林 健，赵 利

（桂林电子科技大学 通信与信息学院，广西 桂林 541004）

非视距环境下COFDM系统传输模式的适应性研究

林 健，赵 利

（桂林电子科技大学 通信与信息学院，广西 桂林 541004）

编码正交频分复用（Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，COFDM）技术在数字视频广播、森林防火和城市的道路监控等图像传输领域的应用越来越广泛，这些应用环境主要是城区和山区。不同的非视距环境具有不同的传播特性，因此需要选择合适的COFDM系统参数来适应相应信道特性。采用MATLAB软件搭建COST207非视距信道仿真平台，对多种传输参数模式进行仿真和性能分析，通过对误码率和频谱利用率的评估，确定满足要求的系统参数，从而使不同的非视距信道环境和不同系统传输模式间达到最佳的适配效果。仿真结果表明，不同的信道环境和不同的传输模式达到了很好的适配，达到了设计的要求。

COFDM；多传输模式；非视距；COST207

0 引言

不同于传统的单载波调制技术，正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM）将系统的带宽分为许多子载波进行并行传输，可以降低每个子载波的符号传输速率，使符号持续时间变长，因而对时延扩展有较强的抵抗力。OFDM良好地解决了多径环境中的信道选择性衰落，但对信道平坦性衰落，尚未得到较好的克服。而COFDM是OFDM与信道编码的结合，具备了OFDM所有优点的同时通过差错控制编码，使得传输时各单元码信号受到的衰落可认为统计独立，从而消除平坦性衰落和多普勒频移的影响。因此，COFDM系统在数字视频广播（DVB）［1］、数字音频广播（DAB）和视频监控等高速无线图像传输领域有很大的优势。

对于建筑物密集城区和地形环境恶劣的山区等通信环境，由于受地形、地物等环境因素的制约，无线信号只能以非视距方式传播，对COFDM系统性能产生很大的影响。不同的非视距（NLOS）环境具有不同的传播特性，为了适应各种非视距（NLOS）传输信道特性，满足系统传输性能的要求，选择合适的COFDM系统参数至为关键。在对非视距信道以及COFDM系统参数与特性分析的基础上，按照高清视频传输性能的基本要求，以误码率和频谱利用率为准则，设计了多种COFDM非视距传输模式以及相应的系统参数。采用MATLAB软件搭建COST207非视距仿真信道［2］以及COFDM系统仿真平台，对多种传输参数模式的COFDM系统进行仿真和性能分析，通过对误码率和频谱利用率的评估，确定满足性能要求的COFDM传输模式与系统参数，从而使不同的非视距信道环境和不同COFDM系统传输模式间达到最佳的适配效果。

1 非视距信道模型

1.1 非视距信道

当移动台与基站之间的直射路径被障碍物挡住后，无线电波只能在经过反射和衍射后到达接收端，这种现象被称为非视距传播（NLOS），对应的信道为非视距信道。为了研究非视距环境下的无线电波传播的特点，提出各种非视距传播的信道模型，例如COST207信道模型、COST231信道模型和SUI信道模型等，这些信道模型已在移动网络的无线规划中得到了广泛应用。考虑到在高清视频传输领域应用中COFDM通信系统的NLOS传播环境，故选取了COST207信道模型中的COST207 RA（远郊）、COST207 TU（城区）2种典型的非视距信道作为系统的仿真信道模型。

1.2 COST207信道模型

COST207是针对GSM通信系统的各种传播环境而开发的信道模型［3］，该模型分为适用于远郊地区（RA）、典型城区（TU）、恶劣城区（BU）和多山地区（HT）4种非视距环境。为仿真COFDM通信系统在视频图像监控领域的信道环境，选取了远郊地区（RA）和典型城区（TU）2种非视距信道环境。

