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中山大学硕卜学位论文 w i r e l e s s m a no f d m 系统自适应 传输技术研究 专业：无线电物理 硕士生：李峰 指导教师：秦家银教授、张琳副教授 摘要 随着社会的发展，人们对无线通信的速率要求也越来越高。采用高级的数字 调制方式尽管可以提高传输速率，但仍不能满足高传输速率的需求，因此人们开 展了多载波系统的研究，通过多个子载波同时传输来提高数据传输速率。多径时 延扩展和多普勒频移是无线移动通信面临的两大问题。前者造成信道的频率选择 性衰落，信号的不同频率分量受到不同程度的衰落。后者则造成信道的时变性， 信道冲激响应随时问变化，信号在不同时间可能会受到不同衰落。在多载波通信 系统中，如何克服多径时延扩展和多普勒频移的影响，保证通信的质量，引起人 们的广泛关注。萨交频分复用( o f d m ) 系统是目i ； 发展比较成熟的一种多载波 技术，多径时延扩展使得o f d m 不同频率分量的子载波信道承受不同的衰落。 自适应技术可根据o f d m 子载波的不同信道状况及用户需求来选择合适的传输 参数，比如每个子载波的调制方式，编码方式，发射功率及带宽分配等，使得通 信系统自动根据信道变化进行信号处理，从而提高系统的容量和质量。尽管自适 应技术在c d m a 等无线通信系统中已得到广泛应用，但在实际o f d m 系统中的 应用仍然未见报道。 1 e e es t d8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 是i e e e 8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 4 年发布的一个协议标 准，一般又称为8 0 2 1 6 d 。该标准定义了无线城域网( w i r e l e s s m a nt m ) 空中接 口规范，对2 - 6 6 g h z 频段的空中接口m a c 层和物理层做了详细规定，定义了支 持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相应的多个物理层。在物 理层方面，主要规定了1 0 - 6 6 g h z 的w i r e l e s s - m a ns c 单载波接口和2 1i g h z 摘要 的w i r e l e s s m a no f d m 及w i r e l e s s - m a no f d m a 三种接口类型。因为2 5 6 个 子载波的o f d m 系统具有更低的峰均比，更快的f f t 实现，较低的频偏估计要 求，2 - i l g h z 的w i r e l e s s m a no f d m 系统相对于其它两种方式更受设备提供商 的青睐。 本文研究自适应技术在8 0 2 1 6 d 的w i r e i 鼯s m a no f d m 中的应用。首先， 基于自适应编码和调制技术的w i m l e s s m a no f d m 系统性能( 系统误比特率 ( b e r ) 和吞吐量) 的仿真分析，提出了一种改进的基于s n r 的自适应算法。 其次，针对协议中规定子带中子载波静态划分的不足，提出了一种动态子载波划 分的方法，改善了在高信噪比条件下极限速率传输时系统的吞吐量，同时提高了 恒定速率条件下系统的b e r 性能。最后，本文对o f d m 自适应频域均衡进行了 研究，结果表明：b e r 性能与恒定速率下动态子载波划分系统相近。 关键字：频率选择性，时变，o f d m ，8 0 2 1 6 ，自适应，频域均衡 n ! 坐叁兰堡! ：兰堡堡皇 r e s e a r c ho n a d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s i nw i r e l e s s m a n0 f d m s y s t e m m a j o r ：r a d i op h y s i c s n a m e ：l if e n g s u p e r v i s o r ：p r o f q i nj i a y i n 、a s s o c i a t ep r o f z h a n gl i n a b s t r a c t t h ed e m a n d sf o rh i g h e rd a t ar a t e si n e a s ew i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y u s i n ga d v a n c e dd i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e sc a l li n c r e a s et h ed a t ar a t e si ns o m e d e g r e e ，h o w e v e r , w h i c ha l en o te n o u g h t h em u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o ns y s t e mm a y s u p p