寬帶網(wǎng)絡(luò)通信OFDM跳頻技術(shù)研究

鄭龍

摘要：研究了一種內(nèi)嵌式同步OFDM跳頻技術(shù)，該技術(shù)簡(jiǎn)化了OFDM幀結(jié)構(gòu)，提高了頻譜效率。對(duì)其主要接收性能進(jìn)行了分析與仿真，表明該技術(shù)也有相關(guān)成功率較低以及降低了實(shí)際數(shù)據(jù)信號(hào)信噪比等缺點(diǎn)，仿真結(jié)果顯示其需要對(duì)噪聲不敏感的信道估計(jì)技術(shù)，同時(shí)一種內(nèi)嵌消除技術(shù)作用明顯。

關(guān)鍵詞：OFDM 跳頻；嵌入式同步；內(nèi)嵌消除

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）28-0273-03

1 引言

OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)由于其對(duì)頻帶利用率高、可克服碼間干擾等特點(diǎn)，已經(jīng)成為寬帶無線通信的應(yīng)用熱點(diǎn)，并被802.11a、TD-LTE等多種商用標(biāo)準(zhǔn)選定為其物理層的傳輸技術(shù)[1][2]。同時(shí)，新的戰(zhàn)場(chǎng)通信環(huán)境對(duì)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的傳輸速率提出越來越高的要求，這正與OFDM的特點(diǎn)相契合。但與商用通信情況不同的是，戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)有其特殊的使用環(huán)境。為了對(duì)抗阻塞式干擾，戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)經(jīng)常會(huì)在跳頻方式下工作，并且隨著與干擾機(jī)間對(duì)抗的升級(jí)，跳頻速率有著越來越高的趨勢(shì)，現(xiàn)役電臺(tái)的跳頻速率已達(dá)數(shù)百至上千跳。因此，要使用在跳頻電臺(tái)中的OFDM技術(shù)需針對(duì)其工作環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行修改和設(shè)計(jì)。

2 跳頻OFDM特點(diǎn)分析

OFDM技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)頻譜的高利用率，但同時(shí)也由于其子載波間隔窄，其對(duì)于頻偏特別敏感[3]。因而OFDM標(biāo)準(zhǔn)中都含有精確的時(shí)、頻同步技術(shù)以及信道估計(jì)技術(shù)?；镜腛FDM幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于跳頻OFDM是在整個(gè)電臺(tái)工作頻帶內(nèi)任意跳頻，其每一跳的載波頻率相差較大，頻道特性也可能相差較大，因此每一跳內(nèi)都要重新進(jìn)行信道估計(jì)。如果每一跳內(nèi)都按上述結(jié)構(gòu)安排，則一跳內(nèi)最短長度為。再加上換頻時(shí)間，系統(tǒng)能達(dá)到的最大跳數(shù)為4000跳以下，此時(shí)僅有三分之一的符號(hào)用來傳輸數(shù)據(jù)，效率十分低下。

3 內(nèi)嵌式同步OFDM

由以上分析可看出，造成跳頻OFDM效率低的主要原因是其前導(dǎo)占時(shí)間比較大，要在一跳的有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有結(jié)構(gòu)則剩下的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間十分有限。如果將同步序列改為PN序列并與數(shù)據(jù)OFDM符號(hào)直接相加，便是內(nèi)嵌式同步OFDM[4]。這種方案可大大提高頻譜效率。

3.1 原理與跳結(jié)構(gòu)

內(nèi)嵌式同步OFDM的基本思想是以PN序列代替OFDM訓(xùn)練符號(hào)完成相關(guān)的工作，并且PN序列是疊加在OFDM符號(hào)上（包括循環(huán)前綴），而不是作為前導(dǎo)存在。相比OFDM訓(xùn)練符號(hào)，PN序列有以下優(yōu)點(diǎn)：一是有輸入時(shí)同步峰更尖銳；二是沒有循環(huán)前綴帶來的定位模糊；三是峰均比更低；四是沒有輸入時(shí)平均同步信號(hào)值更低。其基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

內(nèi)嵌式同步結(jié)構(gòu)減小了OFDM幀結(jié)構(gòu)的長度，將原有的前導(dǎo)與OFDM符號(hào)合而為一。采用與第二節(jié)中相同的數(shù)據(jù)，則內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)下其一跳的最小長度僅為139μs且傳輸效率（也可以認(rèn)為是頻譜效率）為原方案三倍。

3.2 性能仿真與分析

3.2.1 相關(guān)性能分析

內(nèi)嵌式同步方案對(duì)OFDM幀結(jié)構(gòu)變化較大，其各種性能需與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。在文獻(xiàn)[4][5]中對(duì)平坦衰落的AWGN（加性高斯白噪聲）信道下內(nèi)嵌式同步結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能進(jìn)行了研究和對(duì)比，并得出了同步與虛警概率的理論公式。

取SNR=0dB，比例因子ρ=0.2，信號(hào)帶寬B=4MHz，子載波間隔Bsub=15kHz，兩種結(jié)構(gòu)下相關(guān)序列長度均取為一個(gè)OFDM符號(hào)長，進(jìn)行仿真，則內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能對(duì)比如下圖3所示。

