復(fù)雜電磁環(huán)境下IEEE802.11g系統(tǒng)中OFDM信號(hào)仿真

劉高輝，王恒超

(西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，西安 710048)

0 引言

近年來，隨著無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，IEEE802.11系列協(xié)議已經(jīng)成為無線局域網(wǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)。自從1991年推出IEEE802.11b和IEEE802.11a以來，由于兩者各有所長(zhǎng)但卻互不兼容，因此爭(zhēng)論不斷［1］。在這種情況下，推出了結(jié)合IEEE802.11a和IEEE802.11b兩者各自優(yōu)點(diǎn)的IEEE802.11g協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11g運(yùn)行在2.4 GHz頻段，既實(shí)現(xiàn)了較高的傳輸數(shù)據(jù)速率也實(shí)現(xiàn)了與IEEE802.11b產(chǎn)品的兼容。IEEE802.11g主要的調(diào)制技術(shù)有:補(bǔ)碼鍵控 (CCK)和正交頻分復(fù)用 (OFDM)技術(shù)等。但是，面對(duì)用戶對(duì)數(shù)據(jù)速率不斷地增加的需求，CCK的數(shù)據(jù)速率比較低，因此CCK調(diào)制方式［2］已經(jīng)無法滿足用戶需求。因此，本文主要研究IEEE802.11g中使用的OFDM技術(shù)。在許多運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中，由于發(fā)射端和接收端之間相對(duì)的高速移動(dòng)，導(dǎo)致無線信道的時(shí)變特性更加明顯，高速移動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致多普勒頻偏［3］，會(huì)破壞OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性［4］，出現(xiàn)明顯的載波間干擾(ICI)［5］。無線信道不像有線信道固定且對(duì)信號(hào)影響可預(yù)見，由于信號(hào)在無線信道傳輸?shù)倪^程中會(huì)遇到樓宇、樹木等各種障礙物以及起伏的地形，所以接收端接收的信號(hào)不是單一路徑的信號(hào)而是許多經(jīng)過不同路徑信號(hào)疊加的總和，每條經(jīng)過不同路徑的信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間和相位均不相同，引起接收信號(hào)的幅度發(fā)生劇烈變化而產(chǎn)生多徑衰落。由于無線通信設(shè)備越來越多，頻譜這種不可再生資源也越來越緊張，多個(gè)系統(tǒng)共用同一頻段的情況越來越普遍，特別是IEEE802.11g工作的2.4 GHz頻段，由于該頻段是全球免牌照頻段，可以免費(fèi)使用，例如無線城市的Wi－Fi系統(tǒng)、醫(yī)用微波治療儀、微波爐和2.4 G無繩電話等，在這種情況下出現(xiàn)相互干擾就不可避免了。文獻(xiàn)［6］中構(gòu)建基于Simulink的基帶OFDM無線通信系統(tǒng)的仿真模型，研究了不同信道以及不同長(zhǎng)度的保護(hù)間隔時(shí)OFDM系統(tǒng)的誤碼率變化情況。文獻(xiàn)［7］中構(gòu)建了高速移動(dòng)環(huán)境下的OFDM仿真系統(tǒng)模型，通過選擇合適的時(shí)變信道參數(shù)，研究了發(fā)射端或者接收端在不同移動(dòng)速度的情況下引起的多普勒效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)［8］對(duì)時(shí)變多徑衰落信道下的OFDM系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析與研究。目前，還未見到文獻(xiàn)對(duì)綜合高速移動(dòng)、多徑效應(yīng)、同頻干擾等多個(gè)復(fù)雜環(huán)境下IEEE802.11g中OFDM信號(hào)進(jìn)行過仿真。因此，為了研究多場(chǎng)景復(fù)雜電磁環(huán)境下OFDM系統(tǒng)的性能，本文通過搭建復(fù)雜環(huán)境下OFDM系統(tǒng)的仿真模型，通過該模型不僅可以研究高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移、無線信道障礙物引起的多徑效應(yīng)以及同頻干擾等復(fù)雜環(huán)境對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響，還可以作為今后OFDM系統(tǒng)性能進(jìn)一步提升的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證平臺(tái)。

1 復(fù)雜環(huán)境下OFDM系統(tǒng)的信號(hào)模型

1.1 發(fā)射端等效基帶信號(hào)

OFDM技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其主要思想是在頻域?qū)⑿诺绖澐殖稍S多正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的N路低速子數(shù)據(jù)流［9］，在N個(gè)相互正交的載波上進(jìn)行傳輸，如果某一個(gè)子載波在某一頻率處取得頻率的最大值，則其余子載波在此處的頻率取值為零。解調(diào)的過程就是計(jì)算每一個(gè)子載波頻率譜取值最大的地方，只需要確定所有子載波在頻率上不要出現(xiàn)移動(dòng)情況，就能夠從合成的信號(hào)中無差錯(cuò)的解調(diào)出每一個(gè)信道上傳輸?shù)男盘?hào)，并且不會(huì)因其他信道上調(diào)制信號(hào)的干擾而造成誤碼［10］。

