高動態OFDM系統幀結構及參數設計

曾 彭，紀金偉

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

高動態OFDM系統幀結構及參數設計

曾 彭，紀金偉

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

正交頻分復用(OFDM)系統具有頻帶利用率高、抗多徑衰落性能好等優點，然而OFDM系統對載波頻率偏移比較敏感，抗頻偏性能差。針對高動態環境下的應用場景，給出了一種適用的OFDM系統傳輸方案，并對幀結構及相關參數進行設計，最后對決定系統性能的參數進行了仿真分析。結果表明幀長越短系統性能越好；每幀OFDM符號數越少、帶寬越寬、FFT點數越少，系統性能也越好。

正交頻分復用；幀結構；高動態；參數優選

0 引言

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)[1-3]具有比普通單載波技術更高的頻帶利用率和更好的抗多徑衰落性能，因此成為IEEE802.11a[4]、IEEE802.11n、IEEE802.16、IEEE802.20、LTE[5]和DAB[6]等多種民用無線通信系統的傳輸標準，也是認知雷達系統等軍用領域的熱點研究方向[7-8]。然而它也存在一些不足[9]：與單載波技術相比，OFDM對于載波頻率偏移較為敏感[10]，對定時誤差有著嚴格的要求，使其在高動態環境下應用面臨更大的挑戰；另外，OFDM具有更高的峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)，容易產生非線性失真，因而要求發射機放大器具有更高的線性特性[11-14]。

本文對OFDM技術在高動態無線環境下的應用進行了研究。目前，在高動態無線信道場景中應用OFDM系統的問題主要是由大的多普勒頻偏所引起的，包括時變信道估計、同步及載波頻偏估計、多普勒估計及校正、多普勒分集技術以及子載波間干擾消除等問題[15]。

1 系統模型

OFDM技術是將有效帶寬分配給多個相互正交、等頻率間隔的子載波，通過這一過程將寬帶頻率選擇性信道劃分為多個相互正交的平坦衰落的子信道，從而提高系統頻帶利用率。假設發送OFDM信號的頻域符號序列為X=[X0,X1,…,XN-1]T，則離散時域OFDM信號x=[x0,x1,…,xN-1]T可表示為：

(1)

式中，xn表示x的第n個采樣點的值，Xk表示第k個子載波上傳輸的復調制符號，N表示子載波個數。為避免符號間干擾，OFDM信號在發送前需要在符號前端加上循環前綴，后經過并串轉換、數模轉換，形成發送的時域OFDM復基帶信號。

假設發送離散基帶信號經數模變換后為x(t),經過高動態AWGN信道后，接收端信號y(t)可以表示為：

y(t)=x(t)·e-j2πfd(t)t+n(t)，

(2)

式中，fd(t)表示高動態環境下的多普勒頻偏值，n(t)表示均值為μ、方差為σ2的高斯白噪聲，μ和σ2由信號能量及信噪比決定。多普勒頻偏fd(t)可表示為：

fd(t)=fc+kt，

(3)

式中，fc的范圍為-1～1 MHz，一次變化率k的范圍為-200～200 kHz/s。

2 高動態環境下OFDM幀結構設計

2.1 高速移動環境下OFDM系統模型

通過對一個OFDM應用環境的分析，給出了具體OFDM系統傳輸方案，如圖1所示。該處理過程主要包括信源編譯碼、信道編譯碼、交織去交織、調制解調映射、子載波映射、串并/并串轉換、FFT/IFFT、加去CP、波形成型、捕獲、跟蹤、信道估計、均衡等內容[16]。

① 信道編碼：本系統采用3種信道編碼方式，包括RS-CC級聯編碼、LDPC編碼和TPC編碼。

② 交織與解交織：交織屬于分組編碼，由于采用了存儲器實現，因此又具有卷積編碼的記憶特征。在發送端，將所有OFDM符號的位序列通過交織器重新排列，在接收端通過解交織器恢復出原始序列，以使信道中的突發錯誤變為無記憶的隨機獨立差錯。本方案提供3種交織方式分別是無交織、中交織和長交織。

③ 調制和解調映射：調制解調的方式直接決定了系統的誤碼性能和傳輸速率，本方案使用了3種子載波的調制形式，分別是BPSK、QPSK和16QAM，具體選擇由所要求的信息傳輸速率確定。

