一种大带宽高阶调制802.11ax信号高精度分析算法研究

作者简介：陈凤林（1990—），男，汉族，安徽蚌埠，硕士，工程师，专业：移动通信。

IEEE802.11ax 是近两年兴起的高效无线网络（High-Efficiency Wireless-HEW），可通过一系列系统特性和多种机制增加系统容量，以更好的一致覆盖和减少空口介质拥塞来改善Wi-Fi 网络的工作方式，使用户获得最佳体验；尤其在密集用户环境中，可为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量，其目标是将用户的平均吞吐量提高至少4 倍，也就是说，意味着基于802.11ax 的Wi-Fi 网络具有前所未有的高容量和高效率。

802.11ax 标准在物理层导入了多项大幅变更，依旧向下兼容802.11a/b/g/n/ac 设备。802.11ax 新增多种关键技术中包括OFDMA、MU-MIMO、1024-QAM、Spatial Reuse、BBS Coloring，其中OFDMA 是通过将子载波子集分配给不同用户且在OFDM 系统中添加多址的方法，允许同时提供给具有不同带宽需求的多个用户，从而有效利用可用频谱。

目前，WLAN 物理层面临以下几个问题：无线传输介质有严格的带宽限制和频率规则；与有线局域网相比，WLAN 的通信环境比较恶劣；信号随时间和空间等多种路径衰减；不可避免地要受到一些无线和非无线设备的干扰。因此WLAN 的信号质量都会影响WLAN 信号的解调可靠性。

本文提出一种时频域相结合频偏矫正方法，可实现160 MHz 带宽下1024 QAM 调制的OFDMA-WLAN 信号的精确解调。

1   资源单位（resource unit）

在802.11ax 中，一个最小的时频单位为RU，RU是一个相对的概念，即存在很多种不同大小的RU，如表1 所示，一共定义了6 种RU 类型，分别是26、52、106、242、484 和996 个子载波。

2   HE PPDU格式

802.11ax 中定义了4 种HE PPDU 格式：HE SUPPDU、HE MU PPDU、HE ER SU PPDU 和HE TBPPDU，本文针对HE SU PPDU 帧格式类型进行算法方案设计，帧格式如图1 所示。

图1 HE SU PPDU格式

3   算法描述

本文针对160 MHz带宽下1024 QAM调制的OFDMAWLAN信号设计了一种精确解调分析的方法， 为OFDMA-WLAN 信号分析提供更为精确的频偏矫正及解调算法。为针对通信多模分析仪提供高精度的OFDMA-WLAN 解调功能，本文采取如下技术方案：一种时频域相结合频偏矫正方法实现大带宽下高阶调制OFDMA-WLAN 信号的解调装置。它包含10 个模块：变速率采样模块、信号同步模块、粗频偏估计模块、细频偏估计模块、信号解析模块、FFT 模块、信道估计模块、相位跟踪模块、相偏矫正模块、解调处理模块。具体按图2 步骤进行。

1）变速率采样：根据测试需求，接收到的OFDMAWLAN信号并不是需要的采样率，根据不同的带宽（20 MHz/40 MHz/80 MHz/160 MH），通过变速率采样可以得到和帧结构匹配的采样率。

2）信号同步：根据测试需求，利用短训练序列的相关性找到信号的物理帧起始点。

3）粗频偏估计：OFDMA-WLAN 信号通过信道后，在时域中采用了短训练序列和长训练序列的相关性进行粗频偏估计。

4）细频偏矫正：运用长训练序列进行细频偏估计。

5）字段解析：HE-SIGA字段中包含DATA 长度、调制方式、编码方式、GI 长度，HE-LTF格式等信息，得到SIGNAL 字段后，需要通过FFT、信道估计、信道均衡、解交织、维特比译码和CRC 校验等。

6）FFT：FFT 模块主要对信号进行分段FFT 变换，以得到频域信号，是OFDMA 信号最重要的处理过程之一，根据不同的HE-LTF，要对其做不同的处理。

7）信道估计：根据不同的HE-LTF 格式，在1X HE LTF 和2X HE LTF 中，信道矩阵还需要进行频域插值，1X HE LTF 要进行4 倍插值，2X HE LTF 要进行2倍插值，以得到信道估计矩阵；得到信道估计矩阵之后，对DATA 段进行信道均衡。

8）相位跟踪及补偿：本装置运用信号中的导频点进行相位跟踪，并运用导频点进行相位跟踪及补偿。

9）信号解调：解调处理单元主要对数据进行处理，以得到测试结果。

4   仿真及实例应用

选取WLAN 的信号带宽为160 MHz，调制方式为1024 QAM，HE LTF 的格式为4X HELTF，通过本文的方法可准确解调出该信号的各项参数及指标，图3 是1024 QAM 的星座图。

图3 160 MHz带宽1024 QAM OFDMA-WLAN调制信号的解调结果

5   结束语

本文设计并实现了大带宽高阶调制下OFDMAWLAN信号的基带信号的解调，信号经过变速率采样、信号同步、粗频偏估计、细频偏估计、信号解析、FFT、信道估计、相位跟踪、相偏矫正、解调处理算法解调后，解调算法已成功应用于实际测量当中，测量指标稳定，算法可靠。

参考文献：

[1] 陈伟.IEEE 802.11ax调度与资源分配算法研究[J].软件,2016,37(10):59-63.

[2] 谭凯,彭端.WLAN新标准IEEE 802.11ax[J].广东通信技术,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.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年12月期）