（通信与信息系统专业论文）无线自适应传输若干问题的研究.pdf

摘要 摘要 自适应传输在下一代移动通信系统的研究中得到了普遍关注。论文研究自适应q a m 三个方面 的问题，为该技术的应用和系统设计提供了依据。 研究分块自适应q a m 对信道状态信息的应用延迟的容忍性能。首先，定义“最大可容忍平均 应用延迟”作为容忍性能的度量，并通过仿真证明了它的归一化结果是一个常数，因此，根据它能 计算出系统在符号周期和多普勒频移为任意值的情况下可使用的块结构的最大长度，接着便给出了 计算块结构的最大长度的简单方法。然后，揭示了系统所采用的功率自适应方案和传输模式集合对 容忍性能的影响，发现，功率固定和功率可变能对容忍性能产生相反的作用。最后，分析了延迟容 忍性能与传输效率的关系，推导了系统的关键参数的取值范围。 在目标b e r 给定的情况下，研究多径时延扩展对自适应传输的影响。首先，研究固定符号率 自适应q a m 。推导了s n i r 的计算式，给出了平均比特率的上限的计算方法。研究发现，当滚降系 数增大时，平均频谱效率的反应取决于l - m s 时延扩展与符号率之积庆存在两个门限，三和( 三 忉， 当d h 时，增大：在区间l d h 上，无法确定，此区间随s n r 的 增大而向左右两边扩展。 然后，研究在自适应q a m 系统中，降低高阶调制方式的符号率对改善抗时延扩展性能，提高 频谱效率的作用。通过比较证明这样得到的变符号率方案的抗时延扩展性能没有超过固定符号率方 案。交符号率方案的优点是，简化系统结构，能使自适应传输的实现过程变得更容易。局限性是， 要求系统具备动态分配频谱资源的能力。为变符号率方案分析了有利于其扬长避短的应用环境。最 后，为了继承优点克服局限性，提出并研究了改进的变符号率方案。 在研究中，发掘了自适应传输在多径时延扩展环境中的特殊性质，自适应传输的含义得到拓展： 在多径时延扩展环境中自适应系统应先根据时延扩展和s n r 确定最佳传输模式集合，然后再根 据信道衰落选择最佳传输模式：传输模式集合固定不变的方案不再适用。提出了二次模式筛选的概 念以说明确定最佳传输模式集合的方法。为自适应系统的抗时延扩展性能提出了统一的度量。给出 了为固定符号率方案确定最佳符号率以及为变符号率方案确定最佳比特率的简单方法。分析了性能 对多径分布形状的敏感度，滚降系数的影响在自适应和非自适应系统中的差异。 研究了含有高阶调制方式的a q a m 方案对s n r 及系统的目标平均b p s ( b i t sp e rs y m b 0 1 ) 的要 求，发现了6 4 q a m 和2 5 6 q a m 在a q a m 系统中的应用规律，并分析了m i p ( m u l t i p a t hi n t e n s i t y p r o f i l e ) 和目标b e r 在其中的作用，得出的结论能帮助系统精简其所使用的高阶调制方式从而使性 价比得到提高。 关键词：自适应正交幅度调制，平均b p s ，多径时延扩展，分块自适应，信道状态信息，归一 化l m s 时延扩展，目标b e r ，目标平均b p s ，多径强度分布 a b s t r a c t a bs t r a c t a d a p t i v et r a n s m i s s i o ni sap r o m i s i n gt e c h n i q u ef o r t h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s 。t h r e ea s p e c t s o f a d a p t i v eq a m ( a q a m ) a r es t u d i e dt of a c i l i t a t et h ea p p l i c a t i o no f t h et e c h n i q u ea n dt h es y s t e md e s i g n t h ei m m u n i t yo fb l o c kb yb l o c ka q a mt ot h ed e l a yo fc s ii ss t u d i e di nf l a tf a d i n gc h a n n e l s f i r s t l y , t h em a x i m u mt o l e r a b l ea v e r a g eu s ed e l a y0 v i t a u d ) i sd e f i n e dt om e a s u r et h ep e r f o r m a n c e ，i ti sf o u n d t ob eac o n s t a n ta f t e rn o r m a l i z a t i o n t h u s t h em a x i m u mb l o c kt h a tt h es y s t e mc a nu s ec a l lb eg o tf r o mt h e m t a u df o ra n ys y m b o lp e r i o da n dd