（通信与信息系统专业论文）ofdm无线自适应传输关键技术研究.pdf

摘要 摘要 正交频分复用( 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 ，o f d m ) 技术 由于其能有效对抗多径影响并具有较高的频谱利用率，而被欧洲数字音频广播 系统( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 和数字视频广播系统( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v b ) 标准所采用，并成为下一代移动通信系统的( b e y o n d3 柑 g e n e r a t i o n ，b 3 g ) 候选方案。o f d m 系统的特性使其非常适合于自适应调制技 术的应用，因而自适应o f d m 系统得到了广泛研究，本文主要针对o f d m 无线 自适应传输系统所涉及的多项关键技术展开了研究。 论文共分为八章，第一章给出了论文研究背景、研究内容及主要贡献。第 二章首先介绍了移动通信信道的特性，然后给出了o f d m 的基本原理和自适应 调制的基本概念。 论文第三章首先介绍了信道等效低通信号及其包络的统计特性，在此基础 上介绍了瑞利衰落信道的包络电平通过率，零电平通过率和包络极值率，信道、 信道包络、信道包络平方的自相关特性，及由它们所衍生的最大多普勒频移的 估计算法，并分析了它们在加性白高斯噪声环境下的统计特性，最后提出了一 种新的基于代数方法的最大多普勒频移估计方法，提高了估计性能并有效降低 了实现复杂度。 论文第四章分析了多径分量功率和多径分量自相关矩阵之间的关系，并在 此基础上提出了适用于无线o f d m 通信系统的一种基于最小描述长度准则 ( m i n i m u md e s c r i p t i o nl e n g t h ，m d l ) 的均方根时延扩展( r o o t - m e a n ：s q u a r e d d e l a ys p r e a d ，r d s ) 估计方法。与传统的基于多径检测的实时均方根时延扩展 估计器相比，该估计器不需要信道时延功率谱或信噪比等任何先验信息。该估 计器能够同时给出l i d s ，噪声方差，信道功率和信噪比等多个实时信道参数的 有效估计。仿真结果显示了该估计器对信噪比变化的不敏感性，且对信道频率 摘要 选择性和时间选择性具有很强的鲁棒性。 论文第五章针对无线o f d m 系统提出了一种基于快速傅立叶变换( f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 的信嗓比估计算法，并分析了该估计算法对馒变瑞利 衰落信道下自适应o f d m 系统性能的影响。理论分析表明该方法相对于慢变瑞 利衰落信道下自适应调制系统的性能上界只有非常小的性能损失。仿真结果进 一步验证了该方法对慢衰落信道下的自适应o f d m 系统是有效可行的。 论文第六章提出了一种新的基于时频2 维l m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) 的信 道预测器，该预测器的抽头权重不仅在时域而且在频域进行修正，使得算法的 收敛性能较传统的l m s 和p l m s 算法有很大的改善，有效减小了观察长度，能 很好地满足自适应调制系统实时跟踪信道状态信息的需要，仅以微小的复杂度 代价提高了系统误比特率性能和频谱利用率。 论文第七章针首先讨论了自适应传输系统的方案及其中的关键模块，然后 针对采用卷积编码一软判决维特比译码、恒模调制的无线o f d m 系统，提出 了一种改进的自适应交织技术，该算法可以更充分的将长的突发错误分散为随 机错误并使实现的复杂度有所降低，仿真表明改进的自适应交织技术使系统性 能尤其是系统的误帧率性能获得了进一步的提高。在不同信道下的仿真结果表 明在无线o f d m 系统中自适应的改变交织方案是必要的。 论文最后一章对论文内容和作者贡献进行了总结，并对进一步可以研究的 问题进行了探讨。 关键词：o f d m 自适应调制多酱勒频移均方根时延扩展信噪比估计信道预 测自适应交织 n a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oi t sf e a t u r e so fm u l t i p a t hi m m u n i t ya n db a n d w i d t he f f i c i e n c y , 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 ) h a sb e e nf a v o r e df o rb o t he u r o p o d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) a n dd v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) a n di th a s b e g o m eap r i m ec a n d i d a t ef o rb 3 g ( b e y o a d3 旧g e n e r a t i o n ) c o n u n u n i c a t i o m m c h a r a c t e r i s t i c so fo f d mm a k ei t s e l fv e r ys u i t a b l ef o ra d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d i n g ，s ot h ea d a p t i v eo f d ms y s t e m sh a v ed r a w nc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nt