高動(dòng)態(tài)OFDM系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

曾 彭，紀(jì)金偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

高動(dòng)態(tài)OFDM系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

曾 彭，紀(jì)金偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)具有頻帶利用率高、抗多徑衰落性能好等優(yōu)點(diǎn)，然而OFDM系統(tǒng)對(duì)載波頻率偏移比較敏感，抗頻偏性能差。針對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用場(chǎng)景，給出了一種適用的OFDM系統(tǒng)傳輸方案，并對(duì)幀結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對(duì)決定系統(tǒng)性能的參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明幀長(zhǎng)越短系統(tǒng)性能越好；每幀OFDM符號(hào)數(shù)越少、帶寬越寬、FFT點(diǎn)數(shù)越少，系統(tǒng)性能也越好。

正交頻分復(fù)用；幀結(jié)構(gòu)；高動(dòng)態(tài)；參數(shù)優(yōu)選

0 引言

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)[1-3]具有比普通單載波技術(shù)更高的頻帶利用率和更好的抗多徑衰落性能，因此成為IEEE802.11a[4]、IEEE802.11n、IEEE802.16、IEEE802.20、LTE[5]和DAB[6]等多種民用無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，也是認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)等軍用領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向[7-8]。然而它也存在一些不足[9]：與單載波技術(shù)相比，OFDM對(duì)于載波頻率偏移較為敏感[10]，對(duì)定時(shí)誤差有著嚴(yán)格的要求，使其在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下應(yīng)用面臨更大的挑戰(zhàn)；另外，OFDM具有更高的峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)，容易產(chǎn)生非線性失真，因而要求發(fā)射機(jī)放大器具有更高的線性特性[11-14]。

本文對(duì)OFDM技術(shù)在高動(dòng)態(tài)無(wú)線環(huán)境下的應(yīng)用進(jìn)行了研究。目前，在高動(dòng)態(tài)無(wú)線信道場(chǎng)景中應(yīng)用OFDM系統(tǒng)的問(wèn)題主要是由大的多普勒頻偏所引起的，包括時(shí)變信道估計(jì)、同步及載波頻偏估計(jì)、多普勒估計(jì)及校正、多普勒分集技術(shù)以及子載波間干擾消除等問(wèn)題[15]。

1 系統(tǒng)模型

OFDM技術(shù)是將有效帶寬分配給多個(gè)相互正交、等頻率間隔的子載波，通過(guò)這一過(guò)程將寬帶頻率選擇性信道劃分為多個(gè)相互正交的平坦衰落的子信道，從而提高系統(tǒng)頻帶利用率。假設(shè)發(fā)送OFDM信號(hào)的頻域符號(hào)序列為X=[X0,X1,…,XN-1]T，則離散時(shí)域OFDM信號(hào)x=[x0,x1,…,xN-1]T可表示為：

(1)

式中，xn表示x的第n個(gè)采樣點(diǎn)的值，Xk表示第k個(gè)子載波上傳輸?shù)膹?fù)調(diào)制符號(hào)，N表示子載波個(gè)數(shù)。為避免符號(hào)間干擾，OFDM信號(hào)在發(fā)送前需要在符號(hào)前端加上循環(huán)前綴，后經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換，形成發(fā)送的時(shí)域OFDM復(fù)基帶信號(hào)。

假設(shè)發(fā)送離散基帶信號(hào)經(jīng)數(shù)模變換后為x(t),經(jīng)過(guò)高動(dòng)態(tài)AWGN信道后，接收端信號(hào)y(t)可以表示為：

y(t)=x(t)·e-j2πfd(t)t+n(t)，

(2)

式中，fd(t)表示高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的多普勒頻偏值，n(t)表示均值為μ、方差為σ2的高斯白噪聲，μ和σ2由信號(hào)能量及信噪比決定。多普勒頻偏fd(t)可表示為：

fd(t)=fc+kt，

(3)

式中，fc的范圍為-1～1 MHz，一次變化率k的范圍為-200～200 kHz/s。

2 高動(dòng)態(tài)環(huán)境下OFDM幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 高速移動(dòng)環(huán)境下OFDM系統(tǒng)模型

通過(guò)對(duì)一個(gè)OFDM應(yīng)用環(huán)境的分析，給出了具體OFDM系統(tǒng)傳輸方案，如圖1所示。該處理過(guò)程主要包括信源編譯碼、信道編譯碼、交織去交織、調(diào)制解調(diào)映射、子載波映射、串并/并串轉(zhuǎn)換、FFT/IFFT、加去CP、波形成型、捕獲、跟蹤、信道估計(jì)、均衡等內(nèi)容[16]。

