1、IEEE802.11ah 物理層鏈路性能仿真研究學 生： 學 號： 指導老師： 專 業： 完成年月： 目錄53摘要3Abstract4第一章 緒論51.1 無線局域網的發展與現狀51.2 無線局域網頻段選擇51.3 課題研究目的、方法及意義6第二章 IEEE802.11ah 物理層規范72.1 802.11 物理層概述72.2 802.11ah 應用案例82.3 802.11ah 新增技術82.4 信道特點102.4.1 典型信道模型102.4.2 信道分布112.4.3 信道傳輸規范122.5 S1G PLCP 子層技術規范122.5.1 >=2 MHz 模式下的物理層132.5.2

2、1 MHz 模式下的物理層162.5.3 空間多路復用182.5.4 子載波規劃18第三章 IEEE802.11ah 的 OFDM 關鍵技術193.1 OFDM 概述193.2 OFDM 的基本原理模型193.3 OFDM 的 FFT/IFFT 實現203.3 802.11ah 的 OFDM 基帶收發原理213.3.1 基帶發射機213.3.2 基帶接收機同步253.3.3 基帶接收機均衡與解調26第四章 IEEE802.11ah 物理層仿真平臺274.1 Simulink 簡介及其在通信領域中的應用274.1.1 MATLAB/Simulink 概述274.1.2 使用 SIMULINK 進

3、行 11ah 基帶系統設計274.2 GUI 界面制作294.3 信道模型及工作頻段對系統影響的仿真分析314.3.1 瑞利信道模型仿真314.3.2 BER 誤差原因分析334.4 調制編碼方式對系統影響的仿真分析334.4.1 調制方式對系統傳輸性能的影響334.4.2 編碼方式對系統傳輸性能的影響344.5 鏈路預算354.5.1 兩種典型的路徑損耗模型364.5.2 預算及結果分析37第五章 總結與展望41英文文獻42英文文獻翻譯中文47致謝51參考文獻52摘要IEEE802.11 系列標準及 WIFI 技術作為一種低成本無線近距離接入手段，被廣泛應用在教育科研和醫療衛生等領域。目前，

4、IEEE802.11ah 工作組開始考慮利用 900MHz 等 1GHz以下頻段，進行 WIFI 技術的擴展研究。該技術旨在利用低頻段實現較長距離傳輸，可廣泛應用于電力、儀表等特種行業。論文結合正在制定的 IEEE802.11ah 標準在物理層進行理論調研。在了解其物理層技術規范的基礎上，使用 MATLAB 的 GUI 及 Simulink 平臺搭建 OFDM 物理層鏈路傳輸系統， 結合鏈路預算，對鏈路性能進行理論分析和評估，全面驗證其傳輸距離長、可靠性高等優越性能。為后續緊跟 WIFI 最新標準的制定，做好技術準備。其中，仿真鏈路主要包括擾碼、卷積編碼、交織、星座映射、IFFT、插前導和循環

5、前綴、瑞利信道、信道估計與均衡等功能模塊。重點測試了 1MHz/32FFT 模式下，信道模型、工作頻段及調制編碼方式對鏈路性能的影響。關鍵詞：IEEE802.11ah，OFDM，物理層，Simulink，性能評估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 緒論1.1 無線局域網的發展與現狀無線局域網是利用電磁波在空氣中發送和接受數據，而無需線纜介質連接形式的網絡。它是對有線連網方式的一種補充和擴展，具有安裝簡易、靈活性高、容易維護、易于擴展等優勢1。IEEE802.11 系列標準及 WIFI 技術中作為一種低成本的無線近距離接入手段，已經越來越為市場所廣泛接受。WIFI 技術歷經十余年的研究，目前仍然在向前發展中，滿足不斷增長的帶寬需要。IEEE 802.11 工作組研究和標準化了完整的 WIFI 技術體系

