（计算机应用技术专业论文）mimoofdm系统中自适应调制技术的研究.pdf

摘要 多入多出一正交频分复用( m i m 0 o f d m ) 是一种新的高速数据传输技术。 m i m o 技术通过采用多个发射天线和接收天线可以显著提高无线通信系统的信道 容量，增强数据传输的可靠性。o f d m 技术可以把频率选择性衰落的信道转化成 一组正交的平坦衰落的信道，因此可将0 f d m 技术应用在m i m o 系统中来克服多 径衰落的影响。m i m o 一0 f d m 技术被业界认为是未来第四代移动通信系统的主要 物理层技术。 m i m o o f d m 系统的自适应调制技术就是根据信道状态信息，动态的改变每 个子载波的传输参数来优化系统的总体性能。这种情况下，自适应调制又称为自 适应功率和比特分配，即根据实时信道状态信息，把发射功率和传输信息比特动 态的分配到每个子载波上以达到优化系统性能的目的。 本文首先针对m i m 0 o f d m 系统的自适应调制技术进行研究。利用奇异值分 解把m i m 0 o f d m 信道转化成一系列并行的子信道，然后将这些子信道按照信道 增益从大到小的顺序排列。通过研究排序后信道增益的统计特性，本文提出了一 种低复杂度的自适应传输方法来优化系统的发射功率。该方法通过固定排序后的 子信道的功率和比特分配方案大大降低了复杂度。 正交频分多址接入( o f d m a ) 是0 f d m 技术的一种扩展，在o f d m a 系统中 每个用户使用部分子载波传输数据，而每一个子载波不能同时被两个或者两个以 上的用户使用。针对这一特点，本文提出了一种适用于o f d m a 系统低复杂度的 自适应子载波、比特和功率分配方法。提出的方法的目标是保证每个用户发射速 率以及给定b e r 的情况下最小化系统总的发射功率。本方法先进行子载波分配， 子载波分配包括为了满足用户速率要求的初始子载波分配阶段以及为了进一步降 低系统发射功率的剩余子载波分配阶段。子载波分配结束后，本方法采用g r e e d y 方法对每个用户单独进行功率和比特分配来进一步降低系统总的发射功率。 本文最后对m i m o o f d m 系统的频率同步问题进行了研究，提出一种适用于 m i m o o f d m 系统的自适应频率同步方法。本方法包括训练序列的设计以及相应 的频偏估计器。与其它的训练序列不同，新提出的训练序列是根据实时的信道状 态信息来设计的。s c h e n k 估计器可以达到极大似然的估计性能。提出的新方法采 用的频偏估计器是在s c h e n k 估计器的基础上针对新提出的训练序列的改进版本， 改进后的频偏估计器可以消除数据传输过程中引入的大部分噪声，因此可以获得 更好的频偏估计性能。 关键词：多入多出正交频分复用正交频分多址接入自适应调制频率同步 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s f o rh i 曲- d a t a - r a t em u l t i m e d i a m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t( m i m 0 ) a i l d o r t h o g o n a j仔e q u e n c y s e 1 c e s d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c l l l l i q u e sh a v eb e e ng i v e nm o r ea u l dm o r ei m e r e s t m i m o s y s t e m sc a ni n c r e a s et h ec h a i m e lc a p a c i t ya n de n h a i l c et h e 咖l s m i s s i o nr e l i a b i l i 够b y e m p l o y i n gm u l t i p l ea i l t e n n a sa tt 1 1 et r a n s m i t t e ra i l dr e c e i v e r 0 f d mh a st h ea b i l i t yo f t m s f o n n i n gt h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h 锄e li n t oac o l l e c t i o no fp a r a l l e ln a t f a d i n g s u b c h 锄e l sa n dt h e r e f l o r ec a j lb ea d o p t e di nm i m os y s t e m st oc o m b a tm u l t i - p a m e f f - e c t s t h em i m o - o f d m s y s t e mi sr e g a r d e da sap o t e n t i a lc a n d i