（通信与信息系统专业论文）ofdm系统自适应调制与功率分配及其在ieee+80216e中的应用.pdf

摘要 摘要 作为未来移动通信系统中很可能使用的一种物理层关键技术, o f d m 技术 受到了广泛关注。与o f d m 技术相关的通信技术成为国内外移动通信研究的热 点之一。本文在o f d m 系统框架下，对以自适应调制与自适应功率分配为代表 的物理层快速自适应技术进行研究，分析加入自适应调制与自适应功率分配后所 带来的系统性能的提升和影响自适应性能的因素。 文中首先回顾了移动通信的发展历程，对自适应技术与o f d m 技术的原 理，以及无线信道的特征与建模进行了简要的概括。以此作为论文分析的基础。 随后，在文中对自适应功率分配原理进行了简要概括。介绍了最小接收比 特错误概率目标下的最优的o f d m 自适应功率分配方案，仿真实现了此目标下 一种次最优的自适应功率分配算法，对恒包络调制下其接收比特差错性能进行了 讨论。 论文接下来重点研究了在固定比特速率下单用户和多用户o f d m 自适应 调制的原理与典型算法，仿真实现了o f d m 系统上的自适应比特分配、自适应 子载波分配以及自适应予载波与比特联合分配，得到了不同算法下的系统接收比 特差错性能，分析了不同算法间的差异和影响o f d m 自适应调制性能的因素。 文中对几种可变比特速率下的单用户自适应调制算法也进行了简要介绍。 最后，基于按照i e e e8 0 2 1 6 eo f d m a 物理层协议构建的下行链路物理层 仿真平台，仿真实现了单用户自适应调制和多用户白适应分组子载波分配。对系 统的接收比特差错性能进行了分析。 关键词：自适应调制，自适应功率分配，o f d m ，i e e e8 0 2 1 6 e a b s t r a c t a so n eo fk e yp h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g i e sl i k e l yt ob eu s e di nf u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，o f d m ( o r t h o g o n a if r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n 曲 t e c h n o l o g y h a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n s b a s e do nt h eb a s e b a n do f d ms y s t e m s ， t h ef a s ta d a p t i v em o d u l a t i o na n da d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o n ，w h i c hb e l o n gt ot h e p h y s i e a ll a y e ra d a p t i v et e c h n o l o g i e s a r es t u d i e di nt h i st h e s i s t h eb o o s t e d p e r f o r m a n c eo f b i te r r o rr a t ei nr e c e r i v e r si na d a p t i v em o d u l a t i o na n da d a p t i v ep o w e r a l l o c a t i o no f d ms y s t e m si sa n a l y z e da c c o r d i n gt oc o m p u t e rs i m u l a t i o n sr e s u l t s ，t h e m a i nf a c t o r sa f f e c t e dt h ea d a p t i v eb i te r r o rp e r f o r m a n c ei nr e c e i v e ra r ea l s o i n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，p r i n c i p l e so fa d a p t i v e t e c h n o l o g i e so np h y s i c a ll a y e ra n do f d m ，t o g e t h e rw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c s a n d m o d e l i n go ft y p i c a lw i r e l e s sc h a n n e l sa r eb r i e f l ys u m m a r i z e da tf i r s t ，w h i c hc a nb e t a k e na st h eb a s eo ff o l l o w i n gt e x t t h ea d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o no i lo f d mc a r r i e r sa i m e do nt h em i n i m u mb i t e r r o rr a t e ( b e r ) i nr e c e i v e ri sp r e s e n t e di nc h a p t e r3 ap r a c t i c a lq u a s ia d a p t i v ep o w e r a l l o e a t i o na l g o r i t h mi ne n e r g y - c o n s t a n tm o d u l a t i o nm o d ei sm a i n l ys i m u l a t e da n d d i c u s s e d 乃es t u d yo nf i x e dt r a n s m i s s i o nb i tr a t e ds i n g i e u s e ra n dm u l t i - u s e ra d a p t i v e m o d u l a t i o nf o ro f d ms y s t e ma r ea l s os t u d i e ds u b s e q u e n t l y t h ea d a p t i v eb i t a l l o c a t i o ni ns i g n l e - u s e ro f d ms y s t e m ，t o g e t h e rw i t ht h ea d a p t i v ec a r r i e ra l l o c a t i o n a n dt h ea d a p t i v eb i ta n dc a r t i e rj o i n t l ya l l o c a t i o ni nm u l t i u s e ro f d ms y s t e ma l e s i m u l a t e da n di n v e s t i g a t e d ，s o m eu s e r f u lc o n c l u s i o n sa l ep r e s e n t e d b e s i d e s ，s o m e a l g o r i t h m sf o rv a r i a b l er a t e ds i n g l e u s e ro f d ms y s t e m sa r ea l s ob r i e f l yi n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ea d a p t i v eb i ta l l o c a t i o nf o rs i n g l eu s e ra n dt h ea d a p t i v es u b c a r r i e r a l l o c a t i o nf o rm u l t i u s e r sa r es i m u l a t e da n ds t u i e di nt h ei e e e8 0 2 1 6 eb a s e do f d m s y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo f p r a c t i c a ls i m u l a t i o n si sa l s og i v e na n db r i e f l ya n a l y z e d k e yw o r d s ：a d a p t i v em o d u l a t i o n ，a d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o n ，o f d m ， i e e e8 0 2 1 6 e i l l 图片目录 图片目录 图2 1 0 f d m 系统频带分布与传统频率分割的的频带分布比较8 图2 2o f d m 系统基本结构框图9 图2 3 基于f f r 变换的o f d m 基带系统框图l o 图2 _ 4 等效并行高斯信道模型示意1 1 图2 5 频率选择性信道抽头延时线模型示意图1 5 图2 币两种不同功率谱示意1 6 图3 1o f d m 系统自适应功率分配示意1 9 图3 2 单用户注水原理功率分配示意2 2 图3 3v a 3 0 信道fq p s k 调制的自适应功率分配系统性能曲线2 6 图3 4 v a l 2 0 信道下q p s k 调制的自适应功率分配系统性能曲线2 6 图3 5v a 3 0 信道下q p s k 调制的自适应功率分配系统性能曲线2 7 图3 