羅 杰,于 飛

(保密通信實(shí)驗(yàn)室,四川成都610041)

頻譜聚合技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中的研究和實(shí)現(xiàn)*

羅 杰,于 飛

(保密通信實(shí)驗(yàn)室,四川成都610041)

正交頻分復(fù)用技術(shù)能夠抵抗多徑衰落和符號(hào)間干擾,但是其數(shù)據(jù)傳輸速率在有限的頻譜資源下會(huì)受到影響。頻譜聚合通過(guò)將離散或者間斷連續(xù)的多個(gè)小頻段擴(kuò)展成更寬的頻段來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸率。理論研究證明將頻譜聚合技術(shù)應(yīng)用在OFDM系統(tǒng)上可以提高頻譜容量,文中介紹了OFDM和頻譜聚合的原理,以及基于QPSK鏈路的系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),MATLAB仿真結(jié)果表明結(jié)合頻譜聚合技術(shù)和OFDM技術(shù)的通信系統(tǒng)能夠提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和正確率。

OFDM 頻譜聚合 QPSK MATLAB

0 引 言

當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)的高帶寬傳輸需求和離散的頻譜資源之間存在著明顯的矛盾,OFDM技術(shù)作為L(zhǎng)TE的關(guān)鍵技術(shù),利用載波數(shù)據(jù)的正交性可以有效避免多徑衰落和符號(hào)間的干擾,從而提高短波信道數(shù)據(jù)的傳輸正確率。但是由于可用頻譜資源的限制,OFDM的子載波數(shù)目是有限的。因此可以考慮在OFDM的基礎(chǔ)上通過(guò)頻譜聚合技術(shù)的應(yīng)用來(lái)獲取更多的帶寬。頻譜聚合將離散的或者分散于高低兩端的連續(xù)頻段聚合起來(lái),在中繼設(shè)備和天線的幫助下擴(kuò)展成更廣的覆蓋領(lǐng)域,可以獲取更多的系統(tǒng)頻段。本文研究了OFDM技術(shù)和頻譜聚合技術(shù)。理論研究和仿真結(jié)果表明基于這兩種技術(shù)的試驗(yàn)系統(tǒng)能夠提高信道(尤其是短波信道)中的信息傳輸速率,數(shù)據(jù)的傳輸正確率可以提高1～2 dB。

1 頻譜聚合技術(shù)介紹

由國(guó)際電信聯(lián)盟制定的標(biāo)準(zhǔn)要求未來(lái)的通信系

統(tǒng)能夠支撐不同區(qū)域和長(zhǎng)度的頻譜帶寬,除去傳統(tǒng)的通信頻段外,大部分不可用的頻段呈現(xiàn)高低分布的趨勢(shì)。很大一部分的高頻段有不連續(xù)分布、覆蓋范圍小和頻率值過(guò)高的缺點(diǎn),所以基本不能被正常通信使用,低頻段則只能給小容量的頻譜資源利用。最大可能的利用不同頻段的資源成為未來(lái)需要解決的問(wèn)題。頻譜聚合可以將高低頻段范圍中可用的離散資源聚合為連續(xù)的頻譜從而提高信道的容量,從而在未來(lái)支持對(duì)高帶寬有需求的業(yè)務(wù)。在此基礎(chǔ)上,基于OFDM技術(shù)的頻譜聚合可以對(duì)頻率相距較遠(yuǎn)的載波實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面的頻率選擇性分集,即根據(jù)不同頻譜衰落的差異性和路徑損耗的特點(diǎn)來(lái)達(dá)到資源分配和利用的最優(yōu)化[1]。

頻譜聚合技術(shù)根據(jù)聚合的載波類型可以分為三類[2]。

(1)相同頻段上的連續(xù)載波聚合

連續(xù)的載波資源在同一范圍頻段上的聚合則是同頻帶的連續(xù)載波聚合,這種類型在通信中因?yàn)閷?shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單而常見(jiàn),由于聚合的載波資源在頻段上相互靠近所以干擾差異不大,同時(shí)對(duì)物理層的要求也不高,但是這種資源非常有限。

(2)相同頻段上的離散載波聚合

不連續(xù)的載波資源在同一范圍頻段上的聚合則是同頻帶的離散載波聚合,這種資源在中、高、低頻段都比較常見(jiàn),同一頻帶內(nèi)零散的小頻譜資源有大有小,由于屬于同一范圍,差異相對(duì)不大,但是聚合對(duì)于物理層有特殊的要求。

(3)不同頻段上的離散載波聚合

不同范圍內(nèi)頻段上的載波資源必然是離散的,其可能位于中、高、低頻譜范圍中的任意一處,由于差距較遠(yuǎn),大小不一致,干擾情況不一致,頻譜的信道情況變化較大,其聚合起來(lái)的難度很大。