o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t a n dt h e nt h ec a l c u l a t i o nf o rt h em a x i m u m b l o c kl e n g t hi ss i m p l i f i e d s e c o n d l y , t h ee f f e c t so f t h ep o w e rc o n t r o la n dt h es e to f t r a n s m i s s i o nm o d e st h a t t h es y s t e mu s e sa r er e p o r t e d f i x e dp o w e ra n dv a r i a b l ep o w e ra r eo b s e r v e dt ob ea b l et oh a v eo p p o s i t e i n f l u e n c e s f i n a l l y , t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei m m u n i t yt ot h ed e l a ya n dt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi s a n a l y z e d t h er a n g e so fi m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h es y s t e md e s i g na r eo b t a i n e d t h ee f f e c t so f m u l t i p a t hd e l a ys p r e a do na d a p t i v et r a n s m i s s i o na r ei n v e s t i g a t e d r e s e a r c hb e g i n sw i t h t h ec o n s t a n t - s y m b o l r a t ea q a m t h es n 取e x p r e s s i o ni sp r e s e n t e d t h ec a l c u l a t i o no ft h eu p p e rb o u n do f t h ea v e r a g eb i tr a t ei sg i v e n w h e nt h er o i l o f ff a c t o ri n c r e a s e s ，t h er e a c to ft h ea v e r a g es p e c t r a le f f i c i e n c y d e p e n d so nt h en o r m a l i z e dr m sd e l a ys p r e a d 西t h e r ee x i s tt w ot h r e s h o l d s ，la n dh 忉，i nt h e & d s eo f d l ，i tw i l ld e c r e a s e ；i nt h ec a s eo f 痧只i n c r e a s e ，a n dt h er e a c tc a n n o tb ep r e d i c t e di nt h ei n t e r v a lo f 三 d 厦w h i c he x t e n d sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h es n r 。 n e x t , r e s e a r c hi sd o n et of i n di ft h er e d u c t i o n so ft h es y m b o lr a t e so fh i g h e rl e v e lm o d u l a t i o nm o d e s c o n t r i b u t et ot h er e s i s t a n c et od e l a ys p r e a da n dt h es p e c t r a le f f i c i e n c y t h er e s u l t a n ta q a mw i t hv a r i a b l e s y m b o lr a t ed o e sn o tg e tm o l er e s i s t a n tt ot h ed e l a ys p r e a dt h a nt h ec o n s t a n t - s y m b o l - r a t es c h e m e b u ti t c a nm a k et h ea d a p t i v es y s t e me a s i e rt oi m p l e m e n t a tt h es a m et i m e ，i tr e q