① 信道編碼：本系統(tǒng)采用3種信道編碼方式，包括RS-CC級(jí)聯(lián)編碼、LDPC編碼和TPC編碼。

② 交織與解交織：交織屬于分組編碼，由于采用了存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，因此又具有卷積編碼的記憶特征。在發(fā)送端，將所有OFDM符號(hào)的位序列通過(guò)交織器重新排列，在接收端通過(guò)解交織器恢復(fù)出原始序列，以使信道中的突發(fā)錯(cuò)誤變?yōu)闊o(wú)記憶的隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)。本方案提供3種交織方式分別是無(wú)交織、中交織和長(zhǎng)交織。

③ 調(diào)制和解調(diào)映射：調(diào)制解調(diào)的方式直接決定了系統(tǒng)的誤碼性能和傳輸速率，本方案使用了3種子載波的調(diào)制形式，分別是BPSK、QPSK和16QAM，具體選擇由所要求的信息傳輸速率確定。

④ 前導(dǎo)碼結(jié)構(gòu)與調(diào)制：基于前導(dǎo)的定時(shí)同步技術(shù)主要有兩方面的作用，即幀捕獲(檢測(cè)數(shù)據(jù)的到來(lái))和幀定界(找到接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確位置)。

⑤ 前導(dǎo)碼：在前導(dǎo)中一般會(huì)設(shè)置多個(gè)短的訓(xùn)練序列來(lái)進(jìn)行幀捕獲和幀定界，而長(zhǎng)訓(xùn)練序列則用于載波同步中的頻偏估計(jì)。前導(dǎo)序列的長(zhǎng)短和數(shù)量對(duì)于定時(shí)有著重要的影響，一般情況下短序列數(shù)量設(shè)為10個(gè)。本方案采用6個(gè)長(zhǎng)序列，其中2個(gè)用于載波同步，前5個(gè)序列相同，并且每個(gè)序列在時(shí)域上具有前后兩半相同的特性。

圖1 高動(dòng)態(tài)環(huán)境下OFDM傳輸系統(tǒng)框圖

2.2 OFDM幀結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)OFDM物理層的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，并給出系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

以下給出20 MHz帶寬下幀結(jié)構(gòu)中每部分的持續(xù)時(shí)間，本方案給出的幀結(jié)構(gòu)包含前導(dǎo)符號(hào)、信號(hào)段和數(shù)據(jù)段3個(gè)部分。其中，前導(dǎo)符號(hào)由6個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào)組成，表示為T(mén)1～T6，總的訓(xùn)練時(shí)間為153.6 μs。訓(xùn)練符號(hào)主要用于幀同步、頻偏估計(jì)和信道估計(jì)。

圖2 OFDM幀結(jié)構(gòu)

表1 OFDM技術(shù)方案系統(tǒng)參數(shù)

參數(shù)值子載波個(gè)數(shù)256有用子載波的個(gè)數(shù)232數(shù)據(jù)子載波個(gè)數(shù)174導(dǎo)頻子載波個(gè)數(shù)58OFDM符號(hào)有效持續(xù)時(shí)間12.8μs/6.4μs保護(hù)間隔持續(xù)時(shí)間1.6μs/0.8μs子載波間隔78.1kHz/156.2kHz子幀持續(xù)時(shí)間600μs/300μs

前導(dǎo)碼后面為信號(hào)段和數(shù)據(jù)段，其中信號(hào)段為一個(gè)OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間，包括速率位、帶寬位、預(yù)留位、長(zhǎng)度位、奇偶校驗(yàn)位和6個(gè)“0”尾比特，該字段以可靠的BPSK調(diào)制方式進(jìn)行發(fā)送，信號(hào)段內(nèi)容無(wú)需加擾處理。速率位給出了分組的余下部分(即數(shù)據(jù)段)采用的調(diào)制方式和編碼速率，本方案可設(shè)置12種傳輸速率，因此速率字段采用4 bit進(jìn)行編碼；帶寬位采用2 bit進(jìn)行編碼，表示使用的帶寬信息；帶寬位后預(yù)留1 bit，用于擴(kuò)展；長(zhǎng)度位給出了MAC層請(qǐng)求PHY層發(fā)送的物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)的八位位組數(shù)，其具體比特?cái)?shù)將根據(jù)帶寬來(lái)確定；奇偶校驗(yàn)位表示前面比特的奇偶校驗(yàn)方式；為了可靠、及時(shí)地檢測(cè)速率和長(zhǎng)度字段，在信號(hào)段最后給出了6個(gè)“0”尾比特。

信號(hào)段后面為數(shù)據(jù)段，由多個(gè)編碼后的OFDM符號(hào)組成，按照速率段中給定的速率進(jìn)行發(fā)送，不同數(shù)據(jù)速率對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 取決于速率的參數(shù)設(shè)置

