同步通信原理

OFDM系统基本模型一个OFDM符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控(PSK)或者正交幅度调锌IIJ(QAM)符号的调制。如果Ⅳ表示子信道的个数，T表示OFDM符号的宽度，di(i=o，1，．．．，Ⅳ一1)是分配给每个子信道的数据符号，Z是第。个子载波的载波频率。rect(t)=1，ItI≤r／2，则从㈦t≤r／2开始的OFDM符号复等效基带信号可以表示为OFDM调制要求子载波间完全正交，所以每个子载波在一个OFDM符号周期r内需包含整数倍个周期，而相邻子载波的频率间隔Ⅳ是OFDM符号周期丁的倒数，即af=l／r。可以证明得到oFDM信号的频谱实际上是满足奈奎斯特准则的，即多个子载波之间保持正交，不存在相互干扰。保护间隔(GI)和循环前缀(CP)应用OFDM的一个最主要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到Ⅳ个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的Ⅳ倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低Ⅳ倍。为了最大限度消除符号间干扰(ISI)，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔(guardinterval，GI)，而且该保护间隔长度I一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。为了消除由于多径造成的信道间干扰(ICI)，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀(cyclicprefix，CP)信号。这样就可以保证在FFT周期内，OFD符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔T8的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。OFDM技术优缺点OFDM技术能引起如此多的关注并得到广泛的应用，是因为其具有很多优点：(1)有效减小ISI。把高速率数据流通过串／并变换，可以有效减少由无线信道的时间弥散所带来的ISI，从而减少了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不用均衡，仅通过采用插入循环前缀的方法就可以消除ISI的不利影响；(2)支持非对称业务。OFDM系统通过使用不同数量的子信道来实现无线数据业务中上下行的不同速率传输，确保物理层支持非对称的高速率数据传输；(3)提高频谱利用率。OFDM系统由于各个子频带之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源，当子载波数目很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。但是OFDM系统内存在多个正交的子载波，且输出信号也是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比存在如下缺点：(1)存在较高的峰均功率比(PAPR)。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，那么所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，出现较大的峰均功率比，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统性能恶化。(2)易受频率偏差的影响。OFDM技术对子载波之间的正交性有严格的要求，但是由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的频谱偏移或频率偏差都会使OFDM系统子载波间的正交性受到破坏，产生子信道的信号互相干扰(ICI)，这种对频率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点之一，也是OFDM系统频率同步中需要重点解决的问题。MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系统和MISO(Multiple-InputSingle-Output)系统。MIMOMIMO系统可以简单的理解为一个多输入多输出系统，即有多个发送天线和多个接收天线的系统。MIMO技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发射端与接收端采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对发送／接收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对等效的发送／接收天线间的无线传输信道趋于独立，这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交。MIMO系统的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间分集增益。因此，M1MO技术可以视为智能天线技术的一种扩展。M1MO系统不仅可以提供更多的空间分集增益，而且还可以通过信号组合来提供阵列增益。实际上，MIMO系统将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。MIMO系统具有如下几方面的优点：(1)在假设各天线互相独立的条件下，多天线系统比单天线系统在信道容量方面有显著提高。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率，也可以通过增加信息冗余度来提高通信系统的传输可靠性，或者在两者间获得一个合理的折衷。(2)空间复用提高频谱利用率。(3)利用发送分集提高系统的传输性能。MIMO系统的一个主要特征是，它可以将多径作为一个有利因素加以利用。MIMO系统能利用多副天线所带来的多条传输路径获得空间分集增益，从而提高系统传输性能。MIMOOFDM系统在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。MIMO技术利用多天线实现多收多发，充分利用空间资源，但对于频率选择性深衰落，MIMO系统则依然无能为力。另一方面，OFDM系统利用频分复用技术，提供了一种将频率选择性信道变换为平衰落信道的有效方法。OFDM技术利用串并变换和正交性将信道分成若干正交的窄带子信道，从时域看是展宽了OFDM符号的持续时间，变高速数据信号为并行的低速子数据流；从频域看是将频率选择性信道变为平坦衰落信道。而MIMO系统在平坦衰落信道上可显著提高信道容量（35）。因此，将MIMO和OFDM相结合构成的MMIOOFDM系统【27,36】可以充分发挥MIMO和OFDM各自的优势：通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道转换成一组并行的平坦衰落信道，再利用MIMO技术来提高系统信道容量。MIMOOFDM系统主要有两个发展方向：一是空时编码OFDM(Space．TimeCodedOFDM，STC．OFDM)，即OFDM与基于发射分的空时码的结合，它主要利用信道编码和多天线阵技术提高系统的抗衰落特性，从而可以在低信噪比下利用多进制传输，以提高系统的数据传输速率。二是基于OFDM的空间复用(OFDM-basedspatialmultiplexingsystems)，即OFDM与贝尔实验室BLAST系统(分层空时编码)的结合，它主要利用无线信道的多径传播特性产生并行空间信道，以达到提高传输速率的目的。IEEE802．1ln物理层标准IEEE802．11n物理层【4】结构又被称为HT(HighThroughput)，即高数据吞吐量系统.在IEEE802．11n关于无线局域网的规定中，其物理层汇聚协议(PLCP，PhysicalLayerConvergenceProtoc01)采用的是MIMOOFDM调制的技术标准。该标准的基本模式(mandatorymode)占有20MHz的频宽，天线数为2根；而选择模式(optionalmode)则可以占有40MHz的频宽，天线数可达4根。物理层数据子载波调制方式可选用BPSK、QPSK、16QAM或64QAM；前向纠错编码(卷积码)可使用1/22/3、3/4或5/6的编码速率，在选择模式下可使用低密度奇偶校验(LDPC)码。IEEE802．1ln物理层帧结构IEEE802．11n物理层的PLCP协议数据单元(PPDU)包括前导和数据两部分格式如图所示。IEEE802.11n的前导(preamble)是为了帮助数据分组起始点的检测而设的，采用前导的不同段完成同步、自动增益控制(AGC)、分集选择、信道估计等。与IEEE802．1la标准相比，IEEE802．11n数据的帧结构是在802．11a数据帧结构的基础上增加了一些开销用于MIMO信道检测，同时为了向下兼容802．11a和802．1lg标准，IEEE80