IEEE802.11ah 物理層鏈路性能仿真研究

1、IEEE802.11ah 物理層鏈路性能仿真研究學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 專 業(yè)： 完成年月： 目錄53摘要3Abstract4第一章 緒論51.1 無線局域網(wǎng)的發(fā)展與現(xiàn)狀51.2 無線局域網(wǎng)頻段選擇51.3 課題研究目的、方法及意義6第二章 IEEE802.11ah 物理層規(guī)范72.1 802.11 物理層概述72.2 802.11ah 應(yīng)用案例82.3 802.11ah 新增技術(shù)82.4 信道特點(diǎn)102.4.1 典型信道模型102.4.2 信道分布112.4.3 信道傳輸規(guī)范122.5 S1G PLCP 子層技術(shù)規(guī)范122.5.1 >=2 MHz 模式下的物理層132.5.2

2、1 MHz 模式下的物理層162.5.3 空間多路復(fù)用182.5.4 子載波規(guī)劃18第三章 IEEE802.11ah 的 OFDM 關(guān)鍵技術(shù)193.1 OFDM 概述193.2 OFDM 的基本原理模型193.3 OFDM 的 FFT/IFFT 實(shí)現(xiàn)203.3 802.11ah 的 OFDM 基帶收發(fā)原理213.3.1 基帶發(fā)射機(jī)213.3.2 基帶接收機(jī)同步253.3.3 基帶接收機(jī)均衡與解調(diào)26第四章 IEEE802.11ah 物理層仿真平臺(tái)274.1 Simulink 簡(jiǎn)介及其在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用274.1.1 MATLAB/Simulink 概述274.1.2 使用 SIMULINK 進(jìn)

3、行 11ah 基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)274.2 GUI 界面制作294.3 信道模型及工作頻段對(duì)系統(tǒng)影響的仿真分析314.3.1 瑞利信道模型仿真314.3.2 BER 誤差原因分析334.4 調(diào)制編碼方式對(duì)系統(tǒng)影響的仿真分析334.4.1 調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響334.4.2 編碼方式對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響344.5 鏈路預(yù)算354.5.1 兩種典型的路徑損耗模型364.5.2 預(yù)算及結(jié)果分析37第五章 總結(jié)與展望41英文文獻(xiàn)42英文文獻(xiàn)翻譯中文47致謝51參考文獻(xiàn)52摘要IEEE802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)及 WIFI 技術(shù)作為一種低成本無線近距離接入手段，被廣泛應(yīng)用在教育科研和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。目前，

4、IEEE802.11ah 工作組開始考慮利用 900MHz 等 1GHz以下頻段，進(jìn)行 WIFI 技術(shù)的擴(kuò)展研究。該技術(shù)旨在利用低頻段實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離傳輸，可廣泛應(yīng)用于電力、儀表等特種行業(yè)。論文結(jié)合正在制定的 IEEE802.11ah 標(biāo)準(zhǔn)在物理層進(jìn)行理論調(diào)研。在了解其物理層技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，使用 MATLAB 的 GUI 及 Simulink 平臺(tái)搭建 OFDM 物理層鏈路傳輸系統(tǒng)， 結(jié)合鏈路預(yù)算，對(duì)鏈路性能進(jìn)行理論分析和評(píng)估，全面驗(yàn)證其傳輸距離長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)越性能。為后續(xù)緊跟 WIFI 最新標(biāo)準(zhǔn)的制定，做好技術(shù)準(zhǔn)備。其中，仿真鏈路主要包括擾碼、卷積編碼、交織、星座映射、IFFT、插前導(dǎo)和循環(huán)

5、前綴、瑞利信道、信道估計(jì)與均衡等功能模塊。重點(diǎn)測(cè)試了 1MHz/32FFT 模式下，信道模型、工作頻段及調(diào)制編碼方式對(duì)鏈路性能的影響。關(guān)鍵詞：IEEE802.11ah，OFDM，物理層，Simulink，性能評(píng)估AbstractAs a means of low-cost and short-distance wireless access, IEEE802.11 standard and WIFI technologies have been widely used in fields of education and scientific and health research. At p

6、resent, the task group IEEE802.11ah began to consider using frequency bands below 1GHZ, such as 900MHz, to extend studies on WIFI technology. The technology is designed to use the lower frequency band for longer distances, which can be widely applied to power, instruments and other special industrie

7、s.The article does theoretical research on physical layer technologies of IEEE802.11ah criterion under discussion. On the basis of its specification, an OFDM link transmission system has been built on Simulink and GUI of MATLAB platform. Combined with the link budget, the performance can be analyzed

8、 and assessed, which fully validates its superior performance including long transmission distance and high reliability. It makes technical preparations for the subsequent development of keeping up with the latest WIFI standards.Besides, the simulation link includes modules such as scrambler, Convol

9、utional coding, interleaving, constellation mapping, IFFT, preamble and cyclic prefix adding, Rayleigh fading channel, channel estimation and equalization. And different effects on link performance occur under different channel models, frequencies and modulation and coding in 1MHz/32FFT mode.Key wor

