（通信与信息系统专业论文）现代移动通信系统中自适应链路技术研究.pdf

摘要 摘要 c d m a 是第三代移动通信系统的主流技术，o f d m 调制技术是未来移动通 信系统中最有竞争力的技术之一。在这两种技术中，如何在无线时变信道下有效 利用频谱资源是系统设计时需要考虑的主要问题之一。自适应调制和功率分配作 为提高频谱利用率的方法受到广泛关注，而本文的研究正是围绕自适应调制技术 和功率分配技术展开的。 论文共分为八章。第一章给出了论文研究背景、研究内容及主要贡献。第 二章首先分析了移动通信信道的特性，然后给出了自适应链路技术及自适应调制 技术的研究历程及基本概念。 论文第三章基于时域、频域和时频域，对单用户和多用户o f d m 系统的最 优功率分配形式进行了推导，证明了在单用户和多用户情况下各个子载波都具有 相同的衰落统计特性，因而获得最优功率分配时的最大容量与子载波个数无关， 只与信道本身特性有关。根据上述分析，最后提出了简单实用的等功率分配算法， 分析结果表明了这种算法的性能接近于频域最优算法。 论文第四章从信道的马尔可夫模型出发，从理论上推导了信道预测和非信道 预测两种情况下的有效频谱效率公式，分析了多普勒频移和帧长对系统频谱效率 的影响，同时推导出系统在这两种情况下的平均延时。理论分析表明了信道预测 对于提高系统的频谱效率非常有效。 针对m m s e 信道预测算法，论文第五章研究了信道估计误差对预测性能的 影响，同时通过分析出相关矩阵的对称正定的特性，提出了一种简单的迭代算法， 仿真结果表明该迭代算法可以得到接近m m s e 的性能，且复杂度较小。 论文第六章提出了基于自适应链路技术的0 f d m 系统结构，并通过对f d d 和t d d 两种方式下的自适应调制技术的研究，提出了平坦衰落信道条件下的迭 代自适应调制的方案，进而给出了一种应用于0 f d m 系统的迭代自适应链路方 案，这一方案将自适应调制、交织、功率控制以及导频插入技术有机地结合在一 起，仿真表明这种技术可以获得比较大的增益。这一章的最后从理论上分析了交 织和信道预测对系统性能的影响。 东南大学博士学位论文 论文第七章提出了一种新的调制方式分类算法，并将算法应用于h d r 系统。 同时采用导频信纳比和数据信纳比分时反馈的自适应调制方式，仿真结果表明了 这种分类算法非常有效。而且系统通过o n o f f 功率控制，降低了功率消耗，提高 了系统的频谱效率，但是这种提高的程度随多普勒频移的增大而减少。 论文最后一章对论文内容及作者贡献进行了总结，并对可以进一步研究的问 题进行了讨论。 关键词：自适应调制功率分配信道预测帧长自适应自适应链路o f d m 系统 调制方式分类h d r 系统 a b s t r c t a b s t r a c t c d m ai st h em a i ns t r e a mi n 3 ”g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd m s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i so n eo f t h em o s t c o m p e t i t i v e t e c h n o l o g i e si nt h en t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o wt oe f f i c i e n t l yu t i l i z e s c a r c ew i r e l e s ss p e c t r u mi nt i m e - v a r y i n gc h a n n e l sb e c o m e so n eo ft h em a i n p r o b l e m s f o rf u t u r ew 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 o n es o l u t i o nt ot h ep r o b l e mi st ou t i l i z e a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o n t e c h n i q u e s w h i c ha r es t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s e i g h tc h a p t e r s c h a p t e r o n e g i v e sb a c k g r o u n do f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i nc h a p t e rt w o ，m o b i l ec h a n n e lc h a r a c t e r sa r ea n a l y z e da n d c o n c e p ta n dd e v e l o p m e n t o f a d a p t i v em o d u l a t i o n a r eg i v e n i n c h a p t e rt h r e eo p t i m u mp o w e ra l l o c a t i o ne q u a t i o n so fo f d ms y s t e mw i t h o d e 。