數(shù)據(jù)速率/(Mbit/s)20MHz40MHz調(diào)制方式編碼方式每個(gè)子載波的編碼比特?cái)?shù)NBPSC子幀的編碼率5.9511.9QPSKRS-CC21/38.717.4QPSKTPC23/513.927.8QPSKLDPC24/514.929.816QAMRS-CC42/517.434.816QAMTPC41/227.855.616QAMLDPC44/5

每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含前導(dǎo)和數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。由于信道中有較大頻率偏移，為了幀同步和頻偏估計(jì)有較高精度，前導(dǎo)序列由6個(gè)長(zhǎng)度為512的長(zhǎng)序列組成，長(zhǎng)序列由固定的偽隨機(jī)序列生成。數(shù)據(jù)域包含30個(gè)OFDM符號(hào)，在一個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)的256個(gè)子載波中，虛子載波的位置為[-128:-117 0 117:127]，有用子載波位置為[-116:-1 1:116]，載波映射位置如圖3所示。

圖3 OFDM載波映射

本方案采用離散導(dǎo)頻的插入方式，將導(dǎo)頻均勻分布在時(shí)間和頻率兩個(gè)方向上，如圖4所示。該導(dǎo)頻插入方式用的導(dǎo)頻數(shù)目少，并且能夠很好地跟蹤信道的變化。

在時(shí)間方向，每個(gè)OFDM符號(hào)都插入導(dǎo)頻。在頻率方向，導(dǎo)頻的插入載波位置為：[-116:4:-1 1:4:116]，子載波上共有58個(gè)導(dǎo)頻信息。

圖4 導(dǎo)頻插入方式

3 仿真結(jié)果

幀設(shè)計(jì)重點(diǎn)要考慮高動(dòng)態(tài)頻偏的影響，實(shí)際設(shè)計(jì)中頻偏補(bǔ)償每幀數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一次，假設(shè)幀內(nèi)頻偏基本不變，此時(shí)可以認(rèn)定高動(dòng)態(tài)頻偏為一個(gè)較大的頻偏值。采用Schmidl&C算法[17]，利用前導(dǎo)序列進(jìn)行頻偏估計(jì)，對(duì)幀內(nèi)的頻偏用一個(gè)值進(jìn)行補(bǔ)償。

接下來(lái)分析不同的參數(shù)設(shè)置條件下對(duì)OFDM系統(tǒng)誤比特率(Bit Error Rate，BER)性能的影響。

① 每幀OFDM符號(hào)數(shù)的選取

對(duì)不同符號(hào)數(shù)下的OFDM進(jìn)行仿真，設(shè)置FFT點(diǎn)數(shù)為256，系統(tǒng)帶寬為10 MHz，每幀OFDM符號(hào)數(shù)分別為20、30、40、60和80，仿真結(jié)果如圖5所示。可以看出，高動(dòng)態(tài)頻偏環(huán)境下，要求符號(hào)數(shù)越短越好，符號(hào)數(shù)越短，幀內(nèi)頻偏變化越小。取BER為10-3，符號(hào)數(shù)分別為20和40時(shí)，相比較符號(hào)數(shù)為60，SNR靈敏度分別降低了6.3 dB和4.0 dB?？梢?jiàn)，在頻偏估計(jì)較為理想的情況下，符號(hào)數(shù)越短，性能與無(wú)頻偏時(shí)越接近。

圖5 每幀符號(hào)數(shù)不同時(shí)系統(tǒng)性能

② 系統(tǒng)帶寬的選取

考慮不同帶寬對(duì)OFDM性能的影響，設(shè)置符號(hào)數(shù)為60，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為256，系統(tǒng)帶寬分別取40 MHz、20 MHz、15 MHz、10 MHz，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鲈诠潭ǚ?hào)數(shù)和FFT點(diǎn)數(shù)的情況下，帶寬越寬，系統(tǒng)性能越好。取BER為10-3，帶寬為40 MHz和20 MHz時(shí)，相比較帶寬10 MHz，SNR靈敏度分別降低4.6 dB和4.0 dB。對(duì)原因進(jìn)行分析，采樣速率等于帶寬，那么帶寬越大，采樣時(shí)間間隔就越小，因此由幀內(nèi)一次和二次變化率引起的頻偏變化就越小。

圖6 不同帶寬下系統(tǒng)性能

③ FFT點(diǎn)數(shù)的選取

OFDM系統(tǒng)中，符號(hào)長(zhǎng)度等于FFT點(diǎn)數(shù)?？紤]不同F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，設(shè)置每幀符號(hào)數(shù)為60，系統(tǒng)帶寬為20 MHz，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)分別取64、128、256、512，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。可以看出，在給定幀內(nèi)符號(hào)數(shù)和系統(tǒng)帶寬的情況下，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)越短，系統(tǒng)性能越好。取BER為10-3，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為64和128點(diǎn)時(shí)，相比較256點(diǎn)，SNR靈敏度分別降低2.3 dB和0.8 dB。