10、ds: IEEE802.11ah, physical layer, Simulink, performance evaluation第一章 緒論1.1 無線局域網(wǎng)的發(fā)展與現(xiàn)狀無線局域網(wǎng)是利用電磁波在空氣中發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，而無需線纜介質(zhì)連接形式的網(wǎng)絡(luò)。它是對(duì)有線連網(wǎng)方式的一種補(bǔ)充和擴(kuò)展，具有安裝簡(jiǎn)易、靈活性高、容易維護(hù)、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)1。IEEE802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)及 WIFI 技術(shù)中作為一種低成本的無線近距離接入手段，已經(jīng)越來越為市場(chǎng)所廣泛接受。WIFI 技術(shù)歷經(jīng)十余年的研究，目前仍然在向前發(fā)展中，滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬需要。IEEE 802.11 工作組研究和標(biāo)準(zhǔn)化了完整的 WIFI 技術(shù)體系

11、，涵蓋物理層核心標(biāo)準(zhǔn)、頻譜資源管理、視頻車載應(yīng)用等多方面的一系列標(biāo)準(zhǔn)。圖 1 WIFI 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程目前，IEEE802.11 工作組開始考慮利用 1GHz 以下的頻譜，進(jìn)行 WIFI 技術(shù)的擴(kuò)展研究，標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目是 IEEE802.11ah。該項(xiàng)目在 802.11ac 和 802.11n 基礎(chǔ)上演進(jìn)而成，是正在制定的新一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，有望成為 WLAN 主流技術(shù)之一。1.2 無線局域網(wǎng)頻段選擇ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，是由 ITU-R （ITU Radio Communication Sector， 國(guó)際通信聯(lián)盟無線電通信局）定義的。此頻段

12、主要是開放給工業(yè)，科學(xué)、醫(yī)學(xué)這三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，屬于 Free License，無需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于 1W)， 并且不對(duì)其它頻段造成干擾即可。常用的 ISM 頻段如下：表 1 常用 ISM 頻段分布頻率范圍（Hz）中心頻率（Hz）可行性6.7656.795 MHz6.780 MHz取決于當(dāng)?shù)?3.55313.567 MHz13.560 MHz26.95727.283 MHz27.120 MHz40.6640.70 MHz40.68 MHz433.05434.79 MHz433.92 MHz902928 MHz915 MHz Region 2 only2.4002.5

13、00 GHz2.450 GHz5.7255.875 GHz5.800 GHz2424.25 GHz24.125 GHz6161.5 GHz61.25 GHz取決于當(dāng)?shù)?22123 GHz122.5 GHz取決于當(dāng)?shù)?44246 GHz245 GHz目前，無線局域網(wǎng)一般選用 ISM 2.4 GHz 和 5 GHz 等作為工作頻段。ISM 2.4 GHz 頻段的優(yōu)勢(shì)是不需付費(fèi)，在室內(nèi)環(huán)境中抗衰減能力強(qiáng)，劣勢(shì)是許多設(shè)備用的都是 2.4 GHz，所以干擾很多，不能保障足夠的穩(wěn)定性。而 5 GHz 頻段最大的優(yōu)勢(shì)是目前應(yīng)用較少，很多國(guó)家都是需要申請(qǐng)?jiān)S可的，所以干擾非常小，能保障傳輸?shù)馁|(zhì)量；但是缺點(diǎn)也很明

14、顯，其傳輸距離較短，室內(nèi)的抗衰減能力弱。為進(jìn)一步延伸傳輸距離、提高穩(wěn)定性，IEEE802.11ah 工作組開始考慮擴(kuò)展工作頻段， 利用 1GHz 以下頻段（即 S1G 頻段）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。1.3 課題研究目的、方法及意義IEEE802.11ah 旨在利用 900MHz 頻帶等 1GHz 以下的頻段實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)傳輸2，所以具有傳輸距離較長(zhǎng)、可靠性較高等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于電力、儀表等特種行業(yè)。論文結(jié)合正在制定的 IEEE802.11ah 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范在物理層進(jìn)行理論調(diào)研，總結(jié)提煉出其在 IEEE802.11 基礎(chǔ)上的技術(shù)演進(jìn)，并借助 MATLAB 的 Simulink 平臺(tái)搭建 OFD

15、M 物理層鏈路傳輸系統(tǒng)，進(jìn)一步驗(yàn)證調(diào)制編碼方式、信道模型及工作頻段對(duì)傳輸性能的影響。面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等應(yīng)用在擴(kuò)展傳輸距離、降低速率、增多支持站點(diǎn)等多方面的需求，IEEE802.11ah 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。目前該技術(shù)研究處在剛剛開始的階段。對(duì)該課題的研究有助于了解國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作和掌握無線通信物理層基本技術(shù)，這為以后緊跟標(biāo)準(zhǔn)制定、提出可行性方案等相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。第二章 IEEE802.11ah 物理層規(guī)范2.1 802.11 物理層概述IEEE802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范了 MAC 層及物理層的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)3。MAC 層主要作用：為用戶在不可靠媒介上提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。它有兩種訪問機(jī)制

16、， 一種是基于競(jìng)爭(zhēng)的訪問機(jī)制，也稱分布式協(xié)調(diào)功能 DCF(Distribution Coordination Function)； 另一種是基于集中控制的訪問機(jī)制，也稱集中協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)。物理層作用：為設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互連設(shè)備，并為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。物理層被分成兩個(gè)子層：物理層匯聚過程子層（PLCP）和物理媒體相關(guān)子層（PMD）。PLCP 功能：結(jié)合來自 MAC 層的幀與空中所傳輸?shù)臒o線電波，同時(shí)在幀頭添加標(biāo)頭。PMD 功能：將 PLCP 傳來的每個(gè)位利用天線傳送至空中。表 2 幾種常見的物理層技術(shù)對(duì)比4物理層技術(shù)

