GHz2.450 GHz5.7255.875 GHz5.800 GHz2424.25 GHz24.125 GHz6161.5 GHz61.25 GHz取决于当地122123 GHz122.5 GHz取决于当地244246 GHz245 GHz目前，无线局域网一般选用 ISM 2.4 GHz 和 5 GHz 等作为工作频段。ISM 2.4 GHz 频段的优势是不需付费，在室内环境中抗衰减能力强，劣势是许多设备用的都是 2.4 GHz，所以干扰很多，不能保障足够的稳定性。而 5 GHz 频段最大的优势是目前应用较少，很多国家都是需要申请许可的，所以干扰非常小，能保障传输的质量；但是缺点也很明

14、显，其传输距离较短，室内的抗衰减能力弱。为进一步延伸传输距离、提高稳定性，IEEE802.11ah 工作组开始考虑扩展工作频段， 利用 1GHz 以下频段（即 S1G 频段）实现远距离稳定数据传输。1.3 课题研究目的、方法及意义IEEE802.11ah 旨在利用 900MHz 频带等 1GHz 以下的频段实现无线局域网传输2，所以具有传输距离较长、可靠性较高等优势，可广泛应用于电力、仪表等特种行业。论文结合正在制定的 IEEE802.11ah 标准技术规范在物理层进行理论调研，总结提炼出其在 IEEE802.11 基础上的技术演进，并借助 MATLAB 的 Simulink 平台搭建 OFD

15、M 物理层链路传输系统，进一步验证调制编码方式、信道模型及工作频段对传输性能的影响。面对物联网、智能电网等应用在扩展传输距离、降低速率、增多支持站点等多方面的需求，IEEE802.11ah 技术标准应运而生。目前该技术研究处在刚刚开始的阶段。对该课题的研究有助于了解国际标准化相关工作和掌握无线通信物理层基本技术，这为以后紧跟标准制定、提出可行性方案等相关工作奠定基础。第二章 IEEE802.11ah 物理层规范2.1 802.11 物理层概述IEEE802.11 系列标准主要规范了 MAC 层及物理层的各项技术指标3。MAC 层主要作用：为用户在不可靠媒介上提供可靠的数据传输。它有两种访问机制

16、， 一种是基于竞争的访问机制，也称分布式协调功能 DCF(Distribution Coordination Function)； 另一种是基于集中控制的访问机制，也称集中协调功能 PCF(Point Coordination Function)。物理层作用：为设备间的数据通信提供传输媒体及互连设备，并为数据传输提供可靠的环境。物理层被分成两个子层：物理层汇聚过程子层（PLCP）和物理媒体相关子层（PMD）。PLCP 功能：结合来自 MAC 层的帧与空中所传输的无线电波，同时在帧头添加标头。PMD 功能：将 PLCP 传来的每个位利用天线传送至空中。表 2 几种常见的物理层技术对比4物理层技术

17、工作频段提供速率信道颁发时间802.11DSSS 、FHSS2.4GHz1Mbps,2Mbps3 个 2.4 GHz 互不重叠频带1997802.11aOFDM5.8GHz6, 9, 12, 18, 24, 36,48 和 54 MbpsUNII 频道内的 12个 5 GHz 互不重叠频带1999802.11bHR/DSS S2.4GHz1,2,5.5,11Mbps3 个 2.4 GHz 互不重叠频带1999802.11gOFDM2.4GHz6, 9, 12, 18, 24, 36,48 和 54 Mbps3 个 2.4 GHz 互不重叠频带2003802.11nMIMO、OFDM2.4GHz

18、/5GHz1,2,5.5,6,9,11,12,18,24,36,48 和54 Mbps两种2009由上表可知，无线局域网正朝着更高带宽和更高移动性的方向发展。物理层关键技术是 OFDM 和 MIMO 技术。2.2 802.11ah 应用案例下表显示了已经被 IEEE802.11ah 工作组通过的应用案例5：表 3 802.11ah 应用案例Use caseDCN1Sub 1GHz Smart Grid172Sub 1GHz Intelligent Transport Systems (ITS)173Outdoor Sub 1GHz Surveillance System174Indoor Su

