一種大帶寬高階調(diào)制802.11ax信號高精度分析算法研究

陳鳳林 李恒

摘要：本文提出一種時頻域相結(jié)合頻偏矯正方法，可實現(xiàn)大帶寬高階調(diào)制下OFDMA-WLAN信號的解調(diào)算法。該算法包括變速率采樣模塊、信號同步模塊、粗頻偏估計模塊、細(xì)頻偏估計模塊、信號解析模塊、FFT模塊、信道估計模塊、相位跟蹤模塊、相偏矯正模塊、解調(diào)處理模塊，最后得到WLAN信號分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：OFDMA;802.11ax;頻偏估計;相位追蹤;信道估計

IEEE802.11ax是近兩年興起的高效無線網(wǎng)絡(luò)（High-Efficiency Wireless-HEW），可通過一系列系統(tǒng)特性和多種機(jī)制增加系統(tǒng)容量，以更好的一致覆蓋和減少空口介質(zhì)擁塞來改善Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的工作方式，使用戶獲得最佳體驗;尤其在密集用戶環(huán)境中，可為更多的用戶提供一致和可靠的數(shù)據(jù)吞吐量，其目標(biāo)是將用戶的平均吞吐量提高至少4倍，也就是說，意味著基于802.11ax的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)具有前所未有的高容量和高效率。

802.11ax標(biāo)準(zhǔn)在物理層導(dǎo)入了多項大幅變更，依舊向下兼容802.11a/b/g/n/ac設(shè)備。802.11ax新增多種關(guān)鍵技術(shù)中包括OFDMA、MU-MIMO、1024-QAM、Spatial Reuse、BBS Coloring，其中OFDMA是通過將子載波子集分配給不同用戶且在OFDM系統(tǒng)中添加多址的方法，允許同時提供給具有不同帶寬需求的多個用戶，從而有效利用可用頻譜。

目前，WLAN物理層面臨以下幾個問題：無線傳輸介質(zhì)有嚴(yán)格的帶寬限制和頻率規(guī)則;與有線局域網(wǎng)相比，WLAN的通信環(huán)境比較惡劣;信號隨時間和空間等多種路徑衰減;不可避免地要受到一些無線和非無線設(shè)備的干擾。因此WLAN的信號質(zhì)量都會影響WLAN信號的解調(diào)可靠性。本文提出一種時頻域相結(jié)合頻偏矯正方法，可實現(xiàn)

160MHz帶寬下1024QAM調(diào)制的OFDMA-WLAN信號的精確解調(diào)。

1資源單位（resource unit）

在802.11ax中，一個最小的時頻單位為RU，RU是一個相對的概念，即存在很多種不同大小的RU，如表1所示，一共定義了6種RU類型，分別是26、52、106、242、484和996個子載波。

2HEPPDU格式

802.11ax中定義了4種HEPPDU格式：HE SU PPDU、HE MU PPDU、HE ER SU PPDU和HE TB PPDU，本文針對HE SU PPDU幀格式類型進(jìn)行算法方案設(shè)計，幀格式如圖1所示。

3算法描述

本文針對160MHz帶寬下1024QAM調(diào)制的OFDMA-WLAN信號設(shè)計了一種精確解調(diào)分析的方法，為OFDMA-WLAN信號分析提供更為精確的頻偏矯正及解調(diào)算法。為針對通信多模分析儀提供高精度的OFDMA-WLAN解調(diào)功能，本文采取如下技術(shù)方案：一種時頻域相結(jié)合頻偏矯正方法實現(xiàn)大帶寬下高階調(diào)制OFDMA-WLAN信號的解調(diào)裝置。它包含10個模塊：變速率采樣模塊、信號同步模塊、粗頻偏估計模塊、細(xì)頻偏估計模塊、信號解析模塊、FFT模塊、信道估計模塊、相位跟蹤模塊、相偏矯正模塊、解調(diào)處理模塊。具體按圖2步驟進(jìn)行。

1）變速率采樣：根據(jù)測試需求，接收到的OFDMA-WLAN信號并不是需要的采樣率，根據(jù)不同的帶寬（20MHz/40MHz/80MHz/160MH），通過變速率采樣可以得到和幀結(jié)構(gòu)匹配的采樣率。

2）信號同步：根據(jù)測試需求，利用短訓(xùn)練序列的相關(guān)性找到信號的物理幀起始點。

3）粗頻偏估計：OFDMA-WLAN信號通過信道后，在時域中采用了短訓(xùn)練序列和長訓(xùn)練序列的相關(guān)性進(jìn)行粗頻偏估計。

4）細(xì)頻偏

矯正：運用長訓(xùn)練序列進(jìn)行細(xì)頻偏估計。

5）字段解

析：HE-SIGA字段中包含DATA長度、調(diào)制方式、編碼方式、GI長度，HE-LTF格式等信息，得到SIGNAL字段后，需要通過FFT、信道估計、信道均衡、解交織、維特比譯碼和CRC校驗等。

6）FFT：FFT模塊主要對信號進(jìn)行分段FFT變換，以得到頻域信號，是OFDMA信號最重要的處理過程之一，根據(jù)不同的HE-LTF，要對其做不同的處理。

7）信道估計：根據(jù)不同的HE-LTF格式，在1XHELTF和2XHELTF中，信道矩陣還需要進(jìn)行頻域插值，1XHELTF要進(jìn)行4倍插值，2XHELTF要進(jìn)行2倍插值，以得到信道估計矩陣;得到信道估計矩陣之后，對DATA段進(jìn)行信道均衡。

8）相位跟蹤及補(bǔ)償：本裝置運用信號中的導(dǎo)頻點進(jìn)行相位跟蹤，并運用導(dǎo)頻點進(jìn)行相位跟蹤及補(bǔ)償。

9）信號解調(diào)：解調(diào)處理單元主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到測試結(jié)果。

4仿真及實例應(yīng)用

選取WLAN的信號帶寬為160MHz，調(diào)制方式為1024QAM，HELTF的格式為4XHELTF，通過本文的方法可準(zhǔn)確解調(diào)出該信號的各項參數(shù)及指標(biāo)，圖3是1024QAM的星座圖。

5結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了大帶寬高階調(diào)制下OFDMA-WLAN信號的基帶信號的解調(diào)，信號經(jīng)過變速率采樣、信號同步、粗頻偏估計、細(xì)頻偏估計、信號解析、FFT、信道估計、相位跟蹤、相偏矯正、解調(diào)處理算法解調(diào)后，解調(diào)算法已成功應(yīng)用于實際測量當(dāng)中，測量指標(biāo)穩(wěn)定，算法可靠。

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作者簡介：陳鳳林（1990—），男，漢族，安徽蚌埠，碩士，工程師，專業(yè)：移動通信。