在實(shí)際系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)的調(diào)制和解調(diào)是通過IFFT(逆快速傅里葉變換)和FFT(快速傅里葉變換)來實(shí)現(xiàn)的，發(fā)射端的OFDM等效基帶信號(hào)表示為［7］:

式中，N表示子載波個(gè)數(shù);Ts表示采樣周期;T表示OFDM符號(hào)周期;di(i=0，1，．．N－1) 表示第 i個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào);ωi=2πfi=2π (f0+i*Δf)表示第i個(gè)子載波的載波角頻率，子載波間隔為Δf=1/(N*Ts)=1/T，為了方便公式推導(dǎo)，令f0=0。

1.2 多徑傳播與高速移動(dòng)因素

在無線移動(dòng)通信中，由于傳輸路徑中障礙物或者地勢(shì)的起伏而引起信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生散射、繞射或者反射等現(xiàn)象［11］，使得發(fā)射端信號(hào)通過不同的傳輸路徑到達(dá)接收端，因此接收端接收到的信號(hào)是發(fā)射端信號(hào)在無線傳輸中經(jīng)不同時(shí)延的多路徑信號(hào)疊加的總和。再加上發(fā)射端和接收端之間的相對(duì)移動(dòng)，還加入了多普勒效應(yīng)，使多徑衰落具有時(shí)變性。無線時(shí)變衰落信道的沖激響應(yīng)可表示為:

式中，fDp:0＜fDp＜FD; τp:0＜τp＜τmax;FD表示最大多普勒頻移，τmax表示多徑傳輸?shù)淖畲髸r(shí)延，Np表示多徑徑數(shù)。

式 (2)對(duì)τ作FFT變換，得時(shí)變無線衰落信道傳輸函數(shù)為:

式中，ωDp=2πfDp，ω的取值與ωi(i=0，1，．．N － 1) 相同。

OFDM信號(hào)S(t)經(jīng)過 H(t，ω)函數(shù)后的信號(hào)可表示為:

1.3 同頻干擾因素

研究干擾信號(hào)對(duì)OFDM信號(hào)的影響。按照信號(hào)頻率，通常將干擾信號(hào)分成非同頻干擾信號(hào)和同頻干擾信號(hào)［1214］，為了研究更具體，本文只研究同頻干擾信號(hào)對(duì)OFDM信號(hào)的影響。本文選取BPSK信號(hào)作為同頻干擾信號(hào)，由于表示BPSK信號(hào)的兩種碼元的波形相同，相位相反，故BPSK信號(hào)在時(shí)域中表示為一個(gè)雙極性全占空矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的乘積，即:

式中，g(t)表示脈沖寬度為Ts的單個(gè)矩形脈沖，an的統(tǒng)計(jì)特性為:

因此考慮高速移動(dòng)、多徑傳播和同頻干擾等因素之后接收端的信號(hào)可表示為:

式中，第一項(xiàng)為高速移動(dòng)與多徑傳播之后的接收信號(hào)，第二項(xiàng)為同頻干擾信號(hào)，第三項(xiàng)為高斯白噪聲。

2 復(fù)雜環(huán)境下OFDM系統(tǒng)仿真框圖

根據(jù)上文對(duì)OFDM的基本原理的分析和研究，在Matlab環(huán)境下搭建了綜合考慮考慮高速移動(dòng)、多徑傳播以及同頻干擾等復(fù)雜環(huán)境下OFDM系統(tǒng)的仿真框圖，如圖1。

圖1 復(fù)雜環(huán)境下OFDM系統(tǒng)仿真框圖

在發(fā)射端，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過卷積編碼、交織、16QAM調(diào)制、插入導(dǎo)頻，再通過N點(diǎn)的IFFT變換等步驟，完成多載波調(diào)制，然后再添加CP(循環(huán)前綴)，之后經(jīng)過上采樣、成型濾波和上變頻等，最后進(jìn)行模數(shù)變換使信號(hào)進(jìn)入無線信道中進(jìn)行傳輸。