h ea r e a o ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t i l i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so ns e v e r a lk e y t e c h n i q u e si n v o l v e di na d a p t i v et r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s so f d ms y s t e m s t l l i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e se i g h tc h a p t e r s c h a p t e ro n eg i v e sb a c k g r o u n do f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i n c h a p t e rt w o ，t h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o na r cf i r s t l yd e s c r i b e d ，f o l l o w i n gw h i c h ，t h et h e o r yo fo f d ms y s t e m a n dt h ec o n c e p to f a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n ga r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e rt h r e e ，t h es t a t i s t i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec h a n n e la n dc h a n n e le n v e l o p a r ei n t r o d u c e d , b a s e do nw h i c h ，t h el c r ( l e v e lc r o s s i n gr a t e ) ，z c r ( z e r oc r o s s i n g r a t e ) ，r o m ( r a t eo f m a x i m u m m i n i m u m ) ，a n dt h ea u t o c o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c h a n n e l ，c h a n n e le n v e l o pa n ds q u a r ec h a n n e le n v e l o p ，a sw e l l 鹳t h ee s t i m a t i o n a l g o r i t h m sd e r i v a df r o mt h e mf o rm a x i m u md o p p l e rf r e q u e n c ys h i f ta r ed i s c u s s e d ， w h e r ea f t e rt h e i rs t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c sw i t ha d d i t i v eb a n d l i m i t e dw h i t eg a u s sn o i s e t h e nan o v e l a l g e b r am e t h o db a s e de s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rd o p p l e rs h i f ti s p r o p o s e d ，w h i c he f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e w h i l ed e c r e a s i n gt h e c o m p l e x i t y c h a p t e rf o u rp r o p o s e san o v e lm e t h o df o rm u l t i p a t hd e t e c t i o no rm u l t i p a t h s e a r c ht h r o u g hw e l l - k n o w nm d l ( m i n i m u m d e s c r i p t i o nl e n g t h ) c r i t e r i o n ，a n dh e n c e an o v e li n s t a n t a n e o u sr d s ( r o o t - m e a n - s q u a r e d d e l a ys p r e a d ) e s t i m a t i o nm e t h o df o r w i r e l e s so f d ms y s t e m s c o m p a r e dw i t l it h ec o n v e n t i o n a lm u l t i p a t hs e a r c hb a s e d i i i a b s t r a c t r d se s t i m a t o r s ，t h ep r o p o s e de s t i m a t o rd o e s n tn e e da n yap r i o r ii n f o r m a t i o na b