（通信与信息系统专业论文）宽带无线多媒体通信系统中自适应调制技术的研究.pdf

摘要 白适应调制技术是移动宽带通信系统的核一l i , 技术之一。它的主要思想是通过研究 无线信道的衰落程度、信道流量等参数动态地改变调制方式，在任何时刻都使信道容 量达到最大或者使系统性能达到最佳，从而使移动无线信道频带日益拥挤的今天能得 到较高的频谱利用率，有效地提高信息传输速率、从而提高传输系统的带宽。自适应 调制技术是以当今计算机技术和数字信号处理技术高度发展为前提的，对自适应调制 技术的算法和实现进行研究将对个人通信、卫星通信、多媒体无线通信、高速无线局 域网和城域网的研究具有重要意义。目前，无线局域网和城域网是美国、欧洲和日本 在无线通信领域研究的重点，它是继第三代移动通信后的高速无线多媒体通信网，具 有广阔的应用前景，自适应调制技术就是其中要解决的核心技术之一。 自适应调制技术主要包括信号成形、信道估计和检测、全数字接收等方面的问题，由于 自适应调制所涉及的信道是非常恶劣的无线传输信道，其调制与解调的算法和结构必须加以 蔷集篓嵩萋冀嘉嘉喾警巢霎鬈冀誉篁! ；i 冀岁择性衰落的无线信道情况来设计自适应调制系统的算法和结构是本文研究的主要方向。， 本文以q a m 星座可调的自适应调制系统、符号率及调制电平可控的自适应调制系统为具 体的研究对象。 在引入了慢速白适应调制和快速自适应调制的思想后，从宽带无线多媒体通信的需求 角度论述了采用自适应调制的必要性，介绍了自适应调制技术在当前众多标准中的实际应 用，并对自适应调制技术的研究背景和发展趋势作了一些扼要的介绍。然后，从理论上分析 和推导了白适应调制系统的模型，给出了适合实际信道的三种信道模型结构并推导了脉冲响 应矩阵方程。接着，对自适应调制系统中的信道估计问题难点，详细推导了平衰落信道条件 下和选择性衰落信道条件下最大似然( m l ) 估计和最大后验概率( m a p ) 估计算法，针对 平衰落信道，我们仿真了m a p 估计和m l 估计的方差与导频符号长度的关系，仿真结果表 明，错误方差受多谱勒频率的变化影响最大，并且对实际的自适应调制系统，导频符号长度 的取值超过2 0 个符号长度时，m a p 信道估计明显优于m l 信道估计。 针对q a m 星座可调的自适应调制系统，深入研究了系统的模型、帧结构、星型q a m 星座和方型q a m 星座的选择、实现的结构等，分析了方型星座下的判决门限，并给出了判 决门限的仿真结果。着重分析了影响自适应调制系统性能的信道估计器，运用第三章推导的 m ap 信道估计算法，提出了导频强度估计器和导频信噪比估计器的具体实现结构，并给出 了导频信噪比估计的性能仿真，结果表明：m a p 估计的信噪比能动态地跟踪输入信噪比的 变化：在小的多谱勒频率下，m a p 信道估计的自适应调制系统与理想信道估计的自适应调 制系统性能非常接近。 针对符号率及调制电平可控的自适应调制系统，深入研究了系统的模型、帧结构、判 决门限、信道测量方法、实现的结构等，将有限状态m o r k o v 信道模型应用到自适应调制 系统中，重点分析了调制参数选择规则，具体计算了载噪比判决门限和延时扩展判决门限， 着重提出了延时扩展测量方法及算法、载噪比测量方法及算法以及信道脉冲响应的m a p 估 计器结构。论文对符号率及调制电平可控的自适应调制系统的误比特率、数据吞吐量与固定 速率的系统进行了比较，表明自适应调制系统比固定速率调制系统在误比特率和数据吞吐量 性能上有明显的改进。 最后，给出了本论文的结论及进一步的研究 关键词：自适应调制，信道估计，最大似然估计 门限，信道测量 一i i 一- 星座，帧结构，判决 a b s t r a c t a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi s o n eo ft h ec r u c i a l t e c h n i q u e sf o rt h em o b i l eb r o a d b a n d s y s t e m s i t si d e a li st h a tm o d u l a t i o nm o d ec a nb ea d a p t i v e l ya d j u s t e db y e s t i m a t i n gs u c hw i r e l e s s p a r a m e t e r sa sf a d i n gd e g r e e ，c h a n n e lt r a f f i ca n de t c c h a n n e lc a p a c i t yw i l la c h i e v eam a x i m u m a n ds y s t e mp e r f o r m a n c ew i l lb eb e s ta n y t i m e b yt h i sw a y , a l t h o u g hm o b i l ew i r e l e s sc h a n n e l b r o a d b a n di sm o r ea n dm o r ec o n g e s t i n gt o d a y , a d a p t i v em o d u