11、，涵蓋物理層核心標準、頻譜資源管理、視頻車載應用等多方面的一系列標準。圖 1 WIFI 標準的演進過程目前，IEEE802.11 工作組開始考慮利用 1GHz 以下的頻譜，進行 WIFI 技術的擴展研究，標準化項目是 IEEE802.11ah。該項目在 802.11ac 和 802.11n 基礎上演進而成，是正在制定的新一代無線局域網標準，有望成為 WLAN 主流技術之一。1.2 無線局域網頻段選擇ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，是由 ITU-R （ITU Radio Communication Sector， 國際通信聯盟無線電通信局）定義的。此頻段

12、主要是開放給工業，科學、醫學這三個主要機構使用，屬于 Free License，無需授權許可，只需要遵守一定的發射功率(一般低于 1W)， 并且不對其它頻段造成干擾即可。常用的 ISM 頻段如下：表 1 常用 ISM 頻段分布頻率范圍（Hz）中心頻率（Hz）可行性6.7656.795 MHz6.780 MHz取決于當地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取決于當地122123 GHz122.5 GHz取決于當地244246 GHz245 GHz目前，無線局域網一般選用 ISM 2.4 GHz 和 5 GHz 等作為工作頻段。ISM 2.4 GHz 頻段的優勢是不需付費，在室內環境中抗衰減能力強，劣勢是許多設備用的都是 2.4 GHz，所以干擾很多，不能保障足夠的穩定性。而 5 GHz 頻段最大的優勢是目前應用較少，很多國家都是需要申請許可的，所以干擾非常小，能保障傳輸的質量；但是缺點也很明

14、顯，其傳輸距離較短，室內的抗衰減能力弱。為進一步延伸傳輸距離、提高穩定性，IEEE802.11ah 工作組開始考慮擴展工作頻段， 利用 1GHz 以下頻段（即 S1G 頻段）實現遠距離穩定數據傳輸。1.3 課題研究目的、方法及意義IEEE802.11ah 旨在利用 900MHz 頻帶等 1GHz 以下的頻段實現無線局域網傳輸2，所以具有傳輸距離較長、可靠性較高等優勢，可廣泛應用于電力、儀表等特種行業。論文結合正在制定的 IEEE802.11ah 標準技術規范在物理層進行理論調研，總結提煉出其在 IEEE802.11 基礎上的技術演進，并借助 MATLAB 的 Simulink 平臺搭建 OFD

15、M 物理層鏈路傳輸系統，進一步驗證調制編碼方式、信道模型及工作頻段對傳輸性能的影響。面對物聯網、智能電網等應用在擴展傳輸距離、降低速率、增多支持站點等多方面的需求，IEEE802.11ah 技術標準應運而生。目前該技術研究處在剛剛開始的階段。對該課題的研究有助于了解國際標準化相關工作和掌握無線通信物理層基本技術，這為以后緊跟標準制定、提出可行性方案等相關工作奠定基礎。第二章 IEEE802.11ah 物理層規范2.1 802.11 物理層概述IEEE802.11 系列標準主要規范了 MAC 層及物理層的各項技術指標3。MAC 層主要作用：為用戶在不可靠媒介上提供可靠的數據傳輸。它有兩種訪問機制

16、， 一種是基于競爭的訪問機制，也稱分布式協調功能 DCF(Distribution Coordination Function)； 另一種是基于集中控制的訪問機制，也稱集中協調功能 PCF(Point Coordination Function)。物理層作用：為設備間的數據通信提供傳輸媒體及互連設備，并為數據傳輸提供可靠的環境。物理層被分成兩個子層：物理層匯聚過程子層（PLCP）和物理媒體相關子層（PMD）。PLCP 功能：結合來自 MAC 層的幀與空中所傳輸的無線電波，同時在幀頭添加標頭。PMD 功能：將 PLCP 傳來的每個位利用天線傳送至空中。表 2 幾種常見的物理層技術對比4物理層技術