u i r e sa d a p t i v es p e c t r u m a l l o c a t i o n t h ea p p l i c a t i o ns t r a t e g yi sm a d eb a s e do nt h e s eo b s e r v a t i o n s a tl a s t , t h ev a r i a b l e s y m b o l - r a t e s c h e m ei si m p r o v e dt ok e e pi t sa d v a n t a g ea n de l i m i n a t ei t sd i s a d v a n t a g e t h ec o n c e p to fa d a p t i v et r a n s m i s s i o ni se x t e n d e dd u r i n gt h er e s e a r c h i tn e e do p t i m i z et h es e to f t r a n s m i s s i o nm o d e sa c c o r d i n gt ot h ed e l a ys p r e a da n ds n rb e f o r ea d a p t i n gt h et r a n s m i s s i o nm o d et ot h e c h a n n e lf a d i n g af i x e ds e to ft r a n s m i s s i o nm o d e si sn o ta p p r o p r i a t ea n yl o n g e r t w o - s t e po p t i m i z a t i o ni s s e tf o n ht of i n dt h eo p t i m a ls e t au n i f o r mm e a s u r ei sg i v e nf o rt h er e s i s t a n c eo fa d a p t i v et r a n s m i s s i o nt o t h ed e l a ys p r e a d s i m p l em e t h o d sa r eg i v e nt oo p t i m i z et h es y m b o lr a t ef o rt h ec o n s t a n t - s y m b o l r a t e s c h e m ea n dt h eb i tr a t ef o rt h ev a r i a b l e s y m b o l r a t eo n e t h ed i f f e r e n c e sa m o n gt h ep o w e r sa r ea n a l y z e d o ft h er o l l o f ff a c t o ri na d a p t i v ea n dn o n a d a p t i v es y s t e m s t h es e n s i t i v i t yo fp e r f o r m a n c e st ot h ed e l a y s p e c t r u ms h a p ei sa l s od i s c u s s e d f i n a l l y , t h ec o n d i t i o n so fs n ra n dt a r g e ta v e r a g eb p sr e q u i r e db yt h ea q a m su s i n gh i g hl e v e l m o d u l a t i o nm o d e sa r es t u d i e d 。t h eg e n e r a lp a r e r no fb e h a v i o r so f6 4 q a ma n d2 5 6 q a mi na q a m s y s t e ma r ef o u n d t h ee f f e c t so fm i pa n dt h et a r g e tb e ra r ea n a l y z e d t h ec o n c l u s i o n sc a nh e l pf i l t e rt h e i i i 东南大学博_ 学位论文 c a n d i d a t eh i g hl e v e lm o d u l a t i o nm o d e s ，s ot h a tt h ep e r f o r m a n c et op r i c er a t i oc a nb er a i s e d k e yw o r d s ：a q a m ，a v e r a g eb p s ，m u l t i p a t hd e l a ys p r e a d ，b l o c kb yb l o c ka d a p t a t i o n ，c s i ， n o r m a l i z e dr m sd e l a ys p r e a d ，t a r g e tb e r ，t a r g e ta v e r a g eb p s ，m i p i v 符号 o e x 】 x l n y = ( x ) 瞄 t a n 。