（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中的自适应比特分配算法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 正交频分复用是一种新型的高效多载波调制技术，它具有良好的抗噪声性能 和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高等优点，因而被认为是下一代移动通 信系统中的关键技术，并得到越来越多的关注。在宽带移动o f d m 系统中，不同 的子信道由于受不同的信道衰落而具有不同的传输能力，如果对所有的子信道都 采用相同的调制方式，则为了保证系统能够正常工作，系统参数需要根据传输能 力最差的子信道设计，不能充分利用系统的资源。通过对o f d m 各子载波进行自 适应调制，则能够提高频谱利用率，降低发射功率，更加有效的利用无线资源。 本文首先介绍了无线信道传输特性及o f d m 系统的基本原理，并对o f d m 系统的信道估计技术以及信息论基础进行了讨论。这为o f d m 自适应比特分配算 法提供了理论基础。 然后论文通过对近二十年来o f d m 自适应比特分配算法进行研究总结，重点 对h u g h e r s - h a r t o g s 算法、e s c h o w 算法以及f i s c h e r 三种经典算法性能进行了分 析比较，并在所搭建的o f d m 系统平台上进行了仿真分析。在此基础上，提出了 一种改进的基于m q a m 的调制的自适应比特分配算法。通过对该算法进行详细 的理论分析与仿真实验，得出结果证明：该算法在性能上接近贪婪算法，但在算 法复杂度上明显低于贪婪算法，可以用于固定速率的无线数据传输，具有实用意 义。文章最后还讨论了影响自适应调制的因素，为实际系统的设计提供了更多的 理论基础。 关键词：多载波调制，正交频分复用，信道估计，贪婪算法，比特分配 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h eo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gw a san o v e la n de f f e c t i v e m u l t i p l ec a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hw a sg o o da ta n t i - n o i s ea n dr e s i s t i n gt h e r o u t ed i s t u r b a n c ef r o mm u l t i p l ep a t h sa sw e l la sh a v i n gh i g hu s er a t i oo ff r e q u e n c y s p e c t r u m s oi tw a sr e g a r d e da so n ek i n dk e yt e c h n i q u eo ft h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n di t g o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nb r o a db a n do f d m s y s t e m ，d i f f e r e n ts u b c a r r i c rh a sd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o na b i l i t ys i n c et h ec h a n n e lf a d e i n f l u e n c ef r o md i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s i fa l lt h es u b c a r r i e rc h a n n e l sa d o p t i d e n t i c a lm o d u l a t i o nm e t h o d s ，t h es y s t e mp a r a m e t e r sn e e db ed e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ec h a n n e lw h i c hh a dt h ew o r s tt r a n s m i s s i o na b i l i t yi no r d e rt oe n s u r et h es y s t e mw a s a b i et ow o r kn o r m a l l y t h a tm e t h o dc o u l dn o tu s et h es y s t e mr e s o u r c ef u l l y , b yt h e m e t h o do fa d a p t i v em o d u l a t i o nt oe a c hs u b c a r r i c rw a v ec a r r i e r sf o ro f d ms y s t e m ，t h e s y s t e mc o u l di m p r o v et h eu t i l i t yr a t i oo ff r e q u e n c ys p e c t r u ma n dr e d u c el a u n c h i n g p o w e r , 8 0i tc o u l du s et h ew i r e l e s sr e s o u r c em o r ee f f e c t i v e l y n o ww ef i r s ti n t r o d u c e dt h ew i r d e s sc h a n n e lt