WIMAX物理层OFDM技术的研究

本本 科科 生生 毕毕 业业 论论 文文WIMAX 物理层物理层 OFDM 技术的研究技术的研究 院 系： 信息科学与技术学院电子系 专 业： 通信工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： （职 称）iWIMAX 物理层物理层 OFDM 技术的研究技术的研究 摘要随着人们对宽带无线通信需求量的不断增加，无线宽带通信必将向更高速率、更大覆盖范围、更好的移动性方向发展，而 WiMAX 技术的出现正好满足了人们对于无线 Internet 的需求。WiMAX 的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，是一种新兴的无线城域网技术。如果说无线局域网技术解决了“最后一百米”的接入问题，那么WiMAX 技术则是“最后一公里”接入的最佳解决方案。WiMAX 物理层分成三种结构：单载波 PHY, OFDM PHY 和 OFDMA PHY。本文主要研究 OFDM PHY。结合 IEEE802.16-2004 标准阐述了 OFDM PHY 的结构，并且设计了一个简单的 OFDM 接收机方案：包括帧起始同步、频偏估计和信道估计。除此之外，本文还研究了自适应技术在 OFDM 物理层中的应用，分析了一种灵活的比特和功率分配算法，并对其进行了仿真。仿真结果表明，本文所提算法能够很好的提高系统的性能。关键字：WiMAX, IEEE802.16, OFDM, ,自适应比特和功率分配自适应比特和功率分配iiAbstractAs the demand of wireless communication is increasing , the wireless broadband communication necessarily develops to the goals of higher rate ,wider ranging , better mobility，and the appearance of the WiMAX technology satisfies the peoples requirement of wireless Internet. WiMAX means worldwide interoperability for microwave access , it is a new Wireless Metropolitan Area Network(WMAN) technology. WLAN resolve the problem of last one hundred access , then WiMAX will be the best scheme of last one kilometer access.WiMAX PHY contains three kinds of structures : single carrier PHY, OFDM PHY, and OFDMA PHY. We analysis the structure of OFDM PHY combining with the IEEE802.16-2004 criteria ,and design a simple OFDM receiver with the component of frame start synchronizer , frequency windage estimation and channel estimation .In this article , we study the application of Adaptive technology in the OFDM PHY, meanwhile, we also analysis a agility algorithm of bit and power allocation ,and we finally simulate this algorithm.Keywords: WiMAX, IEEE802.16, OFDM, ,Adaptive Bit and Power Allocationiii目录目录第第 1 章章 绪论绪论.- 1 -1.1 无线通信系统发展无线通信系统发展 .- 1 -1.2 WIMAX 技术技术 .- 2 -1.2.1 IEEE802.16 无线接入标准无线接入标准1.- 2 -1.2.2 WiMAX 联盟联盟.- 4 -1.2.3 物理层关键技术物理层关键技术1.- 4 -1.3 OFDM 技术技术.- 5 -1.4 本文的结构安排本文的结构安排.- 6 -第第 2 章章 OFDM 系统的信道研究系统的信道研究.- 8 -2.1 信道模型信道模型 .- 8 -2.2 信道编码信道编码1.- 10 -2.2.1 扰码扰码.- 10 -2.2.2 前向纠错前向纠错 FEC.- 11 -2.2.3 交织交织.- 12 -第第 3 章章 OFDM 系统的研究系统的研究.- 14 -3.1 OFDM 原理原理 .- 14 -3.2 OFDM 的同步的同步8.- 17 -3.2.1 帧起始同步帧起始同步.- 17 -3.2.2 载波频偏估计载波频偏估计.- 18 -3.3 OFDM 接收机的设计接收机的设计9.- 19 -3.3.1 LS 估计算法估计算法.- 20 -3.3.2 LMMSE 估计算法估计算法.- 21 -第第 4 章章 自适应技术的应用自适应技术的应用.- 24 -4.1 基本算法基本算法.- 25 -4.1.1 基于信道容量最大化的优化基于信道容量最大化的优化.- 25 -4.1.2 基于发射功率最小化的优化基于发射功率最小化的优化.- 27 -4.1.3 基于误码率最小化的优化准则基于误码率最小化的优化准则.- 29 -4.2 一种灵活的比特和功率分配算法一种灵活的比特和功率分配算法.- 33 -4.2.1 算法分析算法分析.- 33 -4.2.2 算法仿真算法仿真.