（信号与信息处理专业论文）ofdm自适应技术优化与仿真研究.pdf

摘要 摘要 正交频分复用（ofdm）技术是一种多载波调制技术。它不仅能够提高系统 的频率利用率，还能够有效的对抗多径衰落，抑制多径传播所造成的码间干扰， 在通信领域得到越来越广泛的关注。ofdm 系统的自适应技术，是根据各个子 信道的特性，自适应的调整信号的传输参数，包括调制方式，编码方式，发射功 率等，实现对信道的充分利用，提高通信系统的传输性能。 本文首先介绍了无线通信系统的信道特性和 ofdm 技术的基本原理。在此基 础上重点对 ofdm 系统的信道估计，自适应比特和功率分配算法进行了深入研 究。信道估计是自适应调制技术实现的重要环节。本文重点讨论了几种信道估计 算法，包括基于最小二乘（ls）准则的信道估计，基于线性最小均方误差 （lmmse）准则的信道估计和基于 dft(离散傅里叶变换)的信道估计算法。对 算法原理，算法复杂度和估计性能进行了对比研究，并仿真验证。在此基础上， 对于其中基于 ls 准则的信道估计算法针对其没有考虑噪声影响的缺点，提出了 一种改进的信道估计方案。 由导频序列得到的信道响应在时域内信号能量集中而 噪声能量分散，成功的引入自适应噪声抵消技术，充分利用已知噪声，抵消滤除 了混在信号能量中的噪声，进一步地降低了信道估计中噪声的影响，从而提高了 估计器性能。仿真验证了改进算法的正确性和实用性。 对于自适应调制算法，详细讨论了自适应调制的原理和优化准则，对典型 算法如 hughes-hartogs 算法，chow 算法以及 fischer 算法进行了深入分析和仿 真比较。并在 fischer 算法的基础上，提出一种改进的自适应调制算法。以调制 方式的近似误码率公式推导出的比特分配公式取代传统的比特分配公式， 利用其 中的注水门限参数，可使得比特分配达到最优，在计算复杂度较低的前提下，提 高了算法性能。并做了仿真分析，随着信噪比增加，改善效果越明显。 关键词关键词：正交频分复用，信道估计，自适应调制，资源分配 abstract abstract orthogonal frequency division multiplexing (ofdm) is an effective multiple carrier modulation technology, which can not only enhance the system frequency utilization, but also can effectively against multipath fading, restrain inter-symbol interference caused by multipath spread in communication system, it has got widespread concern in recent. the adaptive technology of ofdm systems is based on the characteristics of each child channel, adaptive adjustments of signal transmission parameters includes modulation mode, coding mode and transmit power. using the method of adaptive modulation, the system could improve the utility ratio of frequency spectrum and reduce launching power, so it could use the frequency spectrum more effectively. firstly, this paper introduces channel characteristics of wireless communication system and the basic principles of ofdm technology. on this basis, emphasis was put on ofdm channel estimation, single user bit power allocation algorithm and multi-user