r a n s f e rc h a r a c t r i s t i ca n dt h eb a s i c p r i n c i p l eo fo f d ms y s t e m ，a n dt h e nd i s c u s s e dt h et e c h n o l o g yo fc h a n n e le s t i m a t i o n a n dt h ei n f o r m a t i o nt h e o r yb a s i so fo f d ms y s t e m t h i sp r o v i d e dat h e o r e t i c a l p r i n c i p l et ot h ea l g o r i t h mo f a d a p t i v eb i ta l l o c a t i o nf o ro f d ms y s t e m a n dt h e nw ec o n c l u d e da l lt h ea l g o r i t h m so fa d a p t i v eb i ta l l o c a t i o nf o ro f d m s y s t e mo ft h er e c e n t2 0y e a r s ，a l s ow ec o m p a r e dt h ec l a s s i c a la l g o r i t h m sw h i c hw e r e h u g h e r s h a r t o g sa l g o r i t h m ，p s c h o wa l g o r i t h ma n df i s c h e ra l g o r i t h m ，a n dw e c a r r i e d o u ts i m u l a t e da n a l y s i so nt h ep l a t f o r mo fo f d ms y s t e m o nt h eb a s i so ft h a tw e p r o p o s e da ni m p r o v e da l g o r i t h m o fa d a p t i v eb i ta l l o c a t i o nb a s e do nm - q n l v i m o d u l a t i o ns y s t e m t h r o u g ht h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t e de x p e r i m e n t o nt h a ta l g o r i t h m ，t h ef i n a lr e s u l tp r o v e d ：t h ep r o p e r t yo f t h a ta l g o r i t h ma p p r o a c h e dt h e g r e e d ya l g o r i t h mo nt h ef u n c t i o n ，b u tt h ec o m p l i c a t e dd e g r e eo f o u rm e t h o dw a sm u c h l o w e rt h a ni to b v i o u s l y , s oi tc o u l db eu s e di nt h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o no ff i x e d v e l o c i t y t h i sp r o g r e s sh a dp r a g m a t i cs i g n i f i c a n c e l a s tw ed i s c u s s e dt h ef a c t o r sw h i c h a f f e c t e da d a p t i v em o d u l a t i o n , w h i c hp r o v i d e dm o r et h e o r e t i c a lp r i n c i p l e sf o r0 1 1 1 r e a l i s t i cs y s t e m a t i cd e s i g n k e yw o r d s ：m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，o f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n , g r e e d ya l g o r i t h m ，b i ta l l o c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废盎堂 或其他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谢意。 学位做作者签名：簿覆哞签字嗍炒7 年月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：弥爱唪 f 签字日期：五炒7 年矿月歹日 导师签名1 可彤辟 签字日期：川年6 月7 e l 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 现代通信技术的发展使人类进入了一个崭新的信息化时代，通信技术的应用 已经渗透到人们的生活之中。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各 国都在致力于现代通信技术的研究与开发以及现代通信网的建设。移动通信是现 代通信系统不可缺少的组成部分。从移动通信技术和业务的发展而言：一方面随 着各种业务的发展，无线资源如频谱资源变得越来越紧缺，如何高效的利用有限 的通信资源成为无线通信技术发展的焦点之一。另一方面，由于计算机和数字信 号处理技术的日趋成熟，通信终端对于信号在时间域、空间域、频率域处理成为 可能。