o u t t h en o i s ev a r i a n c ea n dt h ec h a n n e lp r o f i l ew h i l ei ti si n s e n s i t i v et ot h ev a r i a n c eo f s n r ( s i g n a l - t o n o i s er a t i o ) a n dr o b u s ta g a i n s tt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v i t y , 髂w e l la s t h ev e h i c l es p e e d c h a p t e rf i v ep r o p o s e sa nf f t ( f a s tf o u r i e rt r a n f o r m ) b a s e ds n re s t i m a t i o n m e t h o df o rw i r e l e s so f d ms y s t e m sa n dd i s c u s s e st h ei m p a c to f t h ep r o p o s e dm e t h o d o nt h ep o r f o 肋a n c eo fa d a p t i v eo f d ms y s t e mi ns l o wr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s n u m e r i c a lr e s u r sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh a sn e g l i g i b l ep e r f o r m a n c e l o s sc o m p a r e dw i t ht h eu l ，p e rb o u n dp 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 ni ns l o w r a y l e i 曲f a d i n gc h a n n e l s ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ep r a c t i c a ls y s t e mf u r t h e rv e r i f y t h a tt h em e t h o di se f f e c t i v ea n df e a s i b l ef o ra d a p t i v em o d u l a t i o n c h a p t e rs i xp r o p o s e sat i m e f r e q u e n c y2 - dl m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) b a s e d p r e d i c t o rw h i c hu p d a t e st h ef i l t e rw e i g h t si nb o 吐it i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n t h e p r o p o s e ds c h e m ec a l le f f e c t i v e l yd e c r e a s et h eo b s e r v a t i o ni n t e r v a l sa n ds i g n i f i c a n t l y s p e e du pt h ec o n v e r g e n c et h a nt h ec o n v e n t i o n a ll m sa n dp l m s ( p a r a l l e ll m s ) c o m p l e x i t ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e ds c h e m e 锄 i m p r o v et h eb e r ( b i te r r o rr a t e ) 卿o r m a n c ea n ds p e c t m ne f f i c i e n c yw i t h n e g l i g i b l ec o m p l e x i t yi n c r e a s e a f t e rd i s c u s s i n go ft h es c h e m e sa n dk e ym o d u l e so ft h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o n s y s t e m s ，a i m e da tc o n s t a n tm o d u l em o d u l a t e do f d ms y s t e m sw i t hc o n v o l u t i o n a l c o d e r - s o f td e c i s i o nv i t e r b id e c o d e r , c h a p t e rs e v e np r o p o s e sa l li m p r o v e da d a p t i v e i n t e r l e a v i n gs c h e m ew h i c hn o to n l ya c h i e v e sab e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e , e s p e c i a l l y t h ef e r ( f r a m ee r r o rr a t e ) ，b