19、b 1GHz Surveillance System175Indoor Sub 1GHz Home Entertainment System176Indoor Sub 1GHz Healthcare System177Healthcare/Fitness2418Home/Building Automation/Control2419Supplemental Use Cases in Industrial Apps1410Temperature Sensor Network24211Outdoor Extended Range Hotspot24312Outdoor Wi-Fi for cell

20、ular traffic offloading24413Outdoor Environmental/Agricultural Monitoring25314Industrial Process Automation26015Electric Menu & Coupon Distribution26816Indoor and Outdoor Location26817AP Power Saving in Smart Grid273IEEE802.11ah 主要应用在智能电网、智能运输系统、检测系统等场景中。相比 WIFI 技术，它的主要特点是传输距离较远（至少 1km）；传输速率较低（大

21、于 100kbps 即可）；较长的电池使用寿命（至少 1 年）；支持终端数较多（一般为 6000 个以上）；能维持 WLAN固定、户外或者点对多点等应用的用户体验，因而常被称为 WIFI 的扩展。2.3 802.11ah 新增技术IEEE802.11ah 修正案定义了工作在 1 GHz 以下的免许可频段的 OFDM 物理层，增强了 802.11MAC 层，使之与物理层相匹配。同时，它还提供了和其他系统（包括 IEEE 802.15.4 和 IEEE P802.15.4g）的共存机制 2。本节主要讨论物理层技术细则。面对传感网、智能电网等应用的不断普及，对扩展传输距离、支持更多站点同时工作、无需

22、传输很大数据包等方面的需求日益紧迫。针对这些需求，IEEE802.11ah 工作组在物理层做了如下技术改进，从而在传输距离和数据流量之间寻找新的权衡。（1）OFDM 符号重复排列体制主要目的：扩展覆盖范围。智能运输系统、监视系统等应用中对扩展无线数据传输距离提出新的要求，希望达到1km 以上覆盖范围。针对此需求，标准提出了 OFDM 符号重复排列体制。这有利于提高发送功率增益和接收分集增益。主要包括 2 倍和 4 倍两种重复传输模式。（2）使用 S1G 低频段主要目的：满足 100kbps 低速率传输要求。无线传感网中不需要传送很大的数据包，对传输速率没有很高的要求，因而 802.11ah 工

23、作组对 802.11ac 物理层技术规范进行降低时钟处理（降低 10 倍）。但传输速率的下降使得前导中训练序列的开销增加。为此，需要进一步缩短防护时间 SGI（比如由 800ns 降为400ns）和帧间间隔（Slot time = 45us SIFS time = 80us DIFS time = 170us）。（3）MIMO 技术主要目的：支持 6000 个左右的站点同时工作。医疗保健系统、物联网等应用中希望支持的 6000 个左右的站点同时工作，这相比于WIFI 中支持的 2700 个站点有所增加。为此，标准采用增加空间流（不超过 4 个）的方式来扩展网络容量。同时，PLCP 帧格式也要做

24、相应的变更。（4）增强型调制编码方式 JCMD 主要目的：扩展覆盖范围、节能。JCMD 是一种旋转调制方式，可显著提升信噪比，它联合了信道编码的时域分集、MIMO 技术的空间分集和 OFDM 的频域分集。这意味着，系统可以具有更低的发送功率和更广的覆盖范围。此外，标准还定义了 256QAM 这种更高效的可选调制方式。（5）DFTS-OFDM主要目的：降低峰均比，节能。这种调制方式具有比 OFDM 更低的峰均比（PAPR），更优的误码性能，输出退避较小时具有较少的相邻信道能量泄露。这是一个可选功能，只可应用在数据域。2.4 信道特点信道特性主要由以下参数决定：路径损耗、阴影、时延弥散、角分散、多

