（通信与信息系统专业论文）ofdm自适应调制技术研究.pdf

摘要 自适应调制技术与o f d m 技术相结合，可以根据信道情况在不同的子载波上 使用不同的调制方式和分配相应的发送功率，从而达到与信道的匹配，提高系统 资源的利用率。o f d m 自适应调制技术是目前研究的热点之一。 本文首先研究自适应调制技术的发展概况和基本原理，在此基础上对 h u g h e s h a r t o g s 算法，c h o w 算法，f i s c h e r 算法进行研究，并对f i s c h e r 算法进行 改进，提出一种新的算法。新的算法和原来算法误码率性能一样，但是减少了计 算迭代次数，降低了算法的计算量。然后在基于奇异值分解的m i m o o f d m 系统 下，研究一种最优的自适应调制算法，仿真结果表明算法能最优的分配比特和功 率。随后对算法进行改进，提出一种基于分组的自适应调制算法。仿真结果表明 选择合适的分组，新算法在误码率上能逼近原先的算法，而计算复杂度小，运算 效率高，并且由于所需反馈的信息量的减少，能够很大程度上减少系统的复杂度。 关键词：正交频分复用多输入多输出自适应调制比特分配 功率分配 a b s t r a c t b yc o m b i n a t i n ga d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa n do f d mt e c h n i q u e s ，t h e n d i f f e r e n tm o d u l a t i o nm e t h o d sc a l lb ea d a p t e di nd i f f e r e n ts u b b a n da n dt h et r a n s m i t t i n g p o w e r c a nb ea l l o c a t ea c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lc o n d i t i o n ，w h i c he f f e c t i v e l l ym a t c ht h e c h a n n e la n di m p r o v et h es y s t e me f f i c i e n c y n o w a d a y s ，t h et e c h n i q u eo fa d a p t i v e m o d u l a t i o ni no f d ms y s t e mi so n eo ft h ea c t i v er e s e a r c ha r e a s i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to f a d a p t i v em o d u l a t i o na n dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa r e p r e s e n t e df i r s t l y t h e nh u g h e s - h a r t o g sa l g o r i t h m ，c h o wa l g o r i t h ma n df i s c h e r a l g o r i t h ma r es t u d y e d w h a t sm o r e ，an e wa l g o r i t h mi sp r e s e n t e db yi m p r o v i n gt h e f i s c h e ra l g o r i t h m t h en e wa l g o r i t mh a ss a m ep e r f o r m a n c ew i t ht h ef o r m e ri ne r r o r r a t i o ，b u tr e d u c et h ec a l c u l a t i o ni t e r a t i o n sa n dt h ec o m p u t a t i o na l g o r i t h m a no p t i m a l a d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h