l a t i o nc a nb ep r o v i d e dp r e f e r a b l e s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dc a nb ei n c r e a s e dt h ei n f o r m m i o nt r a n s m i s s i o nr a t e s ot h et r a n s m i s s i o n s y s t e mb r o a d b a n dw i l lb ee f f e c t i v e l yi m p r o v e d a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi sb a s e do nt h e r a p i d l yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dd i g i t a ls i e , n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y s t u d y i n g a l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a v eas i g n i f i c a t i o nf o r s t u d y i n gp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s ，h i g h w i r e l e s si o t a la r e an e t w o r ka n dm e t r oa r e an e t w o r k a tt h ep r e s e n t ，w i r e l e s sl a na n dw i r e l e s s m a ni st h em o s to f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sf i e l di na m e r i c a , e u r o p ea n dj a p a n f o l l o w i n g t h et h i r d - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，i ti sa h i g hw i r e l e s s m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n n e t w o r k i th a se x t e n s i v e l ya p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d a d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo f t h e k 封t e c h n i q u e s t h a tm u s tb ed e a lw i t h a d a p t i v e m o d u l a t i o n m a i n l y i n c l u d es e v e r a l p r o b l e m f o r e x a m p l es i g n a ls h a p e ，c h a n n e l e s t i m a t i o n ，a l ld i g i t a lr e c e i v e ra n ds oo n s i n c et h ec h a n n e lr e f e r r i n gt oa d a p t i v em o d u l a t i o ni s v e r y h o s t i l ei nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nc h a n n e l ，i i s a l g o r i t h m s a n da r c h i t e c t u r e su s e df o rt h e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns h e u l db e c a r e f u l l y d e v i s e da n d c o n s i d e r e d d e s i g n i n g a p p r o p r i a t ea l g o r i t h m sa n da r c h i t e c t u r e so f t h ea d a p t i v em o d u l a t i o na r em a i nr e s e a r c hg o a lo f t h i s p a p e r t om e e tt h en e e do f f l a tf a d i n gc h a n n e la n ds e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l