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      基于OFDM的毫米波通信多徑信道模型分析

      2020-10-15 05:55:08吳曉光
      火控雷達(dá)技術(shù) 2020年2期
      關(guān)鍵詞:瑞利載波信道

      陳 婷 洪 偉 鄭 昱 吳曉光

      (西安電子工程研究所 西安 710100)

      0 引言

      現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對(duì)通信的需求和依賴越來越強(qiáng)烈,通信系統(tǒng)作為各作戰(zhàn)單元之間信息傳輸?shù)穆窂剑豢苫蛉?。然而,越來越多先進(jìn)偵察干擾設(shè)備通過截獲、檢測(cè)阻斷等手段獲取通信、情報(bào)、指揮控制等各個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的情報(bào)信息,提高組網(wǎng)通信系統(tǒng)的反截獲與反偵測(cè)能力越來越緊迫。毫米波通信技術(shù)以其安全保密性強(qiáng)、通信容量大、可靠性高的特點(diǎn)[1],近年來成為軍事通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究對(duì)象。目前,已制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或正在研究的毫米波頻段主要集中在60 GHz、28 GHz、38 GHz和中國45 GHz頻段[2]。

      正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于無線高頻通信系統(tǒng)。在復(fù)雜地形、復(fù)雜電磁環(huán)境中的戰(zhàn)場(chǎng)通信中,OFDM具有較高的頻譜利用率和較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落、抗多徑衰落等優(yōu)勢(shì)。

      本文針對(duì)基于OFDM的通信系統(tǒng)開展30 GHz頻段毫米波信道模型仿真分析。

      1 OFDM信號(hào)模型

      OFDM作為一種高效的多載波調(diào)制技術(shù),將一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流分解成若干個(gè)低速且獨(dú)立正交的子數(shù)據(jù)流,通過將這些子數(shù)據(jù)流調(diào)制到若干個(gè)子載波上并行傳輸,最終合并輸出[3]。由于采用并行信號(hào)處理的思想,每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)單載波信道降低,當(dāng)OFDM信號(hào)通過無線頻率選擇性衰落信道時(shí),在每個(gè)子信道可以認(rèn)為近似平坦,增強(qiáng)了信號(hào)傳輸?shù)目顾ヂ淠芰?。OFDM信號(hào)的復(fù)數(shù)表示形式[4]為

      (1)

      通常采用等效復(fù)基帶信號(hào)來描述OFDM的輸出信號(hào)為

      (2)

      式(2)中,sOFDM(t)的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)于OFDM符號(hào)的同相分量和正交分量。OFDM通信系統(tǒng)基本模型框圖如圖1所示。

      圖1 OFDM通信系統(tǒng)基本模型框圖

      OFDM信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)如圖2所示的sinc函數(shù)頻譜。

      圖2 OFDM信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)

      2 多徑衰落信道的數(shù)學(xué)模型

      多徑衰落信道是由在無線通信發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的建筑物和其他物體的反射、繞射、散射引起的多于一條的信號(hào)傳播路徑。當(dāng)信號(hào)在無線信道中傳播時(shí),多徑反射和衰減的變化將導(dǎo)致信號(hào)經(jīng)歷隨機(jī)波動(dòng)。

      當(dāng)傳播路徑上存在大量散射分量時(shí),接收機(jī)輸入信號(hào)的復(fù)包絡(luò)為復(fù)高斯隨機(jī)過程。在該過程均值為0的情況下,其幅度滿足瑞利分布。如果其中存在直射路徑,幅度則變?yōu)槿R斯分布。

      一般假設(shè)多徑分量的數(shù)目變化要比復(fù)增益的變化緩慢,多徑數(shù)目可視為常數(shù)[5]。在N條路徑的情況下,信道輸出為

      (3)

      其中,an(t)和rn(t)表示與第N條多徑分量相關(guān)的衰減和傳播延遲,延遲和衰減都表示為時(shí)間的函數(shù)。

      設(shè)信道的輸入為經(jīng)過調(diào)制的信號(hào),表示為式(4)。

      x(t)=A(t)cos[2πfct+φ(t)]

      (4)

      一般采用低通等效信號(hào)來完成波形的仿真,則發(fā)射信號(hào)的復(fù)包絡(luò)為

      (5)

