（无线电物理专业论文）基于80216协议的ofdm自适应技术研究.pdf

中山人学碗十学位论殳 基于8 0 2 1 6 协议的o f d m 自适应技术研究 专业：无线电物理 硕士生：黄有为 指导教师；秦家银教授 摘要 近年来，宽带无线接入( b r a o d b a n dw i r e l e s sa c c e s s b w a ) 技术南于具备 组网灵活、建网投入小、运营成本低、维护方便等优点，得到了学术界和企业届 的广泛关注，迅速成为通信领域的研究和开发热点。在众多宽带无线接入标准中， i e e e8 0 2 1 6 委员会制定通过的i e e e8 0 2 1 6 协议族是目前最先进也被认为是最 有可能大规模商用化的宽带无线城域嘲标准。其中，标准在物理层采用了o f d m 和 链路自适应技术，以实现信息的宽带传输，本文将对基于8 0 2 1 6 协议的o f d m 自 适应技术进行研究。 正交频分复用( o f d m ) 是一种新型的高效的多载波调制技术，它的主要思想 就是将高速串行数据流串并转换后分配到频域内多个m 交低速子载波上传输，子 载波的频域有重叠，因此o f d ! 技术可以在有效地抑制码问串扰( i s i ) 的同时， 提高频谱利用效率。链路自适应技术可阻根据信道状态不同而选择不同的传输参 数，从而能够在保证t 。定传输质最的前提下最大程度地提高系统容量。 论文首先介绍i e e e8 0 2 1 6 d 协议的基本技术框架，随后介绍了链路自适应技 术的发展和基本原理，对时域和频域的自适应技术现状做了较为详细的论述。在 第三章巾论文分析了i e e e8 0 2 1 6 d 协议中o f d m 时域自适应的内容，并通过仿 真，确定了一套时域自适应方案，验证了其良好的性能。在最后一章中，我们对 协议做了若f t 修改建议，并存此基础上完成了针对频率选择性衰落的时频二维链 路自适应的频域仿真，结果说明：在不采用频域均衡的情况。卜，频域链路自适应 可以保证相当高的传输质量。 本文的主要工作在于严格按照i e e e8 0 2 1 6 d 协议巾的规定用m a t l a b 构建了 中山人学硕十学垃论文 基于协议o f d m 物理层的链路仿真模型，并利用此模型，分析了协议中链路白适应 有关内锌，对协议中未详尽规定的内铎傲丫补充，并在此基础上，对协议部分内 容做了改进建议，f ：用仿真证明了建议的- 口j 行性和有效性。 关键字：宽带无线接入：o f d m ： 时频二维链路自适应：频率选择性衰落 中山人学硕十学位论文 r e s e a r c ho no f d ml i n k a d a p t a t i o n b a s e do ni e e e8 0 2 1 6s t a n d a r d m a j o r ：r a d i op h y s i c s n a m e ：h u a n gy o u w e i s u p e r v i s o r ：p r o f q i n ，j i a - y i n a b s t r a c t b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ( b w a ) t e c h n o l o g yh a sg o tal o to fa t t e n t i o nf r o mb o t h s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dm a r k e tf i e l d si nr e c e n t y e a r sd u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha s l o w - c o s t , f l e x i b i l i t y , c o n v e n i e n tt om a i n t e n a n c e ，e t c t h ei e e e8 0 2 1 6s t a n d a r d ，w h i c h e s t a b l i s h e da n dr e v i s e db yi e e e8 0 2 1 6c o m m i t t e e ，i sc o n s i d e r e da st h em o s ta d v a n c e d a n dl i k e l yt ob et h ef i r s tw i d e i yu s e dw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ( w m a n ) s t a n d a r d i nn u m e r o u sr e s e a r c hh o tp o i n t so f t h es t a n d a r d o f d ma n dl i n ka d a p t a t i o n a l ee s p e c i a l l ya t t r a c t i v eb e c a u s eo f i t sd u a lm e a n i n gi nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v