6v a 3 0 信道下3 2 个导频l s 信道估计的自适应功率分配系统性能2 7 图3 7v a 3 0 信道下6 4 个导频l s 信道估计的自适应功率分配系统性能2 8 图3 - 8 次最优功率分配方法下b e r 性能随信道估计精度变化曲线一2 8 图3 - 9 不同反馈间隔时6 4 个导频子载波l s 信道估计下次最优算法性能曲线2 9 图3 1 0 理想信道估计条件下，次最优算法不同反馈间隔性能曲线2 9 图4 1 0 f d m 系统自适应调制框图3 2 图4 2 一帧传输过程中发送端和接收端传递的信息示意3 2 图4 3 几种不同的8 q a m 调制方案星座映射示意3 4 图4 4 a w g n 信道条件下几种不同调制方式对应的s e r s n r 曲线一3 9 图4 5a w g n 信道条件下几种不同调制方式对应的b e r s n r 曲线4 0 图4 - 6 a w g n 信道条件下系统仿真误比特曲线与近似b e r 计算公式对比4 1 图4 7 总发送功率为1 2 8 时每o f d m 符号的比特数目随信噪比变化曲线4 4 图4 8 总发送功率为2 5 6 时每o f d m 符号比特数目随信噪比变化曲线4 5 图4 9q p s k 下不同信道下理想信道估计自适应调制性能曲线4 8 图4 1 0 两种不同信道估计方法下系统自适应调制性能曲线4 8 图4 1 1v a 3 0 信道理想信道估计下不同速率时自适应调制算法性能曲线4 9 图4 1 2v a 3 0 信道l s 估计条件下不同调整间隔下f i s c h e r 算法性能曲线5 0 图4 1 3v a 3 0 信道理想信道估计下自适应调制与自适应功率分配性能对比5 l 图5 1o f d m 多用户自适应调制系统框图5 3 图5 2 末分配子载波情况下4 个用户频分复用性能曲线5 9 图5 - 3 多用户子载波分配的a c g 算法性能曲线5 9 图5 4 多用户子载波分配的实时分配( r e a l ) 算法性能曲线6 0 图5 5 不同多用户子载波分配算法下，系统接收性能对比6 0 图5 6 多用户比特与子载波联合分配性能曲线6 1 图5 - 7o f d m 系统多用户l s 信道估计下不同算法性能曲线6 1 图6 1 按照协议要求建立的仿真平台基本构成示意6 5 图6 2 依协议构建的仿真系统在f f l 、长度为5 1 2 时的系统性能示意6 6 图6 3 加入自适应调制单元后的修改的仿真系统构成简图6 7 图6 4r = 2 时l s 估计下系统接收比特性能曲线6 9 v 1 1 1 东南大学硕士论文 图6 - 5 r = 2 时理想估计下系统接收比特性能曲线6 9 图6 - 6v a1 2 0 信道l s 估计下系统接收比特性能曲线7 0 图6 7v a1 2 0 理想信道估计下系统接收比特性能曲线7 0 图6 8r = 4 时l s 估计下系统接收比特性能曲线7 0 图6 - 9r ；4 时理想估计下系统接收比特性能曲线7 0 图6 1 0 理想信道估计条件下次最优分组子载波分配算法接收性能曲线 图6 - l l 理想信道估计下次最优子载波分配各个用户间性能曲线7 2 图6 一1 2 最4 - - 乘信道估计条件下次最优分组子载波接收性能曲线7 2 表格目录 表格目录 表1 1 常见物理层自适应技术分类与具体应用4 表3 1o f d m 自适应功率分配系统参数取定2 4 表4 1a w g n 条件下m q a m 相对m 元p s k 的s n r 改善量，3 4 表4 2 单用户自适应调制系统选定的调制方式3 5 表4 3a w g n 下子载波为2 5 6 的o f d m 系统信噪比门限取值4 0 表4 - 4o f d m 自适应调制系统参数设定4 7 表5 - 1 多用户o f d m 系统自适应调制参数设置5 8 表6 一li e e e s 0 2 1 6 协议簇部分协议的主要特征6 3 表6 - 2 选定的简易的自适应比特分配算法的比特分配方案的比例系数6 9 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 其他入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。 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。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 第一章绪论 人类社会已进入信息时代，由计算机技术与通信技术组成的信息技术构成了信息社会的基础 作为当今现代通信技术的重要组成部分。移动通信已成为通信领域最为活跃和发展最为迅速的领域 之一。 为了使人们实现“在任何时候、任何地方、与任何人都能可靠及时沟通和交流”这一移动通信 理想i f l 标，为了能在有限的资源下向人们提供更加优质的服务，在前人工作的基础上。各种新的技 术正在不断地应用到移动通信系统中。它们推动着移动通信领域的科研和应用不断向前进步。