目前針對(duì)頻譜聚合的研究方案有很多,主要還是集中在前面兩種類型上,其實(shí)現(xiàn)的難度有幾個(gè)方面:一是系統(tǒng)硬件條件的限制,即目前通用的接收機(jī)射頻前端的濾波器,混頻器以及功放器,底層的數(shù)字信號(hào)處理水平都難以達(dá)到頻譜聚合的物理要求;二是物理層有頻譜傳輸方面的問(wèn)題,即離散的頻譜要求物理層可以支持分段傳輸,但是分段的頻譜聚合傳輸信號(hào)可能會(huì)對(duì)頻譜間隔處的其他通信信號(hào)造成干擾;三是不同頻譜環(huán)境的約束,相距較遠(yuǎn)的頻譜差異性在系統(tǒng)層面產(chǎn)生了頻率選擇性分集,也使本來(lái)干擾較多的無(wú)線信道環(huán)境變得愈加復(fù)雜。上述多種限制條件是頻譜聚合研究理論和應(yīng)用中必須考慮的問(wèn)題,如果可以解決和克服,頻譜聚合在未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中將起十分重大的作用[3]。

本文研究的是基于OFDM系統(tǒng)的頻譜聚合技術(shù),由于OFDM的載波多位于相同的頻譜范圍內(nèi),所以本文研究的頻譜聚合載波類型是位于同一頻段范圍內(nèi)的離散或者連續(xù)載波聚合。

2 OFDM技術(shù)介紹

OFDM是多載波調(diào)制方法的一種,是一種無(wú)線環(huán)境下的傳輸技術(shù)。無(wú)線傳輸信道的頻率曲線多是非平坦的,所以O(shè)FDM技術(shù)的原理即是將通信系統(tǒng)中的頻段資源劃為多個(gè)正交的子載波信道,這個(gè)正交表示子載波的頻率間滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系,每個(gè)信道之間的保護(hù)間隔有效的防止了子載波的交叉,發(fā)送端將調(diào)制后的數(shù)據(jù)映射到子載波通過(guò)射頻發(fā)射出去,多個(gè)子載波并行傳輸,這樣即使信道是非平坦的但由于子載波的正交性也可以大大的消除符號(hào)間的干擾。接收端則通過(guò)濾波器將信道分離從而降低信道的干擾,這樣雖然提高了數(shù)據(jù)的傳輸正確率但是數(shù)據(jù)量越大對(duì)載波的數(shù)量要求則越多,從而對(duì)帶寬要求也高。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于頻譜集合的OFDM系統(tǒng)的框架如圖1所示。

兩個(gè)DSP在雙口RAM的幫助下交互處理底層數(shù)據(jù)鏈路信息,FPGA負(fù)責(zé)部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理、變頻等功能,PC機(jī)和串口通過(guò)下達(dá)指令來(lái)控制DSP和FPGA的數(shù)據(jù)處理和接口的數(shù)據(jù)傳輸,GPS發(fā)揮定時(shí)功能[4],發(fā)射端和接收端結(jié)構(gòu)基本一致。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)的框架Fig.1 Hardware framework of system

4 試驗(yàn)系統(tǒng)的鏈路處理流程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于QPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)處理鏈路,

存儲(chǔ)在信源里的比特信息在發(fā)射端依次完成各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)處理:信源編碼、信道編碼、QPSK調(diào)制、頻譜單元選擇性映射、上采樣、加擾(CP)、IFFT變換、循環(huán)前綴和組幀的處理,最后通過(guò)FPGA的處理后通過(guò)射頻端發(fā)射出去,接收端通過(guò)逆過(guò)程完成數(shù)據(jù)處理,最后將還原的比特?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在信宿里面[5]。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Processing flow of system

5 系統(tǒng)模塊原理和實(shí)現(xiàn)

一級(jí)交織:又稱幀交織,由于完成速率匹配后的每幀數(shù)據(jù)是10萬(wàn)多比特,在第一級(jí)交織時(shí)定義編碼塊總數(shù)為二十一塊,然后按照每塊5 632比特的規(guī)則依次進(jìn)行第一級(jí)交織,以行和列的方式輸入矩陣,每一行是一個(gè)編碼,以行的方式輸入,以列的方式輸出。

二級(jí)交織:又稱符號(hào)交織,即在底層數(shù)據(jù)處理過(guò)程中共有兩路信號(hào),每路有相同數(shù)目的OFDM符號(hào)構(gòu)成。OFDM按照包含的數(shù)據(jù)類型的不同可以分為兩種,一種符號(hào)內(nèi)除了含有調(diào)制后的數(shù)據(jù)處理信息外在尾端還含有用于信道估計(jì)的導(dǎo)頻信息;另一種為僅含有數(shù)據(jù)處理信息的數(shù)據(jù)符號(hào)。在OFDM符號(hào)的排列上以四個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)和一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)組成一個(gè)組,多個(gè)這樣的組按順序依次排列,前面以一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)開(kāi)頭。

圖3 OFDM符號(hào)的放置順序Fig.3 Placement sequence of OFDM symbols

速率匹配:速率匹配的作用在于通過(guò)在信道編碼的輸出塊中添加固定數(shù)目的零數(shù)據(jù),使得每一幀的比特?cái)?shù)與一級(jí)交織的要求保持一致。系統(tǒng)中共有多塊數(shù)據(jù)完成速率匹配,前面數(shù)據(jù)的末尾分別添加284個(gè)零,最后一塊的末尾被添加336個(gè)零。