25、普勒效应等。由于 11ah 的信道特点和干扰显著不同、路径损耗随频率变化、阴影和镜面反射影响不同、时延扩展有很大不同、900MHz 频段的部署方案不同。基于以上原因，IEEE802.11ah 工作组提出了新的典型信道模型。2.4.1 典型信道模型（1）室外信道模型：基于 3GPP 和 3GPP2 信道模型1 简单 SISO（单入单出）多径信道模型步行 A，步行 B，车载 A 和典型都市 4 种模型作用：用来评估和选择基础物理层特性及参数，比如前导域值、OFDM 参数、编码调制方式等。2 空间信道模型 SCM (Spatial Channel Models)作用：用于评估 11ah 物理层链路性

26、能。两种常用的仿真场景：1. 所有信道以 3km/h 速度传输的空间信道模型。2. 第四个信道以 60km/h 速度传输，而其余信道以 0km/h 传输的空间信道模型。（2）室内信道模型：基于 802.11n 的 MIMO 信道模型æ d öQPL(d )dB =PL(d 0 )dB + 10n log10 ç÷ + å X q ,for d³ d 0其中：14243PL at referencedistanceèd 0 ø1442443PL exponent atrelative distance, dq = 1

27、PL(d0) 是在参考距离 d0 时的路径损耗；Xq 是指因具体障碍物 q 产生的额外衰减，在多楼层场景下这可被视作楼层障碍物因素FAF（floor attenuation factor）；Xs 是对数模式下的阴影衰落通常按 Xs dB=N(0, sS)分布, Xs表示标准差为sS， 以 dB 为单位的零均值高斯随机变量。2.4.2 信道分布表 4RMS 时延扩展参数室外场景RMS DS(ns)室内场景RMSDS(ns)SCM UMi250TGn A0SCM SMa170TGn B15SCMUMa650TGn C30TGn D50TGn E100TGn F150IEEE802.11ah 在中国

28、的信道分布如图 2 所示6，各国工作频段分布如图 3 所示：图 2 IEEE802.11ah 规定的中国使用频段图 3 IEEE802.11ah 各国工作频段规定2.4.3 信道传输规范11ah 草案中的规范应支持的 1 MHz 传输规范如下：在 2 MHz 的基站子系统中，1 MHz 波形只允许放在低频段。在 4/8/16 MHz 的基站子系统中，当主要的 2MHz 位于整体频段的低端，则 1MHz 波形只允许放在 2MHz 主信道的高频段；当主要的 2MHz 位于整体频段的高端，则 1MHz 波形只允许放在 2MHz 主信道的低频段；当主要的 2MHz 位于整体频段的中间，则 1MHz 波

29、形位置待定。2.5 S1G PLCP 子层技术规范IEEE802.11ah 工作在 S1G 频段，其帧时隙如图 4 所示，其中 STF 和 LTF 域主要实现系统同步、信道估计、频偏估计、自适应控制（AGC）等功能，SIG 域则主要定义了调制编码方式、数据长度、传输速率等。图 4 S1G PLCP 帧格式2.5.1 >=2 MHz 模式下的物理层2.5.1.1 采用短前导单用户开环数据包的一般结构与 802.11n 标准中的 green field 前导类似，具体如图 5所示:图 5 >=2 MHz 模式的短前导帧格式各域定义如下：STF 域使用与 802.11n 中相同的子载波设

30、计。在每个 2 MHz 频段，STF 占用 12 个非零子载波 ±4 ±8 ±12 ±16 ±20 ±24 。非零子载波通过 P 矩阵的第一列映射为时空流，与 11n GF preamble 采用同样的方式。𝑆𝑇𝐹𝑘𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄𝑘 𝐷(𝑘) 𝑃1𝑥𝑘𝐶𝑆⻒