17、工作頻段提供速率信道頒發時間802.11DSSS 、FHSS2.4GHz1Mbps,2Mbps3 個 2.4 GHz 互不重疊頻帶1997802.11aOFDM5.8GHz6, 9, 12, 18, 24, 36,48 和 54 MbpsUNII 頻道內的 12個 5 GHz 互不重疊頻帶1999802.11bHR/DSS S2.4GHz1,2,5.5,11Mbps3 個 2.4 GHz 互不重疊頻帶1999802.11gOFDM2.4GHz6, 9, 12, 18, 24, 36,48 和 54 Mbps3 個 2.4 GHz 互不重疊頻帶2003802.11nMIMO、OFDM2.4GHz

18、/5GHz1,2,5.5,6,9,11,12,18,24,36,48 和54 Mbps兩種2009由上表可知，無線局域網正朝著更高帶寬和更高移動性的方向發展。物理層關鍵技術是 OFDM 和 MIMO 技術。2.2 802.11ah 應用案例下表顯示了已經被 IEEE802.11ah 工作組通過的應用案例5：表 3 802.11ah 應用案例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 主要應用在智能電網、智能運輸系統、檢測系統等場景中。相比 WIFI 技術，它的主要特點是傳輸距離較遠（至少 1km）；傳輸速率較低（大

21、于 100kbps 即可）；較長的電池使用壽命（至少 1 年）；支持終端數較多（一般為 6000 個以上）；能維持 WLAN固定、戶外或者點對多點等應用的用戶體驗，因而常被稱為 WIFI 的擴展。2.3 802.11ah 新增技術IEEE802.11ah 修正案定義了工作在 1 GHz 以下的免許可頻段的 OFDM 物理層，增強了 802.11MAC 層，使之與物理層相匹配。同時，它還提供了和其他系統（包括 IEEE 802.15.4 和 IEEE P802.15.4g）的共存機制 2。本節主要討論物理層技術細則。面對傳感網、智能電網等應用的不斷普及，對擴展傳輸距離、支持更多站點同時工作、無需

22、傳輸很大數據包等方面的需求日益緊迫。針對這些需求，IEEE802.11ah 工作組在物理層做了如下技術改進，從而在傳輸距離和數據流量之間尋找新的權衡。（1）OFDM 符號重復排列體制主要目的：擴展覆蓋范圍。智能運輸系統、監視系統等應用中對擴展無線數據傳輸距離提出新的要求，希望達到1km 以上覆蓋范圍。針對此需求，標準提出了 OFDM 符號重復排列體制。這有利于提高發送功率增益和接收分集增益。主要包括 2 倍和 4 倍兩種重復傳輸模式。（2）使用 S1G 低頻段主要目的：滿足 100kbps 低速率傳輸要求。無線傳感網中不需要傳送很大的數據包，對傳輸速率沒有很高的要求，因而 802.11ah 工

23、作組對 802.11ac 物理層技術規范進行降低時鐘處理（降低 10 倍）。但傳輸速率的下降使得前導中訓練序列的開銷增加。為此，需要進一步縮短防護時間 SGI（比如由 800ns 降為400ns）和幀間間隔（Slot time = 45us SIFS time = 80us DIFS time = 170us）。（3）MIMO 技術主要目的：支持 6000 個左右的站點同時工作。醫療保健系統、物聯網等應用中希望支持的 6000 個左右的站點同時工作，這相比于WIFI 中支持的 2700 個站點有所增加。為此，標準采用增加空間流（不超過 4 個）的方式來擴展網絡容量。同時，PLCP 幀格式也要做