l yas o l u t i o nt ot h eq u e s t i o n t h eb a s i cm e t h o do ft h es y s t e mw a st ou s em a n y s u b - c a r r i e r st ot r a n s m i tt h ed a t aa t t h es a m et i m e t i m e - d e l a y s p r e a d i n ga n d d o p p l e r - s h i f ta l et w ob i gp r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ew i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o n i nam u l t i a l n i e rm o d u l a t i o ns y s t e m ，h o wt or e s i s tt h et i m e - d e l a y s p r e a d i n ga n dd o p p l e r - s h i f tt op r o v i d et h eq u a l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e d ， w h i c ha t t r a c tm a n yp e o p l et a k er e s e a l c h e so ni t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sam a t u r e dm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u ea tp r e s e n t t h e o f d ms u b c a r r i e r sa l s oe n c o u n t e rf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gd u et ot h em u l t i - p a t h t i m e - d e l a ys p r e a d i n g u s i n ga d a p t i v et e c h n i q u e si no f d mc a ni m p r o v eb o t ht h e c a p a c i t ya n dq u a l i t yo ft h es y s t e ms i g n i f i c a n t l y a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c h e so nt h e a d a p t i v et e c h n i q u e sf o ro f d m i sm a i n l yo nc h o o s i n gp r o p e rt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t s a c c o r d i n gt ot h ec h a n n e ls t a t e sa n du s e rr e q u i r e s , s u c ha st h em o d u l a t i o n ，c o d i n g , p o w e ra l l o c a t i o n ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o na n ds oo n t h o u g h ta d a p t i v et e c h n i q u e sh a d b e e nw i d e l yu s e di nc d m a s y s t e m ，n o n er e p o r to nt h ep r a c t i c a lu s eo ft h ea d a p t i v e t e c h n i q u ei no f d m i sf o u n d i e e es t d8 0 2 1 6t m 一2 0 0 4w a sap r o t o c o ls t a n d a r dm a d eb yt h ei e e e 8 0 2 1 6 i i i a b s t m e t g r o u p ，w h i c hw a sp u b l i ci n2 0 0 4a n di sa l s oc a l l e d8 0 2 1 6 dp r o t o c 0 1 t h es t d h a s d e f i n e dt h ea i ri n t e r f a c e sf o r t h ew i r e l e s sm e t r o p o l i t a na c c e s sn e t w o r k ( w i r e l e s s m a n ) ，t h ea i ri n t e r f a c e sh a sd e t a i l sa b o u tt h e2 - 6 