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基于IEEE802.16e标准的OFDM信道估计技术分析与实现.pdf

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西安电子科技大学学位论文独创性或创新性声明秉承学校∥谨豹学最葶曩凭嶷巍冬枣每学道德,本人声翻鬓璺交戆论文是我令入在导耀指导下避褥煞研究工作及取褥豹研究成采。尽我繇鲔,除了文中特别鸯霸孩标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人融经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技犬学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一间王作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说朔并表示了谢意。申请学霞论文与资辩善有不安之鲶,本久承撵一秘麓法律责任。本人签名; i拯 日期 堡i丝西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本天完全了解茜安毫子辩技大学宥关保留移健稻攀像论文鲍规定,鼯磷究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电予科技大学。学校肖权保留送交论文的艇印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部躐部分内容,可以允许袋用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证,毕业后结会学位论文戮究漾题再撰写的文肇一律署名荸毽隽嚣蜜毫子辩技大学。保密匏论文在解密蜃遵守藏瓣定本学位论义属于保密,在一年解密后适用本授权书。本入签名;导瘫签名鑫麓鳗i堡匿麓藏塞二3兰第一章绪论第一章绪论1.1研究工作背景及意义近十年来,高速因特网接入及其相应业务的需求迅速增长,由此引发了“最后一英里”宽带接入技术的研究和应用。宽带无线接入是一种能够在无线空间环境中提供高速连接的技术,它使得用户终端通过无线的方式以与有线接入技术相近的数据传输速率和通信质量接入核心网络。宽带无线接入是由基站和多用户终端组成的一种点到多点的通信网络,基站与各用户终端之间并不需要物理连线,而是通过户外天线与各用户终端进行高速的语音和数据通信。现在发展的宽带无线接入技术可以支持的用户终端构成小规模的具有无中心、自组织、动态拓扑、多跳路由特性的A埘oc网络,因此,宽带无线接入技术在高速b々踟lct接入、信息家电联网、移动办公、军事、救灾、空间探险等领域具有非常广阔的应用空间。目前解决“最后一英里”接入问题的技术主要有数字用户线xDSL,电缆Cablc和宽带无线接入BwrA。与DsL和cable等有线技术相比,近几年发展起来的BwA技术具有价格低廉、架设灵活、维护和升级费用较低等优势。同时,无线通信技术的不断进步使得传输的有效性和可靠性飞速提高,因此BwA技术逐渐受到越来越多厂商的支持。但是,要想让市场认可BwA技术,必领解决诸如频谱效率、网络可扩展性、用户天线设备、可靠传输等重要问题。在这种形势下,1999年,也EE成立了mEE802.16工作组来专门研究宽带无线接入技术规范,目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。匝EE802.16工作组的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展。802.16系统主要应用于城域网,被视为可与DsL竞争的“最后一英里”宽带接入解决方案。在无线宽带业界,以htcl为首的各厂商于2003年成立了Wim缸联盟,旨在推动基于802.16标准的宽带无线网络的构建,确保BWA设备的兼容性和可互操作性。1.2 IEEE802.16标准概述1.2.1 mEE802.16系列标准的发展进程砸EE802.16工作组于2002年4月8日正式发布了m髓802.16.2001标准,为宽带无线接入∞wA定义了无线城域网wMAN的空中接口规范,它标志着宽带无2 基于mEE802.16e标准的OFDM信道估计技术研究与实现线接入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。砸EE802.16-200l工作在10~66GHz频段,由于这个频段对于像建筑物和树这样的障碍物无穿透能力,故要求基站和用户站是视距LOS链路,从而限制了基站的覆盖范围。同时由于用户站天线的安装要求很高,并且系统受雨衰影响较大,一定程度上阻碍了市场的发展。2003年4月瑾EE802.16工作组颁布了mEE802.16a,该标准支持的工作频段为2~11GHz,包括了需要发放牌照频段和免牌照的频段,该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖,系统受雨衰影响不大,系统可以在非视距传输环境下运行,大大降低了用户站安装的要求。