24、相應的變更。（4）增強型調制編碼方式 JCMD 主要目的：擴展覆蓋范圍、節能。JCMD 是一種旋轉調制方式，可顯著提升信噪比，它聯合了信道編碼的時域分集、MIMO 技術的空間分集和 OFDM 的頻域分集。這意味著，系統可以具有更低的發送功率和更廣的覆蓋范圍。此外，標準還定義了 256QAM 這種更高效的可選調制方式。（5）DFTS-OFDM主要目的：降低峰均比，節能。這種調制方式具有比 OFDM 更低的峰均比（PAPR），更優的誤碼性能，輸出退避較小時具有較少的相鄰信道能量泄露。這是一個可選功能，只可應用在數據域。2.4 信道特點信道特性主要由以下參數決定：路徑損耗、陰影、時延彌散、角分散、多

25、普勒效應等。由于 11ah 的信道特點和干擾顯著不同、路徑損耗隨頻率變化、陰影和鏡面反射影響不同、時延擴展有很大不同、900MHz 頻段的部署方案不同。基于以上原因，IEEE802.11ah 工作組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 簡單 SISO（單入單出）多徑信道模型步行 A，步行 B，車載 A 和典型都市 4 種模型作用：用來評估和選擇基礎物理層特性及參數，比如前導域值、OFDM 參數、編碼調制方式等。2 空間信道模型 SCM (Spatial Channel Models)作用：用于評估 11ah 物理層鏈路性

26、能。兩種常用的仿真場景：1. 所有信道以 3km/h 速度傳輸的空間信道模型。2. 第四個信道以 60km/h 速度傳輸，而其余信道以 0km/h 傳輸的空間信道模型。（2）室內信道模型：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) 是在參考距離 d0 時的路徑損耗；Xq 是指因具體障礙物 q 產生的額外衰減，在多樓層場景下這可被視作樓層障礙物因素FAF（floor attenuation factor）；Xs 是對數模式下的陰影衰落通常按 Xs dB=N(0, sS)分布, Xs表示標準差為sS， 以 dB 為單位的零均值高斯隨機變量。2.4.2 信道分布表 4RMS 時延擴展參數室外場景RMS DS(ns)室內場景RMSDS(ns)SCM UMi250TGn A0SCM SMa170TGn B15SCMUMa650TGn C30TGn D50TGn E100TGn F150IEEE802.11ah 在中國

28、的信道分布如圖 2 所示6，各國工作頻段分布如圖 3 所示：圖 2 IEEE802.11ah 規定的中國使用頻段圖 3 IEEE802.11ah 各國工作頻段規定2.4.3 信道傳輸規范11ah 草案中的規范應支持的 1 MHz 傳輸規范如下：在 2 MHz 的基站子系統中，1 MHz 波形只允許放在低頻段。在 4/8/16 MHz 的基站子系統中，當主要的 2MHz 位于整體頻段的低端，則 1MHz 波形只允許放在 2MHz 主信道的高頻段；當主要的 2MHz 位于整體頻段的高端，則 1MHz 波形只允許放在 2MHz 主信道的低頻段；當主要的 2MHz 位于整體頻段的中間，則 1MHz 波

29、形位置待定。2.5 S1G PLCP 子層技術規范IEEE802.11ah 工作在 S1G 頻段，其幀時隙如圖 4 所示，其中 STF 和 LTF 域主要實現系統同步、信道估計、頻偏估計、自適應控制（AGC）等功能，SIG 域則主要定義了調制編碼方式、數據長度、傳輸速率等。圖 4 S1G PLCP 幀格式2.5.1 >=2 MHz 模式下的物理層2.5.1.1 采用短前導單用戶開環數據包的一般結構與 802.11n 標準中的 green field 前導類似，具體如圖 5所示:圖 5 >=2 MHz 模式的短前導幀格式各域定義如下：STF 域使用與 802.11n 中相同的子載波設

30、計。在每個 2 MHz 頻段，STF 占用 12 個非零子載波 ±4 ±8 ±12 ±16 ±20 ±24 。非零子載波通過 P 矩陣的第一列映射為時空流，與 11n GF preamble 采用同樣的方式。𝑆𝑇𝐹𝑘𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄𝑘 𝐷(𝑘) 𝑃1𝑥𝑘𝐶𝑆⻒