e r s i t ym u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i s an o v e lk i n do f m u l t i - c a r r i e r sm o d u l a t i n gt e c h n i q u eo fh i g he f f i c i e n c y , i t sm a i np r i n c i p l ei sah i g h s p e e ds e r i a ld a t a - s t r e a mw a sd i v i d e di n t os e v e r a ls l o wp a r a l l e ld a t as t r e a mt r a n s m i t t e d b yo a h o g o n a ls u b - c a r r i e r a st h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo fs u b - c a r r i e r sa r eo v e r l a p p e d ， o f d mt e c h n o l o g yc a nn o to n l yr e s t r a i ni s ! e f f i c i e n t l y , b u ta l s og a i nh i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c y l i n ka d a p t a t i o nt e c h n o l o g ya d j u s tt h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e ra c c o r d i n gt o t h ec h a n n e ls t a t e ，c o u l di n c r e a s es y s t e mc a p a b i l i t yd i s t i n c t l ya sw e l la sm a i n t a i n i n g s t e a d ys e r v i c eq u a i l t y t h i sp a p e rf i r s tp r e s e n ta ni n t r o d u c t i o no fl e e e8 0 2 1 6 ds t a n d a r da n dl i n ka d a p t a t i o n ， t h e na n a l y z e st i m e d o m a i nl i n k a d a p t a t i o nd e t a i l s i ni e e e8 0 2 16 ds t a n d a r d w e i i i - 中山人学碗十学位论文 d e s i g n e da n dt r s t 酣a nl i n ka d a p t a t i o na l g o r i t h mu s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nt h el a s t c h a p t e r , w ep r e s e n ts o m ea d v i s o r yc o m p l e m e n t sf o rt h es t a n d a r d ，b a s e do nt h e s e c o m p l e m e n t s ，w ea c c o m p l i s h e da n t i f r e q u e n c y - s e l e c t i v ef r e q u e n c yd o m a i nl i n k a d a p t a t i o ns i m u l a t i o n ，t h er e s u l ti ss a t i s f a c t o r y t h ep a p e rf i r s tb u i l dai e e e8 0 2 1 6o f d ml i n kl a y e rs i m u l a t i o nm o d e lb yu s i n g m a t l a b a n dt h e nu s i n gi ta n a l y z et h el i n ka d a p t a t i o na s p e c to fs t a n d a 吐f i xu pt h e a n 。p r e s e tc o n t e n t s b a s e do l lt h es i m u l a t i o na n a l y s i s w em a k es o m es u g g e s t i o n sf o r a m e l i o r a t i o n u s i n gs i m u l a t i o nt e s t i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h es u g g e s t i o n s k e y w o r d s ：b w a ；o f d m ；t i m e f r e q u e n c y l i n k a d a p t a t i o n ； f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g 中山人学碗十学位论文 第1 章绪论 进入二二十一世纪以来，随着多媒体h k 务的需求不断攀升和计算机网络技术的 迅猛发展，大容量全业务智能化的现代通信网路的概念已经深入人心。