（信号与信息处理专业论文）基于IEEE80216的应急系统物理层研究及实现.pdf

基于i e e e 8 0 2 1 6 的应急系统物理层研究及实现 摘要 随着人们对无线通信需求的不断增加，无线宽带接入技术得到了 不断发展。i e e e 8 0 2 1 6 系列标准是针对固定和移动用户而产生的无 线宽带接入技术。它被广泛应用于“最后一公里”的无线宽带接入方 案。本文在深入研究i e e e8 0 2 1 6 的基础上，重点给出了一种应急通 信系统物理层的功能分析、参数设计、硬件实现设计和调测。论文的 主要工作包括： 第一部分是项目物理层研究和参数设计，主要针对i e e e 8 0 2 1 6 标准的o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 物理层 协议进行分析，从而设计出基于o f d m 物理层的应急通信系统物理 层方案。该物理层采用o f d m 技术，通过对项目需求分析和无线传 播环境的研究，结合系统传输带宽和传输速率的要求，设计出物理层 系统参数，包括o f d m 调制参数、信道级联编码方案、交织方式、 帧结构等。此外，还详细论述了级联信道编码的参数配置、仿真结果 和软件实现。 第二部分是项目物理层基带硬件实现设计。物理层基带算法采用 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 软件实现，该d s p 平台采用软件无线 电架构。论文介绍了t i t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 芯片结构特点及集成外设资源， 并在此基础上采用d s p b i o s 编程技术，设计出物理层收、发端接口 及实时串行数据流方案。最后通过搭建物理层调测硬件平台和收、发 端调测程序，对整个物理层设计进行调测。 关键字：i e e e 8 0 2 1 6 标准w i m a xo f d m 信道编码d s p t h ei t e s e a r c ha n di m p l e m 匪n t a t i o n0 f p h y s i c a ll a y e rf o re m e r g e n c y c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb yu s i n gi e e e 8 0 2 16 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h et e c h n o l o g i e s o f b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sa r ei m p r o v e d ，t h es e r i e so f i e e e 8 0 2 1 6 s t a n d a r d sa r ew i d e l yu s e di nf i x e da n dm o b i l eu s e r s t h e yi u s tb e c o m e t h eb e s ts c h e m eo fl a s tk i l o m e t e ra c c e s s t h i sd i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t ht h ei e e e 8 0 2 16p r o t o c o l ，t h e na n a l y s e s a n dd e s i g n sap h y ( p h y s i c a ll a y e r ) o fe m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e r ea r et w om a i n l yc o n t e n t s f i r s t l y , t h eo f d mp h y i ni e e e 8 0 2 16i sa n a l y z e d t h e nas p e c i a l p h y d e s i g nf o re m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd r a f t e d a c c o r d i n g t ot h es y s t e mb a n d w i d t ha n dt r a n s m i s s i o nr a t e as e r i e so fp h y p a r a m e t e r a r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n go f d mm o d u l a t i o np a r a m e t e r , c h a n n e l c o d i n g ， i n t e r l e a v i n g ，f r a m es t r u c t u r ea n ds oo n m o r e o v e r , p a p e rd e s c