31、3;𝑄𝑘：第 k 個子載波上，大小為𝑁𝑇𝑋 × 𝑁𝑆𝑇𝑆的空間映射矩陣。𝐶𝑆𝐷𝐷(𝑘) ：第 k 和子載波上，大小為𝑁𝑇𝑋 × 𝑁𝑆𝑇𝑆的對角 CSD 相移矩陣。𝑥𝑘：第 k 個子載波上的非零 STF 值。LTF

32、 域將>= 2MHz PPDUs 的 LTF 域定義成與 11ac 中相同 FFT 大小的 VHTLTF 符號一致。這也適用于長前導幀格式的 LTF1 和 D-LTFs 域。和11n green field preamble 中的一樣，在 LTF 的數據載波上，N𝑆𝑇𝑆個時空流利用矩陣P，映射成N𝐿𝑇𝐹個 LTF。𝐿𝑇𝐹1𝑘, 𝐿𝑇𝐹2𝑘, , 𝐿&#

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

34、865;11114×4𝑃= | 1111 |11111111𝑠𝑘：第 k 個子載波上的 LTF 導頻符號，值為 1 或-1。SIG 域SIG 域由 2 個符號組成，和 11n GF preamble 一致，采用 PSK 調制方式。𝐶𝑆𝐷48 個數據子載波占據 2 MHz 子頻段的 -26:26，采用 1n/11ac MCS0 調制方式。和 11n GF preamble 一致，數據子載波利用矩陣 P 的第一列被映射到多時空流。𝑆𝐼𝐺w

35、896;𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄𝑘𝐷(𝑘) 𝑃1𝑑𝑘2.5.1.2 采用長前導長前導結構使用“混合模式”，此幀格式可用于多用戶和 SUBF 。Omni 部分圖 6 >=2 MHz 模式的長前導幀格式SIGA 域有 48 個子載波，占據-26:26。STF/LTF1/SIG 域在每個子載波應用單流。𝑥𝑘𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄&#

36、119896; 𝑁𝑇𝑋×1𝑑𝑘𝑄𝑘：包含時域 CSD 中第 k 個子載波上的相移。SIG 子域定義有別于短前導，且 SIG 域的兩個符號分別采用 QBPSK 和 BPSK 調制。Data 部分D-STF 和降低時鐘的 11ac VHT-STF 一樣。D-STF, D-LTFs 和 SIGB 采用與 11ac 多用戶包一致的調制方式。所有的用戶最多使用4 個時空流。2.5.1.2 長、短前導的自動檢測對于>=2MHz 長、短前導數據包，第一個 SIG 符號常采用 QBP

37、SK 調制，常用于檢測1MHz 和 2MHz 前導。第二個 SIG 符號用于檢測長、短前導。圖 7 長、短前導和 1MHz/2MHz 的自動檢測4/8/16 MHz 幀格式對于 4MHz, 8MHz, and 16MHz 數據包，STF/LTF/SIG 域的設計和 11ac 40/80/160MHz類似。每個 2MHz 子頻段 STF/SIG 域需進行重復和相位旋轉。>=2MHz 的 SIGB 域內容如表 5 所示：表 52MHz SIGB (長前導)BW (MHz)24816MCS4444Tail6666CRC8888Reserved891111Total26272929>=2M

38、Hz 的 SIG 域內容如表 6 所示：表 6 2MHz SIGASUMULength/ Duration99MCS4BW22Aggregation1STBC11Coding25SGI11GID6Nsts28PAID9Ack Indication22Reserved54CRC44Tail66Total48482.5.2 1 MHz 模式下的物理層對于 32 FFT 變換，802.11ah 技術參數應使用如下 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 是歸一化因數 = 2.4 ，對于 MCS0 rep21.7，其他LTF 序列子載波索引為-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對于 1MHz 單用戶開環包，802.11ah 草案規范應有通用前導結構如圖 9 所示：圖 9 1MHz 模式的前導幀格式802.11ah 草案規定 1MHz SIG 域采用 BPSK-rate ½ -rep 2 調制方式，且不支持多用戶， 具體內容如表 7 所示：表 7 1MHz