t h i sp a p e r , s p e c i a lr e s e a r c ho b j e c ti st h eq a mc o n s t e l l a t i o nc o n t r o l l a b l ea d a p t i v em o d u l a t i o n s y s t e m ，s y m b o l r a t ea n dm o d u l a t i o nl e v e lc o n t r o l l a b l ea d a p t i v em o d u l a t i o n s y s t e m a t i e ri n t r o d u c i n gt h ei d e a l so ft h es l o wa d a p f i v em o d u l a t i o na n df a s ta d a p t i v em o d u l a t i o n ，w e d e m o n s t r a t e dt h en e e da p p l y i n ga d a p t i v em o d u l a t i o nf r o mt h ea s p e c t so fb r o a d b a n dw i r e l e s s m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s w eh a v ei n t r o d u c e dt h e p r a c t i c ea p p l i c a t i o n o ft h e a d a p t i v e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi nm a n yp r o t o c o l sn o w a d a y s a n dw eh a v eb r i e f l ys h o w e dr e s e a r c h b a c k g r o u n d a n d d e v e l o p i n g t r e n do ft h e a d a p t i v e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y a f t e r w a r d s w e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z ea n dc o n c l u d et h em o d e lo f t h ea d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e m w ef i n do u tt h r e e k i n d so fc h a n n e lm o d e la p p r o p r i a t e df o ra c t u a lc a n n e l sa n dd r a wo u tp u l s er e s p o n s em a t r i x e q u a t i o n s a n dt h e nf a c i n gt h ep r o b l e mo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o no ft h ea d a p t i v em o d u l a t i o n s y s t e m w e c o n c l u d eo u tt h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m so nm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) e s t i m a t i o na n dm a x i m u map o s t e r i o r i ( m a p ) e s t i m a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no ff l a tf a d i n gc h a n n e l a n ds e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e li nd e t a i l t om e e tf i a tf a d i n gc h a n n e l ，w es i m u l a t et h er e l a t i o n s h i po f t h er a t i ob e t w e e nt h ee r r o rc o v a r i a n c ei nm a p e s t i m a t i o na n dm le s t i m a t i o na n d p i l o ts y m b o l e s s a g el e n g t h t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w