- 36 -4.3 本章小结本章小结 .- 37 -第第 5 章章 结论结论.- 38 -致谢致谢.- 39 -参考文献参考文献.- 40 -附表一、毕业论文开题报告附表一、毕业论文开题报告.- 41 -iv附表二、毕业论文过程检查情况记录表附表二、毕业论文过程检查情况记录表.- 42 -附表三、毕业论文答辩情况附表三、毕业论文答辩情况.- 43 - 1 -第第 1 章章 绪论绪论1.1 无线通信系统发展无线通信系统发展无线通信是当前发展最快、应用最广和最前沿的通信领域之一，它的最终目标是实现任何人(Whoever)在任何时间(Whenever)、任何地点(Wherever)与任何人(Whoever)进行任何方式(Whatever)的通信。无线通信中的主要部分移动通信己经发展到了以 WCDMA、CDMA2000 和 TD-SCDMA 标准为代表的第三代，兼容各种无线通信技术的第四代标准目前也已经在研究当中。虽然无线通信的实际应用还不足百年，而我们平常所指的蜂窝移动通信系统直到上世纪80 年代才开始真正发展起来，但它发展的速度却非常快。到目前为止，蜂窝移动通信系统已经并正在经历了如下几个阶段：第一代移动通信系统起源于上世纪 80 年代初，采用频分多址接入(FDMA,Frequency Division Multiple Access)技术，提供模拟语音通话业务。典型代表为美国的 AMPS 系统和欧洲的 TACS 系统。但由于系统容量太小，到 90年代初就已经不能满足日益增长的用户数量的需求。第二代移动通信系统(2G)的发展始于上世纪 90 年代初，它的主要目标是实现大容量、低功耗、全球漫游和切换等功能，能提供包括话音和数据等窄带综合数字业务，它的出现标志着无线信息网络时代的到来。基于时分多址(TDMA, Time Division Multiple Access)的 GSM 系统(欧洲)、IS-54 系统(北美)和基于码分多址(CDMA, Code Division Multiple Access)的 IS-95 系统(美国高通公司)成为这一时期的移动通信系统的典型代表。第三代移动通信系统(3G)的构思开始与上世纪 90 年代中期，它的主要目标是提供接近有线质量的无线话音业务，并且可以提供普通多媒体和高速数据应用所需的带宽。这一代系统都采用码分多址技术，主要的标准有：美国的CDMA2000、欧洲和日本的 WCDMA 以及中国的 TD-SCDMA。步入 21 世纪，后 3G(B3G,Beyond 3dGeneration)和第四代(4G)的研究拉开了序幕。2002 初，IMT2000(International Mobile Telecommunications-2000)己经开始了 B3G 的研究计划，我国于 2002 年启动了相关国家项目，并于 2004 年 4 月正式启动 B3G 移动通信技术的标准化进程。下一代移动通信系统要求实现真正的全球统一标准，实现任何一个终端在全球任何地点都能实现高质量通信的目- 2 -标。1.2 WIMAX 技术技术1.2.1 IEEE802.16 无线接入标准无线接入标准1IEEE802.16 是为了制定无线城域网(Wireless Metropolitan Area Network,WMAN)标准而成立的工作组，该工作组 1999 年成立，主要负责制订工作在 2-66GHz 频段的无线接入系统的空中接口物理层(PHY)和媒质接入控制层(MAC)规范，以及不同无线接入系统之间共同的规范，同时还负责进行与空中接口协议相关的一致性测试，涉及 MMDS， LMDS 等技术。它包括三个工作小组，每个工作小组负责不同的方向：IEEE802.16.1 负责制订工作频率为 10-60GHz 的无线接口标准；IEEE802.16.2 负责制订不同宽带无线接入系统之间共存的标准；IEEE802.16.3 负责制订工作在频率 2-10GHz 之间获得频率使用许可权可应用的无线接口标准。IEEE802.16 工作组制订的是用户收发信机和基站收发信机之间的无线接口标准，协议标准包括三层体系结构：物理层：三层结构中的最底层，该层的协议主要是有关于频率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机和接收机同步、数据传输速率和时分复用结构等的。数据链路层：在物理层之上，该层主要规定了为用户提供各种服务所需的不同功能，这些功能包括在介质访问控制层 MAC 层中，主要负责将数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到公共的无线介质中进行控制。汇聚层：在 MAC 层之上，该层能根据提供业务的不同而相应地提供不同的功能。该层也可以归到数据链路层上。现在我们介绍一下 IEEE802.16 工作组进展的情况以及制定的几个标准。IEEE802.16：固定宽带无线接入系统空中接口标准，应用于 10-66GHz 视距传输，2002 年 4 月发布。IEEE802.16a：固定宽带无线接入系统空中接口标准，应用于 2-11G Hz 非视距传输，2003 年 4 月发布。IEEE802.16c：是对 IEEE802.16 的增补文件，是使用 l0-66GHz 频段 802.16系统的兼容性标准，2002 年 4 月发布。IEEE802.16d：固定宽带无线接入系统空中接口标准(2-66GHz) ，主要是对- 3 -802.16/802.16a/802.16c 的修订版本。于 2004 年 6 月在 IEEE802 委员会中获得通过，以 802.16-2004 名称发布。802.16d 可以应用于 2-11GHz 非视距( NLOS)传输和 l0-66GHz 视距(LOS)传输。IEEE802.16e：固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准，工作在适于移动性的 2-6GHz 许可频段，支持用户站以车辆速度移动。802.16e 的目标是能够向下兼容 802.16d，因此它的标准化工作基本上是在 802.16d 的基础上进行的。