6 g h zo nt h em a cl a y e r a n d p h y 1 a y e r t h ep h y 1 a y e rs p e c i f i c a t i o n s i n c l u d e ：w i m l e s s m a n s c a ( 1 0 - 6 6 g h z ) ，w i r e l e s s m a no f d m ( 2 1i g h z ) a n dw i r e l e s s - m a no f d m a ( 2 - 11 g h z ) o ft h et h r e ep h y i n t e r f a c e s ，2 5 6 - c a r r i e r st h ew i r e l e s s - m a no f d m s e 锄st ob ef a v o r e db yt h ev e n d o rc o m m u n i t yf o rt h er e a s o 啮s u c ha sl o w e r p e a k - t o - a v e r a g er a t i o ，f a s t e rf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f mc a l c u l a t i o n a n dl e s s s t r i n g e n tr e q u i r e m e n t sf o rf r e q u e n c ys y n c h r o m z a t i o n f o r w a r da r o rc o r r e c tc o d i n g ( f e c ) a n dd i f f e r e n tm o d u l a t i o ma r ea l s os p e c i f i e d t h i sp a p e rs t u d i e st h ea d a p t i v et e c h n i q u e st h a tf i tt h e8 0 2 1 6 dw i r e l e s s - m a n o f d ms y s t e m b ya n a l y z i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ( i n c l u d i n gb i t - e r r o r - r a t e ( b e r ) a n d t h r o u g h p u t ) o ft h ea d a p t i v ef e cc o d i n ga n dm o d u l a t i o ns y s t e m ，w ep r o p o s ea n i m p r o v e da d a p t i v ea l g o r i t h mb a s eo ns n r ad y n a m i cs u b - c a r r i e r sa l l o c a t i o ns t r a t e g y i sa l s oc o n s i d e r e dt oa v o i dt h ew e a k n e s so ft h es t a t i cs u b - c a r r i e r sa l l o c a t i o ns t r a t e g y s p e c i f i e db yt h ep r o t o c 0 1 u s i n gt h i sd y n a m i cs u b c a r r i e r sa l l o c a t i o ns t r a t e g y , h i g h e r s y s t e mt h r o u g h - p u tc a nb eo b t a i n e du n d e rh i g hs n r c o n d i t i o n t h eb e r p e r f o r m a n c e i sa l s oi m p r o v e dc o m p a f e dt ot h es t a t i cs t r a t e g yi nt h ec o n s t a n tr a t et r a n s m i s s i o n a t l a s t ，w ea l s os t u d yt h ed y n a m i cf r e q u e n c y - d o m a i ne q u a l i z a t i o nt e c h n i q u ef o rt h e o f d ms y s t e m ，a n dr e a c ht h es i m i l a rb e rp e r f o r m a n c ea st h ed y n a m i cs u b c a r r i e r s a l l o c a t i o ns y s t e n li nt h ec o n s t a n tr a t et r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ： f r e q u e n c y - s e l e c t i v e , t i m e - v a r y i n g , o f d m ，8 0 2 1 6 ，a d a p t i v e , f r e q u e n c y - d o m a i ne q u a l i z a t i o n 中山大学颂卜学位论文 第1 章绪论 因特网的发展使得信息传播更加迅速，人们的交流沟通也更加方便，上网成 为许多人日常工作、学习和生活不可缺少的一部分。