（通信与信息系统专业论文）信道预测及其在自适应ofdm系统中的应用.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 信道预测及其在自适应0 f d m 系统中的应用 信道预测及其在自适应o f d m 系统中的应用 嫡要 用户对无线通信的速率和服务质量提出了越来越高的要求，但 是频谱资源的匮乏制约了无线通信的进一步发展；此外，无线信道 的多径传播特性和时变性会对传输的信号带来非常严重的损伤。如 何提前准确地了解信道状态的变化，从而能在系统中采用自适应调 制技术动态地调整发射信号的调制方式，进而能够大大提高无线通 信系统的频谱效率和可靠性，已经引起人们越来越多的关注。本论 文研究了自适应调制技术及信道预测技术的基本原理、实现方法和 应用。 了解无线信道是对信道进行预测及采用自适应调制技术的基 础。论文首先介绍了无线信道传输特性，分别给出了连续时间信道 模型及离散时间信道模型；并讨论了给出信道模型输入输出之间的 关系、信道模型的统计特性以及信道参数，为信道预测理论提供了 信道的时域以及频域的相关特性。 正交频分复用( o f d m ) 是一种有效克服频率选择性衰落的技 术。o f d m 系统中的自适应调制，也可称为比特分配，就是在不同 子载波上使用不同的调制方式，从而实现频域和时域两维的链路自 适应。论文分析了实际实现中需要考虑的因素，包括频率分组、时 间长度、信道状态信息( c s i ) 估计误差和反馈时延等。仿真结果证 明，如果能获得及时有效的信道状态信息( c s i ) ，自适应调制 o f d m 可以有效提高0 f d m 系统的性能。 信道预测技术可以为自适应调制提供准确及时信道状态信息 ( c s i ) ，克服传统系统中信道估计只能得到当前信道状态信息，在 经历系统处理和反馈时延后对自适应调制系统性能的损伤。论文首 先给出了基于m m s e 准则的线性信道预测算法，由于在实际系统中 无法实时计算信道相关参数的逆矩阵，进步提出降低复杂度的 m m s e 线性信道预测算法。此外还结合自适应调制o f d m 系统的特 点，提出了基于导频信号的线性预测算法。从仿真结果中可以看 出，将自适应调制技术与信道预测技术相结合，可以得到较好的性 能。 北京邮电大学硕士学位论文信道预测及其在自适应o f d m 系统中的应用 关键词：无线通信信道建模自适应调制正交频分复用比特 分配信道预测m m s e 准则导频符号 j ! 蔓墼皇奎兰堡圭堂堡垒塞 堡堕堡型墨基垄鱼重璺业坚墨垫生竺查旦 r e s e a r c h e so nc h a n n e lp r e d i c t i o ni n a d a p t a t i v eo f d m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a b s t r a c t t h ed e m a n df o r h i g h e r d a t ar a t ea n dh i g h e r q u a l i t y i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s h a ss e e nu n p r e c e d e n t e dg r o w t h h o w e v e r , o n eo f t h em o s tl i m i t i n gf a c t o r si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si st h es c a r c i t yo f s p e c t r u m i na d d i t i o n ，t h em u l t i - p a t hp r o p a g a t i o n a n dt i m ev a r i a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e lb r i n gs o m ei m p a i r m e n tt ot h es i g n a l s t r a n s m i t t e do v e ri t t om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，w eh a v et ou t i l i z et h e r e s o u r c e so nt h ec h a n n e le f f e c t i v e l y i tm ，e a n st h et r a n s m i s s i o nm u s tb e a d a p t e d t ot h ec h a n n e la ta n yt i m ei n s t a n t sb yt r a n s m i t t i n gal o wn u m b e r o fb i t sw h e nt h ec h a n n e li sb a da n dg r a d u a l l yi n c r e a s i n gt h er a t ea st h e c h a n n e l q u a l i t y b e c o m e sb e t t e r , h o wt o g e