COST207信道的时延功率谱密度函数为：

COST207信道的冲击响应模型为：

式中，L为离散传输路径数；al为延迟稀疏，是实数；τl为离散的传输延时。al和τl决定了频率选择性衰落信道的时延功率谱密度，从而决定了衰落信道的特性［4］。COST207信道模型的3种NLOS信道模型参数如表1所示。

表1 COST207信道模型的特性

2 COFDM传输系统结构及传输模式筛选

2.1 COFDM系统结构

COFDM系统主要包括信道编/译码器和OFDM调制解调器2部分。在COFDM发送端，数据通过级联码（卷积码和RS码）编码器［5］进行信道编码后，再进行交织处理，经过MQAM调制器进行映射，映射后借助于快速傅里叶变换（IFFT）处理器，把信号调制到多个正交的并行子载波上，然后再调制到射频载波，通过无线发射机发射出去，而接收端是发送端的逆过程。COFDM系统收发的结构框图如图1所示。

图1 COFDM系统收发的结构

2.2 COFDM系统性能与参数的分析

在COFDM系统中，主要的系统参数有编/译码方式及码率、QAM调制阶数［6］、子载波数量、保护间隔和系统带宽等。COFDM系统的各项参数的选择是在满足一定系统性能指标要求的前提下，在多项性能指标的矛盾冲突中折衷权衡，综合考虑而确定的［7］。因此，对于NLOS传播环境，确定适应不同的NLOS信道环境下的最优传输模式及系统参数至关重要。文中衡量COFDM系统的主要性能指标有信息传输速率Rb、误码率ηBER和频谱利用率等。

在选择好相应的NLOS信道模型后，信道时延参数Δ随之确定，信道时延Δ将直接决定保护间隔Tg的大小，保护间隔Tg的长度一般应为信道时延参数Δ值的2～4倍，保护间隔太长会使码元传输效率降低，保护间隔太短将无法起到避免符号间串扰的作用。

一个OFDM符号周期Ts包含有用信息长度Tu和保护间隔Tg。有用信息的长度Tu太短，信息传输效率将会降低；有用信息的长度Tu太长，子载波间隔Td=1/Tu会相应减小，使系统对频率偏差会更加敏感，系统的实现复杂度就会增加。因此，在实际应用当中，有用信息所持续的时间Tu通常为保护间隔Tg的4～5倍。

确定了OFDM符号中有用信息的时间长度Tu后，OFDM符号周期Ts也随之确定了。每个子载波信道传输的比特速率可以由调制类型、调制阶数和编码速率等系统参数来确定，子载波的数量K可以利用系统的的信息传输速率Rb除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。系统带宽B可以由子载波的数量乘以子载波间隔计算得出。

2.3 系统模式及参数的初步筛选

通过对720P高清视频进行H.264视频编码和压缩后的数据进行计算和分析得知，传输高清视频数据需要20Mbps左右的信息传输速率。以此应用需求为前提条件，对4种非视距信道环境下的系统工作模式及参数进行初步分析［9］和筛选。

筛选的原则为控制变量法，控制其中1个或2个变量的参数值不变，在满足20Mbps信息传输速率的前提下，从而筛选出满足条件的另外变量的参数值。以非视距信道模型COST207中典型城区为例进行说明，典型城区环境的时延扩展Δ=0．98μs，选取保护间隔为时延扩展的4倍，则保护间隔［10］为：

选取一个OFDM符号中有用信息的时间长度Tu为保护间隔Tg的4倍，则

系统的子载波间隔为：

一个OFDM符号周期Ts包含有用信息的长度Tu和保护间隔Tg之和，则

COFDM通信系统为传输720P即分辨率为（1 080∗720）的高清图像数据需要20Mbps左右的信息传输速率，则每个OFDM符号需要传输的比特数为：

控制其中2个变量的参数值不变，从而求出另外一个满足条件的变量的参数值。若选取编码码率为1/2，调制阶数为16QAM的情况下，则每条子载波可以传输1/2×4 bit=2 bit，要满足每个OFDM符号传输392 bit的信息传输速率，子载波数量要大于392/2=196条，所以子载波数量选取256条。同理，其他编码码率、调制阶数和子载波数量可以相互搭配来满足传输速率。