u s e ra n dm u l t i 。u s e ra r e d e r i v e di nt i m e d o m a i n ，f r e q u e n c y d o m a i na n d t i m e f r e q u e n c yd o m a i n c o n c l u s i o n sa r ed r a w nt h r o u 曲t h e o r ya n a l y s i st h a te a c h s u b e a r r i e rh a st h es a r f l e f a d i n g s t a t i s t i c sc h a r a c t e r sf o ro n e u s e ra n dm u l t i u s e r s y s t e m s t h e nm a x i m u m c a p a c i t ya c h i e v e db yo p t i m u mp o w e ra l l o c a t i o ni si r r e l e v a n t t ot h en u m b e ro f s u b c a r r i e r s f i n a l l y ，as i m p l ee q u a l p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e dw h i c hc a na c h i e v es i m i l a rp e r f o r m a n c et oo p t i m u m a l g o r i t h mi nf r e q u e n c y d o m a i n u t i l i z i n gm a r k o vm o d e l o f c h a n n e l ，i nc h a p t e rf o u r , e f f e c t i v es p e c t r u me f f i c i e n c y e q u a t i o n sa r ed e r i v e di nt h et w oc a s e sw i t ho rw i t h o u tc h a n n e l p r e d i c t i o n i n f l u e n c e o f d o p p l e rs h i f ta n dp a c k e ts i z ei sa n a l y z e do ns y s t e ms p e c t r u me f f i c i e n c y a tt h es a m e t i m e ，a v e r a g ed e l a y s a r ed e r i v e df o rt h et w oe a s e s n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a t c h a n n e l p r e d i c t i o ni sv e r ye f f e c t i v ef o ri m p r o v i n gs y s t e ms p e c t r u m e f f i c i e n c y i n c h a p t e rf i v e ，i n f l u e n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ri ss t u d i e do nt h e p e r f o r m a n c eo fm m s e p r e d i c t i o na l g o r i t h m ，an o v e li t e r a t i v ea l g o r i t h mi sp r o p o s e d b ya n a l y z i n gs y m m e t r ya n d p o s i t i v ed e f i n i t e n e s so f t h ec o r r e l a t i o nm a t r i x s i m u l a t i o n 查壹盔兰竖圭兰堡垒塞一一 一 r e s u l t ss h o wt h a ti tc a na c h i e v ep e r f o r m a n c ec l o s et ot h a to fm m s ep r e d i c t i o nw i t h o n l yl o wc o m p l e x i t y a d d i t i o n a l l y , o f d ms y s t e m s t m c t u r ei s p r o p o s e d t ou t i l i z e a d a p t i v e l i