專利名稱：基于IEEE802.16d/e實(shí)現(xiàn)Mesh模式下的OFDM物理層系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于IEEE802. 16d/e協(xié)議，提出一種實(shí)現(xiàn)Mesh模式下的OFDM物理層系統(tǒng)， 屬于無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在 WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access 微波存取全球互通)網(wǎng)絡(luò)中有一種無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，稱為Mesh網(wǎng)絡(luò)，S卩WMN(Wireless Mesh Network 無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng))。Mesh網(wǎng)絡(luò)正是因?yàn)槠錈o(wú)中心、自組織等特點(diǎn)而逐漸興盛起來(lái)，將逐漸應(yīng)用于樓宇辦公、臨時(shí)會(huì)議、應(yīng)急通信等情況。其物理層技術(shù)采用RS-CC(RS碼即里德-所羅門(mén) (Reed Solomon)碼，CC是卷積編碼(Convolution Coded))級(jí)聯(lián)信道編碼、可選數(shù)據(jù)調(diào)制方案、以及 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交頻分復(fù)用)技術(shù)。 OFDM技術(shù)是一種克服信道時(shí)延擴(kuò)展的傳輸手段。它采用串并變換將高速串行數(shù)據(jù)流分解成若干并行低速數(shù)據(jù)流，以降低每個(gè)子載波的符號(hào)速率，其碼元周期會(huì)變得相對(duì)較長(zhǎng)，再加上循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)作為保護(hù)間隔所構(gòu)成的特殊符號(hào)結(jié)構(gòu)，使得ISI antersymbol Interference符號(hào)間干擾)明顯降低，甚至可以消除。IEEE802. 16d/e的物理層既可以支持單載波又可以支持多載波，支持多載波即支持OFDM技術(shù)?；趩屋d波的物理層規(guī)范又分為WirelessMAN-SC和WirelessMAN-SCa兩種。WirelessMAN-SC的操作頻段為10 66GHz，且為視距(LOS)操作；而WirelessMAN-SCa 的操作頻段低于11GHz，為非視距(NLOS)操作?；诙噍d波的物理層規(guī)范則分為 WirelessMAN-OFDM和WirelessMAN-OFDMA，兩種規(guī)范均基于OFDM多載波技術(shù)，操作頻段均低于11GHz。WirelessMAN-OFDM是基于多載波的物理層規(guī)范，它支持256點(diǎn)的OFDM調(diào)制方式， 操作頻段低于11GHz，并且是為非視距NLOS傳輸而設(shè)計(jì)。本發(fā)明就是在Mesh模式下使用 WirelessMAN-OFDM 物理層標(biāo)準(zhǔn)。OFDM的信道帶寬不能小于1. 25MHz，且必須是250kHz的整數(shù)倍，1. 25MHz乘以2m 必須等于所能分配給該系統(tǒng)的總帶寬。例如系統(tǒng)所能獲得的帶寬是14MHz，OFDM信道帶寬可以是1. 75MHz,3. 5MHz、7MHz或14MHz。如果帶寬是250kHz的奇數(shù)倍，則中心頻率必須是125kHz的奇數(shù)倍；如果帶寬是250kHz的偶數(shù)倍，則中心頻率必須是125kHz的偶數(shù)倍。 標(biāo)準(zhǔn)中列出了一系列的典型的帶寬值，如1. 75MHz,3. 5MHz、7MHz、14MHz，以及3MHz、6MHz、 5.5MHz、10MHz。隨著寬帶無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)成為新一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)最有前途的核心技術(shù)。OFDM系統(tǒng)的一大缺點(diǎn)是容易受同步偏差影響，對(duì)于基于OFDM的通信系統(tǒng)而言，符號(hào)和頻率同步是非常重要的。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。由于無(wú)線信道的時(shí)變性，傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的無(wú)線信號(hào)頻譜偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生子信道間干擾ICI。沒(méi)有正確的符號(hào)定時(shí)同步，系統(tǒng)也不可能估計(jì)出正確的幀起始位置，系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性會(huì)隨著定時(shí)誤差的出現(xiàn)而降低。 所以，同步問(wèn)題是OFDM系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題。OFDM系統(tǒng)的另一大缺點(diǎn)是有較高的峰值平均功率比，OFDM系統(tǒng)的發(fā)送信號(hào)是多個(gè)子載波上的發(fā)送信號(hào)相疊加而成的，當(dāng)這些信號(hào)以同相相位相加時(shí)，所得信號(hào)的瞬時(shí)功率很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較高的PAPR。高PAI^R對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)內(nèi)的功率放大器的線性范圍提出了很高的要求，并且增加了 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等設(shè)備的復(fù)雜度。如果放大器的線性范圍不能滿足信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化范圍，則信號(hào)會(huì)產(chǎn)生非線性畸變，導(dǎo)致頻譜泄漏，各子載波間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生載波間干擾，降低系統(tǒng)的性能。