在無線移動(dòng)通信過程中，信號(hào)在無線信道會(huì)受到高速移動(dòng)、多徑傳播以及同頻干擾信號(hào)等復(fù)雜環(huán)境的影響。為了研究不同復(fù)雜環(huán)境對(duì)OFDM信號(hào)的影響關(guān)系，在傳輸過程中加入對(duì)應(yīng)的影響因素。因?yàn)槎嗥绽疹l偏的大小與發(fā)射端和接收端之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，設(shè)置不同的相對(duì)移動(dòng)速度就可以模擬實(shí)際應(yīng)用中由于快速移動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移對(duì)OFDM系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。為了模擬多徑傳輸環(huán)境，在仿真模型中，設(shè)有1－5條多徑傳輸?shù)挠行窂?，可分別設(shè)定每一條路徑的沖擊響應(yīng)幅值和歸一化延遲時(shí)間(時(shí)延值/采樣間隔)，通過選取不同的徑數(shù)和延遲時(shí)間來模擬實(shí)際應(yīng)用中由于障礙物的遮擋而引起信號(hào)的散射、繞射和反射產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。在臨近接收端時(shí)，附近的同頻干擾信號(hào)會(huì)混入有用信號(hào)中一同進(jìn)入接收端，對(duì)OFDM信號(hào)形成干擾，因此在信道中加入同頻干擾信號(hào)。

在接收端，信號(hào)在經(jīng)過無線傳輸信道到達(dá)接收端之后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、下變頻等一系列與發(fā)射端相反的逆變換解調(diào)出原始信息。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真參數(shù)

根據(jù)圖1的仿真框圖并結(jié)合IEEE802.11g的基本參數(shù)規(guī)定，給出OFDM系統(tǒng)仿真的參數(shù)，如表1所示。

表1 IEEE802.11g中的OFDM主要參數(shù)

設(shè)定多徑信道的最大時(shí)延擴(kuò)展為 200 ns，而IEEE802.11協(xié)議所規(guī)定的的保護(hù)間隔 (即循環(huán)前綴)的長(zhǎng)度為最大時(shí)延擴(kuò)展的3～4倍，即最大為800 ns。為了獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，802.11協(xié)議規(guī)定OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為4 μs(其中OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)間為3.2 μs，循環(huán)前綴時(shí)間為0.8 μs)，又根據(jù)子載波間隔等于OFDM數(shù)據(jù)付好時(shí)間的倒數(shù)，決定了802.11系列協(xié)議子載波的間隔為312.5 kHz。

3.2 不同移動(dòng)速度下的接收端星座圖

對(duì)比高速移動(dòng)環(huán)境和靜態(tài)環(huán)境，通信系統(tǒng)信號(hào)的不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在存在較大的多普勒頻移和信道時(shí)變上。多普勒頻移是由多普勒現(xiàn)象引起的，由于發(fā)射端和接收端之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得接收信號(hào)的頻率相對(duì)發(fā)射端信號(hào)的頻率變大或者變小。當(dāng)接收端相對(duì)于發(fā)射端遠(yuǎn)離時(shí)，接收到的信號(hào)頻率會(huì)變小，相反，接收端的信號(hào)頻率會(huì)變大，多普勒頻移也體現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)中通信信號(hào)的時(shí)變性。多普勒頻移和速度的關(guān)系:

其中:C為光速，v為移動(dòng)速度，fc為載波頻率，θ為波到達(dá)方向和接收機(jī)移動(dòng)方向的夾角 (設(shè)其為零)。

圖2 速度為80 km/h時(shí)的星座圖

圖3 速度120 km/h時(shí)的星座圖

圖4 速度為160 km/h時(shí)的星座圖

為了研究由于高速移動(dòng)而引起的多普勒頻移對(duì)IEEE802.11g中OFDM信號(hào)的影響，根據(jù)式 (8)，本文分別仿真得到移動(dòng)速度分別為80 km/h、120 km/h和160 km/h下的接收端的星座圖。圖2－圖4分別是在瑞利衰落信道下發(fā)射端和接收端相對(duì)移動(dòng)速度分別為80 km/h、120 km/h和160 km/h下的接收端的星座圖，通過觀察圖2－圖4，可以得出:發(fā)射端和接收端的相對(duì)移動(dòng)引起的多普勒頻移會(huì)導(dǎo)致接收端的星座圖發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)射端和接收端處于低速狀態(tài)時(shí) (80 km/h)時(shí)，接收端的星座圖發(fā)生旋轉(zhuǎn)較小，隨著發(fā)射端和接收端的相對(duì)移動(dòng)速度不斷的增加，接收端的星座圖旋轉(zhuǎn)的角度越來越大。OFDM系統(tǒng)在接收端能夠正確解調(diào)是建立在子載波之間正交性上的，當(dāng)沒有頻率偏移時(shí)，OFDM系統(tǒng)的各個(gè)子載波之間保持正交，可以無差錯(cuò)的解調(diào)，當(dāng)由于發(fā)射端和接收端之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生多普勒頻移，破壞子載波間的正交性，引起載波間干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。因此，根據(jù)仿真得到的結(jié)果表明隨著接收端和發(fā)射端之間的移動(dòng)速度越來越大，IEEE802.11g中的OFDM信號(hào)受多普勒頻移的不利影響也隨之變大，因此，在今后的研究工作中需要采用分集、信道估計(jì)的技術(shù)來減少高速移動(dòng)對(duì)IEEE802.11g中的OFDM信號(hào)的影響。