t t h ev a l i dc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o ni nt i m eh a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，w i t h t h e a c c u r a t ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni tc a i lu t i l i z et h ea d a p t i v em o d u l a t i o n t oa d j u s tt h em o d u l a t i o nm o d e t h e a d a p t i v em o d u l a t i o n c a n d r a m a t i c a l l y i n c r e a s et h es p e c t r a le f f i c i e n c ya n di m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m e i s s u e s ， p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o n so fa d a p t i v em o d u l a t i o n a n dc h a n n e lp r e d i c t i o n i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa r ed i s c u s s e d t h ec o r r e l n i o np r o p e r t i e so f t h ec h a n n e li nb o t ht i m ea n df r e q u e n c ya r et a k e ni n t oa c c o u n t ! ! 蔓坚皇查兰堡主兰壁堡壅堡望堡篓丝苎垄皇垩壁竺里坚墨竺! 塑生旦 k n o w l e d g e o fw i r e l e s sc h a n n e li sc r i t i c a lt op r e d i c tc h a n n e ls t a t ea n d a s s e s st h ep e r f o r m a n c eo fl i n ka d a p t a t i o n t h e r e f o r e ，w i r e l e s sc h a n n e l m o d e li s p r e s e n t e d a tf i r s t t h e c o n t i n u o u s t i m ec h a n n e lm o d e la n d d i s c r e t e - t i m ec h a n n e lm o d e la r ed i s c u s s e di nt h i s c h a p t e r , a n dw ea l s o a n a l y s et h ei n p u ta n do u t p u tr e l a t i o n s o ft h ec h a n n e lm o d e l ，a n dt h e c h a n n e ls t a t i s t i c sc h a r a c t e r i s t i ca n dc h a n n e lp a r a m e t e r s a r ea l s o m e n t i o n e dr e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c ho fw i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c g i v e sg u i d e t oc h a n n e l p r e d i c t i o na n d t h eu t i l i z a t i o no fc h a n n e ls p e c t r u m o f d mi so n eo ft h e k e yt e c h n i q u e s t o e f f e c t i v e l y o v e r c o m e 矗e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g a d a p t i v em o d u l a t i o ni nt h eo f d m s y s t e m ， s o m e t i m e sc a l l e db i tl o a d i n g ，i st oc h o o s ed i f f e r e n tm o d u l a t i o nm o d e i n e a c hs u b c a r r i e r , w h i c hr e a l i z e sl i n ka d a p t a t i o ni nb o t h 行e q u e n c y d o m a i n a n dt i m ed o m a i n i m p a c