同步通信原理

OFDM系統(tǒng)基本模型一個OFDM符號之內(nèi)包含多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號，其中每個子載波都可以受到相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)鋅IIJ(QAM)符號的調(diào)制。如果Ⅳ表示子信道的個數(shù)，T表示OFDM符號的寬度，di(i=o，1，．．．，Ⅳ一1)是分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，Z是第。個子載波的載波頻率。rect(t)=1，ItI≤r／2，則從㈦t≤r／2開始的OFDM符號復(fù)等效基帶信號可以表示為OFDM調(diào)制要求子載波間完全正交，所以每個子載波在一個OFDM符號周期r內(nèi)需包含整數(shù)倍個周期，而相鄰子載波的頻率間隔Ⅳ是OFDM符號周期丁的倒數(shù)，即af=l／r?？梢宰C明得到oFDM信號的頻譜實際上是滿足奈奎斯特準(zhǔn)則的，即多個子載波之間保持正交，不存在相互干擾。保護(hù)間隔(GI)和循環(huán)前綴(CP)應(yīng)用OFDM的一個最主要原因是它可以有效地對抗多徑時延擴(kuò)展。通過把輸入的數(shù)據(jù)流串并變換到Ⅳ個并行的子信道中，使得每個用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號周期可以擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號周期的Ⅳ倍，因此時延擴(kuò)展與符號周期的比值也同樣降低Ⅳ倍。為了最大限度消除符號間干擾(ISI)，還可以在每個OFDM符號之間插入保護(hù)間隔(guardinterval，GI)，而且該保護(hù)間隔長度I一般要大于無線信道的最大時延擴(kuò)展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。為了消除由于多徑造成的信道間干擾(ICI)，OFDM符號需要在其保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴(cyclicprefix，CP)信號。這樣就可以保證在FFT周期內(nèi)，OFD符號的延時副本內(nèi)所包含的波形的周期個數(shù)也是整數(shù)。這樣，時延小于保護(hù)間隔T8的時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生ICI。OFDM技術(shù)優(yōu)缺點OFDM技術(shù)能引起如此多的關(guān)注并得到廣泛的應(yīng)用，是因為其具有很多優(yōu)點：(1)有效減小ISI。把高速率數(shù)據(jù)流通過串／并變換，可以有效減少由無線信道的時間彌散所帶來的ISI，從而減少了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時甚至可以不用均衡，僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法就可以消除ISI的不利影響；(2)支持非對稱業(yè)務(wù)。OFDM系統(tǒng)通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中上下行的不同速率傳輸，確保物理層支持非對稱的高速率數(shù)據(jù)傳輸；(3)提高頻譜利用率。OFDM系統(tǒng)由于各個子頻帶之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度的利用頻譜資源，當(dāng)子載波數(shù)目很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。但是OFDM系統(tǒng)內(nèi)存在多個正交的子載波，且輸出信號也是多個子信道的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比存在如下缺點：(1)存在較高的峰均功率比(PAPR)。多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致，那么所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，出現(xiàn)較大的峰均功率比，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)性能惡化。(2)易受頻率偏差的影響。OFDM技術(shù)對子載波之間的正交性有嚴(yán)格的要求，但是由于無線信道的時變性，在傳輸過程中出現(xiàn)的頻譜偏移或頻率偏差都會使OFDM系統(tǒng)子載波間的正交性受到破壞，產(chǎn)生子信道的信號互相干擾(ICI)，這種對頻率偏差的敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點之一，也是OFDM系統(tǒng)頻率同步中需要重點解決的問題。MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系統(tǒng)是一項運用于802.11n的核心技術(shù)。802.11n是IEEE繼802.11b\a\g后全新的無線局域網(wǎng)技術(shù)，速度可達(dá)600Mbps。同時，專有MIMO技術(shù)可改進(jìn)已有802.11a/b/g網(wǎng)絡(luò)的性能。該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-InputSingle-Output)系統(tǒng)。MIMOMIMO系統(tǒng)可以簡單的理解為一個多輸入多輸出系統(tǒng)，即有多個發(fā)送天線和多個接收天線的系統(tǒng)。