对人 类生活和社会发展产生着日益重大的影响。 1 1 移动通信的发展 1 1 1 移动通信发展历史回顾 移动通信，顾名思义，指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输的通信方式。例如移 动台( 由车辆、船舶、飞机或者行人携带) 与固定点之间或者移动台与移动台之间的通信都属于移动通 信的范畴。 自移动通信技术出现以来，先后经历了三个历史性的发展阶段【l 】： 第一代以f d m a ( 频分多址) 技术为基础的模拟移动通信系统，系统采用模拟信号传输方式， 所支持的业务仅限于话音业务。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，出现了第二代移动通信系统。与第一代模拟移动通信系统相比， 第二代移动通信系统的频谱利用率、语音质量、保密性能得到很大的提高，并能提供比第一代系统 更先进的漫游服务。 为了使移动通信系统能具有更高的频谱利用率，更好的传输质量，实现全球普及和全球无缝漫 游，并能和固定网样提供将话音、图像、数据等综合在一起的交互式宽带多媒体业务，支持分组 交换业务和非对称传输模式，第三代移动通信系统随之出现。在国际电信联盟( r r u ) 1 9 9 6 年底确 定的i m t - 2 0 0 0 的基本框架中，最终确定的3 g 标准有欧洲提出的基于g s m 的w c d m a ，北美提出 的在i s - 9 5 基础上演进而来的c d m a - 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a 。目前，3 g 的实际应用和商业 化正在全球范围展开， 1 1 2 未来移动通信展望 当前，全球范围内移动用户数已接近3 0 亿，人们对高质量多媒体业务和高速率数据业务的需求 与日剧增。为了克服3 g 系统存在的缺点，真正实现高速率、大容量、高度智能化等的通信服务， 提供不同网络和业务的自由无缝接入，满足人们对商质量多媒体业务和高速数据传输的需求，对面 l 东南大学硕士论文 向未来移动通信系统( b e y o n d3 g 4 g ) 的研究已经展开。 其中对后三代( b e y o n d3 g ) 移动通信系统的研究己收获了丰硕的成果【2 1 b 3 g 在删中也被 称为“l m t 2 0 0 0 及超i m t 2 0 0 0 系统”。现有的可称为b 3 g 的移动通信系统，不仅包括由3 g p p 和3 g p p 2 国际标准组织定义的、在3 g 标准上演进而来的h s d p a 、h s u p a 、c d m a 2 0 0 0 1 x e v o d o 、c d m a 2 0 0 0 1 x e v - d v ，还包括宽带无线接入领域新技术w i m a x 、w i f i 及广播电视领域d t v 、d a b 等。 与3 g 系统相比，未来移动通信系统的优越性主要体现在以下几个方面 封： 1 ) 更高的传输速率：在静止或低速移动时，传输速率达到1 0 0 m b p s 以上，高速移动时达到2 0 m b p s ， 达到3 g 系统的数十倍甚至以上。 2 ) 更高的传输质量：减少多用户问干扰，同时在不同的速率之间能够自动切换，以保证通信质 量。 3 ) 更大的系统容量：在传输质量相当或优于3 g 的前提下，系统容量达到3 g 系统的5 1 0 倍。 4 ) 更大的覆盖范围：小区覆盖范围大于3 g 系统。 5 ) 更强兼容性：全i p 组网，支持i p v 6 。能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝 漫游，实现快速无缝切换，成为一个移动网络和无线接入网的融合体。 在未来移动通信系统中可能采用的关键技术”，5 嗬： 1 ) o f d m 技术 o f d m 技术即正交频分复用( 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 ) 的英文缩写。它是将 无线通信传输信号分割成了多个正交的子载波进行传输。o f d m 技术不仅能通过分割载波的方法来 增强通信的抗干扰外，还可以提高载波频谱利用率，节省带宽资源。论文将在第二章对o f d m 技术 原理和优缺点进行详细分析。 2 ) m i m o 技术 多输入多输出技术m i m o ( m u l t i p l ei n p u t ，m u l t i p l eo u t p u t ) 也被称为多天线技术。它通过在空间和 时间两维方向上对信号进行编码，借助在发射端和接收端同时安装的多个天线实现空间分集，能在 不增加系统带宽的情况下成倍地提高通信系统容量和频谱利用率。此外，通过和o f d m 技术相结合 的m i m o o f d m 系统，一方面不仅使系统有很高的频谱利用率，而且合理地开发了空间资源，提供 更高的数据速率，提高系统容量，改善系统性能；另一方面，也在抗多径方面表现出很大的优势。 