3.3 不同路徑數(shù)下的接收端星座圖

無線通信的主要特征是多徑傳播和多徑時(shí)延。同一發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)由于多徑傳播的存在導(dǎo)致到達(dá)接收端的信號(hào)并不是單一信號(hào)而是許多具有不同時(shí)延和能量的信號(hào)的綜合。為了研究不同路徑條數(shù)對(duì)IEEE802.11g中的OFDM系統(tǒng)接收端信號(hào)的影響，在保持移動(dòng)速度140 km/h不變的情況下分別選取1徑 (歸一化延遲時(shí)間為1 μs)、3徑 (歸一化延遲時(shí)間分別為1，2，4 μs)和5徑 (歸一化延遲時(shí)間分別為1，2，4，5，7 μs) 三種情況觀察接收端信號(hào)的星座圖如圖5－圖7。

圖5 1徑接收端星座圖

圖5為單一路徑時(shí)接收端的星座圖，對(duì)比圖6(3徑)和圖7(5徑)的接收端星座圖的變化可以看出，隨著路徑條數(shù)以及各路徑延遲時(shí)間的增加，接收端的星座點(diǎn)發(fā)生隨機(jī)擴(kuò)散，且隨著路徑和各徑延遲時(shí)間的增加隨機(jī)擴(kuò)散越來越明顯，從而導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)的性能下降。圖7顯示的接收端星座圖已經(jīng)很模糊，各個(gè)星座點(diǎn)已經(jīng)無法辨識(shí)，誤碼率極高。這表明多徑傳播和多徑時(shí)延對(duì)IEEE802.11g中的OFDM信號(hào)有著明顯的影響，因此，為了提高OFDM系統(tǒng)的性能，在今后的仿真中需要加入信道均衡來消除多徑傳輸和延遲對(duì)OFDM系統(tǒng)的不利影響。

圖6 3徑接收端星座

圖7 5徑接收端星座圖

3.4 同頻干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的頻譜影響

隨著各種通信設(shè)備的爆發(fā)式增長(zhǎng)，同頻干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾越來越嚴(yán)重。為了研究同頻干擾信號(hào)對(duì)OFDM系統(tǒng)的影響，在無線信道中給有用信號(hào)加入同頻干擾信號(hào)，本文中取BPSK信號(hào)作為干擾信號(hào)來探究干擾信號(hào)對(duì)OFDM系統(tǒng)的影響。

圖8 無干擾信號(hào)的接收端信號(hào)頻譜

通過觀圖8和圖9的頻譜圖變化，由圖可見，在OFDM系統(tǒng)接收端加入以BPSK信號(hào)為同頻干擾的信號(hào)以后，由于BPSK信號(hào)在很窄的帶寬內(nèi)信號(hào)功率卻遠(yuǎn)高于OFDM信號(hào)，因此OFDM系統(tǒng)的性能將明顯惡化。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于需求快速增長(zhǎng)和頻譜資源不可再生之間的矛盾，多個(gè)無線系統(tǒng)共用同一頻段、相互干擾的現(xiàn)象在所難免，特別是寬帶通信系統(tǒng)中，帶寬窄、功率高的同頻干擾信號(hào)將會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大的影響，因此，在OFDM系統(tǒng)中要加入抑制同頻干擾的技術(shù)來提高復(fù)雜電磁環(huán)境下OFDM系統(tǒng)的性能。

圖9 添加BPSK干擾信號(hào)的接收端信號(hào)頻譜

4 結(jié)束語

為了研究高速移動(dòng)、多徑和同頻干擾等復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)IEEE802.11g系統(tǒng)中OFDM信號(hào)的影響，本文通過構(gòu)建具有高速移動(dòng)、多徑傳播以及同頻干擾等復(fù)雜環(huán)境下的IEEE802.11g的OFDM系統(tǒng)仿真模型，研究復(fù)雜環(huán)境對(duì)OFDM信號(hào)的影響。仿真結(jié)果表明高速移動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移、由于無線傳輸中的障礙物而引起的多徑效應(yīng)以及窄帶寬、高功率的同頻干擾信號(hào)等對(duì)于IEEE802.11g的OFDM信號(hào)影響非常大。因此，在今后的研究工作中，應(yīng)加入消除多普勒頻移估計(jì)、信道均衡及抑制同頻干擾等技術(shù)來提高復(fù)雜環(huán)境下IEEE802.11g的OFDM系統(tǒng)的性能。