基于OFDM的毫米波通信多徑信道模型分析

陳 婷 洪 偉 鄭 昱 吳曉光

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對(duì)通信的需求和依賴越來越強(qiáng)烈，通信系統(tǒng)作為各作戰(zhàn)單元之間信息傳輸?shù)穆窂剑豢苫蛉?。然而，越來越多先進(jìn)偵察干擾設(shè)備通過截獲、檢測(cè)阻斷等手段獲取通信、情報(bào)、指揮控制等各個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的情報(bào)信息，提高組網(wǎng)通信系統(tǒng)的反截獲與反偵測(cè)能力越來越緊迫。毫米波通信技術(shù)以其安全保密性強(qiáng)、通信容量大、可靠性高的特點(diǎn)[1]，近年來成為軍事通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究對(duì)象。目前，已制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或正在研究的毫米波頻段主要集中在60 GHz、28 GHz、38 GHz和中國45 GHz頻段[2]。

正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于無線高頻通信系統(tǒng)。在復(fù)雜地形、復(fù)雜電磁環(huán)境中的戰(zhàn)場(chǎng)通信中，OFDM具有較高的頻譜利用率和較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落、抗多徑衰落等優(yōu)勢(shì)。

本文針對(duì)基于OFDM的通信系統(tǒng)開展30 GHz頻段毫米波信道模型仿真分析。

1 OFDM信號(hào)模型

OFDM作為一種高效的多載波調(diào)制技術(shù)，將一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流分解成若干個(gè)低速且獨(dú)立正交的子數(shù)據(jù)流，通過將這些子數(shù)據(jù)流調(diào)制到若干個(gè)子載波上并行傳輸，最終合并輸出[3]。由于采用并行信號(hào)處理的思想，每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)單載波信道降低，當(dāng)OFDM信號(hào)通過無線頻率選擇性衰落信道時(shí)，在每個(gè)子信道可以認(rèn)為近似平坦，增強(qiáng)了信號(hào)傳輸?shù)目顾ヂ淠芰?。OFDM信號(hào)的復(fù)數(shù)表示形式[4]為

(1)

通常采用等效復(fù)基帶信號(hào)來描述OFDM的輸出信號(hào)為

(2)

式(2)中，sOFDM(t)的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)于OFDM符號(hào)的同相分量和正交分量。OFDM通信系統(tǒng)基本模型框圖如圖1所示。

圖1 OFDM通信系統(tǒng)基本模型框圖

OFDM信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)如圖2所示的sinc函數(shù)頻譜。

圖2 OFDM信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)

2 多徑衰落信道的數(shù)學(xué)模型

多徑衰落信道是由在無線通信發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的建筑物和其他物體的反射、繞射、散射引起的多于一條的信號(hào)傳播路徑。當(dāng)信號(hào)在無線信道中傳播時(shí)，多徑反射和衰減的變化將導(dǎo)致信號(hào)經(jīng)歷隨機(jī)波動(dòng)。

當(dāng)傳播路徑上存在大量散射分量時(shí)，接收機(jī)輸入信號(hào)的復(fù)包絡(luò)為復(fù)高斯隨機(jī)過程。在該過程均值為0的情況下，其幅度滿足瑞利分布。如果其中存在直射路徑，幅度則變?yōu)槿R斯分布。

一般假設(shè)多徑分量的數(shù)目變化要比復(fù)增益的變化緩慢，多徑數(shù)目可視為常數(shù)[5]。在N條路徑的情況下，信道輸出為

(3)

其中，an(t)和rn(t)表示與第N條多徑分量相關(guān)的衰減和傳播延遲，延遲和衰減都表示為時(shí)間的函數(shù)。

設(shè)信道的輸入為經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，表示為式(4)。

x(t)=A(t)cos[2πfct+φ(t)]

(4)

一般采用低通等效信號(hào)來完成波形的仿真，則發(fā)射信號(hào)的復(fù)包絡(luò)為

(5)

將式(4)帶入式(3)中可得

(6)

an(t)和rn(t)均為實(shí)函數(shù)，上式可以寫成

(7)