u ta l s or e d u c e st h e a l g o r i t h mc o m p l e x i t y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si nd i f f e r e n tc h a n n e lm o d e ld e m o n s t r a t ei tm a y b en e c e s s a r yt oa d o p t a d a p t i v ei n t e r l e a v i n gi nw i r e l e s s0 f d ms y s t e m s f i n a l l y , c o n c l u s i o n sa r em a d ea n dt h ep r o b l e m st h a tn e e dt ob ef u r t h e rs t u d i e d a r e 酉v i nc h a p t e re i g h t k e y w o r d s ：o f d m ，a d a p t i v em o d u l a t i o n ，d o p p l e rs h i f t ，r o o t - m e a n - s q u a r ed e l a y s p r e a d ，s n re s t i m a t i o n ，c h a n n e lp r e d i c t i o n , a d a p t i v ei n t e r l e a v i n g 符号说明 符号说明 矩阵或矢量的共轭转置 矩阵或矢量的转置 标量的共轭 k r o n e c k c r 乘积 点积 标量工的绝对值 矢量x 或者矩阵x 的f r o b e n i u s 范数 统计平均 矩阵a 第脚行第h 列对应的元素 矩阵彳的迹 取x ，y 中较小的数 取x 。y 中较大的数 x n 单位矩阵 m x n 零矩阵 求以向量x 为对角元素的对角矩阵 对k 以为模求余 取实部 取虚部 点d f t 矩阵，【f 】。= e x p - j 2 石( m o ( n - o u v p r r 0 固 力力 ， 。m吣喇邮呻如毗啡刚州删 英文缩略词 英文缩略词 1 gl 吼g e n e r a t i o n 2 g2 n dg e n e r a t i o n 3 g3 r dg e n e r a t i o n a d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a m p sa d v c e dm o b i l ep h o n es y s t e i n a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b 3 g b e y o n d3 r d g e n e r a t i o n b e rb i te r r o r r a t e b p sb i t sp e rs y m b o l c d fc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s c p c y c l i cp r e f i x c p - s c b t c y c l i cp r e f i xs i n g l ec a r r i e rb l o c kt r a n s m i s s i o n c r l bc r a m e r - r a ol o w e rb o u n d c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d dd a t a a i d e d d f td i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r r f l d m td i s c r e t em 州t i t b t i e d v b - t t e r r e s t r i a ld i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f f tf a s tf o u r i e rt r a m f o r h l f e rf r a m ee r r o rr a t e f t f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e g s mg 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 i b i i n t e r - b l o c ki n t e f f e r e n e e l c ii n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e v u l 第一代移动通信系统 第二代移动通信系统 第三代移动通信系统 非对称数字用户链路 高级移动电话系统 加性白高斯噪声 超三代移动通信系统 误比特率 每符号比特数 累积分布函数 码分多址 循环前缀 循环前缀单载波分块传输 信道状态信息 数字音频广播系统 数据辅助 离散傅立叶变换 离散多音频 地面数字视频广播系统 频分双工 快速傅立叶变换 误帧率 有限冲激响应 全球移动通信系统 块间干扰 载波间干扰 i d f t i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离敷傅立叶反变换 i f f t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶反变换 h o c h i g h e r - o r d e rc r o s s i n g s 高阶通过率 i i d i n d e p e n d e n