④ 前導碼結構與調制：基于前導的定時同步技術主要有兩方面的作用，即幀捕獲(檢測數據的到來)和幀定界(找到接收數據的準確位置)。

⑤ 前導碼：在前導中一般會設置多個短的訓練序列來進行幀捕獲和幀定界，而長訓練序列則用于載波同步中的頻偏估計。前導序列的長短和數量對于定時有著重要的影響，一般情況下短序列數量設為10個。本方案采用6個長序列，其中2個用于載波同步，前5個序列相同，并且每個序列在時域上具有前后兩半相同的特性。

圖1 高動態環境下OFDM傳輸系統框圖

2.2 OFDM幀結構與參數設計

根據高動態環境下的設計需求，設計OFDM物理層的幀結構如圖2所示，并給出系統參數設置如表1所示。

以下給出20 MHz帶寬下幀結構中每部分的持續時間，本方案給出的幀結構包含前導符號、信號段和數據段3個部分。其中，前導符號由6個長訓練符號組成，表示為T1～T6，總的訓練時間為153.6 μs。訓練符號主要用于幀同步、頻偏估計和信道估計。

圖2 OFDM幀結構

表1 OFDM技術方案系統參數

參數值子載波個數256有用子載波的個數232數據子載波個數174導頻子載波個數58OFDM符號有效持續時間12.8μs/6.4μs保護間隔持續時間1.6μs/0.8μs子載波間隔78.1kHz/156.2kHz子幀持續時間600μs/300μs

前導碼后面為信號段和數據段，其中信號段為一個OFDM符號持續時間，包括速率位、帶寬位、預留位、長度位、奇偶校驗位和6個“0”尾比特，該字段以可靠的BPSK調制方式進行發送，信號段內容無需加擾處理。速率位給出了分組的余下部分(即數據段)采用的調制方式和編碼速率，本方案可設置12種傳輸速率，因此速率字段采用4 bit進行編碼；帶寬位采用2 bit進行編碼，表示使用的帶寬信息；帶寬位后預留1 bit，用于擴展；長度位給出了MAC層請求PHY層發送的物理服務數據單元(PSDU)的八位位組數，其具體比特數將根據帶寬來確定；奇偶校驗位表示前面比特的奇偶校驗方式；為了可靠、及時地檢測速率和長度字段，在信號段最后給出了6個“0”尾比特。

信號段后面為數據段，由多個編碼后的OFDM符號組成，按照速率段中給定的速率進行發送，不同數據速率對應的參數設置如表2所示。

表2 取決于速率的參數設置

數據速率/(Mbit/s)20MHz40MHz調制方式編碼方式每個子載波的編碼比特數NBPSC子幀的編碼率5.9511.9QPSKRS-CC21/38.717.4QPSKTPC23/513.927.8QPSKLDPC24/514.929.816QAMRS-CC42/517.434.816QAMTPC41/227.855.616QAMLDPC44/5

每個數據幀包含前導和數據兩個部分。由于信道中有較大頻率偏移，為了幀同步和頻偏估計有較高精度，前導序列由6個長度為512的長序列組成，長序列由固定的偽隨機序列生成。數據域包含30個OFDM符號，在一個OFDM數據符號的256個子載波中，虛子載波的位置為[-128:-117 0 117:127]，有用子載波位置為[-116:-1 1:116]，載波映射位置如圖3所示。

圖3 OFDM載波映射

本方案采用離散導頻的插入方式，將導頻均勻分布在時間和頻率兩個方向上，如圖4所示。該導頻插入方式用的導頻數目少，并且能夠很好地跟蹤信道的變化。

在時間方向，每個OFDM符號都插入導頻。在頻率方向，導頻的插入載波位置為：[-116:4:-1 1:4:116]，子載波上共有58個導頻信息。

圖4 導頻插入方式

3 仿真結果

幀設計重點要考慮高動態頻偏的影響，實際設計中頻偏補償每幀數據需要進行一次，假設幀內頻偏基本不變，此時可以認定高動態頻偏為一個較大的頻偏值。采用Schmidl&C算法[17]，利用前導序列進行頻偏估計，對幀內的頻偏用一個值進行補償。