另外,mEE802.16a的MAc层提供服务质量QoS保证机制,可支持语音和视频等实时性业务,增加了对网格拓扑结构网络的支持,能适应各种物理层环境。2004年7月ⅢEE802.16组织通过了mEE802.116d。mEE802.16d对2~66GHz频段的空中接口物理层和MAC层做了详细规定,定义了支持多种业务类型的圃定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层。mEE802.16一”是工作在2~6GHz频段,支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。制订IEEE802.16e的目的是为了实现既能提供高速数据业务又能使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。mEE802.16e被业界视为目前唯一能与3G竞争的下一代宽带无线技术。在相继推出802.16a、802.16d、802.16e后,皿EE即将推出下一代的先进空口技术标准802.16m。2006年12月mEE启动了mEE802.16m标准的制定工作。除了以上几个标准外,另外还有3个重要标准第一个是2002年正式发布的IEEE802.16c,它是对ⅢEE802.16.2001的增补,是使用10~66GHz频段的mEE802.16系统的兼容性标准,它详细规定了工作于lO~66GHz频段的IEEE802.16系统在实现上的一系列特性和功能;第二个是瑾EE802.16f’它定义了IEEE802.16系统MAc层和物理层的管理信息库Mm以及相关的管理流程;第三个是正EE802.169’制订它的目的是为了规定标准的ⅢEE802.16系统管理流程和接口,从而实现mEE802.16设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。1.2.2 mEE802.16协议栈模型IEEE802.16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MAC层和物理层两大部分。MAC层能支持多种物理层规范,以适合各种应用环境。mEE802.16协议栈模型如图1.1【2】【31所示第一章绪论图1.1日既狙802.16协议栈参考模型MAC层由特定业务汇聚子层CS,MAC公共部分子层CPS和加密协议子层3部分组成,其中加密协议子层是可选的。cs子层主要功能是负责将其业务接入点收到的外部网络数据转换和映射到MAc业务数据单元MAc SDU,并传递到MAc层业务接入点sAP。具体包括对外部网络数据SDU执行分类,并映射到适当的MAC业务流和连接标识符CD上,甚至可能包括净荷头抑制PHS等功能。协议提供多个规范作为与外部各种协议的接口。MAC CPS是MAC的核心部分,主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过MAc SA_P接收来自各种CS层的数据并分类到特定的MAC连接,同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量QoS控制。通常说的MAC层主要指MACCPS。加密协议子层的主要功能是提供认证、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,通常说的物理层主要是指PMD。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。1.2.3ⅢEE802.16e物理层结构及其技术特点802.16011标准于2005年12月正式在mEE获得通过。相比其它移动通信系统,4 基于正EE802.16c标准的OFDM信道估计技术研究与实现802.16c系统的主要优势在于具有较高的频谱利用率和传输速率,因而它的主要应用应当是宽带上网和移动视频业务【4】,它可以用于便携、低速移动和全移动场景,同时支持固定场景的应用。802.16c标准的物理层协议主要是关于频率带宽、调制方式、纠错技术以及收发信机之间的同步、数据传输速率和时分复用结构等方面的规定。图1.1a,b给出了下行发射机和接收机物理层的结构框图,标准中的物理层调制方案均遵循该结构。上行结构与此类似。图1.2下行物理层模块结构aBsbss扰频摸块将原始数据与伪随机数生成器的输出序列模2加,这可以使数据序列的频谱白化,降低信号峰均比;而且保证足够的比特翻转以恢复时钟。信道编码是抵抗信道衰落的有效方法,标准提供了多种纠错码,如卷积码CCC叩vol埘onal Codc,卷积11urbo码CTCC∞voI嘶onal JI.劬o Code,分组1-劬。码BTC①lock 1-uIbo Code,及低密度稀疏检验矩阵码L【,PCLow Densi哆Paritycheck Cod曲,其中BTc和LDPc是可选的,此外还可以选择打孔来提高码率。802.16e标准的物理层中还加入了高级功率管理、干扰抑制和多天线等技术。在下行方向,BS采用广播的方式向SS发送数据,SS收到后根据DLMAP确定接受或丢弃该数据。