当今电信 骨干网已经实现了使用密集波分复用( d w d m ) 的光纤大容量高速率传输，但是在 接入到最终用户的“最后一公里”接入网络中，主要使用的技术是有线接入方式， 例如光纤、使用电缆调制解调器的同轴电缆和数字用户线路( x d s l ) 等。由于铺设 有线线路的基础建设费用庞大、工期较长，另外在一定的地理环境下很难实现， 缺乏灵活性，所以宽带无线接入产业发展非常迅速。 宽带无线接入( b w a ) 是指从公j h j 电信网的交换结点到用户驻地网或用户终端 之间的全部或部分传输设施，采用宽带无线手段的接入技术，即用宽带无线传输 代替接入网的全部或部分，向用户终端提供电话或数据服务。宽带无线接入技术 作为下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一，正受到业界越来越多的关注。 i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的制定，就是为了适应宽带无线接入的快速发展，并为之提 供一个全球统一的标准。全球微波接入_ 百操作联盟( w i m a x ) 的推广和互操作测 试也客观上加快了城域网的商业化进程。 1 1 无线城域网标准i e e e8 0 2 1 6 城域网( m e t r o p o l i s a r e a n e t w o r k ，简称m a n ) 通常是指规模局限在一座城市范 围内的区域性网络，覆盖范围介_ 丁局域网和广域网之间。城域网的速度比广域网 快，符合宽带趋势，与局域网相比，义具有覆盖范罔大的优点。 i e e e8 0 2 1 6 协议对2 - 6 6 g h z 频率范围内无线接入系统的底层标准作出规范 包括物理层和媒体接入控制层标准，并分析了系统共存性背景，给出了系统的设 计、配置和频率使用解决方案，具有广阔的应用前景： l 、在缺乏线缆资源的城市中，在业务量集中、用户群集中的地区，运营商尤 其是新兴运营商可以通过i e e e 8 0 2 1 6 技术为企业用户和集团用户提供高带宽的数 中山大学碗十学位论- 殳 据和语音接入服务，解决k 湖以来受制于线缆资源而无法发展新用户的困扰。 2 、存临时的展会和会议场所，8 0 2 1 6 无线技术可为临时活动提供印时可配置 的“按需”高速连接，并能在极短时闻内根据用户需求改变服务等级，活动结束 后还可迅速改变光线网络拓扑结构。服务提供商利用8 0 2 1 6 技术实现了以较短时 问、低廉的成本提供可媲美有线解决方案速度的服务。 3 、在农村和人口密度较低的偏远地t x 2 ，8 0 2 1 6 允线技术是服务提供商向用户 提供i n t e r n e t 接入服务和语音服务的最佳选择。相对于需要花费大量人力物力铺设 有线基础设施的有线解决方案，8 0 2 1 6 网络初始投资更少，网络部署和业务开展 更为迅速。8 0 2 1 6 无线城域网与8 0 2 11 无线局域网相结台，实现室外远距离无线 连接与室内高速数据连接的结合，将无线网络从局域网扩展到城域网。8 0 2 1 6 e 技 术对移动性的支持，使得用户可以获得漫游和切换服务在非归腻地也能灵活地 接入到当地的宽带嘲络。这种应用是8 0 2 1 6 技术对3 g 叫络服务的最大竞争方式， 它可提供的数据业务带宽是3 g 网络服务的几倍甚至。i 几倍。 8 0 2 1 6 无线技术作为下一代宽带无线网络的经济新增长点，受到了芯片厂商 的高度重视，i n t e l 公司已经计划在2 0 0 4 年下半年大规模推出符合8 0 2 1 6 标准的 集成：卷片，这为该技术形成良好的产业链打下了稳定的关键一环。在标准化和市 场化工作取得很大进展的j 司时，8 0 2 1 6 技术想要在未来的光线通信网络中取得类 似蜂窝移动通信的巨人成功，还有很多工作要做，有漫长的路要走。以卜是仍在 进行的工作和待解决的一些问题： i 、继续完善8 0 2 1 6 无线技术的标准化工作。目前，已有的无线接入系统由于 缺乏标准。价格相对较为昂贵技术的标准化可以极人降低设备成本，建立良好 的产、i k 链。但目前在8 0 2 1 6 无线技术的标准化过程中，仍有一些技术细节尚未得 到解决，这在一定程度上滞后了该技术的发展。 2 、频谱分配策略和频谱兼容问题。8 0 2 1 6 技术主要工作在2 i1 g h z 的许可频 段，在网络部署时需要获得政府部门的频率许可。政府无线管理部门所采取的频 谱分配策略对8 0 2 1 6 技术的发展有着决定性的作用。 中山人学硕十学位论文 3 、8 0 2 1 6 无线技术应与其它技术相结合，为用户提供更加方便灵活的服务。 众所周知，没有一种宽带接入技术能够惟一占据市场，每一种技术均有其各自晟 适合的应用场合。