1 x p z ( z ) 足( x ) p 咖( y x ) u 仨 m a x m l n 符号 卷积 求x 的统计平均 x 的阶乘 连续相乘 y = f ( b ) - f ( a ) 反正切函数 x 的共轭 z 的概率密度函数 z 在区间( x ，) 上的概率 y 的条件概率密度函数 并集 属于 不属于 求最大值 求最小值 i x 东南大学博士学位论文 缩略语 a q a ma d a p t i v eq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n a - b e r a v e r a g eb i te r r o rr a t e b p s c s i f e r i b e r i s i m i p m r c n o t x p d f n n s s e s n i r b i t sp e rs y m b o l c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n f r a m ee r r o rr a t e i n s t a n t a n e o u sb i te r r o rr a t e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e m u l t i p a t hi n t e n s i t yp r o f i l e m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g n ot r a n s m i s s i o n p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n r o o tm e a ns q u a r e s p e c t r a le f f i c i e n c y r a t i oo fs i g n a lt on o i s ea n di n t e r f e r e n c e x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：篁旦乳丝 e t 期：竺坚塑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公御 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：望业丝 导师签名： 第一章绪论 1 1 自适应传输的基本概念 第一章绪论 近几年，人们为了提高传输速率和频谱效率对多项技术进行了研究，比如，多天线和多载波， 自适应传输也是其中之- - i3 0 在自适应传输技术出现之前，在一次通信过程中，通信系统所使用 的传输模式基本不变，而信道是随时间变化的，这种固定的传输模式阻碍了系统利用良好的信道状 况来提高传输速率和频谱效率。鉴于固定传输的缺点，人们研究了自适应传输。该技术的基本思想 是：及时根据信道状况来改变传输模式，在确保传输质量的前提下，尽量提高传输效率。比如，在 信道状况好转的时候，采用高阶调制方式和高码率的信道编码；当信道质量下降时，就改用低阶调 制方式和低码率的信道编码。当然，改变传输模式不仅仅局限于改变调制方式和码率，还有许多传 输参数是可交的，比如，符号率，功率，扩频系数，以及编码方案等等【2 8 】。这些传输参数的不同 取值组合成人r 种备用的传输模式，自适应方案按照某种准则( 比如，平均比特率最大化或平均功率 最小化) 将信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c s i ) 的变化范围分成个区间【9 】，在每 个区问上安排一种传输模式，对应的区间称为该模式的工作区间，区间的边界称为模式切换门限。 在恶劣的信道条件下，发送端所选择的传输模式能保证通信正常进行；在有利的信道条件下，发送 端所选择的传输模式能带来较高的传输效率。相比始终只使用一种传输模式的固定传输，自适应传 输在可靠性和有效性方面的优势是显而易见的 1 0 - 1 2 。 要实现自适应传输，必须先解决2 个问题： 1 ) 用什么量作为信道质量的度量? 可用于自适应传输的c s i 有很多【1 3 】，具体使用哪一个与 信道和自适应方案等因素有关。以一个固定功率的5 模式自适应方案为例，5 种传输模式包括n o - t x ( 暂停传输) ，其余4 种传输模式分别使用b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m ，4 种调制方式，此 方案可用s n r 来度量信道。