802.16e 目前定义的目标速率为车速，一般可以支持 120km/h 的移动速度。802.16e 目标允许带宽可以高达 70Mb/s。该标准还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。IEEE802.16f：定义了 802.16 系统 MAC 层和物理层的管理信息库(MIB)以及相关的管理流程。IEEE802.16g：规定标准的 802.16 系统管理流程和接口，从而实现 802.16设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。 802.16 是一种基于宽带 IP 城域网的无线接入技术，它仅保证在一定区域内实现连续覆盖，强调数据传输能力的提高。802.16d 的定位是为企业用户提供无线传输方式，也可以作为企业 TI 和家庭 xDSL 和 Cable Modem 的无线扩充技术，或者取代宽带有线接入的市场，同时它还能够连接 WLAN 的热点和互联网。802.16e 在移动性和覆盖范围上比 802.11 获得了增强，可以提供更广泛的高速数据接入。从某种意义上讲，它是解决“最后一公里”接入的很有效的手段。根据地域位置划分，下图显示了 IEEE 电气电子工程师协会制订的无线标准层次示意图。- 4 -IEEE 802.20 WAN 3GPP EDGEIEEE 802.16 WAN ETHI HPERMAN 802.11 LAN ETSIIEEE 802.15 PAN ETSIIEEE 802.20 ETSI3GP EDGEIEEE 802.16WANETSI HIPERMANIEEE 802.11LANETSIIEEE 802.15 802.15 PANETSI LAN图 1-1 IEEE 电气电子工程师协会的无线标准层次示意图1.2.2 WiMAX 联盟联盟WiMAX 联盟是由业界领先的通信设备公司及器件制造公司共同成立的非盈利性组织，该联盟旨在对基于 IEEE802.16 标准和 ETSI HiperMAN 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。在推进 IEEE802.11 无线局域网的应用方面，Wi-Fi 联盟的作用是不可低估的：Wi-Fi 联盟的兼容性测试，确保了 WLAN 产品的互通，降低了芯片和设备的成本；使市面上几乎所有的 WLAN 产品都贴上了 Wi-Fi 的标志，确保了WLAN 产品的兼容性。Wi-Fi 联盟对于 WLAN 技术的推广起到了很大的作用。同样，WiMAX 使用相同的方法，定义和进行互操作性测试，加快满足IEEE802.16 技术标准的宽带无线接入设备的上市时间。WiMAX 和 IEEE802.16之间的关系是：后者是标准的制定者；前者是标准的推动者，同时 WiMAX 还为 IEEE802.16 的标准统一做出了重大的贡献。目前业界所指的 WiMAX 技术实际上就是 IEEE802.16 技术，包括了 IEEE802.16d (IEEE802.16-2004) 和 IEEE80216e。1.2.3 物理层关键技术物理层关键技术1本文研究的是 WiMAX 物理层的关键技术，主要围绕 IEEE802.16-2004 标准展开，同时也会简单介绍一下 IEEE802.16e 草案中提出的某些不同于- 5 -IEEE802.16-2004 标准的技术。下面，将对物理层的一些技术做简要地介绍。1) 频段IEEE802.16d 的工作频段为 2-11GHz，802.16e 为了确保移动性，工作频段定义在 2-6GHz。WiMAX 目前正在各个国家寻求较低的频段，根据各个国家频率规划的不同，WiMAX 已经选定了对工作于 2.5GHz 授权频段、3.5GHz 授权频段、5.8GHz 非授权频段这三个频段的 802.16d 设备进行一致性和互操作性测试。2) 双工复用方式WiMAX 系统支持时分双工(TDD)和频分双工(FDD)两种双工技术，在IEEE802.16 中，还规定了用户站可以采用半双工频分双工(H-FDD)方式，这样可以降低对终端收发器设备的要求从而降低终端成本。3) 载波带宽IEEE802.16 并未具体规定载波带宽，系统可以采用处于 1.25M20M Hz 之间的载波带宽。考虑到各个国家己划分固定无线接入系统的载波带宽，IEEE802.16 规定了以下几个系列：1.25MH 的倍数、1.75MHz 的倍数。1.25MHz 系列包括：1.25/2.5/5/10/20 MHz 等。1.75 MHz 系列包括：1.75/3.5/7/14 MHz 等。对于工作在 1066 GHz 的固定无线接入系统，还可以采用 28 MHz 载波带宽，以提供更高的传输速率。4) 自适应调制与编码IEEE802 .16 支持 BPSK,QPSK,16QAM 和 64QAM 等多种调制方式。在信道纠错编码方面，IEEE802.16 采用截短 RS 编码和卷积码的级连纠错编码，而且还支持分组 Turbo 码、卷积 Turbo 码。IEEE802.16 可以根据不同的调制方式和纠错编码方式构成多种发送方案，系统根据信道状况的好坏以及传输的需求，选择一个合适的传输方案。比如说，当信道状态差时，可以选择低阶的 QPSK调制方式和码率低的信道纠错编码方式；当信道状况好时，可以选择例如64QAM 这样高阶的调制方式和码率高的信道纠错编码方式。自适应调制与编码为无线传输系统带来了很好的抗衰落性能。1.3 OFDM 技术技术OFDM 技术与频分复用(FDM, Frequency Division Multiplexing)技术十分相- 6 -似，其基本原理相同，但 OFDM 技术在频谱利用率上有了很大的提高。OFDM 是一种特殊的多载波传输技术，既可以看作是一种调制技术，也可以当作一种复用技术。