resource allocation algorithm were analyzed for further discussion. the channel estimation is important segment to adaptive technology. the principle and the steps of bit allocation algorithm based on single user ofdm system is introduced in detail. performance of some classic bit allocation algorithms such as hughes-hartogs algorithm, chow algorithm and fischer algorithm are analyzed and compared. based on the ls algorithm, channel estimation algorithm without considering the shortcoming of the noise affect, we propose an improved optimization scheme algorithm. because of the channel response by training sequence get in frequency-domain, signal energy concentration and noise energy scattered in their time domain, separating out the noise energy using rls algorithm. further reduces the noise influence, improving performance. for adaptive modulation algorithm, the principle and optimization criterion of adaptive modulation is discussed in detail. analysis of the classic algorithm, such as hughes - hartogs algorithm, chow algorithm and fischer algorithm was made. on the basis of fischer algorithm，deduces new bits formulas using the approximation ber formula of modulation mode. the simulation results show that this algorithm is better than fischer algorithm. key words: ofdm， channel-estimation， adaptive- modulation， resource allocation 重庆理工大学 学位论文原创性声明 重庆理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的 成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果、作品。对本文的研究做出重要贡献的集体和个人，均已在文中以明确方 式标明。 本人承担本声明的法律后果。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“”）： 1.保密，在 年解密后适用本授权书。 2.不保密。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 1.绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 随着经济的快速发展，人们之间的交流越来越频繁密切，通信得到了很大的发展， 并且成为社会一个重要的支柱产业。在通信领域，不但集中了无线和有线通信的最新成 就，同时集中了计算机网络的许多成果。其发展的最终目标将会实现任何人之间在任何 地点和任何时间的流畅通信。