d a t e f o r4 gm o b i l e s y s t e m s i ft h ec h a i l n e ls t a t ei n f o h n a t i o n ( c s i ) i sk n o 、v na tm et r a n s m i t t e r a d a p t i v e m o d u l a t i o nt e c l u l i q u e s ，s p e c i f i c a l l y ，a d 印t i v eb i ta i l dp o w e ra l l o c a t i o nt e c h n i q u e sc a i l b e 印p l i e dt oo p t i m i z em ep e r f i o 咖a 1 1 c eo fm i m o - o f d ms y s t e m s ，s u c ha s 仃a n s m i t p o w e r b i t _ e 啪r - r a t i o ( b e r ) a n d s of o n h i nt h i sp 印e r ，t h ea d 印t i v em o d u l a t i o nt e c l u l i q u e sf o rm i m o o f d ms y s t e m sa r e f i r s ts t u d i e d t h em i m o o f d mc h a l m e lc a nb ed e c o m p o s e di n t oag r o u po fp a r a l l e l s u b c h 蹦l e l sb ys i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) al o w - c o m p l e x i 锣b i ta n dp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t i sp r o p o s e db a s e do nt 1 1 i ss m l c t u r e t bm i n i m i z et h eo v e r a j l t m s m i tp o w e r w ec a r r yo u taf i x e db i ta n dp o w e ra l l o c a t i o no v e rt h e s es u b c h a r m e l s b ye x p l o r i n gm ec h a u r a c t e r i s t i c so ft h eo r d e r e ds u b c h a i l i l e lg a i n s t h ef i x e db i ta i l d p o w e ra s s i g m n e mc a j lb ed e t e n l l i n e db yg r e e d ya l g o r i t h ma tt h ei n i t i a ls t a g ea i l d u t i l i z e d 嘶t h o u tc h a n g et 1 1 r o u g h o u tm ed a t at r a i l s m i s s i o np r o c e s s s i m u l a t i o nr e s u h s s h o wt h a tt h ep r o p o s e d “g o r i t l l mh a sl e s st h 孤1d bp e r f o r m a i l c el o s sr e l a t i v et 0 也e o p t i m a la l g o r i t t l i i lw h e nt h en u r i l b e ro fo f d ms u b c a r r i e r si sl a r g e ，b u td r a s t i c a j l y r e d u c e st h ec o m p l e x i t y 0 r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( 0 f d m a ) i sa ne x t e n s i o no f o f d m ，i nw h i c he a c hu s e ri s2 l s s i g n e das u b s e to fa l ls u b c a 玎i e r sa i l de a c hs u b c a r r i e r i sa l l o c a t e de x c l u s i v e l yt oo n eu s e r al o w c o m p l e x i t ya d a p t i v es i l b c 硎e r ，b i ta i l d p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h