nf r o mt h e s er e s u l t st h ee r r o rc o v a r i a n c ec a n m a i n l y b ea f f e c t e do nd o p p l e rs p e c t r u ma n d c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a la d a p t i v em o d u l m i o n ，w h e nt h e v a l u eo f p i l o ts y m b o lm e s s a g el e n g t hi sm o r et h a nt w e n t ys y m b o lm e s s a g el e n g t h m a pc h a n n e l e s t i m a t i o ni so b v i o u s l ys u p e r i o rt om lc h a n n e le s t i m a t i o n f a c i n gt h eq a m c o n s t e l l a t i o nc o n t r o l l a b l ea d a p t i v em o d u l a t i o n s y s t e m ，w eg od e e pi n t ot h e m o d e l s ，f l a m ea r c h i t e c t u r e ，t h ec o n s t e l l a t i o ns e l e c tf o rs t a rq a ma n ds q u a r eq a m ，a r c h i t e c t u r e i m p l e m e n t a t i o na n d s oo n w ee l a b o r a t eo nt h es l i c ed e c i s i o no f t h e s q u a r eq a m a n dw ep r e s e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l to f t h es l i c ed e c i s i o n w e m a i n l ys t r e s st h ec h a n n e le s t i m a t o rt h a te f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo fa d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e m s u t i l i z i n gt h em a p c h a n n e le s t i m a t e da l g o r i t h mw e d r a wo u tf r o mt h et h i r dc h a p t e r , w ep u tf o r w a r dt ot h es p e c i a li m p l e m e n t a t i o na r c h i t e c t u r ef o rt h e p i l o ti n t e n s i v ee s t i m a t o ra n dp i l o ts i g n a l t o - n o i s ee s t i m a t o r a n dw ep r e s e n tt h ep e r f o r m a n c e s i m u l a t i o no ft h ep i l o ts i g n a l t o n o i s ee s t i m a t i o nt h er e s u l te x p l a i n si nt h a tt h es i g n a l t o n o i s e o fm a pe s t i m a t i o nc a nd y n a m i c a l l yt r a c et h em o v e m e n to ft h ei n p u ts i g n a l t o - n o i s e u n d e rt h e s m a l ld o p p l e rf r e q u e n c y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h e a d a p t i v em o d u l a t i o nf o rt h em a pc h a n n e l e s t i m a t i o ni sv e r yc l o s et ot h a to f t h ea d a p t i v em o d u l a t i o nf o ri d e a lc h a n n e le s t i m a t i o n f a c i n g t h es y m b o lr a t ea n dm o d u l a t i o nl e v e lc o n t r o l l a b