17、工作頻段提供速率信道頒發(fā)時(shí)間802.11DSSS 、FHSS2.4GHz1Mbps,2Mbps3 個(gè) 2.4 GHz 互不重疊頻帶1997802.11aOFDM5.8GHz6, 9, 12, 18, 24, 36,48 和 54 MbpsUNII 頻道內(nèi)的 12個(gè) 5 GHz 互不重疊頻帶1999802.11bHR/DSS S2.4GHz1,2,5.5,11Mbps3 個(gè) 2.4 GHz 互不重疊頻帶1999802.11gOFDM2.4GHz6, 9, 12, 18, 24, 36,48 和 54 Mbps3 個(gè) 2.4 GHz 互不重疊頻帶2003802.11nMIMO、OFDM2.4GHz

18、/5GHz1,2,5.5,6,9,11,12,18,24,36,48 和54 Mbps兩種2009由上表可知，無線局域網(wǎng)正朝著更高帶寬和更高移動(dòng)性的方向發(fā)展。物理層關(guān)鍵技術(shù)是 OFDM 和 MIMO 技術(shù)。2.2 802.11ah 應(yīng)用案例下表顯示了已經(jīng)被 IEEE802.11ah 工作組通過的應(yīng)用案例5：表 3 802.11ah 應(yīng)用案例Use caseDCN1Sub 1GHz Smart Grid172Sub 1GHz Intelligent Transport Systems (ITS)173Outdoor Sub 1GHz Surveillance System174Indoor Su

19、b 1GHz Surveillance System175Indoor Sub 1GHz Home Entertainment System176Indoor Sub 1GHz Healthcare System177Healthcare/Fitness2418Home/Building Automation/Control2419Supplemental Use Cases in Industrial Apps1410Temperature Sensor Network24211Outdoor Extended Range Hotspot24312Outdoor Wi-Fi for cell

20、ular traffic offloading24413Outdoor Environmental/Agricultural Monitoring25314Industrial Process Automation26015Electric Menu & Coupon Distribution26816Indoor and Outdoor Location26817AP Power Saving in Smart Grid273IEEE802.11ah 主要應(yīng)用在智能電網(wǎng)、智能運(yùn)輸系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等場(chǎng)景中。相比 WIFI 技術(shù)，它的主要特點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn)（至少 1km）；傳輸速率較低（大

21、于 100kbps 即可）；較長(zhǎng)的電池使用壽命（至少 1 年）；支持終端數(shù)較多（一般為 6000 個(gè)以上）；能維持 WLAN固定、戶外或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等應(yīng)用的用戶體驗(yàn)，因而常被稱為 WIFI 的擴(kuò)展。2.3 802.11ah 新增技術(shù)IEEE802.11ah 修正案定義了工作在 1 GHz 以下的免許可頻段的 OFDM 物理層，增強(qiáng)了 802.11MAC 層，使之與物理層相匹配。同時(shí)，它還提供了和其他系統(tǒng)（包括 IEEE 802.15.4 和 IEEE P802.15.4g）的共存機(jī)制 2。本節(jié)主要討論物理層技術(shù)細(xì)則。面對(duì)傳感網(wǎng)、智能電網(wǎng)等應(yīng)用的不斷普及，對(duì)擴(kuò)展傳輸距離、支持更多站點(diǎn)同時(shí)工作、無需

22、傳輸很大數(shù)據(jù)包等方面的需求日益緊迫。針對(duì)這些需求，IEEE802.11ah 工作組在物理層做了如下技術(shù)改進(jìn)，從而在傳輸距離和數(shù)據(jù)流量之間尋找新的權(quán)衡。（1）OFDM 符號(hào)重復(fù)排列體制主要目的：擴(kuò)展覆蓋范圍。智能運(yùn)輸系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)等應(yīng)用中對(duì)擴(kuò)展無線數(shù)據(jù)傳輸距離提出新的要求，希望達(dá)到1km 以上覆蓋范圍。針對(duì)此需求，標(biāo)準(zhǔn)提出了 OFDM 符號(hào)重復(fù)排列體制。這有利于提高發(fā)送功率增益和接收分集增益。主要包括 2 倍和 4 倍兩種重復(fù)傳輸模式。（2）使用 S1G 低頻段主要目的：滿足 100kbps 低速率傳輸要求。無線傳感網(wǎng)中不需要傳送很大的數(shù)據(jù)包，對(duì)傳輸速率沒有很高的要求，因而 802.11ah 工

23、作組對(duì) 802.11ac 物理層技術(shù)規(guī)范進(jìn)行降低時(shí)鐘處理（降低 10 倍）。但傳輸速率的下降使得前導(dǎo)中訓(xùn)練序列的開銷增加。為此，需要進(jìn)一步縮短防護(hù)時(shí)間 SGI（比如由 800ns 降為400ns）和幀間間隔（Slot time = 45us SIFS time = 80us DIFS time = 170us）。（3）MIMO 技術(shù)主要目的：支持 6000 個(gè)左右的站點(diǎn)同時(shí)工作。醫(yī)療保健系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用中希望支持的 6000 個(gè)左右的站點(diǎn)同時(shí)工作，這相比于WIFI 中支持的 2700 個(gè)站點(diǎn)有所增加。為此，標(biāo)準(zhǔn)采用增加空間流（不超過 4 個(gè)）的方式來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量。同時(shí)，PLCP 幀格式也要做