假定系统的目标b e r ，b e r t = 1 0 3 ( 下标“t ”切唱e t ) ，图1 1 所示 酲 s n rp e rs y m b o l ( d b ) 图1 - 14 种调制方式的b e r 曲线 东南大学博士学位论文 为4 种调制方式的b e rv ss n r 曲线，每条曲线上与纵坐标l o _ 3 对应的横坐标即模式切换门限【l ，t 4 1 。 如果自适应方案使用可变功率，可以用衰落系数作为信道质量的度量。采用s n r 和信道冲激响应 作为c s i 的自适应系统能够快速灵活的切换传输模式，对信道的变化有较快的反应。不过，信道估 计和反馈环节引入的延迟，及带宽和硬件的工作速度等一些限制条件使切换过程终究无法瞬时完 成，所以，传输模式的有效更新率低于信道的变化速率，严重时会影响到系统的性能 1 5 】。有些情 况下，统计每一种模式在传输过程中产生的错误，得到的b e r 或f e r ( f r a m ee r r o rr a t e ) 可以作 为c s i 【1 6 】，它反映了每一种传输模式的实际性能，不同于简单的理论曲线。获得这种c s i 需要较 长的观测时问，所以系统的自适应动作很迟缓，比较适合大尺度衰落的环境。 2 ) 如何获得c s i ? 根据发送端获得c s i 的方式，自适应传输可分为开环和闭环两类 1 7 - 1 9 ， 如图1 2 所示。闭环自适应常见于使用f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 的系统 1 7 ，2 0 】。在闭环自 适应系统中，接收端完成信道估计，将结果通过反馈信道告知发送端。闭环自适应的问题是：反 馈过程会延迟发送端获得c s i 的时间，在信道变化较快的情况下，发送端就只有“过期”的c s i 可 用了：反馈传输必须有较高的可靠性；反馈的频率不能过高以免占用太多的带宽。开环自适应 常见于使用t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 的系统【1 7 】。在开环自适应系统中，系统利用在接收时隙 所收到的信息进行信道估计，获得c s i ，据此为发送时隙选定传输模式。与闭环自适应一样，开环 自适应使用的c s i 也有时效问题，同理，接收时隙和发送时隙的间隔不能过长。 接收 ( a ) 闭环自适应系统 ( 协开环自适应系统 圈1 - 2 两种自适应系统的组成 2 数据 数据 第一章绪论 以上谈到的自适应是针对信道在时间上的变化，随着研究的发展，自适应传输有了新的含义。 1 2 自适应传输理论的发展 1 2 1 针对信道衰落的频率选择性和空间选择性的自适应传输 在宽带系统中，信道衰落不但在时间上有选择性，在频率上也有选择性。于是，自适应传输也 可以针对信道在频率上的变化 2 1 ，2 2 1 。比如，采用多载波调制的时候，令各个子载波上的传输模式 彼此独立，在信道状态良好的子载波上采用高阶调制，在传输条件恶劣的子载波上采用低阶调制， 甚至暂时闲置存在深度衰落的子载波，这种自适应方案利用频率选择性来提高通信的可靠性和频谱 效率，缺点是复杂度高，开销和运算量都很大 2 3 - 2 6 。一种性价比较合理的折中方案是，将褶邻的 若干个子载波归为一个予带，同一子带内采用同一种传输模式【2 7 】。在多天线系统中，还可以利用 信道衰落在空间上的选择性来实现自适应传输。另外，在多天线系统中，信道衰落的时间选择性， 频率选择性和空间选择性并存，因此，自适应系统可以同时针对s n r 或b e r f e r 在时间，空间和 频率上的变化来选择传输模式，这就是空间一时间一频率自适应 2 7 - 3 1 】。 1 2 2 针对业务的自适应传输 人们希望同一通信系统能够承载涉及数据，语音和图像的各式各样的业务，电话、传真、电子 邮件、无线上网及多媒体等这些业务对通信质量的要求各不相同，比如，语音业务不能容忍大的延 迟，而数据业务对速率和出错率有相对较高的要求，对延迟则没有太严格的限制。鉴于如此多样的 要求：如果仅用一种固定的传输模式是很难应付的，使用自适应传输就容易得多。自适应系统根据 当前的通信内容选择一种传输模式以使通信过程中的速率，出错率及时延等都达到相应的要求，这 就是针对业务的自适应传输 3 2 ，3 3 。 1 3 白适应传输研究的发展 早在上个世纪6 0 年代，就有人提出了自适应传输的概念 3 4 1 ，之所以没有立刻引起人们的关注， 可能是由于当时硬件发展水平的限制，a n 上缺少有效的信道估计方法。科技的进步，尤其是软件无 线电技术的出现和发展，已经扫清了以前的种种障碍，而且现实情况也迫切需要各种能够有效利用 频谱资源的新技术，于是，自适应传输的研究有了长足的发展，并且，这项技术已经得到人们的普 遍认可，出现在目前的很多系统标准d p 3 5 - 3 9 1 ，也有希望出现在未来的各种通信系统中【1 ，4 0 ，4 1 1 。 自适应传输的实现过程包括4 个主要环节，依次为信道估计和预测，反馈，模式切换以及接收 端的模式识别。关于自适应传输本身的研究也集中在这4 个方面。为了解决前面刚刚提到的“过期” c s i 问题，z h o u 和v u c e t i e 等人提出一系列具有鲁棒性的自适应调制方案，这些方案在必要时“牺 牲”频者效率来消除“过期”c s i 对性能的影响 4 2 - 4 5 。