无线宽带IEEE802.16d物理层仿真

赵晓燕

（内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010）

1 引言

WiMAX（World Interoperabilityfor Microwave Access）全称为全球微波接入互操作性，它已成为IEEE 802.16标准的代名词，是一种面向城域网的宽带无线接入技术。目前，WiMAX论坛提出的两个较为成熟的方案：一个是基于IEEE 802.16-2004，即IEEE802.16d的固定系统方案；另一个是基于IEEE 802.16e-2005的移动系统方案。这两个方案能在一点对多点的视距（LOS）环境或非视距（NLOS）环境下，提供长距离的非常高的数据吞吐量，同时还具有一定范围内的移动性，除此之外，在部署、配置、安全性、QoS、长距离覆盖等方面优势也很突出，因而成为下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一。在对WiMAX的研究中，物理层（PHY）的研究尤为重要[1-3]，而目前有关采用Simulink对系统的PHY进行端对端仿真建模的文章较少，对此本文进行了建模与分析。

2 IEEE802.16d物理层端对端系统建模

IEEE802.16d物理层采用的传输方式有5种，本文只采用以OFDM技术为主的传输方式，在1个OFDM符号中总共有256个子载波，如图1包含4个部分，分别是：192个子载波用于传数据，8个子载波传导频用于信道估计和同步，52个子载波用作保护带，1个子载波传DC。

图1 OFDM子载波结构

在对IEEE802.16d物理层进行端对端系统建模时，使用的Matlab版本为R2007a，采用的参数是根据IEEE 802.16-2004标准[4]中8.3.2节中的规定而选取的，如表1。

图2为IEEE802.16d物理层端对端的系统模型图[5-6]，发端主要实现对原始数据的加扰，信道编码，交织，子数据符号映射和OFDM符号的的形成，这里加扰、RS编码、交织以及OFDM符号的形成都采用子系统的方式实现，收端的模块功能与发端功能相反，所以在模块参数设置上基本一致。

2.1 加扰

加扰是将输入原始数据随机化，本文通过将原始数据与PN序列求异或运算来实现，PN序列产生器模块中的PRBS产生多项式为1+x14+x15，下行链路初始向量为[1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0]。

表1 基于OFDM的物理层参数设置

2.2 Reed-Solom on编码[7]

由标准本文采用的是缩短的RS编码，它是线性分组码，输入是48 byte，输出是96 byte，故采用的是码字N长64 bit，信息位K长48 bit，纠正比特数为8 bit的RS 编码，即 RS（64，48，8）。 根据标准给出的本原多项式p（x）=x8+x4+x3+x2+1 和产生多项式 g（x）=（x+λ0）（x+λ1）（x+λ2）…（x+λ2T-1），λ=02H，RS 模块中这两项参数设置为[1 0 0 0 1 1 1 0 1]，rsgenpoly（255，239）。

2.3 卷积编码和打孔

卷积码采用常规的结构即网格结构，参数为POLY2TRELLIS（7，[171 133])，但该结构只能实现 1/2 的编码率，为了灵活改变编码率，采用卷积编码与打孔级联的方式，这里只需在卷积编码器模块的参数设置中选中Puncture code，将打孔矢量（Puncture vector）设置为[1 1 0 1]就可实现2/3的编码率。

2.4 交织

为了进一步减少信道造成的突发错误，要对发送数据进行交织，标准中采用两级的矩阵交织，也就是将输入的数据按行读入按列读出，这样就形成了一个交织矩阵，本文两级交织采用的都是16×48交织矩阵。

2.5 OFDM符号的形成

OFDM符号生成子系统如图3所示，先将导频符号进行BPSK调制，这里通过将PN序列进行单双极性变换来实现，PN序列产生器模块中的PRBS产生多项式为1+x9+x11，下行链路初始向量为 [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]，DC由复数0+0i表示，然后利用Multiport Selector模块按照OFDM子载波结构图 （图1）将8个导频符号和DC插入前向纠错、16QAM映射处理后的192个数据符号中，最后由模块Matrix Concatenate合成并行的OFDM频域数据部分，随后通过补55个零构成256个子信道进行IFFT运算来产生OFDM的时域数据部分，即OFDM符号的有效数据部分，为了使OFDM符号频谱呈现出标准所提到的“brick wall”形状，还需用selector模块将传DC和补的55个零置于OFDM符号频谱中心，最后一步就是加循环前缀，由参数设置表表1前缀个数为OFDM有效数据部分的1/4，即64个样值，最终子系统产生的在信道中传输的一个OFDM符号包含320个样值。

