无线通信系统物理层的传输方案设计

1、（无线局域网场景）一、PBL问题二：试设计一个完整的无线通信系统物理层的传输方案，要求满足以下指标：1. Datarate:54Mbps,Pe<=10-5withEb/N0lessthan25dB2. 20MHzbandwidthat5GHzfrequencyband3. Channelmodel:设系统工作在室内环境，有4条径，无多普勒频移，各径的相对时延为：0246,单位为100ns,多径系数服从瑞利衰落，其功率随时延变化呈指数衰减：0-8-16-24。请给出以下结果：A.收发机结构框图，主要参数设定B.误比特率仿真曲线（可假定理想同步与信道估计）二、系统选择及设计设计1、系统要求2

2、0MHz带宽实现5GHz频带上的无线通信系统;速率要求：R=54Mbps;误码率要求：Pe<=10A（-5）。2、方案选取根据参数的要求，选才i802.11a作为方案的基准，并在此基础上进行一些改进，使实际的系统达到设计要求。802.11a中对于数据速率、调制方式、编码码率及OFDM子载波数目的确定如表1所示。Datarate(Mbits/s)ModulationCodingrate(R)Codebitspersubcarrier(NBPSC)CodedbitsperOFDMsymbolDatabitsperOFDMsymbol(NDPSC)6BPSK1/2148249BPSK3/414

3、83612QPSK1/22964818QPSK3/4296721/182416-QAM1/24192963616-QAM3/441921444864-QAM2/362881925464-QAM3/46288216表1802.11a定义的数据速率、调制方式、编码码率及OFDM子载波数目的与时延扩展、保护间隔、循环前缀及OFDM符号的持续时间相关的参数如表2所示。ParameterValueNSD:Numberofdatasubcarries48NSP:Numberofpilotsubcarries4NST:Numberofsubcarries,total52(NSD+NSP)AF:Subcarr

4、ierfrenquencyspacing0.3125MZ(=20MHz/64)Tfft：IFFT/FFTperiod3.2s(1/AF)Tpreamble:PLCPpreambleduration16ds(TShort+tlong)TsignalDurationoftheSIGNALBPSK-OFDMsymbol4.0ss(TGi+Tfft)Tgi：G1duration0.8科s(Tfft/4)TG2:G2duration1.6.s(TFFT/2)Tsym:Symbolinterval4ss(TG1+Tfft)Tshort:Shorttrainingsequenceduration8科s(10

5、*TFFT/4)Tlong:Longtrainingsequenceduration8ss(TG2+2*Tfft)表21802.11a定义的与时延扩展、保护间隔、循环前缀及OFDM符号的持续时间相关的参数参考标准选择OFDM系统来实现，具体参数的选择如下述。3、OFDM简介OFDM的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的N个相互正交的子载波上，每个载波上的调制速率很低（1/N）,调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散，从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护。OFDM系统对多径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干带宽，则产生频率选择性衰落。OFDM的

6、频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系，这样，由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据，可以通过频率分量增强的部分的接收数据得以恢复，即实现频率分集。OFDM克服了FDMA和TDMA的大多数问题。OFDM把可用信道分成了许多个窄带信号。2/18每个子信道的载波都保持正交，由于他们的频谱有1/2重叠，既不需要像FDMA那样多余的开销，也不存在TDMA那样的多用户之间的切换开销。过去的多载波系统，整个带宽被分成N个子信道，子信道之间没有交叠，为了降低子信道之间的干扰，频带与频带之间采用了保护间隔，因而使得频谱利用率降低，为了克服这种频带浪费，OFDM采用了N个交叠的子信道，每个子信道的波特率是1/T

7、,子信道的间隔也是1/T,这时各个子载波之间是正交的，因而在收端无需将频谱分离即可接收。由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。OFDM的频谱如图1所示。图1OFDM信号的频谱示意图可以证明这种正交的子载波调制可以用IFFT来实现。需要指出的是OFDM既是一种调制技术，也是一种复用技术。图2给出了OFDM的系统框图，在系统中调制解调是使用FFT和IFFT来实现的。图2OFDM系统框图3、参数确定在OFDM系统设计中，需要折中考虑各种系统要求，这些需求常常是矛盾的。通常有3个主要的系统要求需要重点考虑：系统带宽W、业务数据速率R及多径时延扩展，包括时延扩展3