现在移动用户数量迅速增加，数据通信和多媒体业务也急 剧增加，这些都越来越需要新的通信技术的出现，以提高数据的传输速率 1。 移动通信系统按照它提供业务的不同可分为不同的发展阶段 2。 第一代采用频分多址 （fdma） 模拟调制方式， 主要包括nmt （nordic mobile telephone system）和amps（advanced mobile phone services）,它的缺点是频谱利用率比较低， 信令干扰比较严重。 第二代蜂窝系统，主要包括采用时分多址（tdma）和pdc(pacific digital cellular)，gsm（global mobile phone services）,d-amps(digital amps)系统和采 用了码分多址（cdma）的is-95系统。主要提供了语音数据通信，但通信传输速率还是 比较低，而且不同网络之间无法实现资源的共享。 第三代数字蜂窝移动通信系统是以cdma为标志，主要包括三大方案，分别是欧洲和 日本的wcdma系统，北美的cdma2000系统以及中国自主提出的td-scdma系统。主要特征 是它支持多媒体业务，并且数据传输率达到至少384 kbit/s，不但接口开放，进行全球 漫游，而且可与不同网络互联，终端样式多，且能从第二代平衡过渡。 然而，3g通信中使用cdma技术并不能完全满足对数据传输速率进一步提高的要求， 以ofdm(orthogonal frequency division multiplexing)即正交频分复用技术为标志的 第四代通信系统逐渐走入人们的视野，成为目前的研究热点。4g的目标是在高速移动环 境中支持下行数据速率最高约100 mbps，在静止环境中支持下行数据速率最高大约l gbps。在现在热门的3gpp长期演进lte技术标准中，已经确定其下行调制方式使用多载 波ofdm技术。它的峰值数据率上行也可以达到50mbps.毋庸置疑，在当前的各种无线解 决方案中，以ofdm技术为代表的多载波调制技术显示其强大的优势和市场竞争力，被认 为是最有前途的方案之一。ofdm系统中的自适应调制技术，根据信道的好坏自适应的选 取发送参数， 信道好时采用高阶调制， 信道差时采用低阶调制， 有效的提高了频谱效率。 信道估计与自适应调制密不可分。 本文将主要针对ofdm系统的信道估计和自适应调制技 术进行研究，并使用matlab软件进行仿真。 重庆理工大学硕士学位论文 2 1.2 ofdm 发展现状与应用 1.2.1 ofdm 的发展 ofdm是一种多载波复用的调制技术， 它的基本思想是把串行高速数据流变换成干并 行的低速数据流，每一路低速的数据流被调制在互相正交的载波上，然后将互相正交的 子载波由并且转为串行，复合起来再传送。所以使用这种允许频谱之间互相有一定叠加 的复用技术，使串行数据流转变成低速的并行数据传送，这样既提高了频谱的利用率， 又可以省去均衡器的设计，而且还可以有效的抵抗多径的干扰。ofdm正交频分复用这种 思想最早是由r.r.mosier和r.g.clabaugh在上世纪50年代提出，随后r.w.chang正式提 出了ofdm的概念。20世纪60年代时开始出现使用频分复用和并行数据传输的概念。 rwchang在1966年发表了一篇名为将带限正交的信号综合用于多信道传输 的论文，在这篇论文里首次提出在线性带限信道中如何实现无符号间干扰isi和信道间 干扰ici(inter channel interference)的多信道传输原理 3。 到1967年， b r saltzberg 对这种传输技术进行了分析研究， 他指出在这种传输方式下数据的传输速率可达到接近 奈奎斯特(nyquist)速率，而且可以非常有效的对抗时延和干扰。此外saltzberg也得出 结论，因为在并行传输系统中，子信道间干扰非常严重，所以这种ofdm系统的设计重点 是在减少子信道间的干扰，而不是单单优化各个单独的子信道 4。1971年，ebert和 weinstein提出了通过反傅里叶变换（idft）和傅里叶变换（dft）快速实现ofdm的调制 和解调的方法，使得后来ofdm技术的广泛应用成为了可能。他们重点研究了如何快速有 效地实现ofdm系统的调制和解调， 进而消除之前的并行系统中需要许多子载波振荡器组 这一缺点。 为防止ici和is干扰i， 他们提出了在ofdm数据符号中插入了保护间隔的方法， 并且在时域使用了升余弦窗等技术。 