r i b e sh o w t o c o n f i g u r et h er s c c ( c o n c a t e n a t e dr e e d s o l o m o n c o n v o l u t i o n a lc o d e ) c h a n n e lc o d i n g ，g e tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n f l o w s s e c o n d l y , t h ec o n t e n tf o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no f p h yl a y e r u s i n gad s pp l a t f o r m w h i c hi sb a s e do ns o f t w a r er a d i os t r u c t u r e t h et i t m $ 3 2 0 c 6 7l3c h i ps t r u c t u r ea n di n t e g r a t i o ni 0i n t e r f a c e sa r e i n t r o d u c e d ，t h e np a p e re x p a t i a t e sh o w t ou s et h ed s p b i o sp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g yd e s i g n i n gt h ep h y i n t e r f a c e sb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e ra sr e a lt i m es e r i a ld a t af l o w s f i n a l l y , ap h y t e s t i n gp l a t f o r mi s b u i l ta n dt h et e s t i n gp r o g r a m sa r eg i v e n ，i no r d e rt ov a l i d a t et h e p e r f o r m a n c eo f t h ew h o l ep h yd e s i g n s k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 1 6w i m a xo f d mc h a n n e lc o d i n gd s p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 露蠡j 日期：2 q q z 生q 且8 日 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 非保密论文 本人签名： 导师签名： 于保密范围，适用本授权书。 e t 期：2 q q 2 生笾且8 目 日期：2 嫂z 生q 3 旦8 目鬟 第一章绪论 本章从无线宽带接入技术的分类开始，逐步展开介绍，并重点对i e e e 8 0 2 1 6 系统标准物理层及m a c 层进行介绍。 1 1 无线接入技术简介 无线接入是指从交换节点到用户驻地网或者用户终端之间部分或全部采用 无线手段接入的技术。无线接入技术给人们提供了方便的网络铺设，以及低成本 和高灵活性，这也使用户能够通过无线通信实现真正的移动上网。现有的无线接 入技术可分为长距离无线接入技术和短距离无线接入技术。长距离无线接入技术 的代表是g s m 、g p r s 、3 g 等，而短距离无线按入技术包括w l a n 、h i p e r l a n 2 、 u w b 等。 根据系统是否支持处于运动过程的用户终端，无线接入可分为移动接入与固 定接入两种。其中，固定无线接入技术主要有四类，包括3 5 g h z 无线接入、直 播卫星系统( d b s ) 、本地多点分配业务( l m d s ) 和目前新出现的基于8 0 2 1 6 d 的宽带无线接入系统。不同频段的固定无线接入技术的组网均采用一种类似蜂窝 的服务器结构，将一个需要提供业务的地区划分为若干个服务区，每个服务区内 设基站，基站设备经点到多点无线链路与服务区内用户终端通信。固定无线接入 系统一般由中心站、终端站和网管系统三大部分构成，特殊情况下在中心站和终 端站之间可以通过中继站进行中继。与终端站相接的用户可以是单个的用户终 端，也可以是一个本地网。根据不同的需求，远端站可以有不同的配置，例如， 提供不同的用户端业务接口。中心站可以根据上连的网络和业务需求配置不同的 接口。 相对于固定宽带无线接入，移动无线接入最大的特点就是支持系统中用户终 端的移动性。因此，评估移动无线接入系统，需要考虑系统中用户终端以不同速 度运动的系统性能。通常来说，被考察的速度包括3 种，人步行时的速度、自行 车速、汽车行驶的速度。