高动态OFDM系统帧结构及参数设计

曾 彭，纪金伟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

高动态OFDM系统帧结构及参数设计

曾 彭，纪金伟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

正交频分复用(OFDM)系统具有频带利用率高、抗多径衰落性能好等优点，然而OFDM系统对载波频率偏移比较敏感，抗频偏性能差。针对高动态环境下的应用场景，给出了一种适用的OFDM系统传输方案，并对帧结构及相关参数进行设计，最后对决定系统性能的参数进行了仿真分析。结果表明帧长越短系统性能越好；每帧OFDM符号数越少、带宽越宽、FFT点数越少，系统性能也越好。

正交频分复用；帧结构；高动态；参数优选

0 引言

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)[1-3]具有比普通单载波技术更高的频带利用率和更好的抗多径衰落性能，因此成为IEEE802.11a[4]、IEEE802.11n、IEEE802.16、IEEE802.20、LTE[5]和DAB[6]等多种民用无线通信系统的传输标准，也是认知雷达系统等军用领域的热点研究方向[7-8]。然而它也存在一些不足[9]：与单载波技术相比，OFDM对于载波频率偏移较为敏感[10]，对定时误差有着严格的要求，使其在高动态环境下应用面临更大的挑战；另外，OFDM具有更高的峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)，容易产生非线性失真，因而要求发射机放大器具有更高的线性特性[11-14]。

本文对OFDM技术在高动态无线环境下的应用进行了研究。目前，在高动态无线信道场景中应用OFDM系统的问题主要是由大的多普勒频偏所引起的，包括时变信道估计、同步及载波频偏估计、多普勒估计及校正、多普勒分集技术以及子载波间干扰消除等问题[15]。

1 系统模型

OFDM技术是将有效带宽分配给多个相互正交、等频率间隔的子载波，通过这一过程将宽带频率选择性信道划分为多个相互正交的平坦衰落的子信道，从而提高系统频带利用率。假设发送OFDM信号的频域符号序列为X=[X0,X1,…,XN-1]T，则离散时域OFDM信号x=[x0,x1,…,xN-1]T可表示为：

(1)

式中，xn表示x的第n个采样点的值，Xk表示第k个子载波上传输的复调制符号，N表示子载波个数。为避免符号间干扰，OFDM信号在发送前需要在符号前端加上循环前缀，后经过并串转换、数模转换，形成发送的时域OFDM复基带信号。

假设发送离散基带信号经数模变换后为x(t),经过高动态AWGN信道后，接收端信号y(t)可以表示为：

y(t)=x(t)·e-j2πfd(t)t+n(t)，

(2)

式中，fd(t)表示高动态环境下的多普勒频偏值，n(t)表示均值为μ、方差为σ2的高斯白噪声，μ和σ2由信号能量及信噪比决定。多普勒频偏fd(t)可表示为：

fd(t)=fc+kt，

(3)

式中，fc的范围为-1～1 MHz，一次变化率k的范围为-200～200 kHz/s。

2 高动态环境下OFDM帧结构设计

2.1 高速移动环境下OFDM系统模型

通过对一个OFDM应用环境的分析，给出了具体OFDM系统传输方案，如图1所示。该处理过程主要包括信源编译码、信道编译码、交织去交织、调制解调映射、子载波映射、串并/并串转换、FFT/IFFT、加去CP、波形成型、捕获、跟踪、信道估计、均衡等内容[16]。

① 信道编码：本系统采用3种信道编码方式，包括RS-CC级联编码、LDPC编码和TPC编码。

② 交织与解交织：交织属于分组编码，由于采用了存储器实现，因此又具有卷积编码的记忆特征。在发送端，将所有OFDM符号的位序列通过交织器重新排列，在接收端通过解交织器恢复出原始序列，以使信道中的突发错误变为无记忆的随机独立差错。本方案提供3种交织方式分别是无交织、中交织和长交织。

③ 调制和解调映射：调制解调的方式直接决定了系统的误码性能和传输速率，本方案使用了3种子载波的调制形式，分别是BPSK、QPSK和16QAM，具体选择由所要求的信息传输速率确定。