24、相應(yīng)的變更。（4）增強(qiáng)型調(diào)制編碼方式 JCMD 主要目的：擴(kuò)展覆蓋范圍、節(jié)能。JCMD 是一種旋轉(zhuǎn)調(diào)制方式，可顯著提升信噪比，它聯(lián)合了信道編碼的時(shí)域分集、MIMO 技術(shù)的空間分集和 OFDM 的頻域分集。這意味著，系統(tǒng)可以具有更低的發(fā)送功率和更廣的覆蓋范圍。此外，標(biāo)準(zhǔn)還定義了 256QAM 這種更高效的可選調(diào)制方式。（5）DFTS-OFDM主要目的：降低峰均比，節(jié)能。這種調(diào)制方式具有比 OFDM 更低的峰均比（PAPR），更優(yōu)的誤碼性能，輸出退避較小時(shí)具有較少的相鄰信道能量泄露。這是一個(gè)可選功能，只可應(yīng)用在數(shù)據(jù)域。2.4 信道特點(diǎn)信道特性主要由以下參數(shù)決定：路徑損耗、陰影、時(shí)延彌散、角分散、多

25、普勒效應(yīng)等。由于 11ah 的信道特點(diǎn)和干擾顯著不同、路徑損耗隨頻率變化、陰影和鏡面反射影響不同、時(shí)延擴(kuò)展有很大不同、900MHz 頻段的部署方案不同。基于以上原因，IEEE802.11ah 工作組提出了新的典型信道模型。2.4.1 典型信道模型（1）室外信道模型：基于 3GPP 和 3GPP2 信道模型1 簡(jiǎn)單 SISO（單入單出）多徑信道模型步行 A，步行 B，車載 A 和典型都市 4 種模型作用：用來評(píng)估和選擇基礎(chǔ)物理層特性及參數(shù)，比如前導(dǎo)域值、OFDM 參數(shù)、編碼調(diào)制方式等。2 空間信道模型 SCM (Spatial Channel Models)作用：用于評(píng)估 11ah 物理層鏈路性

26、能。兩種常用的仿真場(chǎng)景：1. 所有信道以 3km/h 速度傳輸?shù)目臻g信道模型。2. 第四個(gè)信道以 60km/h 速度傳輸，而其余信道以 0km/h 傳輸?shù)目臻g信道模型。（2）室內(nèi)信道模型：基于 802.11n 的 MIMO 信道模型æ d öQPL(d )dB =PL(d 0 )dB + 10n log10 ç÷ + å X q ,for d³ d 0其中：14243PL at referencedistanceèd 0 ø1442443PL exponent atrelative distance, dq = 1

27、PL(d0) 是在參考距離 d0 時(shí)的路徑損耗；Xq 是指因具體障礙物 q 產(chǎn)生的額外衰減，在多樓層場(chǎng)景下這可被視作樓層障礙物因素FAF（floor attenuation factor）；Xs 是對(duì)數(shù)模式下的陰影衰落通常按 Xs dB=N(0, sS)分布, Xs表示標(biāo)準(zhǔn)差為sS， 以 dB 為單位的零均值高斯隨機(jī)變量。2.4.2 信道分布表 4RMS 時(shí)延擴(kuò)展參數(shù)室外場(chǎng)景RMS DS(ns)室內(nèi)場(chǎng)景RMSDS(ns)SCM UMi250TGn A0SCM SMa170TGn B15SCMUMa650TGn C30TGn D50TGn E100TGn F150IEEE802.11ah 在中國(guó)

28、的信道分布如圖 2 所示6，各國(guó)工作頻段分布如圖 3 所示：圖 2 IEEE802.11ah 規(guī)定的中國(guó)使用頻段圖 3 IEEE802.11ah 各國(guó)工作頻段規(guī)定2.4.3 信道傳輸規(guī)范11ah 草案中的規(guī)范應(yīng)支持的 1 MHz 傳輸規(guī)范如下：在 2 MHz 的基站子系統(tǒng)中，1 MHz 波形只允許放在低頻段。在 4/8/16 MHz 的基站子系統(tǒng)中，當(dāng)主要的 2MHz 位于整體頻段的低端，則 1MHz 波形只允許放在 2MHz 主信道的高頻段；當(dāng)主要的 2MHz 位于整體頻段的高端，則 1MHz 波形只允許放在 2MHz 主信道的低頻段；當(dāng)主要的 2MHz 位于整體頻段的中間，則 1MHz 波

29、形位置待定。2.5 S1G PLCP 子層技術(shù)規(guī)范IEEE802.11ah 工作在 S1G 頻段，其幀時(shí)隙如圖 4 所示，其中 STF 和 LTF 域主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步、信道估計(jì)、頻偏估計(jì)、自適應(yīng)控制（AGC）等功能，SIG 域則主要定義了調(diào)制編碼方式、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、傳輸速率等。圖 4 S1G PLCP 幀格式2.5.1 >=2 MHz 模式下的物理層2.5.1.1 采用短前導(dǎo)單用戶開環(huán)數(shù)據(jù)包的一般結(jié)構(gòu)與 802.11n 標(biāo)準(zhǔn)中的 green field 前導(dǎo)類似，具體如圖 5所示:圖 5 >=2 MHz 模式的短前導(dǎo)幀格式各域定義如下：STF 域使用與 802.11n 中相同的子載波設(shè)