MIMO技術(shù)利用了無線信道多徑傳播的固有特性：在無線通信中，如果在發(fā)射端與接收端采用多天線系統(tǒng)，只要各天線單元間距足夠大，無線信道散射傳播的多徑分量足夠豐富，各對發(fā)送／接收天線單元間的多徑衰落就趨于獨立，即各對等效的發(fā)送／接收天線間的無線傳輸信道趨于獨立，這些同頻率、同時間、同信道特征碼的子信道趨于相互正交。MIMO系統(tǒng)的核心思想是空時信號處理，即在原來時間維的基礎(chǔ)上，通過使用多副天線來增加空間維，實現(xiàn)多維信號處理，獲得空間復(fù)用增益或空間分集增益。因此，M1MO技術(shù)可以視為智能天線技術(shù)的一種擴(kuò)展。M1MO系統(tǒng)不僅可以提供更多的空間分集增益，而且還可以通過信號組合來提供陣列增益。實際上，MIMO系統(tǒng)將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。MIMO系統(tǒng)具有如下幾方面的優(yōu)點：(1)在假設(shè)各天線互相獨立的條件下，多天線系統(tǒng)比單天線系統(tǒng)在信道容量方面有顯著提高。這些增加的信道容量可以用來提高信息傳輸速率，也可以通過增加信息冗余度來提高通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，或者在兩者間獲得一個合理的折衷。(2)空間復(fù)用提高頻譜利用率。(3)利用發(fā)送分集提高系統(tǒng)的傳輸性能。MIMO系統(tǒng)的一個主要特征是，它可以將多徑作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)能利用多副天線所帶來的多條傳輸路徑獲得空間分集增益，從而提高系統(tǒng)傳輸性能。MIMOOFDM系統(tǒng)在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。MIMO技術(shù)利用多天線實現(xiàn)多收多發(fā)，充分利用空間資源，但對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統(tǒng)則依然無能為力。另一方面，OFDM系統(tǒng)利用頻分復(fù)用技術(shù)，提供了一種將頻率選擇性信道變換為平衰落信道的有效方法。OFDM技術(shù)利用串并變換和正交性將信道分成若干正交的窄帶子信道，從時域看是展寬了OFDM符號的持續(xù)時間，變高速數(shù)據(jù)信號為并行的低速子數(shù)據(jù)流；從頻域看是將頻率選擇性信道變?yōu)槠教顾ヂ湫诺馈６鳰IMO系統(tǒng)在平坦衰落信道上可顯著提高信道容量（35）。因此，將MIMO和OFDM相結(jié)合構(gòu)成的MMIOOFDM系統(tǒng)【27,36】可以充分發(fā)揮MIMO和OFDM各自的優(yōu)勢：通過OFDM調(diào)制把頻率選擇性MIMO衰落信道轉(zhuǎn)換成一組并行的平坦衰落信道，再利用MIMO技術(shù)來提高系統(tǒng)信道容量。MIMOOFDM系統(tǒng)主要有兩個發(fā)展方向：一是空時編碼OFDM(Space．TimeCodedOFDM，STC．OFDM)，即OFDM與基于發(fā)射分的空時碼的結(jié)合，它主要利用信道編碼和多天線陣技術(shù)提高系統(tǒng)的抗衰落特性，從而可以在低信噪比下利用多進(jìn)制傳輸，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。二是基于OFDM的空間復(fù)用(OFDM-basedspatialmultiplexingsystems)，即OFDM與貝爾實驗室BLAST系統(tǒng)(分層空時編碼)的結(jié)合，它主要利用無線信道的多徑傳播特性產(chǎn)生并行空間信道，以達(dá)到提高傳輸速率的目的。IEEE802．1ln物理層標(biāo)準(zhǔn)IEEE802．11n物理層【4】結(jié)構(gòu)又被稱為HT(HighThroughput)，即高數(shù)據(jù)吞吐量系統(tǒng).在IEEE802．11n關(guān)于無線局域網(wǎng)的規(guī)定中，其物理層匯聚協(xié)議(PLCP，PhysicalLayerConvergenceProtoc01)采用的是MIMOOFDM調(diào)制的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的基本模式(mandatorymode)占有20MHz的頻寬，天線數(shù)為2根；而選擇模式(optionalmode)則可以占有40MHz的頻寬，天線數(shù)可達(dá)4根。物理層數(shù)據(jù)子載波調(diào)制方式可選用BPSK、QPSK、16QAM或64QAM；前向糾錯編碼(卷積碼)可使用1/22/3、3/4或5/6的編碼速率，在選擇模式下可使用低密度奇偶校驗(LDPC)碼。IEEE802．1ln物理層幀結(jié)構(gòu)IEEE802．11n物理層的PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)包括前導(dǎo)和數(shù)據(jù)兩部分格式如圖所示。IEEE802.11n的前導(dǎo)(preamble)是為了幫助數(shù)據(jù)分組起始點的檢測而設(shè)的，采用前導(dǎo)的不同段完成同步、自動增益控制(AGC)、分集選擇、信道估計等。與IEEE802．1la標(biāo)準(zhǔn)相比，IEEE802．11n數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)是在802．11a數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一些開銷用于MIMO信道檢測，同時為了向下兼容802．11a和802．1lg標(biāo)準(zhǔn)，IEEE80