mi nm i m 0 一o f d ms y s t e mb a s e do ns v di sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a v eo p t i m a lp e r f o m a n c ei na l l o c a t i n g b i ta n dp o w e r a na d a p t i v em o d u l a t i o na l g o r i t h mb a s e do ng r o u pi s p r e s e n t e db y i m p r o v i n gt h ea l g o r i t h m i ti s c o n c l u d ef r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h en e w a l g o r i t mh a sa p p r o x i m a t ep e r f o r m a n c e 谢mt h ef o r m e ri ne r r o rr a t i o ，b u th a ss m a l l a l g o r i t h m i cc o m p l e x i t ya n dh i 曲e f f i c i e n c y , w h a t sm o r e ，l e s sf e e d b a c ki n f o r m a t i o ni s n e e d e d ，w h i c hc a nr e d u c et h es y s t e mc o m p l e x i t y k e y w o r d s ：o f d m m i m o a d a p t i v em o d u l a t i o n b i ta l l o c a t i o n p o w e ra l l o c a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特另, j j n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 逖 日期： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期：丝差至：丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 自适应调制技术的发展 自适应调制技术的基本思想就是自适应调节信号传输的参数来充分利用当前 的信道环境。可以调节的基本参数包括调制方式、编码方式、发射功率、扩频增 益和信令带宽等参数。在不浪费能量和增加误比特率的情况下，自适应调制技术 有效的匹配了无线信道的时变特性，提供了较高的频谱效率。 j f h a y e s 1 】在2 0 世纪六十年代末提出自适应的概念：“一个有效对抗这些有害 ( 衰落) 效应的方法，是根据接收端获得的瞬时信道质量信息，自适应地调整调制和 信道编码的方式以及其他系统参数，这些信道质量信息利用一个反馈信道反馈回 发送端 。 1 9 7 2 年，c a v e r s l 2 】提出可以根据接收信道质量采用变化的符号速率。通过改变 比特速率而不是改变传输功率的方法，系统保持了比特接收信噪比恒定，不增加 信道干扰。其缺点在于变符号速率会引起信号带宽的变化，也要求复杂的硬件来 实现不同比特速率信号的传输。 s t e e l e 和w e b b t 3 1 1 4 提出了基于星形q a m 调制阶次控制的自适应调制技术，在硬 件实现上比采用符号速率控制的系统简单得多，且该系统可以充分利用衰落信道 的时变特性而使其容量逼近香农容量。 g o l d s m i t h 等人【5 】从理论上对功率分配和比特分配进行了研究，推导了平坦 r a y l e i g h 衰落信道下的最优功率分配算法，证明了联合功率速率自适应方式从接近 信道容量来说很有吸引力，也发现对于大多数类型的衰落信道，速率自适应对容 量影响较功率自适应对容量的影响要大得多。 为了在减小信道衰落影响的同时，又能够有效利用稀少的无线频谱，优化系 统性能，自适应调制技术被引入移动通信系统，并引起众多研究人员的广泛关注。 