在同一区域，多种宽带接入技术将会共存，应当努力傲到多种 技术优势互补，通过集成这些技术，为用户无缝、透明的提供高度灵活的服务。 4 、互操作性问题。解决小同厂商设备之闻的兼容性和互操作性问题，是推动 宽带无线网络部署的巨大动力，8 0 2 1 6 无线技术也不例外。w i m a x ( 全球微波接 入互操作性论坛) 正致力于解决存宽带无线接入系统问实现互操作性，推广 i e e e 8 0 2 1 6 标准设备在运营商的宽带无线接入系统中的应用。 5 、进步降低设备价格，用，、设备更加易于安装、使用和维护。价格是决定 宽带无线接入技术能否取得成功的关键因素之一。同时，对于i e e e s 0 2 1 6 这样的 宽带光线接入技术，用户设备能否易于安装和使用也是其能够大规模应用的重要 影响因素。向移动刈络的平滑过渡。8 0 2 1 6 固定无线接入技术与现有的其他固定 无线接入技术在应用场合上有很大的相似性，虽然标准化的空中接口、更高的传 输速率等级和更远的覆盖范围使其据有一定的技术优势但是真正能够吸引运营 。 商特别是固定网络运营商的是8 0 2 1 6 技术能够从固定无线接入网络平滑过渡到移 动网络。因此，积极研究8 0 2 1 6 e 技术，开发其时移动业务的支持能力，是8 0 2 1 6 技术是否能最终获得成功的关键。 1 1 1i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的发展概述 i e e e 8 0 2 l a n m a n ( 局域网城域网) 标准委员会于1 9 9 9 年7 月开始公开讨论 全球统一的无线宽带城域网接入标准，以解决可以高速无线接入到家庭和企、i k 的 “第。+ 英里”或是“最后英里”接入问题。此委员会下的主要工作 n 及其解决 的方案有： 1 、 i e e e 8 0 2 1 6 规范了使用1 0 6 6 g h z 频段的p h y 和m a c 层标准，并特 别在m a c 层中定义一个用来鉴权加密和密钥管理的加密子层，系统通过固定的、 点到多点( p m p ) 的基站( ( b s ) 和用户模块( s s ) 进行无线接入，工作在视线传输环境 下，最终规范于2 0 0 1 年1 2 月通过，并于2 0 0 2 年4 月正式公布。 中山大学碗十学位论- 义 2 、 i e e e 8 0 2 1 6 2 增补方案，解决1 0 - 6 0 g h z 频段内系统的共存性问题的 建议方案，对如何减少系统问的相互干扰提供了指导方针，为系统的设计、配簧、 协调和频率使用提出了解决方案，2 0 0 1 年6 月1 4 日通过，2 0 0 1 年9 月l 正式公 布。 3 、i e e e8 0 2 1 6 a 针对2 - 1lg h z 的需要申请频段的p h y 和m a c 层增补 方案，该协议支持网状( m e s h ) 网络结构，系统可以工作在幢视线环境下，可以抵 抗复杂的多径干扰，于2 0 0 3 年1 月2 9 日通过，2 0 0 3 年4 月正式公布。 4 、 i e e e 1 6 c 给出了使1 0 - 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统的兼容性标准，它详细 规定了i o - 6 0 g h z 频段8 0 2 1 6 系统存实现上的系列特性和功能。于2 0 0 2 年1 2 月通过。 5 、 i e e e8 0 2 1 6 d 发布于2 0 0 4 年下半年，是相对成熟、实用的一个标准版 奉，该版本对2 6 6 g h z 频段的空巾接口物理层和m a c 层做了详细规定，定义了 支持多种业务类型的同定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。 该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范。它保 持了8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性，增加或修改的内容用来提 j 高系统性能和简化部署，或者崩来更j 下错误、补先不明确或不完整的描述，包括 对部分系统信息的增补和修订。同时，为了能够后向平滑过渡到8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支持用户的移动性。 6 、i e e e8 0 2 1 6 e 该工作组于2 0 0 2 年3 月成靠，主要的任务是针对移动 宽带无线接) k ( m b w a ) 空中接口的规范。i e e e 已经于2 0 0 6 年1 月批准了8 0 2 1 6 e 移动w i m a x 标准，这一标准又名为8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 。 电信装备制造厂商欢迎新标 准的 h 现，但它不能兼容原来的w i m a x 固定无线标准8 0 2 1 6 d 或8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 。 7 、8 0 2 1 6 f 定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以 及相关的管理流程。