姚潔

(福州外語外貿(mào)學(xué)院　信息系，福州　350000)

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OFDM技術(shù)在802.11a WLAN中的應(yīng)用研究

姚潔

(福州外語外貿(mào)學(xué)院信息系，福州350000)

OFDM(正交頻分復(fù)用)即多載波寬帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它能夠有效地解決傳輸中產(chǎn)生的多徑干擾以及消除碼間串?dāng)_，可以提供54 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，具備頻譜利用率高、信道均衡技術(shù)簡(jiǎn)單、信號(hào)調(diào)制解調(diào)易實(shí)現(xiàn)、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。OFDM技術(shù)的應(yīng)用使得WLAN技術(shù)得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。利用MATLAB為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了OFDM仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)各個(gè)基本環(huán)節(jié)的仿真算法，通過仿真結(jié)果對(duì)比分析可知，OFDM技術(shù)要比一般的單載波調(diào)制技術(shù)具有更強(qiáng)的抗多徑干擾的能力，在無線局域網(wǎng)中具有較大的應(yīng)用前景。

OFDM；WLAN；MATLAB；仿真系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代以來，隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各大電信運(yùn)營(yíng)商朝著多元化方向發(fā)展，電信產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也由長(zhǎng)途網(wǎng)轉(zhuǎn)為本地接入網(wǎng)。寬帶無線接入技術(shù)由于成本低、速度快、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)快速占領(lǐng)市場(chǎng)。而WLAN(無線局域網(wǎng))作為一種寬帶無線接入技術(shù)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由于WLAN可移動(dòng)、不受電纜約束、組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展方便、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)使得受到越來越多的重視。OFDM技術(shù)作為WLAN系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一，將成為未來的核心技術(shù)。

OFDM技術(shù)能夠?qū)⒏咚俅袛?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成低速并行數(shù)據(jù)流,再將得到的并行數(shù)據(jù)調(diào)制在正交子載波上,實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸，因此具備頻譜利用率高、信道均衡技術(shù)簡(jiǎn)單、信號(hào)調(diào)制解調(diào)易實(shí)現(xiàn)、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，802.11a WLAN可采用OFDM技術(shù)作為其物理層的調(diào)制技術(shù)，傳輸速率范圍為6 Mbit/s～54 Mbit/s，因此，研究基于OFDM技術(shù)的無線局域網(wǎng)技術(shù)具有十分重要的意義。

1　基于OFDM的802.11a WLAN的系統(tǒng)

IEEE802.11a規(guī)定1個(gè)OFDM符號(hào)由52個(gè)子載波(其中4個(gè)為導(dǎo)頻子載波)組成。OFDM信號(hào)將調(diào)制符號(hào)映射到64點(diǎn)IDFT(離散傅立葉逆變換)的子載波上來實(shí)現(xiàn)的，而IDFT又可以由IFFT(傅立葉逆變換)算法實(shí)現(xiàn)。因此，我們可以由IFFT輸出得到1個(gè)OFDM符號(hào)。為了解決系統(tǒng)的多徑衰落，需要在OFDM符號(hào)間插入1個(gè)循環(huán)前綴CP，1個(gè)CP時(shí)長(zhǎng)為0.8 μs，1個(gè)OFDM符號(hào)時(shí)長(zhǎng)為4 μs。為了避免ISI，CP長(zhǎng)度必須大于信道脈沖的響應(yīng)長(zhǎng)度[1]。

OFDM系統(tǒng)工作原理：數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式輸入經(jīng)過卷積、交織、映射轉(zhuǎn)換為復(fù)星座符號(hào)，接著把這些符號(hào)映射到子載波上，經(jīng)過插入導(dǎo)頻，即可得到52個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波，最后經(jīng)過IFFT，得到OFDM符號(hào)。為克服多徑衰落，每個(gè)OFDM符號(hào)之間須插入1個(gè)CP間隔。最后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，調(diào)制到射頻，放大，發(fā)送完成整個(gè)發(fā)送過程。接收過程即在發(fā)送過程逆向的基礎(chǔ)上增加了同步和校正等處理。如圖4～5所示是整個(gè)OFDM系統(tǒng)框圖[2]。

圖1　整個(gè)OFDM系統(tǒng)框圖

2　OFDM系統(tǒng)的仿真測(cè)試分析

本文要實(shí)現(xiàn)的是802.11a WLAN中的OFDM物理層仿真，主要是通過仿真OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。通過改變OFDM仿真系統(tǒng)的信道模型設(shè)置中的參數(shù)，進(jìn)行MATLAB仿真，分析仿真結(jié)果后可以正確評(píng)價(jià)OFDM系統(tǒng)存在抗多徑干擾性能。

