802. 16 WiMAX 物理層模型實現(xiàn)與分析MATLAB - 0412

1、摘 要摘 要WIMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互聯(lián)接入)是一項新興的寬帶無線接入技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。隨著4G網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，作為其中重要支撐的WIMAX技術(shù)也發(fā)揮著巨大的推動作用。而LDPC碼和OFDM作為WIMAX中的核心關(guān)鍵技術(shù)，如何通過深入研究以求更好的發(fā)揮其優(yōu)勢，將是無線通信研究領(lǐng)域需要重點研究討論的熱點。 本文首先就WIMAX物理層有關(guān)技術(shù)展開研究，對其中的OFDM技術(shù)原理、LDPC碼原理、MIMO技術(shù)及WIMAX標準下的參數(shù)配置等深入學(xué)習(xí)研究，討論了基于OF

2、DM的WIMAX物理層仿真。根據(jù)系統(tǒng)框圖中的加擾、級聯(lián)編碼、交織、符號映射、OFDM調(diào)制等各個部分，分別通過對每個部分進行模塊化編程來實現(xiàn)。針對WiMAX物理層基帶仿真模型未采用SUI信道的問題，在理想同步情況下，綜合考慮影響系統(tǒng)性能的各種因素，包括SUI信道、循環(huán)前綴(CP)長度、RS+CC編碼和信道估計，運用Simulink對其進行評估。仿真結(jié)果表明。采用自適應(yīng)調(diào)制編碼或改變CP長度能平衡BER和數(shù)據(jù)速率。關(guān)鍵字：WIMAX；物理層仿真；LDPC；OFDM；SUI信道23AbstractABSTRACTWIMAX is an emerging broadband wireless acce

3、ss technology which can provide high-speed Internet connection.With rapid development of the high-tech such as 4G network,mobile internet and the Internet of Things,WIMAX as one of the important support technology also plays a huge role in promoting.LDPC codes and OFDM as the core technology in WIMA

4、X in order to deeply study and fully exert its advantage,which need to focus on discussion in Wireless Communication.This paper focuses on some technologies related with the WiMAX Physical Layer,including the principle of OFDM technology,the principle of the LDPC codes and MIMO technology and config

5、uration parameters based on WiMAX standard.We discussed the Performance of the OFDM System Based on WiMAX Physical Layer.The analysis accord to the diagram of the scrambling, concatenated coding,interleaving,symbol mapping and OFDM modulation. through each section for carry out the modularization pr

6、ogramming.The baseband simulation model ofWiMAX PHY-Layer does not take SUI channel into considerationAiming at this problem and under the conditions of perfect synchronization,this paper considers the factors effects the system performance synthetically,including SUI channel，the length of Cyclic Pr

7、efix(CP)，RS+CC encoding,channel estimation，and evaluates them based on Simulink。Simulation results show that by changing the length ofCP and using Adaptive Modulation and Coding(AMC)，the balance between BER and data rate Can be kept Key Words: World interopcmbility for Microwave Access(WiMAX)；PHY-la

8、yer simulation；LDPC；OFDM；SUI channe目錄目 錄第1章引言11.1 選題背景11.2 研究目標和意義21.3 研究思路2第2章研究的理論基礎(chǔ)42.1 WIMAX介紹42.2 WIMAX物理層技術(shù)介紹52.2.1 OFDM原理52.2.2 信道編碼技術(shù)52.2.3 MIMO技術(shù)82.2.4 LDPC碼介紹9第3章WiMAX物理層的仿真模塊建立113.1 WiMAX系統(tǒng)仿真平臺的結(jié)構(gòu)113.2 WiMAX基帶仿真模型113.3 WiMAX基帶仿真模型的Simulink實現(xiàn)123.3.1 發(fā)送端模型123.3.2 接收端模型13第4章系統(tǒng)仿真結(jié)果分析對比154.1 信

9、道編碼部分程序的仿真及分析154.2 WiMAX系統(tǒng)平臺的仿真及分析164.3 不同CP長度對系統(tǒng)性能的影響164.4 調(diào)制方式和編碼速率對系統(tǒng)性能的影晌174.5 LS信道估計下不同插值算法對系統(tǒng)性能的影響18第5章總結(jié)19參考文獻20致謝22第1章 引言第1章 引言1.1 選題背景WiMAX，即全球微波互聯(lián)接入（worldwide interoperability for microwave access）的縮寫，是一種新的無線寬帶接入技術(shù)，支持數(shù)據(jù)和volp綜合業(yè)務(wù)接入功能，是無線局域網(wǎng)技術(shù)的一種，其技術(shù)標準是IEEE802.16，它是基于ip技術(shù)的，能支持非視距傳播 1。WiMAX技術(shù)

