宽带网络通信OFDM跳频技术研究

郑龙

摘要：研究了一种内嵌式同步OFDM跳频技术，该技术简化了OFDM帧结构，提高了频谱效率。对其主要接收性能进行了分析与仿真，表明该技术也有相关成功率较低以及降低了实际数据信号信噪比等缺点，仿真结果显示其需要对噪声不敏感的信道估计技术，同时一种内嵌消除技术作用明显。

关键词：OFDM 跳频；嵌入式同步；内嵌消除

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）28-0273-03

1 引言

OFDM正交频分复用技术由于其对频带利用率高、可克服码间干扰等特点，已经成为宽带无线通信的应用热点，并被802.11a、TD-LTE等多种商用标准选定为其物理层的传输技术[1][2]。同时，新的战场通信环境对战术电台的传输速率提出越来越高的要求，这正与OFDM的特点相契合。但与商用通信情况不同的是，战术电台有其特殊的使用环境。为了对抗阻塞式干扰，战术电台经常会在跳频方式下工作，并且随着与干扰机间对抗的升级，跳频速率有着越来越高的趋势，现役电台的跳频速率已达数百至上千跳。因此，要使用在跳频电台中的OFDM技术需针对其工作环境特点进行修改和设计。

2 跳频OFDM特点分析

OFDM技术的一大优点在于其对频谱的高利用率，但同时也由于其子载波间隔窄，其对于频偏特别敏感[3]。因而OFDM标准中都含有精确的时、频同步技术以及信道估计技术。基本的OFDM帧结构如图1所示。

由于跳频OFDM是在整个电台工作频带内任意跳频，其每一跳的载波频率相差较大，频道特性也可能相差较大，因此每一跳内都要重新进行信道估计。如果每一跳内都按上述结构安排，则一跳内最短长度为。再加上换频时间，系统能达到的最大跳数为4000跳以下，此时仅有三分之一的符号用来传输数据，效率十分低下。

3 内嵌式同步OFDM

由以上分析可看出，造成跳频OFDM效率低的主要原因是其前导占时间比较大，要在一跳的有限时间内实现所有结构则剩下的数据传输时间十分有限。如果将同步序列改为PN序列并与数据OFDM符号直接相加，便是内嵌式同步OFDM[4]。这种方案可大大提高频谱效率。

3.1 原理与跳结构

内嵌式同步OFDM的基本思想是以PN序列代替OFDM训练符号完成相关的工作，并且PN序列是叠加在OFDM符号上（包括循环前缀），而不是作为前导存在。相比OFDM训练符号，PN序列有以下优点：一是有输入时同步峰更尖锐；二是没有循环前缀带来的定位模糊；三是峰均比更低；四是没有输入时平均同步信号值更低。其基本结构如下图2所示。

内嵌式同步结构减小了OFDM帧结构的长度，将原有的前导与OFDM符号合而为一。采用与第二节中相同的数据，则内嵌式结构下其一跳的最小长度仅为139μs且传输效率（也可以认为是频谱效率）为原方案三倍。

3.2 性能仿真与分析

3.2.1 相关性能分析

内嵌式同步方案对OFDM帧结构变化较大，其各种性能需与原结构进行对比。在文献[4][5]中对平坦衰落的AWGN（加性高斯白噪声）信道下内嵌式同步结构与原结构的相关性能进行了研究和对比，并得出了同步与虚警概率的理论公式。

取SNR=0dB，比例因子ρ=0.2，信号带宽B=4MHz，子载波间隔Bsub=15kHz，两种结构下相关序列长度均取为一个OFDM符号长，进行仿真，则内嵌式结构与原结构的相关性能对比如下图3所示。