2.1參數(shù)選擇

在OFDM系統(tǒng)中，首先要確定三個(gè)參數(shù)即符號(hào)周期、保護(hù)間隔、子載波數(shù)量。這三個(gè)參數(shù)的選擇取決于信道帶寬、時(shí)延、傳輸速率，而在實(shí)際應(yīng)用中又要考慮多種沖突因素，因此，我們可以采用折中的辦法來確定OFDM系統(tǒng)的各參數(shù)。

①保護(hù)間隔：可選擇時(shí)延擴(kuò)展均方根的2～4倍。

②符號(hào)周期：考慮到信息傳輸過程的損失率、系統(tǒng)的復(fù)雜性、峰值平均功率等因素，一般設(shè)置長(zhǎng)度至少為保護(hù)間隔長(zhǎng)度的5倍。

③子載波的數(shù)量：子載波的數(shù)量 = -3dB帶寬/子載波間隔(即扣除保護(hù)間隔后的符號(hào)周期的倒數(shù))；或子載波的數(shù)量=需要的比特速率/子信道的比特速率[3]。

2.2OFDM系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)

OFDM系統(tǒng)仿真主要由串/并轉(zhuǎn)換、并/串轉(zhuǎn)換、IFFT/FFT調(diào)制與解調(diào)、信道模擬構(gòu)成。為方便仿真，我們對(duì)圖1做了一定的變換，省略了加保護(hù)間隔、數(shù)/模變換、模/數(shù)變換等步驟，保留主要環(huán)節(jié)，如圖2所示。保護(hù)間隔僅僅是對(duì)系統(tǒng)性能的提升，去掉不影響仿真結(jié)果，而且還可以縮短仿真時(shí)間，提高仿真效率。

本文的OFDM系統(tǒng)的仿真過程主要分為三部分：發(fā)送部分、信道部分、接收部分。主要的性能仿真原理圖如圖2所示。

圖2　OFDM性能仿真原理圖

仿真的輸入數(shù)據(jù)為文本文件、音頻文件。為了與傳統(tǒng)的單載波相比較，仿真過程分別采用了 OFDM和 16-QAM兩種調(diào)制解調(diào)方式，最后給出兩種結(jié)果的比較。

2.316-QAM原理

本文所用到的QAM調(diào)制是數(shù)字調(diào)制方式。所謂正交振幅調(diào)制(QAM)是采用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，利用這種已調(diào)信號(hào)在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信號(hào)傳輸。

QAM調(diào)制器的原理：發(fā)送數(shù)據(jù)在串-并轉(zhuǎn)換器內(nèi)被分成兩路(為原來兩路信號(hào)的1/2)，然后分別與一對(duì)正交調(diào)制分量相乘，求和后輸出。接收端完成逆過程。如圖3所示。輸入端的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)串-并變換后變?yōu)樗穆窋?shù)據(jù)。這四路數(shù)據(jù)再兩兩結(jié)合，再進(jìn)入電平轉(zhuǎn)換器，最后變成兩路4電平數(shù)據(jù)。例如，00轉(zhuǎn)換成-3，01轉(zhuǎn)換成-1，10轉(zhuǎn)換成1，11轉(zhuǎn)換成3。兩路4電平數(shù)據(jù)g1(t)和g2(t)分別對(duì)載波cosωct和載波sinωct進(jìn)行調(diào)制，再相加，即得到16-QAM信號(hào)[4]。

圖3　16-QAM的調(diào)制原理圖

2.4系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

2.4.1系統(tǒng)的基本原理分析

從調(diào)制中使用的載波數(shù)量看，OFDM為多載波調(diào)制， QAM為單載波調(diào)制，因此，OFDM系統(tǒng)較QAM系統(tǒng)復(fù)雜，OFDM系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上用復(fù)雜性換取高性能，因此兩者都有著廣泛的運(yùn)用。

在OFDM系統(tǒng)仿真過程中，輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制，就將時(shí)域的信號(hào)變?yōu)閺?fù)數(shù)形式的頻域信號(hào)，一般采用相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)制(QAM)，本文所設(shè)計(jì)的仿真程序是將輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為雙極性數(shù)據(jù)流，相當(dāng)于進(jìn)行了BPSK調(diào)制；而后將雙極性數(shù)據(jù)流經(jīng)過串/并變換單元，再分配到正交的各子載波之上，進(jìn)行IFFT變換，實(shí)現(xiàn)并行的頻域數(shù)據(jù)的正交調(diào)制，輸出為時(shí)域的并行數(shù)據(jù)；再通過并/串變換轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送到信道上傳送。仿真的信道部分分為信號(hào)截取、多徑信道和隨機(jī)噪聲三小部分。接收端進(jìn)行的是與發(fā)送端相反的變換。

