1、毕业设计开题报告通信工程基于IEEE80216D的WIMAX接收机物理层的MATLAB仿真实现一、选题的背景与意义传统的多载波通信系统是把整个系统频带划分成若干个互相分离的子信道。分成若干个信道后，信道之间存在着信道干扰。通常在信道之间加入长度一定的保护间隔，以此来避免信道干扰。再在接收机部分通过滤波器分离得到有用的信息。但用这种方法来避免信道间的干扰是以牺牲频带利用率为代价的。随着子信道数量的增多，能够大量分离各子信道信号的滤波器设计就成了难中之难1。20世纪60年代，频分复用技术FDMFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEX就已经被人提出来了，数据可以通过FDM平行传输。20世
2、纪70年代，韦斯坦WEISTEIN和艾伯特EBERT等人应用快速傅里叶方法FFTFASTFOURIERTRANSFORMATION技术研制了一个完整的多载波传输系统，即正交频分复用技术OFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING2。通过数据的平行传输和子信道频分复用来抵制多径失真和冲激噪声，在数据传输时就能够充分利用带宽。OFDM中各个子载波之间相互正交这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系所以采用FFT来实现这种调制方式3。快速傅里叶变换技术解决了如何产生多个互相正交的子载波的问题，快速傅里叶逆变换技术解决了如何从子载波中恢复出原信号的问题。这
3、两种技术的发展解决了多载波传输系统发送和接收的难题。应用快速傅里叶变换可以使得多载波传输系统的大大降低其复杂度。由此，OFDM技术走向现实成为了可能。但是OFDM系统仍然有着其他大量复杂的信号处理过程，而缺乏数字处理功能强大的元器件直接使得OFDM技术从理论迈向实践的脚步放缓了4。在20世纪80年代，得益于多载波调制MCMMULTICARRIERMODULATION的进步，FFT技术不再是制约OFDM技术的难题。同时，其它的难题也随着技术的发展得到了有效的解决。OFDM技术从此走上了舞台5。OFDM技术在通信技术向B3GBEYONDTHIRDGENERATIONINMOBILECOMMUNIC
4、ATIONSYSTEM/4G演进的过程中担当了关键的角色之一。目前，OFDM技术主要包括以下几种类型VOFDM、WOFDM、FOFDM、MIMOOFDM6。OFDM技术能够如此的受到人们的青睐，是因为它有以下这些优势71OFDM系统能够传输大量的数据，即便是窄带带宽。它可以同时分开1000个以上的数字信号。它还可以在干扰信号的周围安全运行，又可以称为信号的“穿透能力”，这是码分多址技术CDMACODEDIVISIONMULTIPLEACCESS所不具有的能力；2OFDM技术具有对抗频率选择性衰落的能力。这是它最大的优点。单个衰落或干扰对单载波系统的影响是巨大的，有可能导致整个通信的失败。但是，
5、在多载波系统中，单个衰落或干扰只能使得一部分的载波受到影响。而且，即使受到了影响也可以通过对这些子信道进行纠错，改善系统性能；3适用于多径信道和衰落信道中的高速数据传输，可以有效地对抗信号波形间的干扰。信道中出现的频率选择性衰落只损害频带凹陷处的子载波。由于它对其它子载波没有影响，所以，总的系统性能要优良很多；4信道利用率很高。当子载波足够多时，系统的频谱利用率无限趋近于2BAUD/HZ。同时，受调制技术的影响，OFDM技术主要有以下两点不足1对相位噪声和载波频偏十分敏感。OFDM系统对正交性有着十分严格的要求，即使载波频偏非常小，也会破坏正交性，引起信道间干扰ICI。这是OFDM技术最大的缺
6、陷8。2峰均比PAPRPEAKTOAVERAGEPOWERRATIO过大。OFDM信号是由各个子信道的、多个子载波信号组成的。并且，组成OFDM信号的子载波信号都是独立调制的，不同的载波信号可以有不同的调制。OFDM调制会产生一个高幅度的因子数据的序列决定了这些小信号的相位。当他们同相时，这多个小信号相加形成一个瞬时高幅度因子9。自从OFDM技术登上通信舞台之后，被广泛应用于各种数字传输通信中，如高比特率数字用户线系统HDSLHIGHSPEEDDIGITALSUBSCRIBERLINE，移动无线频率调制信道等。1999年，IEEE802LLA协议通过的5GHZ带宽的无线局域网标准采用OFDM调
