基于IEEE 802.11be 标准的高阶调制信号的解调算法分析*

张 翔，江 丹

（1.中电科思仪科技（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010；2.中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛 266000；3.电子测量仪器技术蚌埠市技术创新中心，安徽 蚌埠 233010）

0 引言

随着WLAN 技术的发展，Wi-Fi 已成为家庭、企业等场所接入网络的主要方式。尤其是近年来出现的一些新型应用场景对吞吐量和时延的要求越来越高，比如4K 和8K 视频（传输速率可能会达到20 Gbit/s）、VR/AR、游戏（时延要求低于5 ms）、远程办公、在线视频会议和云计算等。虽然最新发布的Wi-Fi 6 和Wi-Fi 6E 已经重点关注了高密场景下的用户体验，但是现有吞吐率和时延面对上述更高要求的场景依旧无法完全满足需求。

作为上一代Wi-Fi 标准IEEE 802.11ax 的升级与改进，IEEE 802.11be 标准采用了4096QAM 高阶调制、大带宽和最高支持16×16 天线等手段，极大地提高了网络的效率和吞吐量[1]。但大带宽高阶调制的引入使得通信信号对于空间环境的影响较为敏感，信号质量的恶化无疑给信号解调方面带来了巨大难度。本文提出了一种基于IEEE 802.11be 标准的相位噪声估计与补偿方法，可实现320 MHz 带宽下4096QAM 调制的Wi-Fi 信号的解调。

1 算法描述

新标准为满足较高的吞吐量[2]，定义了EHT MU 和EHT TRIG[3]两种新物理层协议数据单元（Presentation Protocol Data Unit，PPDU）前导码格式。本文针对EHT MU 帧格式类型进行算法方案的设计，帧格式如图1 所示。其中前导序列中的L-STF主要用于进行帧同步，以及定位信号的物理帧起始点；L-LTF 用于载波频偏估计与补偿；L-SIG 用于传输MCS、Length 和奇偶校验位；RL-SIG 主要用于区分是否为Wi-Fi 6/Wi-Fi 7 信号；U-SIG 主要承载带宽和EHT-SIG 符号数；EHT-SIG 主要包含编码调制信息；EHT-STF 主要用作MIMO 传输中提升AGC 性能；EHT-LTF 主要用作信道估计；Data为数据字段，承载业务数据；PE 为扩展字段，为接收机争取更多处理时间。

图1 EHT MU PPDU 格式

本文提出基于IEEE 802.11be 标准的高阶调制信号的解调算法，其信号解析流程如图2 所示，主要步骤如下：

图2 信号解析流程

（1）Wi-Fi 信号同步：根据IEEE 802.11be 协议生成理想的前导序列，基于L-STF 中包含的前导序列与接收信号进行相关性检测，获取信号帧起始点。

（2）载波频偏估计与补偿：利用前导序列中的L-LTF 计算载波频率误差，并进行频偏补偿。

（3）相位追踪与补偿：利用Data 字段导频信号进行相位跟踪，并进行行为补偿。

（4）信号解调：对频偏、相位补偿后的信号进行解调，验证算法效果。

2 基于L-STF 相关的帧同步

L-STF 包含的m序列具有伪随机特性，其很好的自相关特性可以实现信号帧的精确同步，即：

因此，根据m序列的特点[4]，可以采用相关性的方法对帧信号进行同步，具体方法如下：

式中：sL-STF[n]为根据IEEE 802.11be 标准生成的理想L-STF 信号；r[n]为接收端时域信号。图3 为SNR=20 dB 时基于L-STF 相关同步的结果。为了验证不同信噪比下算法的检测性能，通过在原始信号上添加高斯白噪声，进行1 000 次蒙特卡洛统计，结果如图4 所示。

图3 L-STF 相关同步

图4 不同信噪比下检测概率

从图3 可以看出，基于L-STF 相关的同步算法能够检测出比较明显的峰值点。从图4 可以看出，算法在SNR为-16 dB 时仍然有70%的检测成功率，在SNR为-7 dB 时，检测成功率趋向于100%。

3 信道估计与相位追踪

信号在无线信道中传输受到空间路径损耗及其他干扰损耗，同时受到射频器件系统内的热噪声引起的相位噪声干扰，严重影响了接收端的信号质量。

3.1 基于EHT-STF 字段的信道估计

图5 给出了20 MHz EHT RU 频域位置，其中EHT-STF 由M序列组成，则有：

图5 20 MHz EHT RU 频域位置

针对20 MHz 带宽，其频域序列EHTS 为：

考虑到在进行射频一致性测试时，信号在传输中主要受加性高斯白噪声的影响。为了消除噪声对测量结果的影响，提出一种基于时频域滑动窗均值滤波的信道估计方法[5]。具体分为以下两个步骤。

第1 步：进行LS 信道估计。

式中：Z(t,f)为Data 字段的频域导频子载波；I(t,f)为本地理想EHT-STF 信号。将其写成幅值和相位的形式：

然后，计算L-LTF 字段中的连续两个OFDM符号，求出信道的频率响应矩阵HL-LTF1和HL-LTF2。根据公式（8）计算载波频率误差∆f，并利用∆f进行载波频偏补偿，补偿前后的效果如图6 所示。∆f的计算式为：

图6 1024QAM 频偏补偿

3.2 基于导频信号的相位噪声估计

IEEE 802.11be 标准将6 GHz 频点和4096QAM调制方式引入，相位噪声将会严重影响信号的解调[6]。针对3GPP 给出的相位噪声模型，图7 分别仿真了2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 下的相位噪声幅度响应图。

图7 相位噪声幅度响应

Data 字段在频域上包含稀疏的导频信号，图8分别给出了不同带宽下的导频资源分布，基于这些导频信号，对信号相位噪声进行估计。

图8 Data 字段导频分布

受相位噪声影响，经过信道估计后式（8）中的φ(f)将包含噪声θ(f,t)，即：

可以利用Data 字段的Pilot RU 对每个OFDM符号的相位噪声进行估计，即：

经过补偿的信道频率响应为：

针对所提算法，图9 给出了在5 GHz 频点，调制方式设定为1024QAM 时，相位噪声补偿前后的解调星座图。

图9 1024QAM 相位补偿

4 仿真结果分析

在本节中，采用320 Mbit/s 带宽、4 096QAM调制方式的Wi-Fi 信号解调为例，对本文方法进行仿真验证，使用本文方法获取Wi-Fi 信号帧起始点，进而对信号进行解析，验证结果如图10 所示。

图10 4096QAM 调制信号解调

5 结语

本文分析了基于IEEE 802.11be 标准的大带宽高阶调制算法，并通过仿真实验证明该算法能够很好地对高阶调制的Wi-Fi 信号进行频偏补偿和相位噪声估计。