10、保證了固網(wǎng)和移動用戶幾乎任何地點的寬帶連接服務(wù)。2006年韓國電信在其首都首爾開發(fā)部署了2.3GHz標準的移動WiMAX服務(wù)，用來提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)與視頻服務(wù)。自2006年基于802.16e標準移動WiMAX技術(shù)發(fā)布了1.0版本之后，各項核心技術(shù)在不斷完善2。該技術(shù)重要的工作放在了物理層技術(shù)、介質(zhì)訪問控制（MAC）子層、Qos性能和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點幾個方面。物理層的特點主要是WiMAX具有靈活的帶寬和頻段的分配方案，這可以有效的利用頻譜資源。WiMAX采用了OFDM、分集發(fā)送接收、自適應(yīng)調(diào)制等多種先進技術(shù)，這就保證了在城域網(wǎng)高效可靠的用戶通信，在可靠性編碼方面也有多種靈活的選取方式，如卷積碼級聯(lián)RS

11、碼、Turbo編碼、LDPC編碼等，并支持多種調(diào)試方式如單個載波（SC）、OFDM(256點)、OFDMA（2048點），對于不同通信環(huán)境可有多種選擇，物理層對信道抗干擾能力的差異也可相應(yīng)改變調(diào)制、糾錯編碼、功率電平參數(shù)，保證較好的傳輸質(zhì)量。介質(zhì)訪問控制（MAC）子層主要是根據(jù)Qos要求和業(yè)務(wù)需求對連接的帶寬頻段進行調(diào)制，來保證語音和視頻等業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，同時較好的控制信道誤碼與丟包的發(fā)生3。1.2 研究目標和意義對于WiMAX的應(yīng)用，根據(jù)環(huán)境的不同，是靈活多變的，如固定式的樓宇接入和高層家庭接入，可以采用16d或16e的標準，家庭內(nèi)接入和終端接入，屬于游牧式的，也沒有采用16d/16e標準，

12、對于熱衷旅行和簡單移動的人們來說，使用WiMAX也是極其方便的，可以采用16e的標準。由于WiMAX具有標準化、成本低，數(shù)據(jù)傳輸率更高，非視覺傳輸，部署靈活，傳輸距離遠等特點，作為一種新型的無線接入技術(shù)，它的發(fā)展得到很好的印證4。無論是設(shè)備供應(yīng)商還是運作BWA制造商，都運用到它，如三星、華，也無論是芯片制造商還是終端生產(chǎn)商，對其也是趨之若鵠，如英特爾、富士通等大型企業(yè)。本論文將在研究WiMAX理論知識基礎(chǔ)上，得到一個基于IEEE802.16協(xié)議標準的完整的WiMAX系統(tǒng)物理層模型平臺。模型采用MATLAB語言編寫M文件來實現(xiàn)，將使用Simulink，搭建局部模塊時可能比較簡單，但是要實現(xiàn)整個系

13、統(tǒng)，特別是在同步、信道估計和均衡等方面要實現(xiàn)各種算法就很麻煩了5。而M文件編程具有良好的可擴展性和開放性，平臺搭建更靈活，更便于系統(tǒng)擴展完善。通過與其他模型的比較可知，本模型的仿真性能優(yōu)于其他的模型，對今后WiMAX系統(tǒng)的研究及生產(chǎn)使用有較好的價值。1.3 研究思路本課題主要工作在對IEEE802.16e中使用的編譯碼理論，WIMAX物理層相關(guān)技術(shù)和OFDM技術(shù)進行系統(tǒng)學(xué)習(xí)研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)IEEE802.16e的仿真平臺，其中包括編譯碼，交織，加擾，調(diào)制解調(diào)等。通過不同符號映射，編碼等對OFDM系統(tǒng)進行分析仿真。接著分析LDPC碼各種軟判決譯碼算法，提出軟判決譯碼新算法，仿真驗證其性能。最后，

14、對不同情況的WIMAX標準下的性能仿真并詳細分析。各章節(jié)具體安排如下：第1章，緒論。闡述本課題的研究背景與意義、WIMAX技術(shù)和當今研究狀況，給出本文的總體架構(gòu)。 第2章，主要是對WIMAX的重要技術(shù)進行論述，其中OFDM部分主要介紹了物理層協(xié)議中OFDM具體表述，前導(dǎo)結(jié)構(gòu)，幀結(jié)構(gòu)等；可靠性編碼部分對加擾、冗余編碼、交織、符號映射方式進行論述。第3章，對WIMAX物理層進行仿真分析，首先給出系統(tǒng)框圖及參數(shù)配置，建立模型。第4章，分析仿真結(jié)果。第5章，本文總結(jié)。第2章 研究的理論基礎(chǔ)第2章 研究的理論基礎(chǔ)2.1 WIMAX介紹自2006年基于802.16e標準移動WIMAX技術(shù)發(fā)布了1.0版本之