3 ) 软件无线电 软件无线电是将硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件 来实现的一种系统实现策略。通过软件无线电技术，可以把无线通信新系统、新产品的开发将逐步 转到软件上来。 4 ) 智能大线吲 智能天线技术通过采用空分多址( s d m a ) 技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时 隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下 行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服信道传输衰落的影 2 第一章绪论 响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减少了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之 间的干扰，也减少了移动通信信道的多径效应。此外，智能天线还可以通过多个指向不同用户的并 行天线波束的控制，显著降低用户信号彼此问的干扰。 5 ) 链路自适应技术 对于未来移动通信中的高速数据传输，对服务质量要求更高，带宽资源也更显紧张。能够根据 传输环境的变化，动态分配频率和带宽资源的链路自适应技术具有更重要的意义。此外，与传统的 采用c d m a 的3 g 单载波系统相比，在b 3 g 4 g 系统中，由于采用了多载波和多天线技术，链路自 适应获得了更大的自由度。它可以同时在时间域，频率域和空间域上合理地改变或分配不同时段， 不同子载波以及不同天线上的系统参数和资源，这样可以更充分地改善系统性能，提高传输质量。 6 ) 全口组网策略 未来的b 3 g 4 g 系统是一个可以提供漫游切换的无缝网。需要的是一个能将多样的无线接入 融入到一个网络中，实现快速无缝切换的无线通信网络。把全口核心网作为未来移动网络骨干部分， 用来承担汇接功能和与其他网络的互联互通任务，同时可以实现m 与多种无线接入协议相兼容，为 网络的优化提供方便。 1 2 自适应技术简介 与传统有线通信不同，无线通信在传输过程中呈现出一定的动态性。这主要体现在三个方面： 1 ) 信道传播的开放性和信道参量变化的时变性所引起信道的频率选择性衰落和时变衰落。 2 ) 用户的移动引起接收环境的复杂性( 室内、市区、郊区与农村) 和接收地点的随机可变。 3 ) 所支持的满足各个用户不同需要的丰富的移动业务。 上述三个不同层面的动态性，代表了无线通信系统设计所面f 临困难的主要方面。在采用固定技 术的无线通信系统中，为了适应这种动态性，保证系统的可用性，往往只能按照信道性能较差的情 况和晟低要求来设计系统。这在信道较好的情况下对无线通信中有限的频谱、功率的系统资源是一 种很大的浪费。 于是，在无线通信中，根据链路状况动态地改变系统参数的链路自适应的思想应运而生。无线 通信中的链路自适应技术是指根据信道、用户和无线业务的改变，在一定条件下，选择合适的技术 或改变系统的一些或某些参数，如发射功率、符号速率、调制方式、编码码率、扩频系数、交织参 数、天线加权系数等，以达到系统资源的节省和性能的优化的目标的各种技术手段的总称。 自适应传输的概念最早出现于2 0 世纪6 0 年代，随着通信技术的不断发展，链路自适应技术已 愈来愈多地应用许多实际系统中。表1 1 给出了按照改变的系统物理层参数区分的多种物理层自适 应技术的分类以及在具体系统中的应用情况”j 。 东南大学硕士论文 类型名称实际应用系统举例 自适应接收自适应天线阵 t d s c d m a 自适应均衡 g s m 自适应发送功率控制 i s 一9 5 、v c m l a 、c d m a 2 0 0 0 自适应调制 g p r s 、h s d p a 、c 蕊a 2 0 0 0l x e v i ) o e v d v ，8 0 2 1 l a 、b i p e r l a n 2 等 自适应编码 常与自适应调制结合 可变扩频增益 w e d a m 、c d m a 2 0 0 0 自适应发射天线分 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 集 表1 1 常见物理层自适应技术分类与具体应用 在后三代( b e y o n d3 0 ) 移动通信系统中，自适应技术也扮演着重要角色。在w c d m a 的增强 型技术h s d p a 中，包括自适应调制编码( a m c ) 和快速混合重传( h a p , q ) 在内的链路自适应技 术即为其关键技术之一嘿而在w i m a x 系统中，也采用了自适应调制编码和快速混合重传技术， 以此来提高传输速率和接收差错性能嘲。 1 2 1 自适应技术原理 一般来说，自适应技术的实现包含下面三个步骤f 5 9 。0 】： 1 1 对变化情况的测量、估计或预测 对变化情况的测量、估计或预测是自适应技术的前提。