n k t e c h n i q u ei nc h a p t e rs i x t h e n an o v e li t e r a t i v e a d a p t i v em o d u l m i o na l g o r i t h m i s p r o p o s e db yt h ea n a l y s i so fa d a p t i v em o d u l a t i o ni nf d da n dt d d m o d e si nf l a t f a d i n gc h a n n e l s f u r t h e ran o v e li t e r a t i v ea d a p t i v e l i n ka l g o r i t h mi s p r o p o s e df o r o f d m s y s t e m sw h i c hc o m b i n ea d a p t i v em o d u l a t i o n ，i n t e r l e a v i n g ，p o w e ra l l o c a t i o n t e c h n i q u e sw i t hp i l o ti n s e r t i o nt e c h n i q u e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea l g o r i t h m c a na c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c eg a i n f i n a l l yi n f l u e n c eo fi n t e r l e a v i n ga n dc h a n n e l p r e d i c t i o ni sa n a l y z e d o ns y s t e m p e r f o r m a n c e i nt h e o r y i nc h a p t e rs e v e nan o v e lm o d u l a t i o nc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e da n di s a p p l i e di nh i g h - d a t a - r a t e ( h d r ) s y s t e m a d a p t i v em o d u l a t i o nw i t hp i l o ts i n ra n d d a t as i n ri su s e di nt h i s s y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h i sc l a s s i f i c a t i o n a l g o r i t h mi sv e r ye f f e c t i v ea n dw i t ho n o f fp o w e r c o n t r o l ，s y s t e ms p e c t r u me f f i c i e n c y i m p r o v e sa n dp o w e rc o n s u m p t i o nd e c r e a s e s t h ee x t e n to fp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f d o p p l e r s h i f t f i n a l l y ，c o n c l u s i o n sa r er e a c h e di nt h el a s tc h a p t e na n df u r t h e rr e s e a r c ho n a d a p t i v em o d u l a t i o ni sd i s c u s s e d 。 k e y w o r d s ：a d a p t i v em o d u l a t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o n ，c h a n n e lp r e d i c t i o n ，p a c k e ts i z e a d a p t a t i o n ，a d a p t i v el i n k ，o f d ms y s t e m ，m o d u l a t i o nc l a s s i f i c a t i o n ， h d r s y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里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。 研究生签名：豸g 豆 日期：丝d 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。 