15、后，各項核心技術(shù)在不斷完善，后續(xù)重要的工作重點都放在了物理層、介質(zhì)訪問控制（MAC）子層，Qos性能和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點幾個方面7。物理層的特點主要是WIMAX具有靈活的帶寬和頻段的分配方案，這可以有效的利用頻譜資源。WIMAX采用了OFDM、分集發(fā)送接收和自適應(yīng)調(diào)制等多種先進技術(shù)，這就保證了在城域網(wǎng)組網(wǎng)通信中用戶可以高效可靠的通信；在可靠性編碼方面也有多種靈活的選取方式，如卷積碼級聯(lián)RS碼、Turbo編碼和LDPC編碼等，并支持多種調(diào)試方式如單個載波（SC）、OFDM(256點)、OFDMA（2048點）；對于不同通信環(huán)境可有多種選擇，物理層對信道抗干擾能力的差異也可相應(yīng)改變調(diào)制、糾錯編碼和功率電

16、平參數(shù)，保證較好的傳輸質(zhì)量。介質(zhì)訪問控制（MAC）子層主要是根據(jù)Qos要求和業(yè)務(wù)需求對連接的帶寬頻段進行調(diào)制，來保證語音和視頻等業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，同時較好的控制信道誤碼與丟包的發(fā)生。Qos性能用來保證為用戶提供可靠的數(shù)據(jù)、視頻、語音業(yè)務(wù)8。2.2 WIMAX物理層技術(shù)介紹在WIMAX標準中11GHz以下頻段的波長較長，多徑效應(yīng)容易出現(xiàn)，其支持非視距傳輸（NLOS），這與短波進行視距傳輸時采用的單載波調(diào)制方式不同，需采用OFDM調(diào)制技術(shù)9。協(xié)議規(guī)定OFDM調(diào)制中的載波數(shù)目是256個，雙工方式為FDD和TDD，可選支持AAS、STC、ARQ等，下面具體介紹物理層中的OFDM部分。2.2.1 OFDM

17、原理未來無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)可以很好的保證信號在復(fù)雜條件下的無錯傳輸，多徑效應(yīng)廣泛存在于無線通信中，多徑傳播會造成碼間干擾。在信號高速傳輸時，信號在時域和頻域有如下對應(yīng)關(guān)系，時域經(jīng)歷的時間越短則頻域帶寬就越寬，當在頻域內(nèi)超出了其相干帶寬時，就會造成頻率選擇性衰落，在不同的帶寬范圍內(nèi)其受到的影響也不同，這就會嚴重的影響傳輸性能10。為了解決這個問題，提出了多載波調(diào)制技術(shù)（Multi-Carrier Modulation，MCM），將速度較快的數(shù)據(jù)序列經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換成多路速度較慢的數(shù)據(jù)序列并行傳輸，每一個子載波的信道帶寬都很小，這就使得頻率選擇性衰落的幾率大幅減小11。OFDM技術(shù)應(yīng)用到移動通信領(lǐng)

18、域必將是未來的發(fā)展趨勢，也將會成為WIMAX中主流的核心技術(shù)之一。2.2.2 信道編碼技術(shù)WIMAX標準中，在上行鏈路（Up Link）和下行鏈路(Down Link)每次傳輸數(shù)據(jù)時都需要對數(shù)據(jù)進行加擾處理，并且在上下行鏈路中對于每一個數(shù)據(jù)塊（在頻域中是指的子信道，在時域中是指OFDM信號）加擾都應(yīng)該是獨立進行的。通過加擾可以避免數(shù)據(jù)中出現(xiàn)長連“1”序列或長連“0”序列的出現(xiàn)，保持0、1的平衡性12。在加擾之前，發(fā)出數(shù)據(jù)的數(shù)量若出現(xiàn)與實際給定數(shù)據(jù)的數(shù)量不相等時，可通過末尾添加0xFF(添加1)來使其達到傳輸要求的數(shù)量，RS-CC和CC級聯(lián)編碼時其數(shù)據(jù)的數(shù)量要比分配的少8個字節(jié)，對于BTC和CT

19、C編碼數(shù)據(jù)數(shù)量和分配的數(shù)量是相同的，填充后的數(shù)據(jù)與偽隨機序列異或得出加擾后的序列，末尾不足的用 0 補充完整。序列生成器的表述如下： （2-1）在每個數(shù)據(jù)塊加擾之前，偽隨機二進制序列生成器的寄存器要初始化，在下行鏈路中寄存器中初始化序列為1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0。對于每個待發(fā)送字節(jié)，MSB(最高比特位)先進入序列生成器，之后與LSB（最低比特位）的最后兩位進行異或計算，得到的數(shù)值和輸入數(shù)值繼續(xù)通過取異或計算，完成整個加擾過程，其中隨機器的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示13：圖2-1 序列發(fā)生器結(jié)構(gòu)糾錯編碼有多種選擇方案，如RS-CC級聯(lián)編碼、Turbo卷積級聯(lián)編碼等，其中