移动无线接入技术主要为基于i e e e 8 0 2 1 5 的无线个域 网( w p a n ) 、基于i e e e 8 0 2 1 l 的无线局域网( w l a n ) 、基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的无 线城域网( w m a n ) 和基于i e e e 8 0 2 2 0 或者第三代移动通信技术的无线广域网 ( w w n ) 共同组成的宽带无线接入网络链架构。 此外，根据系统中用户终端能达到的最大数据传输速率，无线接入又可以分 为窄带无线接入和宽带无线接入两种。i e e e 对于宽带的定义是：具有大于1 m h z 的瞬时频带，且支持大于1 5 m b p s 的数据速率。由于技术发展的限制，早期开发 的无线接入系统通常都属于窄带无线接入，比如第一代和第二代蜂窝移动通信系 统，它们针对的业务也主要是窄带的语音业务。随着技术的发展以及多媒体业务 不断推陈出新，无线接入技术呈现高带宽和i p 化的趋势。宽带无线接入的代表 有第三代移动通信系统、l m d s 和w 1 m a x 8 0 2 1 6 【l 】。 1 2i e e e 8 0 2 1 6 系列标准 宽带无线接入技术从2 0 世纪9 0 年代开始快速的发展起来，但是一直没有统 一的全球性标准。i e e e 8 0 2 1 6 标准的提出就是要建立一个全球统一的宽带无线 接入标准。为了促进这一目标的达成，几家世界知名企业还发起成立了w i m a x 论坛，力争在全球范围推广这一标准。 i e e e 8 0 2 1 6 是i e e e 8 0 2l a n ，、) l ，a n 的一个工作组。工作内容主要是开发宽 带无线接入系统标准，包括空中接口及相关功能标准。涵盖2 6 6 g h z 的许可带 宽和免许可带宽。i e e e 8 0 2 1 6 是当前无线通信领域的前沿技术，是高速连接“最 后一公里”或者“最初一公里”的廉价方法。 i e e e 8 0 2 1 6 标准规定了多业务点对多点宽带无线接入系统的空中接口，包 括m a c 层和物理层。m a c 层能够支持多种物理层，这些物理层已经被优化以 满足多个应用频带。 根据是否支持移动特性，i e e e 8 0 2 1 6 标准可以分为固定宽带无线接入空中 接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准，其中i e e e 8 0 2 1 6 、1 e e e 8 0 2 1 6 a 、 i e e e 8 0 2 1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而i e e e 8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无 线接入空中标准。i e e e 8 0 2 1 6 a 是对i e e e 8 0 2 1 6 的修正，在2 一l l g h z 的频带上， 对m a c 层进行修改扩展和对物理层进行补充规范，结合了一些增强性能的技术， 例如：a r q 等。主要面向住宅、s o h o 等。 目前，i e e e 8 0 2 1 6 包括两个主流的空中接口标准：i e e e 8 0 2 1 6 d 和 i e e e 8 0 2 1 6 e ，分别为固定和移动设计。i e e e 8 0 2 1 6 d 对2 , - - 6 6 g h z 频段的空中接 口物理层和m a c 层做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接 入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。i e e e 8 0 2 1 6 e 向后兼容i e e e 8 0 2 1 6 d ， 工作在2 , - , 6 g h z ，便于实现非视距传输。其目的是在终端固定的情况下增加终端 有限的移动能力。两者的主要区别是在m a c 层及基于正交频分多址的无线 2 m a n - o f d m a 物理层结构上。 1 2 i 物理层简介 w i m a x 8 0 2 1 6 的物理层定义了多种工作模式。支持时分双工( t d d ) 和频 分双工( f d d ) 两种双工方式。f d d 需要成对的频率，t d d 则不需要，而且可 以灵活的实现上下行带宽动态调整。同时，支持灵活的地划分载波带宽，系统可 以采用从1 2 5 2 0 m h z 之间的带宽。多种双工方式的支持和灵活的载波带宽划 分，使得w i m a x 8 0 2 1 6 能够适应世界各地不同的管制办法，便于部署和实旌。 物理层由传输汇聚子层( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c es u b l a y e r ，t c l ) 和物理 媒质依赖子层( p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t , p m d ) 组成，通常所说的p h y 主要 指后者。传输汇聚子层( t c l ) 主要将m a c 层传来的m a cp d u ( p r o t o c o ld a t a u n i t ) 按适当的码字长度分段为数据块组装成t c l p d u ，为在物理媒质依赖子层 ( p m d ) 中执行信道编码做准备。