基于IEEE 802.11a标准建立OFDM-WLAN系统的物理层建模与仿真分析.doc
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1、基于IEEE 802.11a标准建立OFDM-WLAN系统的物理层建模与仿真分析引言OFDM(正交频分复用)作为一种高效的多载波调制方案,近年来倍受关注。由于OFDM能有效抑制多径时延,且频谱利用率较高,被广泛认为是在无线时变信道中实现高速数据传输的重要手段。目前,许多具有广阔应用前景的WLAN(无线局域网)标准,如:美国的IEEE 802.11a、欧洲的HiperLAN-II以及日本的ARIB HiSWANa都将OFDM作为核心方案。上述WLAN标准都工作在5 GHz频段,旨在通过选择合适的调制方式与编码方式,实现峰值速率为54Mbits的高速数据传输。同时,根据无线传输环境的变化,其传输速
2、率(单位为Mbits)可以在6、9、12、18、24、36、48和54之间灵活切换。为了充分理解OFDM-WLAN的工作过程及其关键技术,对其进行系统建模和仿真非常有意义。通过计算机仿真,不仅可以深刻理解基本概念,掌握关键技术,而且能极大地节省费用和科研人员精力。同时,由于上述标准还在不断完善,物理层的许多关键技术并没有被限制死,这样,通过系统建模与仿真,有助于设计出性能更好或更为简便的算法。本文以IEEE 802.11a标准为基础,建立了OFDM-WLAN系统的物理层模型,并对该系统的各个模块进行了仿真。重点对OFDM-WLAN设计中的关键技术,如载波同步、定时同步以及信道估计算法进行了讨论
3、。1 模型建立与描述整个IEEE 802.11a标准的WLAN系统模型可以分为4个模块:发射模块、信道模块、接收模块、参数设置与算法控制模块。图1给出了其总体框图。发射模块主要完成随机信源数据产生、卷积编码、交织、映射、训练序列及导频符号生成、串并转换、IFFT调制、附加CP(循环前缀)、加窗处理等,最后经DA转换,由射频模块发送出去。具体组成见图2。信道模块主要完成对AWGN(高斯白噪声)信道和时变衰落信道的建模与加载。结合WLAN的应用环境,信道主要选用慢衰落指数衰减型信道模型。信道冲击响应的均方根时延可通过参数设置与算法控制模块进行设置。接收模块主要完成分组检测、载波同步、定时同步、去除
4、CP、FFT解调、信道估计、反映射、反交织、Vit-erbi译码等处理,恢复出原始信息数据。具体组成框图如图3所示。参数设置与算法控制模块主要用来设置整个系统的仿真参数,如采用什么调制方式、仿真中引入的载波频率偏差与相位噪声为多大、信噪比变化范围以及衰落信道的类型、延时的均方根值等。由于接收端对一些功能的实现有着不同的算法,通过该模块可以非常灵活地控制各种算法的加载与验证。此外,我们提出的算法和设想也可以通过该模块非常方便地加载到系统模型中去,以验证新算法的可行性。2 仿真思路与内容首先,分析和仿真各种实际因素对OFDM-WLAN系统的影响,这些因素主要有:载波频率偏差、定时误差以及信道畸变等
5、。其次,结合IEEE 802.11a的分组格式,重点对这些不利因素的各种估计与补偿算法进行建模,考察算法性能。最后,将采用这些模型时的系统性能与采用理想参数时的系统性能进行比较,得出量化结果。2.1 IEEE 802.11a标准的物理层分组格式按照IEEE 802.11a物理层协议产生仿真数据。图4给出了其1个分组的信号格式。该分组包括4部分,分别为:10个重复的短训练序列t1t10(每个短训练序列包含16个采样);2个长训练序列T1-T2(每个长训练序列包括64个采样);在短训练序列与长训练序列之间有32个采样的保护间隔GI2;信令部分(包含1个OFDM符号,即长度为64个采样)和数据部分(
6、可变OFDM符号,长度随实际情况而变)。在每个OFDM符号前有16个采样的保护间隔GI。2.2 实际因素对系统性能的影响OFDM的主要缺陷之一是对载波频偏非常敏感。任何频率偏差都会破坏子载波间的正交性,引入ICI(载波间干扰),从而极大地降低系统性能。另外,即使进行了载波偏差估计与修正,由于估计偏差的存在,收发双方还会存在微小的频差成分。该频差引起的SNR(信噪比)损失虽然可以忽略,但它会导致接收信号星座图的相位旋转。定时偏差是接收机没有精确找出OFDM符号FFT的积分区问,从而导致ICI和ISI(符号间干扰)。与单载波系统相比,OFDM-WALN对定时偏差有较强的鲁棒性,原因是只要定时偏差落
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