20、RS-CC級聯(lián)編碼為必選方式，也是其它編碼方式的基礎(chǔ)，之后IEEE802.16e修正案增加了LDPC碼，作為可選的編碼方案之一。 RS-CC級聯(lián)碼是首先經(jīng)過RS碼，之后在進行卷積編碼。其過程是數(shù)據(jù)通過塊的方式依次進入 RS 和卷積編碼器。其中RS編碼器是采用定義在GF(28)上的（N=255，K=239，E=8）系統(tǒng)RS碼，編碼之前的比特數(shù)是K，編碼之后的比特數(shù)是N，可以改錯的比特數(shù)是E14。卷積碼的基本編碼速率為1/2，可以通過打孔調(diào)整編碼速率，RS-CC級聯(lián)碼總共有四種編碼速率可供選擇，分別是1/2碼率、2/3碼率、3/4碼率、5/6碼率。在接收端，會根據(jù)相應(yīng)變換來實現(xiàn)打孔，圖2-2是卷積

21、碼編碼器的模型15。圖2-3 卷積編碼器模型交織處理過的數(shù)據(jù)比特序列輸入到星座圖中進行數(shù)據(jù)映射。支持BPSK、QPSK、16QAM、64QAM四種調(diào)制方式，其中64QAM是可選的。上下行鏈路都支持自適應(yīng)調(diào)制方式，其中下行支持對不同數(shù)據(jù)塊的判決調(diào)制，上行支持對每個子載波采用不同的調(diào)制方式，具體選用是由基站的MAC配置來指定的16，圖2-4是序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)：圖2-4 序列發(fā)生器另外，在IEEE802.16e標準中還有導(dǎo)頻子載波。其具有對信道估計和頻偏估計的功能，在每一個突發(fā)數(shù)據(jù)中都需要引入導(dǎo)頻子載波，并且根據(jù)在OFDM信號具體規(guī)定方位來進行映射。在上行和下行都需要用到導(dǎo)頻調(diào)制序列發(fā)生器，上行和下

22、行的導(dǎo)頻調(diào)制序列發(fā)生器的生成多項式都為： （2-2）上行鏈路的初始化序列為1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1，下行鏈路的初始化序列為1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1。2.2.3 MIMO技術(shù)MIMO技術(shù)是為了保證通信質(zhì)量，在發(fā)送與接收有選擇的采用多個天線來傳輸信號。這樣總的系統(tǒng)帶寬保持不變前提下帶來了很多好處，一方面，系統(tǒng)的容量與頻帶的利用情況都有所調(diào)高，另一方面，可以保證傳輸?shù)目煽啃?，對?fù)雜環(huán)境下的傳輸有好的表現(xiàn)17。 Alamouti空時碼是空時分組碼的典型代表，能獲得完全分集增益，具體的編碼實現(xiàn)也相對簡單。Alamouti方法多用于雙路發(fā)射天線的系統(tǒng)中，其發(fā)射規(guī)則是，取

23、兩個連續(xù)符號s1與s2，經(jīng)過空時分組編碼后在第一路天線中首先發(fā)送出s1接著在發(fā)送出-s2*，而在第二路天線中首先發(fā)送出s2接著發(fā)送出s1*，由于在兩路中分別都連續(xù)發(fā)送了兩個符號，總的符號率仍相當于每路都發(fā)送一個符號18。圖2-5是其具體的發(fā)送結(jié)構(gòu)：圖2-5 Alamouti空時碼編碼器發(fā)送端示意圖2.2.4 LDPC碼介紹低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Codes，LDPC）是由Gallager在1962年首次提出的，其后在高速發(fā)展的硬件水平促進下，Mackay，Spielman等人對LDPC碼進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)其性能十分優(yōu)異。LDPC碼相比Turbo碼，

24、具有很好的抗突發(fā)差錯特性，避免了可能帶來的時延，性能更接近香農(nóng)限，已經(jīng)成為當前研究的熱點，全球微波互聯(lián)接入（WIMAX）也將LDPC碼作為可靠性編碼方式16。LDPC碼的譯碼采用置信譯碼算法，通過置信消息來傳遞比特信息，就是說在這些節(jié)點處理后通過信息節(jié)點和校驗節(jié)點相連的邊傳送有用信息，具體譯碼過程是，首先信息節(jié)點接收到由信道傳來的初始消息，碼字長度是多少就會有多少個信息節(jié)點接收到初始消息，每一個校驗節(jié)點會把所有與之相連接的信息節(jié)點的初始消息進行匯總處理，然后再將處理后的消息繼續(xù)傳送給與之相連接的所有信息節(jié)點，之后對信息節(jié)點消息進行判決，如果譯碼正確，則退出迭代結(jié)束譯碼，如果譯碼錯誤則繼續(xù)進行下