④ 前导码结构与调制：基于前导的定时同步技术主要有两方面的作用，即帧捕获(检测数据的到来)和帧定界(找到接收数据的准确位置)。

⑤ 前导码：在前导中一般会设置多个短的训练序列来进行帧捕获和帧定界，而长训练序列则用于载波同步中的频偏估计。前导序列的长短和数量对于定时有着重要的影响，一般情况下短序列数量设为10个。本方案采用6个长序列，其中2个用于载波同步，前5个序列相同，并且每个序列在时域上具有前后两半相同的特性。

图1 高动态环境下OFDM传输系统框图

2.2 OFDM帧结构与参数设计

根据高动态环境下的设计需求，设计OFDM物理层的帧结构如图2所示，并给出系统参数设置如表1所示。

以下给出20 MHz带宽下帧结构中每部分的持续时间，本方案给出的帧结构包含前导符号、信号段和数据段3个部分。其中，前导符号由6个长训练符号组成，表示为T1～T6，总的训练时间为153.6 μs。训练符号主要用于帧同步、频偏估计和信道估计。

图2 OFDM帧结构

表1 OFDM技术方案系统参数

参数值子载波个数256有用子载波的个数232数据子载波个数174导频子载波个数58OFDM符号有效持续时间12.8μs/6.4μs保护间隔持续时间1.6μs/0.8μs子载波间隔78.1kHz/156.2kHz子帧持续时间600μs/300μs

前导码后面为信号段和数据段，其中信号段为一个OFDM符号持续时间，包括速率位、带宽位、预留位、长度位、奇偶校验位和6个“0”尾比特，该字段以可靠的BPSK调制方式进行发送，信号段内容无需加扰处理。速率位给出了分组的余下部分(即数据段)采用的调制方式和编码速率，本方案可设置12种传输速率，因此速率字段采用4 bit进行编码；带宽位采用2 bit进行编码，表示使用的带宽信息；带宽位后预留1 bit，用于扩展；长度位给出了MAC层请求PHY层发送的物理服务数据单元(PSDU)的八位位组数，其具体比特数将根据带宽来确定；奇偶校验位表示前面比特的奇偶校验方式；为了可靠、及时地检测速率和长度字段，在信号段最后给出了6个“0”尾比特。

信号段后面为数据段，由多个编码后的OFDM符号组成，按照速率段中给定的速率进行发送，不同数据速率对应的参数设置如表2所示。

表2 取决于速率的参数设置

数据速率/(Mbit/s)20MHz40MHz调制方式编码方式每个子载波的编码比特数NBPSC子帧的编码率5.9511.9QPSKRS-CC21/38.717.4QPSKTPC23/513.927.8QPSKLDPC24/514.929.816QAMRS-CC42/517.434.816QAMTPC41/227.855.616QAMLDPC44/5

每个数据帧包含前导和数据两个部分。由于信道中有较大频率偏移，为了帧同步和频偏估计有较高精度，前导序列由6个长度为512的长序列组成，长序列由固定的伪随机序列生成。数据域包含30个OFDM符号，在一个OFDM数据符号的256个子载波中，虚子载波的位置为[-128:-117 0 117:127]，有用子载波位置为[-116:-1 1:116]，载波映射位置如图3所示。

图3 OFDM载波映射

本方案采用离散导频的插入方式，将导频均匀分布在时间和频率两个方向上，如图4所示。该导频插入方式用的导频数目少，并且能够很好地跟踪信道的变化。

在时间方向，每个OFDM符号都插入导频。在频率方向，导频的插入载波位置为：[-116:4:-1 1:4:116]，子载波上共有58个导频信息。

图4 导频插入方式

3 仿真结果

帧设计重点要考虑高动态频偏的影响，实际设计中频偏补偿每帧数据需要进行一次，假设帧内频偏基本不变，此时可以认定高动态频偏为一个较大的频偏值。采用Schmidl&C算法[17]，利用前导序列进行频偏估计，对帧内的频偏用一个值进行补偿。