正交频分复用是对多载波调制(MCM Multi-Carrier Modulation)的一种改进，特点是各个子载波相互正交，扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。其中，OFDM 技术的优点如下2： 1) 把高速率数据流通过串并变换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地减少无线信道的时间弥散带来的 ISI，降低接收机内均衡的复杂度；2) 由于各个子载波之间存在正交性，允许子载波的频谱相互重叠，可以最大限度地利用频谱资源，提高频谱利用率；3) 各个子载波的正交调制和解调可以通过离散傅立叶反变换和离散傅立叶变换来实现，实现起来非常容易；4) 无线数据业务一般存在非对称性，要求物理层支持非对称高速数据传输，OFDM 系统可以通过分别使用不同数量的子载波来实现上行和下行链路中不同的传输速率；5) OFDM 易于和其他多种接入方式结合使用，构成 OFDMA 系统，使多个用户可以同时利用 OFDM 技术进行信息传输。但是由于 OFDM 系统存在多个正交子载波，且其输出信号是多个子载波信号的叠加，与单载波系统相比，存在以下不足：1) 易受频率偏差影响。由于子信道夫人频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性要求非常严格。由于无线信道具有时变性，在传输过程中出现的无线信号频谱平偏移或发射机和接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会对 OFDM系统子载波之间的正交性产生影响，从而影响其性能；2) 存在较高的峰均比。多载波系统的输出是多个子载波信号的叠加，当多个信号相位一致时，所得叠加信号的功率会远大于平均功率，这就对发射机内放大器的线性度提出了很高要求。1.4 本文的结构安排本文的结构安排第 1 章：简单介绍了无线宽带接入的发展，WiMAX 技术的发展、WiMAX- 7 -联盟、WiMAX 的物理层概况。第 2 章：介绍了在无线宽带接入中常用的信道模型参数以及本文仿真的基础-SUI 信道模型。第 3 章：结合 IEEE802.16-2004 标准分析了 OFDM PHY 的结构，设计了一个简单的 OFDM 接收方案 。第 4 章：分析了一种灵活的自适应比特和功率分配算法，并将它应用到OFDM 物理层中并用 M ATLAB 进行了性能仿真。第 5 章：本文总结- 8 -第第 2 章章 OFDM 系统的信道研究系统的信道研究本章首先说明了信道模型要符合系统的传输环境要求，然后介绍了影响无线通信质量的几个主要参数：路径损耗(包括阴影)、多径时延扩展、衰落特性、多普勒频移、共信道和相邻信道干扰。对于宽带无线接入系统，通常使用 SUI信道模型，本章给出了 SUI 信道模型的结构、分类、适用环境的简单介绍以及对信道编码进行简单的讲解。2.1 信道模型信道模型当我们研究宽带无线接入技术时，首先要对无线信道有一个准确的描述，也就是说要建立一个好的信道模型。信道模型很大程度上依赖于无线电通信网的结构。在第一代系统中，采用的是单元结构，基站和用户之间的传输是视距(LOS)传输，不存在共信道干扰的问题；而对于第二代系统，非视距(NLOS)传输占据了主导地位，此时就需要一个可分级的多单元结构。本文所讨论的宽带无线系统属于第二代系统，因而建立的信道模型也要满足系统的传输结构要求。模型所适应的具体环境描述如下：单元的半径小于 10km，具有各种各样的地形和不同的树密度类型。在接收机端，可以在屋檐下或在屋顶上安装定向天线(高度为 210 米)；基站 BTS 的天线高度为 1540 m；要求 8090%的单元覆盖率。由于无线电波在自由空间传播时，很容易受到干扰和衰减，所以无线信道的特性要比有线信道复杂得多。影响无线通信质量的主要有以下几个参数：(1) 路径损耗(包括阴影)(2) 多径时延扩展(3) 衰落特性(4) 多普勒频移(5) 共信道和相临信道干扰以上参数的特性都是随机的，可能仅有一些统计特性，但在分析研究时，我们可以为其指定一个特定的均值和方差。本文将介绍一种常用的信道模型SUI3 ( Stanford University Interim)信道模型，它包括 3 种地形的 6 种典型的信道。这些信道的模型可以用来仿真、设- 9 -计、开发和测试固定宽带无线通信系统的性能。本文所作的仿真是基于 SUI-3信道模型的。SUI 信道参数化的分类：表 2-1 SUI 参数化分类Terrain SUI Channels A SUI-1 SUI-2 BSUI-3 SUI-4 CSUI-5 SUI-6SUI 信道模型的一般结构，如表 2-1。这个结构对于 MIMO 信道也是通用的，而且还包括 SISO(Single Input Single Output)和 SIMO( Single Input Multiple Output)。整个信道模型由三部分组成：(1) Input Mixing Matrix：当使用多个发送天线时，对输入信号之间相关性的建模。(2) Tapped Delay Line Matrix：信道多经衰落的建模。多径衰落可用 3 抽头的延时抽头线(具有非统一的延时)来建模。每个抽头的增益由分布(Ricean 分布K-factor0,或者 Rayleigh 分布 K-factor=0) 和最大多普勒频移确定。(3) Output Mixing Matrix：当使用多个接收天线，对输出信号之间相关性的建模。Tapped Delay Line(TDL)MatrixInputMixingMatrixOutputMixingMatrixPrimary orCo-channel interfererTxRx图 2-1 SUI 信道模型本文对 SUI 信道进行修改，修改后适用的场景如下:(a) 单元半径： 7km(b) BTS 天线高度：30m(c) 接收天线高度：6m(d ) BTS 天线波束宽度：120 度(e) 接收天线波束宽度：全向 360 度，定向 30 度。使用 30 度的天线波束宽度与全向 360 度相比，它的 RMS 时延扩展要减小 2.3 倍。