该标准的制定工作正在进行中，计划存2 0 0 6 年下半年发布。 8 、 制定8 0 2 1 6 9 的目的是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接口， 从而能够实现8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。 该标准的制定_ t 作也刚处于起步阶段，计划在2 0 0 7 年发布。 4 中山人学碗十学位论文 1 1 2 协议的框架和分层结构 i e e e 8 0 2 1 6 标准定义了固定宽带无线接入系统的空中无线接口部分，包括物 理层( p h y ) 和介质接入控制层( m a c ) 的详细规范，并在m a c 和p h y 层之间加入 了一个用来进行鉴权加密和密钥管理的加密子层，以增强无限链路传输信息的安 全性。图l l 表示了协议的层次结构，其中s a p 是s e r v i c ea c c e s sp o i n t 的缩写， 是下面一个子层向上提供服务的接口。 1 1 2 1m a c 层标准 i e e e 8 0 2 1 6 协议的设计是针对点对多点的宽带无线接入应用，其接入方式和 带宽分配方式应该使得每个信道满足数百终端的请求。为了满足不同类型的数据 流，协议还删时支持连续和突发两种传输模式【l l 。8 0 2 1 6 m a c 层的一个显著特 征是，它是面向连接的，所有的业务流，包括无连接的数据业务，以及与此相联 系的q o s 要求。都是在建立的连接中实现的。保障不同业务流的服务质量( q o s ) 是本协议的另外一个重要特色，它可以承载的业务种类很多，包括而向连接和无 。 连接的业务，因此，需要有一个合适的q o s 保障机制。为了保证不同业务流的服 务质量，m a c 层预先定义了4 种不同的上行基本业务，它们是：主动提供的带宽 分配( u g s ) ) i k 务、实时轮询( n p s ) 、l l , 务、非实时轮询( n r t p s ) 业务和醛力而为( b e ) 业 务。u g s 是指具有固定比特率的数据h k 务，如a t m 的c b r ( 固定比特率) _ k 务、 t i e i 及v o i c e o v e r l p 等业务；r t p s 业务包括如m p e g 视频信号的传送业务；n r t p s 业务如高带宽的f t p 业氖b e 业务则是尽力而为的数据业务，它允许s s 使用竞争 请求机制。这样，不劂种类的业务流首先在m a c 层就被预先调配分类成这四种 基本业务，类似于调度器的功能，系统可以给4 i 同的基本业务分配小同的资源， 保障它的q o s 。在物理层，对数据按照健壮性降序排列的办法进行传输，最大限 度的降低了终端的可能性，最大范围的保障数据的高效传输，提高了系统的效率。 m a c 层包括三个子层，自上而下分别是：而向业务的会聚子层。m a c 公共部 分子层和加密子层。 中山大学碗十学位论殳 ；。苗泓藉i !：协议的范田： r h 口wp ： 骶巍业务前素曩子层 ：l - 酮黼张十 c s ) ； 【m o j 】 m a c 公共尊分子层 蚍c p s ) - 一 l 眦篙雷曩宴体 加密子屡： _ 一4 # 赫薛盾一： 物理层 h 一臂理宴律吖 ! ( p 卅) 崎 l ， 麸据控铡平面 1 1 2 2 物理层标准 图i - l m a c 层结构 8 0 2 1 6 协议支持多种物理层窄中接【1 ，见表i - i 所示。 6 蕾睡饕囊芷 中山人学硕+ 学位论文 表i - i 物理层接1 ：3 对比【l 】 p y a d d i t i o n m d * i d 却p l i c 曲y k o p d 锄s d u p l e x t n g s p e l f l t a t l o n a h e l n d m n q * 哪n n w 啦峙d n s cl o 饼g h ：复l r d d w a r i e s d l “s c ab e l o w l l g l 血 “s 扣37 毋 t d d i k d b s a r q l 63 岍 f d d s f c f 8 0 l ， 弱 鼬出 f i 酶o i o f d m糖b d w “g n83 a s ( 6 ；7 研 t o d h c e 删b a b 如 a r q f 63 舢 h k 出幛36 岛 s t 8 i n m 幽 陆k d i a n - o f d m a妊k w l l g h z8 a a s ( 6 ，郜 t d d “c a b “ a 鞠一3 竹 f d d $ t c f 8 4 舶 出l i w 女e l e s 畦n 冬蝌k h r l i g 【g 2 ，s3d f 5 瓶4 【习a a $ t 6 j7 毋 1 d d n c 自h a n 蛳 o f8 l 撇f 6 ，4 ) a n d 85 h i e 出36 旬 f m 8 j 酗 s t c 一8 2 l438 j t s 4 s ) 在五种空中接口中，1 0 - 6 6 ( 3 h z 的w i r c l c s s m a n _ s c 单载波接口和2 - i i g h z 基 于o f d m 技术的w i r e l e s s m a no f d m 和w i r e l e s s m a no f d m a 三种接口日前应 用前景较为广阔。