t so ft h ef a c t o r si n c l u d i n gf r e q u e n c yg r o u p ，t i m e i n t e r v a l ，c h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) e s t i m a t i o ne r r o r a n dc h a n n e l d e l a ya r ea n a l y z e d t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v et h ee f f i c i e n c yo f a m - o f d m ，a n di n d i c a t e t h a tc o m b i n i n ga d a p t i v em o d u l a t i o na n dc h a n n e l p r e d i c t i o n c a r t _ e n h a n c ep e r f o r m a n c e 氢】r t h e r c h a n n e l p r e d i c t i o nt e c h n o l o g y c a r lf o r e c a s tt h ea c c u r a t ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n t h ec o n v e n t i o n a ls y s t e mc h a n n e le s t i m a t ec a l lo n l yg e tt h e p r e s e n t c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，a n di t w i l lb eo u t d a t e dd u et o t h e p r a c t i c a lp r o c e s s i n g d e l a y a n df e e d b a c k d e l a y , a n d w i l l i m p a c t t h e p e r f o r m a n c eo f a d a p t i v em o d u l a t i o ns y s t e m w ep r o p o s et o u s ep 豁t 北京邮电大学硕+ 学位论文 信道预测及其肴：自适应o f d m 系统中的应用 c h a n n e lo b s e r v a t i o n so fc h a n n e lt op r e d i c tf u t u r ec s i ，i ta l s om e a n sl i n e a r p r e d i c t i o n a n d w ed e r i v et h e m i n i m u m - m e a n s q u a r e e r r o r ( m m s e ) c h a n n e lp r e d i c t i o nt h a tu t i l i z e st h et i m ea n d f r e q u e n c yd o m a i n c o r r e l a t i o n f u n c t i o no ft h e r a y l e i g hf a d i n g c h a n n e l a n dar e d u c e d c o m p l e x i t y m m s ec h a n n e lp r e d i c t i o na l g o r i t h mi sa l s od i s c u s s e d f u r t h e r m o r ew e r e s e a r c hal i n e a rp r e d i c t o rb a s e d0 np i l o ts y m b o l sw h i c ha r e 扛a n s m i a e d a t r e g u l a ri n t e r v a l t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tc o m b i n i n g c h a n n e l p r e d i c t i o n a n d a d a p t i v e m o d u l a t i o nw i l l g i v es i g n i f i c a n t p e r f o r m a n c eg a i n s k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，p h y s i c a lc h a n n e lm o d e l i n g ， a d a p t i v em o d u l a t i o n ，o r t h o g o n a l 台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 g ( o f d m ) ，b i tl o a d i n g ，c h a n n e lp r e d i c t i o n ，m m s ec r i t e r i a ，p i l o ts y m b o l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所 知除了文中特别加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，也不包含为获得北京邮电大学或其他教茸机构的学位或证书面使用过的材料。 