另外他们还研究了正交频分复用系统中的时不变线 性信道的影响及信道均衡问题。为了避免采用复杂的信道均衡，他们又最早的提出了差 分ofdm系统的概念。虽然他们当时的系统在多径信道下并不能保持很好的正交性，但是 他们在ofdm系统中引入idft和dft用于系统的调制和解调，这一技术对ofdm的发展做出 了巨大贡献 5。到1980年的时候，peled和ruiz又提出了加循环前缀cp(cyclic prefix) 的方法。他们不是在ofdm数据符号间插入空的保护间隔，而是插入ofdm数据符号的周期 扩展。有效地将信道和传送的数据符号间的线性卷积近似变换成循环卷积，当循环前缀 长度大于信道的冲激响应时，ofdm系统子信道之间仍可以保持很好的正交性。虽然这将 造成一定程度的能量损失，并且能量损失正比于循环前缀的长度，但是这种代价相比于 消除ici干扰来说是值得的 6。 1.2.2 ofdm 的应用 (1)ofdm技术在数字声音广播(dab)中的应用 数字声音广播(dab)是近年来继调频调幅后迅速发展起来的新一代广播体制。上世 1.绪论 3 纪90年代初，欧洲就率先提出了用ofdm技术进行数字地面广播的构想，用来取代传统方 法中的自适应均衡器，它既复杂又昂贵。并成功应用于eureka-147工程中。采用ofdm技 术的数字声音广播系统，不但节目质量高抗干扰能力强，而且频谱利用率高，无疑是下 一代的主流广播体制 7。在欧洲，英法德等国家先后进行了dab试播，我国现在也已建成 了dab实验台和先导网。 (2)ofdm技术在高清晰度电视(hdtv)中的应用 固定高清晰度电视(hdtv)，与dab不同的是，以地面广播为主，hdtv的接收机是静 止的，基本上不存在多普勒频移问题，但是由于其传输速率更高(大于6m/秒)，所以其 受多径哀落的影响也更为严重。如果采用ofdm技术就可以很好地解决这些问题。 (3)ofdm技术在无线lan中的应用 在新一代无线wlan技术标准中，美国的ieee 802.1la和欧洲etsi的hiperlan/2标准 中均采用了ofdm技术。ieeee 802.11a规定工作在5ghz频带，采用ofdm调制技术，其速 率可以达到54m biffs。hiperlan/2在物理层应用了ofdm技术和链路自适应技术，在媒 体接入控制层(mac)采用了面向连接，集中控制资源的tdma/tdd方式和无线atm技术，最 高速率达到54mbiffs，在实际应用中，最低也能保持在20mbiffs以上。wlan中的ofdm系 统模型中不但需要有编码器,调制器,串并转换,ifft/fft变换器,射频放大器外， 还需要 有信道估计，系统同步，功率控制，子信道分配，功率分配，比特分配等模块。工作在 5ghz频段的lan系统通过使用不同的调制方式和编码技术支持可变速率。目前在wlan系 统中常采用bpsk，qpsk，16qam，64qam等调制方式。可支持6-54m bit/s的传输速率 8。 (4) ofdm技术在未来移动通信中的应用 wofdm是宽带正交频分复用(wideband orthogonal frequency division multiplexing)。现在，wofdm己正式通过ieee组织认证，成为了ieee802.16a标准(无线 城域网国际通用标准)的物理层调制技术。wofdm既通过循环前缀克服了多径干扰的影 响，它还使用了扩展的前向纠错编码技术，在多个频率上进行符号的扩展，把信号转换 成直接序列扩展的频谱信号。直序扩频技术简称直扩技术，即使在完全没有载频的情况 下也可以正确恢复出信号。wofdm的效率和噪声容限巧妙结合了窄带系统和扩展频谱的 优点，同时又避免了这二者的缺点(扩频系统是通过牺牲带宽来补偿噪声影响和多径的 影响，而窄带技术对于多径干扰十分敏感)。为克服信号幅度峰均比高的问题和由多径 效应引起的信号衰落问题，wofdm技术把信号随机化和信道估计技术进行了融合。在发 射端的信号随机化可降低对射频功率放大器线性的要求， 从而大大提高了正交频分复用 技术的经济性和实用性。 mc-cdma技术则是结合了ofdm技术和cdma技术的优点，让我们在高速宽带无线通信 领域获得了诸多的便利，对将来在无线多媒体通信，无线atm等高速无线宽带通信中采 用cdma技术提供了一个切实可行的技术方案。 ofdmcdma将ofdm技术与cdma技术结合在 一起，不但有效地降低了isi和ici，而且简化了系统设备，提高系统性能。