（电路与系统专业论文）ofdm系统中自适应比特和功率分配研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文中文摘要 摘要 无线通信已成为当今的一个研究热点。无线通信面临的最严峻的挑战就是无线信道的 多径衰落效应，并由此给通信系统带来了频率选择性衰落的影响。正交频分复用( o f d m ) 技术能将频率选择性信道转变为多个并行的频率非选择性信道，能有效消除频率选择性衰 落的影响。传统的o f d m 系统采用对每个子载波分配固定的比特和功率，但是o f d m 系 统中一些深度衰落的子载波严重降低了系统性能。而自适应技术能根据子载波的瞬时特性 动态地分配数据速率和传输功率，较好地优化了系统的资源，从而提高频谱利用率，改善 了系统的性能。 本文对自适应o f d m 系统中的算法展开了全面分析，针对目前存在的主要问题，追 求系统性能的同时，算法复杂度较高，实时性能差的特点。在贪婪注水算法的基础上提出 了一种自适应分配的快速算法，本文称为简化贪婪算法，并对性能进行综合的仿真分析， 对算法进一步的改进作了较为深入的探讨。 首先，介绍了无线信道特征、o f d m 系统和一些基本概念；其次，详细讨论了自适 应技术；再次，在介绍自适应分配原则的基础上，对目前自适应o f d m 系统中的各种算 法进行深入探讨，详细介绍了各种算法的实现以及对复杂度进行分析；最后，是本文的主 要研究成果。在前面介绍的相关知识的基础上，对贪婪注水算法进行改进，提出了简化贪 婪算法，并对该算法性能进行仿真分析。仿真结果表明，简化贪婪算法的性能明显优于传 统的分配算法。接着在分组自适应算法和增大步长自适应算法的基础上对简化贪婪算法的 复杂度进一步改进，并进行性能的仿真分析。最终将简化贪婪算法与其他算法进行性能比 较分析，仿真结果表明，简化贪婪算法具有较低的复杂度，以及较好的性能表现，可作为 o f d m 系统自适应比特和功率分配的实用算法。 关键词：正交频分复用；自适应算法；频率选择性；比特和功率分配 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h es t u d yf o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a sb e c o m eah o t s p o ta tp r e s e n t 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 sf a c et h em o s ts e v e r ec h a l l e n g e s ：f a d i n gd u et od e s t r u c t i v e a d d i t i o no fm u l t i p a t h st or e s u l ti nf r e q u e n c ys e l e c t i v i t yo fw i r e l e s sc h a n n e l s o r t h o g o n a l f 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 ) c o n v e r t saf r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e li n t os e v e r a l p a r a l l e lf r e q u e n c y n o n s e l e c t i v es u b - c h a n n e l sa n dt h u se l i m i n a t e st h ee f f e c tt h a tg i v e sr i s et o f r e q u e n c ys e l e c t i v i t y t h ef i x e da l l o c a t i o nm e t h o di so f t e nu s e dt oa l l o c a t eb i ta n dp o w e rt o e v e r ys u b c a r r i e ri nt r a d i t i o n a lo f d ms y s t e m s b u ts u b c a r r e e r sw h i c ha r ei nd e e pf a d i n gm a y d e g r a d et h eo f d ms y s t e m sp e r f o r m a n c es e v e r e l y w h i l ei na d a p t i v et e c h n o l o g y , d a t er a t ea n d t r a n s m i s s i o np o w e rc a nb ea l l o c a t e dd y n a m i c l y , a c c o r d i n gt ot h ei n s t a n t a n e o u sc h a r a c t e r i s t i c s o fs u b c a r r e e r s s ot h es y s t e mr e s o u r c ec a nb eo p t i m i z e ds u f f i c i e n t l y t h eu t i l i z a t i o no