由于受到高频段的限制，w i r e l e s s m a n _ s c ? l ；要用于j 卜要用于城 市中的楼宇闻b w a 业务，取代d s l 、t i e i 。w i r e l e s s m a n _ o f d m 接口使用 2 1i g h z 频段，适用于城市复杂的无线环境，是我们主要的研究对象。 1 2 多载波通信系统简介 多载波调制( m c m ) 是相对于传统的单载波技术而言的，它的概念提出于二 十世纪六十年代。多载波调整的基本原理是将串行高速数据流进行串并转换，划 分为若干个低速并行的数据流，每一路数据部在一个频域独立的载波上调制并传 输，接收端用同样数量的载波相十接收，然后将并行的数据流恢复为串行高速数 据信号。如图1 2 所示： 中山人学硕十学位论文 图i 2 多载波系统结构 在多载波传输系统中，频分复用是最简单的予载波配置方案，这种配置方案 只需要将带宽划分为若干个不重叠的子信道，相邻的子载波之间预留保护频带。 这种方法优点是简单，技术成熟，但频谱利用率低，保护频带的存在也给滤波器 的设计带来了困难。偏置q a m ( s q a m ) 和o f d m 都是子载波重叠的技术，子 载波之间靠正交性分离，但s q a m 的子载波频谱在3 d b 处频谱重叠，其复合谱 是平搬的；子载波在二分之处重盛。o f d m 的技术能够有效地提高频潜利用率， 相对于传统的f d m 模式，频谱利用率提高了近一倍。 多载波传输系统的最大优点是消除了码间串扰( i s i ) 的影响，换句话说，多 载波通信系统对于信道的时延弥散不敏感。多径效应带来的时延拓展如果大于码 元周期，一个时延拓展跨越多个码元，接收端的码元信号会受到之前码元的干扰。 导致判决错误，这种情；兑在码无速率较高时尤其明显。多载波通信系统将串行高 速数据流转换为多个低速的并行数据流。降低了各个子载波卜的码元速率，使码 元周期与最大时延拓展的比值降到了可接受的程度，码问串扰的影响就可以消除。 1 3 论文的主要工作 本文首先用仿真的方式对i e e e 8 0 2 + 1 6 d 协议巾的链路自适应部分对8 0 2 1 6 d 中w i r e l e s s m a n _ o f d m 空中接u 的链路自适应方案做了分析，对比了不同的调制 编码方式( m c s ) 在高斯加性白噪声信道下的系统性能表现，确定了链路自适应 的不同调制编码方式的切换门限。通过链路自适应方案与固定调制编码方案频谱 效_ 牢的对比，展示了链路臼适应方案的良好性能。 中山人学碗十学位论殳 对于基于o f d m 技术的w i r e l e s s m a no f d m 卒中接口来说，多径带来的频 率选择性信道对通信质量的影响不可忽视。传统的时域均衡和r a k e 接收的方法 应用于多载波通信系统性能表现不甚理想，使我们将目光投向了频域自适应技术。 本文中采用的是子载波选择与子载波自适应调制编码结合的方案，并将改进后的 方案在i e e e 8 0 2 1 6 协议固定宽带无线接入推荐使用的五种s u i 信道进行了仿真分 析，证实了改进后的方案相对于原来的链路自适应方案有更高的有效性和可靠性。 论文各部分安排如下： 首先，在绪论中简要介绍了i e e e s 0 2 1 6 宽带城域网的发展现状和十耍的技术 框架，同时简单地介绍了多载波通信系统的原理和技术优势。 在第章巾，我们介绍了链路自适应技术的发展和基奉原理，对链路自适应 在时域、频域、空域的的发展分别做了介绍，其中有重点地对时域和频域的自适 应技术做了重点探讨。 在第三章中，我们将研究集巾在i e e e 8 0 2 1 6 协议的链路自适应技术一卜，通过 理论分析和仿真计算，确定了适合i e e e8 0 2 1 6 d 协议的时域自适廊方案性能仿 真分析证实我们的时域链路自适应方案具有良好的适用性和可靠性。针对协议中 的不足，我们也提出了改进的建议。 第四章我们将链路白适应的范围扩展到频域，在对协议中部分规定有所改进 的前提卜，提山了一套不依赖频域均衡的频域自适应方案，在随后的仿真中，我 们证实了我们的方案能够获得相当的可靠性。南于时间关系，我们未能完成与频 域均衡算法性能的对比，但本文提卅的建设性方案将对协议的完善和后续的发展， 提供借鉴和参考。 本文的最后一章对全文进行了总结，分析了不足和研究成果，并指出了进一 步的研究方向。 中山大学碗十学位论文 第2 章无线通信中的链路白适应技术 频带是无线通信巾最宝贵的资源，随着人们对无线数据业务需求的快速增长， 如何在有限的带宽上最大限度地提高数据传输速率，也就是如何最大限度地提高 频带利用效率，逐渐成为移动通信的研究热点。众所周知，无线信道具有两大特 点：时变特性和衰落特性。时变特性是由终端、反射体、散射体之间的相对运动 或者传输媒质的细微变化引起的：衰落特性则是信号的多径传输、介质损耗或滤 波器特性所造成的。因此，对于无线信道的容量来说，它是一个具有时变特性的 随机变量，要想最大限度地利用信道的容量和传输特性，必须使传输系统的发射 与接收参数同样具有相应的随机特性，即自适应特性。 