40、模式下 SIG 域內容表述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 空間多路復用數據 PPDU 傳輸過程中的時空流的最大數目 NSTS4。在任何 IEEE802.11ah 中，短保護間隔 GI 始于第二個數據符號，第一個數據符號為長保護間隔。2.5.4 子載波規劃>= 2MHz 物理層與 11ac 中相應大小的 FFT 具有相同的載波規劃。1 MHz 物理層的子載波分配如下：24 個數據子載波，序號+/-7 處有 2 個導頻子載波，防護子載波在左邊有 3 個，右邊有2 個，和 1 個直流子載波。圖 10 1 MHz 物理層子載波分配第三章 IEEE802.11ah 的 OFDM 關鍵技術3.1 OFDM 概述OF

43、DM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）技術經常被我們稱為正交多載波調制技術，可以實現移動信道中高速、高質量傳輸數據，在寬帶領域具有極大的應用潛力。OFDM 由大量在頻率上等間隔的子載波構成（設共有 N 個子載波），各載波可用同一種數字調制方法，或不同的載波使用不同的調制方法，將高速串行數據分成多路并行的低速數據加以調制。所以 OFDM 實際上是一種并行調制方案，將符號周期延長 N 倍，從而提高了抗多徑衰落的抵抗能力。在傳統的頻分復用中，各載波的信號頻譜互不重疊，頻帶利用率較低。而在 OFDM 系統中，各于載波在整個符號周期上是

44、正交的即加于符號周期上的任何兩個載被的乘積等于零，因此各于載波信號頻譜可以互相重疊，大大提高了頻帶利用率。由于 OFDM 系統中的載波數量多達幾百上千，所以在實際應用中不可能使用幾百個振蕩器和鎖相環進行調制。因此，提出了用離散傅里葉變換（DFT）實現 OFDM 的方法。隨著數字信號處理技術(DSP)的飛速發展，采用快速傅里葉變換 FFT，利用現有的高速數字信號處理芯片實現 OFDM 的調制與解調，非常方便，又可大大降低系統成本。3.2 OFDM 的基本原理模型OFDM 的基本原理就是把串行的數據流分解成若干個數據速率低得多的并行子數據流，每個子數據流再去調制相應各個正交的子載波，最后把各個子載

45、波上的信號疊加合成一起輸出。OFDM 系統的基本原理如圖 11 所示：圖 11 OFDM 系統的基本原理圖從上圖可以看出，OFDM 的發送端的基本原理就是把輸入數據經過串并變換成 N 路子信道數據，然后分別調制相應各個正交的子載波后疊加合成一起輸出。而在接收端則用各個子載波分別混頻和積分得到各路數據，經過并串變換便輸出原始數據。3.3 OFDM 的 FFT/IFFT 實現從上面對 OFDM 基本原理的論述可以看出：其實現的根本思想是通過串并變換把串行的高速數據流變成并行的低速數據流，實現的關鍵點是保證各個子載波之間的正交性。串并變換是很容易實現的，而正交性是如何實現的呢?下面先看看 OFDM

46、信號的表達式。N1is(t) = diej2T(tts)i=0ts t ts + T在上式中令ts = 0，對信號s(t)以 TN 的速率進行采樣即令 t=kTN(k=0，1,2 N-1)，可以得到：N1j2ikSk = dieNi=00 k N 1可以看到Sk可以看作對di進行離散傅立葉反變換 1DFT 運算。同樣在接收端為了恢復出原始的數據符號di，對Sk進行反變換，即進行離散傅立葉變換 DFT 得到：N1j2ikdj = SkeN k=00 i N 1根據以上的分析可以看出，OFDM 系統的調制和解調可以分別由 IDFTDFT 完成。通過 N 點 IDFT 運算，把頻域數據符號di變成時