与我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。 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： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校 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，允许学位论文被 查阅和借阅：学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期 日期 北京邮电夫学硕j 学位论文俯道预测及奠诒：自适应o f d m 系统中的应用 第一章引言 随着经济的发展，人们的社会活动日益频繁。在经济发达的国家，人们平 均有2 0 的时间处在运动状态。因此移动电话得到了很大发展，成为一个大规 模生产的行业。由于移动台得到广泛的应用，移动通信网与固定通信网二者的 有机结合，形成了比较完善的现代通信网。移动通信是在移动状态下的实时通 信，要完成运动物体之间的通信联系，只能通过无线通信这种传输手段。由于 移动通信会遇到各种恶劣的地形和天气，造成无线传输条件的恶劣性和多变 性，需要采用很多的相关技术加以解决，因此移动通信往往综合体现整个通信 技术的发展水平。 现代无线移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着 个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何 地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。 随着各式各样的无线和数据业务不断出现，无线资源如频谱变得越来越紧 缺，如何更高效地利用有限的通信资源成为无线通信新技术发展的焦点所在。 近年来，链路自适应技术由于能有效地提高频谱效率，被视为未来无线移动通 信系统的关键技术之一。本论文主要研究链路自适应技术及信道预测的相关问 题。 本章首先介绍了现代无线移动通信的发展状况，然后讨论链路自适应技术 及信道预测技术的主要特征和目前的研究进展，最后介绍了本论文的结构和内 容。 1 1 无线移动通信发展现状 移动通信可以说从无线电发明之日就产生了。人类采用无线方式进行通信 的历史可以追溯到十九世纪末。1 8 6 4 年，荚国物理学家麦克斯维( j c m a x w e l l ) 创造性地总结了人们已有的电磁学知识，预言了电磁波的存在。1 8 8 7 年，德国物理学家赫兹( h r h e r t z ) 用实验产生出电磁波，证明了麦克斯维 的预言。1 8 9 7 年。意大利科学家马可尼( gm 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。1 9 0 1 年，马可尼实现了从英国到纽芬兰的跨大西洋无线 电信号接收，这是一次超过2 7 0 0 公里的远距离通信，充分显示了无线通信的巨 大发展潜力。在随后的一个多世纪的时间里，伴随着计算机技术和大规模集成 北京邮电大学硕士学位论文 信道预测及其在自适应o f d m 系统中的应用 电路技术的发展，无线通信的理论和技术不断取得进步，今天的移动通信技术 已成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式。 早期的无线通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域，用户 数量很少。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统 ( a m p s ) ，建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同 时，其它发达国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。这阶段的特点是蜂 窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展 的原因，除了用户要求迅速增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所 提供的条件。首先，微电子技术在这时期得到迅速发展，使得通信设备能够 实现小型化、微型化。其次，提出并且形成了移动通信新体制，即贝尔实验室 在7 0 年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频率再 用，大大提高了系统容量。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展二出现 的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管 理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的移动通信系统般被当做是第一 代移动通信系统。