人们对访问因特网也不断提 出新的需求，如：更高的接入速率、更方便的接入方式等，宽带无线接入 ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 能够有效满足人们的这些需求，成为当前 的研究热点。 1 1 宽带无线接入和w i m a x i e e e8 0 2 1 6 1 1 1 宽带无线接入发展历史 二十世纪五、六十年代计算机网络的开始发展，到八、九十年代因特网的迅 速普及，人们共享信息更加方便快捷，人类社会从此进入了信息化时代，上网成 为许多人日常工作、学习和生活不可缺少的一部分。计算机网络按地域大小通常 可分为局域网( l a n ) ，城域网( m a n ) 和广域网( w a n ) 三种。局域网技术 的发展为人们提供了一种方便地接入因特网方式，个人电脑通过一个以太网卡和 一根网线便可连入局域网。这种方式方便快捷并且成本较低。但在没有布设局域 网的地区，为了实现个人电脑访问因特网，人们利用已有的电话双胶线，使用 m o d e m ( 调制解调器) 来拨号上网。但m o d e m 能提供的上网速率比较低，最高 只能达到5 6 k b 的传输速率，在访问音频，图像等大容量的文件时，显得很不够。 非对称式数字用户环路( a d s l ) 采用了多载波传输的方式，使用多个子载波并 行传输数据，可提供较高的速率。使用若干个频域重叠且正交的子载波来传输数 据，可进一步提高系统的频谱利用率，即i f 交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , o f d m ) 技术。 人类的通信技术一直在不断进步。从十九世纪电报的发明开始，远距离通信 t 方式经历了电报，有线电话，无线通信等方式。其中无线通信技术的进步跟前两 者相比更是意义非凡，它使得人类可以实现随时随地进行通信的目标。无线通信 网具有接入方便，支持移动性，以及覆盖范围之广的优点，速率低是它的软肋， 第l 章绪论 这在越来越以数字信息为主的信息时代是个缺陷。而传统的计算机网络传输速率 较高，但不支持移动性。将它们的优缺点联系在一起进行考虑，即存在两种不同 的网络演进思路。一种是想方设法提高通信网的数据传输速率，如已经成熟的第 三代移动通信系统( 3 g ) ，以满足人们的各种需求。另一种是设法扩充传统计算 机网的功能，使其具有某些通信网的性能，如提供无线接入，保证一定的q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ，服务质量) ，支持移动性等，即宽带无线接入。一个典型的 例子是宽带无线局域网( w l a n ) 标准i e e e 8 0 2 1 1 ，以该标准为核心并且已经成 功商用的w i f i 可以提供高达十几兆的接入速率，是提供“最后一百米”接入的 有竞争力解决方案。而目前仍在酝酿之中的无线城域网( w m a n ) 则可提供更 高的无线接入速率，主要解决“最后一公里”接入问题。 1 1 2w i m a x i e e e8 0 2 1 6 简介 i e e e8 0 2 1 6 工作组是“国际电气与电子工程师协会( i e e e ) ”下设的一个 小组，主要致力宽带无线接入架构体系的标准化工作。i e e e 8 0 2 1 6 标准系列主 要规定空中接口和媒体接入控制( m a c ) 两部分的协议，到目| i 为止包括8 0 2 1 6 、 8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 共七个标准，其中：8 0 2 1 6 、 1 6 a 、1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空 中标准。除8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 外其它标准均已公开发布。 为促进i e e e s 0 2 1 6 标准的运用，国际几大通信设备提供商成立了“全球微 波接入互操作 ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t y ) rm i c r o w a v ea c c e s s ，简称w i m a x ) 论坛， 因此，宽带无线城域网又常常称为w i m a x 系统。w i m a x 在一些难以实现光纤、 电话线覆盖的地区可以提供替代的作用，而且成本相对较低有望成为提供“最后 一公里”接入的解决方案。 根据工作频段的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使 用2 1 1 g h z 频带的系统应用于非视距( n l o s ) 范围，而使用1 0 6 6 g h z 频带 的系统主要应用于视距( l o s ) 范围。 