本论文以提高o f d m 系统的可靠性或频带利用率的有效性为目的，来研究 o f d m 系统的自适应调制技术。 1 1 移动通信发展概况 人类采用无线通信的历史可以追溯到遥远的古代。烽火台、金鼓、旌旗都是 直观无线通信的例子。1 8 9 7 年，意大利科学家马可尼( g m a r c o n i ) 首次使用无 线电波进行信息传输并获得成功。在随后的一个多世纪时间里，伴随着计算机技 术和大规模集成电路技术的发展，无线通信的理论和技术不断取得进步，今天， 移动通信技术已经成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式之一。自从1 9 7 8 年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) 至今，移动通信发展 经历了以下几个阶段”“： 第一代模拟移动通信系统 第一代模拟通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术， 其典型代表有美国的先进移动电话系统a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 、 北欧的移动电话n m t ( n o r d i c m o b i l e t e l e p h o n e ) 和英国的全接入通信系统t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 等。 模拟系统都是采用双工的f d m a 制式，可以用来传输较低速率的数据( 主要 用来传输语音信号) ，但由于它具有频谱利用率低、业务类型单一、系统保密性差 等缺点，使得模拟移动通信系统很快被数字蜂窝系统所取代。 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统的接入技术主要有时分多址( t d m a ) 技术和码分多址 ( c d m a ) 技术两种，它可以提供9 6 - 2 8 8 k b i t s 的传输速率。其典型代表有欧洲 的全球移动通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 、北美的数字增强系统 i s 1 3 6 ( i n t e r i ms t a n d a r d1 3 6 ) 、i s 9 5 a ( i n t e r i ms t a n d a r d9 5 a ) 、i s 9 5 b ( i n t e r i m 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 s t a n d a r db ) 、c d m a o n e 、日本的个人数字蜂窝( p e r s o n a ld i 西t a lc e l l a r ) 系统等。 与第一代移动通信系统相比，第二代移动通信系统具有保密性强，频谱利用 率高，提供业务类型丰富等优点，但它所使用的频谱资源较少，不到1 0 0 m h z ， 且频谱利用率较低。近年来，随着多媒体业务和高速数据业务的增加，第二代移 动通信系统已经不能满足用户的业务需求，因此，早在部署第二代数字无线系统 时，人们就开展了第三代无线通信系统的研究。 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统是一个全球范围内覆盖和使用的系统，它主要以 c d m a 技术为核心，使用的频谱资源至少在2 3 0 m h z 以上，且频谱利用率较高， 性能更好，可以很好的解决现有业务的开展问题。目前国际电信联盟( n u ， i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) 接受的第三代移动通信标准主要有三个： 美国提出的c d m a 2 0 0 0 、欧洲和日本提出的w c d m a 和我国提出的 t d s c d m a 。c d m a 2 0 0 0 的核心网是基于a n s i - 4 1 ( a m e r i c 锄n a t i o n a ls t a n d a r d s i n s t i t u t e4 1 ) ，采用直接扩频码分多址技术的无线接口。w c d m a 系统的核心网 是基于g s m m a p ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，m o b i l e a p p l i c a t i o n p a r t ) ，同时通过网络扩展方式提供基于a n s i - 4 1 核心网上的运行能力。 t d s c d m a 基于g s m 系统，采用智能天线和低码速率技术，频谱利用率高， 能够解决人口密度较高地区频率资源紧张的问题，并在非对称数据业务方面具有 突出优势。经过多年研究，3 g 系统已经成熟，国内3 g 系统即将投入使用。 下一代无线通信系统 由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构， 使得3 g 技术在支持i p 多媒体业务、提高频谱利用率以及资源综合优化等方面的 具有一定的局限性，人们开制着手制定一个针对口多媒体业务的b e y o n d3 g 习移 动通信系统，又称为第四代移动通信系统或未来移动通信系统。 2 0 0 0 年l o 月6 日，国际电信联盟( i t u ) 发起成立了i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) a n db e y o n d3 g 工作组，旨在统一全球移动电话 标准。目前，一些国家已经开始进行第四代技术规格的制定，如美国、日本、韩 国等。 为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代无线通信中 必须采用频谱利用率更高，抗多径干扰能力更强的新型传输技术。