i ni sp r o p o s e df o ro f d m as y s t e m s t h eo b j e c t i v eo ft 1 1 e p r o p o s e da l g o r i t l l i l li st om i n i m i z et h eo v e r a nt m s m i tp o 、v e rw i t hc o n s t r a i n t so nt h e d a t a r a t ea n db e rr e q u i r e m e n t so fe a c hu s e li nt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，as u b c a m e r a l l o c a t i o ni sf i r s tc a 玎i e do u t ，w h i c hi n c l u d e st w os t a g e s ：a ni n i t i a ls u b c a r r i e r a l l o c a t i o nt og u a r a n t e et h ed a t a - r a t er e q u i r e m e n ta i l dar e s i d u a ls u b c a r r i e ra 1 1 0 c a t i o n i l t o 胁h e rr e d u c et l l eo v e r a ut r a l l s m i tp o 、v e r a r e rt l a t ，as i n 舀e - u s e rb i ta n dp o w e r a u o c a t i o ni sp e r f ；d n n e df d re a c hu s e rb yu s i n g 伊e e d ya l g o r i m m t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mh a sl i n e a rc o m p l e x i t yi nt h en u r n b e ro f u s e r sa i l ds u b c 棚e r sf o rs u b c a r r i e r a l l o c a t i o n t h ep e r f o m a l l c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t l l i i li sc o m p a r e dt os o m ee x i s t i n g a l g o d t h m s f i n a l y ，m e 骶q u e n c ys y i l c l 湘n i z a t i o nf o rm i m o - o f d ms y s t e m si si n v e s t i g a t e d an o v e lm e t h o do f6 e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e df i o r m i m o o f d ms y s t e m s d i 仃e r e n t 丘o mo t h e rd a t a a i d e dm e t h o d s ，t h ep r o p o s e dm e m o d t a k e st l l er e a l t i m ec s i i m oa c c o u l l t 、v h e nd e s i g n i n gt h e 仃a i n i n gs e q u e n c e s c h e n k sc a m e r 骶q u e n c yo 凰e t ( c f 0 ) e s t i m a t o rh a sam a x i m u m 1 i k e l i h o o d ( m l ) p e r f o 咖a i l c e t h ec f o e s t i l n a t o r u s e di nt l l ep r o p o s e dm e t l l o di sam o d i f i e dv e r s i o no fs c h e n k se s t i m a t o r ，w h i c h r e d u c e st h en o i s ei n t m d u c e dd u r i n gd a t at m s m i s s i o np r o c e s sa l l d h e n c ef u r t l l e r i n c r e a s e st h ea c c u r a c yo fc f oe s t i m a t i o n a n a l ”i c a la j l ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n t od e m o n s t r a t et l l eg o o dp e 渤珊a 1 1 c eo ft l l ep r o p o s e dm e t h o d k e yw o r d s ： m i m 0 ，0 f d m ， o f d m a ， a d a p i v em o d u l a t i o n ， f r e q u e n c y s y n c l l r o n i z a i t o n l n 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。 