8、/18的均方根rms和最大值max。按照这3个系统参数，设计步骤可分为3步。首先，确定保护时间Tg。多径时延扩展直接决定了保护时间的大小。作为重要的设计准则：保护时间至少是多径时延扩展的均方根的2-4倍，即Tg（2-4）rms。保护时间的取值依赖于系统的信道编码与调制类型。高阶调制（如64QAM）比低阶调制（如QPSK）对于ICI和ISI的干扰更加敏感。，而编码的纠错能力过目越强，越能降低这种对干扰的敏感特性。一旦保护时间确定，则OFDM的符号周期也就确定TsTTg就可以确定，其中T表示,，一、r1,ifft的积分时间，其倒数就是相邻载波的间隔，即f。为了尽可能地减小由于保护时间t造成的信噪比

9、的损失，一般要求符号周期远大于保护时间。但是，符号持续时间并不是越长越好，因这符号持续时间越长，则意味着需要的子载波数目越多，相邻子载波机的间隔就会越小，增加了收发信机的实现复杂度，并且系统对于相位噪声和频率偏移更加敏感，还增大了系统的峰值-平均功率（PAPR）。在实际系统设计中，OFDM符号周期至少是保护时间的5倍，这就意味着，由于引入了冗余时间，信噪比会损失1dB左右。确定了保护时间和符号周期后，就需要在3dB的带宽内，决定子载波的数目。一种方法是直接计算，即NW。另一种方法是，载波数目可以根据总数据比特速率除以每个子载波f承载的比特速率得到。子载波的比特速率与调制类型、编码码率和符号速率

10、都在关系。本系统采用第二种方法确定子载波的数目具体的参数如下所示:参数设计说明symbol_num=10000发送的符号数(numberofsymbolstobetransmitted)fp=5e9中心频率(centralfrequency)fc=20e6抽样频率(samplingfrequency)Ts=50e-9抽样时间(samplingtime)T0=2.4e-6datalength(=48*50e-9)TP=0.8e-6cyclicprefix(=16*50e-9)TG=0.8e-6totalguardtime(=16*50e-9T=T0+TP+TGOFDM期4000ns：(满足TP/

11、T-20%)A=1amplitudeoftherectangularimpulseresponseN=64numberofcarriersoftheOFDMsystem4/181)首先计算信息量。由R达到54Mbps可以得到每个OFDM块需要承载的信息量为:54*10a6*4*10a(-9)=216bit2)选择调制方式。采用64QAM调制，一个子载波6bit则需要216/6=36个子载波。3)编码。采用3/4码率的卷积码编码，所需子载波数目为36/(3/4)=48个。4)计算传输速率：R=(48*6bit*3/4)/(4000*10A(-9)=54Mbps以上设计满足系统的要求。三、系统实现

12、1、收发机框图根据上述系统设计，收发机框图设计如下图所示:图3收发机框图2、系统模块接口数据产生：data_transmit=randint(1,num*symbol_num);卷积码编码:trel=poly2trellis(333,7704;3274;0237);5/18data_conv,fstate=convenc(data_transmit,trel);64QAM调制：data_mod=modulate(data_conv);64QAM解调：data_demod=demodulate(data_fft_ps);卷积码译码：tblen=3*1000;%Tracebacklengthdat

13、a_receive=vitdec(data_vitdec_in,trel,tblen,'trunc','soft',1)。3、程序流程图根据系统设计和收发机框图，编码实现该系统。程序流程如下图所示:6/18图4程序流程图4、程序清单（见附录）四、系统仿真结果及分析1、64QAM的星座图:Scatterplot-1-0.500.51In-Phase186420246810D01D口口OJ=EPEn口图516QAM星座图7/18图664QAM仿真图8/182、经过多径信道的信号波形:0102D30409060709000«0图7经过多径信道后的输出波形3、

14、在多径信道中叠加AGWN后的波形：0102030ilO50S0700090100图7叠加AGWN后的输出波形9/184、均衡前:-1511111111101C213D405060706090100图8均衡前的波形5、均衡后:IIIrTrII1101IJ0100304050SO70go901C010/18图9均衡后的波形均衡后各点的幅度变化范围在-7,+7之间，这与星座点取值(-7-7j,，+7+7j)有关。6、误比特率曲线：误码率曲蛀o101051015EHIWB)2025图10误比特率误比特率Pb,利用转换公式PbPM/gJM,得到Pm。五、总结1、系统设计总结根据Matlab程序运行后的仿