研究生签名：亟望豆导师签名：日期：z 册3 o 篁二兰堕笙 一 第一章绪论 当今世界已经进入了飞速发展的信息时代，通信则成为信息产业中发展最为 迅速，进步最快的行业。其中，移动通信作为快速、便携、可靠方便的通信方式 更是倍受关注。移动通信网与i n t e m e t 网的发展和融合，才能实现真正意义上的 个人通信，即实现任何人在任何时刻、任何地点和任何人进行任何种类的信息交 换。因此移动通信是实现未来个人通信的关键。 1 1 论文研究背景 上世纪6 0 年代末，美国贝尔实验室等单位提出了蜂窝系统的概念和理论使 得向所有人提供无线通信能力的构想成为现实。面到了7 0 年代，大规模集成电 路技术、微处理技术和表面装贴工艺的广泛使用，为蜂窝移动通信的实现提供了 技术基础 1 】。从那以后，移动通信发生了重大的变化并得到了迅速的发展。经 历了第一代模拟移动通信系统、第二代数字移动通信系统和目前即将商用的第三 代宽带数字移动通信系统。未来移动通信系统一后三代移动通信系统( b e y o n d3 g ) 的研发也已经正式启动2 1 。 第一代模拟移动通信系统的主流技术包括北美的a m p s ( 先进移动电话业 务) 、欧洲的t a c s ( 全接入系统) 、北欧的n m t ( 北欧移动电话) 、日本的n t t ( 日本电话和电报) 等。虽然取得了很大的成功，但也暴露了一些问题如容量小、 频谱利用率低、移动设备复杂、费用较贵、业务种类单一以及保密性能差等缺点 3 ，解决上述问题的方法是引入利用数字传输方式的第二代移动通信系统。其 代表是欧洲的g s m ( 全球移动通信系统) 、目本的p d c ( 个人数字蜂窝) 、美国 的i s - 1 3 6 ( d a m p s ) 以及i s 一9 5 ( u sc d m a ) 系统。它们提供了更高的频谱利 用率、更好的数据业务以及比第一代系统更先进的漫游能力。然而第二代数字移 塑堕盔兰竖主兰垡丝兰 动通信系统在很多方面仍然没有达到人们的要求，比如传输速率过低、与多媒体 技术要求相距甚远、不能实现全球覆盖无缝漫游。 对更高比特率数据业务和更好的频谱利用率的迫切要求，是推动第三代移动 通信系统发展的主要动力。在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 ) ，第三 代移动通信系统( t h e3 一g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 简称：3 g ) 被称 为i m t - 2 0 0 0 ，而在欧洲称为全球移动通信系统u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 。目前，国际上有关第三代移动通信标准的融合和讨 论已经完成，陆地系统选用三种主流体制。即w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 。区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，第三代移动通信系 统至少要实现下列的基本目标【4 ： 支持多媒体业务的能力：i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术要求在 快速移动环境下最高速率达1 4 4 k b p s ；室外到室内或步行环境下最高速率达 3 8 4 k b p s ；室内环境下最高速率达2 m b p s 。 分组数据：在第三代移动通信系统中，电路交换和分组交换将共同存在， 提高传输的灵活性和信道效率。 全覆盖和移动：第三代移动通信系统即便不能形成统一的全球标准，但也 要实现兼容的标准，从而实现全球漫游。 增加非对称传输模式：由于新的数据业务，比如w w w 浏览，具有固定 的非对称性。而第二代移动通信系统只支持对称业务。 高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性，便于向4 g 过渡演进。 然而，第三代移动通信系统仍然不能支持超过2 0 m b p s 的高速数据业务以及 很大的范围( s k b p s 到2 0 m b p s ) 的业务，并且第三代移动通信也不能实现真正意义 上的全球漫游，因此，近年来些学者又提出了未来移动通信系统的新构想 第四代移动通信系统的概念 5 8 。一些大学和公司已经开展了第四代的研究。比 较有规模的是欧洲的b r a i n 计划。该计划是英国电信、法国电信、诺基亚、爱 立信、西门子、伦敦大学国王学院等合作进行的，以欧洲为主。另外还有日本 n t t d o c o m o 移动通信公司以及美国a t & t 公司也在开展第四代的研究。然而， 有关第四代的观点目前还处于各抒己见的阶段，没有形成具体的标准。 第四代移动通信系统技术有两个基本目标：一是实现无线通信全球覆盖，二 ： 苎二兰堕堡 是提供无缝的高质量无线业务。为了达到这个目标，需要在下列几个方面作出努 力；频谱的高效使用、带宽的动态分配、安全的无线应用、更高的服务质量、高 性能的信号调制传输技术。 正交频分复用调制技术( o f d m ) ，作为第四代移动通信的候选技术之一，是 种可克服信号时延扩展，很有前途的传输手段，它是一种并行传输方法，利用 许多并行的、传输低速率数据的子载波来实现一个高速率数据的通信。