到2 0 世纪9 0 年代，移动通信己经由第一代模拟语音移动通 信系统演变到第二代数字移动通信系统( 2 g ) 。由于通信技术的发展及用户需求 的不断增长，许多新的业务正逐渐进入移动通信领域，它要求无线通信网络不 仅能提供话音业务，还要能提供多种数据业务及各种多媒体服务。针对这些需 求，国际电联( i t u ) 提出了第三代移动通信系统的概念，各国也加强了第三 代移动通信系统的研究和标准化工作。第三代移动通信系统简称为3 g ，它可以 提供比2 g 更大的系统容量、更好的通信质量、实现在全球范围内的无缝漫 游。 第三代系统是一个综合系统它包括：海、陆、空全球三维服务；i s d n 和多 媒体等多种业务；地面通信系统和卫星通信系统；几十米的微小区和几百公里的卫 星小区；多种空中接口和接入方式：向高速和低速移动用户提供服务。这是一个高 度智能、全球覆盖、具有个人服务特色的移动通信网，而具有个人服务特色是 第三代移动通信系统的本质特征。上世纪九十年代以来，欧洲、日本、韩国、 美国、中国等国家和地区对第三代移动通信系统的研究开发都制定了相应的策 略和计划，积极地进行研制，并向国际电联( i t u ) 提交了有关的文件，i t u 也为 第三代系统标准积极运作，这些多样化的第三代系统设计来源于通信界世界性 的竞争。经过几年的技术评估、研究分析和大量的协调和融合的工作，在1 9 9 9 年底通过了i m t 2 0 0 0 的无线接口技术规范，这标志着第三代移动通信技术的格 局已最终确定，分为c d m a 和t d m a 两大类，共五种无线传输技术： i m t 2 0 0 0 c d m a d s ( 又称u t r a f d d 或c d m a ) 2 i m t 一2 0 0 0c d m a m c ( 包括c d m a 2 0 0 01 x 和3 x ) m r 一2 0 0 0c d m a t d d ( 包括t d s c d m a 和u t r at d d ) i m t 2 0 0 0t d m a s c ( 即e w c l 3 6 ) i m t 一2 0 0 0t d m am c ( 即d e c t ) 其中前三种为c d m a 的主流技术。后两种为t d m a 的主流技术。 到目前为止，3 g 标准格局己经基本形成。但是由于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，所以普遍认为第三代系统仅仅 是一个从窄代向未来移动通信系统过渡的阶段。面对宽带业务需求的不断增 长，无线传输作为个人通信的重要手段，其矛盾显得十分突出，尽管第三代移 动通信系统( 3 g ) 能提供m b p s 量级的传输速率，但与宽带业务的发展需求相 比还相差甚远，远远不能满足未来个人通信的要求。更为重要的是没有一个统 一的体制，而这又正是国际电联当初提出3 g 概念时的一个主要目标。于是人 们开始研究和展望后三代( b e y o n d3 g ) 或者第四代( 4 g ) 移动通信，以提供 更有效的多种业务。4 g 与3 g 相比，将在技术和应用上有质的飞跃。目前兼容 移动通信技术的第四代移动通信标准正在业界萌动。国际电信联盟i t u 于2 0 0 0 年1 0 胃发起成立了b e y o n di m t - 2 0 0 0 工作组，旨在统一全球移动通信标准。 2 0 0 1 年1 0 月的i h - rw p 8 f 会议上，初步明确了b e y o n di m t - 2 0 0 0 研究的基本 框架：b e y o n di m t - 2 0 0 0 是指广泛应用于各种电信环境的无线系统的总和，包 括蜂窝、固定无线接入、游牧( n o m a d i c ) 接入系统等，它涵盖了已有的i m t - 2 0 0 0 、无线接入、数字广播等系统，并将新增两个部分，即支持约1 0 0 m b p s 的 蜂窝系统和支持高达1 g b p s 以上速率的游牧本地无线接入系统等f 2 一1 2 】。根据 i t u 给出的时间表，2 0 0 2 年6 月完成总体目标和远景，2 0 0 7 年进行频谱规划， 2 0 1 0 年左右完成全球统一的标准化工作，2 0 1 2 年左右开始投入商用。 目前4 g 已经成为国际性的研究热点。从世界范围内来看，欧洲和日本在 4 g 研究中处于领先地位。 第四彳弋移动通信系统在业务上、功能上、频带上都将不周于第三移动通信 系统，作为第四代移动通信技术，其主要的要求是： 1 ) 数据率要超过u m t s ，即从2 m b s 提高到1 0 0 m b s ，移动速度要求从步 行到车速。 2 ) 满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数 据和高分辨率多媒体服务的需要。宽带无线局域l 碉( w l a n ) 应能与b i s d n 和 a t m 兼容，实现宽带多媒体通信，并形成综合宽带通信n ( i b c n ) 。 3 ) 对全速移动用户能提供1 5 0 m b s 的高蔟量的影音服务。 