30、計(jì)。在每個(gè) 2 MHz 頻段，STF 占用 12 個(gè)非零子載波 ±4 ±8 ±12 ±16 ±20 ±24 。非零子載波通過 P 矩陣的第一列映射為時(shí)空流，與 11n GF preamble 采用同樣的方式。𝑆𝑇𝐹𝑘𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄𝑘 𝐷(𝑘) 𝑃1𝑥𝑘𝐶𝑆⻒

31、3;𝑄𝑘：第 k 個(gè)子載波上，大小為𝑁𝑇𝑋 × 𝑁𝑆𝑇𝑆的空間映射矩陣。𝐶𝑆𝐷𝐷(𝑘) ：第 k 和子載波上，大小為𝑁𝑇𝑋 × 𝑁𝑆𝑇𝑆的對(duì)角 CSD 相移矩陣。𝑥𝑘：第 k 個(gè)子載波上的非零 STF 值。LTF

32、 域?qū)?gt;= 2MHz PPDUs 的 LTF 域定義成與 11ac 中相同 FFT 大小的 VHTLTF 符號(hào)一致。這也適用于長(zhǎng)前導(dǎo)幀格式的 LTF1 和 D-LTFs 域。和11n green field preamble 中的一樣，在 LTF 的數(shù)據(jù)載波上，N𝑆𝑇𝑆個(gè)時(shí)空流利用矩陣P，映射成N𝐿𝑇𝐹個(gè) LTF。𝐿𝑇𝐹1𝑘, 𝐿𝑇𝐹2𝑘, , 𝐿&#

33、119879;𝐹𝑁𝐿𝑇𝐹_𝑘= 𝑄𝑘𝐷(𝑘) 𝑃𝑁×𝑁𝑠𝑘𝑁𝑇𝑋×𝑁𝐿𝑇𝐹𝐶𝑆𝐷𝑆𝑇𝑆𝐿𝑇w

34、865;11114×4𝑃= | 1111 |11111111𝑠𝑘：第 k 個(gè)子載波上的 LTF 導(dǎo)頻符號(hào)，值為 1 或-1。SIG 域SIG 域由 2 個(gè)符號(hào)組成，和 11n GF preamble 一致，采用 PSK 調(diào)制方式。𝐶𝑆𝐷48 個(gè)數(shù)據(jù)子載波占據(jù) 2 MHz 子頻段的 -26:26，采用 1n/11ac MCS0 調(diào)制方式。和 11n GF preamble 一致，數(shù)據(jù)子載波利用矩陣 P 的第一列被映射到多時(shí)空流。𝑆𝐼𝐺w

35、896;𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄𝑘𝐷(𝑘) 𝑃1𝑑𝑘2.5.1.2 采用長(zhǎng)前導(dǎo)長(zhǎng)前導(dǎo)結(jié)構(gòu)使用“混合模式”，此幀格式可用于多用戶和 SUBF 。Omni 部分圖 6 >=2 MHz 模式的長(zhǎng)前導(dǎo)幀格式SIGA 域有 48 個(gè)子載波，占據(jù)-26:26。STF/LTF1/SIG 域在每個(gè)子載波應(yīng)用單流。𝑥𝑘𝑁𝑇𝑋×1 = 𝑄&#

36、119896; 𝑁𝑇𝑋×1𝑑𝑘𝑄𝑘：包含時(shí)域 CSD 中第 k 個(gè)子載波上的相移。SIG 子域定義有別于短前導(dǎo)，且 SIG 域的兩個(gè)符號(hào)分別采用 QBPSK 和 BPSK 調(diào)制。Data 部分D-STF 和降低時(shí)鐘的 11ac VHT-STF 一樣。D-STF, D-LTFs 和 SIGB 采用與 11ac 多用戶包一致的調(diào)制方式。所有的用戶最多使用4 個(gè)時(shí)空流。2.5.1.2 長(zhǎng)、短前導(dǎo)的自動(dòng)檢測(cè)對(duì)于>=2MHz 長(zhǎng)、短前導(dǎo)數(shù)據(jù)包，第一個(gè) SIG 符號(hào)常采用 QBP

37、SK 調(diào)制，常用于檢測(cè)1MHz 和 2MHz 前導(dǎo)。第二個(gè) SIG 符號(hào)用于檢測(cè)長(zhǎng)、短前導(dǎo)。圖 7 長(zhǎng)、短前導(dǎo)和 1MHz/2MHz 的自動(dòng)檢測(cè)4/8/16 MHz 幀格式對(duì)于 4MHz, 8MHz, and 16MHz 數(shù)據(jù)包，STF/LTF/SIG 域的設(shè)計(jì)和 11ac 40/80/160MHz類似。每個(gè) 2MHz 子頻段 STF/SIG 域需進(jìn)行重復(fù)和相位旋轉(zhuǎn)。>=2MHz 的 SIGB 域內(nèi)容如表 5 所示：表 52MHz SIGB (長(zhǎng)前導(dǎo))BW (MHz)24816MCS4444Tail6666CRC8888Reserved891111Total26272929>=2M

38、Hz 的 SIG 域內(nèi)容如表 6 所示：表 6 2MHz SIGASUMULength/ Duration99MCS4BW22Aggregation1STBC11Coding25SGI11GID6Nsts28PAID9Ack Indication22Reserved54CRC44Tail66Total48482.5.2 1 MHz 模式下的物理層對(duì)于 32 FFT 變換，802.11ah 技術(shù)參數(shù)應(yīng)使用如下 STF 和 LTF 序列：STF 序列Tone index=-12-8 -44 8 12Values: 0.5, -1, 1, -1, -1, -0.5×(1+j) ×