它主要有 以下几个优点( 5 ： 可以支持高速数据传输，具有抗符号问干扰的作用 频谱利用率高； 有效地对抗窄带干扰； 实现复杂度低。 并行传输和o f d m 的概念可以追溯到上个世纪5 0 年代末期，在6 0 年代， 已经将其应用在一些高频军事系统中，如k i n e p l e x 系统 9 1 2 乏k a t h r y n 系统 1 0 。 特别是在7 0 年代早期，离散傅立叶变换应用在o f d m 系统中，使得o f d m 系 统的实现变得简单。在过去的十年里，随着大规模集成电路的发展，o f d m 调 制技术在宽带数据通信中得到广泛的应用。比如，高速数字用户线( h i g h b i t - r a t e d i g i t a l s u b s c r i b e rl o o p ，h d s l ) 速率能达到1 6 m b p s ，非对称数据用户线 ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，a d s l ) 速率达到6 m b p s ，而超高速数据用 户线( v e r y - h i g h _ b i t r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，v d s l ) 速率达到1 0 0 m b p s ，数 字音频广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 1 1 ，1 2 和数字视频广播( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 1 3 ，1 4 也采用o f d m 调制技术。最近，o f d m 技术也 应用到无线局域网( w l a n ) 如i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 l g ，其在5 g h z 载频 频段，提供的数据速率为5 4 m b p s 1 5 。目前，第四代移动通信中的调制技术候 选方案中，o f d m 调制技术具有很强的竞争力 1 6 】。 1 2自适应链路技术的概念 当信道条件、服务分布以及信息类型随着空间和时间而不断改变时，链路传 东南大学博士学位论文 输子系统应该有下面的更灵活更智能的功能【l 7 ： 1 为了适应流量的动态变化； 2 为了能够根据不同的信息类型控制q o s 3 为了适应由于信道衰落引起的信道变化： 4 为了增加系统的容量。 幸运的，在目前，系统设计工程师已经应用了大多数调制技术，如q p s k ， m q a m 和接入技术如c d m a 和t d m a 到无线通信系统中。所以，问题的关键 在于如何有效的合并这些技术从而来创建灵活的无线资源管理和无线传输技术 来满足上述的四个要求。 自适应链路关键技术初步分为 1 7 】：自适应资源管理和自适应传输技术，自 适应资源管理包括动态信道分配。动态帧长分配以及动态差错控制等等，而自适 应传输技术包括传输功率控制，白适应调制，自适应码率，自适应符号速率以及 自适应波束成形技术等等。 虽然自适应链路技术可以提高系统的性能，但是实际的链路设计还要考虑复 杂度的影响。所以自适应链路技术的选择应该是性能与复杂度的折衷。本论文对 自适应传输技术中的自适应调制和功率分配进行了研究，以o f d m 系统和高速 数据速率传输( h d r ) 系统的物理链路为切入点，研究和探讨了自适应调制技术在 这两个系统中的应用。 1 3 论文的研究工作与主要贡献 在m a t l a b 上建立了o f d m 系统和h d r 系统的仿真平台，在不同的移动环 境下对调制模式在o f d m 系统中的应用作了仿真，并对盲检测在高速数据速率 ( h d r ) 系统中的应用作了研究。论文内容安排如下： 论文第二章介绍了移动通信中的信道特性以及自适应调制技术的发展和基 本理论，是以后各章研究的基础。 第三章研究了o f d m 系统的最优功率分配方式。就单用户和多用户情况分 别从时域、频域以及时频域出发，推导了各种情况下的最优功率分配算法，从而 第一章绪论 得出了最优功率分配具有统一的w a t e r - f i l l i n g 形式的结论，只是l a g r a n g e 因子的 取值不同。在r a y l e i g h 信道下，证明了单用户情况下各个子载波的衰落统计特性 完全一致，因而最优功率分配时获得的最大容量与子载波个数无关，即在设计子 载波个数时，需要满足每个子载波的信道为非频率选择性信道的条件即可。对于 多用户o f d m 系统，最大容量也与子载波数目无关。另外，第三章还提出了一 种关于l a g r a n g e 因子的简单迭代算法。并通过理论分析，从时域、频域和时频 域出发，提出了几种简单实用的功率分配算法。理论结果表明这几种算法的频谱 效率分别接近于每种情况的最优。 第四章从信道的马尔可夫模型出发，在理论上推导了信道预测和非信道预测 下系统的有效频谱效率公式，通过公式分析了多普勒频移和帧长对系统频谱效率 的影响。