未来的4 g 通信系统将突破传统的蜂窝网的概念，它不仅包含蜂窝网，还将 3 北京邮电大学硕士学位论文信道预捌及其在自适应o f d m 系统中的应用 涵盖无线城域网、无线局域网、无线个人域网、卫星、广播等多种无线技术， 并根据各种接入技术的特点，构建分层的无缝隙全覆盖整合系统，形成“通用 无线电环境”，并实现各系统之间的互通。 从传统蜂窝通信网的角度来看，第1 代至第4 代蜂窝通信网的演进可以由 表1 1 给出 1 3 】。 表l - 1 蜂窝通信网的演进 l g2 g3 g4 g 模拟数字数字数字 无线接入t d m a 宽带d s 基于o f d m 和 技术f d m a窄带d s c d m ac d m a c d m a 电路交换和分 核心网电路交换电路交换完全基于i p 组交换 语音语音语音、，b i p 主要业务 文本、图片、宽带移动互联 文本 低码率视频等 网 为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度。在下一代的无线通 信中必须采用频谱效率更高，抗多径干扰能力更强的新型传输技术。其中的关 键技术包括： ( 1 ) o f d m 多载波技术 1 4 2 0 1 c d m a 由于具有扩频增益、软容量、频率复用简单等优点，成为3 g 的核 心技术。但是对于4 g 的高速数据速率，如果采用单载波传输，码间干扰将十 分严重，需要复杂的均衡器。而o f d m 由于具有频谱利用率高( 子载波正 交) 、抗频率选择性衰落能力强( 一般只需要在每个子载波上使用单抽头均衡 器) 、实现简单( 可以使用f f t ) 、对抗窄带干扰( 窄带干扰只影响部分子载 波) 、易于实现予载波间的自适应比特、功率分配、支持多种多址方式 ( o f d m a 、o f d m t d m a 、o f d m c d m a 、o f d m f h 等) 等优点，已经被 视为是4 g 系统空中接口最有可能采用的技术。虽然，o f d m 已经在很多宽带 数据传输系统中采用，包括x d s l 、d a b d v b 、无线局域网i e e e8 0 2 1 1 “g 和 h i p e r l a n 2 、无线城域网i e e e8 0 2 1 6 a 等，但是将它用于移动通信的复杂环 境，还有一些问题需要解决，包括同步、频偏、峰均比等。 ( 2 ) m i m o 多天线技术【2 1 - 2 6 4 北京邮电大学硕士学位论文 信道预测及其在自适应o f d m 系统中的应用 m i m o 技术是指在发送端和接收端都采用多根天线的技术。从信息论角度 已经证明，在多天线系统中，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，因此可以大幅度的提高无线系统的频谱效率。实际中，多 天线技术可以有多种用途，主要包括：a ) 空间复用，多个数据流并行传输，使 用相同的带宽，可以提高数据传输速率，如v - b l a s t 系统；b ) 分集，空间维 是分集技术中很重要的一维，尤其是空时码技术：c ) 天线增益，利用波束成形 提高接收端的信噪比：d ) 干扰消除，利用目标信号和干扰信号的不同空间特征 来降低、消除干扰。 ( 3 ) 新型信道编译码 2 7 2 9 1 数据业务对可靠性提出了更高的要求，t u r b o 码和l d p c 码在理论上接近仙 农极限，具有很好的性能，是4 g 系统中最有希望采用的两种编码。 ( 4 ) 链路自适应技术 3 0 3 4 1 无线通信有别于有线通信很重要的一点，就是无线信道的动态性。这主要 是指信道传播的开放性和信道参量变化的时变性，引起信道的频率选择性衰落 和时变衰落。用户的移动也会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。此外，随着移动业务的丰富，用户多种应用，多 媒体流量的变化，不同用户的优先级等等，都具有变化性。上述三维动态特性 是无线通信的主要特色，这导致了系统设计的困难，如果采用固定技术，为了 保证可用性就只能按照信道性能较差情况和最低要求设计。这样在信道较好的 情况下对资源是一种很大的浪费，尤其是在无线通信中，频谱、功率等资源都 是相当宝贵的。 因此采用自适应的方法，根据信道、用户和业务的改变，在满足一定条件 下，改变系统中的某些参数，如发射功率、调制方式、符号速率、编码码率、 扩频系数、交织参数、天线加权系数等，达到系统的最优化，是无线通信系统 中提高频谱利用率的熏要手段。特别是在未来的4 g 系统，各种类型的无线业 务( 语音、数据和多媒体) 的广泛应用，需要无线容量和速率的进一步提高， 链路自适应必然是核心技术之一。 1 2 自适应技术的发展 自适应技术在6 0 年代末就已经被提出【3 5 】，但是在当时没有引起人们很大 的注意，主要的原因可能是硬件的限制，缺乏好的信道估计技术，研究的重点 还是点对点没有反馈的无线链路。直到2 0 世纪9 0 年代，随着技术的发展，这 些限制已经逐渐变得不重要，而同时对于频谱效率的要求也越来越高，因此自 适应技术重新成为研究的热点，并且取得了很多成果，在很多实际系统中得到 北京邮电大学硕士学位论文 信道预测及其在自适应o f d m 系统中的应用 应用。 表1 - 2 列出了目前移动通信中使用的主要自适应技术及其应用 3 6 】。 