它根据信道状态信息实时地改变传输参数以使系统达到一定的优化目标，目前已 经成为无线数据网络中提高数据传输速率和频谱效率的一个有力工具。 1 2o f d m 自适应调制技术的提出 宽带无线传输信道的一个基本特点是多径时延扩展和频率选择性衰落，整个 传输系统带宽大于信道的相干带宽。在宽带数据传输系统中，单载波的符号传输 时间通常小于信道时延扩展，信道表现为多径衰落信道，这种多径衰落信道在整 2 o f d m 自适应调制技术研究 个信道带宽内表现为频率选择性，即信道对信号的不同频率成份衰减大小不一。 由于o f d m 系统在频域传输数据，整个频带划分为若干个子带( 子载波信道) ，这 些子载波上的符号传输时间大于信道的时延扩展，子带带宽较窄，信道在每个子 载波上表现为平衰落，可以用一个时变的乘性r a y l e i g h 衰落因子描述，而整个带 宽远大于信道的相关带宽，不同子载波上的乘性r a y l e i g h 衰落因子幅度大小不一。 如果在o f d m 系统中各子载波上均匀地使用相同的发送功率和调制方式，那 么当数据信息从深衰落子信道传送，那么其误码率会非常大。虽然其它子信道的 误码率很小，但整个系统的误码率是由少数深衰落信道决定的，所以整个系统的 性能会因此而恶化。由于o f d m 的各个子载波上的信道衰落相对独立，o f d m 自 适应调制技术可以根据信道情况调整分配到各子信道的比特和功率，在深衰落子 信道上传输少的比特信息甚至不传信息，在信道条件好的子信道传输较多的比特 信息并且分配更多的能量，从而实现功率的有效利用，提高系统的传输效率【6 】。在 多用户o f d m a 系统中，利用不同用户之间独立的频率选择性衰落，通过自适应 的动态子载波和功率分配，还可以获得频域多用户分集的增益，进一步提高系统 的整体传输效率。 1 3o f d m 自适应调制的必要技术 自适应调制只适合通信双方是双工通信的节点，因为传输参数的自适应必须 采用双向的数据传输。只有双向传输才能把信道测量结果发送给对方，让对方做 出参数的改变。 传输参数的自适应实际上就是发射机对时变信道条件的一种响应。为了有效 的响应这种信道质量的变换，自适应调制系统必须采用以下的步骤【7 j ： ( 1 ) 信道质量估计：为了在下一个传输时隙选择合适的传输参数，可靠估计下 一个传输时隙信道传递函数是必要的。 ( 2 ) 为下一个传输时隙选择合适的参数：在预知下一传输时隙的信道条件的基 础上，发射机必须为子载波选择合适的调制模式。 ( 3 ) 自适应参数的信令检测或盲检测：接收机必须知道接收的数据包中使用的 解调参数。这个信息可以包含在o f d m 符号自身中，不过这样会损失部分吞吐量。 另外一种方法，接收机可以采用盲检测的方式估计远端发射机采用的自适应参数。 1 3 1 信道质量估计 发射机需要对下一个o f d m 符号传输时隙的信道条件进行估计。因为这个信 息只能从上一个时隙的信道质量估计获得，所以自适应调制系统只有在信道条件 第一章绪论 变化相对缓慢的情况下才能发挥效用【s j 。 信道质量的估计器主要有两类：盲估计方法和导频辅助的估计方法【9 】。 盲估计算法最吸引人的地方是不需要额外的开销，它使用的是二阶或更高阶 的统计特性，基于循环平稳或基于子空间分解的方法。基于二阶统计特性的方法 只能估计信道传输函数的幅度特性，而基于更高阶统计特性的方法可以恢复信道 传输函数的幅度和相位信息。这类算法的计算复杂度高，收敛速度慢，估计性能 有限，因此限制了它们在移动信道中的应用。 基于导频的估计方法是在发送信号的某些固定位置上插入一些己知的符号， 接收端利用这些己知符号来恢复信道的信息。这样做的原因是o f d m 系统的信道 在时间域和频率域上都表现为严格带限的慢速变化，因此可以从部分己知的信号 完全估计出二维的信道信息，跟踪二维平面上信道的变化。二维n y q u i s t 定理说明， 对于严格带限的信号，可以通过比较少的采样点完全恢复出原始信号。基于导频 的信道估计方法一般是进行内插，由于o f m d 符号具有时频二维的特性，所以导 频可以在时域或频域上以特定的形式插入。这类方法由于要发送导频符号，所以 信道的容量会有一定的损失。 1 3 2 自适应参数选择 采用不同的自适应参数可以抵抗不同的信道衰落。自适应调制系统根据信道 估计器获得的所有子信道的信道信息，为各个子信道( 子载波) 选择不同的自适 应参数，使得在某种准则下的资源配置达到最佳化。 