（通信与信息系统专业论文）amc技术及其在hsopa中的应用.pdf

重庆邮电学院硕士研究生论文 摘要 无线信道的信道容量是一个时变的随机变量，要最大限度地利用信道容量， 提高频谱利用率，只有使编码调制方式具有自适应于信道条件变化的特性。a m c 自适应调整编码技术，一种慢速链路自适应技术，就可以根据信道条件的变 化情况确定合适的编码调制方式以便最大限度地利用信道条件发送信息，实现比 较高的传输速率。该优点使得a m c 技术广泛应用于无线通信方面的各个领域， 尤其是它在移动通信领域中的应用更是人们普遍关注的焦点。由于a m c 技术相 对于固定传输速率和调制方式的系统可以显著提高传输速率，因此也被一种较新 的高速数据下行传输技术- h s p d a 所采用，并成为其中的一项关键技术。 本文对a m c 技术的特点和基本原理进行了深入地分析，根据推导得出了该 技术改善系统性能，提高频谱利用率的理论依据。为了验证其在实际应用当中的 作用是否与理论分析一致，本文特别地选择了在我国自行提出的t d s c d m a 标 准平台之上，对a m c 技术在h s d p a 中的应用进行了具体的仿真与实现，并用 翔实的仿真结果验证了该技术应用于高速数据传输方面的优越性，分析了测量误 差对其应用的影响，同时也指出了a m c 技术单独应用时的不足之处，并提出了 解决方案的设想和下一步研究工作的方向。 关键词：a m c ，h s p d a ，t d s c d m a ，链路自适应，频谱利用率，高速数据 重庆邮电学院硕士研究生论文 a b s t r a c t s i n c et h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sc h a n n e li st i m e v a r y i n g ，o n l yi ft h ec o d i n ga n d m o d u l a t i o ns c h e m e ，w h i c ha d a p t i v i n ga c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lc o n d i t i o n ，i su s e d ，t h e s y s t e mm a ye x t r e m e l yo b t a i nt h eh i g h e rc a p a c i t yo fc h a n n e la n dt h eh i g h e rs p e c t r a l e f f i c i e n c y a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o n a n dc o d i n g ) ，as l o wl i n k a d a p t a t i v e t e c h n o l o g y , c a na d j u s tt h ec o d i n ga n dm o d u l a t i o nm e t h o da d a p t i v e l yb a s e do nt h e v a r i a t i o no fc h a n n e l ，s ot h a ta c h i e v i n gt h eh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e a c c o r d i n gt oi t s 。a d v a n t a g e s ，a m ci sb r o a d l ya p p l i e dt od i f f e r e n tf i e l d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a n de s p e c i a l l yi t sa p p l i c a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n si sg r e a t l yf o c u s e db yp e o p l e s i n c ec o m p a r i n gw i t ht h es y s t e mw i t hf i x e dr a t ea n dm o d u l a t i o nm o d e ，a m cc a n r e m a r k a b l yi n c r e a s et r a n s m i s s i o nr a t e ，i t sa p p l i e db yh s p d a ，ak i n do fn e wh i g h s p e e dd a t ad o w n l i n kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , a n db e c o m e s t oo n eo fi t sk e yf e a t u r e s t h i st h e s i s d e e p l ya n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i ca n d f u n d a m e n t o fa m c ，a n d d e d u c e dt h a ta m cc a ni m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dp r o v i d eh i g h e rs p e c t r a l e f f i c i e n c y i no r d e rt ov e r i f yw h e t h e ri t se f f e c ti np r a c t i c ei sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t i nt h e o r y , b a s e do nt d - s c d m as t a n d a r d ，t h i st h e s i ss i m u l a t e da m c sa p p l i c a t i o ni n h s d p ai nd e t a i l ，a n da c c o r d i n gt of u l la n da c c u r a t er e s u l tv e r i f i e da m c ss u p e r i o ri n 1 1 i g hs p e e dd a t at r a n s i m i s s i o n , a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fm e a s u r e m e n te r r o r a tt h e s a m et i m e ，t h i st h e s i sp o i n t e dt ot h es h o r t a g eo fa m c w h e ni t s a p p l i e da l o n e ，a n d g a v et h ei d e at od e a lw i t hi ta n di n d i c a t e dt h ed i r e c t i o no f n e x ts t e p k e y w o r d s ：a m c ，h s p d a ，t d s c d m a ，l i n ka d a p t a t i o n ，s p e c t r a le f f i c i e n c y , h i g hs p e e dd a t a 2 重庆邮l 乜学院硕卜研究生论文 第一章绪论 随着人们工作节奏的加快和同常生活同益丰富、多样化，所需要的信息交 流变得越来越频繁：尤其是在办公现代化和移动商务的驱动下，原有的以话音 为主的移动通信方式已渐渐不能满足人们的要求，因此将来的移动通信系统必 须在保证话音业务的基础上，提供传图片、文件，收发邮件、上网冲浪，甚至 点播电影等多媒体业务，及满足用户对高速数据的需求。为了在现有网络基础 上提供更高速和更先进的无线数据通信业务，出现了各种用于移动数据通信的 增强技术，如：g p r s 、e d g e 、3 g 、1 x e v d v 、h s d p a 等，这些增强技术在 移动通信系统演进( 从2 g 到4 g ) 过程中的位置如下图所示。 图1 1 ：移动通信系统演进过程( 2 g 一4 g ) 在这些增强技术中有些已经开始商用，如g p r s ；有些正处于商用阶段的 前期，如w c d m a ；有些则处于商用试验的阶段，如t d s c d m a ；而新近列 入3 g p p 技术规范的高速下行分组接入( h s p d a ) 技术因其可实现高速下行数 据传输受到广泛的关注。 由于h s d p a 实际上是一种后3 g 技术，是基于g s m 核心网结构的移动通 信标准上的一种加强技术，因此大部分h s p d a 的研究都是基于3 g 标准平台之 上的。h s d p a 中包括有几项关键技术，其中之一就是a m c 自适应调制编 码技术，a m c 作为一种慢速链路自适应技术，因其可以提高频谱利用率，提高 重庆邮电学院硕1 二研究生论文 系统吞吐量等优点也引起了移动通信研究者们的浓厚兴趣。在国际电联( i t u ) 确定的第三代移动通信标准中，基于g s m 核心网的有两种：w c d m a 和 t d s c d m a 。其中t d s c d m a 是由中国提出并被i t u 确认为正式的第三代移 动通信空间接口技术规范之一，这是中国在近百年来第一个完整的通信技术标 准，也是中国通信业的巨大突破。