ft h e s p e c t r u mc a nb ee n h a n c e da n di tc a l la l s oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，t h ea l g o r i s mi na d a p t i v eo f d ms y s t e mi sa n a l y s i s e dc o m p l e t e l y t h em a i n p r o b l e mo fa d a p t i v eb i t a n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi st h eh i g hc o s to fc o m p u t a t i o n c o m p l e x i t ya n db a dr e a l t i m ep e r f o r m a n c ew h i l ep u r s u i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e af a s ta d a p t i v e b i ta n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c hi sb a s e do ng r e e d ya l g o r i t h ma n di ti s c a l l e ds i m p l eg r e e d ya l g o r i t h mh e r e a tt h es a n l et i m eas y n t h e s i ss i m u l a t i o no ft h es y s t e m p e r f o r m a n c ei sa n a l y s i s e da n dam u c hd e e pi m p r o v e m e n to ft h ea l g o r i t h mh a sb e e nf u r t h e r d e v e l o p e d t h ea l g o r i t h mi si n t r o d u c e di nd e t a i la n di t sc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yi ss t u d i e d f i r s t l y , t h eb a s i cc o n c e p t i o n s ，o f d ms y s t e m sa n d c h a r a c t e r so ft h ew i r e l e s sc h a n n e l sa r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h ea d a p t i v et e c h n o l o g yi sd i s c u s s e di nd e t a i l t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h ei n t r o d u c t i o no fa d a p t i v ea l l o c a t i o np r i n c i p l e ，s e v e r a lk i n d so fa l g o r i t h mi n a d a p t i v eo f d ms y s t e ma r ed e e ps t u d i e d f i n a l l y , i ti st h em a i ns t u d yr e s u l t b a s e do nt h e m e n t i o n e da b o v ea n di m p r o v e do nt h eg r e e d ya l g o r i t h m ，s i m p l eg r e e d ya l g o r i t h mi sp r o p o s e d as i m u l a t i o no ft h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y s i s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts i m p l e g r e e d ya l g o r i t h mo u t p e r f o r m st h et r a d i t i o n a lm e t h o ds i g n i f i c a n t l y c o m b i n i n gg r o u pa d a p t i v e a l g o r i t h ma n ds t e pa d a p t i v ea l g o r i t h m ，t h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yc a l lb ef u r t h e rr e d u c e d a t l a s ts i m p l eg r e e d ya l g o r i t h mi sc o m p a r e dw i t hs o m eo t h e ra