25、一次的迭代，整個譯碼會按此進行直到譯出正確信息或者達到了最大的迭代次數(shù)為止。第3章 WiMAX物理層的仿真模塊的建立第3章 WiMAX物理層的仿真模塊的建立3.1 WiMAX系統(tǒng)仿真平臺的結(jié)構(gòu)在進行基帶處理時為了簡化過程，都刪改了協(xié)議規(guī)定的步驟結(jié)構(gòu)。本W(wǎng)iMAX仿真平臺如圖3-1所示，它由數(shù)據(jù)隨機化、前向糾錯編(解)碼（FEC）、交織（解交織）、調(diào)制、組幀、串并行轉(zhuǎn)換、同步、信道估計8個部分組成19。各個模塊的算法、符號和幀結(jié)構(gòu)嚴格按照IEEE802.16-2004的統(tǒng)一規(guī)定。圖3-1 WiMAX物理層仿真平臺的結(jié)構(gòu)3.2 OFDM系統(tǒng)仿真基于802.16/WiMAX OFDM PHY的結(jié)構(gòu)分

26、為基帶和RF射頻部分。本文僅關(guān)注基帶部分的仿真，其框圖如圖3-2所示。其中，信道編碼由3個部分組成：隨機化，F(xiàn)EC(RS+CC)，交織。OFDM調(diào)制器由星座映射、保護子載波、導(dǎo)頻、前導(dǎo)碼插入、IFFT模塊和加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)、PS模塊構(gòu)成20。無線信道由修正的SUI(Stanfofd University Interim)信道模型與自噪聲疊加構(gòu)成。SUI信道是時變多徑信道，體現(xiàn)了信道多徑效應(yīng)和多譜勒頻移。高斯自噪聲的功率譜為平坦譜，反映單徑信號經(jīng)歷的自噪聲干擾。將它們相結(jié)合構(gòu)成無線傳輸信道，從而反映無線信道特征。接收端的主要功能是OFDM解調(diào)、信道估計與信道解碼。信

27、道估計的一般方法包括LS(Linear Square)估計算法和MMSE(MinimumMean-Squared Error)算法。LS估計算法較簡單，與MMSE算法相比，在相同MSE(MeanSquare-Error)條件下，MMSE算法在SNR值上有10dB-15dB的提升，但運算復(fù)雜度較高。因此，本仿真系統(tǒng)采用LS估計算法，重點評估了前導(dǎo)碼與導(dǎo)頻進行頻域LS信道估計和不同插值算法下系統(tǒng)的性能21。主要考慮線性插值、高斯插值、三次樣條插值。圖3-2 WIMAX基帶仿真框圖在對OFDM調(diào)制解調(diào)的處理機制有了初步認識之后，為在整體架構(gòu)上理解和驗證OFDM技術(shù)在通信系統(tǒng)中的作用，我們將根據(jù)WiM

28、AX中對信道編碼的描述要求來構(gòu)建一個相對簡單的OFDM通信系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的編碼、交織、數(shù)據(jù)調(diào)制和OFDM處理。又因在射頻頻率內(nèi)要恢復(fù)信號需要相當高的采樣頻率，這樣仿真所需的時間就會很長,因此在不影響系統(tǒng)性能評估的前提下,將只對基帶系統(tǒng)進行原理上的仿真。構(gòu)建仿真系統(tǒng)框圖如圖3-3所示。圖3-3 基帶OFDM系統(tǒng)框圖利用SystemView通信庫和DVB庫中的模塊搭建仿真系統(tǒng)模型如圖3-4所示。圖3-4 仿真實現(xiàn)圖仿真中采用PN序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機序列為信號源,經(jīng)過同頻率的采樣后,根據(jù)協(xié)議要求,先進行(255,239,8)的RS外編碼器和交織,再經(jīng)過編碼速率為1/2、約束長度為7、生成多項式為(

29、133,171)的卷積內(nèi)編碼器進行編碼。外編碼器、交織和卷積內(nèi)編碼器合在一起構(gòu)成了系統(tǒng)的前向糾錯碼部分,來降低系統(tǒng)的隨機誤碼率和突發(fā)誤碼率。3.3 WiMAX基帶仿真模型的Simulink實現(xiàn)3.3.1 發(fā)送端模型根據(jù)OFDM系統(tǒng)框圖和WIMAX物理層的標準對發(fā)射部分各處理過程進行了子函數(shù)化,使其成為獨立的功能函數(shù),以在主函數(shù)中對其進行調(diào)用以實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。整個發(fā)射部分的函數(shù)處理流程框圖如圖3-5所示。圖3-5 發(fā)送部分功能實現(xiàn)流程按下圖3-6建立基帶仿真模型，運用Simulink建立相應(yīng)模塊。圖3-6 基于WiMAX的Simulink發(fā)送端模型在上圖中，OFDM調(diào)制模塊中的OFDM sy