接下來分析不同的參數設置條件下對OFDM系統誤比特率(Bit Error Rate，BER)性能的影響。

① 每幀OFDM符號數的選取

對不同符號數下的OFDM進行仿真，設置FFT點數為256，系統帶寬為10 MHz，每幀OFDM符號數分別為20、30、40、60和80，仿真結果如圖5所示。可以看出，高動態頻偏環境下，要求符號數越短越好，符號數越短，幀內頻偏變化越小。取BER為10-3，符號數分別為20和40時，相比較符號數為60，SNR靈敏度分別降低了6.3 dB和4.0 dB。可見，在頻偏估計較為理想的情況下，符號數越短，性能與無頻偏時越接近。

圖5 每幀符號數不同時系統性能

② 系統帶寬的選取

考慮不同帶寬對OFDM性能的影響，設置符號數為60，FFT點數為256，系統帶寬分別取40 MHz、20 MHz、15 MHz、10 MHz，對系統性能進行仿真，結果如圖6所示。可以看出在固定符號數和FFT點數的情況下，帶寬越寬，系統性能越好。取BER為10-3，帶寬為40 MHz和20 MHz時，相比較帶寬10 MHz，SNR靈敏度分別降低4.6 dB和4.0 dB。對原因進行分析，采樣速率等于帶寬，那么帶寬越大，采樣時間間隔就越小，因此由幀內一次和二次變化率引起的頻偏變化就越小。

圖6 不同帶寬下系統性能

③ FFT點數的選取

OFDM系統中，符號長度等于FFT點數。考慮不同FFT點數對系統性能的影響，設置每幀符號數為60，系統帶寬為20 MHz，FFT點數分別取64、128、256、512，對系統性能進行仿真，結果如圖7所示。可以看出，在給定幀內符號數和系統帶寬的情況下，FFT點數越短，系統性能越好。取BER為10-3，FFT點數為64和128點時，相比較256點，SNR靈敏度分別降低2.3 dB和0.8 dB。

圖7 不同FFT點數時的系統性能

④ 數據幀時長

上面3組仿真參數均與系統幀時長有關，可以想象，高動態頻偏性能與幀時長有密切的關系，幀時長越短，系統性能應該越好。針對不同幀時長高動態系統的性能進行仿真分析，結果如圖8所示。可以看出，幀長越短，系統性能越好。在BER為10-3時，幀長分別取0.64 ms和0.8 ms情況下，相比較未加頻偏的理想結果，SNR靈敏度分別增加了1.0 dB和5.8 dB。可見，隨著幀長增加，系統性能變差。

圖8 不同幀時長系統性能

由以上分析可知，在高動態環境下，對每一幀進行頻偏估計，并且用估計的頻偏值進行頻偏補償，也就是采用抗頻偏技術，系統性能將主要由幀時長決定。因此，OFDM幀結構設計的關鍵是控制幀長的大小，在幀長滿足一定范圍條件下，高動態的頻偏在幀內可以認為是一個很大的頻偏值，采用頻偏估計和補償的方法可以消除其影響。

通過對系統參數仿真，可以了解系統參數如何影響OFDM的抗頻偏性能。然而，以上分析是以單一參數為基礎，并沒有考慮其他因素的影響。幀長變短、FFT點數減少、OFDM符號數減少都會影響數據傳輸速率；帶寬過大，循環前綴比例增加，額外開銷增大，導致頻譜效率降低；因此，在實際OFDM設計時，要根據應用需要，綜合考慮各種因素的影響，選取最佳方案。

4 結束語

首先給出了OFDM方案的AGWN信道模型，基于該信道模型給出了一種OFDM的技術方案、原理框圖、幀結構設計及系統參數。最后對符號個數、系統帶寬、FFT點數及幀長等參數的選取進行了仿真驗證，結果表明：在一定范圍內每幀OFDM符號數越少，帶寬越寬，FFT點數越少，幀長越短系統性能越好。此結論對于OFDM在高動態環境下的實際應用及參數優選具有指導意義。在進行OFDM方案設計時，需要綜合系統性能和實際應用要求進行參數的選取，在參數選取適當時，可以實現預期的效果，達到消除高動態頻偏影響，實現高動態環境下通信和控制的目標。

[1] Chang R W. Synthesis of Band-Limited Orthogonal Signals for Multichannel Data Transmission [J]. Bell System Technical Journal,1966,45(10):1775-1796.