l g o r i t h m sf o rp e r f o r m a n c ea n a l y s i s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts i m p l eg r e e d ya l g o r i t h mh a sl o w e rc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya n da i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文摘要 g o o dp e r f o r m a n c ei nt e r m so fb e rp e r f o r m a n c e s oi tc a l lb eu s e da sap r a c t i c a lb i ta n dp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h mi no f d ms y s t e m k e y w o r d s ：o f d m ，a d a p t i v ea l g o r i t h m ，f r e q u e n c ys e l e c t i v i t y , b i ta n dp o w e ra l l o c a t i o n i i i 南京邮电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 含为获得南京邮电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。 研究生签名：高查登主五日期：苎：里! 丝r 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：高丛盈 导师签毫：双1 ) 扩 日期：a p 分￥fr 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着时代的进步，通信对社会发展的推动作用愈来愈显著，为人类带来了巨大的财富。 人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。理想的通信目标是实现任何人在 任何地点，任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。显然，没有移动通信，这种愿望 是无法实现的。 现代移动通信是一门复杂的高新技术，集中了无线通信、有线通信、网络技术和计算 机技术的最新技术成就与研究成果。移动通信系统从模拟通信发展到数字移动通信阶段， 并朝着个人通信这一更高阶段发展，移动通信由于相关技术的更新和消费需求的刺激，正 以有史以来最快的速度发展。 1 1 移动通信的发展现状 移动通信越来越广泛地渗透到每个人的日常生活中，成为世界各国最主要的高新技术 支柱产业之一【l 】。人们对移动通信的各种需求与日俱增，也推动了移动通信的飞速发展。 从2 0 世纪8 0 年代中期第一代模拟移动通信系统商用开始至今，短短的十几年间经历了第 二代数字移动通信系统( 2 g ，2 n dg e n e r a t i o n ) 从萌芽到完善的整个发展过程，直至今天 人们对第三代移动通信系统( 3 g ，3 r d g e n e r a t i o n ) 的商用开发和对第四代( 4 g ，4 t h g e n e r a t i o n ) 的研究，足以证明移动通信的发展速度势不可挡。 第一代移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术，包括模 拟蜂窝和无绳电话系统。典型的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c 4 5 0 等。 模拟系统的缺点主要有频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，但由于模拟技术 十分成熟，因此在发展初期也得到了较为广泛的应用。 第二代数字蜂窝系统的接入技术主要有时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术和码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术两种，它可以提 供9 6 - 2 8 8 k b i t s 的传输速率。其典型系统如欧洲的全球移动通信系统g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l e ) 、北美的数字增强型系统i s 1 3 6 ( i n t e r i ms t a n d a r d1 3 6 ) 、c d m a o n e 、 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 ms t a n d a r d9 5 b ) 、日本的个人数字蜂窝 ( p d c ，p e r s o n a ld i g i t a lc e l l a r ) 系统等。 