30、mbols模塊應(yīng)按OFDM的頻域描述將其中的8個導(dǎo)頻插入、56個保護子載波和映射后的192個數(shù)據(jù)組成一個OFDM符號，并根據(jù)幀格式的要求產(chǎn)生前導(dǎo)碼。WiMAX下行鏈路中的前導(dǎo)碼由2個OFDM符號組成，其功能較多，包括幀同步、載波同步、符號同步、信道估計等。系統(tǒng)假定理想同步，將前導(dǎo)碼用于準靜態(tài)信道中的信道估計，并將其性能與導(dǎo)頻做比較。Switching模塊用于控制前導(dǎo)碼與一般OFDM符號的通過，當一個幀開始時，發(fā)送前導(dǎo)碼并在接收端將其保持一個幀周期，以便以后傳輸OFDM符號進行頻域均衡22。3.3.2 接收端模型OFDM系統(tǒng)的接收部分需要進行頻偏估計、時間同步、OFDM解調(diào)、信道估計、數(shù)據(jù)解調(diào)及

31、信道譯碼等過程來恢復(fù)傳輸?shù)男盘?。同?接收發(fā)射部分的函數(shù)處理流程框圖如圖3-7所示。圖3-7 接收部分功能實現(xiàn)流程建立基帶仿真模型接收端的模塊，用Simulink建立如圖3-8所示的模塊接收端模型。圖3-8 基于WiMAX的Simulink接收端模型仿真前應(yīng)初始化各個參數(shù)，包括OFDM符號數(shù)、CP長度、調(diào)制方式、編碼速率、信噪比、采用何種SUI信道等。參數(shù)的選擇可以對發(fā)送端和接收端的Simulink模塊進行配置。在實現(xiàn)SUI信道的過程中，其產(chǎn)生的抽頭隨機增益過程口的默認采樣周期通常是秒級，而系統(tǒng)波形級仿真所需的仿真周期通常是微秒級，遠小于默認采樣周期23。因此，必須將原來產(chǎn)生的抽頭系數(shù)進行內(nèi)插

32、。對于IEEE 80216d這類固定(或游牧)寬帶無線通信系統(tǒng)，可以采用準靜態(tài)進行性能仿真，即假設(shè)在一次突發(fā)數(shù)據(jù)幀內(nèi)信道特性不發(fā)生改變。此時只要將抽頭系數(shù)內(nèi)插到采樣周期(幀周期，通常是毫秒級)即可，以減少內(nèi)插難度。第4章 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析對比第4章 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析對比 本文使用Simulink工具搭建了基于IEEE 802.16e的WiMAX-MIMO-OFDM物理層仿真模型，并改進了一種針對快速衰落信道的信道估計算法，重點比較了在接收端不同移動速度情況下，線性插值、高斯插值和三次樣條插值在原算法和改進算法情況下的性能差異，最后給出相應(yīng)的仿真結(jié)果及結(jié)論。4.1 信道編碼部分程序的仿真及分析在

33、不影響結(jié)果的情況下為了簡化WiMAX系統(tǒng)仿真平臺，不妨設(shè)抽樣頻率為1，這樣Tb256，TS288，選用典型的高斯信道。首先對信道編碼部分的程序進行仿真，得到圖4-1所示。圖4-1 信道編碼部分的仿真曲線可以看到實線是數(shù)據(jù)在RSCC編碼后進入高斯信道得到的誤碼率，點劃線是沒有信道編碼的數(shù)據(jù)直接進入高斯信道的誤碼率。相對于無編碼的情況，當誤碼率為10-4數(shù)量級上時，使用16QAM調(diào)制，編碼增益超過5dB。該結(jié)果和一般研究串行級聯(lián)碼文獻中得到的最優(yōu)化方案的編碼增益接近，證明本平臺的信道編碼性能十分良好。4.2 WiMAX系統(tǒng)平臺的仿真及分析由于系統(tǒng)選用16QAM調(diào)制，它適用于調(diào)制信噪比較好的信道，當

34、信噪比小于10dB時，誤碼率大于0.3，基本很少在實際中使用，已經(jīng)研究意義不大，所以仿真中信道的信噪比從10-18dB。信號在進入信道前加入0.1的頻偏。仿真得到的誤碼率和信噪比曲線如圖4-2所示。從仿真曲線的對比中可見，一般文獻對基于IEEE802.11協(xié)議下用相似的方法搭建的平臺，當信道信噪比達到18dB時，BER為10-4，本平臺誤碼率為10-5的數(shù)量級，BER也接近或低于其他文獻的值。和單獨進行同步或信道估計時相比，在相同的信噪比下，BER至少提高一個數(shù)量級，信噪比越高，數(shù)量級提高越多。整個仿真平臺BER曲線下降較快，可容錯SNR近似為17dB,這些都對實際工程建設(shè)有一定指導(dǎo)意義。 圖