一般来说，自适应参数包括两大部分：调制模式和编码模式【l0 1 。 自适应编码参数包括编码速率，自适应交织、卷积码和t u r b o 码的打孔，或调 整块码的长度。 本文只涉及到调制模式，即根据各个子信道的信道增益为其选择合适的调制 阶数，处于深衰落的子载波不用来发送数据，可以留着空白或者用于标记幅度削 减因子。这部分的工作一般由接收端来完成。 1 3 3 自适应参数发送 参数发送在自适应系统中起着重要的作用。图1 1 ，图1 2 ，图1 3 给出了开环 信令传输，闭环信令传输以及盲坳】的参数发送模式。开环信令传输的自适应 系统如果在某条链路的发射机上执行了信道质量估计和自适应参数调整，那么必 须通知接收机参数调整的结果，以便接收机能正确的解调和解码o f d m 符号。闭 环信令传输的自适应系统是由接收机自身决定远端发射机将要采用的参数，远端 发射机在反向链路中也要发送大小相同的信息。如果信令信息阻塞了，通常情况 4 o f d m 自适应调制技术研究 下接收机就不能对o f d m 符号中相应的信令信息进行正确的解码。如果选择盲检 测的参数发送模式，就不需要信令信息或很少的信令信息。 上仃一 基站 移动台采用的信 +- 号调制模型 测量接收信道质 下行 量，决定本地发射 机传输模式 甘丢卜亚用- 锅士与且 调制模型 图1 1 双工等同信道，开环信令传输 移动台 测量接收信道质 量，把要求的传输 模式发送给基站的 发射机 ：“：i ：一j ：一长基站 发送基站采用的 调制模型信息 测量接收信道质 下行量，把要求的传输 模型发送给移动台 发送移动台采用 发射机 ，12 h j d ：1 1 4 管：1 i ，= 奎白 图1 2 双工不同信道，闭环信令传输 移动台一二上行 基站 稚号+ 测量接收信道质测量接收信道质 量，决定本地发射量，决定本地发射 机传输模式，盲估 下行 机传输模式，盲估 计基站发射机采用 计移动台发射机采 的传输模式 小羌信号 用的传输模式 图1 3 双工信道，调制模式盲检测 1 4 自适应调制算法的研究现状 无线通信系统在物理层方面的资源包括码字，功率，频率等。o f d m 自适应 调制技术是通过链路反馈信息，对发射功率，比特率，编码速率，载波分配等进 行调整，使系统在时变信道中满足误码率，传输速率，功率要求的技术1 2 】。 自适应资源分配算法是o f d m 自适应调制技术的核心，决定着资源的分配及 自适应系统性能的改善。对于单个用户来说，按分配的资源对象来分，自适应分 第一章绪论 5 配算法可以包括自适应功率分配和自适应调制。自适应功率分配，顾名思义就是 根据信道状况自适应地调整装载到各个子载波上的发射功率，最基本的就是基于 注水定理的功率分配算法，很多的算法都起源于此。自适应调制就是根据信道状 况调整各个子载波的调制方式。简单地说，自适应调制的原理就是在信道条件好 的子载波上采用高阶的调制方式，在信道条件差的子载波上采用低阶的调制方式。 很多单用户自适应o f d m 资源分配算法通常是先进行自适应调制，然后再进行功 率分配的。因此，自适应资源分配算法又称为自适应比特功率分配算法或自适应 调制算法。 1 9 8 7 年，h u g h e s h a r t o g s 1 3 】提出一种贪婪算法。该算法在数据速率固定以及满 足误比特率要求的条件下，使系统总发送功率最小化。基本思想是在每一次比特 分配过程中，选择要求递增功率最小的子载波，这样就可以保证总的发送功率最 小。由于各个子信道相互统计独立，可以证明贪婪算法是最佳的比特分配方法。 但这种算法运算量很大，不利于高速数据传输。 1 9 9 5 年，c h o w ，c i o f i ，b i n g h a m t l 4 】提出一种基于最佳系统性能余量最大化的 算法。主要思想为：首先要确定使系统性能达到最优的门限，( 其定义为在满足系 统要求的比特差错率条件下，系统可以容许的噪声增加量，以d b 为单位) ，然后 确定各个子载波的调制方式，最后调整各个子载波的发送功率。算法中设置了一 个最大的迭代次数，以保证算法的收敛速度。该算法与贪婪算法相比降低了运算 量，但该算法对信号功率的分配和支持的传输速率是直接相关的，没有进一步优 化的余地；另外，算法采用的标准是使信道容量最大化，但实际的通信链路往往 更注重是否能以有限的功率达到某种速率的传输。 