31、3;𝑄𝑘：第 k 个子载波上，大小为𝑁𝑇𝑋 × 𝑁𝑆𝑇𝑆的空间映射矩阵。𝐶𝑆𝐷𝐷(𝑘) ：第 k 和子载波上，大小为𝑁𝑇𝑋 × 𝑁𝑆𝑇𝑆的对角 CSD 相移矩阵。𝑥𝑘：第 k 个子载波上的非零 STF 值。LTF

32、 域将>= 2MHz PPDUs 的 LTF 域定义成与 11ac 中相同 FFT 大小的 VHTLTF 符号一致。这也适用于长前导帧格式的 LTF1 和 D-LTFs 域。和11n green field preamble 中的一样，在 LTF 的数据载波上，N𝑆𝑇𝑆个时空流利用矩阵P，映射成N𝐿𝑇𝐹个 LTF。𝐿𝑇𝐹1𝑘, 𝐿𝑇𝐹2𝑘, , 𝐿&#

33、119879;𝐹𝑁𝐿𝑇𝐹_𝑘= 𝑄𝑘𝐷(𝑘) 𝑃𝑁×𝑁𝑠𝑘𝑁𝑇𝑋×𝑁𝐿𝑇𝐹𝐶𝑆𝐷𝑆𝑇𝑆𝐿𝑇w

34、865;11114×4𝑃= | 1111 |11111111𝑠𝑘：第 k 个子载波上的 LTF 导频符号，值为 1 或-1。SIG 域SIG 域由 2 个符号组成，和 11n GF preamble 一致，采用 PSK 调制方式。𝐶𝑆𝐷48 个数据子载波占据 2 MHz 子频段的 -26:26，采用 1n/11ac MCS0 调制方式。和 11n GF preamble 一致，数据子载波利用矩阵 P 的第一列被映射到多时空流。𝑆𝐼𝐺w

35、896;𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄𝑘𝐷(𝑘) 𝑃1𝑑𝑘2.5.1.2 采用长前导长前导结构使用“混合模式”，此帧格式可用于多用户和 SUBF 。Omni 部分图 6 >=2 MHz 模式的长前导帧格式SIGA 域有 48 个子载波，占据-26:26。STF/LTF1/SIG 域在每个子载波应用单流。𝑥𝑘𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄&#

36、119896; 𝑁𝑇𝑋×1𝑑𝑘𝑄𝑘：包含时域 CSD 中第 k 个子载波上的相移。SIG 子域定义有别于短前导，且 SIG 域的两个符号分别采用 QBPSK 和 BPSK 调制。Data 部分D-STF 和降低时钟的 11ac VHT-STF 一样。D-STF, D-LTFs 和 SIGB 采用与 11ac 多用户包一致的调制方式。所有的用户最多使用4 个时空流。2.5.1.2 长、短前导的自动检测对于>=2MHz 长、短前导数据包，第一个 SIG 符号常采用 QBP

37、SK 调制，常用于检测1MHz 和 2MHz 前导。第二个 SIG 符号用于检测长、短前导。图 7 长、短前导和 1MHz/2MHz 的自动检测4/8/16 MHz 帧格式对于 4MHz, 8MHz, and 16MHz 数据包，STF/LTF/SIG 域的设计和 11ac 40/80/160MHz类似。每个 2MHz 子频段 STF/SIG 域需进行重复和相位旋转。>=2MHz 的 SIGB 域内容如表 5 所示：表 52MHz SIGB (长前导)BW (MHz)24816MCS4444Tail6666CRC8888Reserved891111Total26272929>=2M

38、Hz 的 SIG 域内容如表 6 所示：表 6 2MHz SIGASUMULength/ Duration99MCS4BW22Aggregation1STBC11Coding25SGI11GID6Nsts28PAID9Ack Indication22Reserved54CRC44Tail66Total48482.5.2 1 MHz 模式下的物理层对于 32 FFT 变换，802.11ah 技术参数应使用如下 STF 和 LTF 序列：STF 序列Tone index=-12-8 -44 8 12Values: 0.5, -1, 1, -1, -1, -0.5×(1+j) ×