表1 2 自适应技术分类及其应用情况 类别技术名称实际应用系统 自适应自适应天线阵t d s c d m a 接收技 术 自适应均衡g s m 、i s 1 3 6 i s 9 5 、w c d m a 、 功率控制 c d m a 2 0 0 0 等 g p r s 、e d g e 、h s d p a 、 自适应 自适应调制c d m a 2 0 0 01 xe vd o d v 、 发送技 8 0 2 1l a 、h i p e r l a n 2 等 术 自适应编码同上( 两者一般结合使用) 可变扩频增益 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应发射天线分集 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应 无线资 动态信道分配 p h s 、d e c t 源管理 技术 无线自适应技术是一个比较宽泛的概念，可以认为涵蓣所有具有自适应特 性的无线技术。上表中的分类是根据其所在层面和主要功能给出的。其中自适 应发送技术也就是一般所称的链路自适应( l i n ka d a p t a t i o n ) 技术。链路自适应 技术主要可以分为功率控制和自适应调制两大类。 由于功率控制在c d m a 系统中起着举足轻重的作用 3 7 】，因此已经有了很 多深入的研究。此外，一般功率控制需要从系统角度考虑，而不只是单个链 路。因此目前一般都将功率控制从链路自适应中独立出来，而把链路自适应等 同于自适应调制技术。本论文也将采用这种观点，即在没有特别说明的情况 下，将链路自适应和自适应调制同时替换使用。 本论文主要研究其中的自适应调制技术，不涉及功率控制。 1 2 1 链路自适应技术在现有无线通信系统中的应用 首先来简单了解链路自适应技术在现有无线通信系统中的应用。 ( 1 ) g p r s 与e d g e 当然在自适应调制中也牵涉到功率分配但是这和功率控制是两个不同的概念 6 北京邮电大学硕士学位论文信遣预测及其在自适应o f d m 系统中的应用 g s m 在全球范围内取得了极大的成功，但是其数据速率只有9 6 k b s ，远远 不能满足人 对无线数据业务的需求。因此，作为g s m 向3 g 的过渡，g p r s 和e d g e 分别被称为2 5 g 和2 7 5 g 技术，它们的核心是提高数据传输速率，其 中链路自适应正是关键技术之一。g p r s 仍然采用g s m 的g m s k 调制方式， 面采用4 种编码方式( 码率分别为1 2 ，2 3 ，3 4 和1 ) 来适应不同的信道环境 f 3 8 。为了进一步提高速率，e d g e 中引入了新的调制方式8 p s k 3 9 。这样2 种调制方式( 8 p s k 和g m s k ) 与g p r s 中的4 种编码方式，可以构成8 种自适 应调制模式，其峰值速率在终端移动速度为1 0 0 k m h 是可以达到3 8 4 k b s ，而终 端移动速度为2 5 0 k m h 是可以达到1 0 0 k b s ，大大提高了原有系统的频谱利用 率。 ( 2 ) w c d m a h s d p a 与c d m a 2 0 0 0 i xe v d o d v 作为w c d m a 的增强模式，h s d p a 4 0 】的目的也是提高下行数据传输速 率。它定义了专门用于数据传输的d s c h ，其中采用的关键技术包括自适应调 制编码、混合a r q 、m i m o 、数据调度和快速小区搜索。其中的自适应调制编 码部分，定义了多种调制和编码方式的组合( m c s ) ，来提供不同的传输速 率，最高可达1 0 m b s 。其传输模式如表1 - 3 所示。 表1 - 3h s d p a 的传输模式 传输模式调制方式编码速率每扩频码传输速率 1 q p s k 1 ，4 1 2 0 k b p s 2 q p s k l 2 2 4 0 k b p s 3 q p s k 3 4 3 6 0 k b p s 4 1 6 q a m l 2 4 8 0 k b p s 5 1 6 q a m 3 4 7 2 0 k b p s 类似地，3 g p p 2 也在c d m a 2 0 0 0 的基础上提出了一种下行数据传输的增强 技术【4 1 】，通过链路自适应，最高可以在1 2 5 m h z 带宽内提供5 m b s 的速率。 ( 3 ) i e e e 8 0 2 1 l a 与h i p e r l a n 2 i e e e8 0 2 1l a 4 2 1 和h i p e r l a n 2 1 4 3 1 分别是i e e e 和e t s i 提出的无线局域 网标准，两者的物理层非常接近，只是在数据链路层和高层有所差别。 i e e e 8 0 2 1 l a 的物理层是o f d m 和链路自适应技术的结合，定义了8 种传输模 式，如表1 - 4 所示。需要注意的是，这里的链路自适应只是在时间域进行， o f d m 所有子载波上的条子方式和编码方式是同时变化的。 7 北京邮电大学硕士学位论文 信道预测及其在自适廊o f d m 系统中的应用 h i p e r l a n 2 定义了7 种传输模式，基本上和i e e e8 0 2 1 l a 的类似。 