由图3（a），可以明显看出，由于PN序列更好的相关性，在没有发射信号时接收端的相关信号幅值更低，因此，内嵌式方案有比原方案更好的虚警概率曲线，即随着域值的上升，上降得更早更快。但同时，由于内嵌式方案中PN序列的功率被因子所减弱，而且被叠加的数据信号干扰，因此在图3（b）中可发现内嵌式结构的相关失败率曲线随着域值的下降，其下降速度不如原结构。因此对于内嵌式结构，在相关判决的域值应该选择更低。以以上参数做虚警概率与相关失败概率的曲线，经过计算可以发现，选择合适的域值，能够达到相关失败概率为10-8，同时虚警概率为10-6。

3.2.2 接收性能仿真

内嵌式结构对接收性能的影响主要体现在两个方面：一个是对频偏估计的影响，另一个则是对接收的数据系列信噪比的影响。

内嵌式结构的频偏估计同样是利用完全相同的两个PN序列，在三种信噪比下Var随比例因子的变化曲线如图4所示。

由上图可看出，随着比例因子的增加，频偏估计的方差急骤下降，到0.3以后开始平滑，同时SNR对其方差也有一定的影响，但10dB和20dB下的曲线较相近，且三条曲线的差距随比例因子的增加而快速减小，在比例因子0.3以上时已经差距很小。

内嵌式结构对OFDM数据符号的影响可认为是信噪比的降低，信噪比的降低不仅为影响解调，还会对信道估计产生一定影响。在文献[4]中提到了一种EIC内嵌消除技术，通过在迫零均衡后的信号中减去r[k]（r[k]为相关序列）来实现。

最终采用了如下参数对内嵌式结构OFDM在AWGN信道下的误码率进行了仿真：子载波个数M=256，每跳两个OFDM符号，比例因子，子载波宽度15000Hz，基带采样频率3.84MHz，循环前缀长度5.2us，采用4QAM调制和LS（least squares）信道估计；导频采用频域梳状插入的方法设置，其间隔根据（和分别为子载波宽度与多径的最大时延）设为6，即每隔6个数据子载波插入一个导频子载波，导频估计之间采用二阶多项式。最后进行内嵌消除、迫零均衡、再解调，最终得出的误码率与信噪比的曲线如下图所示。

3.2.3 结果分析与总结

通过仿真可以得出以下结论：

1） LS信道估计效果不佳，需要对噪声不敏感的信道估计方式，例如LMMSE （linear minimum mean-squared error线性最小均方差）。如图5所示，在信噪比小于15dB时，做信道均衡后的误码率甚至比未做均衡时还差，并且在更高信噪比下，前者也仅比后者略低。

2） 信噪比较高时内嵌消除技术的作用明显。从图5中可以看出，从信噪比为大约7dB处开始，使用了内嵌消除技术后的误码率明显低于未使用时，最高可相差两个数量级。

以上对内嵌式同步结构的OFDM跳频技术的分析与仿真，可总结出其有以下优点：一是在高跳速下传输效率高。由于无需专门的同步头，在高跳速下其传输效率可达原结构的2～3倍；二是最高跳速潜力高。更短的帧结构意味着内嵌式同步结构可能达到的跳速可以更高。但同时该技术也有以下缺点：一方面同步序列长度的相同的情况下同步成功率不如原结构，但在较低跳速下由于内嵌结构会有更长的同步序列从而拥有相近甚至更好的同步成功率。另一方面降低了数据信号的实际信噪比。整个信号的信噪比越高，数据信号的实际信噪比就被降低得越多，如果信噪比本身就很低，则降低的较少，比如3dB时采用0.1的比例因子信噪比下降1.3dB。

4 结束语

以上对内嵌式同步结构的OFDM跳频技术的特性进行了分析与仿真，结果显示该技术与原结构相比互有优缺点，对于采用OFDM的高跳速宽带网络电台，不失为一种较佳的方案。

参考文献：

[1]. 杨文东.IEEE802.11无线局域网标准发展历程及其发展方向[J].电信工程技术与标准化，2002（6）：54-59.

[2]. 沈嘉.3GPP LTE核心技术及标准化进展[J].移动通信，2006（4）：45-49.

[3]. 赵亚红，李伟华，吴伟陵.正交多载波（OFDM）调制技术及其应用[J]电讯技术，2001（1）：92-95.