其中关键技术 有： ( d o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术 正交频分复用”1 ( o f d m ) 是一种新型的高效的多载波调制技术，它是由多 载波调制m c m ( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 发展而来。由于o f d m 具有频谱利用 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 率高、抗频率选择性衰落能力强、支持多种多址方式，易于实现自适应调制技术 等优点，己成为下一代移动通信最有可能采用的核心技术。 8 1 8 0 ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术 m i m o f 4 1 是指发送端和接收端都采用多根天线的技术。从信息论的角度已经 证明，在多天线m i m o 系统中，信道容量可以随信噪比线性增长，而不是单天线 系统中的对数增长，因此m i m o 技术可以大副度的提高无线系统的频谱效率。 信道编码技术 高速数据业务对传输可靠性提出了更高的要求，下一代移动通信系统中需要 采用性能更好的编码技术【5 l 。t u r b o 码、l d p c 码等一些新型编码技术将会在下一 代移动通信系统中得到广泛应用。 链路自适应技术 链路自适应技术是移动宽带系统的关键技术之一，其主要思想是根据无线信 道的衰落程度、信道流量、用户和业务的改变等参数，在满足一定条件下，动态 地改变系统一些参数，如发射功率、调制方式、符号速率、导频速率、保护间隔、 编码方式、天线加权系数等，使系统性能达到最优。本论文研究的重点是o f d m 系统中的自适应比特分配问题，在1 2 及1 3 节中，将重点介绍自适应技术及 o f d m 技术的发展与应用。 1 2 链路自适应技术的发展及应用 随着无线数据业务的快速增长，频带资源变得越来越宝贵。链路自适应技 术【6 】m 嘲在提高系统传输速率和频带利用率方面有很强的优势，从而成为无线通信 的关键技术之一。 自适应技术在2 0 世纪6 0 年代末就已经被提出，但当时由于受到硬件的限制 以及缺乏良好的信道估计技术，使其并没有引起人们的注意。直到2 0 世纪9 0 年 代，随着技术的发展，自适应技术逐渐成为研究的热点并得到了广泛的应用。表 1 1 列出了自适应技术在移动通信中的主要应用。 由于o f d m 系统的基本原理是将信道划分为多个并行的子载波信道，每个子 载波信道可以看作是平坦衰落信道，因此，自适应技术非常易于在o f d m 系统中 实现，也是o f d m 系统的关键技术之一。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 表1 1 自适应技术在o f d m 中的主要应用 t a b l 1t h em a i na p p l i c a t i o n so f a d a p t i v et e c h n i q u e si no f d ms y s t e m 类别技术实际应用系统 自适应自适应天线t d s c d m a 接收技术 自适应均衡 g s m 、i s 1 3 6 功率控制i s 一9 5 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应调制g p r s 、e d g e 、h s d p a 、c d m a 2 0 0 0l x e v d o d v 、8 0 2 1 l a 、h i p e r l a n 2 自适应 自适应编码同上( 通常与自适应调制联合使用) 发送技术 可变扩w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 频增益 自适应发w c d m a 、c d 2 0 0 0 射天线分集 自适应无动态信p h s 、d e c t 线资源管理道分配 1 3o f d m 技术的发展及应用 1 3 10 f d m 的发展 o f d m 是一种多载波调制技术，其基本思想始于2 0 世纪5 0 年代，由r r m o s i e r 和r g c l a b a u g h 提出，随后，r w c h a n g 提出了o f d m 的概念。o f d m 基本思想是 将串行的高速数据流变换为若干路并行的低速数据流，每路低速数据流调制在彼 此正交的子载波上，然后将所有子载波叠加在一起构成发送信号。因此，在o f d m 系统中，通过采用允许子信道频谱重叠但又相互间不影响的频分复用( f d m ) 的 方法来并行传送数据，不仅可以不使用高速均衡器、有很高的频谱利用率，而且 有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。 在o f d m 系统中，对系统性能影响最大的干扰是邻道干扰。由于采用模拟技术 很难实现正交的子载波，使的o f d m 技术的发展受到了限制。1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和e m e b e r t 等人提出采用f f t 实现正交载波调制解调，为o f d m 技术的广泛应用奠 定了基础。近年来，随着v l s i 的迅速发展，已经出现了高速大阶数的f f t 专用芯 片及可用软件快速实现f f t 的数字信号处理( d s p ) 的通用芯片，且价格低廉，使 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 利用f f t 来实现o f d m 的技术成为可能，o f d m 也成为多载波调制系统里面应用 最为广泛的技术。 1 3 2o f d m 技术的应用 目前，采用o f d m 技术的系统主要如下： 数字音频广播( d a b ) 数字音频广播【i 是继f m a m 之后的新一代广播体制。