ti d e n t i c a ld i s t r i b u t i o n 独立同分布 i m t - 2 0 0 0 i m e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 国际第三代移动通信系统 i s 9 5 i n t e r i ms t a n d m d9 5暂时标准 i s ii n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n o e 符号问干扰 删 i n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p hu n i o n国际电信联盟 l c r l e v e lc r o s s i n gr a t e 电平通过率 l m s l e a s tm e a ns q u a r e最小均方 l sl e a s ts q u a r e 最小二乘 m d l m i n i m u md e s c r i p t i o nl e n g t h最小描述长度准则 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出 m m s e m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 最小均方误差 m s em e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 n d an o nd a t a a i d e d 非数据辅助 n m s en o r m a l i z e dm e a ns q u a r ee r r o r 归一化均方误差 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 正交频分复用 p d pp o w e rd e l a yp r o f i l e 时延功率谱 p s k p h a s es h i f tk e y i n g 相移键控 p l m sp a r a l l e ll e a s tm e a ns q u a r e 并行最小均方 q a mq 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 正交幅度调制 r m s e r o o tm e a ns q u a r ee r r o r 误差均方根 r m sr o o tm e a ns q u r a r e 均方根 r d s r o o tm e a ns q u r a r ed e l a ys p r e a d 均方根时延扩展 r n m s e r o o tn o r m a l i z e dm e a ns q u a r ee r r o r归一化误差的均方根 r o mr a t eo f m a x i m u m m i n i m u m 极值率 s i r s i g n a l - t o - i n t e r f e r e n e ep o w e r r a t i o信号与干扰功率比 s n r s i g n a l - t o - n o i s ep o w e rr a t i o 信号与噪声功率比 t a c st o t a la c c e 嚣c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 全接入通信系统 i x 英文缩略词 t d m a t d d 1 工卜s c d m a l 小仉忑 v h d s l v l s l w c d m a s o v a s e r w s s u s z c r t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m v e r y - h i g h - s p e e dd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s v e r yl a r g es c a l ei n t e g ， a t i o n w i d e b a n dc d m a s o f t - o u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m s i g n a l - t o - e s t i m a t i o n - e r r o rr a t i o w i d es e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds 湖t c 衄 z e r oc r o s s i n gr a t e x 时分多址 时分双工 时分同步的码分多址 全球移动通信系统 甚高速数字用户链路 超大规模集成电路 宽带码分多址 软输出维特比算法 信号估计误差比 广义平稳非相干散射 零电平通过率 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韵任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：2 鱼逻堇：e t 期：翌墨! 苎墨 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，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公稚( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：i 金壁。堇：导师签名日期：幺生：芝 第一章绪论 第一章绪论 伴随着世界范围内的信息科技革命，通信技术正以前所未有的速度在发展和 更新，特别是通信技术与计算机以及网络技术的相互融合，使得通信技术的发 展日新月异，给人们的生活和工作带来了极大的方便。