頻譜聚合技術在OFDM系統中的研究和實現*

羅 杰,于 飛

(保密通信實驗室,四川成都610041)

頻譜聚合技術在OFDM系統中的研究和實現*

羅 杰,于 飛

(保密通信實驗室,四川成都610041)

正交頻分復用技術能夠抵抗多徑衰落和符號間干擾,但是其數據傳輸速率在有限的頻譜資源下會受到影響。頻譜聚合通過將離散或者間斷連續的多個小頻段擴展成更寬的頻段來提高數據傳輸率。理論研究證明將頻譜聚合技術應用在OFDM系統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鏈路的系統各個模塊的設計和實現,MATLAB仿真結果表明結合頻譜聚合技術和OFDM技術的通信系統能夠提高數據的傳輸速率和正確率。

OFDM 頻譜聚合 QPSK MATLAB

0 引 言

當前移動通信系統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技術作為LTE的關鍵技術,利用載波數據的正交性可以有效避免多徑衰落和符號間的干擾,從而提高短波信道數據的傳輸正確率。但是由于可用頻譜資源的限制,OFDM的子載波數目是有限的。因此可以考慮在OFDM的基礎上通過頻譜聚合技術的應用來獲取更多的帶寬。頻譜聚合將離散的或者分散于高低兩端的連續頻段聚合起來,在中繼設備和天線的幫助下擴展成更廣的覆蓋領域,可以獲取更多的系統頻段。本文研究了OFDM技術和頻譜聚合技術。理論研究和仿真結果表明基于這兩種技術的試驗系統能夠提高信道(尤其是短波信道)中的信息傳輸速率,數據的傳輸正確率可以提高1～2 dB。

1 頻譜聚合技術介紹

由國際電信聯盟制定的標準要求未來的通信系

統能夠支撐不同區域和長度的頻譜帶寬,除去傳統的通信頻段外,大部分不可用的頻段呈現高低分布的趨勢。很大一部分的高頻段有不連續分布、覆蓋范圍小和頻率值過高的缺點,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需要解決的問題。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的頻譜從而提高信道的容量,從而在未來支持對高帶寬有需求的業務。在此基礎上,基于OFDM技術的頻譜聚合可以對頻率相距較遠的載波實現系統層面的頻率選擇性分集,即根據不同頻譜衰落的差異性和路徑損耗的特點來達到資源分配和利用的最優化[1]。

頻譜聚合技術根據聚合的載波類型可以分為三類[2]。

(1)相同頻段上的連續載波聚合

連續的載波資源在同一范圍頻段上的聚合則是同頻帶的連續載波聚合,這種類型在通信中因為實現起來較簡單而常見,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,同時對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,同一頻帶內零散的小頻譜資源有大有小,由于屬于同一范圍,差異相對不大,但是聚合對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,大小不一致,干擾情況不一致,頻譜的信道情況變化較大,其聚合起來的難度很大。

目前針對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,其實現的難度有幾個方面:一是系統硬件條件的限制,即目前通用的接收機射頻前端的濾波器,混頻器以及功放器,底層的數字信號處理水平都難以達到頻譜聚合的物理要求;二是物理層有頻譜傳輸方面的問題,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可能會對頻譜間隔處的其他通信信號造成干擾;三是不同頻譜環境的約束,相距較遠的頻譜差異性在系統層面產生了頻率選擇性分集,也使本來干擾較多的無線信道環境變得愈加復雜。上述多種限制條件是頻譜聚合研究理論和應用中必須考慮的問題,如果可以解決和克服,頻譜聚合在未來移動通信網絡演進中將起十分重大的作用[3]。

本文研究的是基于OFDM系統的頻譜聚合技術,由于OFDM的載波多位于相同的頻譜范圍內,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的離散或者連續載波聚合。

2 OFDM技術介紹

OFDM是多載波調制方法的一種,是一種無線環境下的傳輸技術。無線傳輸信道的頻率曲線多是非平坦的,所以OFDM技術的原理即是將通信系統中的頻段資源劃為多個正交的子載波信道,這個正交表示子載波的頻率間滿足一定的數學關系,每個信道之間的保護間隔有效的防止了子載波的交叉,發送端將調制后的數據映射到子載波通過射頻發射出去,多個子載波并行傳輸,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間的干擾。接收端則通過濾波器將信道分離從而降低信道的干擾,這樣雖然提高了數據的傳輸正確率但是數據量越大對載波的數量要求則越多,從而對帶寬要求也高。