装配后的t c lp d u 首部的指针域指明了第一个 m a cp d u 和填充字节的起始位置。物理媒质依赖子层则具体执行信道编码等过 程。 w i m a x 8 0 2 1 6 的上行链路采用t d m a ( 时分多址) 和d a m a ( 按需分配 多址) 混合接入方式。上行信道分为许多个微时隙，由m a c 层控制这些微时隙 的分配。这样根据用户的不同需求分配时隙，达到更好地利用上行信道资源的目 的。 上行数据的传送方式有三种： 在初始维护阶段，数据以竞争方式传输。 在响应多播和广播轮询的请求间隔预留阶段，数据以竞争方式传输。 一般情况下，数据按分配的时隙传输。 下行链路一般采用时分复用方式，发送给各个终端的数据采用时分复用的方 式进行传输。而且，数据按照稳健性降序排列。在同一个扇区的每个终端都能接 收到该数据流。因为数据的目的地址都隐含在m a c 报头里面。终端需要监听它 所接收下行子帧的所有部分，并根据m a c 报头中的目的地址接收发送给自己的 数据。 物理层的数据分帧进行传输，协议中规定帧长可以为o 5 m s 、l m s 或2 m s 。 采用t d d 方式时，上下行子帧的帧长可调。图1 1 为下行子帧帧格式，图中d i u c 是下行链路的间隔使用符，前缀是恒幅零相关序列，用于帧同步。d l - m a p 是定 义下行突发起始时间的m a c 管理消息，u l - m a p 是定义上行突发起始时间的 m a c 层管理消息。 l 孵缓ij 藉裆韵端盛 嚣搽i d m 纛懿i i ) m 黢撼 l 掰u e o。| i bd l t f f ) 么么夕 辩瓣o o m pu l - m a i 图卜1 物理帧一般格式 在无线通信中，由于无线衰落信道具有时变的特点，使通信过程存在大量的 不确定性。早期，人们对抗无线衰落信道的时变特性，只能采用加大发射机发射 功率，使用低阶大冗余的调制编码方法保证系统在信道深衰落时的通信质量，还 无暇考虑如何提高系统的吞吐量。随着科技水平的进步，出现了可根据信道状态 自适应地调节其发射功率、调制编码方式以及数据的帧长，来克服信道的时变特 性从而获得最佳通信效果的技术，被称为链路自适应技术。w i m a x 8 0 2 1 6 系统 中充分考虑了各种链路自适应技术的特点，在提高通信可靠性的同时，尽可能减 少资源的浪费。w i m a x 8 0 2 1 6 物理层定义了1 2 种突发描述，每种突发对应的 突发描述类型可以从管理消息d i u c 或者u i u c 相应的信息部分中得知。这种传 输机制支持自适应的突发业务数据，而传输参数( 调制方式、编码方式、发射功 率等) 可以动态调整。 根据频段的不同，w i m a x 8 0 2 1 6 物理层的技术也不同，在1 0 - 6 6 g h z 频段 上，系统对于视频传输的支持是必不可少的。这时候最简单的方法就是单载波调 制，对应于标准中的空中接1 2 1 就是无线m a n s c ( s i n g l e - c a r r i e r ) 。在2 1 1 g h z 频段中，共定义了三种空中接口。它们分别是无线m a n s c a ，m a n o f d m 和 m a n o f d m a 。其中，无线m a n s c a 仍然采用的是单载波调制，无线 m a n o f d m 采用的是正交频分复用( o f d m ) 调制技术，以t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 方式接入。而且，无线m a n o f d m 空中接口对于非授权频带 是被强制实现的。无线m a n - o f d m a 空中接口虽然也采用o f d m 技术，但是 系统通过将一部分载波分配给一个独立的用户，能够支持多种接入方式。 1 2 2 数据链路层简介 w i m a x 8 0 2 1 6m a c 层规范和大多数协议一样采用分层结构，共分为3 个 子层，包括汇聚子层( c s ) 、公共部分子层( c p s ) 和安全子层。c s 子层负责和高层 4 接口，汇聚上层不同业务；c p s 子层实现主要m a c 功能，c p s 子层可分为数据 平面和控制平面；安全子层负责m a c 层认证和加密功能。i e e e8 0 2 1 6 协议参 考模型如图1 - 2 所示： ： c 一_ ( 瞄s p ) _ 一 l 离随瞧势艘擦予睽 刊野 f e s 心 驴 、- _ _ _ - _ - _ _ - 一， - 雠幺燕韶j 予摄 瓣 m a c a s ) 舞：1 i 豁 管 撵 磊 童垒彪镌 歪乎 翱照璇 幸门f 卜 m y ) 一一一t o 熬懿f 镫赫擎龋譬理够黼 图卜2i i m a x 8 0 2 1 6 参考模型 汇聚子层( c s ) 的任务是将上层业务映射成连接。i e e e8 0 2 1 6m a c 是面 向连接的，协议定义了两种c s 子层：a t mc s 和包( p a c k e t ) c s 。a t mc s 子 层提供对a t m 的业务支持，包c s 提供对i e e e8 0 2 3 ( e t h o r n e t ) 、i e e e8 0 2 1 q ( v l a - n ) 、i p ( i p v 4 、i p v 6 ) 等基于包的业务的映射。