35、4-2（a） 其他模型BER曲線 圖4-2（b） 本系統(tǒng)模型BER曲線本文設(shè)計了基于IEEE802.16-2004協(xié)議的在Matlab環(huán)境下開發(fā)的WiMAX系統(tǒng)物理層仿真平臺，跟進了該領(lǐng)域的先進技術(shù)。今后本人還會對此平臺進行優(yōu)化。隨著寬帶無線技術(shù)的發(fā)展，WiMAX憑借其在系統(tǒng)的頻譜利用率、功率利用率、系統(tǒng)復(fù)雜性方面的優(yōu)勢，在高速互聯(lián)網(wǎng)接入、雙向數(shù)據(jù)通信、雙向媒體業(yè)務(wù)以及視頻廣播等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。4.3 輸入、輸出信號波形分析在接收端將進行發(fā)射端的逆處理,信號經(jīng)過OFDM調(diào)制后首先會進行符號檢波器,對信號進行硬判決,恢復(fù)出64QAM的星座圖案后進行符號映射反變換。之后再經(jīng)過符號去交織、

36、比特去交織和合路器組成的內(nèi)交織的反變換處理,進行卷積內(nèi)解碼、去交織以及RS外編碼譯碼后即得到輸出波形。接收端各處理此處不再一一描述。輸入信號波形和輸出信號波形如圖4-3、4-4所示。圖4-3 輸入波形圖形圖4-4 輸出波形圖形4.4 不同CP長度對系統(tǒng)性能的影響參數(shù)配置如下：帶寬BW=2MHz，循環(huán)前綴長度分別取1/16，1/8，調(diào)制方式為QPSK-1/2，幀周期T/frame=2.5ms，采用LS估計。圖4-5 不同SUI信道下、不同CP長度對應(yīng)的系統(tǒng)性能由上圖4-5可知，在3種不同類型的信道下，當CP增加時，各信道的性能曲線降低，即可靠性提高，但其數(shù)據(jù)傳輸速率下降。在相同調(diào)制編碼方式下，當

37、Tu一定時，若CP長度增加，則R下降。因此，可以通過選擇適當?shù)腃P長度來平衡BER和數(shù)據(jù)速率。在SUI-5下，性能曲線較差的原因如下：其均方延時為2.842us，對應(yīng)的相干帶寬為0.35lMHz<2MHz(系統(tǒng)帶寬)，因此，經(jīng)歷頻率選擇性衰落。因為SUI-1和SUI-3的帶寬均小于系統(tǒng)帶寬，所以經(jīng)歷平坦選擇性衰落，性能較高。4.5 調(diào)制方式和編碼速率對系統(tǒng)性能的影響由下圖4-6可知，低速率編碼和低階映射方式性能較好，但其對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低(Q與M越大，R越大)。因此，在實際中常采用AMC實現(xiàn)BER和數(shù)據(jù)速率之間的平衡。圖4-6 CP長度為1/16，SUI-3信道下不同調(diào)制編碼模式的系

38、統(tǒng)性能4.6 LS信道估計下不同插值算法對系統(tǒng)性能的影響從下圖4-7可以看出，在LS估計準則下，基于前導(dǎo)碼的信道估計性能高于基于導(dǎo)頻的信道估計。在基于導(dǎo)頻的插值算法中，Pilot-spline算法在信噪比較大(SNR>1OdB)時性能最好，Pilot-gauss其次，Pilot-linear最差。如果不對接收到的信號進行信道估計并加以補償，那么系統(tǒng)性能將惡化。圖4-7 CP長度為1/16、SUI-3信道下不同插值算法取得的系統(tǒng)性能4.7 信噪比對系統(tǒng)性能的影響不同頻點上的子載波對應(yīng)的頻域相應(yīng)估計值中的干擾加噪聲功率的過程中，與所有位于不同的OFDM符號，相同頻點上的子載波對應(yīng)的頻域信道相

39、應(yīng)估計值中的干擾加噪聲功率的過程中由于信道時變和頻率選擇性衰落引入的誤差之和，同計算所有位于不同OFDM符號且位于不同頻點上的子載波對應(yīng)得頻域信道相應(yīng)估計值中的干擾加噪聲功率的過程中引入的誤差相等的規(guī)律，消除信道時變和頻率選擇性衰落引入的誤差，得到所述子載波對應(yīng)得頻域信道相應(yīng)估計值中的干擾加噪聲功率。利用得到的所選取的各個子載波組中所有子載波對應(yīng)的頻域信道相應(yīng)估計值對應(yīng)的總功率，以及所選取的各個子載波組中所有子載波對應(yīng)得頻域信道相應(yīng)估計值中的干擾加噪聲功率，計算所述所有子載波對應(yīng)的頻域信道相應(yīng)估計值的載波干擾噪聲比。 根據(jù)子載波承載數(shù)據(jù)的調(diào)制方式，由子載波的頻域信道響應(yīng)估計值的載波干擾噪聲比得