申请学位论 本人签名： 有不实之处，本人承担一切相关责任。 嗍叫 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：本学位论葛不属于保密范 本人签名：盔盔 导师签名： 围，适用本授权书。 日期：坦：主：! 显! 日期：j 独盈上牡 北京邮电大学硕士论文m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 图表 图1m i m o o f d m 自适应传输系统10 图2 发射机自适应调制流程图1 3 图3 接收机的自适应解调流程图。1 4 图4 自适应调制单元15 图5 预处理模块1 6 图6 自适应解调单元17 图7 后处理模块1 8 图8g r e e d y 算法计算功率和比特分配流程图1 9 图9 未排序和排序后奇异值平方的分布的比较2 1 图1 0 新提供的自适应传输方法与最优方法性能比较( 4 发8 收5 1 2 个子载波) 2 2 图1 1 新提供的自适应传输方法与最优方法性能比较( 2 发4 收6 4 个子载波) 2 3 图1 2 提出的方法和m a o 等方法的性能比较( c h a n n e li ，b e r = 1 0 4 ) 3 1 图l3 提出的方法和m a o 等方法的性能比较( c h a n n e li i ，b e r = 10 4 ) 31 图1 4 提出的方法和m a o 等方法的性能比较( c h a n n e li ，u s e r = 6 ) 3 2 图1 5 提出的方法和m a o 等方法的性能比较( c h a n n e li ，u s e r = 1 2 ) 3 2 图1 6 提出的方法和m a o 等方法的性能比较( c h a n n e li l ，u s e f 6 ) 3 3 图1 7 提出的方法和m a o 等方法的性能比较( c h a n n e li l ，u s e f l 2 ) 3 3 图1 8 参考方法2c f o 估计方差的上界和下界4 1 图1 9 参考方法2c f o 估计方差的上界和参考方法l 估计方差下界的比较4 2 图2 0 提出的方法和参考方法1 、参考方法2 性能比较4 3 图2l 提出的方法和参考方法1 的性能比较4 4 图2 2 提出的方法在不同时间弥散信道的性能4 5 图2 3 提出的方法在不同信道估计和预测误差的性能4 6 表l 三径瑞利衰落信道模型。2 0 表2 不同子载波分配方法复杂度的比较2 9 3 北京邮电大学硕士论文m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 1 1 研究背景简介 第一章绪论 1 1 1 移动通信系统概述和演进 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。顾名思义，移动通信就是 指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输。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。目前移动通信已从模 拟通信发展到数字通信阶段，正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通 信系统，其中主要包括g s m 系统以及i s 9 5 c d m a 系统，主要是为支持语音和 低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率的要求的不 断提高，已有的第二代通信系统将很难满足新的业务的需求。为此，人们正在发 展第三代移动( 3 g ) 通信系统。从技术层面看，3 g 系统主要以c d m a 为核心 技术。 对于高速数据业务来说，单载波时分多址( t d m a ) 系统和窄带c d m a 系 统都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，高速信息流的符号宽度又相 对较窄，所以符号之间会存在比较严重的符号间干扰( i s i ) ，这对单载波t d m a 系统中使用的均衡器提出了非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练序列要足 够长，从而均衡算法的复杂度也会大大提高。对于窄带c d m a 来说，其主要问 题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。