由于目前通信网络中最大 的数据业务是基于m 的分组业务，所以w i m a x 组织仅认证与m 相关的1 e e e 8 0 2 1 6 设备。包c s 子层的核心内容是业务分类，其定义了分类器( c l a s s i f i e r ) 的概念。分类器是一系列映射标准的集合，每个进入1 e e e8 0 2 1 6 网络的数据包 根据分类器定义的规则映射成为连接。分类器可以通过配置得到或动态建立，终 端( s s ) 进入网络时也可以通过空中接口从基站( b s ) 侧获得。m a c 层的每个 连接由长度为1 6 比特的连接标识( c m ) 唯一标识，这种基于连接的机制是提 供q o s 保障的基础。同时c s 子层对于特定业务还可以进行进一步处理，譬如对 于口语音( v o m ) 业务，c s 子层支持净载荷头压缩( p h s ) 对m 头进行压缩， 提高了传输效率。c s 从某种意义上说实现的是链路层的功能。 c p s 是c o m m o np a r ts u b l a y e r 的缩写，是m a c 层中的公共部分子层，是 m a c 层的主体。在c p s 中实现了i e e e8 0 2 1 6 与组网相关的绝大部分功能，包 括：寻址与连接、帧格式定义、m p d u 的构造与发送、自动重发请求( a r q ) 机制、调度服务、带宽分配与请求机制、物理层支持、竞争解决方案、入网与初 始化、校准( 测距) 、信道描述符的更新、多播连接的建立、q o s 等。i e e e8 0 2 1 6 中与组网相关的核心概念和操作都在此层定义。 w i m a x 8 0 2 1 6 的m a c 层最大的特点是面向连接，每一个连接均由一个标 识符( c i d ) 来唯一标识。而且，m a c 层针对每个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括速率、时延和时延抖动等指标，从而为该连接建立专门的服务质量保 证机制。w i m a x 8 0 2 1 6 的m a c 层使用由b s 安排的时分多址接入协议在点到 多点的网络拓扑中给用户分配容量。采用这种t d m a 接入机制后，该系统不仅 能够提供符合服务水平协定的高速数据业务，而且还能提供对时延敏感的业务 ( 如：语音、视频或者数据库访问等) 。 m a c 层接入控制机制是通过主动带宽授权、轮询( 单播、多播、广播) 和 请求竞争过程中不同类型的上行链路调度机制来实现的。m a c 层主要提供了两 种带宽请求方式：独立的带宽请求报头和授权管理子头中的请求域。 为了更好地控制上行数据的带宽分配，w i m a x 8 0 2 1 6 系统中还定义了4 种 不同的业务，分别为：主动授权服务( u g s ) 、实时轮询服务( r t p s ) 、非实时轮 询服务( n r t p s ) 、尽力而为服务( b e ) 。w i m a x 8 0 2 1 6 的m a c 层可以根据业务 的需要提供实时、非实时的不同速率要求的数据传输服务。 1 3l e e e 8 0 2 16 系统标准应用 w i m a x 论坛给出w i m a x 技术的5 种应用场景定义为：固定、游牧、便携、 简单移动和全移动。这些应用场景的区别在于终端的移动性特征和与移动相关的 切换、无线资源管理、q o s 、功率控制等方面。 以应用到固定应用场景的i e e e8 0 2 1 6 d 为例。基于w i m a x 的无线城域网 ( w m a n ) 接口标准与传统的基站式小区网络非常类似，这种网络使用的就是 点到多点的结构。在这种方式下的典型应用有3 类： 面向居住区和小型家庭办公室s o h o 的高速互联网接入。在某些区域，目 前的数字用户线( d s l ) 或有线连接方式已经不能满足顾客对于性能、灵活性和 成本的期望。w i m a x 是最佳的替代技术。 中小型企业。对于集团应用，w i m a x 是最佳的方案，可以低成本提供灵活 的接入方式。 w i f i 热点回程。随着w i f i 热点大范围地布置，高容量、低成本的回程解决 方案成为w i f i 热点不断增长的一个障碍。这一问题可以通过w i m a x 有效地加 以解决。由于具备游牧容量，w i m a x 可以有效地填充w i f i 热点之间的空白区 域。 参考通用的无线通信体系结构，w i m a x 网络参考架构可以分成终端、接入 网和核心网3 个部分。w i m a x 终端包括固定、漫游和移动3 种类型终端。w i m a x 6 接入网主要为无线基站，支持无线资源管理等功能。w i m a x 核心网主要是解决 用户认证、漫游等功能及w i m a x 网络与其他网络之间的接口关系。 简言之，w i m a x 是一种具有可扩展、长距离、大容量无线通信技术。它即 可以是作为一种单独的特定网络使用，也可以融合3 g 等广域网技术，成为d s l 技术最终的替代者。 1 4 本课题主要研究工作 本课题主要工作是通过对无线宽带接入技术i e e e 8 0 2 1 6 系列标准进行分 析，针对其基于o f d m 技术的物理层方案。