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，对l ； 几个8 0 2 1 6 标准 ( 8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c ) 进行了整合和修订，是相对比较成熟并且最具有 实用性的一个标准版本。标准定义了无线城域网( w i r e l e s s m a nt m ) 空中接口 2 中山大学硕卜学位论文 规范，对2 - 6 6 g h z 频段的空中接口m a c 层和物理层做了详细规定，定义了支持 多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相应的多个物理层。 8 0 2 1 6 d 在物理层方面，主要规定了1 0 6 6 g h z 的w i r e l e s s - m a ns c 单载波 和2 1 l g h z 的w i r e l e s s m a n o f d m 及w i r e l e s s m a n o f d m a 三种接口类型【l 】。 各个物理层均支持时分双工( t d d ) 、频分双工( f d d ) 及半频分双工( h a l f f d d ) 方式。物理层协议还详细规定了七种必选的前向纠错( f e c ) 编码和调制的组合 方式。前向纠错使用r s 码和卷积码两种，其中可变块长度和纠错能力的r s 码 ( 生成函数为2 5 6 ) 作为外码，卷积码作为内码。调制方式有：b p s k 、q p s k 、 1 6 q a m 和6 4 q a m 四种。此外，协议还将空时块码( s p a c et i m eb l o c kc o d e s ， s t b c s ) 以及自适应天线阵列作为可选方案。 8 0 2 1 6 d m a c 层由高到底划分三个子层：特定业务汇聚子层( s e r v i c e - s p e e i f i e c o n v e r g e n c es u b 1 a y e r s ) 、m a c 公共子层( m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ) 和私密 子层( p r i v a c ys u b - l a y e r ) 。各个子层的主要功能如下： 特定业务汇聚子层提供与更高层的接口，通过不同汇聚方式更好地适配各种 上层协议。 m a c 公共子层负责执行m a c 层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、 连接建立和连接维护等。为了更好地控制上行数据的带宽分配，标准还定义了四 种不同的上行带宽调度模式，分别为非请求的带宽分配业务( u n s o l i c i t e dg r a n t s e r v i c e ，u g s ) 、实时轮询业务( r e a lt i m ep o l l i n gs e r v i c e ，r t p s ) 、非实时轮询 业务( n o nr e a lt i m ep o l l i n gs e r v i c e ，n r t p s ) 、尽力而为业务( b e s te f f o r t ，b e ) 。 私密子层提供加密、鉴权，密钥交换等与安全有关的功能。 1 2 选题背景及意义 i e e e 8 0 2 1 6 d 在物理层规定的三种接口类型中，2 - 1 1 g h z 的w i r e l e s s m a n o f d m 系统相对于其它两种方式更受设备提供商的青睐，因为2 5 6 个子载波的 o f d m 系统具有更低的峰均比，更快的f f t 实现，较低的频偏估计要求，均衡 的实现也更简单f 2 】。 对于w i m a x 系统究竟能达到怎么样的系统性能，目前还是一个尚未得到解 决的问题【2 】。在实际的无线通信中，多载波系统的各个子载波常常会受到不同 第1 章绪论 程度的衰落，在频域表现为频率选择性。如果对各个子载波采用固定的编码或凋 制方案的话，由于均衡的不理想，会使得系统的误比特率( b e r ) 甚至比单载波 时的还要差【5 】。如果采用自适应技术，根据每个子载波的不同信道状况来选择 不同的调制和编码方式，则可以降低多载波系统的误比特率。然而，在8 0 2 1 6 协议中并未规定采取何种自适应技术。 o f d m 系统的自适应技术的研究已经有较长一段时间，主要集中在自适应 比特分配、功率分配和子载波分配( 多用户o f d m ) 三方面( 【7 1 1 5 】) ，并且形 成了许多著名算法。如c h o w , c i o f f ia n db i n g h a n l 算法【7 】，h u g h e s - h a r t o g s 梯度分 配算法 8 】，f i s c h e r - h u b e r 算法【9 】，基于s n r 门限的自适应比特分配算法b o 等。 但目前已报道的国内外文献中，对8 0 2 1 6 物理层的研究主要是各种编译码器， 调制解调器，o f d m 发送接收器的设计【6 】，以及信道估计方面( 【1 7 “1 8 】) 。 