由圖3（a），可以明顯看出，由于PN序列更好的相關(guān)性，在沒有發(fā)射信號(hào)時(shí)接收端的相關(guān)信號(hào)幅值更低，因此，內(nèi)嵌式方案有比原方案更好的虛警概率曲線，即隨著域值的上升，上降得更早更快。但同時(shí)，由于內(nèi)嵌式方案中PN序列的功率被因子所減弱，而且被疊加的數(shù)據(jù)信號(hào)干擾，因此在圖3（b）中可發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的相關(guān)失敗率曲線隨著域值的下降，其下降速度不如原結(jié)構(gòu)。因此對(duì)于內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，在相關(guān)判決的域值應(yīng)該選擇更低。以以上參數(shù)做虛警概率與相關(guān)失敗概率的曲線，經(jīng)過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，選擇合適的域值，能夠達(dá)到相關(guān)失敗概率為10-8，同時(shí)虛警概率為10-6。

3.2.2 接收性能仿真

內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)對(duì)接收性能的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一個(gè)是對(duì)頻偏估計(jì)的影響，另一個(gè)則是對(duì)接收的數(shù)據(jù)系列信噪比的影響。

內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的頻偏估計(jì)同樣是利用完全相同的兩個(gè)PN序列，在三種信噪比下Var隨比例因子的變化曲線如圖4所示。

由上圖可看出，隨著比例因子的增加，頻偏估計(jì)的方差急驟下降，到0.3以后開始平滑，同時(shí)SNR對(duì)其方差也有一定的影響，但10dB和20dB下的曲線較相近，且三條曲線的差距隨比例因子的增加而快速減小，在比例因子0.3以上時(shí)已經(jīng)差距很小。

內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)對(duì)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)的影響可認(rèn)為是信噪比的降低，信噪比的降低不僅為影響解調(diào)，還會(huì)對(duì)信道估計(jì)產(chǎn)生一定影響。在文獻(xiàn)[4]中提到了一種EIC內(nèi)嵌消除技術(shù)，通過在迫零均衡后的信號(hào)中減去r[k]（r[k]為相關(guān)序列）來實(shí)現(xiàn)。

最終采用了如下參數(shù)對(duì)內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)OFDM在AWGN信道下的誤碼率進(jìn)行了仿真：子載波個(gè)數(shù)M=256，每跳兩個(gè)OFDM符號(hào)，比例因子，子載波寬度15000Hz，基帶采樣頻率3.84MHz，循環(huán)前綴長度5.2us，采用4QAM調(diào)制和LS（least squares）信道估計(jì)；導(dǎo)頻采用頻域梳狀插入的方法設(shè)置，其間隔根據(jù)（和分別為子載波寬度與多徑的最大時(shí)延）設(shè)為6，即每隔6個(gè)數(shù)據(jù)子載波插入一個(gè)導(dǎo)頻子載波，導(dǎo)頻估計(jì)之間采用二階多項(xiàng)式。最后進(jìn)行內(nèi)嵌消除、迫零均衡、再解調(diào)，最終得出的誤碼率與信噪比的曲線如下圖所示。

3.2.3 結(jié)果分析與總結(jié)

通過仿真可以得出以下結(jié)論：

1） LS信道估計(jì)效果不佳，需要對(duì)噪聲不敏感的信道估計(jì)方式，例如LMMSE （linear minimum mean-squared error線性最小均方差）。如圖5所示，在信噪比小于15dB時(shí)，做信道均衡后的誤碼率甚至比未做均衡時(shí)還差，并且在更高信噪比下，前者也僅比后者略低。

2） 信噪比較高時(shí)內(nèi)嵌消除技術(shù)的作用明顯。從圖5中可以看出，從信噪比為大約7dB處開始，使用了內(nèi)嵌消除技術(shù)后的誤碼率明顯低于未使用時(shí)，最高可相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

以上對(duì)內(nèi)嵌式同步結(jié)構(gòu)的OFDM跳頻技術(shù)的分析與仿真，可總結(jié)出其有以下優(yōu)點(diǎn)：一是在高跳速下傳輸效率高。由于無需專門的同步頭，在高跳速下其傳輸效率可達(dá)原結(jié)構(gòu)的2～3倍；二是最高跳速潛力高。更短的幀結(jié)構(gòu)意味著內(nèi)嵌式同步結(jié)構(gòu)可能達(dá)到的跳速可以更高。但同時(shí)該技術(shù)也有以下缺點(diǎn)：一方面同步序列長度的相同的情況下同步成功率不如原結(jié)構(gòu)，但在較低跳速下由于內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)會(huì)有更長的同步序列從而擁有相近甚至更好的同步成功率。另一方面降低了數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)際信噪比。整個(gè)信號(hào)的信噪比越高，數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)際信噪比就被降低得越多，如果信噪比本身就很低，則降低的較少，比如3dB時(shí)采用0.1的比例因子信噪比下降1.3dB。

4 結(jié)束語

以上對(duì)內(nèi)嵌式同步結(jié)構(gòu)的OFDM跳頻技術(shù)的特性進(jìn)行了分析與仿真，結(jié)果顯示該技術(shù)與原結(jié)構(gòu)相比互有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于采用OFDM的高跳速寬帶網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)，不失為一種較佳的方案。

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