2 1 链路自适应的发展和基本原理 早期的链路自适应技术提出于上个世纪六十年代 1 2 1 ，在当时的无线通信系统 中，为了对抗无线信道的时变性，采用了能够在信道最深衰落时仍然能够有效通 j 。 信的发射机参数，如低阶的调靠i 方式，较大的发射功率，纠错性能强但冗余度较 高的纠错码等。这样做虽然保证了通信的r 廿j 靠性，但是却在相当多的时候牺牲了 系统的频谱效率。为了解决这个问题。些学者提出了自适应调制的概念主张 在信道条件较好的时候采用高阶的调制方式，但是由丁当时信道估计能力、运算 能力、制造上艺以及对频谱效率要求不高等原因，自适应技术没有得到晕视。 进入f ：个世纪8 0 年代，伴随着信道估计、计算机技术和大规模集成电路的发 展，链路自适心技术受到了广泛的关注。当时的研究荦点主要集中在时域链路自 适应，根据信道状态在时域上的变化，动态地调整链路参数。其中，功率自适应 技术由于其实现简单，效果显著研究进展迅速，并在第_ 代移动通信系统和后 续移动通信系统中得到应用。自适应调制编码技术( a d a i p t i v em o d u l a t i o n & c o d i n g ) 技术由于在高质量链路下对系统容量提升明显【5 】，相关的研究也+ i 分火 热，第三代移动通信系统的各个标准无一例外地采用了a m c 技术，无线计算机 网络也从 e e e 8 0 2 1 l 后j 下式引入了对a m c 技术的支持。另外，时域的链路自适 应技术还包括自适应帧长、自适应拥塞窗长、自动请求重传技术( a r q ) 等等。 中山人学碗十学位论文 在上世纪9 0 年代。伴随着多载波和多天线技术的发展，链路白适应技术也山 时域扩展到频域和空域衍生出子载波选择、自适应比特分配和m i m o 天线选择 等课题。同时，频域空域上的i 适应技术也广泛地与成熟的时域自适应技术结合， 这种复台型的链路自适应技术逐渐成为链路臼适应技术发展的趋势。 链路自适应技术具有良好的性能表现，t r | 它的应川也存在一定的前提和范围： 第一，白适应结构娑水在接收端婪有准确的信道估讣【4 】。准确的信道估计是 自适应技术1 i 可缺少的重要条件。信道估计的h ；准确，必然会造成系统性能的严 重恶化。 第二，自适应技术一般要求工作在双工传输的情况下。自适应技术通常是在 接收端反馈信息的指挥下，实时的对系统参数进行调整来实现最佳的。这就要求 系统应存在一条反馈信道，将c s i 反馈至发送端，在c s i 的提示下台理调整系统 参数( 闭环系统) 。当然实际中【包存在开环系统及盲或中盲技术，然而双工的传输模 式仍凭借其简单的运作体制，在实际系统中被较多采用。 第三，信道估计和反馈路径的总时延要比信道变化快。也就是说，信道估计 时闯加反馈路径时延应小于信道的柏丁时问。所谓相t 时间，是信道保持强相关 性的时间差范围，即系统必须在信道变化之前获得所需的c s i 并有效的调整系 统参数才能得到良好的接收效果。如总时延大十相荚时问，即使能讣出来的c s i 是i 分准确的，但这只是t 个过时的信息，对系统参数的调整只能起到负面作f b ， 冈此我们要求信道估计时问与反馈路径时延之和越小越好。在集成电路飞速发胜 和信道仙计技术r 益成熟的今天，实现这一要求己不是一件困难的事情。 链路自适应技术的应丌】严重依赖信道状态信息的准确性，根据采f i 】的信道状 态信息( c s i ) 类型不问，链路自适应可以分为以下几类【1 3 】： 1 、基于s n r 的链路自适应此过程包括四个步骤：c s i 测量一选择一个非常短 的观测窗，在此观测窗内信道保持恒定无衰落，接收o t 颡j j 量该观测窗内的平均信噪 比作为接收端的s n r ；计算自适应门限或模式转换门限一使用白高斯信道( a w g n ) 中的s n r - b e r 闭式解，将s n r 信息映射为每个候选传输模式的误比特率( b e r ) ； 中山人学硕士学位论义 选择最优模式一从满足月标b e r 的候选模式中选取吞吐量最大的传输模式；信息 反馈一接收机将选定的最佳传输模式通过反馈信令传给发射机。在实际j 避用中由 于存在反馈延时，无法即时进行模式转换，而且模式转换速度可能超过信道相干时 问，导致s n r 观测窗口内出现信道衰落。而玎i 能使用a w g n 下的闭式解进行s n r 到b e r 的映射。基于s n r 的链路自适应反应迅速，性能优良，但不足的是对信 道估计的准确度要求太高。 2 、基于s n r 高阶统计量的链路自适应如采观测窗内早现信道衰落棚0 量的 s n r 是随机的，那么通过闭式解计算m 的各候选模式的b e r 也是随机的。为了确 定自适应门限，接收机需要计算该现测窗内的平均b e r ，而要计算平均b e r 必须知 道s n r 存该自适应窗口上的概率南度函数( p d f ) 。存实际信道中，接收端s n r 的p d f 受很多凶素( 如时域中的信道相t 时问、观测时长；频域的信道栩- t 带宽、观测窗频 宽；多天线系统。 j 的收发天线数目、天线极化方向等) 影响，很难通过简单的分析得 到。这时，可以通过测量s n r 的k 阶矩来获取其p d f 的有关信息。例如，一阶矩显 示了接收机接收到的功率的平均大小；二阶矩反映了信道在自适应窗口内的时间、 频率或空间选择性。