与传统的a m f m 相 比，具有音质优良、覆盖面广、频谱利用率和功率效率高等优点。d a b 采用o f d m 数字调制方式，在欧洲已经得到实际应用。在我国广东一带的d a b 发射台构成 的同步网已试播，并计划推广全国。 高清晰度电视( h d t v ) 高清晰度电视( h d t v ：h a l f r e s o l u t i o nh i g hd e f i n i t i o n ) 以地面广播为主，其 接收机是固定的，基本上不存在多普勒频移。但由于h d t v 数据传输速率较高 ( 6 m s 左右) ，使其受多径干扰更为严重。因此，o f d m 技术非常适合h d t v 系 统中应用。c o f d m 系统已被欧洲正式采用，由于它对地面各种干扰具有强大的 抵抗能力，已经被越来越多的国家认可，d v b t 已经成为欧洲h d t v 标准。 ) o f d m 在无线网络中的应用 o f d m 在无线网络中也得到了广泛的应用。在局域网方面，美国的i e e e 8 0 2 1 l a 和欧洲e t s i 的h i p c r l a n 2 均采用了o f d m 技术。其中i e e e 8 0 2 1 l a 工 作在5 g h z 频带，采用o f d m 技术，速率可达5 4 m s 。h i p e r l a n 2 物理层应用了 o f d m 和链路自适应技术，媒体接入控制( m a c ) 层采用面向连接、集中资源控 制的t d m a t d d 方式和无线a t m 技术，最高速率达5 4 m b i t s ，实际应用中最低 也能保持在2 0 m b i t s 。城域网方面，i e e e8 0 2 1 6 系统也采用了o f d m 技术。当 前，人们正在考虑基于i e e e8 0 2 2 0 标准的移动宽带无线接入( m s w a ) 系统和 基于i e e e8 0 2 1 5 标准的个人信息网( p a n ) 以及未来的下一代无线蜂窝移动通 信中使用o f d m 技术。 此外，o f d m 除了可以作为一种调制方法外，还可以很容易的与多种多技术相 结合，形成如多载波c d m a 方案、跳频o f d m a 方案等，为多个用户同时提供服务。 由o f d m 技术和m i m o 技术结合的m i m o o f d m 技术更是受到了国内外专家学者 的广泛关注。 1 3 3o f d m 系统的优缺点 近年来，o f d m 系统已经越来越得到人们的关注，主要原因在于o f d m 系统 存在如下主要优点： 把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 对增加，从而可以有效的地减少无线信道的时间弥散所带来的符号问干扰i s i ， 这样就减小了接收机内均衡复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插 入循环前缀的方法消除l s l 的不利影响 传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输 并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道，其缺点是频谱利用率 低，子信道间要留有足够的保护间隔，而且多个滤波器的实现也有不少困难。而 在o f d m 系统中，由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠， 因此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。 o f d m 利用i f f t f f t 技术来实现调制和解调功能，使系统结构简单，更 为容易实现。 无线数据业务一般存在非对称性。一方面，从用户数据业务的需求来看， 下行链路中传输的数据量一般要大于上行链路中的数据量。另一方面，移动终端 一般发射功率低于基站发射功率，因而上行链路传输速率低于下行链路。这就 要求物理层支持非对称高速数据传输。o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信 道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深 的衰落情况中，因此可以通过动态子信道分配以及动态比特分配的方法，充分利 用信噪比比较高的信道，从而提高系统的性能。 o f d m 系统可以容易的与其他多种接入方法相结合使用，构成o f d m a 系统，如多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m - t d m a 等等。 但是o f d m 系统内由于存在多个正交子载波，而且输出信号是多个子信道信 号的叠加，因而与单载波系统相比，存在如下主要缺点： 易受频率偏差影响 无线信道的多普勒频移以及发射机载波频率与接收机本地振荡频率的偏差都 会使得o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致信道间的信号相互干 扰( i c i ) ，这种对频率敏感是o f d m 系统的主要缺点之一。 存在较高的峰值平均功率比( 队p r ) 1 3 4o f d m 系统中的关键技术 o f d m 技术具有较高的频谱利用率及较强的抗频率选择性衰落能力，使其在 数字通信领域有非常广阔的应用前景。然而，要想将o f d m 技术用于实际系统中， 需要解决如下关键技术： 峰值平均功率比： 由于o f d m 信号在时域上为多个正弦波的叠加，当子载波个数多到一定程度 时，根据中心极限定理o f d m 信号波形将是一个高斯随机过程，具有很大的峰均 6 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 值功率比“”。这种现象在移动通信中的非线性带限信道中特别不希望出现，因为 o f d m 信号经非线性信道传输后，扩展了信号的频谱，其旁瓣将会干扰邻近信道 的信号，在o f d m 系统中将引起邻信道干扰，破坏其载波间的正交性。