现今备受各 重庆理工大学硕士学位论文 4 个通信公司瞩目的3gpp技术，也是以ofdm为核心技术，目前已经确定其上行采用sc fdma，下行采用ofdm技术 9。 ofdm技术己越来越广泛地被应用到实际的通信系统当中。 其中多用户ofdm系统通常 适用于多业务的高灵活性的通信系统，因为它频谱利用率高，而且系统稳定性好。大都 利用了ofdm技术能有效的消除多径传播所带来的符号间干扰(isi)这一优势。 此外， ofdm 技术还易于结合时空编码，分集技术，干扰抑制以及智能天线等技术，最大限度的提高 了物理层的信息传输的可靠性。近年来随着高速dsp芯片的发展，以及快速傅立叶变换 和反变换(fft/ifft),信道自适应技术,减少均衡计算量等技术的逐渐成熟， 正交频分复 用技术作为一种可以有效对抗符号间干扰和信号波形间干扰的高速传输技术， 受到了越 来越多的关注，可以预见其将来必有很大的发展应用空间 10。 1.2.3 ofdm 系统的关键技术 ofdm系统的关键技术主要包括以下几个方面 11： (1)信道估计：ofdm系统中，信道估计器的设计主要涉及两方面：一是导频序列的 选择，为使估计性能得到提高如何设置更好的导频；二是怎样才能设计出复杂度低而性 能又好的信道估计器。 (2)同步：相比单载波系统来说，多载波的ofdm系统对于同步的要求更高，同步的 偏差会在ofdm系统中引起比较严重的isi和ici。 (3)信道编码：合适的信道编码可以更加有效地提高系统的性能。在ofdm系统中， 可使用多种信道编码方式，有分组码，卷积码，网格编码以及turbo码等。也可将ofdm 技术与多天线技术结合使用，即mimo-ofdm技术。 (4)降低峰均比：峰值信号功率与信号平均功率之比称为峰值平均功率比，简称作 峰均比(par)。ofdm系统容易产生很大par，而且峰均比的值会随着载波数目的增大而不 断增大。当峰值较大时，par值也会随之增大，这样就会导致发送端射频放大器的效率 降低。因此，降低par也是ofdm中的关键技术之一。 (5)自适应技术：ofdm技术是多载波的调制技术，不同载波的信道状态也不同，利 用不同载波的信道状态进行比特和功率分配以及采用不同的调制方式被称为ofdm自适 应技术。自适应技术可以有效的提高ofdm系统的性能。 1.3 自适应调制技术简介 1.3.1 自适应调制技术发展 自适应调制技术的基本思想就是自适应的调节信号传输参数来充分地利用当前的 信道环境，提高调制的效率。可以调节的基本参数包括编码方式，调制方式，发射功率， 1.绪论 5 扩频增益以及信令带宽等参数。在不增加误比特率和浪费能量的情况下，自适应调制技 术可以有效的匹配无线信道的时变特性，从而提供了较高的频谱效率。 前文中讲到，在20世纪六十年代，j.f.hayes 12提出了自适应的概念：“一个能够 有效对抗这些有害(衰落)效应的方法就是根据在接收端获得的瞬时信道信息， 自适应地 去调整调制方式和信道编码方式以及其他的系统参数， 这些信道信息利用一个反馈信道 系统反馈回发送端”。 1972年，cavers 13提出了可以根据接收信道质量采用不同的符号速率。不是通过改 变传输功率，而是通过改变传输速率的方法，系统可以保持比特接收信噪比恒定，并且 不增加信道干扰。但是它的缺点在于变符号速率容易引起信号带宽的变化，并且要求复 杂的硬件以实现不同的比特速率信号的传输。 随后，steele和webbt 1415提出基于正交幅度调制（qam）控制的自适应调制技术， 它在硬件实现上对系统要求比采用符号速率控制的系统简单很多， 而且这个系统可以充 分用信道的多径衰落特性，使得其传输速率接近香农定理的极限值。 goldsmith等人 16在比特分配和功率分配方面进行了理论的研究，推导出了平坦瑞 利衰落信道下的最优功率分配算法， 并证明了联合功率速率自适应方式可以非常接近信 道容量，也提出了针对于大多数类型的衰落信道模型，速率自适应对容量影响比功率自 适应对容量的影响要大许多。 为了既能减小信道衰落影响， 又能够有效利用日益稀少的无线频谱资源进而优化系 统性能， 自适应调制技术自然地被引入移动通信系统， 并引起许多研究人员的广泛关注。 自适应技术根据信道状态信息可以实时地改变传输参数来使系统达到一定的优化目标， 目前已经成为无线数据传输网络中提高频谱效率和数据传输速率的一个有力工具。 