相应的，它的第- 10 -二个抽头的功率要额外地衰减 6dB，第三个抽头的功率要额外地衰减 12dB。(f) 仅使用垂直极化。(g) 在每个覆盖的位置，90%的单元覆盖区域具有 99.90%的可靠性。对于以上的场景 SUI 模型具有 6 个特定的信道，具体的参数见3。2.2 信道编码信道编码1信道编码包括三部分：扰码(randomization)，前向纠错(FEC)和交织(interleave)。2.2.1 扰码扰码扰码是为了减少发送数据中的连“0”连“1”数量，以便接收机对定时信号的提取和增加发送数据的随机性而采取的一种数据处理手段。在 802.16 标准中，数据的扰码随机化在 DL 和 UL 的每一次数据传输中都要执行，而且对于数据块的每一次分配(频域分配指的是子信道，时域则指的是 OFDM 符号)，扰码应该独立地进行。当需要发送数据的数目与被规定分配数据的数目不一致时，就应该在发送数据块后面添加 OxFF，应分配数据的最后一个字节是留给 FEC的，通常补 0 x00。对于每次分配，扰码器都要重新初始化。扰码器产生伪随机二进制序列，其生成多项式为：，扰码器结构如图 2-2 所示：14151XX124356798101112141315data in data out MSBLSB图 2-2 扰码器的结构图在下行链路中，每一帧的开始，扰码器都用序列 100101010000000 重新进行初始化。在突发#1 的开始，扰码器不被复位。在后续突发的开始，扰码器用图 2-3 所示的序列进行初始化。而在上行链路中，扰码器是用图 2-4 所示的序列进行初始化的。- 11 - b0b1b3b211b6b6b7b91b11b13b12b14MSBLSBb3b2b0b1b3b2b0b1b3b2b0b1MSBBSIDDIUCFrame numberLSB图 2-3 OFDM 扰码器 DL 初始化序列b0b1b3b211b8b6b7b51b11b13b12b14MSBLSBb3b2b0b1b3b2b0b1b3b2b0b1MSBBSIDUIUCFrame numberLSB图 2-4 OFDM 扰码器 UL 初始化序列2.2.2 前向纠错前向纠错 FEC前向纠错(FEC)是由 RS(Reed-Solomon) 4外码和速率一致的卷积内码级连构成的。级连编码的过程是：先将数据以块的格式通过 RS 编码器，然后再将它通过一个卷积编码器。另外前向纠错(FEC)还支持可选的分组 Turbo 码(BTC)5和卷积 Turbo 码(CTC)6编码。当请求接入网络后(除了在初始化子信道时，使用 1/2 速率的卷积编码)，RS 卷积编码的编码速率都是 1/2。级连的 RS-CC 编码器：RS 编码器是从系统 RS 码(N=255,K=239,T=8)衍生出来的，该系统码定义在域上。上述参数的定义是： 82GFN：编码后数据字节数K：编码前数据字节数T：FEC 能够纠正的数据字节数码字生成多项式： 01221,02THEXg xxxxx本原多项式： 84321P xxxxx在 802.16 标准中，码字可以被截短，数据块的大小可变，纠错能力也可变。当数据块被截短到字节，编码块的前个字节应该被置为零。当一个K239K码字被截短到只能够纠正个字节时，那么仅仅使用 16 个监督码字节中的T个字节。比特/字节转换应该是 MSB 在前。2T经过 RS 编码后的数据接着进行二进制的卷积编码。如果卷积编码器的码- 12 -率为 1/2，限制长度为 7，那么可以由以下生成多项式生成 2 个编码比特： 1171OCTG FORX 2133OCTG FORY图 2-5 为卷积编码器的结构： 1 bitdelay1 bitdelay1 bitdelay1 bitdelay1 bitdelay1 bitdelayX outputY outputData in图 2-5 卷积编码器的结构表 2-2 表示了在不同的调制和码率下数据块的大小和码率：表 2-2 调制方式和编码速率配置图ModulationUncodedblock size(bytes) Coded block size(bytes) Overall coding rateRs codeCC code rate BPSK 12 24 1/2(12,12,0) 1/2 QPSK 24 48 1/2(32,24,4) 2/3 QPSK 36 48 3/4(40,36,2) 5/6 16-QAM 48 96 1/2(64,48,8) 2/3 16-QAM 72 96 3/4(80,72,4) 5/6 64-QAM 96 144 2/3(108,96,6)3/4 64-QAM 108 144 3/4(120,108,6) 5/62.2.3 交织交织所谓交织是将原始数据的顺序打乱，再按一定的规则从新排列的过程。这样做带来的好处是使得信道的突发错误在时间上得以扩散，从而使得译码器可以将它们当作随机误码处理。有两种类型的交织器：分组交织器和卷积交织器。现在用分组交织器来简单介绍一下交织的原理：分组交织器把待编码的个m n数据单元放入一个行列的矩阵中，每次对数据位进行交织；通常每行mnm n由个数据位组成一个字，行数为，是交织器的深度；交织的过程是：数nmm- 13 -据位被按列填入，而在发送的时候却是按行读出的。在接收端的解交织按相反方向进行。 在标准中使用的交织器是分组交织器。所有被编码的数据被一个块交织器交织，交织器的大小为。交织过程分为两步：第一步是载波之间的交织，cbpsN主要是确保相邻的编码比特被映射到非相邻的子载波上去，以防止某些子载波遭受深度衰落后引起的突发性错误；第二步交织是确保邻近的比特被交替地映射到星座图中较低或较高的位置上去。