在16-QAM系統(tǒng)仿真過程中(并不影響OFDM系統(tǒng)的仿真)，輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化雙極性數(shù)據(jù)流，相當(dāng)于進(jìn)行了BPSK調(diào)制，而后每四比特雙極性數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為一個(gè)16-QAM符號(hào)狀態(tài)，輸出的QAM符號(hào)發(fā)送到信道上進(jìn)行傳送，此時(shí)的信道仿真模型與OFDM系統(tǒng)的信道仿真模型條件一樣。接收端進(jìn)行QAM解調(diào)，并把每個(gè)QAM符號(hào)轉(zhuǎn)化為雙極性數(shù)據(jù)流，雙極性數(shù)據(jù)流再轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，至此完成了QAM的調(diào)制與解調(diào)。

仿真原理模塊圖見圖2，整個(gè)仿真程序分為四個(gè)階段：系統(tǒng)初始化、QAM仿真系統(tǒng)、OFDM仿真系統(tǒng)以及QAM與OFDM調(diào)制技術(shù)的分析比較部分，具體的仿真圖如下列圖形所示。FFT的長(zhǎng)度為128，載波數(shù)量為32，根據(jù)QAM和OFDM系統(tǒng)的不同要求，載波數(shù)量不同，如本仿真程序中OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)量為32；設(shè)定QAM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的原始輸入數(shù)據(jù)相同，并設(shè)定相同參數(shù)條件的仿真信道；同時(shí)通過計(jì)時(shí)代碼計(jì)算出QAM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)分別運(yùn)行一次系統(tǒng)仿真時(shí)所用的時(shí)間多少，由此可比較出兩種調(diào)制技術(shù)所用的時(shí)間長(zhǎng)短；通過QAM與OFDM調(diào)制技術(shù)的分析比較部分，可以得出系統(tǒng)相應(yīng)的仿真圖形，并由此可以計(jì)算出分別采用兩種不同調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)，在恢復(fù)原始數(shù)據(jù)時(shí)所出現(xiàn)的錯(cuò)誤比特的數(shù)量，并可計(jì)算出誤碼率，從而分析可比較出兩種調(diào)制技術(shù)的性能優(yōu)劣。

本文分別將音頻文件和文本文件作為信源，將這兩種文件分別轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再進(jìn)行極性變換，使之成為利于傳輸?shù)碾p極性信號(hào)，為了體現(xiàn)OFDM的優(yōu)勢(shì)，分別進(jìn)行OFDM和QAM調(diào)制，經(jīng)過多徑數(shù)目為3的衰落信道，并在接收處恢復(fù)出各自信號(hào)，最后分別轉(zhuǎn)化成音頻文件、文本文件。

2.4.2系統(tǒng)仿真分析

本文所采用的信道有三條傳輸路徑，可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示成為：

h(t)=δ(t)+0.30δ(t-6)+0.25δ(t-10)

第一條：傳輸路徑延遲為6個(gè)單位，衰落系數(shù)為0.30；

第二條：傳輸路徑延遲為10個(gè)單位，衰落系數(shù)是0.25；

接收信號(hào)：由上兩條路徑的信號(hào)與無延遲無衰落的信號(hào)疊加而成，多徑數(shù)目為3。圖4給出了多徑衰落信道的幅頻特性曲線及相頻特性曲線，從圖中可得頻率點(diǎn)為0.25等處幅度出現(xiàn)深衰落。

圖4　信道的幅頻和相頻特性曲線圖

2.4.3輸入數(shù)據(jù)為文本文件

信號(hào)采用OFDM調(diào)制的方式，采用的載波數(shù)為32。如圖5所示是基于FFT變換的OFDM信號(hào)的發(fā)送與接收仿真圖，結(jié)合信道幅頻特性，采用數(shù)字頻率。為了方便觀察，系統(tǒng)將發(fā)送和接收信號(hào)均作了FFT變換，再結(jié)合信道特性，可得到OFDM能夠克服信道的深度衰落。

圖5　基于FFT變換的OFDM信號(hào)的發(fā)送與接收仿真圖

而后，接著考慮QAM方式下的傳輸，系統(tǒng)采用相同信道。如圖6所示是基于FFT變換的QAM信號(hào)的發(fā)送與接收仿真圖，仿照上例相同環(huán)境，可由圖6看出，在信道深度衰落處，信號(hào)有較大的畸變(即0.25點(diǎn))，說明QAM方式下對(duì)信道多徑衰落較為敏感。

圖6　基于FFT變換的QAM信號(hào)的發(fā)送與接收仿真圖

圖7　OFDM符號(hào)的發(fā)送與接收仿真圖

圖8　QAM符號(hào)的發(fā)送與接收仿真圖

圖7與圖8所示是OFDM符號(hào)與QAM符號(hào)的發(fā)送與接收仿真圖，仿真結(jié)果可顯示出OFDM符號(hào)與QAM符號(hào)通過信道傳輸之后所出現(xiàn)的變化，采用OFDM技術(shù)得到的符號(hào)前后變化不大，但采用QAM技術(shù)得到的符號(hào)則會(huì)出現(xiàn)較大的失真。

