基于OFDM的毫米波通信多径信道模型分析

陈 婷 洪 伟 郑 昱 吴晓光

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

现代化战争对通信的需求和依赖越来越强烈，通信系统作为各作战单元之间信息传输的路径，不可或缺。然而，越来越多先进侦察干扰设备通过截获、检测阻断等手段获取通信、情报、指挥控制等各个作战系统的情报信息，提高组网通信系统的反截获与反侦测能力越来越紧迫。毫米波通信技术以其安全保密性强、通信容量大、可靠性高的特点[1]，近年来成为军事通信领域的热点研究对象。目前，已制定技术标准或正在研究的毫米波频段主要集中在60 GHz、28 GHz、38 GHz和中国45 GHz频段[2]。

正交频分复用OFDM技术目前广泛应用于无线高频通信系统。在复杂地形、复杂电磁环境中的战场通信中，OFDM具有较高的频谱利用率和较强的抗频率选择性衰落、抗多径衰落等优势。

本文针对基于OFDM的通信系统开展30 GHz频段毫米波信道模型仿真分析。

1 OFDM信号模型

OFDM作为一种高效的多载波调制技术，将一个高速率的数据流分解成若干个低速且独立正交的子数据流，通过将这些子数据流调制到若干个子载波上并行传输，最终合并输出[3]。由于采用并行信号处理的思想，每个子信道上的数据传输速率相对单载波信道降低，当OFDM信号通过无线频率选择性衰落信道时，在每个子信道可以认为近似平坦，增强了信号传输的抗衰落能力。OFDM信号的复数表示形式[4]为

(1)

通常采用等效复基带信号来描述OFDM的输出信号为

(2)

式(2)中，sOFDM(t)的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相分量和正交分量。OFDM通信系统基本模型框图如图1所示。

图1 OFDM通信系统基本模型框图

OFDM信号的频谱结构如图2所示的sinc函数频谱。

图2 OFDM信号频谱结构

2 多径衰落信道的数学模型

多径衰落信道是由在无线通信发射机和接收机之间的建筑物和其他物体的反射、绕射、散射引起的多于一条的信号传播路径。当信号在无线信道中传播时，多径反射和衰减的变化将导致信号经历随机波动。

当传播路径上存在大量散射分量时，接收机输入信号的复包络为复高斯随机过程。在该过程均值为0的情况下，其幅度满足瑞利分布。如果其中存在直射路径，幅度则变为莱斯分布。

一般假设多径分量的数目变化要比复增益的变化缓慢，多径数目可视为常数[5]。在N条路径的情况下，信道输出为

(3)

其中，an(t)和rn(t)表示与第N条多径分量相关的衰减和传播延迟，延迟和衰减都表示为时间的函数。

设信道的输入为经过调制的信号，表示为式(4)。

x(t)=A(t)cos[2πfct+φ(t)]

(4)

一般采用低通等效信号来完成波形的仿真，则发射信号的复包络为

(5)

将式(4)带入式(3)中可得

(6)

an(t)和rn(t)均为实函数，上式可以写成

(7)

由式(3)可以得到

(8)

(9)

复路径衰减可定义为

(10)

因此，道道接收机的复包络为

(11)

式(11)定义的信道输入输出关系对应为一个线性时变系统，其冲激响应为

(12)

(13)

信道的抽头延时线模型[6]如图3所示。图中，各径的抽头增益是互不相关的复高斯随机过程，并且具有零均值、相同的功率谱密度和不同的方差。图3中，Δτn=τn(t)-τn-1(t)，信号的符号间隔为Ts，当Δτn≪Ts时，时延介于τn(t)和τn-1(t)之间的路径在接收端是不可分离的。当Δτn≫Ts时，这些路径是可以分离的，接收信号为经过多条可分离路径的信号副本的总和。

图3 多径衰落信道模型

3 基于OFDM的毫米波通信多径衰落信道的仿真

本节将给出在单径瑞利衰落信道和2径瑞利衰落信道下(第2径平均功率比第1径平均功率低3 dB)，基于802.11g的OFDM毫米波通信系统仿真的误比特率性能。该通信系统的参数如表1所示。

表1 本文所仿真的通信系统的参数

图4 基于OFDM的毫米波通信信道仿真误码率性能

为了便于对比，同时也对基于QPSK的单载波毫米波通信系统在单径瑞利衰落和2径瑞利衰落信道中的误比特性能进行了仿真。其中，2径信道延时参数同图4。

图5 基于QPSK的毫米波通信信道仿真误码率性能

如图5所示，我们可以得到基于QPSK的单载波毫米波无线通信系统在相同信噪比下，单径和2径衰落信道的误比特率相差较大。而在图4中，基于OFDM的毫米波无线通信系统在单径和2径衰落信道下的误比特率性能几乎相同。因此，在基于OFDM的毫米波无线通信系统中，只要信道的最大延迟不超过循环前缀(保护间隔)的长度，在接收端的信号解调中几乎不会出现码间串扰。这是由于在OFDM信号的产生过程中，将输入的数据流串并转换到若干个并行的子载波中，此时每一个调制子载波的数据周期扩大为原始数据符号周期的N倍。因此，相对应的时延扩展与符号周期的数值比降低了N倍。通过在每个OFDM符号之间插入保护间隔，保护间隔内插入循环前缀，并且该保护间隔的长度大于无线信道中的最大时延扩展，此时一个符号所产生的多径分量就不会对下一个符号造成干扰，同时还能保证子载波之间的正交性，减小载波间的干扰。

4 结束语

本文通过对OFDM信号模型和无线信道多径衰落模型的分析，建立了一种基于OFDM的毫米波通信系统多径信道模型。通过基于该信道模型的仿真分析，得出了基于OFDM的毫米波通信在无线多径衰落信道下具有更好的抗多径优势。同时，结合毫米波通信本身的安全保密性强、通信容量大、可靠性高的优势，得出了在复杂地形的衰落坏境下的地面无线通信系统中，基于OFDM的毫米波通信系统应用具有一定的性能优势。因此，在后续的毫米波通信系统的设计中应结合毫米波通信的优点并且充分利用其信道特性，从而设计出更符合现代陆军地面通信的稳定、可靠、高效的通信系统。