第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国提出的c d m a 2 0 0 0 、欧洲和日本提出 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 的w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和我国提出的t d s c d m a ( t i m e d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。它们除了频谱利用率高、覆盖范围 广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等共同特点外，还有自身的技术特点。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 ，m o b i l e a p p l i c a t i o np a r t ) ，同时通过网络扩展方式提供基于a n s i 4 1 ( a m e r i c a nn 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 ) 的核心网上运行的能力。c d m a2 0 0 0 的核心网是基于a n s i 一4 1 ，采用直接扩 频码分多址技术的无线接口，符合甚至超过了i t 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 u n i o n ) 的全部规范要求。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 用率很高，能够解决人口密度地区频率资源紧张的问题，并在互联网浏览等非对称移动数 据和视频点播等多媒体业务方面具有突出优势。 1 2 未来移动通信系统 目前，第三代移动通信系统正处于实际应用的快速发展，此同时，第四代移动通信系 统( 4 g ) 的概念和最新技术也在世界各国进行着广泛的研究2 1 。4 g 通信技术最明显的优 势在于通话质量及数据通信速度，它的最大数据传输速率将达到1 0 0 m b i t s ，这个速率是 目前移动电话数据传输速率的l 万倍，也是3 g 移动电话速率的5 0 倍，4 g 通信将给人类 带来真正的沟通自由。 目前正在研究中的4 g 通信具有以下特征： 通信速度更快：专家预估，第四代移动通信系统可以达到l o m b p s 至2 0 m b p s ，甚 至最高可以达到每秒高达1 0 0 m b p s 速度传输无线信息，这种速度将相当于目前移动 电话的传输速度的l 万倍左右。 网络频谱更宽：估计每个4 g 信道将占有1 0 0 m h z 的频谱，相当于w c d m a3 g 网路的2 0 倍。对全速移动用户能提供高质量的影像服务，将首次实现三维图像的高 质量传输。 通信更加灵活：未来的4 g 通信将使我们不仅可以随时随地通信，更可以双向下 载传递资料、图画、影像，进行学习和娱乐活动。还可以利用网上定位系统提供便利 和安全。 智能性能更高：第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在终端设备的设计和操 作具有智能化，更重要的是可以实现许多难以想象的功能。可以帮助人们获取信息、 分析信息、处理信息及利用信息。 2 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 实现更高质量的多媒体通信：未来的4 g 通信能在覆盖范围、通信质量、造价上支 持高速数据和高分辨率多媒体服务这是第三代移动通信系统还不能达到的性能指 标。4 g 提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等大量信息，为此未来 4 g 通信系统不仅要应对用户数的增加，更重要的是必须应对多媒体的传输和通信品 质的要求。 通信费用更加便宜：由于4 g 通信要解决与3 g 通信的兼容性问题，4 g 通信网络 系统的建设也将考虑直接在3 g 通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法进行， 这样就能够有效地降低运行者和用户的费用。研究人员认为，4 g 通信的无线即时连 接等某些服务费用将比3 g 通信更加便宜。 新一代移动通信的目标是要实现高速率和高质量的多媒体通信【i l 】，为了支持4 g 通信 中每秒高达一百兆比特的数据速率，系统必须具备较高的频谱利用率和足够的抗信道干扰 的能力，这就要求对系统的调制技术多加考虑。目前来讲，正交频分复用( 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 ) 技术是最被看好的一种调制技术，利用这种 技术已经实现了诸如无线区域环路( w l l ) 、数字音频广播( 蝎) 等方面的无线通信服 务。考虑到与3 g 通信的过渡性，c d m a 技术以及o f d m c d m a 整合技术也会在第四代 移动通信系统中使用。 。在日本，通信研究实验室( c r l ：c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 的研究项目有 在3 - 1 0 0 h z 超高频( s h f ) 频段上的移动通信系统，其每个信道的比特率最高达1 0 m b p s ， 并且在s h f 频段的室内高速w l a n 的目标比特率要达到1 5 5 m b p s 。