47、域數據符號Sk，經過射頻載波調制之后， 發送到無線信道中。其中，每一個 IDFT 輸出的數據符號Sk都是由所有子載波信號經過疊加而生成，即對連續的多個經過調制的子載波的疊加信號進行抽樣得到的。這樣通過 DFT 的方法來實現 OFDM 有很大的好處，它大大簡化了調制解調器的設計，使用 IDFTDFT 便可完成了多路子載波的調制和解調，而且 IDFTDFT 早就有了成熟的快速算法 IFFT FFT，它可以方便的在 DSP 芯片中實現。圖 12 OFDM 信號正交性的時域表示這種正交性也可從頻域得到更直觀的體現。因為每個 OFDM 符號包含了多個非零的子載波，因此其頻譜可以看作是周期為 T 的矩形脈

48、沖的頻譜與各個子載波的脈沖響應函數t 的卷積，圖 顯示了 OFDM 信號頻譜中各個子信道頻譜的情況其中每個子信道的頻譜為Sinc 函數，它在中心頻率處有最大值，在 1/T 的整數倍頻率上的值為零7。這樣，在每個子載波的頻譜最大值處所有其他子載波為零，在解調時，需要計算各個于載波頻譜的最大值， 只要保證各個子載波的頻率沒有偏移，就可以準確的解調出每個子信道上的數據而不受其他子信道的影響。圖 13 OFDM 信號正交性的頻域表示在 OFDM 信號頻譜中，由于各個子信道頻譜相互重疊，OFDM 信號的帶寬是進行一般頻分復用信號帶寬的一半即頻譜利用率提高了一倍。這是 OFDM 給我們帶來的最大好處之一口

49、8。3.3 802.11ah 的 OFDM 基帶收發原理3.3.1 基帶發射機IEEE802.11ah 物理層相比于 802.11a 物理層發送端模塊的變化：1. 根據是否采用 repetition 機制決定是否增加 2x block-wise repetition 模塊。2. 根據是否采用NSS 空間流決定是否增加 stream parser 模塊。3. 根據是否要增強傳輸穩定性增加 STBC & spatial mapping 模塊。3.3.1.1 rep2 模式下的發射機來自MAC層的待發信號PilotsymbolsSTF LTFInterleaver2x block-wise

50、repetitionEncode & punctuationScramble并轉串Windowing GI&IFFT串轉并D/ A BPSKmapper圖 14 1MHz 802.11ah OFDM 發射機框圖802.11ah 技術規范應采用 MCS0 rep2 作為 1 MHz 的最低傳送速率，此時 NSS=1。發射機各模塊功能詳述（1） Scramble 模塊功能：不增加冗余，使信號具有白噪聲統計特性，防止出現長時間的連0或連1，影 響后級的編碼性能。原理：生成矩陣：S(x) = x7 + x4 + 1圖 15 擾碼模塊原理圖（2） Encode & punctua

51、tion 模塊功能：以最少的監督碼元為代價，換取最大程度的可靠性提高。原理：圖 16 1/2 卷積編碼器原理圖1/2 卷積編碼采用下面兩種生成矩陣：g0 = 1338 g1 = 1718，刪余后得到指定速率。（3）2x block-wise repetition 模塊“2x block-wise repetition”模塊針對每個 OFDM 符號執行。Cout = C1.C2NDBPS , C1.C2NDBPS ，其中C1.C2NDBPS是前向糾錯編碼輸出比特位的每個符號。（4） Interleaving 模塊功能：按照一定的算法將數據流中的位打亂，避免由于噪聲引發的錯誤 bit 過于集中，