在保证相同带宽的前提下，高速数据 流所用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了c d m a 系统抵抗噪声的优点， 从而使系统的软容量受到一定的影响；如果保持原来的扩频增益，则必须要相应 的提高带宽。o f d m 技术是一种多载波传输方案，它把高速数据流分解成若干 个并行的低速子数据流，从而可以有效地减少无线信道中的i s i 1 。 o f d m 提高频谱利用率的能力毕竟有限，如果在发射机和接收机采用多天 线技术，可以在不增加系统带宽的情况下提高频谱效率。在发射机和接收机采用 多天线技术的系统称为m i m o 系统。m i m 0 技术是无线通信领域技术发展的重 大突破，它利用空间增加的传输信道，在发射机和接收机端通过多个天线同时发 射和接收信号。由于各发射天线同时发送的信号占用相同带宽，因而能够成倍的 提高系统的容量和频谱利用率。从信息论的角度已经证明，多天线技术可以大大 增加无线通信系统的容量，并改善无线通信系统的性能，非常适合未来移动通信 系统中高速率业务的要求 2 】。因此把m i m o 和o f d m 技术结合起来可以提供 更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性。m i m 0 o f d m 系统 4 北京邮电大学硕士论文m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 在未来第四代( 4 g ) 移动通信系统的研究中最为瞩目【3 】。 1 1 2m i m o o f d m 系统中的关键技术 ( 1 ) o f d m 系统的关键技术 信道估计 相干检测需要用到信道的信息，因此在接收机需要先进行信道估计。在 o f d m 系统中，信道估计的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择，二是 复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际的设计中，导频信 息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互联系的，因为估计器的性能与导频信 息的传输方式有关。常用的信道估计的方法有基于导频信道和基于导频符号两 种，而最小均方值法、最大后验概率法等估计方法都可以根据具体的系统要求选 用。 同步 0 f d m 系统的最大缺点就是对同步偏差十分敏感，很小的频率、定时同步 错误就会引起符号间干扰i s i 和载波间干扰i c i ，从而导致系统性能的严重下降， 因此很好的同步对于o f d m 系统十分重要。如何减小i c i 对系统性能的影响， 是o f d m 系统性能得到广泛应用的前提条件之一，也是系统实现中的一个难点。 当前提出的同步方法主要有两种：基于导频的同步和基于循环前缀的同步。 自适应调制 自适应调制技术的基本思想是自适应调节信号传输的参数来充分利用当前 信道环境。可以调节的参数包括调制方式、编码方式和发射功率等。自适应调制 技术已经被广泛的认为是无线通信系统中有效提高频谱利用率的重要手段之一。 o f d m 把实际信道划分为若干个子信道，这样就能够根据各个子信道的实际传 输情况灵活的分配发射功率和信息比特，从而获得更好的系统性能。 ( 2 ) m i m o 空时处理技术 空间复用 空间复用是指在一定的差错率下，通过不同的天线尽可能多的在空间信道上 传输相互独立的数据。现在主要有三种空间复用技术：对角贝尔实验室分层空时 ( d b l a s t ) 方案、水平贝尔实验室分层空时( h b l a s t ) 方案以及垂直贝尔实 验室分层空时( v b l a s t ) 方案【4 】【5 。其中v b l a s t 由于操作简单而广泛应 用。 由于每个接收天线同时收到多个发送天线来的叠加在一起的信号，信号检测 或分离一直是m i m o 统的研究热点之一。信号检测的基本思想非常相似于 c d m a 中的多用户检测( m u d ) 。信号检测的主要算法有：最小均方误差 北京邮电大学硕士论文m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 ( m m s e ) ，迫零( z f ) 、最大似然( m l ) 、并行干扰抵消( p i c ) 和串行干 扰抵消( s i c ) 。其中，m l 性能最好，但复杂度最高；p i c 和s i c 能够实现复 杂度和性能的良好折中。 空时编码 空时编码主要分为两类：空时网格码( s t t c ) 6 】和空时分组码( s t b c ) 7 】 8 】。 s t t c 是由朗讯实验室的t a r o k h 等提出的空时编码技术，适用于多种无线信道环 境。s t t c 把编码和调制结合起来，能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率 的最佳平衡，是一种非常好的编码。