另外，n r r d o c o m o 公司已经表示，4 g 通信的试验网络已经部署在公司的横须贺研发园内，该网络集结了试 验基站和移动终端，预计4 g 通信服务将于2 0 1 0 年推出，网络的下载速度可以达到 1 0 0 m b p s ，上载速度为2 0 m b p s 。 美国a t & t 公司推出的4 g 通信网络的试验，可以配合目前的e d g e 进行无线上传， 并通过0 f d m 技术达到快速下载的周的。美国a t & t 公司声称大约再有十年左右的时间， 4 g 才能真正投入到商用阶段。 在欧洲，针对下一代宽带多媒体通信系统有多个研发项目，例如，在欧洲高级通信技 术和业务( a c t s ：a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n ds e r v i c e s ) 项目中就包含了无 线a t m 网络演示系统( w a n d ：w i r e l e s sa t mn e t w o r kd e m o n s t r a t o r ) ，a t m 无线接入通 信系统( a w a c s ：a t mw i r e l e s sa c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，高级的移动宽带应用系 统( s a m b a ：s y s t 锄f o r m o b i l eb r o a d b a n d a p p l i c a t i o n s ) 和用于专门领域或住宅的多媒体 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 应用的无线宽带c p n l a n ( m e d i a n ) 。 在中国，由于移动通信的用户众多，所以需要很高的网络容量。同时，鉴于世界范围 内已将2 1 世纪第四代移动通信提上了议事日程，并且许多国家和地区已进行了近1 0 年的 研究。所以，中国在把主要精力放在发展3 g 的同时，应关注作为2 l 世纪新一代移动通 信重要组成部分的4 g 移动通信系统的开发与研究。 1 3 课题的背景及意义 无线信道环境下的信息传输面临着许多挑战，在无线通信中，信道的主要传播特征就 是时变多径。当发送信号的带宽大于信道的相干带宽时，信道的时间弥散性会造成明显的 频率选择性衰落，在时域表现为引入严重的i s i ，从而会大大降低接收机的性能。由于 o f d m 具有抗多径干扰，均衡简单和频谱利用率高等优点，o f d m 技术得到了广泛应用。 o f d m 是一种多载波调制技术，其核心是将信道分成若干个正交子信道，在每个子 信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带 宽小于信道的相关带宽，因此对每个子信道衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。另外， 由于在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样 不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交 调制和解调可以采用i f f t 和f f t 方法来实现。 无线通信的动态性主要是指信道传播的开放性和信道参数变化的时变性。如果采用固 定的技术，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。这样在较好的 情况下对资源是一种很大的浪费。因此采用白适应的方法，根据信道，用户和业务的改变， 在满足一定的条件下，改变系统中的某些参数，如发射功率，调制方式，天线加权系数等， 达到系统的优化，是无线通信系统中提高频谱利用率的重要手段。 将自适应技术应用到o f d m 系统中，提出了频率选择性信道下，基于发送功率最小 化系统方案的一种自适应比特功率分配算法。 1 4 本文的研究内容及论文安排 本论文考虑的是单用户在频率选择性慢衰落信道下信息的可靠传输，未考虑多用户干 扰。论文中考虑的信道是随机变化的准静态时变信道，即信道在一个符号传输块内不变， 但是在块与块之间，信道独立变化。并且，发射端和接收端都准确获知c s i 。 在两年多的时间里，围绕论文的题目一方面对资料进行查阅和调研，另一方面对相关 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 理论进行了深入的学习和研究，在加深对自适应技术和o f d m 理解的基础上运用所掌握 的数学工具和计算机工具本文做了如下工作： ( 1 ) 本文系统研究o f d m 系统中的自适应比特功率分配问题。 ( 2 ) 对目前比较常用的几种自适应算法进行了系统的总结、归纳和比较。 ( 3 ) 在贪婪注水算法的基础上提出一种新的自适应比特功率分配的快速算法，这种 新算法本文称为简化贪婪算法。 ( 4 ) 论文中详细叙述了简化贪婪算法的步骤，并在m a t l a b 软件平台上对采用简 化贪婪算法的自适应比特功率分配o f d m 系统和自适应比特功率分配o f d m 系统在不同 的调制方式下进行仿真。 ( 5 ) 简化贪婪算法针对已有的贪婪注水算法的主要缺点即算法复杂度较高、实时性 能差的特点进行改进，并结合分组自适应算法和增大步长自适应算法进一步降低算法复杂 度。仿真结果表明，简化贪婪算法具有较好的性能表现。 ( 6 ) 将简化贪婪算法与其他算法进行性能比较分析，根据仿真结果得出结论。 