对适合w i r e l e 豁m a no f d m 系统的自适应技术尚未有较完整深入的研究文献报 道，因此，本文对自适应技术在w i r e l e s s - m a no f d m 系统的应用进行研究，无 疑具有十分重要的现实意义。 1 3 自适应技术研究现状 在无线通信系统中，资源管理和传输参数需要根据实际情况进行动态调整， 实际中常采用自适应处理来实现。自适应资源管理包括动态信道分配、动念帧长 分配以及动态差错控制等；自适应传输技术包括传输功率控制、自适应调制、自 适应码率调整以及自适应波束成形等。 自适应传输技术在无线通信系统中的应用已久，最常见的自适应技术有自适 应功率控制和自适应速率调整。文献【3 】介绍了蜂窝系统中，普遍使用的自适应 的功率控制技术，主要是为克服远近效应以及边缘效应，提高系统容量和用户服 务质量。功率控制分为丌环功率控制和闭环功率控制两种。文献【4 】介绍了2 g 和 3 g 系统中的速率自适应技术。由于不同的信道( 控制信道或业务信道) 常常需 要有不同的传输速率要求。因此，在c d m a ( i s 一9 5 ) 、c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、 t d m a ( i s 1 3 6 ) 和g s m ( g p r s 和e d g e ) 等现有标准中均使用了速率自适应的技 术，以满足不同的速率要求【4 】。如c d m a 中通过可变的扩频、编码和码字组合 实现速率调整；i s 一9 5 bc d m a 系统通过w a l s h 码组合；w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 4 中山大学碗l ：学位论文 系统则通过可变扩频和编码的组合：t d m a 系统中，时隙与时隙问的速率调整 是通过编码和调制的改变实现的，而符号速率和块长度不变。g p r s 一1 3 6 ( 1 - 3 个 时隙2 0 m s ) 和g p r s e g p r s ( 1 8 个时隙g s m 帧) 则采用了时隙组合的方法。此 外，自适应天线阵列、自适应多用户检测等在c d m a 系统中的应用也是目前的 研究热点。 上面介绍的自适应技术都是应用在单载波的通信系统中。在正交频分复用 ( o f d m ) 系统中，不同子载波的信道状况可能不一样，如果对每个子载波进行 自适应调制编码、功率控制、速率调整，实现起来要复杂很多，涉及到多用户 o f d m ，则还要考虑根据不同用户的需求进行带宽分配( 或者说子载波分配) 。 大量的文献围绕o f d m 子载波比特分配、功率分配、速率调整及子载波分配这 些关键问题进行了研究( 文【7 卜【1 5 】) 。 文献【7 】c h o w , c i o f f ia n db i n g h 锄算法根据各个子信道的信道容量进行速率 分配，发送功率的分配则根据总功率一定的前提下，保证各个子信道的差错率相 同。但该算法使用信道容量作为速率分配准则存在以下不足【2 7 】：一是信号功率 和信息速率直接相关，从而不存在进一步优化空间；二是实际系统中需要在一定 的功率和信息速率下使差错概率尽可能低，并不是只考虑力图达到传输系统容 量。 文献【8 】h u g h e s h a r t o g s 梯度分配算法通过比较各个子载波上增加一个发送 比特需要额外增加的发送功率，选取梯度( 发送功率比特) 最小的予载波分配 比特，将需要传输的数据逐比特分配到各个子载波，直到达到目标速率为止。但 这种算法需要进行大量的排序和搜索运算，运算复杂度较高，对实时性要求较高 的数据传输不是很适用。 文献f 9 】f i s c h e r - h u b e r 根掘差错概率最小化来分配速率和功率，最优的系统 设计是满足所有子载波上具有相同的差错概率，否则最高差错概率的子载波将起 主导作用，使系统整体性能下降。这种算法复杂度较c h o w , c i o f f ia n db i n g h a m 算 法要小，但第个子载波分配比特数可能需要反复进行多次。 文献【7 卜【9 】的比特加载算法都较为复杂，不利于无线通信环境下的应用。文 献f 1 0 】提出一种基于s n r 门限的自适应比特分配算法，这种算法复杂度大为下 降，而性能与c h o w , c i o f f ia n db i t i g h a m 算法相近【2 7 】。这种算法预先确定不同调 s 第l 章绪论 制方案所需的s n r 门限，这些s n r 门限根据在a w g n 信道中不同调制方案的 b e r 曲线得到。为进一步降低复杂度，还可以将若干个相邻子载波( 它们的信 噪比相近) 归为一组，称为子带，以子带为单位进行适应调制，在同一子带上进 行相同的调制，这就是文献【1 1 提出的简单分块加载算法( s b l a ) 。 文献【1 3 卜0 5 研究了多用户o f d m 系统子载波分配问题，包括两个部分： 为不同用户分配不同子载波和在分配的子载波上分配比特，比特的分配参照前面 的算法。 上述自适应算法是根据各个子信道容量的不同，通过定的准则为其分配合 理的比特数。发送端o f d m 子载波等功率发送，经过频率选择性信道，接收端 对接收到的信号经过迫零均衡，此时o f d m 子载波的信噪比不同。