如果不失 真地传输这些高f a p r 的o f d m 信号，发送端对高功率放大器( h p a ) 的线性 度要求很高且发送效率极低。高的p a p r 使得o f d m 系统的性能大大下降甚至直 接影响实际应用。目前，降低o f d m 系统峰。均比的方法一般分为三种：限幅、 编码和概率类技术。 同步技术 o f d m 符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区 分，因此，同步技术对o f d m 系统来说是至关重要的。o f d m 系统存在如下几 个方面的同步要求： 1 ) 载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相( 要求在p p m 数量 级) 。 2 ) 样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致。 3 ) 符号同步：i f f t 和f f t 起止时刻一致。图1 1 给出了各种同步在系统中 所处的位置。 图1 1 0 f d m 同步示意图 f i 9 1 1s c h e m eo f s y n c h r o n a lo f d m 信道估计 无线通信系统通常采用差分检测和相干检测，在完善的信道估计条件下， 后者的s n r 性能可以提高3 4 招。在o f d m 中差分检测方法适合于较低速率， 如欧洲的d a b 系统，而对要求频谱效率更高的o f d m 系统，相干检测更适合。 在自适应o f d m 通信系统中，要求接收机对信道状态信息进行评估，并反馈到发 射机端，发射机就根据反馈信息改变对它的调制方式，以充分利用当前的信道环 境进行信息传输。因此，信道估计的精确程度很大程度上决定了系统的传输性能。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号两种。 自适应调制技术 在宽带o f d m 系统中，不同的子信道经受不同的信道衰落，因此具有不同的 传输能力。为了提高o f d m 的信息传输能力，人们对o f d m 的自适应分配嗍算 法进行了深入的研究，得到了多种自适应分配算法。本文将在第三章对自适应分 配算法进行深入的研究分析。 1 4 本文研究内容与成果 本文针对多载波调制中的o f d m 技术，研究了o f d m 系统中的动态比特加 载问题。本文首先分析了无线信道特性及o f d m 基本原理，在此基础上，深入研 究了o f d m 系统中的自适应调制技术，并对几种典型的自适应分配算法进行了重 点分析、比较和m a t l a b 仿真。在此基础上，提出了一种基于m - q a m 调制的 自适应比特、功率分配算法。理论分析和仿真证明，该算法性能接近贪婪算法， 而在算法复杂度上则有明显的降低。 1 5 论文结构与内容 第一章绪论 阐述了移动通信的发展历程，介绍自适应技术与o f d m 的发展及应用，最后 分析了o f d m 技术的优缺点及其关键技术。 第二章无线信道特性和o f d m 基本原理 本章首先对无线信道的传输特征进行了简要的描述，然后对o f d m 的基本概 念0 f d m 系统进行了综述。 第三章o f d m 中的信道估计技术 介绍信道估计的模型以及估计方法，重点讨论基于导频的信道估计的整个过 程，包括导频信号的插入、提取以及时域信道估计方法和频域信道估计方法，最 后简单介绍了基于循环前缀的信道估计方法。 第四章o f d m 系统自适应比特分配算法 深入研究了自适应0 f d m 系统的基本原理及单用户、多用户自适应分配算 法，并对几种典型的单用户自适应分配算法进行了详细分析和仿真，在此基础上， 推导出一种新的自适应分配算法，并通过理论分析和仿真证明，该算法性能接近 贪婪算法，但在算法复杂度上则有了明显的降低。在本章最后，介绍了影响o f d m 自适应调制性能的几种因素，为设计实际的o f d m 系统提供了更多的理论依据。 第五章结束语 本章是对论文的总结，概括了论文的主要工作，提出需要进一步研究的问题。 重庆大学硕士学位论文 2 无线信道特性和o f d m 基本原理 点。 2 无线信道特性和o f d m 基本原理 本章首先介绍无线信道传输特性，然后介绍o f d m 的基本原理及其技术特 2 1 无线信道特性 与其它通信信道相比，无线移动信道是最为复杂的一种。它通过空间电磁 波来传输信息，信号在传输过程中会经过各种复杂的传播路径，包括直射路径、 反射路径、散射路径、衍射路径以及这些路径的组合，如图2 i 所示。同时，在 传输过程中，有用信号会受到加性噪声和乘性噪声的污染，因而会出现不同情况 的失真。 2 i 无线信号传播示意图 f i 9 2 is c h e m eo f w i r e l e s ss i g n a lt r a n s m i s s i o n 一般来说接收信号的功率可以表达为： 尸( d ) 爿dl“s(d)月(d)(21) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，i d l 表示移动台与基站的距离。根据上式， 无线信道对信号的影响可以分为三种： 电波在自由空间内的传播损耗i d r ，也被称为大尺度衰落，其中n 一般 为3 _ 4 。 阴影衰落s ( c 1 ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对 9 重庆大学硕士学位论文2 无线信道特性和o f d m 基本原理 地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落，也被称为中等尺度衰落。 多径衰落月( d ) ：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等， 因此造成信号经多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不 相同，造成接收端同相增加，异相减小的现象，也被称为小尺度衰落。 