采用s t t c 能同时得到编码增益和分集增益， 虽然它能够提供比现有系统高3 4 倍的频带利用率，但是其译码复杂度随着状态 数的增加而呈指数增长。s t b c 是由a t & t 的t a m l ( 1 1 等人在a l 锄o u t i 的研究基 础上提出的。a l 锄o u t i 提出了采用2 个发射天线和1 个接收天线的系统可以得到采 用1 个发射天线和2 个接收天线系统同样的分集增益。s t b c 正是利用正交设计的 原理分配各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域结合的正 交分组编码方式。s t b c 可以使接收机解码后获得满分集增益，且保证译码运算 仅仅是简单的线性合并，使译码复杂度大大降低。 1 2 研究工作简介 自适应调制技术已经被广泛的认为是无线通信系统中有效提高频谱利用率 的重要手段之一。自适应调制技术的基本思想是自适应调节信号传输的参数来充 分利用当前信道环境。可以调节的参数包括调制方式、编码方式和发射功率等。 o f d m 把实际信道划分为若干个子信道，这样就能够根据各个子信道的实际传 输情况灵活的分配发射功率和信息比特，从而获得更好的系统性能。 1 2 1m i m o 。o f d m 系统自适应调制技术 针对不同的系统优化目标，现有的算法可以分为三类：最大化系统数据传输 速率、最小化系统发射功率和最小化系统误比特率( b e r ) 。针对这三类已经提 出了最优的自适应算法，比如注水算法，g r e e d y 算法等。然而这些算法的运算 复杂度是比较高的，在单入单出正交频分复用( s i s o o f d m ) 系统中，注水算 法的运算复杂度和0 f d m 的子载波数成线性关系，而g r e e d y 算法的运算复杂度 与o f d m 的子载波数和传输数据速率的乘积成线性关系。在m i m o o f d m 系统 中，由于引入多个收发天线，这些算法的复杂度还会成倍的提高。如何在保证性 能不显著下降的情况下，降低应用于m i m 0 o f d m 系统的自适应算法的复杂度 是一项具有挑战性的任务。 6 北京邮电大学硕士论文 m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 1 2 2o f d m a 系统自适应资源分配 0 f d m a 系统可以看成是o f d m 系统的扩展，在o f d m a 系统中，每个用； 户利用全部子载波的一部分，而且每一个子载波不能同时分配给两个用户。在，； o f d m a 系统中，每个用户的信号经历独立的衰落。所有用户在某一个特定子载 波上都处于深衰落的概率相当低。因此，可以根据实时的信道状态给每个用户动 态的分配子载波和发射功率。许多适合o f d m a 系统的自适应子载波，比特功 率分配算法已经在文献中提出。如何在保证性能不显著下降的情况下，降低应用 于o f d m a 系统的自适应子载波、功率和比特分配算法的复杂度是一项具有挑 战性的任务。 1 2 3m i m o o f d m 系统自适应频偏估计 与单入单出( s i s o ) o f d m 系统类似，m i m o o f d m 对载波频偏非常敏感， 载波频偏会导致严重的载波间干扰。在文献中已经提出很多m i m o - o f d m 系统。 中载波频率同步的方法。但是所有的训练序列都没有考虑m i m o o f d m 衰落信 道的影响。因此，我们将根据实时的信道状态信息设计训练序列，然后根据训练 序列的特点相应的改善接收机频偏估计的方法，以改善m i m o - o f d m 系统频率 同步的性能。 1 3 论文结构安排 m i m o o f d m 系统的自适应调制技术就是根据信道状态信息，动态的改变 每个子载波的传输参数来优化系统的总体性能。这种情况下，自适应调制又称为 自适应功率和比特分配，即根据实时信道状态信息，把发射功率和传输信息比特 动态的分配到每个子载波上以达到优化系统性能的目的。 第二章提出一种用于m i m o 0 f d m 系统的低复杂度自适应传输方法，该方 法包括发射机端的自适应调制方法和接收机端的自适应解调方法两部分。自适应 调制方法的基本步骤为：在发送第一帧数据时计算功率和比特分配方案并存储下 来；在发送每一帧数据时，调用已存储的方案调制数据并把调制符号进行子信道 映射后发送。自适应解调方法的基本步骤为：在接收第一帧数据时计算功率和比 特分配方案并存储下来：在接收每一帧数据时，调用已存储的方案来检测经过子 信道逆映射后的数据符号。本方法与现有的最优方法相比，性能十分接近，但由 于在收发机两端只计算一次功率和比特分配而极大的降低了运算复杂度。本章还 对提出的新方法进行了理论上的分析和计算机仿真。 北京邮电大学硕士论文 m l m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 第三章提出了一种适用于0 f d m a 系统低复杂度的自适应子载波、比特和 功率分配算法。提出方法的目标是保证每个用户发射速率以及给定b e r 的情况 下最小化系统总的发射功率。