目前，移动通信技术正 朝着能在任何时间( w h e n e v e r ) ，任何地点( w h e r e v e r ) 向任何人( w h o e v e r ) 提 供任何种类( w h a t e v e r ) 快速可靠的信息服务这一目标努力。为了在有限的频谱 资源下向人们提供更加优质的服务，各种新的技术正不断地应用到移动通信系 统中来。 1 1 论文研究背景 通信技术经历了从有线到无线、从模拟到数字的两次巨大变革。在过去的 二十年里，移动通信已经经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信再到第三 代多媒体通信三个阶段。当前第三代移动通信系统正逐步进入商用阶段，未来 移动通信系统后三代移动通信系统( b e y o n d3 g ) 的总体架构及关键技术的 研发也已经正式启动【1 - 5 j 。 最早的模拟无线移动电话是2 0 世纪8 0 年代中期才投入市场，标志着第一 代移动通信系统即模拟式移动通信系统的诞生。第一代移动通信系统采用的是 模拟技术和频分多址技术，主要以北美a m p s ( 现代移动电话系统) 、欧洲t a c s ( 全接入通信系统) 、北欧n m t ( 北欧移动电话) 、德国c - 4 5 0 及日本n t t ( 日 本电报电话) 等系统为主要代表。但这些系统频带利用率不高、容量有限、保 密性差、不能提供自动漫游且互不兼容，促使人们研制出第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统主要采用数字技术的时分多址和码分多址技术，它主 要以欧洲g s m ( 全球移动通信系统) ，美国i s 1 3 6 ( d a m p s ) 和i s 一9 5 ( u s c d m a ) 及日本p d c ( 个人数字蜂窝) 等系统为主要代表。这些系统可以提供 更高的频谱利用率，语音质量、保密性和漫游能力得到很大的提高，但系统带 第一章绪论 宽有限，限制了数据业务的应用和发展，且由于不同制式的原因而不能实现全 球覆盖的无缝漫游。 随着社会的发展和技术的进步，人们希望移动通信系统能够和固定网络一 样提供将话音、图像以及数据等综合在一起的交互式多媒体业务，这正是目前 普及的第二代移动通信系统的瓶颈所在，因而促生了第三代移动通信系统( 3 坩 g e n e r a t i o n ，简称3 g ) 。它主要以w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为代表， 目前在部分国家和地区已经进入商用阶段。它具有更宽的系统带宽、更高的频 谱利用率、更强的多媒体业务支持能力及更可靠的业务质量。 但是随着全球范围内移动用户数的迅猛增长，互联网业务的增加以及便携 计算设备的广泛使用，移动业务的主体也发生了转变，这就使得为高速业务和 多媒体业务设计的第三代移动通信系统在通信的容量与质量等方面将远远不能 满足要求，并且第三代移动通信系统仍然不能实现真正意义上的全球漫游，因 此各国在推进第三代移动通信系统产业化的同时，又提出了未来移动通信系统 的新构想。它有两个基本目标：一是实现无线通信全球覆盖；二是提供无缝的 高质量无线业务。为了达到这个目标，需要在下列几个方面作出努力：频谱的 高效使用、带宽的动态分配、对于移动环境的准确判断，高性能的信号调制传 输技术。 多载波并行传输技术抗衰落能力强、对窄带干扰和窄带噪声不敏感、带宽 扩展灵活和支持可变用户速率等一系列特点使其非常适合在宽带无线通信系统 中应用，同时随着v l s i 技术的发展，以o f d m 为代表的多载波并行传输技术 在沉寂数年之后于近期迅速发剧纠2 1 。特别的，随着高速数据传输需求的增大， o f d m 技术的应用日益广泛1 3 。17 l ，并已经成为未来移动通信系统的有力竞争者 m s - 1 9 。 作为多载波并行传输技术之一，o f d m 除了具备多载波系统共有的特点之 外，还有其独特的优点： o f d m 系统是一种分块传输系统，它通过在每个数据块的前端插入循环前 缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，可以有效消除i s i 和i c i ，因此其信道均衡可以由 单抽头均衡器完成，与具有多抽头的单载波信道均衡器相比，其复杂性大大 第一章绪论 降低，与传统的无c p 多载波系统只能部分地消除i s i 也有着本质区别。 o f d m 系统各子载波完全正交，因此，虽然各子载波的频谱相互交叠，接 收端仍可以将子载波完全分离，从而完美重现发送信号。与利用带通滤波器 实现子载波分离的传统多载波系统相比，o f d m 系统具有更高的频谱利用 率f 郁1 。 o f d m 系统具有很强的抗窄带干扰的能力，因为此类干扰只会对部分而不 是全部子载波产生影响。 o f d m 系统的多载波调制与解调可以通过i d f t ( i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 和d f t 来实现，存在f f t 快速算法，使o f d m 技术具有很强 的可实现性。 o f d m 系统的各子载波在同一时刻经历不同的衰落，可以采用不同的调制 模式，增加了系统的灵活性，便于采用自适应调制技术以提高系统的可靠性 和吞吐量。 由于o f d m 系统的上述特性，使得自适应o f d m 系统及其相关技术成为 o f d m 研究中的一个热点，自适应o f d m 系统中可以调整的系统参数大致包括 以下几种【2 0 】： 1 循环前缀的长度：只有当循环前缀长度大于多径时延长度时，才能去除i b i 。 但多径时延是不断变化的，所以根据实测的多径时延长度自适应地调整循环 前缀的长度，可以更好的减少i s i ，减少系统资源的浪费。 