基于OFDM的毫米波通信多徑信道模型分析

陳 婷 洪 偉 鄭 昱 吳曉光

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現代化戰爭對通信的需求和依賴越來越強烈，通信系統作為各作戰單元之間信息傳輸的路徑，不可或缺。然而，越來越多先進偵察干擾設備通過截獲、檢測阻斷等手段獲取通信、情報、指揮控制等各個作戰系統的情報信息，提高組網通信系統的反截獲與反偵測能力越來越緊迫。毫米波通信技術以其安全保密性強、通信容量大、可靠性高的特點[1]，近年來成為軍事通信領域的熱點研究對象。目前，已制定技術標準或正在研究的毫米波頻段主要集中在60 GHz、28 GHz、38 GHz和中國45 GHz頻段[2]。

正交頻分復用OFDM技術目前廣泛應用于無線高頻通信系統。在復雜地形、復雜電磁環境中的戰場通信中，OFDM具有較高的頻譜利用率和較強的抗頻率選擇性衰落、抗多徑衰落等優勢。

本文針對基于OFDM的通信系統開展30 GHz頻段毫米波信道模型仿真分析。

1 OFDM信號模型

OFDM作為一種高效的多載波調制技術，將一個高速率的數據流分解成若干個低速且獨立正交的子數據流，通過將這些子數據流調制到若干個子載波上并行傳輸，最終合并輸出[3]。由于采用并行信號處理的思想，每個子信道上的數據傳輸速率相對單載波信道降低，當OFDM信號通過無線頻率選擇性衰落信道時，在每個子信道可以認為近似平坦，增強了信號傳輸的抗衰落能力。OFDM信號的復數表示形式[4]為

(1)

通常采用等效復基帶信號來描述OFDM的輸出信號為

(2)

式(2)中，sOFDM(t)的實部和虛部分別對應于OFDM符號的同相分量和正交分量。OFDM通信系統基本模型框圖如圖1所示。

圖1 OFDM通信系統基本模型框圖

OFDM信號的頻譜結構如圖2所示的sinc函數頻譜。

圖2 OFDM信號頻譜結構

2 多徑衰落信道的數學模型

多徑衰落信道是由在無線通信發射機和接收機之間的建筑物和其他物體的反射、繞射、散射引起的多于一條的信號傳播路徑。當信號在無線信道中傳播時，多徑反射和衰減的變化將導致信號經歷隨機波動。

當傳播路徑上存在大量散射分量時，接收機輸入信號的復包絡為復高斯隨機過程。在該過程均值為0的情況下，其幅度滿足瑞利分布。如果其中存在直射路徑，幅度則變為萊斯分布。

一般假設多徑分量的數目變化要比復增益的變化緩慢，多徑數目可視為常數[5]。在N條路徑的情況下，信道輸出為

(3)

其中，an(t)和rn(t)表示與第N條多徑分量相關的衰減和傳播延遲，延遲和衰減都表示為時間的函數。

設信道的輸入為經過調制的信號，表示為式(4)。

x(t)=A(t)cos[2πfct+φ(t)]

(4)

一般采用低通等效信號來完成波形的仿真，則發射信號的復包絡為

(5)

將式(4)帶入式(3)中可得

(6)

an(t)和rn(t)均為實函數，上式可以寫成

(7)

由式(3)可以得到

(8)

(9)

復路徑衰減可定義為

(10)

因此，道道接收機的復包絡為

(11)

式(11)定義的信道輸入輸出關系對應為一個線性時變系統，其沖激響應為

(12)

(13)

信道的抽頭延時線模型[6]如圖3所示。圖中，各徑的抽頭增益是互不相關的復高斯隨機過程，并且具有零均值、相同的功率譜密度和不同的方差。圖3中，Δτn=τn(t)-τn-1(t)，信號的符號間隔為Ts，當Δτn?Ts時，時延介于τn(t)和τn-1(t)之間的路徑在接收端是不可分離的。當Δτn?Ts時，這些路徑是可以分離的，接收信號為經過多條可分離路徑的信號副本的總和。

圖3 多徑衰落信道模型

3 基于OFDM的毫米波通信多徑衰落信道的仿真

本節將給出在單徑瑞利衰落信道和2徑瑞利衰落信道下(第2徑平均功率比第1徑平均功率低3 dB)，基于802.11g的OFDM毫米波通信系統仿真的誤比特率性能。該通信系統的參數如表1所示。

表1 本文所仿真的通信系統的參數

圖4 基于OFDM的毫米波通信信道仿真誤碼率性能

為了便于對比，同時也對基于QPSK的單載波毫米波通信系統在單徑瑞利衰落和2徑瑞利衰落信道中的誤比特性能進行了仿真。其中，2徑信道延時參數同圖4。

圖5 基于QPSK的毫米波通信信道仿真誤碼率性能

如圖5所示，我們可以得到基于QPSK的單載波毫米波無線通信系統在相同信噪比下，單徑和2徑衰落信道的誤比特率相差較大。而在圖4中，基于OFDM的毫米波無線通信系統在單徑和2徑衰落信道下的誤比特率性能幾乎相同。因此，在基于OFDM的毫米波無線通信系統中，只要信道的最大延遲不超過循環前綴(保護間隔)的長度，在接收端的信號解調中幾乎不會出現碼間串擾。這是由于在OFDM信號的產生過程中，將輸入的數據流串并轉換到若干個并行的子載波中，此時每一個調制子載波的數據周期擴大為原始數據符號周期的N倍。因此，相對應的時延擴展與符號周期的數值比降低了N倍。通過在每個OFDM符號之間插入保護間隔，保護間隔內插入循環前綴，并且該保護間隔的長度大于無線信道中的最大時延擴展，此時一個符號所產生的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾，同時還能保證子載波之間的正交性，減小載波間的干擾。

4 結束語

本文通過對OFDM信號模型和無線信道多徑衰落模型的分析，建立了一種基于OFDM的毫米波通信系統多徑信道模型。通過基于該信道模型的仿真分析，得出了基于OFDM的毫米波通信在無線多徑衰落信道下具有更好的抗多徑優勢。同時，結合毫米波通信本身的安全保密性強、通信容量大、可靠性高的優勢，得出了在復雜地形的衰落壞境下的地面無線通信系統中，基于OFDM的毫米波通信系統應用具有一定的性能優勢。因此，在后續的毫米波通信系統的設計中應結合毫米波通信的優點并且充分利用其信道特性，從而設計出更符合現代陸軍地面通信的穩定、可靠、高效的通信系統。