39、 其中 是歸一化因數(shù) = 2.4 ，對(duì)于 MCS0 rep21.7，其他LTF 序列子載波索引為-16 -15 -14 . -1 0 1 . 14 15=0 0 0 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 0 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 0 0對(duì)于 1MHz 單用戶開環(huán)包，802.11ah 草案規(guī)范應(yīng)有通用前導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖 9 所示：圖 9 1MHz 模式的前導(dǎo)幀格式802.11ah 草案規(guī)定 1MHz SIG 域采用 BPSK-rate ½ -rep 2 調(diào)制方式，且不支持多用戶， 具體內(nèi)容如表 7 所示：表 7 1MHz

40、模式下 SIG 域內(nèi)容表述SIG FieldBitsCommentsSTBC1Same as in 11acNum SS2Number of spatial streams for SUSGI1Short Guard IntervalCoding21st bit is coding type (LDPC/BCC), 2nd bit is for LDPC Nsym ambiguityMCS4MCSAggregation bit1Signals use of AMPDULength9Length field (in symbols when aggregation is ON, is in by

41、tes when aggregation is OFF, Mandate AMPDU for packet sizes > 511 bytesAck Indication200: Ack; 01: BA; 10: No Ack; 11: reserved refer to R.3.2.1.CReserved4 (TBD)Some possible uses are MAC bitsor any other new features etc. Details TBDCRC44 bits ofCRC should be enoughTail6 (TBD)Tail-biting can be

42、exploredTotal362.5.3 空間多路復(fù)用數(shù)據(jù) PPDU 傳輸過程中的時(shí)空流的最大數(shù)目 NSTS4。在任何 IEEE802.11ah 中，短保護(hù)間隔 GI 始于第二個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，第一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)為長(zhǎng)保護(hù)間隔。2.5.4 子載波規(guī)劃>= 2MHz 物理層與 11ac 中相應(yīng)大小的 FFT 具有相同的載波規(guī)劃。1 MHz 物理層的子載波分配如下：24 個(gè)數(shù)據(jù)子載波，序號(hào)+/-7 處有 2 個(gè)導(dǎo)頻子載波，防護(hù)子載波在左邊有 3 個(gè)，右邊有2 個(gè)，和 1 個(gè)直流子載波。圖 10 1 MHz 物理層子載波分配第三章 IEEE802.11ah 的 OFDM 關(guān)鍵技術(shù)3.1 OFDM 概述OF

43、DM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)經(jīng)常被我們稱為正交多載波調(diào)制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)信道中高速、高質(zhì)量傳輸數(shù)據(jù)，在寬帶領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。OFDM 由大量在頻率上等間隔的子載波構(gòu)成（設(shè)共有 N 個(gè)子載波），各載波可用同一種數(shù)字調(diào)制方法，或不同的載波使用不同的調(diào)制方法，將高速串行數(shù)據(jù)分成多路并行的低速數(shù)據(jù)加以調(diào)制。所以 OFDM 實(shí)際上是一種并行調(diào)制方案，將符號(hào)周期延長(zhǎng) N 倍，從而提高了抗多徑衰落的抵抗能力。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用中，各載波的信號(hào)頻譜互不重疊，頻帶利用率較低。而在 OFDM 系統(tǒng)中，各于載波在整個(gè)符號(hào)周期上是

44、正交的即加于符號(hào)周期上的任何兩個(gè)載被的乘積等于零，因此各于載波信號(hào)頻譜可以互相重疊，大大提高了頻帶利用率。由于 OFDM 系統(tǒng)中的載波數(shù)量多達(dá)幾百上千，所以在實(shí)際應(yīng)用中不可能使用幾百個(gè)振蕩器和鎖相環(huán)進(jìn)行調(diào)制。因此，提出了用離散傅里葉變換（DFT）實(shí)現(xiàn) OFDM 的方法。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)的飛速發(fā)展，采用快速傅里葉變換 FFT，利用現(xiàn)有的高速數(shù)字信號(hào)處理芯片實(shí)現(xiàn) OFDM 的調(diào)制與解調(diào)，非常方便，又可大大降低系統(tǒng)成本。3.2 OFDM 的基本原理模型OFDM 的基本原理就是把串行的數(shù)據(jù)流分解成若干個(gè)數(shù)據(jù)速率低得多的并行子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流再去調(diào)制相應(yīng)各個(gè)正交的子載波，最后把各個(gè)子載

45、波上的信號(hào)疊加合成一起輸出。OFDM 系統(tǒng)的基本原理如圖 11 所示：圖 11 OFDM 系統(tǒng)的基本原理圖從上圖可以看出，OFDM 的發(fā)送端的基本原理就是把輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換成 N 路子信道數(shù)據(jù)，然后分別調(diào)制相應(yīng)各個(gè)正交的子載波后疊加合成一起輸出。而在接收端則用各個(gè)子載波分別混頻和積分得到各路數(shù)據(jù)，經(jīng)過并串變換便輸出原始數(shù)據(jù)。3.3 OFDM 的 FFT/IFFT 實(shí)現(xiàn)從上面對(duì) OFDM 基本原理的論述可以看出：其實(shí)現(xiàn)的根本思想是通過串并變換把串行的高速數(shù)據(jù)流變成并行的低速數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)是保證各個(gè)子載波之間的正交性。串并變換是很容易實(shí)現(xiàn)的，而正交性是如何實(shí)現(xiàn)的呢?下面先看看 OFDM