7、制技术作为物理层标准，该标准使传输速率可以达到54MBPS。完全能满够足室内、室外等各种场合应用的速率要求10。欧洲电信标准协会也把OFDM定为宽带射频接入网的局域网标准的调制标准技术。2001年，IEEE80216通过了无线城域网标准，根据频段的不同，可分为视距传输和非视距传输两种。其中，211GHZ的频段，适合非视距传输，此时的系统会存在较强的多径效应。在免许可频段还存在干扰的问题。因此，系统调制方式采用了能够对抗多径效应、频率选择性衰落以及窄带干扰上有明显优势的OFDM调制11。IEEE80216发展至今，终于在2006年2月，形成了最终的标准IEEE80216E。此时采用的调制方式仍然
8、是OFDM调制12。2004年11月，3GPPTHE3RDGENERATIONPARTNERSHIPPROJECT通过“3G长期演进”的立项工作。项目的目标是制定3G演进型系统技术规范。3GPP经过讨论和融合，在2005年12月选定了下行OFDM，上行SCFDMA作为长期演进LTELONGTERMEVOLUTION的基本传输技术13。由于技术的成熟性，OFDM被选为下行标准很快就达成了共识。国际电信联盟ITUINTERNATIONALTELECOMMUNICATIONSUNION提出的B3G/4G目标中，OFDM技术扮演着重要的角色14。它可以结合分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智能天
9、线技术，最大限度的提高系统性能15。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1了解IEEE80216D国际标准的基本内容，包括WIMAX的基本组成结构，例如物理层、MAC层、应用层等，重点熟悉和了解物理层的相关协议和工作原理；2能比较熟练地应用MATLAB软件编写基本的通信程序，比如一些基本算法的编写，并能在已有的程序基础上针对某一方面的性能进行适当的修改和完善，从而达到改善和提高系统性能的目标；3能够根据WIMAX物理层的基本结构搭建出仿真平台，并成功仿真出WIMAX物理层的接收性能和基本技术指标，通过分析仿真结果，总结WIMAX系统的优劣处，并提出适当的优化方案，以提高WIMAX
10、系统的性能，比如接收信号的质量等。拟解决的主要问题1解决载波频偏对OFDM技术的影响对相位噪声和载波频偏敏感是OFDM技术一个非常致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI。2对同步误差非常敏感微小的同步误差都可能引起码间干扰ISI和载波间干扰ICI，从而极大地损害系统性能，因此OFDM接收机的一项重要任务就是完成各种同步，包括时间同步和频率同步。三、研究的方法与技术路线基于IEEE80216D的OFDM系统的MATLAB实现框图输入数据解交织信号逆映射信道估计并串变换FFT串并变换去保护间隔定时和频率同步载波解
11、调载波调制插入保护间隔并串变换IFFT串并变换插入导频信号映射交织信道编码高斯白噪声信道发射机信道接收机符号定时输出数据信道解码图1OFDM收发机原理框图其中，接收机收到的信号是时域信号。由于信道的影响，接收信号发生了一定的变化。因此，在实际系统中，首先需要将接收到的符号通过训练符号定时和频率偏移估计，同时将定时得到的定时信息传送到去保护间隔模块中。OFDM系统中，训练符号和导频信息的主要作用就是来进行信道纠错的。然后将经过频偏估计后的信号经过串并变换模块，并且清除循环前缀CP。循环前缀中的信息是冗余的，清除循环前缀并没有删掉任何信息，使用循环前缀的目的是为了保证卷积特性的成立。实际的接收系统
12、中主要有以下几个模块组成1载波解调；2定时和频率同步；3去循环前缀；4串并变换；5快速傅里叶变换FFT；6并串变换；7信道估计；8信号逆映射；9去交织；10信道解码。1定时和频率同步OFDM信号传输时，信号频率偏移会破坏传输子载波间的正交性，出现信号信道间的干扰。为了避免这种情况的出现，就需要在进行FFT变换前，对频率偏差进行估计和补偿。OFDM同步算法较常用的有利用奇异值分解的同步算法和最大似然估计MLMAXIMUMLIKELIHOOD算法。在图2中，图示了同步在系统中所处的位置。样值、符号、帧粗同步FFT频偏粗同步样值、符号、帧细同步频率细同步A/D去除循环前缀XP/SFCFS图2同步在系
13、统中所处的位置ML算法利用循环前缀按照最大似然准则估计出数据的定时与载频偏移，避免了基于导频的同步估计带来的频率和功率资源的浪费。ML算法计算量小，冗余度低，算法实现简单，并且可同时估计定时和频偏。在OFDM系统中，一般是要求定时频偏小于符号间隔的4，要求频率偏移小于子载波间隔的2，3DB相位噪声带宽大约为子载波间隔的00101。2去除循环前缀CPOFDM技术一般应用在无线系统的数据传输中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间产生干扰。在OFDM系统中，为了既可以消除符号间干扰ISI），又可以消除信道间干扰ICI，通过循环前缀来充当保护间隔。当循环前缀的长度大于或等于信道冲击响应长度时，可以有