由香农信道 容量公式： 胄 c = t v l 0 9 2 ( 1 + 三) = 矿l 0 9 2 ( 1 + s n r ) ( 1 - 1 ) o n 各个子信道的容量也不同。上述自适应算法分析时都媳含这一前提。 解决o f d m 子载波信道的频率选择性衰落的另一个思路是尽可能想办法让 各个子载波的信道容量趋于一致，从而可以对所有子载波进行统一的处理，比如 采用相同的编码、调制方式。采用自适应的判决反馈迫零均衡技术，均衡后的 信噪比和信号所受的衰落情况无关，即所有子载波的信噪比均相同。但是均衡通 常不能达到理想的结果，特别是信号衰落特别严重时，判决反馈迫零均衡的结 果误差比较大。 文献1 3 5 对适用于o f d m 的时域均衡算法进行研究。均衡可以从时域或频域 进行，这两者是完全等效的【3 1 】，然而频域均衡具有独特优势，如可采取快速离 散傅氏变换( f f t i f f t ) 进行处理、均衡效果更均匀、收敛性更好等，这些特性 说明频域均衡是非常适用于o f d m 系统。 文献【1 9 】分析了交织对o f d m 系统性能的影响，通过交织让发送比特在衰落 不同的予信道上均匀分配，可以充分发挥纠错编码的功能，从而显著改善o f d m 系统性能。如果结合频域均衡和频域交织，均衡的不足可以出频域交织来弥补， 从而降低均衡误差对系统性能的影响。因此，本文最后对o f d m 自适应频域均 衡进行了研究。 6 中山大学硕i ：学位论文 1 4 主要研究内容 本论文研究适合w i r e l e s s m a no f d m 系统的自适应传输技术。采用自适应 技术可以有效抵抗信道的时变性和频率选择性。研究适合8 0 2 1 6 协议的o f d m 自适应技术，既是对各种o f d m 自适应技术的实践检验，可以进一步分析比较 各种技术的优缺点。同时，通过m a t l a b 搭建仿真模型，通过仿真分析8 0 2 1 6 d 物理层系统性能，并可为物理层系统性能的优化，以及设备硬件设计提供参考和 借鉴。 本文的工作安排如下： 第一章主要讲述本论文的选题背景及意义，并对自适应技术的研究现状做了 简单的介绍，也介绍了本文的主要工作和创新点。 第二章和第三章为基本的原理部分。其中第二章主要介绍无线传播环境，包 括大尺度衰落和小尺度衰落。重点介绍了小尺度衰落，以及平坦衰落和频率选择 性衰落信道的仿真。第三章主要讲述o f d m 技术，包括o f d m 的基本原理，自 适应o f d m 系统的数学模型，并重点介绍了c h o w , c i o f f ia n db i n g h a m 算法和基 于s n r 门限的自适应比特分配算法，最后，对频域均衡的基本原理做了简单的 介绍。 第四章和第五章是本文的主要工作。第四章是采用基于s n r 的自适应算法 对w i r e l e s s m a no f d m 系统进行仿真分析，主要工作有：( 1 ) s n r 门限阈值的 确定；( 2 ) 提出一种改进的基于s n r 的速率调整算法；( 3 ) 极限速率下和恒定 速率下自适应w i r e l e s s m a n0 f d m 系统的b e r 性能和吞吐量；( 4 ) 针对协议 规定的静态子载波划分的不足，提出亍一种改进的动态子载波划分系统，并对系 统的性能进行仿真分析。 第五章是从另外一个角度束研究o f d m 子载波经受的频率选择性衰落问题。 仿真结果表明，频域迫零均衡系统和第四章研究的相同速率恒定速率传输的系统 相比，b e r 性能比静态子载波划分的系统要好，和动态子载波划分的系统性能 相近。采用频域判决反馈迫零均衡，系统性能比迫零均衡系统在相同误比特率 下( 1 矿) ，信噪比进一步得到改善。 最后，结语部分总结了论文的主要工作和不足之处，以及进一步的研究安排。 本文的主要仓4 新点： 7 第l 章绪论 ( i ) 对已有的o f d m 自适应技术的分析研究基础上提出了一种改进的基于 s n r 的自适应编码和调制算法，可以同时对8 0 2 1 6 协议规定的f e c 编码和调制 方案进行选择，同时对速率调整方法也做了改进； ( 2 ) 根据仿真结果对协议的不足之处提出合理的改进措施； ( 3 ) 本文对o f d m 自适应频域判决反馈迫零均衡做了一些研究工作，通 过判决反馈迫零均衡让各个子载波的信道容量趋于一致，克服由于采用普通的 迫零均衡造成o f d m 子载波的频率选择性衰落问题。 本章小结 本章主要介绍宽带无线接入网的发展情况、w i m a x 和i e e e 8 0 2 1 6 标准， 及本文的研究背景，并对o f d m 自适应技术做了简单的文献综述，最后介绍了 本文的工作安排及主要创新点。 8 中山人学颁l ：学位论文 第2 章无线信道模型 信号以电磁波的形式在空气中传播，除被空气媒介吸收一部分能量，还会发 生反射、衍射和散射，在接收端接收到的信号已经发生很大的改变。为反映信号 经无线信道后的变化情况，人们建立了大尺度衰落和小尺度衰落模型，前者用来 描述长距离上信号强度变化，后者用于描述短距离或短时问内接收信号强度的快 速变化。 2 1 大尺度衰落和小尺度衰落模型 无线电波信号的传播环境和有线传播媒介相比要差很多。在无线电信号会随 传播距离远近而产生不同程度的衰减，并且会受地形、建筑物的影响而产生“阴 影效应”。