克服c s i 的延迟的另一个途径是提前预测 出信道的变化，这样既能实现系统的目标b e r 或f e r ，还不会使传输效率遭受损失，文献中出现 的信道预测方法各种各样，如【4 6 - 4 8 】。反馈是指接收端通过反向信道把c s i 传送给发送端，该通信 过程出错会影响到自适应系统的传输效率，为此，文献【4 9 】的作者为反馈信道设计了2 种接收机， 一种是贝叶斯接收机，另一种基于有限状态m a r k o v 信道模型，它们与信道编码合作大大减少了反 3 东南大学博士学位论文 馈错误。反馈信道作为辅助信道，只能够占用非常有限的带宽，这种情况下，在设计自适应方案时 不能只追求优异的性能，还要考虑到信道估计次数和反馈信息量，正j t n 5 0 ，5 l 】；准确地计算信道的 衰落持续时间有助于避免不必要的反馈过程 5 2 1 ；文献 5 3 1 给出的自适应编码调制方案则彻底抛弃了 反馈环节。模式切换门限与性能密切相关，它的变化会同时影响到b e r 和频谱效率，根据h a n z o 等人的优化算法找到的最佳门限集合能使系统对这两种性能的要求同时得到满足 5 4 】。优化算法依 赖信道和自适应系统的特征，这些条件改变之后，原来的算法可能就不再适用，文献 5 5 ，5 6 q b 的结 果说明了这一点。在自适应传输的最后，接收端接收到传输信息，先识别出发送端所使用的传输模 式，然后才能正确地检测信号，人们为此研究了不少识别方法 5 7 】。 在以上的研究中，人们考虑最多的信道变化是小尺度衰落【5 8 】，然而，因为大尺度衰落变化速 度相对较慢，针对这种变化的自适应传输实现起来更方便，所以相关的研究也同时展开【5 9 】。 人们在研究中将自适应传输技术与多载波技术和多天线技术相结合，这样，信道在时间，频率 和空间上的变化都得到利用以提高传输效率 6 0 - 6 3 1 。人们还研究将自适应传输与a r q ( a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ) 结合 6 4 - 6 7 。另外，因为自适应传输拥有多种工作模式，因此应用在分等级传输中 有先天的优势【6 8 】。 1 4 论文的研究动机和大纲 在自适应传输的研究中，a q a m ( a d a p t i v eq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 被广泛使用，本 论文也以a q a m 为主要研究对象，在不同信道条件下，研究其几个关键的特性和性能，为该技术 在下一代移动通信系统中的应用提供依据。 平均b e r 常常被用来衡量语音通信的质量，而在数据传输中，人们感兴趣的还有f e r ，它可 以由瞬时b e r 计算得出【6 9 】，因此，在研究过程中，关于传输的可靠性，我们将考虑两种b e r 性 能，平均b e r 和瞬时b e r 。论文主体将用4 章来研究3 个方面的问题。 第二章在平坦衰落信道中研究分块自适应系统对信道状态信息的应用延迟的容忍性能。准确及 时的c s i 是实现自适应传输的关键之一，然而，在接收端获取这种重要信息的过程中，若干环节会 引入延迟从而导致信道估计结果“过期”。如前面所述，为了避免性能受到影响，人们提出了各种 解决方法，虽然有效，但实现起来也很复杂。本章的研究将帮助避免在不必要的情况下采用这些复 杂的方法，并指导确定系统的设计参数。 将首先给出延迟影响下的平均b e r 。然后，定义延迟容忍能力的度量，用它来研究系统所采用 的功率自适应方案和传输模式集合对容忍特性的影响。接下来，推导系统可使用的块结构的最大长 度的计算公式。最后，分析延迟容忍性能与传输效率的关系，推导由这两者共同决定的系统关键参 数的取值范围。 第三章和第四章研究多径时延扩展对自适应传输的影响以及a q a m 的抗时延扩展性能。本论 文将给出系统的分析过程。多径时延扩展造成i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，是速率提高的重要障 碍，而自适应传输技术可以灵活改变包括功率，调制阶数和符号率在内的很多信号参数，也因此使 4 第一章绪论 传输速率获得极大提高。所以，研究自适应传输技术的抗时延扩展性能，有助于全面了解进而合理 利用这项技术。 一共设计并研究3 种a q a m 方案。第三章研究固定符号率a q a m ，这是最常用的方案，符号 率不因传输模式而异。第四章研究变符号率a q a m ，考虑到抗时延扩展性能与符号率密切相关，所 以研究符号率因传输模式而异的自适应方案的特性，将其性能与固定符号率方案进行比较，分析变 符号率方案的利弊，并设计新的变符号率方案，同时拥有固定符号率方案和变符号率方案的优点。 在第三章中，首先，推导信号与噪声加干扰之比的计算式，构造度量信道质量的变量，确定最 佳传输模式集合，在此基础上，在系统的目标b e r 给定的情况下，研究自适应方案对多径时延扩 展的容忍性能，并根据得出的结论制定信号参数的选择准则，给出确定最佳参数的简单方法。