尝试设计实现一种基于3 5 0 m h z 的 无线图像传输应急通信系统的基带编码和d s p 实现方案。 基带物理层设计主要参考i e e e 8 0 2 1 6 系列标准中的m a n o f d m 物理层标 准。该物理层标准采用o f d m 技术，同时结合高效、可变的信道编码和同步、 m a c 技术等，是实现点对多点无线高速率传输的热点物理层技术，也是免许可 频段i e e e 8 0 2 1 6 标准强制使用的物理层标准。由于项目的需求是实现点对多点 的音视频图像传输，其突发性和较高速率的上、下行无线接入特点，决定了其可 以参考i e e e 8 0 2 1 6 标准进行物理层基带编码设计。 课题研究工作主要集中在两个方面： 1 o f d m 物理层方案设计包括系统总体分析、物理参数设计、信道编码 设计等，同时，详细阐述了信道编码实现方法和性能仿真结果。 2 物理层d s p 实现设计。包括采用软件无线电架构、d s p 选型以及提出 采用d s p b i o s 编程技术。此外，通过对d s p 片上外设的介绍，结合系 统物理层方案，设计出高速串行数据接口和实时串行数据流方案。通过 搭建硬件平台，设计收、发端调测程序，对系统物理层方案进行测试和 验证。 7 第二章系统总体研究 本章主要从三个方面对所要进行的项目进行初步分析：项目需求分析、系统 无线传播环境研究及物理层参数设计分析。这三个方面是项目的初始阶段，对后 期具体实现方案的确定有着重要的指导作用。 2 1 应急系统需求分析 2 1 1 需求概要 目前的个人无线移动通信网络多是基于基础设施的网络，如卫星通信网络、 蜂窝移动通信网络和集群通信网络等，它们都是借助于固定设施，如移动基站等 的网络。提供广域覆盖的服务，速率一般在2 m b p s 以下，主要业务集中在语音、 短信等方面。 对基于点对点通信，不依赖于任何静态固定设施的无线通信系统，通信节点 可以自由移动，具有灵活的结构。点对点通信系统抗毁性强，对环境的适应能力 强，能够应用于一些固定通信设施的网络所不能及的场合，是下一代移动通信的 发展方向。 随着政府对公众安全、应急事件如恐怖袭击、突发自然灾害等的处理日益重 视，具有灵活特性且抗毁坏性强的点对多点通信系统产品越来越急需，但目前相 应的产品却与这种需求严重脱节。虽然便携终端的发展非常迅猛，但它们均缺乏 对这种基于点对多点高速接入的支持，也不具备自组网功能。因此，开发不依赖 于固定基础设施，可进行点对多点通信的便携终端，并且适合在紧急情况发生的 地区部署进行实时的音视频传输，就是我们致力开发的项目：3 5 0 m h z 无线数字 图像通信系统。 该项目的初级阶段是实现基本的点对点音视频传输功能，而后结合组网技术 实现点对多点的音视频传输。 2 1 2 系统模型设计 整个无线数字图像通信系统包括总控中心、分站、中控车和便携终端，以及 连接它们的网络，如下图2 - 1 所示。其中，基本系统包括便携终端和中控车两部 分。另外，中控车可以与分站进行无线通信，分站可以利用现有的分组网络或者 利用微波技术再与总控中心进行通信。 图2 - 1 无线数字图像通信系统结构 便携终端与中控车的无线传输部分基本相同，而区别在于中控车的功耗较 大、体积较大，可以由较高天线，功能上还具有和分站通信的模块。 图2 2 便携终端结构图 9 l 转发l嘲 麟臻 l 天线l 嚣姆囊 硼 i 管理l 隔刚剥 l 接收l l 显示i 图2 3 中控车结构图 在设计功能上，便携终端和中控车由三大模块构成： 音视频编解码部分，主要完成音视频的压缩解压缩、编解码和加解密 等功能。 数据整合解析部分，包括音视频数据和指令信息以及网络协议信息的合 成和解析。 无线数据收发部分，实现信号的基带处理、调制解调、射频等功能。在 无线数据收发部分项目采用了o f d m 调制技术。 2 2 系统无线传播环境研究 项目初始阶段主要针对物理层基带进行设计，其中主要包括无线传播环境模 型、物理层数据处理、调制及发射参数等方面。 无线传播由于传播环境的不断变化，导致它是一种复杂的传播过程，信号在 传播过程中会出现许多时域和频域的变化。这些都是物理层设计的考虑对象。下 面从特点、传播模型和接入信道三个方面进行介绍。 2 2 1 无线传播特点 无线电磁波在传播上由于存在直射波，反射波，绕射波三种主要的传播方式， 在上述3 种无线传播特点下，产生了3 类损耗和4 种效应( 2 j 。 - 无线传播的三类损耗： 衰耗： 是指电波在空间传播所产生的损耗。它反映出传播在宏观大范围( 千米量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 1 0 慢衰落损耗： 它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生阴影效应而产 生的损耗，反映了在中等范围内( 数百波长量级) 的接收信号电平平均值起伏变 化的趋势。这类损耗一般为无线传播所特有，且一般从统计规律上看遵从对数正 态分布，其变化率比传送信息率慢，故称为慢衰落。 快衰落损耗： 它是反映微观小范围( 数十波长以下量级) 接收电平平均值的起伏变化趋势。 