文中我们把交织过程称为排列过程；表2-3 显示了对于各种调制和编码方式，交织块的大小：表 2-3 调制方式和交织块大小Default 16 subchannels8 subchannels4subchannels2subchannels1subchannelscbpsNBPSK 192 96 48 24 12QPSK 384 192 96 48 2416-QAM 768 384 192 96 48 64-QAM 1152 576 288 144 72- 14 -第第 3 章章 OFDM 系统的研究系统的研究WiMAX 系统的 OFDM 调制与 IEEE802.11a 相似，OFDM 系统的关键在于其接收机的设计，接收机的性能好坏直接影响了整个系统的性能。3.1 OFDM 原理原理OFDM 的主要思想是：将信道划分为若干个相互正交的子信道，将高速数据信号转换为并行低速子数据流，然后调制到各个子信道中去传输；在接收端利用子信道的正交性将各个子信道的数据分开恢复，再将并行数据转换为串行数据，这样就恢复出原始数据了。OFDM 系统收发机的典型框图如图 3-1 7所示。在发送端，先对传输的数字信号进行子载波幅度和相位调制，然后通过傅立叶反变换(IFFT)将频域信号变换为到时域信号；接收端则进行发送端的反操作，将射频(RF, Radio Frequency)信号与基带信号进行混频处理，并通过傅立叶变换(FFT)将时域信号变换为频域信号，然后将子载波解调出来并转换回数字信号。编编码码交交织织数数字字调调制制插插入入导导频频串串并并变变换换IFFT并并/串串插插入入循循环环前前缀缀和和加加窗窗DACRFTX解解码码解解交交织织数数字字解解调调信信道道校校正正并并串串变变换换FFT串串/并并定定时时和和频频率率同同步步ADCRFRX去去除除循循环环前前缀缀图 3-1 OFDM 原理框图下面通过数学表达式来说明 OFDM 系统的工作原理。设符号周期为，子uT载波个数为,待发送的个数据为，为采样时钟NNiU0,21iNUTTN周期，为成形函数，为循环前缀时间，内有个采样点数，则整个 g tGTGTGNOFDM 符号周期，内共有采样点数。基带信号可表SUGTTTSTSGNNN示为：- 15 - (3-1) 1201sGUkNjl iTTTlkslku tU g tiTeN式中 100stTg totherwise 。发射机对上变频生成发射信号，设发射的载波频率为初始相位为， u tlfl则发射信号可表示为：883813638863131 21 2kkULcccccwandccw ： (3-2) 2lljfs tu t e发射信号经过信道到达接收机，设信道的冲激响应为，信道噪声为 h t，则接收信号表示为： n t (3-3) r ts th tn t在接收机中首先用相干载波对接收信号下变频，设相干载波的频率为，of初始相位为。则下变频后的基带信号为：o (3-4) 2oojfz tr t e对基带信号进行 A/D 变换，设接收端的时钟周期为，时钟相位为，则T采样点可表示为： (3-5)1,0,1nsszz iTnTnN假设存在符号同步误差，FFT 窗口偏移，对N做点 FFT，可得到解调数据为：,1GGnNNNNNN (3-6)12,GGGn NNNNNjkNi ki nn NNZz e下图是仿真的 OFDM 在时域和频域上的信号图： - 16 -80-60-40-2002040608000.050.10.150.20.250.30.35ofdm graph on time domain 图 3-2 时域 OFDM 的信号图 -60-40-200204060-20-15-10-505101520ofdm graph on frequency domain图 3-3 频域 OFDM 的信号图- 17 -3.2 OFDM 的同步的同步8OFDM 系统的同步指的是发送端和接收端的频率同步、帧起始同步和OFDM 符号的时间同步。本文主要讨论 OFDM 的帧起始同步和频率同步，其中频率同步主要介绍频偏估计。3.2.1 帧起始同步帧起始同步本文利用 OFDM 帧的长前导的训练序列来实现帧起始同步。OFDM 长前导由两个 OFDM 符号组成：第一个 OFDM 符号是 4 个 64 点的重复块；第二个OFDM 符号是 2 个 128 点的重复块。利用第一个 OFDM 符号来实现帧起始同步。具体实现步骤是：用一个移位相关窗，窗口刚好能容纳 64 个采样点，接收信号采样点依次经过这个移位窗，与 64 个本地序列(这 64 个本地序列与发送端发送的 64 个序列是相同的)进行相关，然后将每个相关值保存下来。当一帧到达时，相关值中就会出现 4 个峰值。另外，本文还要将接收信号的采样点与自身进行相关，相关的准则是：前 64 个采样点与延迟采样时钟后得到的 64 个采样点进行相关，并且将相关的值保存下来。相关的结果是，当一帧到达时，相关值的曲线就会变得很高且平坦，大概会保持 64 4=256 个采样时间。然后这两组相关就可以用来进行帧起始同步，第二组相关用来做粗同步(捕获)，在粗同步后用第一组相关进行细同步(跟踪)。用数学公式描述帧同步的过程。第一步是粗同步： (3-7) 1,0tGn coursen kn k Nkrr 为接收序列的采样点，为相关窗的长度，在这里；通过相rG64tGN关运算，我们要找到变成高而且平坦的时段，此时的粗同步应该是,n coursecoursen一个范围。这部分属于接收信号的自相关。第二步是细同步： (3-8)10arg maxcourseGfinekn kkn nnsr是己知的本地 64 个采样点序列。通过相关，可以在粗同步的基础上得到ks4 个峰值。这四个峰值的位置分别是前导中每个重复块的第一个采样点。这样，平台内的最后一个峰值为它的帧头的同步点，那么帧的起始位置就确定下来了。这部分相关属于接收信号与本地训练序列的互相关。- 18 -帧起始同步完成后，接下来要进行载波频偏估计。载波频偏估计完成后，在频域里对前导进行频偏纠正，我们还可以对经过频偏纠正过的前导，利用式(3-8)重新进行细同步，此时得到的帧同步才是最准确的同步。图 3-4 为帧起始同步的结构框图。 本地序列滑动相关器 L=64 帧 起 始 检 测测测检测始检减产滑动窗口相关器 L=64D64 图 3-4 帧起始同步结构框图3.2.2 载波频偏估计载波频偏估计OFDM 系统要求子载波之间具有良好的正交性，所以它对于子载波之间的频率偏移非常敏感。