在研 究过程中，发掘自适应传输在多径时延扩展环境中的特殊性质，以扩充自适应传输的含义，统一抗 时延扩展性能的度量方法，给出平均比特率的上限，分析滚降系数以及多径分布形状的影响。第四 章遵循第三章的研究思路，在其基础上研究在自适应系统中，降低高阶调制方式的符号率对改善抗 时延扩展性能，提高平均频谱效率的作用，分析由此得到的变符号率方案相对于固定符号率方案的 优势和缺点，找出对变符号率方案有利的应用环境。最后，设计新的变符号率方案来扬长避短。 第五章在宽带衰落信道中研究含有高阶调制方式的a q a m 的应用条件。向自适应系统中增添 一种更高阶的调制方式，系统实现的复杂度和难度必定提高，而系统的性能只有在一定的条件下才 能得到改善。鉴于这种情况，论文将研究6 4 q a m 和2 5 6 q a m 在a q a m 系统中发挥作用所要求的 目标平均b p s ( b i t sp e rs y m b 0 1 ) 条件和或平均s n r 条件，并揭示m i p ( m u l t i p a t hi n t e n s i t yp r o f i l e ) 和系统的目标b e r 在其中的影响力，得出一般性的结论，用以帮助系统精简其所使用的高阶调制 方式，避免不合理的性价比。 第六章总结论文的研究工作和成果，展望研究发展的方向。 5 第二章分块自适应q a m 对信道状态信息的心用延迟的容忍性能 第二章分块自适应q a m 对信道状态信息的应用延迟的容忍性能 在实际操作过程中，自适应传输的关键是发送端获得准确及时的信道状态信息1 7 0 】。然而，这 一点常常很难实现，原因是信道估计的结果往往含有误差，即使没有误差，由于信道是时变的，而 信道估计和信号参数的选择，如果是闭环自适应，还得加上反馈，这些环节都会引入延迟，结果导 致发送端开始传输时，c s i 已不能准确反映当时的信道状况了。 人们注意到上述问题1 7 1 7 5 1 ，并提出了各种解决方案，一般有两种思路：一种是考虑到“过期” c s i 可能会对性能造成的影响，修正自适应算法，使系统具备鲁棒。 生1 7 6 - 7 9 ；第二种思路是预测信 道在“未来”的状况，发送端根据预测结果来选择传输方案【8 0 】。研究发现，同简单地直接使用信 道估计结果的方案相比，上述方案的确能够改善性能，但是，它们的计算量和实现复杂度也高出很 多。因此，有必要研究自适应系统对“过期”c s i 的容忍限度，挖掘其应用“潜力”，如果直接使用 信道估计结果可以获得满意的性能，就不需顾虑“过期“的问题，在不必要的情况下采用更复杂的 方案只会带来资源的浪费。 论文在平坦衰落信道中，针对分块自适应( b l o c kb yb l o c ka d a p t a t i o n ) 进行研究。首先构造了合 适的变量来度量自适应q a m ( a d a p t i v eq a m _ a q a m ) 对c s i 的应用延迟的容忍能力，给出此 种延迟影响下的平均b e r ，然后讨论自适应系统所采用的功率控制方案和传输模式集合对容忍特性 的影响，接着推导系统可使用的块结构的最大长度，最后讨论对延迟的容忍性能与传输效率的关系， 根据结论计算系统关键参数的取值范围。 2 1 系统模型 如图2 - 1 所示，自适应块的长度是n ( 2 ) 个瓦( 符号周期) ，其中，1 个用来传输数据， 1 个用来传输用于信道估计的已知信息，本论文称其为信道估计瓦( c e t , ) 。系统根据信道在b l o c k ，的c e t s 的状态来确定b l o c kl + 1 所使用的传输方案。队瓦为单位，to 表示c e t , 与下一个自适 应块的间隔，取值范围为1 fo 一n - 1 。对于每个块中的第露个瓦( 1 刀 且n ：n ro ) ，定义 c s i 的应用延迟( 简称延迟) = z 0 + 尼( 2 1 1 ) to 的存在是不可避免的，它表示发送开始前的准备时间，主要有以下几个组成部分：信道估 计花费的时间，反馈过程花费的时间和发送端选择传输模式所需要的时间。显然，采用简单的信道 估计方法和自适应算法，提高硬件速度都有利于缩小【o 。 至于块的长度，如果取值过大，c s i 的延迟会严重损害到b e r 性能，如果取值过小，c e t , 的密度增加，系统频繁更换工作模式，会导致开销增大，传输效率降低。本章会分析系统对延迟的 容忍性能，在此基础上给出系统可使用的最大值，n m 。 7 东南大学博十学位论文 、 u l u o “j 7、 d l u 乙凡j t 工 7 dd c e 瓦 d dd d c e 瓦 dd 、 f n 一， 图2 - 1 分块自适应 2 2 固定功率a q a m 和变功率a q a m 在平坦r a y l e i g h 衰落信道中，接收s n r 【8 1 】 1 ，；墨口2 。 n o - 是g 其中， 匠一信号能量； 口幅度增益，服从r a y l e i g h 分布； g = a 2 ，在此令e a 2 】= 1 ； 假定自适应系统有k 种工作模式( 模式0 ，1 ，k - 1 ) ， 根据模式k 在a w g n 信道中的性能，其瞬时b e r 为【6 9 ，8 2 】 州咖- e x l p ( 一是) ， c e ：c h a n n e le s t i m a t i o n ( 2 2 1 ) 其中，模式0 为n o t x ( 暂停发送) 。 ( 2 2 2 ) 其中，巩表示模式k 的每个符号所携带的比特数( b i t s p e r s y m b o 卜一b p s ) 。 选择g 作为信道质量的度量，则在模式切换门限的集合 如，l ，k ) 中，o = o ，l k = o o ，当 厶g l k + 1 时，系统选用模式k 。g 落在区间瓯，厶。) 上的概率定义为模式k 的使用概率e k ，易知， p k = e 一一e k + ( 2 ，2 3 ) 目适厦系统的半均b e r 8 3 】 y = i 1k 刍- ! 仇灭 其中， 伊一系统的平均b p s b = y b k e k 危 8 ( 2 2 4 ) 第二章分块白适应q a m 对信道状态信息的戍用延迟的容忍性能 灭模式k 在其工作区间上的平均b e r 藏一r y 。( ) ，) 取( g ) d g 上式中的胁表示g 的概率密度函数( p d f ) 。 ( 2 2 6 ) b e r a r ( - f 标“a ”a v e r a g e ，“t ”t a 略e t ) 表示系统的目标平均b e r 。为实现y 、 b e r a t ， 固定功率方案用下式来计算切换门限 疋= 彘 其中，皿表示败( y ) = b e r 盯成立所要求的，之值，根据式( 2 2 2 ) ， r 一等h ( 5 b e r a t ) x - ( 2 2 6 ) 变为 死一t “三e x p ( 一喾) p 噌d g e x p 一g ( 1 + a k ) l ，i 一5 ( “4 ) k ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 其中，4 一百1 5 e j n o 。 急一k 刍- 1 母j , 厶j k “扣g ) d g叫1 ) 纛+ 蚴 9 东南人学博： ：学位论文 宙 幽 露 i 斗 平均s n r ( d b ) 图2 - 2 方案1 的平均b e ry b e r 盯= 1 0 ；n o - t x , b p s k , q p s k , 1 6 q a m 和6 4 q a m 九= 撩，2 膨1 ( 2 2 1 4 ) 将式( 2 2 1 3 ) 代入式( 2 2 1 2 ) ，为了获得最大的平均b p s ，把“”改为“= ”，最后得到只有一个变 量的等式，于是问题得解。 能够实现y 、 b e r a r 的方案有很多种，本章之所以考虑上面的固定功率方案和变功率方案，是 因为它们分别代表了两种极端情况：式( 2 2 7 ) 显示，固定功率方案( 下面简称方案1 ) 令系统的b e r 在任意时刻都等于或低于b e r a t ，这样，平均b e r 一定会大大低于b e r a t ，所以说方案1 是最“保 守”的，如图2 - 2 所示，b e r a t = 1 0 - 3 ，而平均b e r 最低为4 1 0 。4 ，最高为1 0 4 ；式( 2 2 1 0 ) 表明，变 功率方案( 下面简称方案2 ) 令b e r 在任意时刻都等于b e r a t ，于是，平均b e r 恰好等于b e r a r ， 在此情况下，方案2 必定对c s i 的延迟很敏感，所以说它是最“冒险”的方案。下面就定义一个变 量来量化方案1 和2 对延迟的容忍能力。 2 3 对延迟的容忍性能 2 3 1 延迟影响下的平均b e r 用雪表示所获得的c s i 。因为g 的分布特性不随时间变化，所以季的应用延迟不会影响到系统 的平均b p s ，但是，会影响到平均b e r 。给定，n ，符号周期瓦以及多普勒频移f d ，实际平均 b e r 儿而1 荟n y - ( 2 3 1 ) 其中，在自适应块的第万个正，平均b e r y n t 1 拶v 篇b , z ( 2 3 2 ) 1 0 第- 二章分块自适应q a m 对信道状态信息的应用延迟的容忍性能 y - - - 4 础= f “f y ：胪啦( 厶f 季) 电终( 窖) 略 ( 2 3 3 ) 在上式中， p i ( 雪) 害的p d f ； 厶= 踟雪_ g 在第厅个瓦的值秭与雪的比值； 以k ( 陪) 1 的条件p d f 7 2 1 ； 蹦如；上1 - p - 。( 等) c x p ( 一掣) 仁3 q 在上式中，1 0 ( ) 为改进的第一类0 阶b e s s e l 函数；凤* j 。2 ( h ( + 肛) 正，d ) 是舶与雪之间的相关系 数【7 2 】，其中，j o ( ) 为第一类0 阶b e s s e l 函数。 j 当害落在区间陬，厶+ 。) 上时，系统在第以个瓦的b e r ，根据式( 2 2 2 ) f f i l ( 2 2 1 0 ) 2 3 2 系统可容忍的最大平均延迟 ( 2 3 5 ) 在式( 2 1 1 ) 所定义的应用延迟的基础上，定义就整个自适应块而言的平均应用延迟，简称平均 延迟， 亍一而1 耋 一而1 耋( 训 l 。1 + t r o 1