发射信号经过不同的反射路径，到达接收机的时闻也不一样，不同时 问到达的信号相互叠加会使信号电平快速衰落和发生时延扩展。如果发射机或接 收机有相对移动，则接收信号会产生多普勒频移。一般来说，无线传播环境是一 种随时间、环境和其他外部因素而变化的传播环境。 通常把无线信道传播模型分为大尺度( l a r g e s c a l e ) 传播模型和小尺度 ( s m a l l s c a l e ) 传播模型两种。大尺度模型主要用于描述发射机和接收机之间长 距离( 几百或几千米) 上信号强度变化，主要影响接收信号的平均信噪比s n r 。 小尺度模型用于描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度的快 速变化。在同一无线信道中，既存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落。 描述室外无线传播的模型常见的有l o r i g l e y - r i c e 模型、d u r k i n 模型、o k u m u r a 模型和h a t a 模型等，这些模型常用在室外宏蜂窝设计分析上。而室外微蜂窝则 常用双线模型、经验模型、准三维u t d 模型等。 由于本文的分析和仿真主要与小尺度衰落相关，所以下面熏点介绍小尺度衰 落。 按接收枫和发射机之问是否存着一条直线传播路径，可将信号传播路径分为 视距路径( l i n eo f s i g h t ，l o s ) 和非视距路径( n o n l i n eo f s i g h t ，l o s ) 。当 接收机和发射机之问存在直线传播路径时，称为视距路径；反之，则称为非视距 9 第2 童无线信道模型 路径。发射机发射的无线信号在传播过程中会发生多次反射，如果这些大量的反 射信号几乎同时到达接收机，则在接收机无法分离这些大量的反射信号，接收到 信号幅度的统计特性呈r i c e 分布( l o s 时) 或r a y l e i g h 分布( n o l s 时) 。g a y l e i g h 分布可以看作是r i c e 分布的特例，当莱斯因子为0 ( 即不存在视距路径) 时， r i c e 分布则变为r a y l e i 曲分布。 时延扩展和多普勒频移是反映信道特性的两个重要参数，前者决定信道是平 坦衰落还是频率选择性衰落，后者决定信道是快衰落还是慢衰落。平坦衰落和频 率选择性衰落是从频域角度描述信道对信号的影响，而快衰落和慢衰落则描述信 道的时变性。 2 2 多径和多普勒频移 2 2 1 多径时延扩展 考虑一种最简单的多径情形，假设一个发信号x ( 0 ，接收端收到个不同时 延的抵达信号，每个抵达信号相对于原始信号的衰减分别为口f ，时延分别为r ；， t - - - 0 ，l ，2 ，。l - i 。则接收信号可以表示为： l - i y ( f ) = 口j x ( t ) 5 ( t f f ) i = o ，j ，2 ，l - ， ( 2 1 ) m 对上式进行傅立叶变换，得到： l - ! y ( 门= z ( 门口i 口讲啊 卢o ，j ，2 ，l - i ( 2 - 2 ) f z 0 l i 令频域冲激响应：( ，) = 口，e 掣q ，在频域上表现为不同频率日的值不 f = 0 一样，即频率选择性衰落。关于多径造成频率选择性衰落的仿真演示可见参考文 献【2 2 】。 多径时延值越大，相邻频率之问的衰减筐蝴的相差越大，反之，多径时延 值越小，则n b o 相差越小。如果把相邻频率问脚【，) 近似相等的频率范围定义为相 关带宽，则相关带宽可以近似用最大多径时延的倒数来衡量。更严格的相关带宽 的定义如下【2 3 】： 1 0 中山人学顿f 。学位论文 当功率延迟分面服从指数分布时，两个频率相差a f , 时问相隔a t ，空闯相 隔f o 的信号包络相关函数为： 触= 器 ( 2 - s ) 式中，“) 表示第一类零阶贝塞尔函数；厶为最大多普勒频移：口，为信道 的均方根( r m s ) 时延扩展。令式( 2 3 ) 中的a 卢o ，并且包络幅度相关系数为 0 5 时，可得到相关带宽，= 玫的表达式。 p ( a c ，。，o ) = 而丽1 = 。- 5 j b 。= 瓦1 ( 2 - 4 ) 当信号带宽小于信道相干带宽毋时，可以认为信号经过信道后不会产生频 率选择性失真。当信号带宽大于信道相干带宽时，则会产生频率选择性失真。 2 2 2 多普勒扩展 当发射机和接收机之问有相对运动时，会产生多普勒效应。从频域上看，接 收信号的频谱得到扩展；从时域上看，则多普勒频移( 或者说多普勒扩展) 直接 和信道的时变性相关，反映信道随时间变化的快慢。 多普勒频移的计算公式如下： 六= c o s 口 ( 2 5 ) 其中v 为移动台运动速度， 为载波波长，0 为运动方向与无线电波入射方 向之间的夹角。将厶= v x 定义为最大多普勒频移。 相干时间用来描述信道的时变性，在一个相干内，可以近似认为信道是不变 的，即不同信号在一个相干时白j 内通过信道，这些不同信号所受的影响是一致的。 在式( 2 3 ) 中令a f = o ，同样令包络幅度相关系数为0 5 ，可得到相干时间的表 达式。 以o a t , o ) 2 p ( o ，【，o ) = ，；( 2 矾f ) = o 5 tz 磊 ( 2 石) 多普勒功率谱用来描述接收信号功率和多谱勒频移之问的关系