圖7 不同F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)時(shí)的系統(tǒng)性能

④ 數(shù)據(jù)幀時(shí)長(zhǎng)

上面3組仿真參數(shù)均與系統(tǒng)幀時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，可以想象，高動(dòng)態(tài)頻偏性能與幀時(shí)長(zhǎng)有密切的關(guān)系，幀時(shí)長(zhǎng)越短，系統(tǒng)性能應(yīng)該越好。針對(duì)不同幀時(shí)長(zhǎng)高動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，幀長(zhǎng)越短，系統(tǒng)性能越好。在BER為10-3時(shí)，幀長(zhǎng)分別取0.64 ms和0.8 ms情況下，相比較未加頻偏的理想結(jié)果，SNR靈敏度分別增加了1.0 dB和5.8 dB?？梢?jiàn)，隨著幀長(zhǎng)增加，系統(tǒng)性能變差。

圖8 不同幀時(shí)長(zhǎng)系統(tǒng)性能

由以上分析可知，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，對(duì)每一幀進(jìn)行頻偏估計(jì)，并且用估計(jì)的頻偏值進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，也就是采用抗頻偏技術(shù)，系統(tǒng)性能將主要由幀時(shí)長(zhǎng)決定。因此，OFDM幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是控制幀長(zhǎng)的大小，在幀長(zhǎng)滿足一定范圍條件下，高動(dòng)態(tài)的頻偏在幀內(nèi)可以認(rèn)為是一個(gè)很大的頻偏值，采用頻偏估計(jì)和補(bǔ)償?shù)姆椒梢韵溆绊憽?/p>

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)仿真，可以了解系統(tǒng)參數(shù)如何影響OFDM的抗頻偏性能。然而，以上分析是以單一參數(shù)為基礎(chǔ)，并沒(méi)有考慮其他因素的影響。幀長(zhǎng)變短、FFT點(diǎn)數(shù)減少、OFDM符號(hào)數(shù)減少都會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸速率；帶寬過(guò)大，循環(huán)前綴比例增加，額外開(kāi)銷增大，導(dǎo)致頻譜效率降低；因此，在實(shí)際OFDM設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)應(yīng)用需要，綜合考慮各種因素的影響，選取最佳方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

首先給出了OFDM方案的AGWN信道模型，基于該信道模型給出了一種OFDM的技術(shù)方案、原理框圖、幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)參數(shù)。最后對(duì)符號(hào)個(gè)數(shù)、系統(tǒng)帶寬、FFT點(diǎn)數(shù)及幀長(zhǎng)等參數(shù)的選取進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)每幀OFDM符號(hào)數(shù)越少，帶寬越寬，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)越少，幀長(zhǎng)越短系統(tǒng)性能越好。此結(jié)論對(duì)于OFDM在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用及參數(shù)優(yōu)選具有指導(dǎo)意義。在進(jìn)行OFDM方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合系統(tǒng)性能和實(shí)際應(yīng)用要求進(jìn)行參數(shù)的選取，在參數(shù)選取適當(dāng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，達(dá)到消除高動(dòng)態(tài)頻偏影響，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下通信和控制的目標(biāo)。

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Frame Structure and Parameter Design for High Dynamic OFDM Systems

ZENG Peng,JI Jin-wei

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

OFDM has obvious advantages of high spectral efficiency and good performance of resistance to multipath fading,but it is sensitive to frequency shift. Considering the high dynamic environment,a system scheme of OFDM is proposed,and its frame structure and related parameters are designed. In addition,the parameters that determine the system performance are also analyzed. The results show that the system performs better with shorter symbols,wider band,fewer FFT points and shorter frame time. It provides an important guidance for the parameter selection optimization of high dynamic environment applications.

OFDM;frame structure;high dynamic;parameter optimization

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.11

曾彭，紀(jì)金偉.高動(dòng)態(tài)OFDM系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì) [J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(4):47-51.

[ZENG Peng,JI Jinwei. Frame Structure and Parameter Design for High Dynamic OFDM Systems [J]. Radio Communications Technology,2017,43(4):47-51. ]

2017-03-28

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目 (2013AA122904)

曾 彭(1985—)，男，博士，工程師，主要研究方向：航天測(cè)控、陣列信號(hào)處理。紀(jì)金偉(1986—)，男，博士，工程師，主要研究方向：無(wú)人機(jī)測(cè)控、無(wú)線通信系統(tǒng)物理層信號(hào)處理與信息傳輸。

TP911.7

A

1003-3114(2017)04-47-5