本方法先进行子载波分配，子载波分配包括为了满 足用户速率要求的初始子载波分配阶段以及为了进一步降低系统发射功率的剩 余子载波分配阶段。子载波分配结束后，本方法采用g r e e d y 方法对每个用户分 别进行功率和比特分配来进一步降低系统总的发射功率。本章还对提出的新方法 进行了理论上的分析和计算机仿真。 第四章提出一种适用于m i m o 0 f d m 系统的自适应频率同步方法。本方法 包括训练序列的设计以及相应的频偏估计器。不像其它的训练序列，新提出的训 练序列是根据实时的信道状态信息来设计的。s c h e l l l ( 估计器可以达到极大似然 的估计性能。提出的新方法采用的频偏估计器是在s c h e n k 估计器的基础上针对 于新提出的训练序列的改进版本，改进后的频偏估计器可以去除数据传输过程中 引入的大部分噪声，因此可以获得更好的频偏估计性能。本章还对提出的新方法 进行了理论上的分析和计算机仿真。 第五章对所做的研究工作加以总结，并针对研究中出现的问题指明下一步的 研究工作。 8 北京邮电大学硕士论文m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 第二章m i m o o f d m 系统自适应传输方法 本章提出一种用于m i m o o f d m 系统的低复杂度自适应传输方法，该方法 包括发射机端的自适应调制方法和接收机端的自适应解调方法两部分。自适应调 制方法的基本步骤为：在发送第一帧数据时计算功率和比特分配方案并存储下 来；在发送每一帧数据时，调用已存储的方案调制数据并把调制符号进行子信道 映射后发送。自适应解调方法的基本步骤为：在接收第一帧数据时计算功率和比 特分配方案并存储下来：在接收每一帧数据时，调用已存储的方案来检测经过子 信道逆映射后的数据符号。本方法与现有的最优方法相比，性能十分接近，但由 于在收发机两端只计算一次功率和比特分配而极大的降低了运算复杂度。 2 1 技术背景 多入多出正交频分复用( m i m o o f d m ) 是一种新的高速数据传输技术。 ： m i m o 技术通过采用多个发射天线和接收天线可以显著提高无线通信系统的信4 道容量，增强数据传输的可靠性。o f d m 技术可以把频率选择性衰落的信道转 化成一组正交的平坦衰落的信道，因此可将o f d m 技术应用在m i m o 系统中来 克服多径衰落的影响。m i m o o f d m 技术被业界认为是未来第四代移动通信系 统的主要物理层技术。 在无线通信系统中，由于无线信道在频率和时间上都是快速变化的，如果发 射机知道信道状态信息，比如信道传输矩阵，就可以根据信道状态信息动态的改 变传输参数，比如调制阶数、编码速率和发射功率，来优化系统性能。这种根据 实时的信道状态信息，动态改变传输参数来优化系统性能的技术就是自适应调制 技术。 在采用m i m o o f d m 技术的无线通信系统中，发射机通过使用许多并行的、 相互正交的子载波发送数据到接收机。m i m o o f d m 系统的自适应调制技术就 是根据信道状态信息，动态的改变每个子载波的传输参数来优化系统的总体性 能。这种情况下，自适应调制又称为自适应功率和比特分配，即根据实时信道状 态信息，把发射功率和传输信息比特动态的分配到每个子载波上以达到优化系统 性能的目的。 针对不同的系统优化目标，现有的算法可以分为三类：最大化系统数据传输 速率、最小化系统发射功率和最小化系统误比特率( b e r ) 。针对这三类已经提 出了最优的自适应算法，比如注水算法【9 】，g r e e d y 算法【1 0 】等。然而这些算法的 运算复杂度是比较高的，在单入单出正交频分复用( s i s o o f d m ) 系统中，注 9 北京邮电大学硕士论文 m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 水算法的运算复杂度和o f d m 的子载波数成线性关系，而g r e e d y 算法的运算复 杂度与o f d m 的子载波数和传输数据速率的乘积成线性关系。在m i m o o f d m 系统中，由于引入多个收发天线，这些算法的复杂度还会成倍的提高。为了降低 算法的复杂度，目前已经提出了许多次优的自适应调制算法，比如将子载波分组 的方法：将0 f d m 子载波分成若干组，将每一个组看成最小的单位进行功率和 比特分配，而组内部的子载波采用相同的传输参数。在这些算法中，运算复杂度 和系统性能两者之间存在矛盾，即运算复杂度越低系统性能越差。 如何在保证性能不显著下降的情况下，降低应用于m i m 0 o f d m 系统的自 适应算法的复杂度是一项具有挑战性的任务。 2 2 系统模型 自适应 调制 单元 图1m i m o o f d m 自适应传输系统 图l 是基于奇异值分解的m i m 0 o f d m 自适应传输系统框图。接收机估计信 道传输矩阵并通过反馈信道反馈回发射机。在发射机端，白适应调制单元根据实 时的信道传输矩阵对信息比特( 如果需要，先对信息比特进行加扰、编码、交织 等处理) 进行自适应调制，它的输出为坼路调制符号。