l ea d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e m ，w e g od e e p i n t ot h e m o d e l s ，f r a m ea r c h i t e c t u r e ，s l i c ed e c i s i o n ，c h a r m e lm e a s u r e m e n t a r c h i t e c t u r e i m p l e m e n t a t i o na n de t c w eu s et h ef i n i t e s t a t em a r k o v c h a n n e lf o rt h ea d a p t i v em o d u l a t i o n s y s t e m w ee m p h a s i z e t h es e l e c tf o r m u l at ot h em o d u l a t i o np a r a m e t e r s w ee l a b o r a t e l yc a l c u l a t e s l i c ed e c i s i o no ft h ec a r t i e r - t o - n o i s ea n dd e l a ys p r e a d w em a i n l yp r e s e n tt h em e a s u r e m e n ta n d a l g o r i t h mo fd e l a ys p r e a d c a r r i e r - t o n o i s ea sw e l la st h ee s t i m a t o ra r c h i t e c t u r eo ft h ec h a n n e l p u l s er e s p o n s e i nt h i sp a p e ga d o p t i n gs y m b o lr a t ea n dm o d u l a t i o nl e v e lc o n t r o l l a b l ea d a p t i v e m o d u l a t i o ns y s t e m ，w ec o m p a r ee r r o rb i tr a t e ，d a t at h r o u g h p u tw i t hf i x e dr a t es y s t e m t h e p e r f o r m a n c e sw i l lo b v i o u s l yi m p r o v e m e n tc o m p a r i n ga d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e mw i t hf i x e dr a t e m o d u l a t i o ns y s t e mi ne r r o rb i tr a t ea n dd a t et h r o u g h d u t a tl a s t ，w ed r a wo u tt h ec o n c l u s i o no f t h i sp a p e ra n dp o i n to u tt h ef u r t h e rr e s e a r c hi s s u e s k e yw o r d s ：a d a p t i v em o d u l a t i o n ，c h a n n e l m a x i m u map o s t e r i o r i ( m a p ) d e c i s i o n ，c h a n n e lm e a s u r e m e n t e s t i m a t i o n ，m a x i m u ml i k e l i h o o d ( m e ) e s t i m a t i o n ， e s t i m a t i o n ，c o n s t e l l a t i o n ，f r a m ea r c h i t e c t u r e ，s l i c e - 一- 浙江大学博士学位论文 第章绪论 在第一代和第二代移动蜂窝系统时代，技术上感兴趣的主要是增加话音业务的系统容 量。随着第三代和第四代陆地移动通信系统的开发，人们的兴趣已经转移到未来高速高可靠 性无线多媒体通信系统上来，这是因为人们对包括话音、数据和图象的多媒体业务的快速增 长的需求。 对更高比特率数据业务和更好的频谱利用率的迫切要求，是推动第三代及第四代移动无 线系统发展的主要动力。在国际电信联盟( i t u ) 中，第三代系统被称为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) ，在欧洲称其为个人移动通信系统( u m t s ) 。i m t - 2 0 0 0 将提供多种业务，尤 其是多媒体和高比特率分组数据业务。 随着因特网的爆炸性增长以及各种类型的无线业务的不断增长，对增加系统的容量，提 供更高的数据速率，支持多媒体业务等提出了一系列要求【1 】。