尽管t d s c d m a 标准现在越来越受到通信 业界的认可和礼遇，并得到了政府和业界同行们的支持，但是相对于w c d m a 标准基础上的h s d p a 已经有很多公司和学者在进行研究的状况而言， t d s c d m a 标准基础上的h s p d a 研究尚未形成规模，而a m c 技术在其中的 应用研究更是一个空白，这也是作者选择在t d s c d m a 标准基础上研究a m c 技术及其在h s p d a 中的应用的主要原因。 1 1 h s d p a 高速下行分组接入 2 0 0 0 年3 月摩托罗拉在西班牙召开的3 g p p 标准化组织t s g 融蝌第7 次 会议上，提出了高速下行分组接入h s d p a 的最初设想【l 】，该提案得到诺基亚、 贝尔和日本电话电报公司( n t td o c o m o ) 等的纷纷支持。2 0 0 1 年1 月，在美 国波士顿召开的r a n i 的第1 8 次会议上，t s g r a n 公布了h s d p a 的最新标 准化成果3 g p pt r 2 5 。8 4 8 文档成为i m t 2 0 0 0 的重要提案，目前国际上对于 h s d p a 技术的研究正在进行当中。 为了实现提供更高速和更先进的无线数据通信业务的目标，h s d p a 首先要 使用一种新的下行共享信道h s d s c h ，另外还要采用一些新的技术，这些技术 需要实现以下功能：可以快速适应链路变化，可以进行快速的混合a r q 和可以 在h s d s c h 上快速安排各用户的时间分配。有了这些技术，才可能为用户提 供更高的数据速率。从目前h s d p a 关键技术的研究结果来看，h s d p a 确实可 以显著提高下行的峰值数据速率，而且有些关键技术已经相当可行，具备实用 价值。 1 1 1 h s d s c h 信道结构 像上面提到的，h s d p a 引入了一种新的传输信道_ h s d s c h 。与目前 的d s c h 非常相似，h s d s c h 对应于一个普通信道码资源，但被几个用户共 - 2 - 重庆邮电学院硕f j 研究生论文 享。h s d s c h 是根据传输时间间隔( h s d s c h 丌i ) 被分配给用户。h s d s c h 的码资源包括几个扩频凶子为1 6 的信道码，图1 2 中给出了一个例子。共享码 资源的主要方法是在时域中进行的，也就是在某一时刻只将h s d s c h 码资源 分配给一个用户。在有些情况下，在同一t t i 中令2 到4 个用户使用分配给 h s d s c h 的信道码集罩的不同码，也许更能满足连续传输的要求。在用户数据 中，n o d eb 也必须给u e 发送伴随控制信令，比如通知按时间安排在紧接着的 h s d s c ht t i 的下一个u e ，当然在码复用的情况下可能是多个u e 。同样地， 另外的低层控制信息也必须在其中发送，如传输格式指示t f c i ，包括采用何种 调制和编码机制的信息，与混合a r q 相关的信息等。 这类控制信息只用于那 些在h s d s c h 上接收数据的u e ，因此它们也可以在共享控制信道上发送。 ，鲚= 1 言钎- 2 奄 暑s f 。4 c 薯s f ：b 嘉s f = 1 0 c o d 铭 a l l o c a t e dt o h s d s c h h 孓0 s c ht t i 呈型! ! 苎苎! 竺皇型墅蔓皇望里型i 竺苎竺巳壁 图1 2 ：码资源分鼠示例和h s - d s c ht t i 结构 1 1 2h s d p a 的关键技术 h s d p a 包括几项关键技术：a m c ，混合a r q ，f c s 和m i m o 等。这里主 要讨论a m c 之外的几项关键技术【2 】。 1 1 2 1混合a r q ( h - a r q ) h a r q 是隐含的链路自适应技术，是a r q 和前向纠错( f e c ) 相结合的 纠错方法，通过发送附加冗余信息，改变编码速率来自适应信道条件。就像在 重庆邮哇l 学院硕 ：研究生论文 a m c 中直接的c i 测量或类似的测量被用来决定调制和编码格式一样，i - i a r q 根据链路层确认信息来进行重传判决。 对于h a r q 中较为重要的编码解决方案，目前 3 1 q j 采用i i 类h a r q 或者 是1 1 1 类h a r q 。i i 类h a r q 是递增冗余( i r ) 的a r q 方案。重传信息为递 增冗余信息接收端只有将该重传信息与接收端缓存的码字合并后才能译码。 i i i 类h a r q 也是i r 的方案，不同的就是重传码字有自解码能力。因此接收端 可以直接从重传码字中解码恢复数据，也可以将出错的重传码字与已有的缓存 码字合并后解码。i i i 类h a r q 还分两种：一种是单冗余版本的，另一种是多 冗余版本的【4 】。 