14、效地消除ISI和ICI。一般情况下，CP长度都是取传输码长度的1/16。在接收端，去掉循环前缀这个保护间隔，以恢复子载波之间的正交性。3串并转换将串行的数据转换成并行的数据流。YGINXGINHNZNWN14快速傅立叶变换FFT把时域离散的数据转化为频域离散的数据。对于N点的FFT运算，需要实施2N次复数乘法，而采用常见的基于2的FFT算法，其复数乘法仅为2/2LOGNN，可显著降低运算复杂度。信号除去循环前缀CP后，经FFT变换后可表示为12/01,0,1,1,0,1,1NJMNNNYMFFTYNYNEMNNYMXMHMZMWMMN2其中HM为信道HN的傅里叶转换；ZM为符号间干扰和载波间干
15、扰ZN的傅里叶变换；WM是加性高斯白噪声WN的傅里叶变换。5并串转换将并行的数据流转成串行的数据。6数字解调将QPSK调制的数据解调出来。7去交织恢复出交织前的原始顺序。8解码由于在发射端采用了汉明码编码，所以在接收端采用汉明码解码方式。四、研究的总体安排与进度1、2011012020110220阅读并翻译有关的文献资料，熟悉研究的基本内容；2、2011022120110305参加毕业实习，进一步阅读文献资料，准备开题的基本资料，撰写文献翻译和开题报告并进行开题答辩；3、2011030620110320比较深入地了解和熟悉WIMAX物理层的协议和结构，对其有比较准确的认识，在此基础上对仿真平台
16、的搭建有基本的框架和思路；4、2011032120110430进入毕业设计的最主要阶段，将整个接收端分成几个主要的模块，逐个突破和编写，最后将这些模块有效的结合在一起，组成整个接收端，并测试其性能，如有余力，针对某个指标对系统进行适当的调整和修改，测试其性能；5、2001050120010515撰写毕业论文，进行完善和修改，准备毕业答辩。五、主要参考文献1何超L2S接口技术研究D北京北京邮电大学,20082钟险,金德鹏80216D协议OFDM接入同步误差影响研究J微计算机信息,2007,2312172203LEONARDJANALYSISANDSIMULATIONOFADIGITALMOBIL
17、ECHANNELUSINGORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGJIEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS,1985,33736974牛鑫华基于FPGA的OFDM基带系统的研究与实现D北京北京邮电大学,20105孙文博平流层通信系统研究D北京北京邮电大学,20106SCHMIDLTM,COXDCROBUSTFREQUENCYANDTIMINGSYNCHRONIZATIONFOROFDMJIEEETRANSONCOMMUN,1997,4512161316217任立群基于高阶累积量和小波的OFDM信号检测研究D黑龙江哈尔滨工程大学,2
18、0098刘涛磁悬浮列车车地通信系统数字化接收及仿真D四川电子科技大学,20099DRMARYANNINGRAM,GUILLERMOACOSTAOFDMSIMULATIONUSINGMATLABDSPOKANESMARTANTENNARESEARCHLABORATORY,200010912010李灯,朱琦,黄磊IEEE80216协议的研究及系统仿真J南京邮电大学学报,2004,24310711411JUANLI,SVENGUSTAVHAGGMANPERFORMANCEIMPROVEMENTOFIEEE802162004SYSTEMINJAMMINGENVIRONMENTVIALINKJIEEET
19、RANSACTIONSONCAS,2002,48120320712郝建军,刘丹谱,乐光新宽带无线接入技术WIMAXJ北京邮电大学学报,2008,36420321013孙小东,于全,王红星,魏克军,戴卫恒OFDM技术及系统仿真设计J系统仿真学报,2004,16349945414JEFFREYGANDREWS,ARUNABHAGHOSH,RIASMUHAMEDFUNDAMENTALSOFWIMAXUNDERSTANDINGBROADBANDWIRELESSNETWORKINGMENGLEWOODCLIFFPRENTICEHALL,2007768815DRMARYANNINGRAM,GUILLERMOACOSTAOFDMSIMULATIONUSINGMATLABDSPOKANESMARTANTENNARESEARCHLABORATORY,2000109120