收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频移、相位噪声等是引起频率偏移的主要原因，它包括子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移。子载波间隔的整数倍不会引起 ICI，抽样点仍旧在定点，但是解调出来的信息符号的错误概率为 50%，子载波间隔的小数倍的偏移会引起 ICI，因为此时抽样点不在定点，破坏了子载波之间的正交性。子载波的频率偏移包括两部分：整数频偏和小数频偏。其中整数倍IfFf频偏使接收的数据经过 FFT 运算后输出的顺序相对于原始数据发生偏移。小数倍频偏则会引起以下结果：对 OFDM 符号进行采样时，采样窗口的位置发生偏移；残留载波频偏引起的相位偏差会导致子载波上的符号在星座图上旋转；子载波之间的频率干扰(ICI)。允许的最大子载波频偏由下式决定： *kr- 19 - (3-9)11 (13maxufT其中：为信噪比，为由 ICI 引起的可承受的最大信噪比损失。由式max(3-9)可知，当为 30dB, 为 1dB 时,允许的最大子载波频偏必须小于 1%，max要求频偏估计算法精度至少达到子载波间隔的。310子载波频偏估计：载波频偏估计有三个步骤：小数倍频偏估计(细同步)、整数倍频偏估计(粗同步)和相位跟踪。与帧同步不同，在载波频偏估计先进行细同步，即先进行子载波间隔的小数倍频偏估计，这是在时域上完成的；然后进行粗同步，即子载波间隔的整数倍的偏移量估计，这是在频域上完成的；最后对后继的 OFDM 符号进行相位跟踪，这主要是为了消除随着时间偏移，残留频偏造成符号在星座图上旋转的效应。在时域里完成细同步后，必须要做纠正，否则会影响频域里粗同步的精度。载波频偏估计的算法可以分成两种类型：类型 1： 数据辅助算法，基于嵌入传输信号的特定训练信息，比如基于导频符号和前导，或者特定的训练序列；此类算法的优点是捕获快、精度高，适合分组数据通信；类型 2 ： 非数据辅助算法，也即盲估计，分析频域内的接收信号，利用OFDM 自身的结构来实现估计；这种算法的最大优点是额外的负荷比较少，缺点是为了获得高精度需要几十个甚至上百个 OFDM 符号，捕获时间比较长。3.3 OFDM 接收机的设计接收机的设计9OFDM 接收机由 3 部分组成：时间同步模块、频率同步模块、信道估计模块。其中时间同步包括帧起始同步，采样时钟同步和 OFDM 符号边界同步。频率同步指的是频偏估计和相位跟踪。本文中为 IEEE802.1b-2004 OFDM PHY 设计了一个简单的接收机，图 3-6 为 OFDM 接收机框图，为了描述得完整，图中包括了发送端的 FEC、QAM 映射和 OFDM 调制模块，其中虚线框中的部分为OFDM 接收机。接收机的工作流程为：帧起始同步模块检测数据帧头，获取前导；利用前- 20 -导进行频偏估计，估计出来频偏用来在时域里补偿前导和后续接收到的 OFDM符号；经过补偿的前导用来进行信道估计，之后解调 OFDM 符号，解调后的信号还要在频域里进行均衡；为了消除残留频偏产生的累计的相位误差，还需要在 QAM 解映射前利用前导进行相位跟踪。下图是接收机的系统框图。 FEC编编码码QAM映映射射DFDM调调制制SUI-3信信道道帧帧起起始始同同步步获获取取前前导导频频偏偏估估计计时时域域补补偿偿信信道道估估计计OFDM解解调调频频域域均均衡衡相相位位跟跟踪踪QAM解解映映射射FEC解解码码图 3- 5 OFDM 接收机系统框图当接收机完成帧同步和频偏估计后，将要继续进行的是信道估计和均衡，它们是在频域里完成的。OFDM 系统接收机的信道估计分为两类：信道的非盲估计，例如基于训练序列或导频的估计；信道的盲估计，例如基于 OFDM 符号循环前缀的估计。由于 IEEE802.16-2004 主要是面向固定的宽带无线接入，信道状态基本上不会发生快速的变化，所以在一帧时间内，可以认为信道状态近似不变。本文采用信道的非盲估计，用于进行信道估计的是 IEEE802.16-2004 帧结构中前导的训练数据，这种方法比较适用于慢衰落信道估计。3.3.1 LS 估计算法估计算法假设为信道频域响应向量，和分别为发送和接收信号向量的频域表示，XY为高斯白噪声。那么：n (3-10)YXHn使用 LS 信道估计算法要使以下的平方误差最小： (3 -11 ) argminargminHLSLSLSLSHYXHYXHf H- 21 -令,得到 (3-12)20HLSLSLSf HYXHXH 1LSHX Y当信道的时延扩展不大于 OFDM 的循环前缀且信道在一个 OFDM 符号周期内可近似认为不变，那么 OFDM 系统可以等效为 N 个并行的，被信道频率响应值加权的高斯信道，所以(3-12)可以写成： (3-13) 10101TLSYYY NHX YXXX N (3-14)1LSHXXHnHnLS 估计信道的自相关： (3-15)2HLSHHnREHnHnR (3-16)12112HHnnEXnXnXXLS 信道估计的均方差: (3-17)12HHLSLSnMSEtrace EHHHHtraceXX3.3.2 LMMSE 估计算法估计算法线性最小均方误差 LMMSE 算法，使式 (3-17)的均方误差最小 (3-18)argminHlmmseHEHHHHLMMSE 算法可以在 LS 估计的基础上得到： (3-19)112HlmmseHHHHnlxHRRXXHLMMSE 估计的均方差为： HLMMSELMMSEMSEtrace EHHHH (3-20).HHHHH LSLS HLStrace RRWWRWR W其中： (3-21)121()HHHHHnWRRXX为信道冲激响应的自相关矩阵，可以根据信道的统计特性HHHRE HH得到。为加性高斯噪声的方差。2n最小平方差 LS 算法和线性最小均方误差 LMMSE 算法是比较著名的信道 估计算法。