QPSK調(diào)制:QPSK調(diào)制又稱相位調(diào)制,是目前移動(dòng)通信底層數(shù)據(jù)處理中常用的調(diào)制方法之一,其性能穩(wěn)定并且實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單。通過(guò)兩個(gè)比特?cái)?shù)表示一個(gè)符號(hào),如圖4所示:比特11表示45度相位,比特10表示負(fù)45度的相位,調(diào)制后的數(shù)據(jù)輸出為復(fù)數(shù)形式并且表示平均功率。鏈路數(shù)據(jù)處理時(shí)的表示值是在原來(lái)的基礎(chǔ)上乘以2N。

圖4 QPSK星座映射Fig.4 Constellation map of QPSK

頻譜聚合模塊:將OFDM符號(hào)按一定的間距分為1 024個(gè)子載波和168組,其中,一組包含6個(gè)子載波,16個(gè)子載波用作置空,12組構(gòu)成一個(gè)頻譜聚合單元,所以每路數(shù)據(jù)一共有14個(gè)頻譜聚合單元,系統(tǒng)的帶寬假設(shè)為80 kHz,每個(gè)頻譜聚合單元對(duì)應(yīng)的帶寬則為5.6 kHz。上層程序根據(jù)接收端的反饋信息選擇信道條件最好的頻譜聚合單元完成調(diào)制數(shù)據(jù)的映射,其余單元不用或者添零[6]。

表1 頻譜映射Table 1 Table of spectrum mapping

6 MATLAB仿真結(jié)果

在MATLAB中搭建一個(gè)基于QPSK的底層鏈路數(shù)據(jù)處理平臺(tái)驗(yàn)證基于頻譜聚合技術(shù)的OFDM試驗(yàn)系統(tǒng)的性能,并完成在各種環(huán)境下的性能仿真。

在短波通信信道中,多普勒頻移越大就誤碼率越高,結(jié)合了頻譜聚合的OFDM傳輸可以通過(guò)選擇信道條件較好的頻譜單位來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。如圖5所示,每條曲線分別表示多普勒頻移取不同值時(shí)的平均誤碼率?？梢钥闯鑫甯€中的信噪比取不同的值時(shí)其誤碼率接近于零。隨著多普勒頻移參數(shù)的變小,誤碼率也逐漸降低1 dB。

圖5 平均誤碼率Fig.5 Average bit error rate in different circumstances

7 結(jié) 語(yǔ)

頻譜聚合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠支持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率,通過(guò)將不同頻段范圍內(nèi)的離散資源擴(kuò)展成更寬的頻帶來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。OFDM通過(guò)正交子載波的映射可以避免符號(hào)間的干擾和衰落。本文提出在OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用頻譜聚合技術(shù)來(lái)提高頻段的頻譜利用率及數(shù)據(jù)的傳輸效果。理論研究驗(yàn)證基于OFDM的頻譜聚合系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的,MATLAB仿真結(jié)果進(jìn)一步試驗(yàn)系統(tǒng)可以一定程度的避免信道的深衰落影響,降低短波信道中數(shù)據(jù)的誤碼率。在MATLAB仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)底層QPSK鏈路模塊的實(shí)現(xiàn)方案,并考慮未來(lái)在樣機(jī)上集成實(shí)行連調(diào)。

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羅 杰(1986—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信號(hào)處理;

LUO Jie(1986-),female,graduate student, majoring in communication and signal processing.

于 飛(1981—),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)楸Ｃ芡ㄐ拧?/p>

YU Fei(1981-),male,senior engineer, majoring in secure communication.

Research and Realization of Spectrum Aggregation Technology in OFDM System

LUO Jie1,YU Fei2
(Science and Technology on Communication Security Laboratory,Chengdu Sichuan 610041,China)

Orthogonal frequency divisionmultiplexing(OFDM)technology could effectively resist themultipath fading and inter-symbol interference,but itsmessage transmission rate is affected by limited spectrum resource.Spectrum aggregation technology could raisemessage transmission rate by extending discrete bands ormultiple continuous bands into a wider band.The theory indicates that the spectrum aggregation technology applied in OFDM technology could improve the system capacity.Thus,this paper gives the principles of OFDM technology and spectrum aggregation technology and proposes the design and realization of variousmodules based on QPSK periodic line.MATLAB simulation results indicate that the proposed communication system combined with spectrum aggregation technology and OFDM technology could improve the data transfer rate and the accuracy.

OFDM;spectrum aggregation;QPSK;MATLAB

TN914.4

A

1002-0802(2014)12-1380-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.007

2014-09-11;

2014-11-22 Received date：2014-09-11;Revised date：2014-11-22

國(guó)家科技部項(xiàng)目(No.2011BAK13B05)

Foundation Item:National Science and Technology Ministry