图3 OFDM符号生成子系统

2.6 延时

接收端的组成与发送端的组成只是功能相反，在参数设置上基本一样，但为了实现正确的RS解码和误码率计算，延时是关键问题。在接收端，采用Viterbi算法来进行卷积码解码，由于参数Traceback depth的设置会造成解码延时，该延时还会导致原始发送数据和最终的接收数据不同步，所以为了使模块Error Rate Calculation正确计算误码率，要将参数Receive delay设置为收发数据的延时差。在寻找延时时，本文采用了模块Find Delay，该模块是通过求其两输入信号的互相关函数的最大值来确定它们之间的延时，当该模块在寻找其两个输入信号的延时时，其最下端输出口在变化，直到Find Delay模块求出稳定的延时，最下端就始终显示为0，最上端显示的就得该模块两输入信号的延时。如系统模型图2右下方，第一个求出的是发端原始数据与收端恢复的原始数据间的延，为752个样值；第二个求出的是Viterbi Decoder造成的延时，为96个样值。

通过Find Delay可以看出，本系统卷积码解码会造成96个样值的延时，也就是模块Viterbi Decoder输出的第一帧中的前96个样值不是真正的传输数据，如果信道中没有噪声，这96个样值是零。所以要想随后的RS解码器对有效数据进行正确解码，就必须从它收到的第97个样值开始解码，这里为了让RS解码器从第97个样值开始工作，将RS解码器创建成条件执行子系统的一种——使能子系统，如图4所示，它的外部控制信号由阶跃信号来提供，并将阶跃信号的参数Step time设置成96个样值的持续时间，即96×sample time=96×1.468 75e-7，如系统仿真模型图2所示。

3 仿真结果分析

本文利用Simulink的动态系统仿真功能得到了系统收、发端两端的星座图（图5）；以及加循环前缀前、后的OFDM符号频谱图（图6）。由图可见，其外形与标准中所述的“brick wall”一致，带宽与参数设置表表1中的带宽参数也一致。通过利用Signal to Workspace模块，将发端数据与收端恢复的数据进行比较所得的误码率计算结果，即模块Error Rate Calculation的输出送给工作空间变量myBER，随后利用Matlab的强大的图形处理功能得出了在不同信道条件下的系统性能，即误码率曲线，如图7，可见达到了标准所规定的在AWGN信道下的性能要求。

4 结论

笔者按照IEEE802.16d物理层标准构建了一个完整的端对端系统模型，将指标文档变成了一个动态的可执行模型，大大方便了对系统的测试与分析，虽然模型中没有考虑衰落信道以及均衡和同步，但已经将端对端系统的基本框架构建出来，而且由于IEEE802.16d/e标准有很多共同之处，所以该模型为这两种标准下的信道，均衡，同步算法的研究、应用与验证提供了一个有效的研究平台，对IEEE802.16d/e标准的研究与开发很有意义。

图5 发端、收端星座图

图6 加前缀前后的OFDM符号频谱图

图7 误码率曲线

[1]柯贤文，于全，朱凯.对IEEE802.16d技术物理层的仿真分析[J].计算机仿真，2007，24（1）：111-113，185.

[2]李武强，刘乃安.IEEE802.16d WMAN物理层仿真及性能分析[J].计算机工程，2007，33（4）：113-115.

[3]李白萍，李彩伟.IEEE 802.16d系统中自适应调制编码技术的应用研究[J]. 通信技术，2009，42（5）：29-30，39.

[4]IEEE. IEEE 802.16-2004. Part16： Air interface for fixed broadband wireless access systems[S].New York：Insitute of Electrical and Electronics Engineers，2004.

[5]Mathworks Corporation.Recorded Webinar“From a Wireless Standards Document to an Executable Modelusing MATLAB and Simulink”[EB/OL].（2005-07-14）[2010-03-10].http：//www.mathwork.com.

[6]ALIM O A，ELBOGHDADLY N，ASHOUR M，et al.Channel estimation and equalization for Fixed/Mobile OFDM WiMAX Systemin Simulink[C/OL]//Mobilware′08.Innsbruck：ICST，2008[2009-04-02].http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=1361492.1361540.

[7]RAPPAPORT T S.Wireless communications principles and practice[M].2nd ed.北京：电子工业出版社，2005：395-410.