关于h a r q 的实现，还需要考虑u e 缓存器的复杂性，以及u e 和r n c 的处理时间。h s d p a 的传输时间白j 隔( 1 v r i ) 越短，处理时间也越短，因而也 减少了t u r b o 码解码时间，从而还可以增加子信道数。 1 1 2 2快速小区选择( f c s ) 高速数据速率系统是不希望进行软切换的，因为这样会在前向链路上引入 额外的干扰，而且束缚了多个基站的硬件资源。因此对h s d p a 高速数据传输 系统而言，为了更有效地利用基站的发射功率、减小下行链路干扰以及提高整 个系统的吞吐量，就需要对通信小区进行快速地选择。在f c s 过程中，移动台 根据不同小区的下行链路导频信道信号强度以帧为单位快速选择能为它提供最 佳服务质量的小区，从而达到降低干扰和提高系统容量的目的。u e 会每隔一帧 选择最好的小区位置，并要求其发送数据。该技术是位置选择分集( s s d t ) 的 一个特例，仅用于加强的d s c h 信道。 一- 在s s d t 情况下每个小区会被分配一个临时i d ，u e 则会被周期性地告知 所连接着的小区的原始i d 。u e 选择的非当前小区会关掉它们的发射功率。但 在f c s 情况下，u e 每隔一帧选择最好的小区接收d s c h 上的数据。而活动集 ( a c t i v es e t s ) 中没被u e 选择的其他小区则只是简单地不发射。s s d t 的激活、 终止和i d 分配都是由高层信令来执行的，而f c s 是无论什么时候只要加强 d s c h 被激活，它就开始执行。 1 1 2 3 。多入多出天线技术( m i m o ) 如图l - 3 所示的采用空时编码的m i m o 系统，因其有多发射和多接收天线 的组合，所以可以提高数据速率，对抗衰落，增加下行容量，且有较好的性价 比。 丫bs p a c e - t i m e r- 二 d e i n t e d e a v e & d e c o d e 图1 ：m l m o 系统 c h a n n e l i n f o 国际上对于m i m o 的研究已经有相当多的成果，从【5 】中的仿真结果( 图 1 - 4 ) 来看，确实可以显著提高数据速率。 图1 - 4 sm i m o 仿真结果 重庆邮电学院硕士研究生论文 1 2 t d s c d m a 系统 i t u 在提出第三代移动通信系统的概念时考虑到系统的商用是在2 0 0 0 年左 右，工作频率在2 0 0 0 m h z 频段，最高数据传输速率是2 0 0 0 k b p s ，故将其命名 为国际移动通信系统i m t 2 0 0 0 ( i n t 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 ) 。 经过多次的严格评估和修改，2 0 0 0 年5 月，在全球无线电大会( w r c 2 0 0 0 ) 上， 正式批准第三代移动通信系统( i m t 2 0 0 0 ) 无线接口技术规范建议一一 i m t r s p c 。在此国际标准i m t r s p c 中，无线接入网可以用如下5 种技术标准： 两种t d m a 标准： s c t d m a ( 美国的u m c 1 3 6 ) m c t d m a ( 欧洲的e p d e c t ) 三种c d m a 标准： m c - c d m a ( c d m a 2 0 0 0 ) d s c d m a ( w c d m a ) c d m at d d ( 包括t d s c d m a 和u t r at d d ) 目前公认的主流标准只有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 3 种，其 中w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统是基于f d d 模式，f d d 模式是上、下行 数据工作在对称的上行和下行频带：t d s c d m a 基于t d d 模式，t d d 模式是 上、下行数据工作在相同频率，但不同的上行和下行时隙。 1 。2 1t d s c d m a 系统介绍 t d s c d m a 综合使用了f d m a 、t d m a 和c d m a 技术，上行和下行链路 在同一频点、不同的时隙进行双工通信。由于t d s c d m a 在同一频点上进行 双工通信，并且上、下行间隔的时间短，这就使得上、下链路的信道特性基本 一致，这才有可能充分发挥智能天线等先进技术的潜在优势。t d s c d m a 的时 隙按上、下行链路所需的数据量动态分配，这不仅仅适合于对称的如传统的语 音业务，尤其适合于日益增长的非对称的实时、非实时数据业务，如互联网业 务。 