[2] Saltzberg B. Performance of an Efficient Parallel Data Transmission System [J]. IEEE Transactions on Communications,1967,15(6):805-811.

[3] 高煥英，胡小洪. 正交頻分復用技術研究與實現[J]. 無線電通信技術，2002，28(2):9-10.

[4] IEEE 802 Standard Working Group. IEEE Std. 802.11a-1999. IEEE Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications:High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band [S]，1999.

[5] 3GPP TS 36.211,Physical Channels and Modulation. (2014,Mar.) [S/OL]. Available:www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series /36.211/.

[6] ETSI. ETS 300 401. Radio Broadcasting Systems,Digital Audio Broadcasting (DAB) to Mobile,Portable and Fixed Receivers [S]. France. ETS:1995.

[7] 劉曉斌，劉進，趙鋒，等．OFDM雷達及其關鍵技術研究進展[J]．無線電工程，2016，46(1):25-29.

[8] Sturm C,Zwick T,Wiesbeck W. An OFDM System Concept for Joint Radar and Communications Operations [C]∥IEEE Vehicular Technology Conference,Barcelona,Spain,2009:1-5.

[9] 紀紅，佟學儉，郝建軍，等. OFDM:適合于未來移動通信系統的解決方案[J]. 無線電工程，2002，32(7):17-20.

[10]李新民，康曉非，張鳴. OFDM系統載頻偏移估計算法的研究[J]. 西安科技大學學報，2006，26(4):549-552.

[11]HUANG S C,WU H C,CHANG S Y,et al. Novel Sequence Design for Low-PMEPR and High-code-rate OFDM Systems [J]. IEEE Transactions on Communications,2010,58(2):405-410.

[12]紀金偉，任光亮，張會寧. 一種降低MIMO-OFDM系統PAPR的半盲SLM方法[J]. 西安電子科技大學學報，2015，42(5):13-19.

[13]QU D, LI L,JIANG T. Invertible Subset LDPC Code for PAPR Reduction in OFDM Systems with Low Complexity [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2014,13(4):2204-2213.

[14]Slimane B S. Reducing the Peak-to-average Power Ratio of OFDM Signals Through Precoding [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2007,56(2):686-695.

[15]李一杰，周新力，宋斌斌. OFDM系統中基于DFT的信道估計方法[J]. 無線電工程，2014，44(4):73-76.

[16]孫小東，于全，袁華廷，等. OFDM實現中的關鍵技術[J]. 電聲技術，2003 (6):49-52.

[17]Schmidl T M,Cox D C. Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM [J]. IEEE Transactions on Communications,1997,45(12):1613-1621.

Frame Structure and Parameter Design for High Dynamic OFDM Systems

ZENG Peng,JI Jin-wei

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

OFDM has obvious advantages of high spectral efficiency and good performance of resistance to multipath fading,but it is sensitive to frequency shift. Considering the high dynamic environment,a system scheme of OFDM is proposed,and its frame structure and related parameters are designed. In addition,the parameters that determine the system performance are also analyzed. The results show that the system performs better with shorter symbols,wider band,fewer FFT points and shorter frame time. It provides an important guidance for the parameter selection optimization of high dynamic environment applications.

OFDM;frame structure;high dynamic;parameter optimization

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.11

曾彭，紀金偉.高動態OFDM系統幀結構及參數設計 [J].無線電通信技術,2017,43(4):47-51.

[ZENG Peng,JI Jinwei. Frame Structure and Parameter Design for High Dynamic OFDM Systems [J]. Radio Communications Technology,2017,43(4):47-51. ]

2017-03-28

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目 (2013AA122904)

曾 彭(1985—)，男，博士，工程師，主要研究方向：航天測控、陣列信號處理。紀金偉(1986—)，男，博士，工程師，主要研究方向：無人機測控、無線通信系統物理層信號處理與信息傳輸。

TP911.7

A

1003-3114(2017)04-47-5