对于链路自适应，由信道状态信息( c s i ) 提供的无线信道的信息是进行链路自适应的主要依据，根据采用自适应技术的不同，信道估计需要 确定合适的物理量。 目前广泛采用的用于表征信道状态信息的参数，有在物理层可以得到的信噪比( s n r ) 、信干 噪比( s i n r ) 及其高阶概率特性或信道传递函数、在链路层从循环冗余校验( c r c ) 信息中得到的 误包率( p e r ) 。有时也可以利用统计得到的系统接收误比特率( b e r ) 。 在实际应用中，一般可以采用信道传递函数和信噪比作为短时的信道状态估计，而用误比特率 和误包率作为长时的估计。 2 1 自适应算法选择参数 自适应算法对参数的选择是链路自适应技术的核心。选择最佳的参数，一般是在限定条件下目 标函数的最优化问题。除了系统性能外，算法的计算复杂度也是实际系统中必须考虑的问题。因为 在无线系统中，可能信道变化比较快，因此必须保证算法的快速实现。 3 1 所使用参数的信令传输 最后，如果参数的变化对通信系统的其他部分有影响，就必须将变化信息通过信令方式传递给 相应的部分。一般这可以通过一个专用的信令信道实现。近来，也有人提出了用盲检测的方法，由 接收端自动检侧发送端的发送模式。 4 第一章绪论 在无线通信中，信令传输通常可以分为三种方式1 5 , 9 1 ： 开环方式：接收端将对变化情况的测量、估计或预测结果通知发送端，或者在t d d 方式下利用 互易性，发送端直接得到变化情况，然后发送端据此选择参数，并通过信令信道通知接收端 闭环方式：接收端根据接收情况对变化情况进行测量、估计或预测，并选定参数，然后通过信 令通知发送端。 盲检测：没有信令传送，发送端根据自己接收的情况选择参数，接收端盲检测传输参数。 在进行实际自适应系统的实际时，应根据系统上下行信道的特点和信道的状况来选择台适的方 式对变化情况进行测量、估计或预测，据此进行系统参数的选择，通过将反映系统参数的信令信息 传递给接收方的其他单元，来协调发送方和接收方以实现接收性能的优化。 当前，国内外学者对链路自适应技术主要集中于以下几方面： 1 ) 单输入单输出( s i s o ) 系统中。依据系统信噪比( s n r ) 或误包率( p e r ，p a c k e te l f o rr a t e ) 信息或者混合信噪比和误包率的信息进行的自适应调制、自适应调制编码等链路自适应差错控制算 法的研究和系统性能的优化| 1 1 , 1 2 】： 2 ) 在单用户系统中，把数据链路层的自动请求重发( a r q ) 与物理层中的自适应调制编码( a m c ) 相结合，进行的链路自适应研究1 1 3 1 4 1 ： 3 ) 在多输入多输出( m i m o ) 系统中，基于完全或部分信道信息，进行的自适应功率分配、自 适应调制、自适应调制编码等自适应算法的研究1 1 5 ，。 本文所研究的o f d m 系统中的自适应功率分配与自适应调制属于1 ) 中所研究的依据系统信噪 比( s n r ) 信息而进行的物理层自适应技术。 根据自适应的跟踪时间间隔的相对长度可以把自适应技术又分为两大类：慢自适应技术与快自 适应技术。其中，慢自适应技术主要是指根据整个系统的信道平均信噪比、系统平均吞吐量等信息， 在数据链路层及数据链路层以上层，对系统的参数和采用的技术进行选择，这类自适应技术通常认 为是属于自适应资源管理和分配技术。快自适应技术是指针对每个用户( 或业务) ，根据实时的信道 状态信息。为用户选择合适的发送接收技术或参数。这类技术的实现主要在物理层进行，属于物理 层自适应技术。本文讨论的自适应功率分配和自适应调制技术算法的实现和仿真主要在物理层进行， 均属于物理层快自适应技术。 1 3 论文研究内容和章节安排 论文正文分为七章，各章节标题和主要内容安排如下： 第二章o f d m 技术与无线信道简介 第三章o f d m 系统自适应功率分配的原理与实现 本章主要阐述了o f d m 自适应系统下的自适应功率分配的原理，给出了最小比特错误概率目标 下的单媚户o f d m 系统最优和次最优的自适应功率分配算法，对次最优算法进行了仿真实现，对其 性能进行了分析；简要分析了信道估计精度对自适应功率分配的影响。 5 东南大学硕士论文 第四章o f d m 单用户自适应调制 本章与第五章是全文的重点。在本章中，首先分析了自适应调制的原理和影响自适应调制的因 素，给出了几种经典的自适应调制算法，对恒定传输速率下的算法性能进行了分析，分析了加入自 适应调制后单用户o f d m 系统的接收性能的提高。接下来，对几种可变传输速率的自适应调制方案 也进行了说明。此外，还分析了自适应调整时长和子载波分组长度对自适应调制性能的影响。 第五章o f d m 多用户自适应调制 本章在第四章的基础上，针对多用户o f d m 系统，介绍了常用的多用户自适应子载波分配算法； 分析比较了采用多用户自适应子载波分配与固定调制接入方式相比带来的性能提升：分析了自适应 子载波与比特分配带来的性能的提高。 