一種大帶寬高階調(diào)制802.11ax信號(hào)高精度分析算法研究

作者簡(jiǎn)介：陳鳳林（1990—），男，漢族，安徽蚌埠，碩士，工程師，專業(yè)：移動(dòng)通信。

IEEE802.11ax 是近兩年興起的高效無線網(wǎng)絡(luò)（High-Efficiency Wireless-HEW），可通過一系列系統(tǒng)特性和多種機(jī)制增加系統(tǒng)容量，以更好的一致覆蓋和減少空口介質(zhì)擁塞來改善Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的工作方式，使用戶獲得最佳體驗(yàn)；尤其在密集用戶環(huán)境中，可為更多的用戶提供一致和可靠的數(shù)據(jù)吞吐量，其目標(biāo)是將用戶的平均吞吐量提高至少4 倍，也就是說，意味著基于802.11ax 的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)具有前所未有的高容量和高效率。

802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)在物理層導(dǎo)入了多項(xiàng)大幅變更，依舊向下兼容802.11a/b/g/n/ac 設(shè)備。802.11ax 新增多種關(guān)鍵技術(shù)中包括OFDMA、MU-MIMO、1024-QAM、Spatial Reuse、BBS Coloring，其中OFDMA 是通過將子載波子集分配給不同用戶且在OFDM 系統(tǒng)中添加多址的方法，允許同時(shí)提供給具有不同帶寬需求的多個(gè)用戶，從而有效利用可用頻譜。

目前，WLAN 物理層面臨以下幾個(gè)問題：無線傳輸介質(zhì)有嚴(yán)格的帶寬限制和頻率規(guī)則；與有線局域網(wǎng)相比，WLAN 的通信環(huán)境比較惡劣；信號(hào)隨時(shí)間和空間等多種路徑衰減；不可避免地要受到一些無線和非無線設(shè)備的干擾。因此WLAN 的信號(hào)質(zhì)量都會(huì)影響WLAN 信號(hào)的解調(diào)可靠性。

本文提出一種時(shí)頻域相結(jié)合頻偏矯正方法，可實(shí)現(xiàn)160 MHz 帶寬下1024 QAM 調(diào)制的OFDMA-WLAN 信號(hào)的精確解調(diào)。

1   資源單位（resource unit）

在802.11ax 中，一個(gè)最小的時(shí)頻單位為RU，RU是一個(gè)相對(duì)的概念，即存在很多種不同大小的RU，如表1 所示，一共定義了6 種RU 類型，分別是26、52、106、242、484 和996 個(gè)子載波。

2   HE PPDU格式

802.11ax 中定義了4 種HE PPDU 格式：HE SUPPDU、HE MU PPDU、HE ER SU PPDU 和HE TBPPDU，本文針對(duì)HE SU PPDU 幀格式類型進(jìn)行算法方案設(shè)計(jì)，幀格式如圖1 所示。

圖1 HE SU PPDU格式

3   算法描述

本文針對(duì)160 MHz帶寬下1024 QAM調(diào)制的OFDMAWLAN信號(hào)設(shè)計(jì)了一種精確解調(diào)分析的方法， 為OFDMA-WLAN 信號(hào)分析提供更為精確的頻偏矯正及解調(diào)算法。為針對(duì)通信多模分析儀提供高精度的OFDMA-WLAN 解調(diào)功能，本文采取如下技術(shù)方案：一種時(shí)頻域相結(jié)合頻偏矯正方法實(shí)現(xiàn)大帶寬下高階調(diào)制OFDMA-WLAN 信號(hào)的解調(diào)裝置。它包含10 個(gè)模塊：變速率采樣模塊、信號(hào)同步模塊、粗頻偏估計(jì)模塊、細(xì)頻偏估計(jì)模塊、信號(hào)解析模塊、FFT 模塊、信道估計(jì)模塊、相位跟蹤模塊、相偏矯正模塊、解調(diào)處理模塊。具體按圖2 步驟進(jìn)行。

1）變速率采樣：根據(jù)測(cè)試需求，接收到的OFDMAWLAN信號(hào)并不是需要的采樣率，根據(jù)不同的帶寬（20 MHz/40 MHz/80 MHz/160 MH），通過變速率采樣可以得到和幀結(jié)構(gòu)匹配的采樣率。

2）信號(hào)同步：根據(jù)測(cè)試需求，利用短訓(xùn)練序列的相關(guān)性找到信號(hào)的物理幀起始點(diǎn)。

3）粗頻偏估計(jì)：OFDMA-WLAN 信號(hào)通過信道后，在時(shí)域中采用了短訓(xùn)練序列和長(zhǎng)訓(xùn)練序列的相關(guān)性進(jìn)行粗頻偏估計(jì)。

4）細(xì)頻偏矯正：運(yùn)用長(zhǎng)訓(xùn)練序列進(jìn)行細(xì)頻偏估計(jì)。

5）字段解析：HE-SIGA字段中包含DATA 長(zhǎng)度、調(diào)制方式、編碼方式、GI 長(zhǎng)度，HE-LTF格式等信息，得到SIGNAL 字段后，需要通過FFT、信道估計(jì)、信道均衡、解交織、維特比譯碼和CRC 校驗(yàn)等。

6）FFT：FFT 模塊主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段FFT 變換，以得到頻域信號(hào)，是OFDMA 信號(hào)最重要的處理過程之一，根據(jù)不同的HE-LTF，要對(duì)其做不同的處理。

7）信道估計(jì)：根據(jù)不同的HE-LTF 格式，在1X HE LTF 和2X HE LTF 中，信道矩陣還需要進(jìn)行頻域插值，1X HE LTF 要進(jìn)行4 倍插值，2X HE LTF 要進(jìn)行2倍插值，以得到信道估計(jì)矩陣；得到信道估計(jì)矩陣之后，對(duì)DATA 段進(jìn)行信道均衡。

8）相位跟蹤及補(bǔ)償：本裝置運(yùn)用信號(hào)中的導(dǎo)頻點(diǎn)進(jìn)行相位跟蹤，并運(yùn)用導(dǎo)頻點(diǎn)進(jìn)行相位跟蹤及補(bǔ)償。

9）信號(hào)解調(diào)：解調(diào)處理單元主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到測(cè)試結(jié)果。

4   仿真及實(shí)例應(yīng)用

選取WLAN 的信號(hào)帶寬為160 MHz，調(diào)制方式為1024 QAM，HE LTF 的格式為4X HELTF，通過本文的方法可準(zhǔn)確解調(diào)出該信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)及指標(biāo)，圖3 是1024 QAM 的星座圖。

圖3 160 MHz帶寬1024 QAM OFDMA-WLAN調(diào)制信號(hào)的解調(diào)結(jié)果

5   結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了大帶寬高階調(diào)制下OFDMAWLAN信號(hào)的基帶信號(hào)的解調(diào)，信號(hào)經(jīng)過變速率采樣、信號(hào)同步、粗頻偏估計(jì)、細(xì)頻偏估計(jì)、信號(hào)解析、FFT、信道估計(jì)、相位跟蹤、相偏矯正、解調(diào)處理算法解調(diào)后，解調(diào)算法已成功應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量當(dāng)中，測(cè)量指標(biāo)穩(wěn)定，算法可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳偉.IEEE 802.11ax調(diào)度與資源分配算法研究[J].軟件,2016,37(10):59-63.

[2] 譚凱,彭端.WLAN新標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ax[J].廣東通信技術(shù),2015(10):50-53.

[3] Wireless LAN medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications amendment 1:Enhancements for high efficiency WLAN.IEEE P802.11ax/D5.0[S].2019.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）