所以，峰值平均功率比問(wèn)題是OFDM系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題。搭建基于IEEE802. 16d/e物理層在Mesh模式下OFDM系統(tǒng)還有一個(gè)重要的問(wèn)題就是確定針對(duì)Mesh模式下的幀格式，不同的協(xié)議傳輸有不同的幀格式，協(xié)議里并沒(méi)有進(jìn)行完整的定制，這也是本發(fā)明所完成的重要內(nèi)容之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)下一代無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)傳輸高質(zhì)量信息準(zhǔn)確性的要求，針對(duì)上述現(xiàn)有 OFDM無(wú)線通信系統(tǒng)中存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，在頻率選擇性衰落信道下的OFDM系統(tǒng)模型，以傳輸高可靠性為出發(fā)點(diǎn)，在IEEE802. 16d/e協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于IEEE802. 16d/e在Mesh 模式下OFDM物理層系統(tǒng)。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為，該系統(tǒng)由以下模塊構(gòu)成信道編碼模塊包括隨機(jī)化操作、FEC編碼和交織。數(shù)據(jù)調(diào)制模塊包括星座映射和導(dǎo)頻調(diào)制。OFDM調(diào)制模塊包括子載波組幀和含有降低PAPR的IFFT調(diào)制。同步模塊包括產(chǎn)生前導(dǎo)與時(shí)域同步。OFDM解調(diào)模塊含有與發(fā)送端對(duì)應(yīng)降低PAPR的FFT解調(diào)。均衡模塊包括信道估計(jì)和數(shù)據(jù)補(bǔ)償。數(shù)據(jù)解調(diào)模塊包括對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行星座映射解調(diào)。信道譯碼模塊包括解交織、FEC譯碼和解隨機(jī)化操作。上述各個(gè)模塊之間為順序執(zhí)行過(guò)程，發(fā)送端由信源輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀 768bit)至信道編碼模塊，經(jīng)編碼后輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀1536bit)至數(shù)據(jù)調(diào)制模塊， 在該模塊經(jīng)過(guò)星座映射輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀192*4符號(hào))至OFDM調(diào)制模塊，經(jīng)過(guò)含有降低PAPR功能的處理之后輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))至信道；接收端由信道處傳回，首先將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))送至同步模塊，經(jīng)過(guò)同步檢測(cè)之后截取有效數(shù)據(jù)信息(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))送至OFDM解調(diào)模塊，經(jīng)過(guò)OFDM解調(diào)之后將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀201*4符號(hào))送至均衡模塊，均衡模塊經(jīng)過(guò)信道估計(jì)和數(shù)據(jù)補(bǔ)償之后將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀192*4符號(hào))送至數(shù)據(jù)解調(diào)模塊，在該模塊經(jīng)過(guò)解星座映射將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀1536bit)送至信道譯碼模塊，經(jīng)過(guò)信道譯碼輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為 768bit)。本發(fā)明的有益效果是該發(fā)明基于IEEE802. 16d/e協(xié)議而又超越協(xié)議，因?yàn)閰f(xié)議中只是規(guī)定了 OFDM參數(shù)、信道編碼流程及參數(shù)規(guī)定、數(shù)據(jù)調(diào)制方案、長(zhǎng)前導(dǎo)碼字的生成，對(duì)于同步、降低PAPR、均衡并沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明，本發(fā)明加入?yún)f(xié)議中未提及的OFDM關(guān)鍵技術(shù)，如發(fā)送端的降低PAPR技術(shù)和接收端的同步、均衡技術(shù)，并對(duì)Mesh幀格式中數(shù)據(jù)子幀作了規(guī)定， 完善了整個(gè)物理層系統(tǒng)，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。


圖1是本發(fā)明傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程示意圖。圖2是本發(fā)明框架發(fā)送端流程圖。圖3是本發(fā)明PTUC算法的原理框圖。圖4是本發(fā)明長(zhǎng)前導(dǎo)碼時(shí)域結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明短前導(dǎo)碼時(shí)域結(jié)構(gòu)圖。圖6是本發(fā)明框架接收端流程圖。圖7是本發(fā)明給出各種同步在系統(tǒng)中所處位置的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提出的基于IEEE802. 16d/e物理層在Mesh模式下的OFDM物理層系統(tǒng)包括以下模塊信道編碼模塊包括隨機(jī)化操作、FEC編碼和交織編碼。數(shù)據(jù)調(diào)制模塊包括星座映射和導(dǎo)頻調(diào)制。