霞庆邮电学院硕i j 研究生论文 1 2 1 1 t d - s c d m a 系统帧结构 t d - s c d m a 系统的每个射频信道带宽为1 6 m h z ，系统速率为 1 2 8 m c h i p s 。每个t d d 无线帧长1 0 m s ，t d s c d m a 将每个无线帧分为两个 5 m s 的子帧。如图卜5 所示，每个子帧由7 个主时隙和3 个特殊时隙一下 行导频时隙( d w p t s ) ，上行导频时隙( u p p t s ) 和保护时隙( g p ) 构成。 i 2 8 m c h i p s d w p l s ( c h i p s ) 1 s w i t c h i n gp o i n t l t s 丹t s 2 十t s 3 十 i l t s 6 t s o i r甜 t s 5 t 图1 - 5 ：t d - s c d m a 子帧结构 其中时隙突发( b u r s t ) 的结构参见图卜6 。每个突发有前后两个数据部分 ( 3 5 2 c h i p s ) 和居中的训练序列m i d a m b l e ( 1 4 4 c h i p s ) ，在每个突发最后有 1 6 c h i p s 长的g p 。数据区中的数据比特先调制为数据符号( s y m b 0 1 ) ，然后再采 用正交可变扩频因子( 0 r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，0 v s f ) 码对 s y m b o l 进行扩频。这样，每个突发可以由o v s f 码( s f = i 、2 、4 、8 、1 6 ) 分为 卜1 6 个码道( c o d ec h a n n e l ) 。m i d a m b l e 序列是给多用户检测中进行信道估计 时使用的，它不进行扩频及扰码。 圈1 与：t d - s c d m a 突发结构图 1 2 1 2t d s c d m a 系统基本调制参数 表1 - 1 ：t d s c d m a 系统的调制参数 l 码片速率l i 2 8 m c p s i 重庆邮i 乜学院硕i ：研究生论文 载频带宽1 6 m h z 数据调制方式 q p s ko r1 6 q a m 脉冲成删滤波器 滚降系数为0 2 2 的升余弦滤波器 扩频 每个符号扩频成q 个正交的码片， 其中q = 2 9 ，0 - p 4 在本文的所有仿真条件均遵照这份参数表，具体的调制和扩谱方式可以参 见1 6 l 。 1 2 - 2t d s c d m a 系统特点 t d s c d m a 是一种t d d 模式技术，比起f d d 来说更适用于上下行不对称 的业务环境，是多时隙的t d m a 与直扩c d m a 、同步c d m a 技术合成的新技 术，同时采用了先进的智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 技术，充分利用了t d d 上下 行链路在同一频率上工作的优势，这样可大大增加系统容量、降低发射功率、 更好地克服无线传播中遇到的多径衰落问题：另外在t d s c d m a 中还用到了 联合检测( j o i n td e t e c t i o n ) 、软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 、接力切换( b a t o n h a n d o v e r ) 等技术，这使得系统在性能上有了较大程度的提高，在硬件制造方 面则降低了成本。 在对频谱资源的利用也要比f d d 系统更为灵活。f d d 系统的上下行通道 要占有相同的带宽，而且上下行之间需要有几十兆赫兹的频率间隔作为保护。 而目前移动通信系统面临的一个重大的问题就是频谱资源的极度紧张，在这种 条件下，要找到符合要求的对称频段是非常困难的。而t d s c d m a 系统作为 t d d 模式的一种，在频谱利用上可以作到见缝插针，只要有一个载波的频 段就可以使用，从而能够灵活有效的利用现有的频率资源。 在同等频带宽度下，由于t d s c d m a 系统是多时隙结构，并且理论上能 工作在满码道情况下，小区的容量将大于f d d 系统。同时t d d 系统可以根据 业务的具体要求，灵活的分配时隙和码道，而f d d 系统只能通过调整码道的分 配来适应不对称业务的需求，因而，t d s c d m a 系统更容易满足不对称业务的 需要。 在系统组网方面，由于3 g p p 在制定第三代标准时已充分考虑了已有的第 二代网络的投资，因此t d s c d m a 系统将尽量与3 g p p 制定的第三代标准在 重庆邮电学院颂i = 研究生论文 高层取得一致，以更好地实现第二代网络向第三代网络的演进与过渡。中国提 出的t d s c d m a 技术，在技术上被公认有明显优势。根据此标准所丌发的设 备可以达到提供高频谱利用率、灵活和低成本的目标，在市场上将具有很强的 竞争能力。 