其电平幅度分布一般遵从瑞利( r a y l e i 曲) 分布、莱斯( r i c e ) 分布和纳卡一伽 米( n a k a g a m i ) 分布，其变化速率比慢衰落快，又称之为快衰落。划分快衰落 又可分为：空间选择性快衰落、频率选择性快衰落与时间选择性快衰落。这里的 选择性是指在不同的空间、不同的频率和不同的时间，其衰落特性不同。 无线传播的四种主要效应： 阴影效应： 由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲 区，类似太阳光受阻挡后产生的阴影。 远近效应： 由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若 各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站信号的强弱将不同，离基站近者 信号强，离基站远者信号弱，通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平 衡性，甚至出现强压弱的现象，并使弱者即离基站较远的用户产生掉话现象，通 常称这一现象为远近效应。 多径效应： 由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径 信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时 的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。所接收到的信号是上述各 径信号的矢量和，也就是说，各路径之问可能产生自干扰，称这类白干扰为多径 干扰或多径效应。 多普勒效应： 它是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散而引起 的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速( 大于7 0 k m h ) 车载通信时，而对于通信慢速移动的步行和准静态的室内通信则不予考虑。 2 2 2 宏小区传播模型 由于移动通信所在环境的多样性，所以每个传播模式都在某特定类型环境设 计的。因此，呵以根据传播模式的应用环境对它分类。通常考虑的3 类环境( 小 区) 是：宏小区、微小区( 或微蜂窝) 、微微小区( 或微微蜂窝) 。宏小区是面积 很大的区域，覆盖半径越1 3 0 k i n ，基站发射天线通常架在建筑物上方。通常， 在收发之间没用直达射线。微小区的覆盖半径在o 1 l k m 之间，覆盖面积并不一 定时圆的，通常根据收发天线和环境障碍物的相对位置分成两类情况：l o s ( 视 距) 情况和n l o s ( 非视距) 情况。微微小区的典型尺寸是在o 0 1 , 4 ) i k m 之间， 分为室内和室外【3 】。 h a m 模型是一种广泛使用的传播模型，适用于宏蜂窝( 小区半径 l k m ) 系 统的路径损耗预测。根据应用频率不同，h a t a 模型分为： o k u m u r a - h a t a 模型 适应的频率范围为1 5 0 1 5 0 0 m h z ，主要用于9 0 0 m h z 。 该模型是根据测试数据分析得到的经验公式，基站有效天线高度在3 0 , - 2 0 0 m 之间，移动台有效天线高度在l 1 0 m 之间。实测中在基本确定了设备的功率和 天线的高度后，可利用o k u m u r a - h a t a 模型对信号覆盖范围作一个初步的预算。 在市区内，经验公式如下： 乙= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 9 f 一1 3 8 2 l g ( k , , ) 一口( 钆) + 4 4 9 6 5 5 1 9 ( h , e ) l g d 式( 2 1 ) 其中f 是载波频率，吃是发射天线的有效高度，k 是接收天线的有效高度， d 是发射机与接收机之间的距离，4 ( ，) 是移动天线修正因子，其数值取决于环 境。对于大城市 口( k ) = 8 2 9 ( 1 0 9 1 5 4 ) 2 - 1 1 d b ( f 3 0 0 m h z ) 式( 2 - 3 ) c o s t - 2 3 1h a t a 模型 和上述模型一样，c o s t - 2 3 1h a t a 模型也是以实测结果作为依据，通过对较 高频段的o k u m u r a 传播曲线进行分析得到，其适用范围为1 5 0 0 2 0 0 0 m h z 。 如下公式： 厶= 4 6 3 + 3 3 9 1 0 9 f 一1 3 8 1 0 9 h b 一口( k ) + ( 4 4 9 6 5 5 1 0 9 h b ) l o g d + c , , , 式( 2 - 4 ) 其中a ( h m ) 是移动台高度修正因子；c m 在大城市中心为3 d b ：中等城市或者 郊区为o ；k ：2 0 - 2 0 0 m ；k ：l l o m ；d ：l 2 0 k m ； 根据项目采用3 5 0 m h z 载波传输音视频信号，其频段属于o k u m u r a - h a t a 模 型，在进行覆盖范围预算时可进行参考设计。 