在上行方向,ss根据U【广MAP消息来确定自己应该接入的位置。标准还要求Bs和ss能完成测量信道质量的功能,测量所得的参数可以运用在Bs选择和分配等过程中。802.16e中要求测量RssI和C玳R值并统计它们的均值和方差。RSSI值可以用解调前的天线连接器处的信号得到,所以它能可靠地反映信道强度;c玳R值在接收信号解调后计算得到,它能反映信号强度、干扰和噪声电平信息。FBwA系统要求有大容量、高性能和灵活的特点,这就需要采用适合宽带无线通信的技术。因此,802.16e物理层采纳了以0FDM技术为主流的方案。以OFDM为代表的多载波并行传输技术具有抗衰落能力强、对窄带干扰和窄带噪声不敏感、带宽扩展灵活和支持可变用户速率等一系列特点,非常适合宽带无线通信。第一章绪论802.16e对oFDMA物理层进行了扩展,使其可支持128,512,1024和2048共4种不同的子载波数量,但子载波间隔不变,信号带宽与子载波数量成正比,这种技术称为可扩展的oFDMAscalable oFDMA。采用这种技术,系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。这也是802.16c与802.16.2004在物理层的最大不同之处。ⅢEE802.16e【l】物理层定义了几种双工方式TDD、FDD和HFDD。这几种方式都使用突发数据传输格式,这种传输格式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,但是需要媒体访问控制MAc层协助完成。上行时,物理层基于时分多用户接入口DMA和按需分配多用户接入DA队相结合的方式。上行信道被划分为许多个时隙,初始化、竞争、维护、业务传输等应用都是通过占用一定数量的时隙来完成的,其占用的数量由BS的MAC层统一控制,并根据系统性能优化要求而动态改变。下行信道采用时分复用1DMA方式,Bs产生的信息被复用成单个的数据流,广播发送给扇区内的所有ss。每个ss接收到广播消息后,在MAc层中提取检查消息连接的cD信息,从而判断出发给自己的信息,丢弃其他信息。Bs还可以以单播、多播的方式向一个或一组ss发送消息。为了支持半双工HD方式下的SS,协议为下行链路提供一部分TDMA访问方式。在TDD模式下,每个物理帧长度固定,上下行的切换点可以自适应调整,下行在先,上行在后,这样杜绝了上行方向的竞争。同时,上行和下行子帧之间可以插入收发时隙,以留出必要的保护间隔。资源的调度和分配可以在基站饵s上集中控制,使得信道可以灵活地全部用于上行或下行。另外,针对不同的应用场景,在帧结构中定义了多种排列方式,提高频谱利用率以及克服多径衰落。802.16e还采用了128/512/1024,2048个可变子载波的OFDMA方式,使设备信道带宽可在1.75Ⅻz~20Ⅷz间灵活调配,从而使其具备更强的信道均衡能力和抗快衰落能力,以保证终端在移动环境中的使用。日∞MDLFCHbursl DLh㈣粕岸lfca订ylIlgnle仉. DLbLⅢ“Pm hnInbIc DL P1hnPDLh_lIt粒 DLb№黼圈1.31DD模式下OFDM的帧结构l乎争孚,莹彳-邑口量Ib4●●●●●●06 基于正EE802.16c标准的OFDM信道估计技术研究与实现图1.2给出的是JIDD模式下的帧结构。每一帧可分为下行传输子帧DLsI灿如m嘲和上行传输子帧UL础.劬mes,它们之间相隔”ⅪTr蛆smi竹∞civcTr姐sm∞Gap。而帧与帧之间相隔RTGR∞eiv趴m锄it删6伽Gap。前导码Pnamble位于每帧的第一个符号,用于同步。802.16c标准中规定P豫衄ble可选择放在三种载波集中的一种上进行传输,其调制值是一组PN码的放大∞ostedBPSK调制。前导码的载波集定义如下Pr8口m6跆C矗r一8船e乙开3J} 1-1该式定义了前一个前导码所包含的子载波索引,其中nO2,_i}0567。不同的扇区sc翟皿ent使用不同的前导码载波集,扇区0使用载波集O,扇区l使用载波集1,扇区2使用载波集2。此外,每种载波集包含多组PN码,对应不同的Dccll值,具体的各种PN码参见802.16标准‘11【2】。帧控制头FcHFr锄e Con缸ol H%d包含帧的结构信息,如MAP消息的长度,编码模式,以及可使用的子信道信息。DoMAP和uLMAP分别为下行传输子帧和上行传输子帧提供子信道分配信息以及其他的一些控制信息。上行RangiⅡg子信道UL Rang.mg用于对移动端MSmobile咖血ons进行时间、频率和功率的闭环调整,以及带宽请求。DL方向的子信道分配方式为PUSC和FUSC,PUSC是只将部分子信道分配给该发送端,Fusc是将所有子信道都分配给该发送端。Fusc和PUsc的子载波分配方式也不同,FusC是首先分配导频子载波,然后把剩余的子载波划分为子信道传输数据;PUSC则是首先将可用的所有子载波划分成子信道,然后再单独给每个子信道分配导频子载波。标准中将具有相同子载波分配方式的一个或多个OFDMA符号称为域zone。图1.3所示为TDD模式包含多个域的OFDMA帧结构,其中DL P蹦lBa∞由MAc层给定。在下行子帧DL sub觎mc中最多可包含8个Zone。