除此之外，由于移动台的运动，还会使无线信道呈现时变性，具体表现就是 会出现多普勒频移。 2 1 1 大尺度衰落 无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，大 尺度衰落正是用来描述接收机与发射机之间距离有大尺度变化时，接收信号的平 均功率值的变化规律。大尺度衰落的模型可以表示为： _ f = c ( 三2 毋g ， ( 2 2 ) | 刀“ 其中只是发射功率，岛是发射天线增益，毋是接收天线增益，a 是电波波长，d 是发射机与接收机之间的距离。以分贝为单位的路径损耗公式为： 一 鬲 最( 棚) = 一1 0 1 0 9 k t 】= 3 2 4 5 + 2 0 1 0 9 f + 2 0 1 0 9 d g ：一g ； ( 2 3 ) p t 其中，为电磁波频率，q 和g ，分别为发射天线和接收天线增益( d b ) 。由2 3 式 可知，自由空间接收信号的功率与距离的平方成反比。即： 一 1 只 ( 2 4 ) a 而在实际传输当中，传输空间要比自由空间大许多，即： 一 1 只o c 二一 (25),4a 其中口22 称为路径损耗系数，一般可取3 - 4 。 当电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，这些障碍物后面 会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，被称为阴影衰落。 综合考虑以后两种损耗，接收信号功率可表示为： 昱( d b ) = c + 1 0 1 0 9 d + ( 2 回 其中c 为常数，见。表示由阴影衰落引起的损耗( d b ) ，是一个均值为0 ，方差为 仃2 的正态分布的随机变量。在大多数情况下，标准差盯可取4 - 1 2 d b 。 在蜂窝移动通信中，当蜂窝半径小于5 0 0 m 时，大尺度衰落并不是无线信道 衰落所考虑的主要问题。而在郊区、平原或海滨等宽阔地带，一般采用宏蜂窝结 构。这种情况下的无线信道大尺度衰落就成为传输损耗所考虑的主要问题。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 无线信道特性和o f d m 基本原理 2 1 2 无线信道的多径衰落 无线信道的主要特征就是多径传播及时变性。其中由于发射信号经多条路径 传播，使得接收端信号为各径信号分量的叠加，这称之为多径效应。信号的时变 性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在不同时刻发送相同的信号，在接 收端收到的信号是不相同的。 多径效应会引起信号的时域弥散性。与多径时延扩展有关的一个重要参数是 相干带宽眈，它反映了不同频率分量所经历的衰落的相互关系。信道的相干带宽 与均方根时延扩展c r f 成反比，一般为： e z 击 ， 实际应用中，也常用下式计算相干带宽： b o _ - 亡 伫固 其中为最大多径时延扩展。 按照多径信道的相干带宽和信号带宽的关系，可以将信号划分为平坦衰落信 道和频率选择性衰落信道： 平坦衰落 信道的相干带宽大于信号的带宽，这时，发射信号经过多径信道后各频率分 量都受到相同的衰落，因而衰落波形不会失真，没有符号间干扰( i s i i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) ，信号只经历了平坦衰落，也称之为非频率选择性衰落。 频率选择性衰落 当信号的速率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信 道后各频率分量的变化不相同，引起信号波形的失真，造成符号间干扰，此时认 为发生了频率选择性衰落。 2 1 3 无线信道的时变性以及多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效 应，这是任何波动过程都具有的特性。信道的时变性是指信道的传递函数是随时 间而变化的，即在不同时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。 时变性在移动通信系统中的具体体现之一就是多普勒频移，即单一频率信号经过 时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，这又称为频率弥散 性( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。 重庆大学硕士学位论文 2 无线信道特性和o f d m 基本原理 图2 2 多普勒频移示意图 f i g u r e2 2s k e t c hm a po f d o p p l e rs h i f t 如图2 2 所示，当移动台以速度v 沿z 轴方向移动时，此时多普勒效应引起 的多普勒频移为： 石= i c o s 口 ( 2 9 ) 其中y 为相对运动速度，a 为电波波长，最大多普勒频移石一为： 以。= 盖 ( 2 1 0 ) 信号发生多普勒扩展后的频谱范围为： 岛= 【z 一乃。，z + 五一】 ( 2 1 1 ) 其中z 为载波频率。同样，我们可以定义信道的相干时间乏来表征时变信道变化 的快慢。相干时间与多普勒扩展成反比，一般为 1 正“了l ( 2 1 2 ) ，j n m 根据信号的符号周期和信道的相干时间的关系，可以将信道分为快衰落信道 和慢衰落信道： 快衰落 当信道的相干时间小于信号的符号周期时，这时的时变信道称为快衰落信道。 类似于频率选择性衰落，快衰落信道也称为时间选择性衰落信道。 慢衰落 当信道的相干时间远远大于信号的符号周期，这时的时变信道称为慢衰落信 道。在慢衰落信道中，信道的衰落系数在多个连续的符号周期内是静态的，基本 1 2 重庆大学硕士学位论文2 无线信道特性和o f d m 基本原理 不会发生变化。 根据多径效应和多普勒频移对无线信道的影响，我们把信道可划分为平坦衰 落信道、频率选择性衰落信道、慢衰落