2 子载波的数目：为了使子载波经历的信道都是平坦衰落信道，可以根据相干 带宽来自适应地调整子载波数目，相干带宽可以通过对时延扩展进行估计 得到，近似为时延扩展的倒数。 3 编码码率：编码可以降低系统误码率，当信道处于深衰落时，降低编码码率 可以对抗深衰落。当信道条件好时，提高编码码率，可以提高频谱利用率。 4 导频插入密度：导频用来估计信道参数，快衰落时，需要插入较多的导频符 号，才能准确地跟踪信道的变化。而慢衰落时，插入较少的导频符号，就 可以保证信道估计的准确度，同时确保系统资源的节省。 5 交织长度，交织图案：对编码后的比特进行交织，可以达到分集的效果，提 3 第一章绪论 高系统的性能。但是交织长度与多普勒频移或均方根时延扩展有关，即与 信道的时间选择性衰落或频率选择性衰落有关。 6 调制方式：当信道处于深衰落状态时，采用低阶调制方式，而当信道条件好 时，采用高阶调制，这样可以降低信道衰落对系统性能的影响，但其性能 受限于信道状态信息估计的质量和信道变化的快慢。 7 功率分配：在信道条件好的情况下分配更多的功率和比特，信道条件差时分 配较少的功率，这样有利于系统吞吐量的提高。 但根据信道状况对这些参数进行实时调整，即在系统中采用自适应调制技 术以实现自适应传输时，需要众多相应的技术作辅助才能有效提高系统的性能， 如根据实测的多径时延长度白适应地调整循环前缀的长度以减少系统资源的浪 费时，需要一个对环境变化比较鲁棒的时延扩展估计器作保证；帧长的设计、 时域导频间插密度的选取、交织器交织长度的设定、甚至优化切换都取决于信 道变化的速率，因而一个有效的最大多普勒频移估计器在自适应传输系统是不 可或缺的；调制模式的调整依赖于当前或未来时刻信道状态信息的估计或判断， 因而信噪比估计或信道预测的性能将直接影响自适应传输系统的性能，等等。 1 2 论文研究工作和主要贡献 本文主要针对o f d m 系统进行白适应传输时可能涉及的多项关键技术进行 了研究并提出了新的算法，分别研究了o f d m 系统中的信道特性和多普勒频移 估计算法、均方根时延扩展估计算法、信噪比估计算法、信道预测算法和自适 应交织设计算法。为此，首先在m a n a b 上建立了o f d m 系统的仿真平台，在不 同的移动环境下对所研究的算法的性能与应用进行了仿真。论文内容安排如下： 论文第二章介绍了移动通信中的信道特征、o f d m 系统的基本原理和自适 应调制技术的发展和基本理论。 在移动通信系统中，最大多普勒频移，或等效的，移动台移动速度是一个 非常有用的参数，它是衡量信道变化快慢的主要度量，也是很多自适应技术中 的关键参数。本文第三章针对这个问题，研究了信道包络的统计特性和瑞利衰 落信道下常用的最大多普勒频移估计方法及其分类，分析了它们在加性带限自 高斯噪声环境下的统计特性，并在此基础上提出了一种新的基于代数方法的最 4 第一章绪论 大多普勒频移估计方法。与传统的估计方法相比，该方法不是通过反复调整低 通滤波器以获得信噪比增益的方式，也不是通过反复限制噪声带宽以逐步降低 噪声与信道的带宽比的方式来提高估计性能，从而避免了反复进行匹配或迭代 的过程，只需要利用两个不同采样频率的采样序列获得两个不同的包络电平通 过率估计或零电平通过率估计即可实现，有效地提高了估计性能并降低了实现 的复杂度，并可以方便的应用至o f d m 系统。 自适应o f d m 系统需要信道的均方根时延扩展( r o o t - m e a n s q u a r e dd e l a y s p r e a d ，r d s ) 信息( 对应于频域的频率选择性信息) 或功率时延谱信息( p o w e r d e l a yp r o f i l e ，p d p ) 以优化循环前缀( c i r c u l a rp r e f i x ，c p ) 长度和频域导频问 插密度。而实时的时延扩展信息估计的性能主要依赖于多径检测算法的性能， 因此本文第四章提出了一种新的基于多径检测的均方根时延扩展估计算法。与 传统的基于多径检测的实时均方根时延扩展估计器相比，该估计器不需要信噪 比、噪声方差或信道功率时延谱等任何先验信息，而多径检测的性能却得到很 大的提高。该估计器能够同时给出r d s ，噪声方差，信道功率和信噪比等多个 实时信道参数的有效估计。由于该估计器能够有效估计出噪声方差从而可以削 减噪声对估计器的影响，因此该估计器表现出对信噪比变化的不敏感性，可以 很好的应用于较大的信噪比范围。仿真结果表明该估计器对信道频率选择性和 信道变化速率具有很强的鲁棒性。 很多自适应调制系统中都将信噪比或信干比为信道质量的度量或门限来选 择调制模式，因而信噪比估计算法尤其是实时信噪比估计算法将直接影响到整 个自适应调制系统的性能。本文第五章针对o f d m 系统提出了一种基于f f t 的 信噪比估计方法，并分析了该估计对慢变瑞利( r a y l e i g h ) 衰落信道下自适应 o f d m 系统性能的影响。该方法可以在单个o f d m 码元内就能获得噪声方差的 估计，进而获得实时信噪比的估计，因而其估计性能对信道变化速率具有很强 的鲁棒性。理论分析表明该方法相对于慢变瑞利衰落信道下自适应系统的性能 上界只有非常小的性能损失。仿真结果进一步验证了该方法对慢衰落信道下的 自适应0 f d m 系统是有效可行的。 利用已知的信道状态信息进行自适应调制可以有效提高无线o f d m 系统的 性能，这就要求发射端知道当前信道的状态信息。在通常情况下，在t d d 系统 第一章绪论 中，发射端自己可以从系统的反向信道直接估计出当前信道的状态信息：在f d d 系统中，发射端需要对端将估计的信道状态信息反馈回来。但是由于信道的时 变特性或反馈时延等因素，可能使得发射端获得的信道状态信息与发射信号时 的信道状态信息不再一致，而过时的信道信息会对自适应o f d m 系统的吞吐量 和b e r 产生负面的影响，因而在自适应调制系统中需要提前预测未来信道的系 数以实时白适应地调整发送端参数。本文第