      將式(4)帶入式(3)中可得

      (6)

      an(t)和rn(t)均為實(shí)函數(shù),上式可以寫成

      (7)

      由式(3)可以得到

      (8)

      (9)

      復(fù)路徑衰減可定義為

      (10)

      因此,道道接收機(jī)的復(fù)包絡(luò)為

      (11)

      式(11)定義的信道輸入輸出關(guān)系對(duì)應(yīng)為一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng),其沖激響應(yīng)為

      (12)

      (13)

      信道的抽頭延時(shí)線模型[6]如圖3所示。圖中,各徑的抽頭增益是互不相關(guān)的復(fù)高斯隨機(jī)過程,并且具有零均值、相同的功率譜密度和不同的方差。圖3中,Δτn=τn(t)-τn-1(t),信號(hào)的符號(hào)間隔為Ts,當(dāng)Δτn?Ts時(shí),時(shí)延介于τn(t)和τn-1(t)之間的路徑在接收端是不可分離的。當(dāng)Δτn?Ts時(shí),這些路徑是可以分離的,接收信號(hào)為經(jīng)過多條可分離路徑的信號(hào)副本的總和。

      圖3 多徑衰落信道模型

      3 基于OFDM的毫米波通信多徑衰落信道的仿真

      本節(jié)將給出在單徑瑞利衰落信道和2徑瑞利衰落信道下(第2徑平均功率比第1徑平均功率低3 dB),基于802.11g的OFDM毫米波通信系統(tǒng)仿真的誤比特率性能。該通信系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

      表1 本文所仿真的通信系統(tǒng)的參數(shù)

      圖4 基于OFDM的毫米波通信信道仿真誤碼率性能

      為了便于對(duì)比,同時(shí)也對(duì)基于QPSK的單載波毫米波通信系統(tǒng)在單徑瑞利衰落和2徑瑞利衰落信道中的誤比特性能進(jìn)行了仿真。其中,2徑信道延時(shí)參數(shù)同圖4。

      圖5 基于QPSK的毫米波通信信道仿真誤碼率性能

      如圖5所示,我們可以得到基于QPSK的單載波毫米波無線通信系統(tǒng)在相同信噪比下,單徑和2徑衰落信道的誤比特率相差較大。而在圖4中,基于OFDM的毫米波無線通信系統(tǒng)在單徑和2徑衰落信道下的誤比特率性能幾乎相同。因此,在基于OFDM的毫米波無線通信系統(tǒng)中,只要信道的最大延遲不超過循環(huán)前綴(保護(hù)間隔)的長度,在接收端的信號(hào)解調(diào)中幾乎不會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_。這是由于在OFDM信號(hào)的產(chǎn)生過程中,將輸入的數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換到若干個(gè)并行的子載波中,此時(shí)每一個(gè)調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號(hào)周期的N倍。因此,相對(duì)應(yīng)的時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的數(shù)值比降低了N倍。通過在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔,保護(hù)間隔內(nèi)插入循環(huán)前綴,并且該保護(hù)間隔的長度大于無線信道中的最大時(shí)延擴(kuò)展,此時(shí)一個(gè)符號(hào)所產(chǎn)生的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾,同時(shí)還能保證子載波之間的正交性,減小載波間的干擾。

      4 結(jié)束語

      本文通過對(duì)OFDM信號(hào)模型和無線信道多徑衰落模型的分析,建立了一種基于OFDM的毫米波通信系統(tǒng)多徑信道模型。通過基于該信道模型的仿真分析,得出了基于OFDM的毫米波通信在無線多徑衰落信道下具有更好的抗多徑優(yōu)勢(shì)。同時(shí),結(jié)合毫米波通信本身的安全保密性強(qiáng)、通信容量大、可靠性高的優(yōu)勢(shì),得出了在復(fù)雜地形的衰落壞境下的地面無線通信系統(tǒng)中,基于OFDM的毫米波通信系統(tǒng)應(yīng)用具有一定的性能優(yōu)勢(shì)。因此,在后續(xù)的毫米波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合毫米波通信的優(yōu)點(diǎn)并且充分利用其信道特性,從而設(shè)計(jì)出更符合現(xiàn)代陸軍地面通信的穩(wěn)定、可靠、高效的通信系統(tǒng)。

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