OFDM調(diào)制模塊包括子載波組幀和含有降低PAPR的IFFT調(diào)制。同步模塊包括產(chǎn)生前導(dǎo)與時(shí)域同步。OFDM解調(diào)模塊含有與發(fā)送端對(duì)應(yīng)降低PAPR的FFT解調(diào)。均衡模塊包括信道估計(jì)和數(shù)據(jù)補(bǔ)償。數(shù)據(jù)解調(diào)模塊包括對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行星座映射解調(diào)。信道譯碼模塊包括解交織、FEC譯碼和解隨機(jī)化操作。上述各個(gè)模塊之間為順序執(zhí)行過(guò)程，如圖1所示，發(fā)送端由信源輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀768bit)至信道編碼模塊，經(jīng)編碼后輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀1536bit)至數(shù)據(jù)調(diào)制模塊，在該模塊經(jīng)過(guò)星座映射輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀192*4符號(hào))至OFDM調(diào)制模塊，經(jīng)過(guò)含有降低PAI^R功能的處理之后輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))至信道；接收端由信道處傳回，首先將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))送至同步模塊，經(jīng)過(guò)同步檢測(cè)之后截取有效數(shù)據(jù)信息(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))送至OFDM解調(diào)模塊，經(jīng)過(guò)OFDM解調(diào)之后將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀201*4符號(hào))送至均衡模塊，均衡模塊經(jīng)過(guò)信道估計(jì)和數(shù)據(jù)補(bǔ)償之后將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀192*4符號(hào))送至數(shù)據(jù)解調(diào)模塊，在該模塊經(jīng)過(guò)解星座映射將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀1536bit)送至信道譯碼模塊，經(jīng)過(guò)信道譯碼輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為768bit)至新宿。首先從發(fā)送端模塊介紹，本發(fā)明發(fā)送端流程圖參加圖2 1.信道編碼模塊從信源輸出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)入該模塊中，依次進(jìn)行隨機(jī)化操作、 FEC編碼和交織編碼；隨機(jī)化操作過(guò)程如下對(duì)于上下行鏈路的每個(gè)數(shù)據(jù)塊(頻域上的子信道和時(shí)域上的OFDM符號(hào))，隨機(jī)化操作會(huì)獨(dú)立的進(jìn)行。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊大小不等于隨機(jī)化數(shù)據(jù)塊的大小，則在傳輸數(shù)據(jù)塊的后面加0xFF(即“1”)。但是前導(dǎo)部分不會(huì)實(shí)施隨機(jī)化操作。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)塊到達(dá)時(shí)，隨機(jī)發(fā)生器中的移位寄存器會(huì)被初始化。偽隨機(jī)二進(jìn)制序列PRBS的生成多項(xiàng)式為l+x14+x15。每一個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特按順序進(jìn)入隨機(jī)發(fā)生器， MSB(高位)先進(jìn)。將待發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)與偽隨機(jī)序列進(jìn)行異或，得到一串新的隨機(jī)序列。在下行，每個(gè)幀的開(kāi)始部分都會(huì)對(duì)隨機(jī)發(fā)生器使用序列100101010000000進(jìn)行初始化。在突發(fā)的開(kāi)始，隨機(jī)發(fā)生器不會(huì)被重新設(shè)置。隨機(jī)化模塊本模塊采用下行鏈路的方式，這里針對(duì)Mesh模式并沒(méi)有特殊的隨機(jī)化操作，PN序列生成器(PN sequence Generator)用于產(chǎn)生協(xié)議中指定的用于隨機(jī)化操作的序列，信息比特在通過(guò)隨機(jī)化模塊時(shí)，和PN序列生成器產(chǎn)生的比特進(jìn)行模2加操作，從而完成信息加擾。在接收端對(duì)應(yīng)位置，用完全相同的方式對(duì)接收到的信息比特進(jìn)行操作，即可以進(jìn)行解擾。FEC編碼采用上行和下行必須支持的FEC編碼方式為RS-CC信道編碼，即一個(gè)里德索羅蒙RS外碼和一個(gè)速率可兼容的卷積內(nèi)碼的級(jí)聯(lián)。另外可選方案包括塊(Block) Turbo編碼BTC和卷積iTurbo編碼CTC。RS (N，K，T)編碼N:編碼后的字節(jié)數(shù)K 編碼前的字節(jié)數(shù)T 可糾正發(fā)生T字節(jié)的錯(cuò)誤經(jīng)過(guò)RS之后，數(shù)據(jù)可能被截短或打孔，這樣系統(tǒng)能夠支持不同大小的編碼塊和可變的錯(cuò)誤更正能力。對(duì)于不同的基帶調(diào)制方式，RS編碼和CC編碼的速率有所差別。根據(jù)RS-CC信道編碼規(guī)定見(jiàn)下表1:
權(quán)利要求