论文共分为六章，篇章结构安排如下： 第一章是绪论，主要介绍无线通信发展前景以及对自适应o f d m 系统的研究意义作 简要的介绍。 第二章介绍无线移动信道特征和一些基本概念，并对o f d m 系统原理、系统实现、 关键技术和优缺点进行探讨。 第三章研究了自适应技术的发展前景和分类，讨论了o f d m 系统中自适应技术理论 基础，自适应o f d m 系统目标以及自适应技术的实现。 第四章对目前比较常用的自适应比特功率分配算法进行了系统的归纳，比较深入地探 讨算法的实现以及分析研究算法复杂度。 第五章是本论文的最重要的章节。在前几章的理论基础之上，建立系统模型并确定仿 真参数。在贪婪注水算法的基础上提出了一种新的自适应分配的快速算法，并对该算法进 行性能仿真分析。接着在分组自适应算法和增大步长自适应算法的基础上对简化贪婪算法 的复杂度进一步改进，并进行性能的仿真分析。最终将简化贪婪算法与其他算法进行性能 比较分析。仿真结果表明，简化贪婪算法具有较低的复杂度，以及较好的性能表现，可作 为o f d m 系统自适应比特和功率分配的实用算法。 第六章对全文作了总结，并指出需要迸一步研究的方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章o f d m 系统中的自适应技术 第二章无线移动信道和o f d m 系统 2 1 无线衰落信道 与有线通信的信道相比，无线信道是较为复杂的一种【3 】。电波传播的主要方式有空间 波、折射波、散射波以及它们的合成波。如果再考虑到移动台本身的运动，那么移动台与 基站之间的无线信道是多变且难以控制的。一般说来，无线信道对信号的影响可分为三种： ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗，也被称作大尺度衰落。 ( 2 ) 由于传播环境的地形起伏，建筑物和其它障碍物对地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落， 也被称作阴影衰落。 ( 3 ) 无线电波在空间传播会发生反射、绕射、衍射等情况，因而信号可能会经过多条路 径到达接收端。由于每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，在接收端多个信号分量 叠加时会产生同相相增、反相相减的现象，这即是常见的多径衰落。 2 1 1 大尺度衰落 无线电波在自由空间内传播，其信号功率随着传播距离的增加而降低，这会对数据的 传输速率以及系统性能带来不利的影响。如果不采用其它特殊技术，则数据的传输速率以 及电波的传播范围都会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对 较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 2 1 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在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，这种现象被称作阴影衰落。与多径衰 落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数 正态分布。其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率 较高的信号比低频信号更容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射 能力。 6 南京邮屯大学顾士研究生学位论文第三章o f d m 系统中的自适应技术 2 1 3 多径衰落 无线移动信道的主要特点就是多径传播【4 1 ，即发射信号在经过直射、反射、散射等多 条传播路径后才能到达接收机。随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及 相位都在随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏的、不稳定的，这些多径信 号相互叠加就会形成衰落。叠加后的信号幅度变化符合瑞利分布，因而又称瑞利衰落。 其概率密度函数为 p ( ，) ：j 砉e 面 ，o ( 2 1 ) p ( ，) = 7 。 腔u ( 2 ) 【0 ， 0 , r 0 亿3 ， 如) _ | 考e 可厶 ( 2 - 3 ) 【0 ， o 式中，参数a 为直射波的最高幅值，厶( ) 为修正的零阶第一类b e s s e l 函数。当a 很大时， 即直射波很强时，则式( 2 3 ) 近似为高斯分布，当a = 0 即不存在直射路径时，则r i c i a n 分布退化为r a y l e i g h 分布。 时延扩展 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。发送端发送一个窄脉冲信号，通过多 条长度不同的传播路径，传播路径又随移动台的变化而变化，发射信号沿各个路径到达接 收天线的时间就不一样。这样，接收到的信号变成许多不同时延的脉冲组成，各个脉冲可 能是离散的，也可能是连成一片的。 由于多径的存在，到达接收端的信号叠加后会产生波形展宽和波形重叠，这种现象称 为时延扩展。由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其它符号当中，造成 符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。