1 9 9 6 年，c z y l w i k l l 5 】提出一种基于各个子信道的信道容量来分配比特的算法， 该算法以充分利用信道带宽为目标，在力争各子载波误码率相同的情况下，保持 固定速率输出，但该算法占用的信令开销较多，而且由于包含了排序和搜索步骤， 当载波数目较大时，计算复杂度大大增加。 19 9 6 年，r e h f i s c h e r 和j b h u b e 1 6 】提出一种基于误码率最小化的分配算法。 该算法是一种使得各个子信道的信噪比最大，从而来获得总体误码率b e r 最小的 算法。f i s c h e r 算法给出了比特分配的闭式解，它首先把各个子信道上的噪声功率 值存储下来，接下来就只需进行一种加法和除数为整数的除法，仿真结果表明该 算法l l , c h o w 算法复杂度低，只要迭代几次就可以得到最终结果，而且性能也比较 好。f i s c h e r 算法是目前效率比较高的算法之一。f i s h e r 的表达式无论是对于实际应 用还是理论分析，都具有指导作用。但是它要求为每个子载波建立一条独立的信 令链路，由接收端通知发射端每个子载波的比特、功率分配信息。对于上百个子 载波的o f d m 系统来说，信令负荷将会非常庞大。 1 9 9 8 年，b s k r o n g o l d 1 7 】【1 8 】【1 9 】提出了一种能够达到最优的分配结果的算法，该 6 o f d m 自适应调制技术研究 算法也是比较高效的分配算法之一。算法采用了拉格朗日乘子法来得到理论的最 优结果，并采用二分法和查表的方法，来快速得到实际当中最优的比特和功率分 配结果。算法中只用到了查表和简单的除法运算，便于实际当中的应用。 1 9 9 9 年，s a ik i tl a i t 2 0 1 2 1 在h u g h e s h a r t o g s 算法的基础上，提出了一种简化的 算法。该算法根据上次比特、功率分配的结果，对各个子载波进行初始化比特、 功率分配；然后在此基础上进行比特调整和优化，使其实现与h u g h e s h a r t o g 算法 相同的性能。该算法主要运用在信道增益缓慢变化的情况下，对于信道增益变化 较快的情况就不适用。 2 0 0 1 年，y o s h i l d 2 2 】提出了一种基于s n r 的分配算法，以及一种多级功率控制 方案。该算法首先根据接收到的各个子信道的信噪比，为各个子信道指定最低阶 的调制方式或者不指定调制方式( 表示该子信道不用) 。然后增加比特，每次给增加 比特所需要功率最少的子信道增加比特，并计算剩余的功率，直到剩余的功率为0 ， 系统的速率达到最大。该算法主要应用在变比特速率上。 2 0 0 2 年，z h e f e n gs o n g 2 3 】提出了基于子信道衰落的统计特性来分配比特和功率 的算法。z h e f e n gs o n g 推导出了误码率、调制方式与信道衰落统计特性之间的关系 式。根据该关系式可以计算一定信噪比和信道衰落条件下，信道的调制方式。 z h e f e n gs o n g j 丕分三种情况研究了系统的性能，分别是仅调整比特、仅调整功率和 同时调整比特和功率。 2 0 0 3 年，f a l s a l l o l 2 4 】提出了一种最优分配算法。不同于以前的依次增加比特的 算法，f a s a n o 的算法是首先给所有的子信道分配最大允许的比特数，然后依次在各 个子信道减少比特，直到满足速率或功率约束条件。该算法即可用于固定速率的 系统，也可用于变速率的系统。f a s a n o 利用拟阵理论，证明了这种算法的最优性。 f a s a n o 的算法中还考虑到了实际当中对子信道最大比特数和最大功率的限制。 2 0 0 3 年，l iz h e n 2 5 】提出一种在满足用户b e r 要求及在发送总功率受限的情况 下，使得系统容量最大化的算法。该算法首先把发射总功率平均分配给各个子载 波，再根据在接收端所测得的各个子载波的信噪比及信道增益进行比特分配，使 得在当前发射功率的前提下，保证满足用户的b e r 要求时所能发送的最大比特数 及其选择的调制阶数，再对该子载波的发射功率进行“量化。最后采用“注水 算法 的思想对剩余的功率进行分配。该算法最大的缺点是难以保证功率分配的 最佳化，即信道增益小的子载波与信道增益大的子载波同样获得最基本的发送功 率，而且需要的发送功率未必对每一种与编码相结合的调制方式都适用。 