由式(3)可以得到

(8)

(9)

復(fù)路徑衰減可定義為

(10)

因此，道道接收機(jī)的復(fù)包絡(luò)為

(11)

式(11)定義的信道輸入輸出關(guān)系對(duì)應(yīng)為一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng)，其沖激響應(yīng)為

(12)

(13)

信道的抽頭延時(shí)線模型[6]如圖3所示。圖中，各徑的抽頭增益是互不相關(guān)的復(fù)高斯隨機(jī)過程，并且具有零均值、相同的功率譜密度和不同的方差。圖3中，Δτn=τn(t)-τn-1(t)，信號(hào)的符號(hào)間隔為Ts，當(dāng)Δτn?Ts時(shí)，時(shí)延介于τn(t)和τn-1(t)之間的路徑在接收端是不可分離的。當(dāng)Δτn?Ts時(shí)，這些路徑是可以分離的，接收信號(hào)為經(jīng)過多條可分離路徑的信號(hào)副本的總和。

圖3 多徑衰落信道模型

3 基于OFDM的毫米波通信多徑衰落信道的仿真

本節(jié)將給出在單徑瑞利衰落信道和2徑瑞利衰落信道下(第2徑平均功率比第1徑平均功率低3 dB)，基于802.11g的OFDM毫米波通信系統(tǒng)仿真的誤比特率性能。該通信系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 本文所仿真的通信系統(tǒng)的參數(shù)

圖4 基于OFDM的毫米波通信信道仿真誤碼率性能

為了便于對(duì)比，同時(shí)也對(duì)基于QPSK的單載波毫米波通信系統(tǒng)在單徑瑞利衰落和2徑瑞利衰落信道中的誤比特性能進(jìn)行了仿真。其中，2徑信道延時(shí)參數(shù)同圖4。

圖5 基于QPSK的毫米波通信信道仿真誤碼率性能

如圖5所示，我們可以得到基于QPSK的單載波毫米波無線通信系統(tǒng)在相同信噪比下，單徑和2徑衰落信道的誤比特率相差較大。而在圖4中，基于OFDM的毫米波無線通信系統(tǒng)在單徑和2徑衰落信道下的誤比特率性能幾乎相同。因此，在基于OFDM的毫米波無線通信系統(tǒng)中，只要信道的最大延遲不超過循環(huán)前綴(保護(hù)間隔)的長度，在接收端的信號(hào)解調(diào)中幾乎不會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_。這是由于在OFDM信號(hào)的產(chǎn)生過程中，將輸入的數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換到若干個(gè)并行的子載波中，此時(shí)每一個(gè)調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號(hào)周期的N倍。因此，相對(duì)應(yīng)的時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的數(shù)值比降低了N倍。通過在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，保護(hù)間隔內(nèi)插入循環(huán)前綴，并且該保護(hù)間隔的長度大于無線信道中的最大時(shí)延擴(kuò)展，此時(shí)一個(gè)符號(hào)所產(chǎn)生的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾，同時(shí)還能保證子載波之間的正交性，減小載波間的干擾。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)OFDM信號(hào)模型和無線信道多徑衰落模型的分析，建立了一種基于OFDM的毫米波通信系統(tǒng)多徑信道模型。通過基于該信道模型的仿真分析，得出了基于OFDM的毫米波通信在無線多徑衰落信道下具有更好的抗多徑優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，結(jié)合毫米波通信本身的安全保密性強(qiáng)、通信容量大、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，得出了在復(fù)雜地形的衰落壞境下的地面無線通信系統(tǒng)中，基于OFDM的毫米波通信系統(tǒng)應(yīng)用具有一定的性能優(yōu)勢(shì)。因此，在后續(xù)的毫米波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合毫米波通信的優(yōu)點(diǎn)并且充分利用其信道特性，從而設(shè)計(jì)出更符合現(xiàn)代陸軍地面通信的穩(wěn)定、可靠、高效的通信系統(tǒng)。