15、真结果，可以得到验证，即：我们所设计的OFDM系统可以满足系统设计要求：20MHz带宽实现5GHz频带上的无线通信系统；速率要求：R=54Mbps;误码率要求：Pe<=10A(-5)。11/182、设计中遇到的问题和解决1）时域均衡时间的选择由数字信号处理的理论可知，只有时域的循环卷积，才等效为频域的线性相乘。所以，均衡的位置应该在去CP之后，而不能在一开始就进行频域均衡，因为一开始不是循环卷积，不能等效为频域的线性乘法。因此，频域均衡位置应该在去CP之后，FFT正好是去CP之后，所以可以在FFT之后进行频域均衡。2）噪声能量的计算原理文献所给的Eb/N0是指接收端的信噪比，加噪声要根据

16、Eb的值算出对应的噪声。可以在经历框图的每一模块时，看其能量是否发生了变化，并将其归一化，保证系统是无源的系统，不会因此而影响输出Z劭L注意的是FFT和IFFT可以对输入它的信号能量进行改变，要进行一些处理。如信号进行IFFT之后的能量会减小为原来的1/N,要对其进行能量的计算，而FFT之后，信号的能量会增大为原来的N倍，也要进行能量计算，保证信号通过的都是无源的模块。OFDM能否克服样值间干扰，样值干扰与ICIOFDM消除干扰是在频域中进行的，因为循环卷积就等于频域的线性相乘，没有收入干扰。所提这里的样值干扰是指时域上的干扰，在时域看来是有干扰的，并不能消除它；在频域看来，各个子载波是独立的

17、，没有相互间的干扰，即没有ICI。OFDM消除干扰是在频域中进行的，因为循环卷积就等于频域的线性相乘，没有收入干扰。所提这里的样值干扰是指时域上的干扰，在时域看来是有干扰的，并不能消除它；在频域看来，各个子载波是独立的，没有相互间的干扰，即没有ICI。因此，OFDM系统在时域上是有样值干扰的，但是在频域上没有ICI的。附录1、主程序：文件名：run.m%无线通信系统实现%*%一、系统要求：%*%实现20MHz带宽5GHz频带上的无线通信系统12/18%满足速率要求：R=54Mbps;%误码率要求：在25dB信噪比条件下，Pe<=10A(-5);%*%二、参数确定:*%symbol_num

18、=10000;%fp=5e9;%fc=20e6;%Ts=50e-9%T0=2.4e-6;%TP=0.8e-6;%TG=0.8e-6;%T=T0+TP+TG;%A=1;%N=64;%发送的符号数%中心频率%抽样频率%抽样时间%数据长度(=48*50e-9)%cyclicprefix(=16*50e-9)%totalguardtime(=16*50e-9)%OFDM符号周期4000ns：(满足TP/T=20%)%amplitudeoftherectangularimpulseresponse%numberofcarriersoftheOFDMsystem%由R达到54Mbps可以得到每个OFDM块

19、需要承载的信息量为:%54*10A6*4*10A(-9)=216bit,采用64QAM星座映射，%一个载波承载6bit,仅需36个子载波，采用3/4码率,%所需的子载波数为48.此时可达到的传输速率为%R=(48*6bit*3/4)/(4000*10A(-9)=54Mbps,符合系统要求。%R=3/4;%编码效率%*clearall;closeall;clc;data_carrier_num=48;13/18carrier_num=64;R=3/4;%卷积码的编码效率i1=0;%中间变量err_ratio=zeros(1,31);forEbN0dB=0:1:30sum_xu=0;forloop

20、=1:100symbol_num=10000;%符号个数cp_len=16;%循环前缀长度%数据产生num=64*6*3/4;data_transmit=randint(1,num*symbol_num);%卷积码编码trel=poly2trellis(333,7704;3274;0237);data_conv,fstate=convenc(data_transmit,trel);%采用64QAM调制data_mod=modulation(data_conv);%数据经过IFFT变换data_ifft_in=reshape(data_mod,64,length(data_mod)/64);da