39、 其中 是归一化因数 = 2.4 ，对于 MCS0 rep21.7，其他LTF 序列子载波索引为-16 -15 -14 . -1 0 1 . 14 15=0 0 0 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 0 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 0 0对于 1MHz 单用户开环包，802.11ah 草案规范应有通用前导结构如图 9 所示：图 9 1MHz 模式的前导帧格式802.11ah 草案规定 1MHz SIG 域采用 BPSK-rate ½ -rep 2 调制方式，且不支持多用户， 具体内容如表 7 所示：表 7 1MHz

40、模式下 SIG 域内容表述SIG FieldBitsCommentsSTBC1Same as in 11acNum SS2Number of spatial streams for SUSGI1Short Guard IntervalCoding21st bit is coding type (LDPC/BCC), 2nd bit is for LDPC Nsym ambiguityMCS4MCSAggregation bit1Signals use of AMPDULength9Length field (in symbols when aggregation is ON, is in by

41、tes when aggregation is OFF, Mandate AMPDU for packet sizes > 511 bytesAck Indication200: Ack; 01: BA; 10: No Ack; 11: reserved refer to R.3.2.1.CReserved4 (TBD)Some possible uses are MAC bitsor any other new features etc. Details TBDCRC44 bits ofCRC should be enoughTail6 (TBD)Tail-biting can be

42、exploredTotal362.5.3 空间多路复用数据 PPDU 传输过程中的时空流的最大数目 NSTS4。在任何 IEEE802.11ah 中，短保护间隔 GI 始于第二个数据符号，第一个数据符号为长保护间隔。2.5.4 子载波规划>= 2MHz 物理层与 11ac 中相应大小的 FFT 具有相同的载波规划。1 MHz 物理层的子载波分配如下：24 个数据子载波，序号+/-7 处有 2 个导频子载波，防护子载波在左边有 3 个，右边有2 个，和 1 个直流子载波。图 10 1 MHz 物理层子载波分配第三章 IEEE802.11ah 的 OFDM 关键技术3.1 OFDM 概述OF

43、DM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术经常被我们称为正交多载波调制技术，可以实现移动信道中高速、高质量传输数据，在宽带领域具有极大的应用潜力。OFDM 由大量在频率上等间隔的子载波构成（设共有 N 个子载波），各载波可用同一种数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法，将高速串行数据分成多路并行的低速数据加以调制。所以 OFDM 实际上是一种并行调制方案，将符号周期延长 N 倍，从而提高了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的频分复用中，各载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。而在 OFDM 系统中，各于载波在整个符号周期上是

44、正交的即加于符号周期上的任何两个载被的乘积等于零，因此各于载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。由于 OFDM 系统中的载波数量多达几百上千，所以在实际应用中不可能使用几百个振荡器和锁相环进行调制。因此，提出了用离散傅里叶变换（DFT）实现 OFDM 的方法。随着数字信号处理技术(DSP)的飞速发展，采用快速傅里叶变换 FFT，利用现有的高速数字信号处理芯片实现 OFDM 的调制与解调，非常方便，又可大大降低系统成本。3.2 OFDM 的基本原理模型OFDM 的基本原理就是把串行的数据流分解成若干个数据速率低得多的并行子数据流，每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波，最后把各个子载

45、波上的信号叠加合成一起输出。OFDM 系统的基本原理如图 11 所示：图 11 OFDM 系统的基本原理图从上图可以看出，OFDM 的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换成 N 路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换便输出原始数据。3.3 OFDM 的 FFT/IFFT 实现从上面对 OFDM 基本原理的论述可以看出：其实现的根本思想是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，实现的关键点是保证各个子载波之间的正交性。串并变换是很容易实现的，而正交性是如何实现的呢?下面先看看 OFDM