46、信號(hào)的表達(dá)式。N1is(t) = diej2T(tts)i=0ts t ts + T在上式中令ts = 0，對(duì)信號(hào)s(t)以 TN 的速率進(jìn)行采樣即令 t=kTN(k=0，1,2 N-1)，可以得到：N1j2ikSk = dieNi=00 k N 1可以看到Sk可以看作對(duì)di進(jìn)行離散傅立葉反變換 1DFT 運(yùn)算。同樣在接收端為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號(hào)di，對(duì)Sk進(jìn)行反變換，即進(jìn)行離散傅立葉變換 DFT 得到：N1j2ikdj = SkeN k=00 i N 1根據(jù)以上的分析可以看出，OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由 IDFTDFT 完成。通過 N 點(diǎn) IDFT 運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號(hào)di變成時(shí)

47、域數(shù)據(jù)符號(hào)Sk，經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后， 發(fā)送到無線信道中。其中，每一個(gè) IDFT 輸出的數(shù)據(jù)符號(hào)Sk都是由所有子載波信號(hào)經(jīng)過疊加而生成，即對(duì)連續(xù)的多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波的疊加信號(hào)進(jìn)行抽樣得到的。這樣通過 DFT 的方法來實(shí)現(xiàn) OFDM 有很大的好處，它大大簡(jiǎn)化了調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)，使用 IDFTDFT 便可完成了多路子載波的調(diào)制和解調(diào)，而且 IDFTDFT 早就有了成熟的快速算法 IFFT FFT，它可以方便的在 DSP 芯片中實(shí)現(xiàn)。圖 12 OFDM 信號(hào)正交性的時(shí)域表示這種正交性也可從頻域得到更直觀的體現(xiàn)。因?yàn)槊總€(gè) OFDM 符號(hào)包含了多個(gè)非零的子載波，因此其頻譜可以看作是周期為 T 的矩形脈

48、沖的頻譜與各個(gè)子載波的脈沖響應(yīng)函數(shù)t 的卷積，圖 顯示了 OFDM 信號(hào)頻譜中各個(gè)子信道頻譜的情況其中每個(gè)子信道的頻譜為Sinc 函數(shù)，它在中心頻率處有最大值，在 1/T 的整數(shù)倍頻率上的值為零7。這樣，在每個(gè)子載波的頻譜最大值處所有其他子載波為零，在解調(diào)時(shí)，需要計(jì)算各個(gè)于載波頻譜的最大值， 只要保證各個(gè)子載波的頻率沒有偏移，就可以準(zhǔn)確的解調(diào)出每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)而不受其他子信道的影響。圖 13 OFDM 信號(hào)正交性的頻域表示在 OFDM 信號(hào)頻譜中，由于各個(gè)子信道頻譜相互重疊，OFDM 信號(hào)的帶寬是進(jìn)行一般頻分復(fù)用信號(hào)帶寬的一半即頻譜利用率提高了一倍。這是 OFDM 給我們帶來的最大好處之一口

49、8。3.3 802.11ah 的 OFDM 基帶收發(fā)原理3.3.1 基帶發(fā)射機(jī)IEEE802.11ah 物理層相比于 802.11a 物理層發(fā)送端模塊的變化：1. 根據(jù)是否采用 repetition 機(jī)制決定是否增加 2x block-wise repetition 模塊。2. 根據(jù)是否采用NSS 空間流決定是否增加 stream parser 模塊。3. 根據(jù)是否要增強(qiáng)傳輸穩(wěn)定性增加 STBC & spatial mapping 模塊。3.3.1.1 rep2 模式下的發(fā)射機(jī)來自MAC層的待發(fā)信號(hào)PilotsymbolsSTF LTFInterleaver2x block-wise

50、repetitionEncode & punctuationScramble并轉(zhuǎn)串Windowing GI&IFFT串轉(zhuǎn)并D/ A BPSKmapper圖 14 1MHz 802.11ah OFDM 發(fā)射機(jī)框圖802.11ah 技術(shù)規(guī)范應(yīng)采用 MCS0 rep2 作為 1 MHz 的最低傳送速率，此時(shí) NSS=1。發(fā)射機(jī)各模塊功能詳述（1） Scramble 模塊功能：不增加冗余，使信號(hào)具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性，防止出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連0或連1，影 響后級(jí)的編碼性能。原理：生成矩陣：S(x) = x7 + x4 + 1圖 15 擾碼模塊原理圖（2） Encode & punctua

51、tion 模塊功能：以最少的監(jiān)督碼元為代價(jià)，換取最大程度的可靠性提高。原理：圖 16 1/2 卷積編碼器原理圖1/2 卷積編碼采用下面兩種生成矩陣：g0 = 1338 g1 = 1718，刪余后得到指定速率。（3）2x block-wise repetition 模塊“2x block-wise repetition”模塊針對(duì)每個(gè) OFDM 符號(hào)執(zhí)行。Cout = C1.C2NDBPS , C1.C2NDBPS ，其中C1.C2NDBPS是前向糾錯(cuò)編碼輸出比特位的每個(gè)符號(hào)。（4） Interleaving 模塊功能：按照一定的算法將數(shù)據(jù)流中的位打亂，避免由于噪聲引發(fā)的錯(cuò)誤 bit 過于集中，