雌悯;辨;引≮≤圣三兰27~一r¨{LⅢ』图1.4包含多个域的OFDMA帧葛舄 己已 重 子MI埘叩pc缸in删efy 胁cM町叩哕m“臼y 锄e第一章绪论 7mEE802.16e物理层的技术特点包括1.在物理层采用正交频分复用,实现高效的频谱利用率。2.双工方式支持时分双工11D、频分双工FDD,同时也支持半双工频分双工mDD。FDD需要成对的频率,TDD则不需要,而且可以实现灵活的上下行带宽动态分配。半双工频分双工方式降低了终端收发器的要求。3.可支持移动和固定的情况,移动速度最高可达120妇儿。4.带宽划分灵活,系统的带宽范围为1.25Ⅻz~20MHz,mEE802.16e规定了几个系列的带宽1.25MHz的倍数系列、1.75MHz的倍数系列。其中1.25MHz倍数系列包括1.25瑚z、2.5MHz、5眦z、10Ⅻz、20瑚z等,1.75姗z倍数系列包括1.75MHz、3.5MHz、7Ⅷz、14M}Iz等。5.使用先进的多天线技术提高系统容量和覆盖范围。6.采用混合自动重传饵ARQ技术。混合自动重传操作中融合了前向纠错FEC的功能,使得每一次分组包的发送操作都能够为最终的正确解码做出贡献。主要分为两类追赶合并和递增冗余。7.采用自适应调制编解码舢订C技术。AMc根据接收信号的质量,随时调整分组包的调制方式、编码方式、编码速率,使得系统在能够达到足够的可靠性的基础上,使用尽可能高的数据传输速率。8.采用功率控制技术,目标是最大化频谱效率,而同时满足其他系统指标。9.采用先进的信道编码技术增加通信质量,扩大覆盖范卧5】’1.3论文的主要内容及安排本文的研究工作主要是围绕“基于IEEE802.16e标准的0FDM信道估计技术”这个课题而展开的。无线信道具有时变和频率选择性衰落的特性,如果不作信道估计,则接收机无法得知信号的衰落特性。此外,信道估计技术也是高速率、高性能oFDM系统的关键技术。目前,0FIM系统信道估计方法主要有两大类一类称为导频辅助调制PsAM方法,即在oFDM符号中加入已知的导频序列或训练序列前导码,接收端根据导频的畸变情况而获得整个符号上的信道衰落情况;第二类称为盲估计方法,它不使用导频信息,通过使用相应的信息处理技术获得信道响应的估计值。盲估计方法虽然可以使系统效率提高,但是它需要大量的数据作统计,复杂度和延时都很大,所以一般采用一定的导频作信道估计,这样可以更好的跟踪无线信道的变化,提高接收机性能。本论文就是针对mEE802.16e标准下0FDM系统的导频方案,研究PsAM信道估计方法在FBWA系统环境下的性能。基于mBE802.16e标准的OFI M信道估计技术研究与实现论文的安排如下第一章绪论。对砸EE802.16标准进行了简略介绍,重点对ⅢEE802.16e物理层的相关标准进行了概括说明,并总结其主要技术特点。第二章oFDM系统的基本原理。包括基本模型,实现方法,循环前缀和保护间隔的使用等随后总结概括了OFDM的优缺点。第三章oFDM系统中的信道估计技术。介绍了0FDM信道估计的意义和分类,分析了OFDM信道估计的几种常用准则Ls,MMsE,【删sE,重点对基于导频的信道估计方法作出了总结和分析。第四章设计了802.16e-oFDMA上行链路仿真平台,实现了上行Pusc模式下的oFDM系统的线性插值,sinc插值和二维拟合三种信道估计技术,并进行了仿真性能测试和比较。第五章设计了802.16e-OFDMA下行链路仿真平台,实现了下行PUSC模式下oFDM系统的线性插值,基于3阶插值和线性拟合三种信道估计技术,并进行了仿真性能测试和比较。第六章全文总结。第二章OFDM基本原理及关键技术 9第二章OFDM基本原理OFDM是一种无线环境下的高速传输技术,其基本原理就是把高速的数据流通过串并变换,分配到传输速率较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道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的影响。2.1.1 0FDM系统的基本模型一个oFDM符号之内包含多个经过相移键控PsK或者正交幅度调制QAM的子载波。其中,Ⅳ表示子载波个数,r表示oFDM符号的持续时间,面fo,1,2,Ⅳ一1是分配给每个子信道的数据符号,Z是第f个子载波的载波频率,矩形函数,耐f1,H≤叫2,则从fr,开始的oFDM符号可以表示为‘日srRe{芝吐删卜‘一%cxp[_,2硝rf,]}‘s rs‘rsfo f丁‘ 2.11一旦将要传输的比特分配到各个子载波上,某一种调制模式则将它们映射为子载波的幅度和相位,通常采用等效基带信号来描述oFDM的输出信号∞篓4删㈠一%唧陋;㈠归≤‘丁占fo f丁‘ 2.2其中sf的实部和虚部分别对应oFDM符号的同相和正交分量,在实际系统中可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘,构成最终的子信道信号和合成的oFDM符号。图2.116l给出了oFDM系统的基本框图,其中ZZf/r。在接收端,将接收到的同相和正交分量映射回数据信息,完成子载波解调。
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