理论结果表明理想信道预测可以获得最优的系统频谱效率，在非倍道预 测系统中对帧长进行自适应调整也可以提高系统频谱效率，但是其频谱效率随着 多普勒频移的增大而逐渐减小。同时推导了系统在两种情况下的平均延时，非信 道预测下的平均延时随着多普勒频移的增大而逐渐增大。 第五章考虑以最小均方误差( m m s e ) 为准则，利用以往的信道参数估计值， 对信道参数进行预测，并利用数值解分析了多普勒频移和采样时间的乘积对信道 预测性能的影响，分析了信道估计误差对信道质量估计的影响。最后提出了一种 复杂度较小的迭代算法。仿真结果表明该迭代算法可以很好的逼近m m s e 算法 的性能。 第六章分析了o f d m 系统中可以变动的各种发送参数，提出了基于自适应 链路技术的o f d m 系统结构，分析了多普勒频移的大小对导频插入技术，交织 技术的影响。从平坦衰落信道入手，对频分复用( f d d ) 矛n 时分复用( t d d ) 两种方 式下的自适应调制技术进行了研究，提出了在平坦衰落下迭代的自适应调制的方 案。即根据多普勒频移和j 帧长的乘积自适应的选择不同调制模式从而获得比较好 的性能与复杂度的折衷。在此基础上，将交织，导频插入以及自适应调制和功率 分配技术结合，提出了基于o f d m 系统的一一种迭代的自适应链路方案，并通过 仿真证明了这种方法的可行性。最后从理论上分析了交织，预测对系统性能的影 响。 东南大学博士学位论文 第七章主要研究了自适应调制算法在h d r 中的应用，提出了一种新的调制 方式分类算法，利用接收到的帧数据在星座图上的每一个点周围区域的分布概率 来确定调制方式，并通过分析对该算法参数的选择进行了讨论，研究结果表明该 方法对自适应调制中的调制分类非常有效，并且复杂度很低，适用于实时处理。 并提出了一种以导频信纳比和数据信纳比分时反馈的自适应调制方案。仿真结果 表明该系统在不改变发射功率的情况下，可以降低功率消耗，而且能够提高系统 的吞吐量，但是这种提高的程度和多普勒频移成反比。 论文第八章总结了论文内容及作者贡献，并对可以进一步研究的问题进行了 讨论。 蔓三兰整垫望堡堡堂鲎丝塑旦重鏖塑型塑薹查堡丝 第二章移动通信信道特性和 自适应调制的基本理论 移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约，发射机与接收机之间的传播 路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建造物、山脉和 树叶等 1 8 。在陆地移动通信系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复 杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加上移动台本身的运动，使 得移动台和基站之间的无线信道多变且难以控制，造成无线信道中信号强度的骤 然降低即所谓的衰落是经常发生的，所以与其它通信信道相比，移动信道是最为 复杂的一种。 2 1 移动通信的信道特性 无线电波通过移动信道时会遇到各种建筑物、树木、植被以及地形起伏，引 起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕射等，遭受来自不同途径的衰减 损害，这些损害可以归纳为三类1 9 1 ： 路径传播损耗：它是指电波在空间传播时所产生的损耗，它反映了传播 在宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 阴影衰落：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产 生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内几百波长量级接收电平的均值 变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢。 多径衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的损耗，它反映微观小范 围内几十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，接收信号场强的瞬时值呈 现快速变化的特征，其衰落特性一般遵从瑞利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c i a n ) 东南大学博士学位论文 分布。 阴影衰落常称为长期衰落，主要来自建筑物和其他障碍物的阻塞效应。多径 衰落常称短期衰落，由移动用户附近的多径散射产生。图2 1 给出了某一衰落信 号的路径损失、长期衰落和短期衰落的示意i 虱 1 8 1 。路径损失和阴影衰落为发射 机与接收机之间长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化，又称为大尺度衰落： 而多径衰落为当移动台在极小范围内移动时，可能引起瞬时接收场强的快速波 动，称为小尺度衰落。小尺度衰落引起无线信号在经过短时间或短距传播后其幅 度快速衰落，而在此很短的时间或距离内大尺度衰落可以认为不变。这里我们主 要介绍小尺度衰落。 