无线通信系统物理层的传输方案设计

（无线局域网场景）

一、PBL问题二：

试设计一个完整的无线通信系统物理层的传输方案，要求满足以下指标:

1. Data rate ：54Mbps, Pe<=10-5 with Eb/N0 less than 25dB

2. 20 MHz bandwidth at 5 GHz frequency band

3. Channel model ：设系统工作在室内环境，有4条径，无多普勒频移，各径的相对时延为：[0 2 4 6]，单位为100ns ，多径系数服从瑞利衰落，其功率随时延变化呈指数衰减：[0 -8 -16 -24]。

请给出以下结果：

A. 收发机结构框图，主要参数设定

B. 误比特率仿真曲线（可假定理想同步与信道估计）

二、系统选择及设计设计

1、系统要求

20MHz带宽实现5GHz频带上的无线通信系统；

速率要求: R=54Mbps；

误码率要求: Pe <=10^ (-5)。

2、方案选取

根据参数的要求，选择802.11a作为方案的基准，并在此基础上进行一些改进，使实际的系统达到设计要求。

802.11a中对于数据速率、调制方式、编码码率及OFDM子载波数目的确定如表1 所示。

与时延扩展、保护间隔、循环前缀及OFDM符号的持续时间相关的参数如表2 所示。

关的参数

参考标准选择OFDM系统来实现，具体参数的选择如下述。

3、OFDM简介

OFDM的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的N个相互正交的子载波上，每个载波上的调制速率很低(1/N)，调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散，从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护。OFDM系统对多径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干带宽，则产生频率选择性衰落。OFDM的频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系，这样，由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据，可以通过频率分量增强的部分的接收数据得以恢复，即实现频率分集。

OFDM克服了FDMA和TDMA的大多数问题。OFDM把可用信道分成了许多个窄带信号。

每个子信道的载波都保持正交，由于他们的频谱有1/2重叠，既不需要像FDMA那样多余的开销，也不存在TDMA 那样的多用户之间的切换开销。

过去的多载波系统，整个带宽被分成N个子信道，子信道之间没有交叠，为了降低子信道之间的干扰，频带与频带之间采用了保护间隔，因而使得频谱利用率降低，为了克服这种频带浪费，OFDM采用了N个交叠的子信道，每个子信道的波特率是1/T，子信道的间隔也是1/T，这时各个子载波之间是正交的，因而在收端无需将频谱分离即可接收。由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。OFDM的频谱如图1所示。

图1 OFDM信号的频谱示意图

可以证明这种正交的子载波调制可以用IFFT来实现。需要指出的是OFDM既是一种调制技术，也是一种复用技术。图2给出了OFDM的系统框图，在系统中调制解调是使用FFT和IFFT来实现的。

图2 OFDM系统框图

3、参数确定

在OFDM系统设计中，需要折中考虑各种系统要求，这些需求常常是矛盾的。通常有3个主要的系统要求需要重点考虑：系统带宽W、业务数据速率R及多径时延扩展，包括时延扩展

的均方根rms τ和最大值max τ。按照这3个系统参数，设计步骤可分为3步。

首先，确定保护时间G T 。多径时延扩展直接决定了保护时间的大小。作为重要的设计准则,保护时间至少是多径时延扩展的均方根的2-4倍,即G T ≥(2-4) rms τ。保护时间的取值依赖于系统的信道编码与调制类型。高阶调制（如64QAM ）比低阶调制（如QPSK ）对于ICI 和ISI 的干扰更加敏感。，而编码的纠错能力过目越强，越能降低这种对干扰的敏感特性。

一旦保护时间确定，则OFDM 的符号周期也就确定s G T T T =+就可以确定，其中T 表示IFFT 的积分时间，其倒数就是相邻载波的间隔，即1

f T

∆=

。为了尽可能地减小由于保护时间造成的信噪比的损失，一般要求符号周期远大于保护时间。但是，符号持续时间并不是越长越好，因这符号持续时间越长，则意味着需要的子载波数目越多，相邻子载波机的间隔就会越小，增加了收发信机的实现复杂度，并且系统对于相位噪声和频率偏移更加敏感，还增大了系统的峰值-平均功率（PAPR ）。在实际系统设计中，OFDM 符号周期至少是保护时间的5倍，这就意味着，由于引入了冗余时间，信噪比会损失1dB 左右。

确定了保护时间和符号周期后，就需要在3dB 的带宽内，决定子载波的数目。一种方法是直接计算，即W

N f ⎢⎥

=⎢

⎥∆⎣⎦

。另一种方法是，载波数目可以根据总数据比特速率除以每个子载波承载的比特速率得到。子载波的比特速率与调制类型、编码码率和符号速率都在关系。本系统采用第二种方法确定子载波的数目

具体的参数如下所示：

1）首先计算信息量。由R达到54Mbps可以得到每个OFDM块需要承载的信息量为：54*10^6*4*10^(-9) = 216bit

2）选择调制方式。采用64QAM调制，一个子载波6bit则需要216/6 = 36个子载波。

3）编码。采用3/4码率的卷积码编码，所需子载波数目为36/(3/4)=48个。

4）计算传输速率：R=(48*6bit*3/4)/(4000*10^(-9))=54Mbps

以上设计满足系统的要求。

三、系统实现

1、收发机框图

根据上述系统设计，收发机框图设计如下图所示：

图3 收发机框图

2、系统模块接口

数据产生：data_transmit=randint(1,num*symbol_num);

卷积码编码：trel=poly2trellis([3 3 3],[7 7 0 4;3 2 7 4;0 2 3 7]);