46、信号的表达式。N1is(t) = diej2T(tts)i=0ts t ts + T在上式中令ts = 0，对信号s(t)以 TN 的速率进行采样即令 t=kTN(k=0，1,2 N-1)，可以得到：N1j2ikSk = dieNi=00 k N 1可以看到Sk可以看作对di进行离散傅立叶反变换 1DFT 运算。同样在接收端为了恢复出原始的数据符号di，对Sk进行反变换，即进行离散傅立叶变换 DFT 得到：N1j2ikdj = SkeN k=00 i N 1根据以上的分析可以看出，OFDM 系统的调制和解调可以分别由 IDFTDFT 完成。通过 N 点 IDFT 运算，把频域数据符号di变成时

47、域数据符号Sk，经过射频载波调制之后， 发送到无线信道中。其中，每一个 IDFT 输出的数据符号Sk都是由所有子载波信号经过叠加而生成，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。这样通过 DFT 的方法来实现 OFDM 有很大的好处，它大大简化了调制解调器的设计，使用 IDFTDFT 便可完成了多路子载波的调制和解调，而且 IDFTDFT 早就有了成熟的快速算法 IFFT FFT，它可以方便的在 DSP 芯片中实现。图 12 OFDM 信号正交性的时域表示这种正交性也可从频域得到更直观的体现。因为每个 OFDM 符号包含了多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为 T 的矩形脉

48、冲的频谱与各个子载波的脉冲响应函数t 的卷积，图 显示了 OFDM 信号频谱中各个子信道频谱的情况其中每个子信道的频谱为Sinc 函数，它在中心频率处有最大值，在 1/T 的整数倍频率上的值为零7。这样，在每个子载波的频谱最大值处所有其他子载波为零，在解调时，需要计算各个于载波频谱的最大值， 只要保证各个子载波的频率没有偏移，就可以准确的解调出每个子信道上的数据而不受其他子信道的影响。图 13 OFDM 信号正交性的频域表示在 OFDM 信号频谱中，由于各个子信道频谱相互重叠，OFDM 信号的带宽是进行一般频分复用信号带宽的一半即频谱利用率提高了一倍。这是 OFDM 给我们带来的最大好处之一口

49、8。3.3 802.11ah 的 OFDM 基带收发原理3.3.1 基带发射机IEEE802.11ah 物理层相比于 802.11a 物理层发送端模块的变化：1. 根据是否采用 repetition 机制决定是否增加 2x block-wise repetition 模块。2. 根据是否采用NSS 空间流决定是否增加 stream parser 模块。3. 根据是否要增强传输稳定性增加 STBC & spatial mapping 模块。3.3.1.1 rep2 模式下的发射机来自MAC层的待发信号PilotsymbolsSTF LTFInterleaver2x block-wise

50、repetitionEncode & punctuationScramble并转串Windowing GI&IFFT串转并D/ A BPSKmapper图 14 1MHz 802.11ah OFDM 发射机框图802.11ah 技术规范应采用 MCS0 rep2 作为 1 MHz 的最低传送速率，此时 NSS=1。发射机各模块功能详述（1） Scramble 模块功能：不增加冗余，使信号具有白噪声统计特性，防止出现长时间的连0或连1，影 响后级的编码性能。原理：生成矩阵：S(x) = x7 + x4 + 1图 15 扰码模块原理图（2） Encode & punctua

51、tion 模块功能：以最少的监督码元为代价，换取最大程度的可靠性提高。原理：图 16 1/2 卷积编码器原理图1/2 卷积编码采用下面两种生成矩阵：g0 = 1338 g1 = 1718，删余后得到指定速率。（3）2x block-wise repetition 模块“2x block-wise repetition”模块针对每个 OFDM 符号执行。Cout = C1.C2NDBPS , C1.C2NDBPS ，其中C1.C2NDBPS是前向纠错编码输出比特位的每个符号。（4） Interleaving 模块功能：按照一定的算法将数据流中的位打乱，避免由于噪声引发的错误 bit 过于集中，

