频谱聚合技术在OFDM系统中的研究和实现*

罗 杰,于 飞

(保密通信实验室,四川成都610041)

频谱聚合技术在OFDM系统中的研究和实现*

罗 杰,于 飞

(保密通信实验室,四川成都610041)

正交频分复用技术能够抵抗多径衰落和符号间干扰,但是其数据传输速率在有限的频谱资源下会受到影响。频谱聚合通过将离散或者间断连续的多个小频段扩展成更宽的频段来提高数据传输率。理论研究证明将频谱聚合技术应用在OFDM系统上可以提高频谱容量,文中介绍了OFDM和频谱聚合的原理,以及基于QPSK链路的系统各个模块的设计和实现,MATLAB仿真结果表明结合频谱聚合技术和OFDM技术的通信系统能够提高数据的传输速率和正确率。

OFDM 频谱聚合 QPSK MATLAB

0 引 言

当前移动通信系统的高带宽传输需求和离散的频谱资源之间存在着明显的矛盾,OFDM技术作为LTE的关键技术,利用载波数据的正交性可以有效避免多径衰落和符号间的干扰,从而提高短波信道数据的传输正确率。但是由于可用频谱资源的限制,OFDM的子载波数目是有限的。因此可以考虑在OFDM的基础上通过频谱聚合技术的应用来获取更多的带宽。频谱聚合将离散的或者分散于高低两端的连续频段聚合起来,在中继设备和天线的帮助下扩展成更广的覆盖领域,可以获取更多的系统频段。本文研究了OFDM技术和频谱聚合技术。理论研究和仿真结果表明基于这两种技术的试验系统能够提高信道(尤其是短波信道)中的信息传输速率,数据的传输正确率可以提高1～2 dB。

1 频谱聚合技术介绍

由国际电信联盟制定的标准要求未来的通信系

统能够支撑不同区域和长度的频谱带宽,除去传统的通信频段外,大部分不可用的频段呈现高低分布的趋势。很大一部分的高频段有不连续分布、覆盖范围小和频率值过高的缺点,所以基本不能被正常通信使用,低频段则只能给小容量的频谱资源利用。最大可能的利用不同频段的资源成为未来需要解决的问题。频谱聚合可以将高低频段范围中可用的离散资源聚合为连续的频谱从而提高信道的容量,从而在未来支持对高带宽有需求的业务。在此基础上,基于OFDM技术的频谱聚合可以对频率相距较远的载波实现系统层面的频率选择性分集,即根据不同频谱衰落的差异性和路径损耗的特点来达到资源分配和利用的最优化[1]。

频谱聚合技术根据聚合的载波类型可以分为三类[2]。

(1)相同频段上的连续载波聚合

连续的载波资源在同一范围频段上的聚合则是同频带的连续载波聚合,这种类型在通信中因为实现起来较简单而常见,由于聚合的载波资源在频段上相互靠近所以干扰差异不大,同时对物理层的要求也不高,但是这种资源非常有限。

(2)相同频段上的离散载波聚合

不连续的载波资源在同一范围频段上的聚合则是同频带的离散载波聚合,这种资源在中、高、低频段都比较常见,同一频带内零散的小频谱资源有大有小,由于属于同一范围,差异相对不大,但是聚合对于物理层有特殊的要求。

(3)不同频段上的离散载波聚合

不同范围内频段上的载波资源必然是离散的,其可能位于中、高、低频谱范围中的任意一处,由于差距较远,大小不一致,干扰情况不一致,频谱的信道情况变化较大,其聚合起来的难度很大。