高数据速率将能提供除传统的 单一话音业务外的更宽范围的业务，下列类型的业务已经被证实： 支持基本和增强的话音业务，包括音频会议和话音邮件； 支持消息传送、e m a i l 、传真等业务的低数据率业务： 支持文件传送和i n t e m e t 接入的中数据速率业务，速率为6 4 1 4 4 k b s ： 支持高速分组和基于电路网络接入的高速数据业务，支持高于6 4 k b s 速率的高质 量视频会议； 多媒体业务，能同时进行视频、音频和数据业务以支持先进的交互式应用。多媒体 业务也能支持不同的业务质量( q o s ) 以满足不同的应用。 目前的蜂窝系统主要为话音业务提供好的覆盖范围，为覆盖范围内的任一用户提供所需 要的最小数据率，也就是说，在9 0 一9 5 的覆盖范围内都可得到最小所需的信号与干扰加 噪声比( s i n r ) ，在g s m 中，所需要的s i n r 为1 2 d b 。而在很多情况下，3 0 - 5 0 的用户 其s i n r 可达到2 1 d b 以上，比g s m 所需的1 2 d b 高出9d b 。显然，更高的s i n r 允许给覆 盖范围内的用户分配更高的数据速率“j 。对于c d m a 系统，也存在相同的情况。 基于以上这些原因，人们提出了各种各样的改进方法。最近的研究表明：对快衰落信道， 采用快速自适应调制能提高系统的容量。然而，在目前提出的标准中，慢速自适应调制将更 适用。在整个蜂窝覆盖范围内，数据速率是根据衰落和距离损耗的慢变丽自适应变化的。 本章首先提出了慢速自适应调制和快速自适应调制的概念，并从宽带无线多媒体通信的 需求角度论述了采用自适应调制的必要性，介绍了自适应调制技术在当前众多标准中的实际 应用，并对自适应调制技术的研究背景和发展趋势作了扼要的介绍。 1 1 自适应调制技术的特点和必须解决的主要问题 自适应调制技术被划分成慢速自适应调制和快速自适应调制【3 1 。在慢速自适应调制系统 一星二皇堑堡 中，当传输来自一个终端的呼叫请求时，基站就把载波、时隙、调制方案和符号率分配给终 端，但要根据当时的拥塞状况、平均载波和i n 频干扰功率比( c i c ) ( 或载干比) 、平均延时、 所要求的误码率和所要求的比特率来选取参数。在这种方案中，调制参数的自适应速率相对 较低，因为所分配的调制参数在整个呼叫过程中是连续不变的，直到呼叫被终止，或者信道 再一次进行分配。而快速自适应调制系统调制参数可以由基站和终端两者来控制，是一个时 隙接着个时隙，根据瞬时c n c 、传播延时以及所分配的带宽来选取参数。 i i i 慢速自适应调制 图1 i 显示了慢速自适应调制作为宏蜂窝和微蜂窝系统应用的概念和效果，并将它和传 统的正交相移键控( q p s k ) 系统作比较，这里慢速自适应调制系统的调制方案选择了全速 率1 6 q a m、全速率q p s k 、半速率( 1 2 速率) q p s k 、1 4 速率q p s k 。当慢速自适应 调制应用到宏蜂窝系统时，接近基站的终端被分配给1 6 q a m ，低速q p s k 被分配给接近边 缘区域的终端，结果，由于低速q p s k 具有比全速q p s k 高的多的接收灵敏度，相比传统 的q p s k 系统，服务区半径被扩大。另一方面，当慢速自适应调制系统被应用到微蜂窝系统， 由于低速q p s k 具有更高的接收灵敏度，这将使蜂窝的重复利用距离减小，同时，每个被分 配的系统带宽的信道数将增加，这是因为慢速自适应调制系统在位于基站附近的终端利用了 更高的调制电平，如图1i 所示。因此慢速自适应调制系统能有效地增加微蜂窝系统的容量 叽 传统q p s k 系统 自适应调制系统 宏 ：黜 t 萋 低质量区丫 o 。t 17 缝4 速率翱q p 5 x p s x 簖穆， 矗：j 、 l ：j o 、七! ，7 一太覆盖范围 童 苎7 一小裁止概率 微 端鼙交 警丫、- 巴云： 睡 窝 系 统 黪譬蓬，鞭 图1 1 慢速自适应调制在宏蜂窝和微蜂窝系统中的应用 图1 2 显示了6 4 q a m 、1 6 q a m 、q p s k 、1 2 速率q p s k 和1 1 4 速率q p s k 在平瑞利衰 落条件下结合空间分集而得出的b e r 相对于c f i c 的理论性能“，在慢速自适应调制系统中， 一2 浙江大学博士学位论文 基站分配能取得最高频谱效率并满足b e r 比某个b e r 门限( b e r t b ) 小得多时的调制参数， 例如，当b e r i h = 1 0 。时，慢速自适应调制方案选择了6 4 q a m ( c i c - 2 0 d b ) ，1 6 q a m ( 1 6 d b _ c i c 2 0d b ) ，q p s k ( 9 d b s c i c 1 6d b ) ，1 2 速率q p s k ( 6 d b _ c i c 9d b ) 和1 4 速率q p s k ( c i c 6d b ) ，如图1 2 所示。在这种情况下，截止概率( p o ) 定义为即使采用l 4 速率q p s k ， 也不能获得p e r p , e 1 1 t h 的概率。因此在图1 2 中，截止概率p o 为c i l c 3 d b 时的概率。