每一路调制符号经过逆 快速傅立叶变换( i f f t ) 转换成时域上的抽样点，然后加循环前缀( c p ) 来克 服信道的多径衰落。经过如此处理的旭路基带数字信号经过数模转换和上变 频，最后通过m ，个发射天线同时发射出去。发射机和接收机之间是频率选择性 的无线衰落信道。在接收机端对接收信号进行逆操作：从m 。个接收天线接收的 1 0 北京邮电大学硕士论文m i m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 信号经过去c p 、快速傅立叶变换( f f t ) 后，导频被提取出来用来进行信道估计； 自适应解调单元利用估计的信道，对f f t 输出的符号进行检测，得到发送的信 息比特。： 设m i m o - o f d m 系统发射天线数为坼，接收天线数为m 尺，载波数c ， i m = m i n ( ，m r ) 并且= c m ，则在第七个子载波上等效基带信号的输入输 出关系可以表示为： y 女= g h e x t + g n t ，七= 1 ，2 ，r c ( 2 1 ) 上式中，x 。表示包含m 个发送符号的m 1 维发送矢量；y 。表示包含m 个接收 符号的m 1 维接收矢量；n 。表示l 维的噪声矢量，其中的每一个元素都是 相互独立的均值为o ，方差为盯2 的复高斯随机变量；h 。是m r 鸩维的复数矩 阵，表示m i m o o f d m 系统第k 个子载波的等效基带信道传输矩阵；r 和g t 分 别表示在发射端的第七个子载波上的坼m 维的预处理矩阵和在接收端的第七。 个子载波上的m 峨维的后处理矩阵。 假设发射机和接收机都知道理想的信道传输矩阵，即h 。( 七= 1 ，2 ，c ) 已知。对h 。进行奇异值分解得到下式 1 1 ： h 女= u 女d 吖， 尼= 1 ，2 ，c ( 2 2 ) 上式中，u 。和分别表示m 只m 维和m r m 维矩阵，上角标h 表示矩阵的共 轭转置：d 。表示m m 维对角矩阵，它的对角线元素，彳，是h 。的m 个 按照由大到小次序排列的奇异值。将k 设置为v ，g 。设置为u ，则变成： y t = d x + u ? n i ，七= l ，2 ，0 ( 2 3 ) 对于每个子载波都采取上述处理方法，可以把m i m o o f d m 系统的无线信 道分解为一组并行的、独立的子信道。子信道的增益就是奇异值分解得到的奇异 值刀( 坍= 1 ，2 ，m ，七= l ，2 ，( 1 ) 。这些信道被称为奇异值子信道。自适应调 制就是在这些子信道上进行功率和比特分配，从而优化系统性能。这是 m i m o o f d m 系统自适应传输方法的基础。 北京邮电大学硕士论文m l m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 2 3 自适应传输方法 针对m i m 0 o f d m 系统中最优的自适应算法复杂度较高的问题，本节提出 了一种低复杂度的自适应传输方法。在数据传输的过程中，不论信道状态如何变 化，该方法在发射机端和接收机端仅计算一次功率和比特分配，因此极大的降低 了运算复杂度。在o f d m 子载波数比较多的情况下，该方法的性能非常接近传 输每一帧数据都利用g r e e d y 算法根据实时的信道状态进行功率和比特分配的最 优方法的性能。 新提出的自适应调制方法的原理为：通过对m i m o o f d m 系统的奇异值信 道按照信道增益由大到小的顺序排列后发现，即使在不同的信道状态下，排序后 的每个奇异值的分布都集中在它的均值附近。由于排序后的奇异值信道增益变化 较小，因此根据某一时刻的信道状态计算出最优的功率和比特分配方案均接近其 它时刻的最优的功率和比特分配方案。也就是说，一旦计算出某一时刻的最优的 功率和比特分配方案，可将其储存下来，在随后的数据传输过程中，无论信道状 态是否发生变化，都可以固定地采用这一方案来发送和接收数据。 为方便描述，定义序列 ，如，厶( = j m ) ，当歹= ( 七一1 ) m + 聊时，满 足五，= 刀，其中聊= 1 ，2 ，m ，七= 1 ，2 ，坼。定义序列旯，兄孙，五1 为 丑，五，九按照从大到小顺序排列得到的序列。定义排序前序列咒n ，五2 1 ，五 与排序后序列 ，五，九的对应关系向( f ) = ，满足旯n = 允，其中f ，= 1 ，2 ，。 新提出的自适应传输方法包括发射机端的自适应调制方法和接收机端的自 适应解调方法。其中，自适应调制方法在发射机端的基带信号处理包括步骤： 步骤l ：分别对h 。，h ：，h r 、进行奇异值分解得到v l ，v 2 ，v r 和所有子载 波的奇异值a ，以，厶，将预处理矩阵风设置为( 尼= 1 ，2 ，) 。 步骤2 ：将步骤l 得到的 ，五，九按照由大到小的顺序排列，得到 五，五舢，兄m ，记录下 ，五，氐和兄n ，五扪，见( 的对应关系办。 步骤3 ：如果发送的是第一帧数据则依次执行步骤4 ，否则跳过步骤4 直接执 行步骤5 。 1 2 北京邮电大学硕士论文 m l m o o f d m 系统中自适应调制技术的研究 开始 j 计算v i ，v 2 ，、和 ，五，厶，设置 e = v