40、出子載波上的載波干擾噪聲比。WiMAX系統(tǒng)的誤碼率性能因為編碼調(diào)制方式的不同、信道環(huán)境的不同而不同，其中編碼調(diào)制方式越高階、編碼碼率越大，系統(tǒng)的誤碼率性能就會越差；信道的信噪比越低，信道衰落越大，誤碼性能也會越差。在相同目標誤碼率的前提下，接收所需要的最低信噪比還可以進一步減少，從而改善原系統(tǒng)的誤碼性能。信噪比與誤碼率曲線見下圖4-8所示。圖4-8 不同的信噪比下的誤碼率曲線第5章 總結(jié)第5章 總結(jié)WiMAX技術(shù)作為一種面向無線城域網(wǎng)的寬帶無線技術(shù)以其速度高、覆蓋廣、成本低等優(yōu)勢成為解決“最后一公里”問題的最優(yōu)方案。LDPC碼和OFDM技術(shù)是其物理層關(guān)鍵技術(shù)重要的組成部分，LDPC碼相比Tur

41、bo碼，具有抗突發(fā)差錯特性，避免可能帶來的時延，性能方面與理論上的理想效果香農(nóng)極限也更近一步，在信道編碼領(lǐng)域中是重要的研究對象；OFDM技術(shù)具有高頻譜利用率、能有效對抗多徑干擾和衰落，在無線通信的各個領(lǐng)域都有所應(yīng)用。 本課題主要圍繞WIMAX標準下OFDM技術(shù)展開研究，主要的工作內(nèi)容如下：首先 WIMAX物理層協(xié)議做詳細闡述，介紹了OFDM技術(shù)原理，信道編碼技術(shù)，接著完全按照WIMAX標準對基于OFDM的物理層進行仿真論證，編程實現(xiàn)了具體各個模塊，主要包括加擾/解擾模塊、RS編譯碼模塊、卷積編譯碼模塊、交織/解交織模塊、調(diào)制/解調(diào)模塊、OFDM調(diào)制/OFDM解調(diào)模塊，接著對基于OFDM的系統(tǒng)詳

42、盡說明其性能，比較在不同條件下的系統(tǒng)性能，主要包括有無級聯(lián)編碼、不同編碼速率、不同調(diào)制方式、不同信道類型、有無循環(huán)前綴長度等條件下對系統(tǒng)性能的影響，較全面的闡明了WIMAX標準的基于OFDM的系統(tǒng)性能。再將OFDM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到MIMO系統(tǒng)中，通過仿真驗證了MIMO-OFDM系統(tǒng)要優(yōu)于OFDM系統(tǒng)，在保證高速率通信的前提下也使得通信可靠性得到保障，這兩種技術(shù)相結(jié)合也是在未來通信系統(tǒng)中的必然趨勢。本文使用MATLAB的Simulink工具創(chuàng)建了基于IEEE802.16E的WiMAX-MIMO-OFDMA物理層仿真模型，并針對快速時變?nèi)鹄ヂ湫诺?，改進了一種適用于Mobile WiMAX的信道估計

43、算法，同時比較了線性插值、高斯插值和三次樣條插值在原有算法和改進算法情況下的誤碼率性能。仿真結(jié)果表明，本文的改進算法對系統(tǒng)的誤碼率性能有明顯提高，而且隨著運動速度的增加，算法對系統(tǒng)性能的改善越來越明顯；同時表明當移動速度相同時，三次樣條插值的誤碼率性能最好，高斯插值次之，線性插值最差。但三種插值算法的運算復(fù)雜度與其誤碼率性能成正比。在系統(tǒng)高速運動情況下，可結(jié)合本文的改進算法和三次樣條插值進行系統(tǒng)性能估計。參考文獻參考文獻1IEEE Std 802.16T2004 (Revision of IEEE Std802.16-2001), Part 16:Air Interface for Fixed

44、 BroadbandWireless Access Systems.2IEEE Std 802.16.2-2001.Coexistence of Fixed BroadbandWireless Access Systems.2010 3丁建木.OFDM同步技術(shù)的研究D.上海交通大學(xué),2012.4楊星海.正交頻分復(fù)用系統(tǒng)仿真平臺與同步技術(shù)研究D.山東大學(xué),2007.5金小萍.基于IEEE802.11a協(xié)議OFDM同步算法的研究D.浙江工業(yè)大學(xué),2007.6冬學(xué)儉,羅濤.OFDM移動通信技術(shù)原理與應(yīng)用M.人民郵電出版社,2008.7張進一.第四代移動通信中OFDM技術(shù)的應(yīng)用分析J.中國新通信.2009. 8雷小林.WIMAX OFDMA系統(tǒng)中無線資源分配算法的研究D.西安:西安電子科技大學(xué), 2010.9肖靜.基