审 斟 督 咖 嫂 距离( 对数) 图2 1 某一衰落信号的路径损失、长期衰落与短期衰落 2 2 多径衰落信道的物理特性 移动通信的接收信号，往往不是单一路径的信号，而是许多路径来的众多反 射波的合成。由于不同路径的信号有不同的传播时延，相位也就不同，从而使接 收信号幅度有时因同相迭加而增强；有时却因反相迭加而减弱。这样，接收信号 第二章移动通信信道特性和自适应调制的基本理论 的幅度将急剧变化，即产生了衰落，这就是所谓的多径衰落。一般来说，多径衰 落主要表现出三类特性：一是随机时变特性，又称时间选择性，或多普勒扩展特 性；二是时延扩散特性，又称频率选择性；三是角度扩展特性，又称空间选择性。 所谓选择性是指在不同的时间、不同的频率和不同的空间其衰落特性是不一样的 【1 8 ，2 0 。 2 2 1时延扩展和频率选择性衰落 多径效应除了引起幅度衰减外，还会因时延扩展而引起畸变。当基站向移动 台传送一个脉冲信号s 0 ( f ) = a 0 占o ) 时，由于多径传输，移动台接收的信号显著地 被拉长了。这时移动台接收到的脉冲信号变成： ，( f ) ( 2 1 ) 其中f ，为相对时延；口，为第i 条路径的衰减，上为总路径数。随着移动台附近散 射体数目的增多，接收机所接收到的离散脉冲变成连接在一起的信号脉冲的宽度 为，通常称为传播时延扩展。 根据定义，表示时延扩展的散布程度：越大，时延扩展越严重；越小， 时延扩展越轻。另一个常用的描述多径时延的参数是最大时延l ( x d b ) ，其定义 为：比直达径信号功率下降x d b 的多径信号的相对时延。不存在直达径信号的情 况下，可以用最强的多径信号的功率作为基准。 有两个频率间隔靠得很近的衰落信号，这两个衰落信号存在着不同的时间延 时，可能使两个信号变得相干起来。符合这一条件的频率间隔取决于时延扩展。 这个频率间隔称为相干带宽( 耳) 。相干带宽通常定义为最大时延的倒数，即 皿= 1 瓦。若移动无线信道在比发射信号的带宽大的多的带宽内具有不变的增 益和线性相位效应，即当b ， 乙时，则接收信号将发生平坦衰落， i 为码元间隔，b 。为发射调制的带宽。即传输后，信号中各频率分量所遭受的 衰落是一致的，因而衰落信号的波形不失真。若b 。 b c ，正 r m ，则接收信 号为频率选择性衰落，频率选择性衰落是由发射信号在信道内的时延扩展引起 的。即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形将 产生失真【1 8 】。 、j f o 占口 瑚 o 口 查壹查兰壁主兰堡垫苎一 2 ，2 2多普勒扩展和时间选择性信道 移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，所导致的附加频移称为 多普勒频移，表示为 厶= ；c o s ( 曰) ( 2 2 ) 其中v 是运动速度， 是载波波长。f o = v l 是厶的最大值，称为最大多普勒 频移。矽是入射电波与移动台运动方向的夹角。 在任一时刻，移动台接收到的信号含有来自周围各个方向的反射波多径，假 设入射功率在oe ( 一7 1 ，n ) 区间中是均匀分布的，可得接收信号功率谱密度 2 1 彤，= 甜一陪矿 b 3 ， 其中，p 。，是各向同性天线接收到的平均功率，上式即是c l a s s i c 谱。可见，虽然 发射信号为单一频率正，但接收电波的功率谱s ( ，) 却展宽到正一厶到五十厂d 范围，这就是多普勒频谱扩展。 由于信道的频率扩散是随机的，因此也就造成了接收信号电平的随机起伏变 化。即时间选择性衰落。对于时间选择性衰落，起伏变化的接收信号电平不再相 关的最小时间间隔称为信道的相干时间。时间选择性衰落信道的相干时间定义为 2 0 ： 一 1 0 2 7( 2 4 ) 在相干时间间隔内，多径到达信号具有很强的幅度、相位相关性。假如基带 信号带宽远大于最大多普勒频移，对应在时域中，就是基带信号带宽的倒数( 最 快的符号周期) 远小于信道相干时间，接收机接收到的信号在一个符号周期内变 化不大，可以认为传输是不受多普勒频移影响的，称信道为慢衰落信道，反之， 信道就是快衰落的。 随机时变特性可用多个独立信号源的迭加来表征，当信号源数目很大时，由 中心极限定理可知，接收信号在基带上可以表示为独立的零均值复高斯随机过 第二章移动通信信道特性和自适应调制的基本理论 程，其幅度变化符合瑞利( r a y l e i g h ) 分布，称为瑞利衰落信道。当信号源中有 一直达的( 或反射的) 强径时，则幅度变化符合莱斯( r i c e ) 分布，称为莱斯衰 落信道。本文中的仿真主要针对瑞利衰落信道进行的。 2 3 频率选择性信道的抽头延时线模型 在市区环境下，最大时延乙典型值在5 l o g s 之间，所以最小相干带宽b 。的 值应为i o o k h z 。在第三代和第四代移动通信系统中，信号的带宽远大于信道最 小相干带宽b ，。因此本论文中使用的是典型的频率选择性信道的抽头延迟线模 型，下面进行具体介绍。 