1 3 论文结构 本文结合a m c 已有的研究成果，借鉴在其他领域的应用情况，重点研究 了a m c 在t d s c d m a 标准基础上的h s d p a 技术中的应用，并通过研究分析 得到采用a m c 技术后系统性能的变化，以及测量误差对自适应调制编码系统 的影响。这些结论对于t d s c d m a 标准的研究和完善有很大的推进作用，对 于t d s c d m a 系统产品的开发具有一定的参考价值，而且对移动通信中高速 数据下行技术的研究有较高的借鉴意义。 论文的内容结构安排如下： 第一章先介绍了h s d p a 的发展情况和h s p d a 中采用的一种新的信道结构 以及除了a m c 之外的几项关键技术，然后是t d s c d m a 标准的概述。 第二章重点研究了a m c 技术的各方面情况。首先介绍a m c 技术研究的起 源，以及a m c 研究的历史和发展现状。接着在简单叙述了a m c 技术的基本原 理后，给出了a m c 技术可以使得系统自适应于变化的信道条件并使系统吞吐 量最大的原理推导，最后以一次完整的a m c 自适应调整的过程为例对a m c 技 术在h s p d a 中的实际应用时的情况作了一番具体描述。 第三章介绍了本文研究中所采用的仿真工具后，给出了所采用的仿真假设 和条件，最后对整个a m c 仿真链路的设计方案作了描述。 1 。+ 第四章给出了最后的仿真结果以及一些中间结果，并对所有的曲线及数据 作了说明和分析。 最后的结论对全文的研究内容作了归纳和总结。 重庆邮电学院硕 研究生论文 第二章a m c 自适应调制编码 实际的无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性。时变特性是由终端、 反射体、散射体之间的相对运动或者仅仅是由于传输媒介的细微变化引起的。 因此，无线信道的信道容量也是一个时变的随机变量，要最大限度地利用信道 容量，只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是使编码调制方式 具有自适应特性。a m c 技术，就可以根据信道的情况确定当前信道的容量，根 据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现比较高的 速率；而且，针对每一个用户的信道质量变化，a m c 都能提供可相应变化的调 制编码方案以适应，从而可提供高速率传输和高的频谱利用率。 2 1a m c 技术概述 2 1 1 技术起源 无线信号经常是在非常恶劣的环境中传播，这使进行高效频谱利用率的调 制变得困难。例如，由于无线信号通过各种不同的发射物后引起大量的传播路 径时延，因多径传输造成的色散严重影响了信号的质量；在宽带无线通信中色 散还会造成符号间干扰。无线信道环境的恶劣也增加了移动性的影响当接 收方或发送方移动时，干扰模式在多径传输的情况下会不断改变，其作用就是 通常所说的快速多径衰落。除了由比信号无线波长大得多阻挡物造成的频率反 射外还有散射和衍射等，这些都会干扰信号。其他的干扰还包括较慢的对数正 态阴影衰落和发送方与接收方相对距离改变引起的路径损耗变化。上述的这些 不仅只影响宽带无线通信，窄带的无线传输也会被不断变化的c s n r ( 信道信 噪比) 所影响。多径衰落在窄带情况下可以看作平坦衰落，也被成为非频率选 择性衰落。如果衰落是平坦的，传输的信号带宽要比相干带宽小。时域中，这 就意味着一个已调符号的周期比传播路径时延的时域扩展大得多。与之相反， 如果传输的信号带宽比相干带宽大，则对信号产生频率选择性( 非平坦) 衰落。 窄带传输的平坦衰落一般用统计分布来建模，例如瑞利，莱斯或者n a k a g a m i 。 莱斯信道模型主要体现视距传播和非直接散射的衰落情况，瑞利衰落则是其没 重庆邮电学院硕j ：研究生论文 有视距传播时的特例。n a k a g a m i 信道模型中也包括瑞利衰落这个特例，而且 n a k a g a m i 信道模型和莱斯信道模型可以通过公式中参数的某种取值而联系起 来。 衰落信道不断变化的c s n r 可以导致严重的错误突发，有种解决信道质量 波动的方法就是自适应传输利用反馈信道为发送端提供c s i ( 信道状态信 息) 。其实早在1 9 7 1 的时候，m u r a k a m i 和n a k a g a m i 就建议了类似的一种技术 来解决星地通信中的衰落问题把地球到卫星的链路当作反馈信道来提供 c s i 。早期，人们提出了两种自适应传输的方法。一种是利用信道的可逆性，也 就是发送方根据c s i 改变发送功率从而保证在接收方c s n r 为常数。而由于深 度衰落的不可预测性，有时候发送方需要以非常高的功率等级发送信号，这就 对系统的发送功率提出更高的要求。事实上，g o l d s m i t h 和v a r a i y a 在【7 】中已经 说明这种方法的不可行性。