为了避免产生i s i ，应该令符号宽度远远大 于最大时延扩展。 相干带宽 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章o f d m 系统中的自适应技术 在频域内，与时延扩展相关的另一个重要信道参数是相干带宽。相干带宽口是一定范 围内的频率的统计测量值，是指一特定的频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的 幅度相关性。为了表征时延扩展的程度，通常用最大多径时延乙来表示，为了减小时延 扩展的影响，信息码元的宽度应大于最大多径时延。相干带宽可以定义为： 盈毒 q - 4 ， 相干带宽是信道频率选择性的测度，相干带宽与信号带宽之比越小，信道的选择性越 强，相干带宽与信号带宽之比越大，信道的选择性越弱。若移动无线信道在比发射信号的 带宽大得很多的带宽内具有不变的增益和线性相位响应，则接收信号将发生平坦衰落。如 果信道在比发射信号带宽小的信道带宽内具有不变的增益和线性相位响应，则信道产生频 率选择性衰落。频率选择性衰落是由发射信号在信道内的时间扩散引起的，因此，信道会 引起码间串扰，接收信号会发生畸变。 多普勒扩展 时延扩展和相关带宽是描述本地信道时间色散特性的两个参数【3 3 】。然而，它们并未 提供描述信道时变特性的信息。信道的时变特性主要由于移动台与基站间的相对运动引 起，或者由于信道路径中物体的运动引起。多普勒扩展与相关时间是描述移动多径信道时 变特性的两个参数。 多普勒扩展b 门是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道时间变化率的一种度 量。多普勒扩展被定义为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒谱有非零值。假设发射 频率为f ，对于到达接收端的某条路径，若其径向与移动台运动方向的夹角为口，则多 普勒频移厶= c o s 口，v 是运动速度，兄是信号波长。此时的接收信号的频率不再是z ， 而是厂= 丘+ 兀。其中矗。= 。因此，谱展宽依赖于厶。如果基带信号带宽远大于， 则在接收机端可忽略多普勒扩展的影响，这种信道为慢衰落信道。 相关时间 相关时间毛是多普勒扩展b d 在时域上的表示，它描述信道频率色散的时变特性。相 关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值，也就是说，相关时间是指一段 时间间隔，在此间隔内，两个到达的信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒数 大于信道相关时间，那么基带信号有可能产生改变，导致接收信号失真。在现代数字通信 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章o f d m 系统中的自适应技术 中，相关时间定义为【5 】： ， 1 c 了 ，m ( 2 5 ) 其中，厶是最大多普勒频移。实际上，式( 2 5 ) 给出了瑞利衰落信号可能急剧起伏的 时间间隔。 2 2 频率选择性信道模型 文献 2 9 给出了两种信道模型( 如表2 1 所示) ，模型a 指的是典型的室内环境，模 型b 指的是非视距情况下的室外开阔环境，或者具有大的延迟扩展的室内环境。抽头的 值如表2 1 ，这些抽头满足独立同分布的高斯随机变量，它们总的方差为1 。 表2 1h i p e r l a n 2 信道模型 抽头模型a模型b抽头模型a模型b 04 51 e 0 12 6 0 e 0 183 8 7 e 0 41 0 7 e 0 2 13 4 7 e 0 12 4 4 e 0 1906 4 5 e 0 3 21 2 8 e 0 12 2 4 e 0 11 005 o l e 0 3 35 2 2 e 0 27 0 7 e 0 21 102 5 1 e 0 3 41 0 2 e 0 27 9 3 e 0 21 2o0 57 7 2 e 0 34 7 8 e 0 21 301 4 8 e 0 3 62 8 7 e 0 32 9 5 e 0 21 400 71 0 4 e 0 31 7 8 e 0 21 5o6 0 2 e 0 4 通常，一般的多径信道抽头的设置为： 信道 = 办( o ) ，向( 1 ) ，j f z ( 三) 1 的元素( 抽头) 是独立同分布、零均值的高斯随机变量。 h 的相关矩阵为r h = e lh h 钾l = 盯：t + l ，其中盯：= i ( l + i ) 为抽头的方差。本文仿真环境均 采用一般的多径信道模型。 设多径频率选择性衰落信道共有三条路径，如果采用抽头延迟线模型来模拟【3 】，模型 如图2 1 所示。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章o f d m 系统中的自适应技术 输 图2 - 1 频翠选择性爱滔信道的抽头延迟线模型 将频率选择性衰落信道转化为抽头延迟线，时刻的时变脉冲响应厅( ，) 可以表示成如 下形式 2 9 , 3 0 】 砟) = 壹i = 1 吡声( 卜歹1 6 ， 其中，l 是抽头的总个数，q ( ，) 是第，个抽头的幅度系数，t a y 代表第，条路径的时间延 迟，是o f d m 子载波间隔。 