设信道带宽为w ，则发射信号s ( f ) 的等效基带信号s t ( t ) 的频带受限于 f l 0 5 w 的等效低通信道的时变冲激响应为 c ( f ；r ) = ( f ) 伊，2 识l ( 吼8 ( t 一靠( f ) ) n = - - o o ( 2 5 1 = c a t ) 8 ( t - n w ) n = - - o o 其中口( f ) 、( f ) 分别是第l q 径的衰减因子和传播时延。其抽头间隔为1 w ，抽 头加权系数为 c a t ) ) 。 c n ( f ) ) 对不同的n 值是不相关( 独立) 的复高斯过程。 c ( f ；t ) 是时变信道冲激响应c ( r ； ) 对f 的傅里叶变换函数，实际应用中，抽头延 时线模型的抽头数可截短为工= l 瓦j + 1 ，则信道的时变传递函数c ( 厂；，) 为： c ( f ，f ) = o a t ) - e - 胁力7 ( 2 6 ) n = 0 在实际的性能仿真中，我们经常使用实测的衰落信道模型，如g s m 标准推 荐的典型的城区、山区与平原乡村地区的6 抽头信道模型和第三代移动通信系统 中使用的m 1 2 2 5 信道模型 2 2 ，2 3 。本文仿真中也采用了m 1 2 2 5 信道模型。 在第三代移动通信的测试环境中，为了仿真及测试多径衰落环境下的系统性 能，给出了室内、室内到室外及步行、车载环境下的传输模型。这些都在i t u r m 1 2 2 5 中给出，具体如表2 1 及表2 2 。( 其中每径的多普勒频移特性都采用 查堕奎堂塑圭兰垡丝皇一 ( 2 3 ) 定义的c l a s s i c 谱) 。 表2 1m 1 2 2 5 信道a 的信道模型 室内环境室内到室外步行环境 车载环境 相对时延i n s 】平均功率 d b l 相对时延【n s 】平均功率 d b 相对时延【n s l 平均功率 d b 】 00 00 0 00 0 0 5 030l i o - 973 1 0- 10 1 1 0，l o ，01 9 0 】9 27 1 09 0 1 7 01 804 1 02 2 8 1 0 9 01 0 0 2 9 0- 2 6 ，0 1 7 3 01 5 o 3 1 0，3 2 0 2 5 l o2 0 0 表2 , 2m 1 2 2 5 信道b 的信道模型 l室内环境室内到室外步行环境车载环境 相对时延【n s 】平均功率 d b 】相对时延【n 司平均功率 d b 】相对时延【n s 】平均功率 d b 】 000000o- 25 1 0 0362 0 0- 093 0 0- 00 2 0 0728 0 0498 9 0 01 2 8 3 0 01 0 81 2 0 0- 801 2 9 0 0- 1 00 5 0 01 8 02 3 0 07 81 7 l o o2 52 7 0 02 523 7 0 02 3 92 0 0 0 01 6 0 2 4 自适应调制技术的发展 最原始的自适应调制方案是由c a v e r s 在1 9 7 2 年首先提出来在高频链路中代 替功率控制来对抗r a y l e i g h 衰落的 2 4 ，根据接收到的信号电平来自适应的控制 符号速率，并从理论上分析了反馈延迟和反馈噪声对其性能的影响。比功控优越 的地方在于通过改变比特速率而不是改变传输功率，使系统保持了每比特的接收 能量对噪声功率谱密度( 毛 _ ) 恒定而并不增加同信道干扰，其缺点在于需要非 常复杂的硬件来产生不同的时钟速率来自适应的改变比特速率，同时还要保证发 射机和接收机的滤波器在不同的比特速率时相匹配。 另一种自适应调制方式改变的是调制方式。w e b b 和s t e e l e 提出了使用星型 第二章移动通信信道特性和自疆应调制的基本理论 q a m 的调制阶次控制的自适应调制方案【2 5 ，2 6 。这一系统的优点就是在硬件实 现上比采用符号速率控制的系统简单的多。对于任何调制方式。我们可以采用同 样的调制解调器的组成。该系统可以充分利用衰落信道的时变特性从而使得其容 量逼近香农容量。 接着h a n z o 等人对衰落信道下的自适应调制进行了深入的研究 2 7 - 【3 7 】，从 系统角度出发，研究了发射机采用的调制方式的表示和传输形式从而使接收机能 够正确判断发射机的调制方式 2 7 ，2 8 ，分析了自适应调制在窄带r a y l e i g h 信道下 的上界误码率。1 生能 2 9 ，综合考虑误码率代价和b p s ( b i tp e rs y m b 0 1 ) 代价，使其 综合加权代价最小而获得最优切换界值 3 0 ，并将结果扩展到单用户宽带c d m a 中，分析了上界误码率1 1 生胄匕 3 3 1 和最优切换界值 3 1 】。对于窄带信道，假定发射 机模型为m a r k o v 过程，延时主要来自于从编码器到调制器的缓冲区，低多普勒 引起自适应调制的延j p a 3 2 。分析了上行和下行链路在t d d 模式下的干扰，并 提出了干扰抵消算法，结果表明自适应调制适用于干扰最小的系统 3 6 1 。他们 还研究了上面一些结果在o f d m 系统中的应用 3 7 】。研究了使用自适应调制和自 适应天线的动态信道分配算法 3 4 ，3 5 。 而g o l d s m i t h 等人则从理论上对功率分配和比特分配进行了研究 3 8 - 【4 7 】， 推导了平坦r a y l e i g h 衰落信道下的最优功率分配算法，并提出了两种次优的