系统带宽为子载波数量乘以子载波间隔为：

为满足COFDM系统20Mbps左右的信息传输速率，按照上述方法筛选出满足条件的几种传输模式［11］，相应的系统参数如表2所示。

表2 初步筛选的系统参数模式

3 性能仿真与分析

3.1 系统性能仿真结果

采用Matlab仿真软件搭建COST207非视距仿真信道以及COFDM系统仿真平台，对9种传输参数模式的COFDM系统进行仿真和性能分析。3种非视距信道环境下的COFDM系统性能仿真结果如图2和图3所示。

图2 COST207远郊地区信道模型仿真

由图2可见，在COST207远郊地区信道条件下，由于信道环境不是很恶劣，故各个传输模式整体误码率较低，各个传输模式的误码率相差别较大，模式1（BPSK，R=1/2）是最低的调制阶数和最高的编码码率，故性能最好远低于10－4＠SNR=20 dB，但是频带利用率最低，资源浪费较严重；模式2（QPSK，R=1/2）的误码率略低于模式4（BPSK，R=2/3）的误码率，模式5（QPSK，R=2/3）的误码率略低于模式7（BPSK，R=3/4）的误码率，说明在此信道环境下较高的编码码率有更好的性能，模式3（16QAM，R=1/2）、模式6（16QAM，R=2/3）和模式9（16QAM，R=3/4）都是16QAM调制，故误码率比较高，系统性能较差。

图3 COST207典型城区信道模型仿真

由图3可见，在COST207典型城区信道条件下，信道环境相比远郊地区要恶劣一些，各个传输模式整体误码率较高，模式1（BPSK，R=1/2）的性能最为优异，但频带利用率最低。而在典型城区环境下，模式4（BPSK，R=2/3）的误码率低于模式2（QPSK，R=1/2）的误码率，模式7（BPSK，R=3/4）的误码率要略低于模式5（QPSK，R=2/3）的误码率，说明在此信道环境下具有低阶调制系数的传输模式性能更佳。模式3（16QAM，R=1/2）、模式6（16QAM，R=2/3）和模式9（16QAM，R=3/4）的误码率［10］要高于10－2＠SNR=20 dB。

3.2 系统性能及参数与NLOS信道特性的适配与分析

为了满足高清视频非视距无线传输的要求，在信噪比优于20 dB的条件下，系统误码率应该优于10－4。从无线传输的角度看，频带利用率越高，则系统占用的频率资源越少。因此，在COST207非视距传播的环境下，COFDM系统参数与模式的选择准则为，首先要满足信息传输速率优于20Mbps的要求，然后传输误码率必须优于10－4＠SNR=20 dB，最后频带利用率最高的传输模式为最佳适配方案。

根据COST207远郊地区、COST207典型城区和COST207山区非视距信道环境下，9种传输模式的COFDM系统的仿真结果，分别读取20 dB信噪比下的误码率数据，并以误码率是否低于10－4作为系统性能是否满足要求的基准。同时，计算各种传输模式的系统频带利用率，用于选取系统性能及参数与NLOS信道特性的最佳适配模式。根据系统参数及仿真结果，2种非视距环境下COFDM系统适配性相关数据如表3和表4所示。

表3 COST207远郊地区环境下不同模式的适配性数据

表4 COST207典型城区环境下不同模式的误码率数据

从表3和表4中可以看出，非视距信道COST207典型城区信道模型比COST207远郊地区信道模型的环境要恶劣。按照COFDM系统参数与模式的选择准则，在满足信息传输速率的条件下，以20 dB信噪比为基准，评判各种NLOS信道条件下COFDM系统误码率是否优于10－4，并根据频带利用率［12］大小确定最佳的适应模式。