当具 有延时扩展参数的b e r 性能被测量时，每一种调制方案的c l c 区域可以和图1 2 显示的同 样方法来获得，调制参数判决表可从图1 3 中获得。 图1 率的关系 制系统能 是固定速 1 0 c i 。( d b ) 图1 2 慢速自适应调制系统的调制参数选择 归一化延时扩展 ( t r 皿。t 鲫a x ) 图1 3 慢速自适应调制系统归一化延时、载干比与判决区域的关系 、 一一一一一一一 釉粹删：龟蜊荆鄞删 髓瓤鼬懒一一 一一一一 笙二童笙堡 其蜂窝簇明显比固定速率q p s k 系统减少。慢速自适应调制系统对处理意想不到的峰值拥塞 也是有效的。例如，在严重阻塞的情况下，可以分配高的调制电平，虽然传输质量下降但能 获得较大的系统容量。 图1 , 4 慢速自适应调制系统与固定速率q p s k 系统的比较 1 1 2 快速自适应调制 图1 5 显示了快速自适应调制系统的概念。在这个系统中，调制参数是根据瞬时的信道 变化来控制的。为了精确地估计传输时隙的衰落变化( 瞬时信道条件) ，应用了时分双工 ( t d d ) ，这样上行和下行链路之间，如果它们的时间间隔足够短，那么它们的衰落相关性 是非常强的。在每一个t d m a t d d 时隙，信道估计字( c e ) 和调制参数码字( m c ) 都被 嵌入到每一个突发块的中同步码中，以便估计出每一个接收瞬时时隙的信道条件和使用的调 制参数。 在接收机中，因为发射机一个接一个时隙地控制调制参数，每一个接收时隙的m c 首 先被译码，并且接收的信号被解调，而且利用c e ，接收机测量每一个接收时隙的瞬时延时 量，通过推断被测量的延时量序列来估计下一个传输时隙的延时量，并根据被估计的延时量， 为下个传输时隙选择最优的调制参数。尽管对慢速自适应调制系统的调制参数判决准则是 根据衰落条件下的平均b e r 性能来决定的，但是对快速自适应调制系统的调制参数判决准 则也可由静态条件下的b e r 性能决定。 根据自适应调制技术的特点以及以上慢速自适应调制系统和快速自适应调制系统模型 的分析，我们可以知道：自适应调制所采取的技术方法是很多的，但其必须解决的最主要的 问题有以下几点： 各种调制信号的设计和产生； 针对多径衰落的信道估计算法； 全数字接收机的设计和实现。 浙江大学博士学位论文 载波频率 ( q 终端 1 调制l 一 业 j 鬻l 务 一 信 ， 瞬时衰落 息 预测器 t 据 解调 厂赢订l 1 数估计卜 ，1 r基站 。j调制参 i垫笪茎 i堡塑 l l l 瞬时衰落| 预测器i vi 燃控制器l ，j ) 亘 一卜 l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 业务 l 信息 匡匝 图1 5 快速自适应调制系统的概念 以上提出的必须解决的关键问题是以当今计算机技术和数字信号处理技术高度发展为 前提的，如何对系统进行优化、估计和检测是我们所要解决的。 1 2 宽带无线多媒体通信的挑战 由于多媒体无线通信要求在严重的衰落环境下，实现高质量、高速、高灵活性以及对拥 塞的信道进行实时和空中控制，所谓的传统的系统设计将不适用。为了实现多媒体无线通信， 各种移动宽带系统的设计概念及技术应运而生【4 j p 6 】【7 j 口】。由于移动宽带系统可以为移动用户 直接提供与固定b - i s d n 一致的服务，因而它将得到广泛的应用。1 9 9 7 年，日本学者 n m o r i n a g a 、m n a k a g a w a 和r k y a k o h a m a 提出了实现高可靠性、高容量的多媒体通信系 统设计概念和技术p j ，新设计的无线系统必须既适合时分多址( t d m a ) 系统又适合码分多 址( c d m a ) 系统。其中，自适应调制技术是一种最有希望的宽带无线传输技术。 1 2 1 基于t d m a 技术的宽带无线多媒体通信 5 第一章绪论 为了利用t d m a 技术设计宽带无线多媒体通信系统，我们不得不考虑以下几个方面的 要求： 动态地缓和通信量的变化； 根据信息类型控制业务质量( q o s ) ： 对频率选择性衰落作补偿； 实现高系统容量。 图1 6 给出了基于t d m a 宽带无线通信系统中无线通信技术的主要分类和它们的作用。 这些技术被划分为自适应无线资源管理技术，包括动态信道分配( d c a ) 和慢速自适应调 制技术；自适应接收机技术，包括自适应均衡器和自适应阵列天线技术；自适应无线传输技 术，包括发射功率控制、快速自适应调制和自适应区域配置技术。 为了实现全球宽带无线通信系统，业务服务区域将延伸到郊区或者山区。为了补偿长延 时波，一种方法是增加判决反馈均衡器( d f e ) 的数目，这是在第一代和第二代移动通信系 统中的设计方法。然而，要制作一个复杂和大型的硬件来处理这样不太可能发生的传播路径 条件是不现实的解决方法。突破这种限制的一种解决方法是除了自适应接收机技术外，利用 某些自适应传输技术来降低频率选择性衰落的效果，这可以根据所期望的信道条件在发射机 中自适应的控制某些参数来达到。尽管自适应接收机和自适应无线传输技术的结合被认为是 严重频率选择性衰落条件下实现高容量、高质量、高灵括度宽带无线通信系统的有效方法， 但是，自适应无线资源管理技术也是一种不可缺少的技术领域，它可以动态地改变信道和通 信量的变化。