目前针对频谱聚合的研究方案有很多,主要还是集中在前面两种类型上,其实现的难度有几个方面:一是系统硬件条件的限制,即目前通用的接收机射频前端的滤波器,混频器以及功放器,底层的数字信号处理水平都难以达到频谱聚合的物理要求;二是物理层有频谱传输方面的问题,即离散的频谱要求物理层可以支持分段传输,但是分段的频谱聚合传输信号可能会对频谱间隔处的其他通信信号造成干扰;三是不同频谱环境的约束,相距较远的频谱差异性在系统层面产生了频率选择性分集,也使本来干扰较多的无线信道环境变得愈加复杂。上述多种限制条件是频谱聚合研究理论和应用中必须考虑的问题,如果可以解决和克服,频谱聚合在未来移动通信网络演进中将起十分重大的作用[3]。

本文研究的是基于OFDM系统的频谱聚合技术,由于OFDM的载波多位于相同的频谱范围内,所以本文研究的频谱聚合载波类型是位于同一频段范围内的离散或者连续载波聚合。

2 OFDM技术介绍

OFDM是多载波调制方法的一种,是一种无线环境下的传输技术。无线传输信道的频率曲线多是非平坦的,所以OFDM技术的原理即是将通信系统中的频段资源划为多个正交的子载波信道,这个正交表示子载波的频率间满足一定的数学关系,每个信道之间的保护间隔有效的防止了子载波的交叉,发送端将调制后的数据映射到子载波通过射频发射出去,多个子载波并行传输,这样即使信道是非平坦的但由于子载波的正交性也可以大大的消除符号间的干扰。接收端则通过滤波器将信道分离从而降低信道的干扰,这样虽然提高了数据的传输正确率但是数据量越大对载波的数量要求则越多,从而对带宽要求也高。

3 试验系统框架设计

基于频谱集合的OFDM系统的框架如图1所示。

两个DSP在双口RAM的帮助下交互处理底层数据链路信息,FPGA负责部分数据的处理、变频等功能,PC机和串口通过下达指令来控制DSP和FPGA的数据处理和接口的数据传输,GPS发挥定时功能[4],发射端和接收端结构基本一致。

图1 试验系统的框架Fig.1 Hardware framework of system

4 试验系统的链路处理流程

实验系统是基于QPSK调制的数据处理链路,

存储在信源里的比特信息在发射端依次完成各个模块的数据处理:信源编码、信道编码、QPSK调制、频谱单元选择性映射、上采样、加扰(CP)、IFFT变换、循环前缀和组帧的处理,最后通过FPGA的处理后通过射频端发射出去,接收端通过逆过程完成数据处理,最后将还原的比特数据存储在信宿里面[5]。

图2 数据处理流程Fig.2 Processing flow of system

5 系统模块原理和实现

一级交织:又称帧交织,由于完成速率匹配后的每帧数据是10万多比特,在第一级交织时定义编码块总数为二十一块,然后按照每块5 632比特的规则依次进行第一级交织,以行和列的方式输入矩阵,每一行是一个编码,以行的方式输入,以列的方式输出。

二级交织:又称符号交织,即在底层数据处理过程中共有两路信号,每路有相同数目的OFDM符号构成。OFDM按照包含的数据类型的不同可以分为两种,一种符号内除了含有调制后的数据处理信息外在尾端还含有用于信道估计的导频信息;另一种为仅含有数据处理信息的数据符号。在OFDM符号的排列上以四个数据符号和一个导频符号组成一个组,多个这样的组按顺序依次排列,前面以一个导频符号开头。

图3 OFDM符号的放置顺序Fig.3 Placement sequence of OFDM symbols

速率匹配:速率匹配的作用在于通过在信道编码的输出块中添加固定数目的零数据,使得每一帧的比特数与一级交织的要求保持一致。系统中共有多块数据完成速率匹配,前面数据的末尾分别添加284个零,最后一块的末尾被添加336个零。

QPSK调制:QPSK调制又称相位调制,是目前移动通信底层数据处理中常用的调制方法之一,其性能稳定并且实现方式简单。通过两个比特数表示一个符号,如图4所示:比特11表示45度相位,比特10表示负45度的相位,调制后的数据输出为复数形式并且表示平均功率。链路数据处理时的表示值是在原来的基础上乘以2N。