第六章基于i e e e8 0 2 1 6 e 的自适应调制与子载波分配 本章首先简要介绍了w i m a x 与i e e e8 0 2 1 6 e 的发展与技术特点，随后，结合第四章和第五章的 论述，分析了依据i e e e8 0 2 1 6 e 协议o f d m a 章节的下行链路仿真中所进行的单用户的自适应调制 的算法实现，并对多用户下系统采用自适应子载波分配带来的性能提升进行了分析。 第七章结束语 对全文进行总结，并分析了进一步研究的内容与方向。 除个别绘图外，论文所有程序仿真在v i s u a lc + + 上由c 语言写成。 1 4 本章小结 本章首先回顾了移动通信的发展历程，对未来移动通信系统实现的目标和可能采用的关键技术 进行了简要介绍。随后，介绍了自适应技术的概念、基本原理，以及实现步骤。最后，给出了本文 章节安排和主要研究内容。 6 第二章o f d m 技术与无线信道简介 第二章o f d m 技术与无线信道简介 2 1o f d m 技术简介 2 1 1o f d m 技术的发展与优缺点 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 ) 即正交频分复用是一种可以有效 对抗i s i 的高速传输技术，自2 0 世纪6 0 年代以来，已应用在包括非对称数字用户环路 ( a d s l ) 、无线本地环路( w l l ) 、数字音频广播( d a b ) 、高清晰数字电视( h d t v ) 、 无线局域网( w l a n ) 等系统中。随着数字信号处理技术和集成电路技术的发展，o f d m 技术在无线通信领域得到了更广泛的应用。在i e e e8 0 2 1 1 和i e e e8 0 2 1 6 协议簇中，o f d m 技术作为物理层关键技术得n t 进一步的推广。在当前在进行的b 3 g 和4 g 移动通信研究 中，普遍认为，o f d m 将是必不可少的关键技术之一。 o f d m 技术的主要优点有 】： 1 ) 支持高速数据传输。 通过把高速率的数据流进行串并转换至多个正交子载波上，使数据符号持续时间相对增 j 加，能够有效减少由于无线信道的时间展开而带来的i s i 仅仅通过插入循环前缀的方法就 能消除i s i 的不利影响，大大减少接收端均衡的复杂度。 2 ) 较高的频带利用率 在o f d m 系统中，各个子信道的载波问相互正交，它们的频谱相互重叠。这样不但可 以减少子载波问的相互干扰，也提高了频谱利用率，节省了带宽资源。 3 1 支持非对称的无线数据业务 通常，无线数据业务一般存在非对称性，下行链路中的数据传输量通常大于上行链路中 的数据传输量，这种不对称性的实现需要物理层的支持。o f d m 系统可以通过使用不同数 量的子信道实现。 4 1 可以采用快速离散傅立叶变换 通过采用易于实现的快速离散傅立叶变换和傅立叶反变换，可以减低系统实际实现的复 杂度，同时快速地实现调制与解调等操作。 5 ) 易于与其他接入方式和技术相结合 一方面o f d m 易于和其他接入方式结合，构成o f d m a 系统。其中常见的有多载波码 分多址m c - c d m a 、跳频o f d m 及o f d m - t d m a 等。此外，o f d m 技术还易于结合空时 编码、分集、智能天线以及各种自适应技术，大大地提高物理层信息传输的可靠性。 o f d m 在具有以上多个优点的同时，也存在着以下缺点： 7 东南大学硕士论文 1 ) 较高的峰值平均功率比 由于在o f d m 系统的发送端，系统的输出是多个子信道的信号的叠加，当在某些情况 下，多个子信道信号的相位趋于一致时，会使得到的叠加信号的瞬时功率远远大于信号的平 均功率的情况，从而导致较大的峰值平均功率比( p a p r ) 。当其幅度超过发送端功放线性 度的允许范围，产生非线性的畸变。这会导致子信道间的正交性被破坏，造成系统性能的恶 化。 2 1 易受定时和频率偏差的影响 由于无线信道的时变性，在传输中出现的无线信号频谱偏移和发射机与接收机本地振荡 器之间不可避免地存在频率偏差。这会破坏o f d m 系统子载波间的正交性，导致子载波间 干扰( i c i ) 的出现。如何消除子载波问干扰对系统性能的影响，成为o f d m 系统要解决的 一个重要问题。此外，尽管多数情况下，定时误差可能造成的i s i 可以通过添加循环前缀( c p ) 来消除，但循环前缀引入的同时会不可避免地带来功率和信息速率的损失。 2 1 2o f d m 技术原理与简析 2 1 2 1o f d m 技术原理【1 力 传统的通信系统中，数据传输通常是串行传输，每个数据符号的频谱占据整个系统频带。 基于o f d m 技术的o f d m 系统是一种并行的传输系统，它将串行传输的高速数据流变成了 若干个并行的低速数据流，然后将这些低速的数据流调制到等频率间隔的一组相互重叠但又 正交的子载波上，在大大提高系统频带利用率的同时，还可以有效地减少子载波间的相互干 扰。图2 1 比较了o f d m 系统频带分布与传统频率分割的的频带分布。 需要说明的是，o f d m 系统中“子载波”的概念并不是指简单的一个频点的正弦波信 号，它对应的是o f d m 系统中占据一定带宽的子频带。