在COST207远郊地区信道模型中，模式1、2、4、5、7、8的误码都低于10－4性能达到要求，但是模式8的频谱利用率最高。因此在满足图像在信息传输速率和误码率在前提下，模式8是COST207远郊地区信道的最佳适配模式。

在COST207典型城区信道模型中，模式1、2、4的误码都低于10－4性能达到要求，但是模式2的频谱利用率最高。因此在满足图像在信息传输速率和误码率在前提下，模式2是COST207典型城区信道的最佳适配模式。

4 结束语

通过对非视距环境下的COFDM系统传输模式的信道适应性研究，从而可以确定满足设计要求的COFDM系统参数，使不同的非视距信道环境与不同COFDM系统传输模式间达到最佳的适配效果。研究结果表明，与各种NLOS信道适配的关键是在满足性能要求的条件下选择合适的COFDM系统参数。研究成果对非视距传输环境下的高速图像传输等产品的开发可以提供重要的设计参考价值。

［1］ 杨知行，王昭诚.下一代地面数字电视广播系统关键技术［J］.电视技术.2011，35（8）：22－27.

［2］ 成茂荣.基于Matlab平台的OFDM系统仿真分析［D］.西安：西安电子科技大学，2008：36－45.

［3］ 成 澜.无线信道仿真与建模［D］.苏州：苏州大学，2008：116－145.

［4］ 姜 淼.高速环境下的无线信道特性分析与建模研究［D］.北京：北京邮电大学，2012.

［5］ 罗 骥，袁东风，吴大雷.COST207频率选择性信道下实现多级编码和空时编码的级联方案［J］.通信学报，2005，26（6）：34－45.

［6］ 阎 波，程 辉，刘学林.高速数据调制解调技术［J］.无线电通信技术，2003，29（3）：54－57.

［7］ 王志杨.OFDM系统设计与仿真［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006：98－108.

［8］ 佟学俭.OFDM移动通信技术原理与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2003：101－103.

［9］ 杨国庆，苏 凤.基于循环前缀的OFDM同步算法研究［J］.无线电通信技术，2012，38（3）：39－42.

［10］ 王博文，郑侃编.宽带无线通信OFDM技术［M］.西安：人民邮电出版社，2007：201－207.

［11］ WU Y，CHOU P A，KUNG S Y.Minimum-energy Multicast in Mobile Ad Hoc Networks Using Network Cod-ing［J］.IEEE Journals＆Magazines，2005，53（11）：1 906－1 918.

［12］ KERMOAL JP，SCHUMACHER L，MOGENSEN P E，et al.Experimental Investigation of Correlation Properties of MIMO Radio Channels for Indoor Picocell Sccenarios［J］. IEEE-VTSFallVTC，2000，1（9）：14－21.

Research on Suitability of Transmission Mode for COFDM Systems Under NLOS Channel Environment

LIN Jian，ZHAO Li
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi541004，China）

Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing（COFDM）technology iswidely used in image transmission for digital video broadcasting，forest fire prevention and urban roadmonitoring.These applications aremainly urban andmountainous areas.Different NLOSenvironments have differentpropagation characteristics.Appropriate COFDM system parameters are chosen to adapt channel characteristics accordingly.MATLAB software is used to build COST207 NLOS channel emulation platform for a variety of transmission parametermode simulation and performance analysis.Bit error rate and spectral efficiency are evaluated to determine the requirement meeting system parameters，so that different NLOS interchannel environments and different systems achieve the best transmissionmode adaptation effect.Simulation results show thatdifferent channel environments and different transportmodes to achieve a good adaptation，reaching the design requirement.

COFDM；Themulti-transportmode；NLOS；COST207

TN911

A

1003－3106（2015）09－005－04

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.02

林 健，赵 利.非视距环境下COFDM系统传输模式的适应性研究［J］.无线电工程，2015，45（9）：5－8，33.

林 健男，（1989—），硕士研究生。主要研究方向：移动通信及网络。

2015-06-09

赵 利男，（1965—），教授。主要研究方向：移动通信及网络。