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

频谱聚合模块:将OFDM符号按一定的间距分为1 024个子载波和168组,其中,一组包含6个子载波,16个子载波用作置空,12组构成一个频谱聚合单元,所以每路数据一共有14个频谱聚合单元,系统的带宽假设为80 kHz,每个频谱聚合单元对应的带宽则为5.6 kHz。上层程序根据接收端的反馈信息选择信道条件最好的频谱聚合单元完成调制数据的映射,其余单元不用或者添零[6]。

表1 频谱映射Table 1 Table of spectrum mapping

6 MATLAB仿真结果

在MATLAB中搭建一个基于QPSK的底层链路数据处理平台验证基于频谱聚合技术的OFDM试验系统的性能,并完成在各种环境下的性能仿真。

在短波通信信道中,多普勒频移越大就误码率越高,结合了频谱聚合的OFDM传输可以通过选择信道条件较好的频谱单位来传输数据。如图5所示,每条曲线分别表示多普勒频移取不同值时的平均误码率。可以看出五根曲线中的信噪比取不同的值时其误码率接近于零。随着多普勒频移参数的变小,误码率也逐渐降低1 dB。

图5 平均误码率Fig.5 Average bit error rate in different circumstances

7 结 语

频谱聚合技术的优点是能够支持较高的数据传输速率,通过将不同频段范围内的离散资源扩展成更宽的频带来传输数据。OFDM通过正交子载波的映射可以避免符号间的干扰和衰落。本文提出在OFDM技术的基础上应用频谱聚合技术来提高频段的频谱利用率及数据的传输效果。理论研究验证基于OFDM的频谱聚合系统是可以实现的,MATLAB仿真结果进一步试验系统可以一定程度的避免信道的深衰落影响,降低短波信道中数据的误码率。在MATLAB仿真结果的基础上设计底层QPSK链路模块的实现方案,并考虑未来在样机上集成实行连调。

[1] 牛芳.协作通信中的中继选择及频谱聚合技术研究[D].北京:北京邮电大学,2011.

NIU Fang,Relay Selection in Cooperative Communication and the Spectrum Aggregation Technology[D].BeiJing University of Posts and Telecommunications,2011.

[2] 张阳.频谱聚合的若干关键技术研究[J].北京邮电大学学报,2010,3(04):12-15.

ZHANG Yang,The Key Technology Research of The Spectrum Aggregation[J].The journal of BeiJing University of Posts and Telecommunications,2010,3(04):12-15.

[3] 许玲.LTE后续演进中基于频谱聚合的协同通信[J].中兴通讯技术,2010(01):44-49.

XU Ling,The Mobile Communication Technology Principle and Application[M].People's posts and telecommunications press,2010(1),44-49.

[4] 付想.OFDM的关键技术研究[J].电子科技大学学报,2005,8(05):96-100.

FU Xiang,The Key Technology of OFDM[J].The journal of University of Electronic Science and Technology, 2005,8(05):96-100.

[5] 杨宏周.一种降低OFDM系统的差分PAPR的参数化整形脉冲[J].通信技术,2014,47(05):483-487.

YANG Hong-zhou,A Parametric Sharping Pulse for PAPR Reduction in OFDM System[J].Communications Technology,20145(47):483-487.

[6] 刘朝生.载波聚合技术对LTE-Advanced空中协议带来的挑战[J].工业与信息化部,2010(08):47-51.

LIU Zhao-sheng,The Challenge of the Carrier Aggregation Technology on air agreement in the LTE-Advanced System[J].Ministry of Industry and Information Technology,2010(08):47-51.

罗 杰(1986—),女,硕士研究生,主要研究方向为通信与信号处理;

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

于 飞(1981—),男,高级工程师,主要研究方向为保密通信。

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

国家科技部项目(No.2011BAK13B05)

Foundation Item:National Science and Technology Ministry