3 試驗系統框架設計

基于頻譜集合的OFDM系統的框架如圖1所示。

兩個DSP在雙口RAM的幫助下交互處理底層數據鏈路信息,FPGA負責部分數據的處理、變頻等功能,PC機和串口通過下達指令來控制DSP和FPGA的數據處理和接口的數據傳輸,GPS發揮定時功能[4],發射端和接收端結構基本一致。

圖1 試驗系統的框架Fig.1 Hardware framework of system

4 試驗系統的鏈路處理流程

實驗系統是基于QPSK調制的數據處理鏈路,

存儲在信源里的比特信息在發射端依次完成各個模塊的數據處理:信源編碼、信道編碼、QPSK調制、頻譜單元選擇性映射、上采樣、加擾(CP)、IFFT變換、循環前綴和組幀的處理,最后通過FPGA的處理后通過射頻端發射出去,接收端通過逆過程完成數據處理,最后將還原的比特數據存儲在信宿里面[5]。

圖2 數據處理流程Fig.2 Processing flow of system

5 系統模塊原理和實現

一級交織:又稱幀交織,由于完成速率匹配后的每幀數據是10萬多比特,在第一級交織時定義編碼塊總數為二十一塊,然后按照每塊5 632比特的規則依次進行第一級交織,以行和列的方式輸入矩陣,每一行是一個編碼,以行的方式輸入,以列的方式輸出。

二級交織:又稱符號交織,即在底層數據處理過程中共有兩路信號,每路有相同數目的OFDM符號構成。OFDM按照包含的數據類型的不同可以分為兩種,一種符號內除了含有調制后的數據處理信息外在尾端還含有用于信道估計的導頻信息;另一種為僅含有數據處理信息的數據符號。在OFDM符號的排列上以四個數據符號和一個導頻符號組成一個組,多個這樣的組按順序依次排列,前面以一個導頻符號開頭。

圖3 OFDM符號的放置順序Fig.3 Placement sequence of OFDM symbols

速率匹配:速率匹配的作用在于通過在信道編碼的輸出塊中添加固定數目的零數據,使得每一幀的比特數與一級交織的要求保持一致。系統中共有多塊數據完成速率匹配,前面數據的末尾分別添加284個零,最后一塊的末尾被添加336個零。

QPSK調制:QPSK調制又稱相位調制,是目前移動通信底層數據處理中常用的調制方法之一,其性能穩定并且實現方式簡單。通過兩個比特數表示一個符號,如圖4所示:比特11表示45度相位,比特10表示負45度的相位,調制后的數據輸出為復數形式并且表示平均功率。鏈路數據處理時的表示值是在原來的基礎上乘以2N。

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

頻譜聚合模塊:將OFDM符號按一定的間距分為1 024個子載波和168組,其中,一組包含6個子載波,16個子載波用作置空,12組構成一個頻譜聚合單元,所以每路數據一共有14個頻譜聚合單元,系統的帶寬假設為80 kHz,每個頻譜聚合單元對應的帶寬則為5.6 kHz。上層程序根據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制數據的映射,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仿真結果

在MATLAB中搭建一個基于QPSK的底層鏈路數據處理平臺驗證基于頻譜聚合技術的OFDM試驗系統的性能,并完成在各種環境下的性能仿真。

在短波通信信道中,多普勒頻移越大就誤碼率越高,結合了頻譜聚合的OFDM傳輸可以通過選擇信道條件較好的頻譜單位來傳輸數據。如圖5所示,每條曲線分別表示多普勒頻移取不同值時的平均誤碼率。可以看出五根曲線中的信噪比取不同的值時其誤碼率接近于零。隨著多普勒頻移參數的變小,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 語

頻譜聚合技術的優點是能夠支持較高的數據傳輸速率,通過將不同頻段范圍內的離散資源擴展成更寬的頻帶來傳輸數據。OFDM通過正交子載波的映射可以避免符號間的干擾和衰落。本文提出在OFDM技術的基礎上應用頻譜聚合技術來提高頻段的頻譜利用率及數據的傳輸效果。理論研究驗證基于OFDM的頻譜聚合系統是可以實現的,MATLAB仿真結果進一步試驗系統可以一定程度的避免信道的深衰落影響,降低短波信道中數據的誤碼率。在MATLAB仿真結果的基礎上設計底層QPSK鏈路模塊的實現方案,并考慮未來在樣機上集成實行連調。

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羅 杰(1986—),女,碩士研究生,主要研究方向為通信與信號處理;

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

于 飛(1981—),男,高級工程師,主要研究方向為保密通信。

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

國家科技部項目(No.2011BAK13B05)

Foundation Item:National Science and Technology Ministry