52、以降低誤碼率（PER 得到很大改善）；而分散的錯誤 bit，將可以由 FEC 解碼器糾正。原理：第一級：相鄰比特 映射到 不相鄰子載波上按行寫入，按列讀取。第二級：相鄰比特 映射到 星座圖重要和次要的星座點上。（5） Mapper 模塊功能：將經過位交錯的空間流，按照指定的調制方式（QAM-64 等）映射為星座圖上的點。點采用復數表示，即將一個空間流轉換為 I、Q 兩路基帶信號。原理：一串數據 映射成 由實部和虛部組成的兩串數據。注意點：為使所有映射點具有相同的平均功率，分別乘以歸一化系數（6）插導頻模塊功能：對參考相位進行跟蹤 OFDM 符號的導頻符號需要改變極性（7）IFFT 模塊功能：將

53、經過映射的星座點變換為時域波形。（8）加循環前綴&加窗功能：對抗 ISI/ICI&通過特定的濾波器，使符號的邊沿變得平滑，從而使信號的頻譜集中于規定的范圍內。加快符號帶外衰減，抑制旁瓣。原理：連續：Tg > max（信道最大多徑時延擴展）g離散：L > NmaxT3.3.1.2 非重復模式下的發射機11ah 常規發射機框圖采用非重復的調制編碼方式，如圖 17 所示。圖 17 非重復模式發送原理框圖新增功能模塊詳述（1）編碼分配器將經過擾碼的串行數據流分解為 N_ES（Number of FEC encoders ）個數據流，輸出到N_ES 個 FEC 編碼器中。分配

54、的算法為 Round Robin 算法。（2）流分配器收集 FEC 編碼器的輸出分解為 NES 個數據流（先分組、后以 Round Robin 算法分配），進入 NES (Number of spatial streams，由 MSC 表決定)個交織器。輸入 N_SS 交織器的數據流即被稱為“空間流”， NES in the MCSs of 2/4/8/16MHz 和 11ac 的相同。（3） STBC 編碼器各映射器輸出的星座點由 STBC 編碼器編碼，將空間流 SS 轉化為空時流 STS，是一種增強傳輸穩定性的編碼方式。（4） Cyclic shift (CSD) insertionpre

55、vents unintentional beam-forming.（5）空間流映射器將空時流映射到發送鏈路（與一個控制矩陣相乘）。3.3.2 基帶接收機同步基帶接收機的同步主要包括以下 3 種：1) 定時同步2) 載波頻率同步：粗同步、細同步3) 采樣時鐘同步表 8 基帶接收機同步功能塊功能模塊功能原理備注分組檢測監測信道有無新數據到達延時相關加長度保持算法利用訓練信息完成載波同步保證子載波間的正交性短/長訓練符號 估算頻差：625kHz 和156.2 kHz符號同步對單個 OFDM 符號開始/結束的精準定時相關運算：連續監測9 個峰值采樣頻率同步補償收發 A/D 晶振的差異利用導頻完成剩余相

56、位跟蹤補償載頻殘余偏差引起的相位偏移（星座圖旋轉）數據輔助法3.3.3 基帶接收機均衡與解調A/DOFDM 基帶接收機相當于發送機的逆過程，具體實現框圖如下：串轉并FFTDe- scrambleViterbi decodeDe- interleaveDe- mapping信道估計并轉串圖 18OFDM 基帶接收機框圖重要模塊簡介：1) 頻域信道估計域均衡作用是：消除子載波引入的相位旋轉。主要步驟如下：a) 提取 LTSb) 𝐻 = 𝑅𝑅𝐿𝑇𝑆 × 𝐿𝐿𝑇𝑆c) 𝑅 = 𝑅 × 𝐻2) 解調a) 復數信號𝑅 映射為 二進制比特流b) 𝐸𝑅𝐿𝑇𝑆 = &