2 2 3 宽带无线接入信道 当研究无线宽带接入技术时，首先要对无线信道有一个准确的描述，也就是 说要建立一个好的信道模型。信道模型很大程度上依赖与无线通信的结构。比如 说在第一代系统中，采用的是单单元结构，基站和用户处于视距( l o s ) 传输环境， 不存在共信道干扰问题；那么对于第二代系统，就需要一个可分级的多单元的结 构，非视距传输环境成为了主导地位。本文所讨论的无线应急系统需要建立的信 道模型也要满足系统的传输结构要求。 由于无线电波在自由空间传播时，容易受到干扰和衰减，所以无线信道特性 比有线信道复杂得多，影响无线通信质量的生要有以下几个参数： 路径损耗( 包括阴影) 多径时延扩展 衰落特性 多普勒频移 共信道和临近信道干扰 以上参数特性都是随机的，可能仅有一个统计特性，但是在分析研究时，我 们可以为它们指定一些特定的均值和方差。 下面介绍一种常用的宽带接入信道模型一s u i ( s t a n f o r d u n i v e r s i t y i n t e r i m ) 信道模型【4 】，它包括3 种类型的6 种典型的信道。这些信道的模型可以用来仿真、 设计、开发和测试宽带无线通信系统。选择合适的模型可将其用于特定的通信系 统仿真及实现。 无线类型 s u ic h a n n e i s cs u i 1 - s u l 4 2 b s u i - 3 s u i - - 4 a s u i 一5 。s u l - 6 图2 - 4s u i 模型参数化的分类 s u i 信道模型的一般结构，如图2 5 。这个结构对于m 1 m o 信道也是通用的， 而且还包括s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 和s i m o ( s i n g l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 。 图2 - 5s u i 信道模型图 整个信道模型由三部分组成： i n p u tm i x i n gm a t r i x ：当使用多个发送天线时，对输入信号之间的相关性 的建模。 t a p p e dd e l a yl i n em a t r i x ：信道多经衰落的建模，多径衰落可以用3 抽 头的延时抽头线( 具有非统一的延时) 来建模。每个抽头的增益由分布 ( r i e e a n 分布k - f a c t o r 0 ，或者r a y l c i g h 分布k f a c t o r = o ) 和最大的多 普勒频移确定。 o u t p u tm i x i n gm a t r i x ：如果使用多个接收天线，输出信号之间相关性的 建模。 2 3 物理层概要设计 2 3 1 物理层参考设计模型 在项目中，信道编译码及调制解调部分属于基带系统设计，这部分我们参考 i e e e 8 0 2 1 6 e 的无线m a n o f d m 物理层结构。该标准是基于o f d m 的物理层传 输技术，有着良好的系统性能，是w i m a x 8 0 2 1 6 标准对非授权频段的强制物理 层实现标准。 i e e e 8 0 2 1 6 e 可以支持用户站以车载的速度移动，所以它是包含移动和固定 的宽带无线接入网系统。它指定了基站间或扇区之间的交换。移动实体包括移动 站( m s ) ，基站( b s ) 及认证和授权服务器。 i e e e 8 0 2 1 6 e 的系统要求 s l ： 工作频段：2 - 6 g h z 的特许频段； 信道间隔：1 7 5 m h z 的整数倍，最高为i o m h z ； 上行用户速率：3 2 k b p s - 1 5 m b p s ；下行速率：5 1 2 k b p s - - 6 m b p s ； 1 4 支持室内微微蜂窝( 半径：1 0 0 r e ) 、微蜂窝( 半径：1 0 0 1 0 0 0 m ) 、宏蜂 窝( 半径 1 0 0 0 m ) 及微蜂窝和宏蜂窝的混合； 为微微蜂窝提供低成本的中继器和基站； 支持快速切换、快速a r q 、快速带宽请求； 支持f d d t d d 双工模式； 提供移动i p q o s 保证； 经过对比我们可以发现，项目可以参照i e e e 8 0 2 1 6 e 系统物理层标准进行相 类似的设计，同样可参考其m a c 层设计进行简化，实现我们特定系统的组网要 求。 由于我们传输在3 5 0 m h z 频段下，相比与i e e e 8 0 2 1 6 系列要求的2 - - - 6 g 高 频段载波情况，载波具有更好的绕射，反射、穿透能力。同时，我们系统初步设 定l 一3 m b i t s 的传输速率，使系统带宽就有更好的冗余度，因此可以采用鲁棒性 更好的调整编码，进行低码率传输，有效克服码间干扰，使系统更容易实现同步， 得到更好的系统性能。 2 3 2 系统结构框图 3 5 0 m h z 无线数字图像通信系统由基带部分，组网部分组成。其中第一阶段 主要完成基带部分编码及d s p 实现。基带系统框图如下： 丫 蛊频釜厶一 器r 1 信道编码r 。1 调铡r 1 功翠取犬广 j i - _ j 山 立臣i 出一器r _ 1 信道解码r 一1 群调r 1 低噤声取大r 一