2 0 0 4 年，d d a r d a r l 2 6 】提出一种采用排序、只使用固定数目的信道条件较好的 子信道传输方案。k b s o n g f 2 7 】和n b e n v e n u t o l 2 s l 各提出一种在o f d m 系统中结 合编码进行自适应分配的算法。 2 0 0 5 年，h w a n gy i n t s u n g 2 9 j 提出一种基于信噪t 匕f - 限切换的自适应算法。 第一章绪论 7 自适应调制算法根据信道的状况，灵活的分配比特和功率，以此实现系统性 能的优化。目前各类o f d m 自适应调制算法主要是针对吞吐量、误比特率、发送 功率进行优化。相对而言现有的各种算法均存在迭代次数多、计算量大、反馈信 息量大等缺点，因此寻找运算简单，收敛速度更高的算法成为目前自适应调制算 法改进的主要方向。 未来o f d m 系统中自适应调制技术的发展趋势，是进行跨层的联合设计优化 【3 0 1 【3 l 】。对于其他基于o f d m 的宽带通信系统，如o f d m a 3 2 1 、m i m o o f d m 3 3 1 等系统中自适应调制技术的研究也已经展开。 1 5 论文的主要工作及章节安排 本文主要在o f d m 以及基于s v d 分解的m i m o o f d m 系统下研究自适应比 特功率分配算法，具体工作如下： ( 1 ) 深入研究o f d m 系统的基本原理以及自适应调制的基本原理，在m a t l a b 平台上，搭建完整的自适应调制o f d m 系统模型。在此基础上，对h u g h e s h a r t o g s 算法，c h o w 算法，f i s c h e r 算法进行研究，通过仿真分析，对三种算法的误码率性 能和计算复杂度进行比较。随后对f i s c h e r 算法进行改进，证明改进的合理性，并 对新算法进行仿真分析。 ( 2 ) 深入研究基于奇异值分解( s v d ) 的m i m o o f d m 系统的基本原理，在 m a t l a b 平台上，搭建完整的基于奇异值分解的m i m o o f d m 系统。在此基础 上，对一种最优的自适应比特功率分配算法进行研究，通过仿真对算法的性能进 行分析。随后对算法进行改进，提出一种基于分组的自适应比特功率分配算法。 通过多种分组情况的仿真对新算法的误码率性能和计算复杂度进行分析比较。 本文具体安排如下： 第一章：首先研究自适应调制技术的发展和o f d m 自适应调制技术产生的原 因，接着分析了o f d m 自适应调制的必要技术，随后分析了目前o f d m 自适应调 制算法的研究现状，最后阐述了本文的主要工作以及各章的具体内容安排。 第二章：首先分析无线移动信道的特性，然后深入研究j a k e s 信道模型，o f d m 系统的基本原理以及自适应调制的基本原理，最后对影响自适应调制性能的因素 进行分析。 第三章：首先分析注水原理以及采用不同的调制方案的性能，其次研究o f d m 自适应调制的数学模型，在此基础上深入的研究h u g h e s h a r t o g s 算法，c h o w 算法， f i s c h e r 算法，并进行仿真分析。最后对f i s c h e r 算法进行改进，提出一种新的算法。 第四章：研究一种最优的自适应功率比特分配算法，并在基于奇异值分解的 m i m o o f d m 系统模型下进行仿真分析，在此基础上，结合分组的思想，提出一 8 o f d m 自适应调制技术研究 种新的基于分组的自适应功率比特分配算法，并进行仿真分析。 第五章：对全文的工作进行总结，对自适应调制技术的应用前景进行展望， 同时，提出论文尚待进一步研究的几个方向。 第二章无线信道与o f d m 自适应调制原理 9 第二章无线信道与o f d m 自适应调制原理 2 1 无线移动信道特性及模型 分析o f d m 信号在无线移动信道中传输的性能，就需要分析信道的各种特性对 o f d m 信号的影响，而地面移动信道是各种常见信道中最为复杂的一种。例如，模 拟有线信道通信中信噪比的典型值约为4 6 d b ，信噪比的变化范围通常为1 - 2 d b 。而 在典型的移动信道中衰落深度可达3 0 d b ，衰落速率为3 0 4 0 次秒。这主要是由接收 机与发射机相对运动造成的，即移动信道是时变多径信道【3 4 】。 