21、ta_ifft_out=ifft(data_ifft_in);%加CPdata_cp=data_ifft_out(size(data_ifft_out,1)-cp_len+1:end),:);data_ifft_out;data_ps=reshape(data_cp,1,size(data_cp,1)*size(data_cp,2);%输出符号能量的归一化data_ps=data_ps.*8;Es=1;Eb=Es*1/R*80/64*1/6;N0=Eb./10A(EbN0dB/10);sigma=sqrt(N0/2);%数据经过信道(down)%symbol_input=data_ps;%每径

22、时延功率10-8-16-241dB转化成功率值14/18atten_power=10.15850.02510.0040;%50ns样点间隔每径时延【0200400600】ns转化成样点数表示path_delay=04812;%求信号幅度衰减，并归一化总功率atten=sqrt(atten_power);atten=atten./sqrt(sum(atten.*conj(atten);%输出样值序列output=zeros(1,length(symbol_input)+max(path_delay);h=zeros(1,max(path_delay)+1);fork=1:length(path_

23、delay)signal=symbol_input.*atten(k);output=output+zeros(1,path_delay(k),signal,zeros(1,max(path_delay)-path_delay(k);h=h+zeros(1,path_delay(k),atten(k),zeros(1,max(path_delay)-path_delay(k);endsymbol_output=output;%数据经过信道(up)%addnoise(down)%output=symbol_output+sigma.*randn(1,length(symbol_output)+i

24、*sigma.*randn(1,length(symbol_output);output=output(1:length(symbol_input);%addnoise(up)%去CPtemp=reshape(output,cp_len+carrier_num,length(output)./(cp_len+carrier_num);data_fft_in=temp(cp_len+1:end,:);%FFT变换data_fft_out=fft(data_fft_in);%频域均衡(down)%h_t=h,zeros(1,carrier_num-length(h)'H=fft(h_t);

25、data_balance=zeros(size(data_fft_out);form1=1:size(data_fft_out,2)data_balance(:,m1)=data_fft_out(:,m1)./H;15/18end%频域均衡(up)%64QAM解调data_fft_ps=reshape(data_balance,1,size(data_balance,1)*size(data_balance,2);data_fft_ps=data_fft_ps./8;data_demod=demodulation(data_fft_ps);data_vitdec_in=data_demod;%

26、卷积码译码tblen=3*100;%Tracebacklengthdata_receive=vitdec(data_vitdec_in,trel,tblen,'trunc','soft',1);%softdecisionsum_xu=sum_xu+sum(abs(data_receive-data_transmit);endi1=i1+1;err_ratio(i1)=sum_xu./(num*symbol_num*loop);endsemilogy(0:1:30,err_ratio);holdon;semilogy(0:1:30,err_ratio,'*

27、');gridon;2、函数模块：64QAM调制函数：文件名：modulation.mfunctionmod_out=modulation(mod_in)ifrem(length(mod_in),6)=0%如果输入二进制序列数不是6的倍数则进行补零操作mod_in=zeros(1,6-rem(length(mod_in),6),mod_in;endmod_out=zeros(1,length(mod_in)/6);R=reshape(mod_in,6,length(mod_in)/6);%将输入序列变换为行数为6的矩阵形式B2D=bi2de(R','left-msb&#

28、39;)+1;%将二进制数转换为十进制数Temp=-7-7*j-7-5*j-7-j-7-3*j-7+7*j-7+5*j-7+j-7+3*j.-5-7*j-5-5*j-1-7*j-1-5*j-3-7*j-3-5*j-5-j-5-3*j-1-j-1-3*j-3-j-3-3*j-5+7*j-5+5*j-1+7*j-1+5*j-3+7*j-3+5*j-5+j-5+3*j.-1+j-1+3*j.-3+j-3+3*j.7-7*j7-5*j7-j7-3*j7+7*j7+5*j7+j7+3*j.16/185-7*j5-5*j5-j5-3*j5+7*j5+5*j5+j5+3*j.1-7*j1-5*j1-j1-3*j1+7*j1+5*j1+j1+3*j.3-7*j3-5*j3-j3-3*j3+7*j3+5*j3+j3+3*j./sqrt(42);%星座映射矩阵for