其中，自适应调制技术是一种最有希望的基于t d m a 技术的宽带无线传输技 术，包括它和白适应均衡器的结合技术【9 1 ，以及动态信道分配1 1 0 1 1 “1 ( d c a ) 技术。 图1 6 基于t d m a 宽带无线通信系统中无线通信技术的关键分类和它们的作用 1 2 2 基于c d m a 技术的宽带无线多媒体通信1 4 扩谱( s s ) 是众所周知的关键技术之一，用以避免多径及频率选择性衰落信号，对于 浙江大学博士学位论文 亚微米和微米波传输那一定是主要的候选技术之一。然而，扩谱技术所需的无线传输的带宽 比数据传输的带宽要宽得多，而目前的扩谱只是作为低速或中速传输，如在某些蜂窝系统中 的k b i t 程) 传输和在i s m ( 工业、科学、医学) 领域中m b i t 利b 的传输。如果要进行高速的无 线传输，如速率为数十m b i t s ，这样高的速率所需要的带宽对于一个简单的直接序列( d s ) 扩谱方法显然是不现实的，原因有以下两方面： 严重的码片间干扰( i c i ) 接收机难以对如此快的序列进行同步 为了克服这些问题，人们提出了能实现宽带无线多媒体通信的各种方法，其中以基于 c d m a 技术的正交频分复用扩谱( o f d ms s ) 最引人注目，也称为正交多载波扩谱 ( m c - c d m a ) 。o f d m 是最有效的f d m ，它与跳频( f h ) 技术相比，其邻近频道之间不 需要设保护带宽，因而能得到更高的频谱效率。虽然无线信道的频率选择性衰落非常严重， 但相对每个子载波来说，信道特性基本上是平衰落的，这样就能克服高速数据传输中的突发 错误。图1 7 是扩谱多址接入方案的分类。 o f d m 是一种并行传输的系统，它可以降低每个载波的码片速率，也就是说，o f d m 将宽带系统分解成窄带可实现的系统，而o f d md s c d m a 系统既能克服码片间干扰( i c i ) 又能克服符号间干扰( i s l ) ，图1 8 是这种系统的一种实现。 图1 7 扩谱多址接入方案的分类 7 第一章绪论 图1 8o f d md s c d m a 传输系统 在发射侧，具有比特持续期t b 的比特流经串并转换成m t b 比特流，新的比特持续期m t b 就能抑制i s 。每个m t b 比特流都提供s 个并行流，这样同样的数据就出现在s 个支路上 ( 致的比特流) ，以达到频率分集并抑制i c i 。然后，数据流被交织以得到时间分集，对 m s 个正交载波之一进行p s k ( b p s k ) 调制。o f d m 系统的缺点是由于放大器的非线性而 引起的子载波间的交调，这应当采用编码的方法来补偿交调失真。无论如何，o f d m 扩谱 将是亚微米或微米波传输中高速率传输的最有希望的候选方法之一。其中，码片速率自适应 正是第三代移动通信标准所采用的。 1 3 自适应调制技术在当前众多标准中的应用 为了满足无线通信业务的要求，必须开发有效地利用有限的频谱资源的技术。自适应调 制技术由于其能有效地提高整个系统的频谱效率而得到广泛的应用。表1 1 概括了第二代和 第三代t d m a 和c d m a 标准中所采用的自适应调制技术口j 。 表中的列表示： 不同速率对用户的分配方法 用作移动的速率和格式的指示方法 信道质量反馈的方法 可达到的峰值数据速率的典型值 c d m a 系统中的速率自适应是通过可变的扩谱、编码和码组合来获得的，i s 9 5 b 中基 于c d m a 系统的更高速率的取得是通过w a l s h 码的组合而得到的。每一个高速率的用户将 被分配8 种码中的一个，每个码支持一个9 6 k b s 的数据速率，w c d m a 和e d m a 2 0 0 0 系 统获得的高数据率是通过不同的扩谱和编码的组合得到的。 浙江大学博士学位论文 表1 1 自适应调制技术在第二代和第三代t d m a 和c d m a 标准中的应用 系统或标准自适应调制方法指示格式的方式信道质量反馈最高数据率 c d m ai s - 9 5以8 k b s 或1 4 k b s 的补充信道分配消补充信道请求信6 4 k b s 补充码信道息( s c a m )息，导频强度测量 信息 c d m a 2 0 0 0 变速率补充码信道s c a m ，并考虑盲补充信道请求信每个w a l s h 码 一可变的扩谱和编 速率检测息，导频强度测量6 1 4 4 k b s 、所有 码信息，功率控制比码组合可获 特2 0 4 8 k b s w c d l v l a 变速率通信量信道 传送格式组合指测量方法：6 个w a l s h 码组 一可变的扩谱和编 示器( t f c i ) 识别 导频强度、s i n r 、合为2 0 4 8 k b s 码每一帧的格式 b e r g p r s 多时隙，自适应编码 独自编码的 用a v q 状态信息 1 6 0 k b s “s t e a l i n gb i t s ”域 进行测量： 信号和干扰、 b e r 、信号方差 t d m a l 3 6 + 多时隙，自适应调制 独自编码的数据信道质量反馈 4 4 4 k b s 和增加冗余量域类型( c q f ) ： 上行a r