另外一种不同的方法是通过改变传输速率来适应信 道条件变化，但该方法要求带宽是可变的，所以当带宽是固定的时候，此法就 行不通了。接着有种建议的方法就是根据信道质量改变调制时信号星座大小【8 】 和编码机s j j 9 。将这些方法与其他自适应技术结合的方案也曾经被建议过【1 0 】。 但最终只有同时改变调制星座和编码机制的方法获得了人们的青睐。 g o l d s m i t h 在【7 】中得到了收发双方都有理想的c s l 时平坦衰落下单用户的 信道容量( 其中的c s i 就是这里的c s n r ) ，又在 1 l j q a 探讨了n a k a g a m i 多径 衰落( n m f ) 信道的特例，得到了这些信道的封闭形式的表达式。g o l d s m i t h 表明了通过特定的自适应传输机制可以得到任意衰落分布的信道容量。在该机 制中每个信道符号中的信息比特数是根据c s n r 连续不断地更新的：c s n r 高 的时候发送速率也高：c s n r 降的时候发送速率也要平滑地降下来；低于一个 门限值的时候变为零。此时一个常发送功率的速率自适应系统的容量接近理想 系统容量。 这时人们开始注意到采用自适应传输机制可以改善信道容量，而如何自适 应地调整调制和编码机制，不同的调整方式对于系统性能又有怎样的影响，这 些新问题就又摆在了研究者们的面前。至此，通往a m c 这种链路自适应技术 研究的大门就已经打开了。 重庆邮电学院硕i ：研究生论文 2 1 2 研究历史及发展现状 起初人们将眼光集中到了调制技术上：s m a l a m o u t i 等人提出了瑞利衰落 信道下的自适应m p s k 调制【1 2 】，w t - w e b b 和r s t e e l e 研究了移动无线电中 的变速率q a m 8 ，a j g o l d s m i t h 等提出了应用于衰落信道的变速率、变功率 的m q a m 调, u l t o 。 在此之后，人们开始研究衰落信道下的自适应已编码调制，以及不同自适 应传输和分集合并技术下的瑞利衰落信道容量等内容，因此这一时期 ( 1 9 9 8 1 9 9 9 ) 的研究重点主要集中在衰落信道( 如瑞利衰落信道，n a k a g a m i 衰落信道等) 条件下自适应调制技术( 主要是q a m ) 在提高带宽效率和频谱利 用率方面的应用上【7 】，【9 】- 【l l 】，【1 3 一 2 4 】。接着，随着采用衰落估计的时变信 道条件下的白适应编码的提出，自适应已编码调制技术开始真正成为了时变信 道条件下提高频谱利用率的一个研究热点。 从2 0 0 0 年开始a m c 技术的研究进入了一个全面繁荣的时期。作为一种链 路自适应技术，a m c 技术除了其可以提高频谱利用率的特点外，也引起了无线 通信和移动通信方面的专家们将其应用于高速数据传输的兴趣。在无线通信和 多媒体通信方面，a m c 技术因为可以优化信道利用率的被i e e e8 0 2 1 6 3 宽带 无线接入工作组所建议在i e e e8 0 2 1 6 3 中采用【2 5 】【2 6 】；在视频的无线传输方 面，a m c 技术对其性能的影响也在研究当中【2 7 】；甚至还有其在红外线传输中 的应用研究【2 8 】。移动通信方面，由于3 g 的兴起，在标准化组织3 g p p 和3 g p p 2 中，a m c 在h s p d a 技术及o f d m 中的应用成为一些工作组的主要讨论内容 【2 9 - 【3 6 】。同时a m c 与h a r q 技术的结合使用的研究也吸引了相当多研究者 的注意 3 7 3 8 1 1 3 9 1 。 总的说来对于a m c 技术的研究主要是集中在对其进行改进或者将其与其 他技术联合使用，及其在不同领域的应用方面。这其中包括了联合使用：与 h a r q 技术的结合和与功率控制技术的结合等【4 0 】【4 l 】【4 2 】；技术改进：采用 b i c m 方案【2 4 】，采用天线分集【4 3 】【4 4 】，优化调制等级的切换【4 5 】等；不同领域 的应用：应用于未来无线网络【4 6 】，应用于3 g 无线系统，应用于m i m o h s d p a 4 7 ，应用于o f d m ，应用于视频的无线传输，应用于红外线传输等。 受国外研究的影响，国内的学者们也开始关注这一领域 4 】 4 8 】【4 9 】【5 0 】，但 1 2 重庆邮电学院硕i j 研究生论文 其中并没有真正对a m c 技术作具体的研究的工作。 2 2a m c 基本原理 2 2 1 原理概述 a m c 技术的基本原理用最简单的一句话来概括就是根据不同时刻信道条 件的变化( 时变信道的特点) ，动态地、 而提高频谱利用率。 自适应地调整编码速率和调制阶数，从 a m c 系统，根据系统的c i 测量或者相似的测量报告决定编码和调制的格 式。