LS 算法比较简单，容易实现，但是它对高斯白噪声和子载波间干扰(ICI)很敏感，它的精度在信噪比低的时候会大大降低。最小均方误差 LMMSE- 22 -算法对于高斯白噪声和 ICI 有很好的抑制作用，它的性能优于 LS 算法：在相同的 MSE 下，LMMSE 算法在 SNR 上要优于 LS 算法 100150dB 左右，但是LMMSE 算法运算复杂度比较高，而且还需要知道信道的先验概率。本文在 SUI-3 信道模型下对这两种算法进行了仿真比较,训练序列采用IEEE802.16-2004 OFDM PHY 的长前导,仿真图如下所示： 02468101214160.10.150.20.250.30.350.40.45SNR in dBmean squared error LMMSE/LS一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 LS一 一LMMSE一 一 图 3-6 LMMSE/LS 信道估计算法性能比较 - 23 -5101520253010-0.910-0.810-0.710-0.610-0.510-0.4SNR in DBSymbol Error RateLMMSE/LS一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 LMMSELS 图 3-7 LMMSE/LS 信道估计算法性能比较由仿真图可以看出，LMMSE 算法具有很好的性能，得到相同的均方误差，LMMSE 算法要比 LS 算法节省至少 10dB 的信噪比，当信噪比低于 10dB 时,LS估计的均方误差就大于 0.1 了，所以 LS 估计不适于在信噪比低的场合使用，在信噪比大于 20dB 时，这两种算法性能差不多。在误码率方面，LMMSE 算法和LS 算法在低信噪比时性能差不多，但在高信噪比的场合，LMMSE 估计的性能就比 LS 的好很多了。- 24 -第第 4 章章 自适应技术的应用自适应技术的应用在基于 OFDM 的 WiMAX 物理层中，自适应技术得到了广泛应用，这些自适应技术包括自适应比特分配10，自适应功率分配11，自适应子载波分配12，和自适应带宽分配技术等。自适应比特分配可以根据信道的衰落特性动态的选择最合适的调制方式，使得信道的利用率达到最大；自适应功率分配则是根据信道的状况动态的改变分配给各个子载波的功率，使得总的功率达到最小。它们一般是混合在一起使用的。OFDM 是一种多载波调制技术，它将信道划分为若干个相互正交的子信道，然后再将高速数据流进行串/并变换后分配到各个子信道上传输，这样各个子信道的信号带宽就小于信道带宽，从而就可以有效的对抗多径效应和 ISI 了。但简单的把信道进行划分并用相同的调制方式对各个子信道进行调制并不能最大限度的利用信道容量。而且由于多径和频率选择性衰落，在某个时刻，有些子载波的衰落很严重，而有些子载波的衰落则很轻微，这种时候为了保证一定的可靠性，我们不得不因为某些子信道的严重衰落而降低总的传输速率，从而牺牲了吞吐量。针对这个问题，人们提出了自适应调制和功率分配的思想。它的本质是根据信道的衰落情况选择合适的调制方式，在信道衰落严重时用低阶的调制方式，在信道衰落甚微时用高阶的调制方式，以达到最佳的传输效果。自适应技术的基本思想是根据信道的状态信息来调整传输参数，目前比较常用的信道状态信息是信道的信噪比(SNR)，另外，从链路层的循环冗余机制(CRC)中获得的误码率也可以作为信道状态信息。自适应技术是基于一定的优化原则的，或者提高系统的可靠性又或者提高系统的有效性，但由于可靠性和有效性相互矛盾的，所以自适应技术只能在其- 25 -中一个保持不变的前提下提高另外一个。目前的自适应技术都是针对信道容量，发射功率和误码率这三个指标中的一个展开的。下面我将对基于不同优化原则的各个算法进行介绍。4.1 基本算法基本算法4.1.1 基于信道容量最大化的优化基于信道容量最大化的优化在高斯信道中,信道的容量可以由香农公式13得到： (4-1)2log1xnPCBP在这里，C 是信道容量，B 是信道带宽，是信号的平均功率，是噪声xPnP功率。由上式看出，信道容量取决于信道带宽以及信号的平均功率和噪声功率的比值。在 OFDM 系统中，信道带宽是固定的，因而信道容量就由信号功率谱密度和噪声功率谱密度的比值来决定。在 OFDM 系统中，可以认 xS nS为每个子信道的传输函数是常数，那么信道的信道容量就可以由各个子信道的信道容量的积分来得到，即 (4-2)201log12xnSCdS上式中被积函数 (4-3)2log1xnPCP可以称为信道容量密度谱函数，它决定了单位带宽上的最大信息传输速率。如果信号的功率固定，在维持一定可靠性的基础上，根据信道的状况自适应xP的调节发射信号的功率谱密度就可以获得最大的信道容量了，而最优的功率分配算法是注水算法8。具体算法见文献。功率分配方法如下： (4-4) maxmax00optnnxSSSSSother- 26 -的选择要满足如下的边界条件：maxS (4-5) 01optxxPSd在注水算法中，信号功率大部分都被分配到信道衰减较小的频带范围内，在信噪比较高时，和注水算法相比，平均功率分配方法损失的信道容量比较少，但当信噪比较低时，注水算法获得的信道容量就比平均功率分配方法多很多了。注水算法虽然是最优的功率分配算法，但它的计算复杂度很大，实现不容易，所以在现实中不是很实用。注水算法的仿真图如下所示：02468101214161800.511.522.53x 10-6一 一 一 一 一Waterfilling 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一 图 4-1 注水算法仿真图由仿真图看出，注水算法的原则是根据子信道的衰落情况也即信道的噪声功率来分配功率给各个子信道的。在衰落严重的子信道分配很少或不分配功率，而在衰落一般的子信道则分配大部分功率，以此来实现信道容量最大化的优化目标。- 27 -4.1.2 基于发射功率最小化的优化基于发射功率最小化的优化基于