通過圖5、圖6、圖7與圖8的比較可知，在原始數(shù)據(jù)一致、信道參數(shù)條件相同的兩種系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)能夠較無失真地恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，而QAM技術(shù)在恢復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)波形會(huì)出現(xiàn)較大的失真。

如圖9、圖10和圖11所示是輸入的原始文本文件與分別通過OFDM和QAM調(diào)制后所得到的文本文件的對(duì)比圖，通過圖中數(shù)據(jù)的對(duì)比，可知OFDM調(diào)制技術(shù)能夠無差錯(cuò)地恢復(fù)原始文本文件，而QAM調(diào)制技術(shù)則會(huì)出現(xiàn)較多的差錯(cuò)。

圖9　輸入的原始文本文件text.txt

圖10　輸出的OFDM_out_text.txt文本文件

圖11 輸出的QAM_out_text.txt文本文件

信號(hào)分別采用OFDM和QAM調(diào)制的方式，輸入名為shortest. wav的音頻文件，經(jīng)仿真，可得OFDM方式得到的音頻文件和信源區(qū)別很小，QAM方式得到的音頻文件存在一些雜聲干擾(噪聲所致)。雖效果不同，但兩種方式都能夠得到可辨識(shí)的音頻。仿真圖如下所示。

圖12　輸入名為shortest. wav的音頻文件

圖13　輸出為OFDM_out. wav的音頻文件

圖14　輸出為QAM_out. wav的音頻文件

經(jīng)過計(jì)算得出：OFDM調(diào)制下，仿真所用的時(shí)間為1.282 s，誤比特?cái)?shù)為0；QAM調(diào)制下，仿真所用的時(shí)間為1.344 s，誤比特?cái)?shù)為675。因此兩者的誤碼率(BER)在OFDM調(diào)制下近似為0，在16-QAM調(diào)制方式下約為21.9 %。由上可得，在相同信道條件下，OFDM要比一般單載波技術(shù)具備更強(qiáng)的抗多徑干擾能力，在信道的傳輸中具有更滿意的通信質(zhì)量。

3　結(jié)語

本文要實(shí)現(xiàn)的是802.11a WLAN中的OFDM物理層仿真，主要是通過仿真OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。據(jù)此，本文主要進(jìn)行的是OFDM系統(tǒng)的仿真分析，首先給出OFDM系統(tǒng)的基本參數(shù)的選擇規(guī)則，而后給出了OFDM系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)原理及框圖，接著通過對(duì)分別采用OFDM和QAM兩種調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)的仿真對(duì)比，得出結(jié)論，那就是在相同的信道條件下，OFDM技術(shù)要比普通的單載波調(diào)制技術(shù)具備更強(qiáng)的抗多徑干擾能力和更小的誤碼率。

[1]王旭,衛(wèi)鴻濤, 陳贊.擴(kuò)頻調(diào)制和OFDM技術(shù)在電力線通信中的應(yīng)用簡(jiǎn)介[J].通信世界,2016,22(2):63.

[2]鄧密文, 陽佳,郭蘇嶺,等.淺析OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].通信世界,2016.22(1):30-31.

[3]李萌,王瓊,武興佩.OFDM技術(shù)在LTE系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].信息通信,2016,29(1):206-207.

[4]陳丹.正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM在應(yīng)急通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].硅谷,2014,13(21):62-68.

Research on the Application of OFDM Technology in WLAN 802.11a

YAO Jie

(Fuzhou College of Foreign Studies and Trade, Fuzhou 350000, China)

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), a multi-carrier wideband digital modulation technology, which can effectively solve the transmission in multi-path interference and eliminate inter-symbol interference (ISI), can provide up to 54 Mbps data transmission rate, has the advantage of high spectrum utilization rate, of simple channel equalization technique, of being easy to implement signal modulation and demodulation, and of a strong error correction ability. With the application of OFDM technology, the WLAN technology has been further developed. Using MATLAB as a development platform, the design of simulation of OFDM systems, all aspects of the basic simulation algorithm under OFDM system are realized. By comparing the results of the simulation analysis, we know that OFDM technology to ability is stronger than that of the other single carrier modulation technology of anti-multipath interference, which has great application prospects in wireless local area network (LAN).

OFDM; WLAN; MATLAB; simulation system

2016-05-16

姚潔(1983—)，女，福建寧德人，講師，碩士，主要從事通信技術(shù)研究。

TN911

A

1009-0312(2016)05-0056-07