1.基于IEEE802.16d/e實(shí)現(xiàn)Mesh模式下的OFDM物理層系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)由以下模塊構(gòu)成信道編碼模塊包括隨機(jī)化操作、FEC編碼和交織；數(shù)據(jù)調(diào)制模塊包括星座映射和導(dǎo)頻調(diào)制；OFDM調(diào)制模塊包括子載波組幀和含有降低PAPR的IFFT調(diào)制；同步模塊包括產(chǎn)生前導(dǎo)與時(shí)域同步；OFDM解調(diào)模塊含有與發(fā)送端對(duì)應(yīng)降低PAPR的FFT解調(diào)；均衡模塊包括信道估計(jì)和數(shù)據(jù)補(bǔ)償；數(shù)據(jù)解調(diào)模塊包括對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行星座映射解調(diào)；信道譯碼模塊包括解交織、FEC譯碼和解隨機(jī)化操作；上述各個(gè)模塊之間為順序執(zhí)行過(guò)程，發(fā)送端由信源輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀 768bit)至信道編碼模塊，經(jīng)編碼后輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀1536bit)至數(shù)據(jù)調(diào)制模塊， 在該模塊經(jīng)過(guò)星座映射輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀192*4符號(hào))至OFDM調(diào)制模塊，經(jīng)過(guò)含有降低PAI^R功能的處理之后輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))至信道；接收端由信道處傳回，首先將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))送至同步模塊，經(jīng)過(guò)同步檢測(cè)之后截取有效數(shù)據(jù)信息(數(shù)據(jù)格式為每幀2240符號(hào))送至OFDM解調(diào)模塊，經(jīng)過(guò)OFDM解調(diào)之后將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀201*4符號(hào))送至均衡模塊，均衡模塊經(jīng)過(guò)信道估計(jì)和數(shù)據(jù)補(bǔ)償之后將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀192*4符號(hào))送至數(shù)據(jù)解調(diào)模塊，在該模塊經(jīng)過(guò)解星座映射將數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為每幀1536bit)送至信道譯碼模塊，經(jīng)過(guò)信道譯碼輸出數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)格式為 768bit)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM物理層系統(tǒng)，其特征是，信道編碼模塊中的FEC編碼方式采用RS-CC信道編碼或塊Turbo編碼或卷積Turbo編碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM物理層系統(tǒng)，其特征是，所述OFDM調(diào)制模塊中降低PAPR 的IFFT調(diào)制采用PTUC算法，通過(guò)利用空閑子載波和導(dǎo)頻的相位信息優(yōu)化信號(hào)能量分布，從而減小高峰值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM物理層系統(tǒng)，其特征是，同步模塊中產(chǎn)生前導(dǎo)的規(guī)則是對(duì)于控制消息采用長(zhǎng)前導(dǎo)，對(duì)于數(shù)據(jù)消息采用短前導(dǎo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM物理層系統(tǒng)，其特征是，同步模塊中的時(shí)域同步采用基于訓(xùn)練符合的同步方法，在時(shí)域上將已知信息加入待發(fā)OFDM符號(hào)，OFDM符號(hào)就是經(jīng)過(guò)IFFT 計(jì)算之后的時(shí)域信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM物理層系統(tǒng)，其特征是，所述OFDM解調(diào)模塊的核心思想就是將接收到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行OFDM解調(diào)，即FFT運(yùn)算；再去掉兩端的保護(hù)子載波，得到最終的解調(diào)數(shù)據(jù)，即含有有用數(shù)據(jù)和零子載波以及導(dǎo)頻子載波的數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的OFDM物理層系統(tǒng)，其特征是，均衡模塊中所述信道估計(jì)是指利用前導(dǎo)和導(dǎo)頻信息進(jìn)行聯(lián)合信道響應(yīng)估計(jì)，所述數(shù)據(jù)補(bǔ)償是指使用接收數(shù)據(jù)與信道估計(jì)的結(jié)果相除得到補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)信息。
全文摘要
本發(fā)明提出的基于IEEE802.16d/e實(shí)現(xiàn)Mesh模式下的OFDM物理層系統(tǒng)，屬于無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包含信道編碼、數(shù)據(jù)調(diào)制、OFDM調(diào)制、同步、OFDM解調(diào)、數(shù)據(jù)解調(diào)、均衡和信道譯碼八個(gè)模塊，本發(fā)明基于IEEE802.16d/e，加入?yún)f(xié)議中未提及的關(guān)鍵技術(shù)，如發(fā)送端的降低峰值平均功率比技術(shù)和接收端的同步、均衡技術(shù)，完善了整個(gè)物理層系統(tǒng)，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。信道編碼模塊包括隨機(jī)化操作、FEC編碼和交織。
文檔編號(hào)H04L25/03GK102158453SQ20101058913
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者李旭, 王磊, 石靖, 陳誠(chéng) 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)