2 3o f d m 的系统模型 2 3 10 f d m 系统原理 o f d m 是实现多载波调制的一种技术【6 j ，它的基本思想是：把高速数据流通过串并变 换分配到速率较低的若干个频率的子信道中进行传输，从而使子载波上的符号速率大幅度 降低，符号持续时间大大延长。o f d m 是由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设共有 个子载波) ，各子载波可使用同一种调制方法，也可以不同的子载波使用不同的调制方法， 将高速串行数据分成多路并行的数据，加以调制。所以o f d m 实际上是一种并行调制方 案，将符号周期延长倍，从而提高了抗多径衰落的能力。在传统的f d m 技术中【4 0 1 ，每 个子信道是不重叠的，为防止信道间的干扰，信道间还要加保护间隔，导致频带利用率下 降。而在o f d m 中，子信道间不加保护间隔，因此可有效提高频带的利用率。o f d m 中 子信道频带是重叠的，各子载波在整个符号周期上是正交的【l 引，因此相邻子载波信号频 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章o f d m 系统中的自适应技术 谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率，如图2 2 所示。 传统的f d m 多载波调制技术 厥酝矾 节省频带 。 频率 o f d a t 多载波调制技术 图2 - 2f d m 与o f d m 带宽利用率的比较 o f d m 系统的原理框图如图2 3 所示。 兰气卜 串行数据流- l 编码器 哪剐枷卜p 2 串并 型卜一 s ( t ) 1j 变换器 ，：l i n 碲 复用 ， 一 扣 h 叼一 发射机 。， r 7 ( 4 - 2 ) n = l ( 2 ) 选择删除l 比特所减少的发射功率最大的子信道h = a r g m a x 叱，给其减去l 比特 = - 1 ，并重新计算该子信道再减l 比特所应减去的功率b = b 一必。 ( 3 ) 重复过程( 2 ) 直至所有子信道的比特总数等于目标比特数足。 位删除法一共需要做n m r 次迭代，每次迭代都要做次比较，若干次加法和乘法 的运算，因此贪婪算法的时间复杂度为o ( ( n m - r ) n ) 。此算法对于实际应用依然显得 过于复杂，不适合要求高速率传输的应用。 4 4c h o w 算法 c h o w 算法是根据各个子载波的信道容量来分配比特的。它的优化准则是在维持目 标误比特率的前提下使系统性能达到最优。此算法主要由三个步骤完成，首先要确定使系 统性能达到最优的门限m a r g i n ，然后确定各个子载波的调制方式，最后调整各个子载波 的功率。m a r g i n 的定义为在满足系统要求的目标误比特率条件下，系统可以容许的噪声 增加量，以d b 为单位。具体算法步骤框图如图4 1 。 2 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章自适应算法综合介绍与复杂度分析 y 训始化： m a r g i n = o ( d b ) t 甜 a t e c o u n t = 0 j 衲。h 黠 毛= r o u d ( c ) c 。= 勺一乞 j r 删= ；。 置。一月、 s 肠忉= m a r g i n + 1 0 i o g i d i 二； j t a r a r 祀o u n t = i t c r a t e c o u n t + l 嫩后比特弓 凸c 1 | 鲐后功舛蔓渊锻 ( 1 ) 计算所有子载波的信噪比鲫限( 门) ，假设所有载波都使用归一化功率占( f ) = 1 。 ( 2 ) 令当前系统的性能裕量m a r g i n = o ( d b ) ，迭代次数i t e r a t e c o u n t = 0 ，所使用的子 载波数u s e d c a r r i e r s = n ，其中n 是最大可用的子载波数。 ( 3 ) 从n = 1 到n ，按照以下公式依次计算各个子载波上分配的比特数c n 、乞、a c 。 铲l o g ，厂 一一(4-3)14 s n r ( n ) g - l 面j c 。= r o u n d ( c ) ( 4 - 4 ) = 岛一c ( 4 5 ) 其中，g a p 为s n r 间距，它反映了信道容量和传输系统达到的真实速率之间的差值。 2 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章自适应算法综合介绍与复杂度分析 若乞= 0 ，u s e d c a r r i e r s = u s e d c a r r i e r s 一1 ( 4 ) 计算本次迭代分配的比特总数 ( 5 ) 计算新的 ：兰：。 扣l ( 4 6 ) m a r g i n = 尬r g i n + 1 0 l o g 。o 2 撼 7 ， ( 6 ) 更新i t e r a t e c o u n t ， i t e r a t e c o u n t = i t e r a t e c o u n t + l( 4 8 ) ( 7 ) 若墨。t a l r ，_ 且i t e r a t e c o u n t r ，那么找到最小的a c ，相应的色减1 ，巳加1 ，r o i a i 减1 ，重复此 步骤直至r 。砌= r 。 ( 9 ) 若足删 r ，那么找到最大的a c n ，相应的色加1 ，a c 减1 ，r t 。l a l 加1 ，重复此 步