接下来分析不同的参数设置条件下对OFDM系统误比特率(Bit Error Rate，BER)性能的影响。

① 每帧OFDM符号数的选取

对不同符号数下的OFDM进行仿真，设置FFT点数为256，系统带宽为10 MHz，每帧OFDM符号数分别为20、30、40、60和80，仿真结果如图5所示。可以看出，高动态频偏环境下，要求符号数越短越好，符号数越短，帧内频偏变化越小。取BER为10-3，符号数分别为20和40时，相比较符号数为60，SNR灵敏度分别降低了6.3 dB和4.0 dB。可见，在频偏估计较为理想的情况下，符号数越短，性能与无频偏时越接近。

图5 每帧符号数不同时系统性能

② 系统带宽的选取

考虑不同带宽对OFDM性能的影响，设置符号数为60，FFT点数为256，系统带宽分别取40 MHz、20 MHz、15 MHz、10 MHz，对系统性能进行仿真，结果如图6所示。可以看出在固定符号数和FFT点数的情况下，带宽越宽，系统性能越好。取BER为10-3，带宽为40 MHz和20 MHz时，相比较带宽10 MHz，SNR灵敏度分别降低4.6 dB和4.0 dB。对原因进行分析，采样速率等于带宽，那么带宽越大，采样时间间隔就越小，因此由帧内一次和二次变化率引起的频偏变化就越小。

图6 不同带宽下系统性能

③ FFT点数的选取

OFDM系统中，符号长度等于FFT点数。考虑不同FFT点数对系统性能的影响，设置每帧符号数为60，系统带宽为20 MHz，FFT点数分别取64、128、256、512，对系统性能进行仿真，结果如图7所示。可以看出，在给定帧内符号数和系统带宽的情况下，FFT点数越短，系统性能越好。取BER为10-3，FFT点数为64和128点时，相比较256点，SNR灵敏度分别降低2.3 dB和0.8 dB。

图7 不同FFT点数时的系统性能

④ 数据帧时长

上面3组仿真参数均与系统帧时长有关，可以想象，高动态频偏性能与帧时长有密切的关系，帧时长越短，系统性能应该越好。针对不同帧时长高动态系统的性能进行仿真分析，结果如图8所示。可以看出，帧长越短，系统性能越好。在BER为10-3时，帧长分别取0.64 ms和0.8 ms情况下，相比较未加频偏的理想结果，SNR灵敏度分别增加了1.0 dB和5.8 dB。可见，随着帧长增加，系统性能变差。

图8 不同帧时长系统性能

由以上分析可知，在高动态环境下，对每一帧进行频偏估计，并且用估计的频偏值进行频偏补偿，也就是采用抗频偏技术，系统性能将主要由帧时长决定。因此，OFDM帧结构设计的关键是控制帧长的大小，在帧长满足一定范围条件下，高动态的频偏在帧内可以认为是一个很大的频偏值，采用频偏估计和补偿的方法可以消除其影响。

通过对系统参数仿真，可以了解系统参数如何影响OFDM的抗频偏性能。然而，以上分析是以单一参数为基础，并没有考虑其他因素的影响。帧长变短、FFT点数减少、OFDM符号数减少都会影响数据传输速率；带宽过大，循环前缀比例增加，额外开销增大，导致频谱效率降低；因此，在实际OFDM设计时，要根据应用需要，综合考虑各种因素的影响，选取最佳方案。

4 结束语

首先给出了OFDM方案的AGWN信道模型，基于该信道模型给出了一种OFDM的技术方案、原理框图、帧结构设计及系统参数。最后对符号个数、系统带宽、FFT点数及帧长等参数的选取进行了仿真验证，结果表明：在一定范围内每帧OFDM符号数越少，带宽越宽，FFT点数越少，帧长越短系统性能越好。此结论对于OFDM在高动态环境下的实际应用及参数优选具有指导意义。在进行OFDM方案设计时，需要综合系统性能和实际应用要求进行参数的选取，在参数选取适当时，可以实现预期的效果，达到消除高动态频偏影响，实现高动态环境下通信和控制的目标。

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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，纪金伟.高动态OFDM系统帧结构及参数设计 [J].无线电通信技术,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

国家高技术研究发展计划(863计划)项目 (2013AA122904)

曾 彭(1985—)，男，博士，工程师，主要研究方向：航天测控、阵列信号处理。纪金伟(1986—)，男，博士，工程师，主要研究方向：无人机测控、无线通信系统物理层信号处理与信息传输。

TP911.7

A

1003-3114(2017)04-47-5