1.3.2 自适应技术的实现 ofdm系统中自适应技术过程可以分为3个步骤来实现 11： 1) 信道估计 自适应技术根据信道变化的情况适时的改变下一帧信号的发送参数， 因此必须首先 对时变信道状况进行估计，从而得到信道的状态信息（csi）。信道的状态信息可以用 多种参数来表示，比较常用的是信道传输函数，除此之外还要考虑各种干扰的影响，因 此也可以使用信噪比，均方误差，误帧率，误比特率等参数作为信道状态信息。在实际 系统中短时的信道状态信息一般采用传输函数和信噪比。 信道质量估计器主要有两大类：导频辅助估计方法和盲估计方法 17。 盲估计算法是不需要额外的频谱开销，这是它最吸引人的地方。它使用的是二阶或 者更高阶的统计特性，基于子空间分解或基于循环平稳的方法。通过基于二阶统计特性 的方法只能用来估计信道传输函数的幅度特性， 基于更高阶统计特性的方法却可以恢复 信道传输函数的幅度信息和相位信息。这类算法计算复杂度较高，收敛的速度比较慢， 重庆理工大学硕士学位论文 6 估计性能有限，因此限制了在移动信道领域的应用。而基于导频序列的估计方法是在发 送信号的某些位置插入一些己知的信号， 在接收端利用这些己知信号来推导并恢复信道 的信息。这样做是因为ofdm系统的信道在时域和频域上都表现为严格带限的慢变化，因 此可以这样从部分己知的信号信息中完全估计出二维的信道信息， 跟踪二维平面上的信 道变化。二维nyquist定理指出，对于严格带限的信号，是可以通过比较少的采样点完 全恢复出原始信号的。基于导频序列的信道估计方法一般是进行内插，ofmd符号具有时 频二维的特性，所以导频序列可以在时域或频域上以特定形式插入。由于要发送导频符 号信息，所以这类方法的使用会使信道的容量有一定的损失。 2)发送参数的选择 在自适应ofdm技术中，可以改变分配的子载波数，调制方式和发送功率。选择最佳 的参数组合，这一般是个在限定条件下目标的最优化问题。一般说来，自适应参数包括 两大部分：调制模式和编码模式。自适应编码参数包括几个方面，编码速率，自适应交 织和卷积码和turbo码的打孔，或者调整块码的长度。 3)系统使用的参数信令传输 系统所使用参数的信令的传输方式主要有 3 种，分别是：开环方式，闭环方式和盲 检测。图 1.1,图 1.2,图 1.3 分别给出了这三种传输模式的示意图。 图 1.1 双工等同信道，开环信令传输 图 1.2 双工不同信道，闭环信令传输 移动台 测量接收信道 质量把要求的 传输模式发给 基站的发射机 基站 测量接收信道 质量把要求的 传输模型发给 移动台发射机 发送移动台采用的调制模型 发送基站采用的调制模型 上行 下行 移动台 测量接收信道 质量决定本地 发射传输模式 基站 测量接收信道 质量， 决定本地 发射传输模式 基站的信号调制模型 移动台的信号调制模型 上行 下行 1.绪论 7 图 1.3 双工信道，调制模式盲检测 1.3.3 自适应技术的研究现状 ofdm自适应调制技术是一种通过链路反馈的信息，对信号的发射功率，编码速率， 载波分配等进行调整，使得系统可以在时变信道中满足一定的误码率，传输速率和功率 要求的技术 17。自适应资源分配是ofdm自适应调制技术的核心内容，决定着资源的分配 以及自适应系统性能的改善情况。1987年，hugheshartogs 18提出了一种贪婪算法， 这种算法在固定数据速率以及满足误比特率要求的条件下，能够使系统总发送功率最 小。 它的基本思想是在每一次比特分配过程中， 选择要求的递增功率最小的子载波分配， 这样就可以保证最后总的发送功率最小。由于各个子信道之间相互统计独立，可以证明 这种贪婪算法是最佳比特分配方法。但是这种算法复杂度高，不利于高速数据传输。 1995年，chow，ciofi，binghamt 19提出了一种基于最佳系统性能余量最大化的资 源分配算法。它的主要思想是首先确定使系统性能可以达到最优的门限值(定义为在满 足系统要求的比特差错概率条件下，系统可容许的噪声最大增加量，以db为单位)，然 后据此确定各子载波的调制方式，最后再调整各个子载波的发送功率。算法中设置了最 大的迭代次数，用来保证算法的收敛速度。这种算法与贪婪算法相比运算量降低，但是 该算法没有进一步优化的余地， 因为对信号功率的分配以及支持的传输速率都是直接相 关的。此外这种算法以信道容量最大化为目标，而实际的通信过程中，最看重的是在限 定的传输速率下，保证误码率（ber）最低。 1996年，rehfischer等人 20提出了基于误码率最小化的资源分配算法。