一種大帶寬高階調制802.11ax信號高精度分析算法研究

作者簡介：陳鳳林（1990—），男，漢族，安徽蚌埠，碩士，工程師，專業：移動通信。

IEEE802.11ax 是近兩年興起的高效無線網絡（High-Efficiency Wireless-HEW），可通過一系列系統特性和多種機制增加系統容量，以更好的一致覆蓋和減少空口介質擁塞來改善Wi-Fi 網絡的工作方式，使用戶獲得最佳體驗；尤其在密集用戶環境中，可為更多的用戶提供一致和可靠的數據吞吐量，其目標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 網絡具有前所未有的高容量和高效率。

802.11ax 標準在物理層導入了多項大幅變更，依舊向下兼容802.11a/b/g/n/ac 設備。802.11ax 新增多種關鍵技術中包括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 系統中添加多址的方法，允許同時提供給具有不同帶寬需求的多個用戶，從而有效利用可用頻譜。

目前，WLAN 物理層面臨以下幾個問題：無線傳輸介質有嚴格的帶寬限制和頻率規則；與有線局域網相比，WLAN 的通信環境比較惡劣；信號隨時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備的干擾。因此WLAN 的信號質量都會影響WLAN 信號的解調可靠性。

本文提出一種時頻域相結合頻偏矯正方法，可實現160 MHz 帶寬下1024 QAM 調制的OFDMA-WLAN 信號的精確解調。

1   資源單位（resource unit）

在802.11ax 中，一個最小的時頻單位為RU，RU是一個相對的概念，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HE SU PPDU 幀格式類型進行算法方案設計，幀格式如圖1 所示。

圖1 HE SU PPDU格式

3   算法描述

本文針對160 MHz帶寬下1024 QAM調制的OFDMAWLAN信號設計了一種精確解調分析的方法， 為OFDMA-WLAN 信號分析提供更為精確的頻偏矯正及解調算法。為針對通信多模分析儀提供高精度的OFDMA-WLAN 解調功能，本文采取如下技術方案：一種時頻域相結合頻偏矯正方法實現大帶寬下高階調制OFDMA-WLAN 信號的解調裝置。它包含10 個模塊：變速率采樣模塊、信號同步模塊、粗頻偏估計模塊、細頻偏估計模塊、信號解析模塊、FFT 模塊、信道估計模塊、相位跟蹤模塊、相偏矯正模塊、解調處理模塊。具體按圖2 步驟進行。

1）變速率采樣：根據測試需求，接收到的OFDMAWLAN信號并不是需要的采樣率，根據不同的帶寬（20 MHz/40 MHz/80 MHz/160 MH），通過變速率采樣可以得到和幀結構匹配的采樣率。

2）信號同步：根據測試需求，利用短訓練序列的相關性找到信號的物理幀起始點。

3）粗頻偏估計：OFDMA-WLAN 信號通過信道后，在時域中采用了短訓練序列和長訓練序列的相關性進行粗頻偏估計。

4）細頻偏矯正：運用長訓練序列進行細頻偏估計。

5）字段解析：HE-SIGA字段中包含DATA 長度、調制方式、編碼方式、GI 長度，HE-LTF格式等信息，得到SIGNAL 字段后，需要通過FFT、信道估計、信道均衡、解交織、維特比譯碼和CRC 校驗等。

6）FFT：FFT 模塊主要對信號進行分段FFT 變換，以得到頻域信號，是OFDMA 信號最重要的處理過程之一，根據不同的HE-LTF，要對其做不同的處理。

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

8）相位跟蹤及補償：本裝置運用信號中的導頻點進行相位跟蹤，并運用導頻點進行相位跟蹤及補償。

9）信號解調：解調處理單元主要對數據進行處理，以得到測試結果。

4   仿真及實例應用

選取WLAN 的信號帶寬為160 MHz，調制方式為1024 QAM，HE LTF 的格式為4X HELTF，通過本文的方法可準確解調出該信號的各項參數及指標，圖3 是1024 QAM 的星座圖。

圖3 160 MHz帶寬1024 QAM OFDMA-WLAN調制信號的解調結果

5   結束語

本文設計并實現了大帶寬高階調制下OFDMAWLAN信號的基帶信號的解調，信號經過變速率采樣、信號同步、粗頻偏估計、細頻偏估計、信號解析、FFT、信道估計、相位跟蹤、相偏矯正、解調處理算法解調后，解調算法已成功應用于實際測量當中，測量指標穩定，算法可靠。

參考文獻：

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

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[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《電子產品世界》雜志2021年12月期）