应急通信无线局域网OFDM关键技术研究

【摘要】： 应急通信在保障战备、抢险救灾和通信网故障时,能临时、机动地提供应急服务的通信方式。在现代应急通信系统中,为了实时的掌握现场的状况,对图像、视频信号的传输提出了更高的要求,用无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN)技术通过移动车载台接入Internet网络的方法在应急通信中得到越来越广泛的应用,针对应急通信系统复杂的信道条件,弹性的带宽要求,能提供高传输速率、抗多径干扰能力强的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术成为了应急无线局域网采选用的主流技术。 由于存在有多个正交子载波,OFDM技术在实用化过程中,涉及到许多技术问题,本学位论文基于应急无线局域网,围绕OFDM系统,重点研究OFDM无线网络的同步、信道估计和降低峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)等关键技术,包括改进延时自相关算法、基于噪声子空间和信号子空间的信道估计技术矩阵实现方法,以及基于改进ACE-POCS ( Active Constellation Extension-Projection Onto Convex Sets,ACE-POCS)算法的PAPR改善技术。作为前提和基础,本文首先给出了应急无线网络模型;分析了OFDM系统模型,详细阐述了OFDM系统的特点,并基于无线局域网802.11a标准进行分析和仿真,研究相应系统参数对系统性能的影响。 应急无线局域网信道条件复杂,需要在保证估计精度的前提下,同步算法频偏估计范围尽可能大,本文通过分析已有的同步算法,提出采用半周期算法完成频率粗同步,该算法通过减小相关窗口宽度,计算短训练符号内部的相关性实现,不但减少了计算量,而且相对于传统的延时自相关算法,将频偏估计范围扩大了一倍。以两步同步法完成系统同步,即以频率粗同步算法结合频率细同步完成频率同步,保证了频偏估计精度,解决了频偏范围与估计精度之间的矛盾,仿真结果表明,该算法适合于应急无线网络复杂的信道条件,具有较好的应用价值。 应急通信系统对频道利用效率要求较高,需要快速有效的实现信道估计,即需要在保证估计准确率的条件下,降低算法复杂度。本文通过对信号子空间和噪声子空间的分析,提出一种基于子空间理论的OFDM信道估计算法,并给出了一种新的低阶秩选取准则,仿真结果表明,该算法对各种工作环境具有适应性,适合应急无线局域网条件;基于该算法,将信道自相关矩阵的奇异值分解转化为实对称矩阵的奇异值分解,采用并行Jacobi算法完成矩阵的对角化过程,以降低算法复杂度,并给出了CORDIC处理器件的硬件设计方案,该方案占用系统资源少,运算速度快,具有实用化前景。 应急无线局域网需要采用不影响系统误码率的峰均比改善措施,本文在分析现有的OFDM系统峰均比改善措施的基础上,以不影响系统误码率的ACE算法为研究对象,给出了数学模型,改进了实用化的ACE-POCS算法,仿真结果表明,该算法通过对星座图的重构,能够大大加快ACE-POCS算法的收敛速度;研究权值Jaccobian矩阵对PAPR的影响,基于改进ACE-POCS算法和与权值Jaccobian矩阵,提出了两步PAPR改进算法,即以改进ACE-POCS算法进行粗逼近系统PAPR门限,再以权值Jaccobian矩阵算法进行精调整,使得系统PAPR完全降到设置门限以下,仿真结果表明,该算法能在保证系统误码率的前提下,满足应急无线局域网低峰均比输出的要求。