这种算 法通过使得各个子信道的信噪比达到最大， 从而来获得总的误码率最小的算法。 fischer 算法推导并给出了比特分配的闭式解， 它是首先把各子信道上的噪声功率值求出并存储 下来，然后就只需进行加法和除数为整数的除法的简易运算，仿真的结果表明这种算法 比chow算法复杂度要低，而且其算法性能也比较好。fischer算法是目前效率较高的算 法之一。它的表达式无论是对于实际应用还是理论分析都具有一定的指导作用。本文后 面部分详细介绍了这一算法，并且在此基础上推导出了一种改进的算法，运算过程更加 简化，性能接近，没有明显的恶化。 移动台 测量接收信道 质量决定本地 发射传输模式， 盲估计基站发 射机传输模式 基站 测量接收信道 质量，决定本地 发射传输模式， 盲估计移动台 发射传输模式 无信号 无信号 上行 下行 重庆理工大学硕士学位论文 8 1999年，sai.kit.lait 2122继续在hughes-hartogs算法的基础上进行改进，提出了 一种简化的算法。这种算法首先在上次比特分配和功率分配的基础上，对各个子载波进 行初始化，然后再进行比特分配的调整和优化，使它的实现与hugheshartog算法具有 相同的性能。该算法主要在信道增益缓慢变化的情况下运用。 2003年，falsallol 23提出了一种最优的资源分配算法。与以前的依次增加比特的 算法不同，这种算法首先给所有子信道分配最大允许的比特数，然后依次在各子信道上 减少比特，直到满足功率或速率的约束条件。该算法不但可以用于固定速率系统，也可 以应用于变速率的系统。fasano利用拟阵理论，证明了这种算法具有最优性。 2009年，清华大学的侯利明，林孝康 24提出一种在保证用户公平性的前提下的新的 基于余量最大化准则的自适应子载波分配算法。该算法采用分步降解法，将子载波和比 特分配分部来完成。仿真结果表明这种算法优于现有的babs+agc资源分配算法。 1.4 论文研究的内容 本文针对 ofdm 系统中自适应调制技术的相关内容进行了研究， 主要包括信道估计， 自适应比特和功率分配算法。在实际 ofdm 自适应调制系统中，信道估计是很重要的一 个环节。在分析了几种经典的信道估计方案的基础上，对算法复杂度低应用广泛的基于 ls准则的信道估计进行了改进。 对单用户的自适应调制算法进行了深入研究， 在fischer 算法基础上提出了一种改进方案，并做了理论分析和仿真验证。论文的结构如下： 第一章：绪论，概括介绍了选题的背景和意义，ofdm 技术的发展、应用、关键技术 以及自适应技术的发展历史和研究现状。并给出了论文的主要内容和结构安排。 第二章：无线信道与 ofdm 基本原理，首先介绍了无线信道的基本特征和信道建模 方面的理论，并在此基础上对 ofdm 基本原理，包括保护间隔，循环前缀等关键内容进 行了比较详细的分析和阐述。做为 ofdm 系统仿真的理论基础。 第三章：信道估计，自适应调制技术与信道估计紧密相关，本章首先介绍了信道估 计的一些基础理论，重点研究了几种经典的信道估计算法，并在此基础上对 ls 准则的 信道估计进行了算法改进。针对 ls 信道估计没有考虑噪声影响的缺点，已有许多算法 进行了降噪处理， 本文改进算法是在降噪过程中引入基于 rls 滤波原理的自适应噪声抵 消技术，由已知噪声信号抵消滤除混在有用信号能量中的噪声，降噪效果更加理想，从 而提高了 ls 信道估计的性能，为后续自适应调制过程提供更准确的信道信息。 第四章：自适应比特和功率分配算法，首先介绍了自适应调制的基础理论注水原理 以及资源分配的最优化原理。 重点研究了三种典型的单用户自适应调制算法并做了仿真 对比。在 fischer 算法基础上，采用以近似调制误码率公式推导出的基于注水门限的比 特分配公式进行比特分配。 理论分析和仿真结果都表明改进算法比 fischer 算法具有更 良好的误比特率。最后对多用户资源分配原理和算法进行了简要分析。 第五章：论文的总结和展望。 2.无线信道与 ofdm 基本原理 9 2 无线信道与 ofdm 基本原理 2.1 无线信道的特征 图 2.1 多径信道示意图 无线信道是现代通信中最为复杂的信道，在很大程度上制约了系统的性能，需要很 多复杂的信号处理技术对信道特性进行估计和跟踪。在无线信道中，由于反射体引起的 多径传播，加上收发设备物体的移动性，造成电磁波通过不同路径到达的时间和相位也 不同，从而产生多径衰落 25。