52、以降低誤碼率（PER 得到很大改善）；而分散的錯(cuò)誤 bit，將可以由 FEC 解碼器糾正。原理：第一級(jí)：相鄰比特 映射到 不相鄰子載波上按行寫入，按列讀取。第二級(jí)：相鄰比特 映射到 星座圖重要和次要的星座點(diǎn)上。（5） Mapper 模塊功能：將經(jīng)過位交錯(cuò)的空間流，按照指定的調(diào)制方式（QAM-64 等）映射為星座圖上的點(diǎn)。點(diǎn)采用復(fù)數(shù)表示，即將一個(gè)空間流轉(zhuǎn)換為 I、Q 兩路基帶信號(hào)。原理：一串?dāng)?shù)據(jù) 映射成 由實(shí)部和虛部組成的兩串?dāng)?shù)據(jù)。注意點(diǎn)：為使所有映射點(diǎn)具有相同的平均功率，分別乘以歸一化系數(shù)（6）插導(dǎo)頻模塊功能：對(duì)參考相位進(jìn)行跟蹤 OFDM 符號(hào)的導(dǎo)頻符號(hào)需要改變極性（7）IFFT 模塊功能：將

53、經(jīng)過映射的星座點(diǎn)變換為時(shí)域波形。（8）加循環(huán)前綴&加窗功能：對(duì)抗 ISI/ICI&通過特定的濾波器，使符號(hào)的邊沿變得平滑，從而使信號(hào)的頻譜集中于規(guī)定的范圍內(nèi)。加快符號(hào)帶外衰減，抑制旁瓣。原理：連續(xù)：Tg > max（信道最大多徑時(shí)延擴(kuò)展）g離散：L > NmaxT3.3.1.2 非重復(fù)模式下的發(fā)射機(jī)11ah 常規(guī)發(fā)射機(jī)框圖采用非重復(fù)的調(diào)制編碼方式，如圖 17 所示。圖 17 非重復(fù)模式發(fā)送原理框圖新增功能模塊詳述（1）編碼分配器將經(jīng)過擾碼的串行數(shù)據(jù)流分解為 N_ES（Number of FEC encoders ）個(gè)數(shù)據(jù)流，輸出到N_ES 個(gè) FEC 編碼器中。分配

54、的算法為 Round Robin 算法。（2）流分配器收集 FEC 編碼器的輸出分解為 NES 個(gè)數(shù)據(jù)流（先分組、后以 Round Robin 算法分配），進(jìn)入 NES (Number of spatial streams，由 MSC 表決定)個(gè)交織器。輸入 N_SS 交織器的數(shù)據(jù)流即被稱為“空間流”， NES in the MCSs of 2/4/8/16MHz 和 11ac 的相同。（3） STBC 編碼器各映射器輸出的星座點(diǎn)由 STBC 編碼器編碼，將空間流 SS 轉(zhuǎn)化為空時(shí)流 STS，是一種增強(qiáng)傳輸穩(wěn)定性的編碼方式。（4） Cyclic shift (CSD) insertionpre

55、vents unintentional beam-forming.（5）空間流映射器將空時(shí)流映射到發(fā)送鏈路（與一個(gè)控制矩陣相乘）。3.3.2 基帶接收機(jī)同步基帶接收機(jī)的同步主要包括以下 3 種：1) 定時(shí)同步2) 載波頻率同步：粗同步、細(xì)同步3) 采樣時(shí)鐘同步表 8 基帶接收機(jī)同步功能塊功能模塊功能原理備注分組檢測(cè)監(jiān)測(cè)信道有無新數(shù)據(jù)到達(dá)延時(shí)相關(guān)加長(zhǎng)度保持算法利用訓(xùn)練信息完成載波同步保證子載波間的正交性短/長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào) 估算頻差：625kHz 和156.2 kHz符號(hào)同步對(duì)單個(gè) OFDM 符號(hào)開始/結(jié)束的精準(zhǔn)定時(shí)相關(guān)運(yùn)算：連續(xù)監(jiān)測(cè)9 個(gè)峰值采樣頻率同步補(bǔ)償收發(fā) A/D 晶振的差異利用導(dǎo)頻完成剩余相

56、位跟蹤補(bǔ)償載頻殘余偏差引起的相位偏移（星座圖旋轉(zhuǎn)）數(shù)據(jù)輔助法3.3.3 基帶接收機(jī)均衡與解調(diào)A/DOFDM 基帶接收機(jī)相當(dāng)于發(fā)送機(jī)的逆過程，具體實(shí)現(xiàn)框圖如下：串轉(zhuǎn)并FFTDe- scrambleViterbi decodeDe- interleaveDe- mapping信道估計(jì)并轉(zhuǎn)串圖 18OFDM 基帶接收機(jī)框圖重要模塊簡(jiǎn)介：1) 頻域信道估計(jì)域均衡作用是：消除子載波引入的相位旋轉(zhuǎn)。主要步驟如下：a) 提取 LTSb) 𝐻 = 𝑅𝑅𝐿𝑇𝑆 × 𝐿𝐿𝑇𝑆c) 𝑅 = 𝑅 × 𝐻2) 解調(diào)a) 復(fù)數(shù)信號(hào)𝑅 映射為 二進(jìn)制比特流b) 𝐸𝑅𝐿𝑇𝑆 = &