子载波的概念的引入只是为了更好 地表述o f d m 系统频带频带相互重叠且正交的频谱特性，也为了对系统更好地进行数学描 述。 八八八八八八八八频三 传统的f d m 系统载波分布 7 勺气嗍节省了信道带宽- 频三 o f d m 系统的子载波分布 图2 - 1 0 f d m 系统频带分布与传统频率分割的的频带分布比较 无线通信中的o f d m 系统的基本结构框图( 忽略信道编解码和交织解交织模块) 如图 第二章o f d m 技术与无线信道简介 2 - 2 所示。在发送端，信源输出的二进制序列采用合适的调制方式映射到各个调制符号上。 经调制器得到的调制序列经过串并转换，过i d f t 单元后，被变换到o f d m 系统的各个子 载波之上，添加用来减少i s i 的循环前缀，再通过发送滤波器，发射到无线信道中。在接收 端，首先对接收到的信号进行接收滤波，然后在同步信号的配合下，确定o f d m 符号的起 始位置。去除c p 后，对接收信号进行d f t 以恢复数据当i s i 的影响无法真正消除时，需 要在信道估计提供的信息下，进行信道均衡，最后，将处理后的信号通过基带解调，恢复出 发送的二进制信息序列。 在前文已提及，o f d m 系统缺点之一是易受定时偏差( 和频率偏差) 的影响。在o f d m 系统同步的好坏，影响着系统的整体性能。系统的同步主要存在以下三个方面要求”5 j ： 载波同步，接收端的振荡频率要与发送端的同频同相： 符号同步：i d f t 和d f t 起止时刻一致。 样值同步：接收端和发送端的抽样频率一致。 通常情况下，在接收端的接收滤波器之后，可以利用帧结构中的前导( p r e a m b l e ) 结合 o f d m 符号的循环前缀，来完成上述三方面的同步。在本文接下来的分析中，除非特别说 图2 - 2o f d m 系统基本结构框图 在图2 - 2 中，发送端和接收端的数据到子载波上的转换通过离散傅立叶反变换和离散傅 立叶变换( i d f t d f t ) 完成。在实际应用中，通常利用快速离散傅立叶反变换和快速离散 傅立叶变换( i f f t f f t ) 来代替1 d f t d f t 。下图2 3 给出了采用i f f 聊f t ，且假设系统具 有理想同步。且通过添加足够长的c p 将i s ! 完全消除，及采用梳状导频模式来进行信道估 计的o f d m 系统基带系统示意1 2 q ，利用图2 - 3 给出o f d m 系统的基带信号数学描述，同时 对o f d m 系统的信道估计和符号问干扰( i s i ) 及载波间干扰( i c i ) 进行简要的说明。 9 东南大学硕士论文 2 1 。2 2o f d m 系统基带信号数学描述 图2 3 基于n 叮变换的o f d m 基帝系统框图 如图2 - 3 所示， 彳( 七) 为插入导频后的调制数据序列，0 - k s m 一1 ，m 为进行f f r 的子载波数目。x 4 x ( k ) 进行i f f t 之后的数据序列 x ( h ) ) 可以表示为： x o ) ：d f r ( x ( k ) ) = z ( t ) r 一2 “，n = o 1 ，。一1 ( 2 1 ) 插入循环前缀后的信号魄( ) ) 可咀表示为： 咄忙潞棚x n 刎= - n s , - ”n s + 。1 ， 其中，。为循环前缀的采样点数目。之后，信号经过数模转换与低通滤波，经过多径 信道( 设为频率选择性慢衰落信道) ，在接收端被接收。经过接收端的模数转换和低通滤波 后，接收信号 儿( ”) 可以表示为： y g ( h ) = ( n ) o ( n ) + w ( n ) ( 2 3 ) 其中， ( n ) 是信道冲激响应，而呱h ) 为加性白高斯噪声，根据论文 2 0 l ，h ( n ) 可以写 成下面的形式： ( 月) ：, - i p 1 2 崛7 毒j ( 五一t ) ，n ：o ，l ，m l ( 24 ) 其中。r 为可分辨的多径数目，啊为第i 径的复数脉冲响应，厶是第i 条径上的多普勒 频移，而r f 是第i 条径上的经采样时间归一后得到的径的相对延时的长度。( y ( ) 为对 0 第二章o f d m 技术与无线信道简介 躲( ) ) 去除循环前缀后的序列经过d f t 之后得到的 】，( 七) 可以表示为： y ( t ) ；d f t c y ( h ) ) = i 1 一y ( n ) e 2 “7 以， = o 1 ，m 一1 ( 2 5 ) t b = 0 当循环前缀长于信道冲激响应的长度时，在o f d m 符号问的i s i 将被消除， y ( k ) ) 也 可以表示成下面的形式： y ( 女) = x ( k ) 日( t ) + ，职) + ( i ) ，k = 0 , l ，m 一1 ( 2 6 ) 鼎础m = r - i 嘶7 专蓦笋e 1 警为信道频域传递溅硼蝴系统 的子载波闻干扰( i c i ) ，且有： m 1 刍 - 1n