2 2 1 多径衰落的影响 多径效应是移动信道的主要特点之一，它对接收信号的影响是多方面的，尤 其是对数字信号，主要有以下两个方面： 第一，多径效应会引起接收信号幅度的深度衰落，这会严重影响数字通信的 质量。当信号电平在某些时间间隔内低于接收机的检测门限电平时，会增大误码 率，严重时甚至使通信中断。 第二，多径效应造成的时延扩展将在接收信号中引起码间串扰( i s i ) ，导致误码 率增加。在码元速率较高时，当信号带宽接近或超过信道的相关带宽时会引起频 率选择性衰落，使波形严重失真。 2 2 2时变性 信道的时变性是指信道的传递函数是随时间变化的，即在不同的时刻发送相 同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。无线信道的时变性是由发射机和接 收机的相对运动或者信道中其他物体的运动引起的。描述无线信道时变性有以下 几个重要参数： ( 1 ) 多普勒( d o p p l e r ) 频移 移动用户高速运动而引起的多普勒( d o p p l e r ) 频移。当无线电发射机与接收机 作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。当两者作相向运动时，接收信号 的频率将高于发射频率；当两者作反向运动时，接收信号的频率将低于发射频率， 这种现象叫做多普勒效应。对于电磁波而言，因为多普勒效应造成的频率偏移取 决于两者的相对运动速度，可将这种频移表示为： 1 ， 厶= f o l c o s q o( 2 - 1 ) 1 0 o f d m 自适应调制技术研究 其中，厶为接收端检测到的发射机频率的变化量，。是发射机的载频，是发射 机与接收机之间的相对速度，够为移动方向与电波入射方向的夹角，c 为光速。 ( 2 ) 多普勒扩展 多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的频谱展宽程度。当发射机在无 线信道上发送一个频率为厂。的单频正弦波时，由于上述的多普勒效应，接收信号 的频谱被展宽，将包含频率为兀一厶到厶+ 厶的频率分量，其中厶为多普勒频移， 这一频谱被称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于0 的频率范围定义为 多普勒扩展，用毋来表示。如果所传送的基带信号的带宽b 。远大于饬，则在接收 机中多普勒扩展的影响可以忽略。 通常，根据b ，和毋的关系，我们将无线信道分为慢衰落信道( b s 易) 和快衰 落信道( b 。 b a ) 。 ( 3 ) 相干时间 在时域描述信道频率色散的时变特性的参数是相干时间z 。相干时间与多普 勒扩展成反比，它是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说， 也就是指在一段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号 的符号周期瓦大于信道的相干时间z ，则在基带信号的传输过程中信道可能会发 生改变，那么信号的波形就可能会发生变化，造成接收信号的失真，产生时间选 择性衰落；反之则认为是非时间选择性衰落。 同样，我们也可以根据基带信号的符号周期z 和的关系，将信道分为慢衰 落信道( c 疋) 。 2 2 3 j a k e s 信道模型 j o h ng p r o k i s l 3 5 1 指出，时变频率选择性信道可以表示为具有抽头间隔为1 w 和 抽头加权系数p 。( ，) ) 的抽头延时线，如图2 1 所示。抽头加权系数p 。( f ) ) 是一个复高 斯过程，体现了时变特性和对信号的衰减作用。 图2 1频率选择性衰落信道的抽头延时线模型 第二章无线信道与o f d m 自适应调制原理 1 1 其冲击响应可以表示为： l h ( r ，f ) = 彳f j e t ( t ) t 多( t - - t f ) ( 2 - 2 ) j = l 其中三代表到达的多径的径数；彳。代表第f 条路径的信号幅度；f ，代表第i 条路径 相对第一条路径0 = o ) 的时延；佛代表第f 条路径的信号相位。 如何正确地产生时变信道的系数是整个信道仿真过程中的关键。