更高阶矩会提供p d f 的更多信息，但需要更高的运算复杂度。 尽管这些统计量只能给出s n r 的p d f 近似，但它们往往在阶数不高( 如二阶) 的情况 下就能给出从s n r 到b e r 的比较准确的映射。由于基于k 阶矩的链路自适应门 限是接收端s n r 的多个统计量的函数，与特定的信道条件无关，因此该链路自适应 算法具有简单、灵活的优点。 3 、基于p e r 的链路自适应这种方式的链路自适麻通过跟踪接收数据包的出 错率来获取c s 。首先，发射机在所有候选模式卜发送一定数目的训练数据接收机 存储接收到的所有数据包，在训练过程结束后，计算每个候选模式的p e r ，选择满足 h 标p e r 并且具有最大吞吐量的传输模式反馈给发射机。这种链路自适应通过训 练方式直接获知各候选模式下的链路质量好坏，不依赖理论卜的b e r 曲线。但为了 得到p e r 的可靠估计，必须发送相当数日的数据包，这势必减慢自适应的速度。凼 此，这种方式比较适合大尺度变化的信道。另外，由于训练过程依赖上层的业务量， 当用户的发送或接收业务量为零时，系统无法跟踪信道质量，只好重新启动链路白 适应过程，使得该算法的响应时间难以控制。基于p e r 的链路自适应也称为探索类 链路自适应技术，由于不需要进行信道估计，也被认为是一种盲链路自适应。探 中山人中硕十学位论文 索类链路自适应不需要信道估计，实现简单，但对信道变化的反应不灵敏，且切 换开销较大。其代表技术为a u t o r a t ef a l l b a c k ( a r f ) ： ：支术。其工作原理如图2 - i 所 示： 图2 - ia r f 工作原理 以上不同c s ! 的链路自适应各有其优缺点：基于s n r 的l a 具有较快的自适应 速度，但对臼适应门限的计算不够准确：若与s n r 的高阶统计量一起使_ l 】町以提高 该准确度。基丁错误率( 如p e r ) 的c s i 能够准确指示各候选模式的性能，仍需要观 测的业务量很大，导致自适腑速度减慢。因此，f 前的研究热点是如何将多种c s i 结 合起来以在不同信道、自适应速度及业务量条件。f 实现准确而稳健的链路自适以。 综合来看，基于s n r 的白适应信道的信息可以直接从物理层 l 获取，反应迅速， 计算复杂度和延时性能表现也较好，在不要求高精度门限的前提下楚理趟的c s i 。 2 2 时域链路自适应技术 时域自适应技术是目前最成熟的链路自适应技术，并已经在第二代、第一代 移动通信系统和8 0 2 11 、8 0 2 1 6 等计算机无线网络中得到应用。 中山人学硪十学位论义 2 2 1 时域自适应功率控制技术 自适应功率控制技术实现简单，在信道条件恶劣的情况下可以有效地改善系 统的性能目前已发展为最为成熟的链路自适应技术。第_ - 代和第三代移动通信 系统都采用了功率控制的技术，同时作为c d m a 通信系统的荚键技术，功率控制 也必将在末来的相当长时问内得至u 广泛的心用。 功率控制的原理相对简单，系统根据链路状况动态调整发射功率，信道质量 低则提高发射功率，反之调低发射功率，使发射机功率维持在接收机正常工作的 最小功率。功率控制可以使系统得到相对恒定的传输速率和端到端时延( e t e d e l a y ) ，提供恒定的服务质量。 从不同的角度考虑有不i 司的功率控制方法：从通信的正向、反向链路角度米 考虑，一般可以分为反向功率控制和止向功率控制；从实现功控的方式则可划分为 集中式功率控制和分布式控制；从功率控制环路的类型来划分，有可分为开环功 控、闭环功控( 外环功控和内环功控) ：从功率控制的发射功率更新频率高低可以 分为快速功率控制和慢速功率控制。第二代移动通信系统的g s m 标准采用了慢速 功率控制，主要用于对抗慢衰落；而i s 9 5 和3 g 各标准都采用了快速功率拄制， 用于对抗快衰落。 时域功率自适应技术实现简单。但是也存在着“远近效应”和“噪声效l 柏” 等无法克服的缺点，尤其是它在高信噪比的情况下对系统吞吐量提升不大，使它 的应_ h 4 收到了一定的限制。 2 2 2 自适应调制编码技术 自适应调制编码技术的基本原理是在保持发射功率恒定的前提下，动态嘲整 调制方式和编码类型、编码效率等参数，以获得当前信道质量下的最人吞吐量。 自适应调制编码在克服了自适应功率控制的缺点，成为发展前景极为广阔的链路 自适应技术，并得到了广泛的应用。 现在自适应调制编码主要采用p s k 和q a m 调制，串行级联码、或者分组卷 中山人。z 硕十学位论殳 积t u r b o 码作为前向纠错嘛( f e c ) 。山于不同调制方式和不同类型不同码率的 组合较多。1 i 同调制编码方案( m c s ) 之间的切换门限往往比较接近，所以自适 应调制编码技术对信道估计的精度提出了更高的要求。同时，相对于自适应功率 控制，a m c 的切换开销较大，频繁的切换对系统性能会j 。生较大的影响。凼此 a m c 在慢衰落的条件卜性能表现较为优异，一旦信道衰落加快或者信道估计偏差 较大，系统性能将急剧下降。目前a m c 已经在w c d m a 标准的增强型技术一密 速下行分组按入系统( h s d p a ) 和i e e e s 0 2 1i 、i e e e 8 0 2 1 6 等无线计算机网络巾 得到应用。 2 2 3 自动请求重传( a