这里的测量一般是指对c s n r ( c h a n n e ls i g n a l - t o n o i s er a t e ) 的测量，可 以预先对c s n r的取值的变化范围进行量化，如 r 、 厂l o ，厂i ，厂2 ，厂， 厂l y 2 7 ，相应地发送机和接收机由于成对使用故 分成n 对，则第n 对收发机当7 沙一，厂川) 时有效，特别地，当厂【0 ，y - ) 时，a c m 系统停止发送，因为此时信道质量已经非常恶劣以至于无法有效地传送任何信 息。在a c m 系统中，编码一般采用r c p t ( r a t ec o m p a t i b l e p u n c t u r i n gt u r b oc o d e s ) ，调制可以采用b p s k 、q p s k 和一些高阶调制如 m p s k m q a m ，不过目前在各个主流移动通信标准中都是采用q p s k 和 m q a m 。由于r c p t 通常与h a r q t y p e - i i 或者h a r q - t y p e - i i i 结合使用，所以 有些研究【3 7 】【3 8 】【3 9 】是将a m c 与h a r q 技术联合进行使用的。 在第三代移动通信标准中，a m c 技术可以根据不同信道条件来采用q p s k 和1 6q a m 两种调制方式，以及各种t b s ( 传输块大小。对于1 2 8 m c p st d d 来说，是用6 b i t 的r t b s 确定的6 4 种传输块大小) 的不同组合，从而支持最大 1 4 4m b p s ( w c d m a ) 、2 8 m b p s ( t d s c d m a ) 的峰值数据速率。在采用a m c 的系统中，离基站较近的用户会被分配较高的调制等级和较高的编码速率，而 调制等级和编码速率会随着用户与基站距离的增加而降低。支持更高数据速率 的a m c 系统可以在不需要快速下行功率控制下得到更高的频谱利用率，而且 不用快速下行功率控制可以减小干扰的变化，也使调度安排更加容易。当然， 在采用a m c 的时候h s d s c h 上的功率控制是禁用的。 重庆邮电学院硕l 研究生论文 a m c 所面临的主要技术挑战是其对测量误差和时延比较敏感的问题。为了 选择合适的调制方式，调度程序必须清楚信道质量情况。也就意味着当信道条 件估计有错时，调度程序会选择错误的数据速率，使得系统不能自适应于信道 变化，不仅起不到优化作用，反而使性能更差。同样，报告信道测量结果时的 延迟也会降低信道质量估计的可靠性。尽管如此，但在3 g p p 的各标准中并未 因此对测量有任何新的规定和要求，所以本文也对测量误差如何影响自适应调 制编码系统的性能作了尝试性研究和分析。 采用a m c 算法后，由于系统可以根据信道条件的变化( g t 缓慢的变化) ， 自适应地调整传输块大小和调制方式，所以能使得系统总是最优地适应信道， 从而得到最大吞吐量，意即总适应信道容量的变化，达到最大的频谱利用率。 但这里面有个前提就是信道条件的变化必须让a m c 的系统跟得上。因为a m c 算法本身就是一种较慢速的链路自适应技术，对于较缓慢的信道变化，该算法 的好处是显而易见的：而如果信道条件变化的速度过快，a m c 算法就无法起到 链路自适应的作用。所以在考虑仿真实现、选择仿真条件时要注意这一点。 2 2 2 原理推导 a m c 算法原理的基础是无线信道的信息论。g o l d s m i t h 和v a r a i y a 在假设发 送端和接收端都知道理想的信道状态信息( c s i ) 的情况下，得到了衰落分布为 任意的单用户平坦衰落信道的信道容量。其中所需的c s i 就是c s n r y 。对于 一般的平坦衰落信道( c s n r 的概率分布函数b ( 厂) ) ，假设平均传输功率为固 定值时，其容量为 c = b l ，i 。9 2 ( 1 + r ) p , ( r ) e r b j f t s s 】 ( 2 - 1 ) 根据这个结果，a l o u i n i 和g o l d s m i t h 在【1 3 】中确定了一种封闭形式的单位 带宽容量表达式，或者叫最大平均频谱利用率( m a s e ) ，在n a k a g a m i 多径衰 落信道( n a k a g a m im u l t i p a t hf a d i n g ，下文有详细介绍) 下为 暑= 品篓c 抄叱争俐胁， t 2 埘 重庆邮电学院硕 ：研究生论文 其中1 卜，是不完全g a m m a 函数的余函数。 g o l d s m i t h 和v a r a i y a 发现采用特定的自适应发送机制可以得到固定平均发 射功率时任意平坦衰落信道的容量，这个事实成为了研究a m c 算法的依据和 动力。为了得到更高的信道容量，信号星座大小以及信息速率必须根据信道质 量( 也就是c s n r y ) 的变化连续地进行更新：c s n r 高的时候发送速率也高， c