52、以降低误码率（PER 得到很大改善）；而分散的错误 bit，将可以由 FEC 解码器纠正。原理：第一级：相邻比特 映射到 不相邻子载波上按行写入，按列读取。第二级：相邻比特 映射到 星座图重要和次要的星座点上。（5） Mapper 模块功能：将经过位交错的空间流，按照指定的调制方式（QAM-64 等）映射为星座图上的点。点采用复数表示，即将一个空间流转换为 I、Q 两路基带信号。原理：一串数据 映射成 由实部和虚部组成的两串数据。注意点：为使所有映射点具有相同的平均功率，分别乘以归一化系数（6）插导频模块功能：对参考相位进行跟踪 OFDM 符号的导频符号需要改变极性（7）IFFT 模块功能：将

53、经过映射的星座点变换为时域波形。（8）加循环前缀&加窗功能：对抗 ISI/ICI&通过特定的滤波器，使符号的边沿变得平滑，从而使信号的频谱集中于规定的范围内。加快符号带外衰减，抑制旁瓣。原理：连续：Tg > max（信道最大多径时延扩展）g离散：L > NmaxT3.3.1.2 非重复模式下的发射机11ah 常规发射机框图采用非重复的调制编码方式，如图 17 所示。图 17 非重复模式发送原理框图新增功能模块详述（1）编码分配器将经过扰码的串行数据流分解为 N_ES（Number of FEC encoders ）个数据流，输出到N_ES 个 FEC 编码器中。分配

54、的算法为 Round Robin 算法。（2）流分配器收集 FEC 编码器的输出分解为 NES 个数据流（先分组、后以 Round Robin 算法分配），进入 NES (Number of spatial streams，由 MSC 表决定)个交织器。输入 N_SS 交织器的数据流即被称为“空间流”， NES in the MCSs of 2/4/8/16MHz 和 11ac 的相同。（3） STBC 编码器各映射器输出的星座点由 STBC 编码器编码，将空间流 SS 转化为空时流 STS，是一种增强传输稳定性的编码方式。（4） Cyclic shift (CSD) insertionpre

55、vents unintentional beam-forming.（5）空间流映射器将空时流映射到发送链路（与一个控制矩阵相乘）。3.3.2 基带接收机同步基带接收机的同步主要包括以下 3 种：1) 定时同步2) 载波频率同步：粗同步、细同步3) 采样时钟同步表 8 基带接收机同步功能块功能模块功能原理备注分组检测监测信道有无新数据到达延时相关加长度保持算法利用训练信息完成载波同步保证子载波间的正交性短/长训练符号 估算频差：625kHz 和156.2 kHz符号同步对单个 OFDM 符号开始/结束的精准定时相关运算：连续监测9 个峰值采样频率同步补偿收发 A/D 晶振的差异利用导频完成剩余相

56、位跟踪补偿载频残余偏差引起的相位偏移（星座图旋转）数据辅助法3.3.3 基带接收机均衡与解调A/DOFDM 基带接收机相当于发送机的逆过程，具体实现框图如下：串转并FFTDe- scrambleViterbi decodeDe- interleaveDe- mapping信道估计并转串图 18OFDM 基带接收机框图重要模块简介：1) 频域信道估计域均衡作用是：消除子载波引入的相位旋转。主要步骤如下：a) 提取 LTSb) 𝐻 = 𝑅𝑅𝐿𝑇𝑆 × 𝐿𝐿𝑇𝑆c) 𝑅 = 𝑅 × 𝐻2) 解调a) 复数信号𝑅 映射为 二进制比特流b) 𝐸𝑅𝐿𝑇𝑆 = &