为了实现每 一径上的复高斯过程，传统的方法是：首先产生两组独立的均匀分布的随机数， 通过变换将其变成两组独立的高斯分布的随机数p 和q ，合成复高斯过程，随后 再经过多普勒频谱进行滤波和功率调整。 贝尔实验室的w i l l i a mj a k e s 提出用以模拟衰落移动无线信道的j a k e s 模型，己 被广泛应用于移动通信行业。j a k e s 模型的软件模拟现已经被许多标准化组织所接 受，用于检验待选的语音编码方案以及无线链路的差错控制协议。 j a k e s 证明，理论上用于表征各向同性散射无线移动信道的多普勒频谱： d ( 厂) ：彳 1 一驴厶) 2r v 2i j q - o ( 2 - 3 ) 可以用一系列经过加权的正弦信号来很好的近似，这些信号的频率和相位可以根 据一个特定的公式设定。 设j a k e s 模型的冲击响应为： h ( t ) = x 。( f ) + j x ，( f ) ( 2 - 4 ) 其中x c ( t ) 和t ( f ) 是独立零均值高斯过程，且有： e ( x ；) = e ( x ；) = 仃2 ，e ( x 。x ，) = 0 ( 2 5 ) e i r e ( f ) t ( f f ) j _ ( 2 矾f ) ( 2 6 ) 其中厶= v r n z 为最大多谱勒频移，v 册是移动台的速度，a 是载波波长。考虑个 入射角在0 到2 石之间均匀分布的信号。j a k e s 限制2 为奇数，并定义了另一个整 数： 1 n o = 去( 詈一1 ) ( 2 - 7 ) 式( 2 6 ) 中d ( 2 z t f , , , r ) 可以由下式近似： ，( 2 矾f ) 昙誊c o s ( 2 矾百c 。s 等) + c 。s ( 2 矾f ) ( 2 - 8 ) 仿真模型由一个频率为c o 。= 2 a f , 的复频率振荡器和o 个较低频率的复振荡 器的和构成，这0 个复振荡器的频率是。c o s 0 。，其中b 第甩个平面波的入射角， n = 1 , 2 9 - , , 9 n o 。每个振荡器有一个初始相位。初始相位的选择是仿真初始化一部分。 文献 3 6 提出一种改进的j a k e s 模型： 1 2 o f d m 自适应调制技术研究 ( f ) = 2 c o s0 ，! ，c o s ( o ) 。t + 死j 2 ) ( 2 - 9 ) x 掣( ，) = 2 s i n o ，! ，c o s ( o ) 。t + n j 2 ) ( 2 1 0 ) 其中k ( f ) 和x 彤( ，) 分别是第_ ，个路径衰落波形的同相和正交相分量， = 瓦n n j 如= 1 ，2 ，o - 1 ) 他吨c o s 竽产他= 2 叫a ，v 为车辆移动 速度，a 为载波波长，n = n o + 1 。 钆的选择是为了确保同相和正交分量有相同的平均功率且不相关，z r j 2 的相 位偏移是为了抵消不同路径的正交分量之间的互相关。图2 2 描述了该模型第，个 路径的结构。 x 。，( f ) 图2 2 改进j a k e s 模型结构( 第j 条路径) x 。，( ，) 正弦信号的数目要足够大，以保证有足够的精确度，当n o = 1 6 ，在非相关瑞 利衰落信道下，就可以保证足够的精确度。 2 2o f d m 基本原理 o f d m 技术3 7 1 的发展可以追溯到本世纪六十年代，起初主要用于军用高频通 信系统，例如k i n e p l e x ，a n d e f t 和k a t h r y n 。但由于o f d m 系统的结构非 常复杂，从而限制了其进一步推广。直到7 0 年代，人们提出了采用d f t 来实现多 第二章无线信道与o f d m 自适应调制原理 1 3 载波调制，简化了系统结构，才使得o f d m 技术更趋于实用化。8 0 年代，人们研 究了如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。进入9 0 年代以后，o f d m 技术的 研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输，在高速( 宽带) 无线应用环境下， o f d m 技术的优势很突出，它被广泛应用于民用通信系统中，如a d s l ，d v b 和 d a b 等系统。近年来，由于数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o