表i - 4i e e e8 0 2 1 l a 的传输模式 传输模式调制方式编码速率物理层传输速率 lb p s k1 2 6 m b p s 2b p s k3 4 9 m b p s 3 q p s k 1 2 1 2 m b p s 4 q p s k 3 4 1 8 m b p s 5 1 6 q a m 1 2 2 4 m b p s l f 6 1 6 q a m 3 4 3 6 m b p s i 7 6 4 q a m 2 3 4 8 m b p s f 8 6 4 q a m 3 “ 5 4 m b p s ( 4 ) i e e e8 0 2 1 6 a i e e e8 0 2 1 6 a 【4 4 】是i e e e 定义的无线城域网标准，也称为固定无线接入， 可以作为“最后一公里”技术。其定义了三种方式，即单载波、o f d m a 和 o f d m 。其中也采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m ( 可选) 三种调制方式，而编 码方式则采用级联r s 一卷积码或t u r b o 码( 可选) ，并有多种码率，构成多种 传输模式。 从上面的介绍可以看出，这些新出现的无线通信系统普遍都采用了自适应 编码调制技术来提高数据传输速率。因此，链路自适应技术作为一种非常有效 的提高频谱利用率的措施也将成为b e y o n d3 g 的关键技术之一。此外，也应该 看到，目前各系统中采用的自适应调制技术还比较简单，只是调制方式和编码 方式的组合，同时自适应仅在时间域上进行。进一步的研究，将把自适应调制 从时间域向频率域和空间域扩展，同时进一步与其他技术结合，联合设计优 化，从而更好地提高系统性能。 l 2 2 链路自适应技术的发展和信遘预测技术的研究现状 下面简单介绍关于自适应调制技术的发展及研究现状。 “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接近 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”，这是h a y e s 4 5 在1 9 6 8 8 北京邮电大学硕士学位论文信道预测及其在自适应o f d m 系统中的应用 年就提出的自适应准则，也是自适应技术的开端。 h a y e s 4 9 提出使用传输功率的自适应，面c a v e r s 4 6 提出根据接收信遒质量 采用变化的符号长度。变功率技术的缺点是它会提高平均发送功率要求和对其 他用户的共信道干扰( c c i ) ，同时要求使用线性程度高的a 类或a b 类功率 放大器，其功率效率比较低。而交符号速率则会引起带宽的变化，同时硬件实 现也比较复杂。 相比于上面两种方法，自适应调制是利用衰落的更简单有效的方法。s t e e l e 和w e b b 4 7 1 提出了基于星形q a m 的自适应调制技术。随着导频辅助调制 p s a m 技术的出现，o t s u k i 等f 4 8 】提出使用矩形q a m 星座作为可选的调制方 式。 斯坦福大学的g o l d s m i t h 教授及其领导的研究小组，对自适应调制有深入的 研究。根据对瑞利衰落信道的信道容量分析，g o l d s m i t h 4 9 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，并且得到了变功率a q a m 的吞 吐量性能的表达式。但是，他们也发现对于大多数类型的衰落信道来说，变功 率辅助自适应相比于恒定功率变速率方式所获得的额外流量是少量的。他们还 分析了n a k a g a m i 衰落信道中，平均功率受限条件下，三种功率和速率调制方案 的性能，自适应调制与接收分集相结合时所得到的仙农信道容量，分集技术可 以进一步提高信道容量 5 0 1 。此外，对自适应调制系统中自由度的分析得到， 利用自适应调制系统中一个或两个自由度，就可以十分接近利用所有自由度可 能达到的最大频谱效率 5 1 。 英国南安普顿大学的h a n z o 教授也在自适应调制技术的研究中取得了很大 的成就。t o r r a n c e 和h a n z o 5 2 提出了基于切换电平的自适应调制，用于获得较 高的每符号比特数，而保持目标平均误码率b e r 不变。他们的方法是基于个 对于在窄带瑞利信道中传输的特定的联合b p s b e r 代价函数，并采用p o w e l l 方法求出模式切换门限集合。c h o i 和h a n z of 5 3 1 进一步提出，在高信道s n r 的 条件下，降低模式切换门限，鼓励使用高阶调制方式，就可以获得更高的 b p s 。他们使用了拉各朗日乘子法，得到全局最优的切换门限。t a n g 5 4 进一步 提出，用智能学习的方法来适当修正自适应调制中的切换门限。 一般的自适应调制只是在时间域上进行，即由于信道时变，调制方式随时 间进行相应的变化。但是随着多载波o f d m 和多天线技术的使用，未来4 g 系 统有多个信号域，即o f d m 系统中的频率域和多天线系统中的空间域。因此 o f d m 系统和多天线系统中的自适应调制也是近来研究的热点。 k e l l e r 和h a n z o 【5 5 】提出了自适应多载波调制同时提出了以子带为单位进 行自适应调制的概念。另外有很多学者提出了将自适应调制用于o f d m 系统采 9 北京邮电大学硕士学位论文 信道臻涮厦其在自适应o f d m 秉统卒的应用 用的自适应算法【5 6 】。g