信号通过无线信道时常常会遭受各种衰落的影响，一般说 来它的接收信号的功率可以表示为： ( )( ) ( ) n p dds d r d = (2.1) 其中d表示表示移动台与基站的距离向量，其中d表示移动台与基站的距离 13。根 据上式可知，无线信道对于信号的影响可以分为以下三种 2627： (1)路径损耗 n d ：即电波在自由空间内的传播损耗，也称其为大尺度衰落，其中n 一般为34。 (2)阴影衰落( )s d：由于传播环境的地形起伏不定，以及建筑物和其它障碍物对地 波有阻塞或遮蔽作用，由此而引发的衰落，被称为中等尺度衰落。 (3)多径衰落( )r d：无线电波在空间中的传播会存在反射、绕射和衍射等情况，因 此由此造成信号经过多路径到达接收端时各个信号分量的时延、衰落和相位都各不相 同，因此需要在接收端进行多信号分量叠加，这时产生的衰落，也称为小尺度衰落。 重庆理工大学硕士学位论文 10 2.1.1 路径损耗 无线电波在自由空间内传播时，它的信号功率随着传播距离的增加而减小，这样就 会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。 其中最简单的大尺度路径损耗的数学模型 可以表示为： 1 r r t p lk pd = (2.2) 其中p表示本地发射信号的功率， r p是平均接收功率，d表示发射机与接收机之间 存在的距离。对典型环境来说，路径的损耗指数r一般取在2到4之间。那么由此可以得 到平均的信号噪声比(snr)为： 0 1 tr r n pp snrk pdn b = (2.3) 其中， 0 n 表示单边噪声功率谱密度，b表示信号带宽，k是常数，独立于距离、功 率和带宽之外。为了保证可靠接收，要求 0 snrsnr ( 0 snr 表示信噪比门限)，则路径 损耗会带给比特速率限制： 00 t r kp b d n snr (2.4) 同时对信号覆盖的范围也会带来限制： 1 00 r t kp d bn snr (2.5) 可见，如果不采用特殊的技术处理，那么数据的符号传输速率和电波传播范围都将 会受到限制。但是通常在一般的蜂窝系统中，小区的规模相对较比较小，由此引起的这 种大尺度衰落对于移动通信系统的影响较小，并不需要单独加以考虑。 2.1.2 阴影衰落 电磁波在空间传播时，容易受到地形起伏的影响，还有高大建筑物阻挡时，在这些 障碍物之后会产生电磁场阴影，引起场强中值的变化，从而易引起衰落，这称为阴影衰 落。与多径衰落相比而言，这种阴影衰落是一种宏观的衰落，通常需要用较大的空间尺 度来衡量，它的衰落特性可以用对数正态分布来近似。其中，接收信号的局部场强中值 变化幅度与信号频率和障碍物状况有关。低频信号比高频信号有更强的绕射能力，而高 频信号比低频信号更易穿透障碍物。 2.1.3 多径衰落 无线通信的主要特征就是信号进行多径传播， 即接收的信号通过不同的直射、 反射、 折射等不同路径到达接收机的。由于电波通过的各个路径的距离各不相同，引起的各路 2.无线信道与 ofdm 基本原理 11 径中发射波的到达的时间和相位也不同。这不同相位的信号在接收端互相叠加，若是同 相叠加， 那么就会使引起信号幅度的增强， 而如果是反相叠加的话就会削弱信号的幅度。 这样接收信号的幅度就会产生急剧的变化，从而引起产生衰落 28。多径传播时引起的衰 落主要从下面两个方面来说： (1)多径效应在时域引起信号时延扩展 29 在多径传播时， 发送端发送一个窄带脉冲信号， 通过多条长度不同的路径进行传播， 而这些传播路径又随着移动台的变化而发生变化， 所以导致发射信号沿不同路径到达接 收天线的时间不一样，接收的信号是由许多不同时延的脉冲组成的，这样就会造成信道 的时间弥散。由于时延扩展的影响，在接收信号中一个符号的波形会扩展影响到其它符 号中，造成符号间干扰(isi)。为了避免这种符号间的干扰，要求符号宽度要远大于信 道的最大时延扩展， 用 max 表示。 在频域内和时延扩展相关的一个重要概念是相关带宽， 在实际应用中通常使用最大时延倒数来定义相关带宽()cb： () max 1 c b = (2.6) 当信号带宽大于信道的相关带宽时，信号通过无线信道后，各频率分量的变化不一 致，这时就认为是发生了频率选择性衰落。反之，就认为是发生非频率选择性衰落。 (2)多普勒效应在频域引起信号频谱扩展 当移动台在运动过程中进行通信时接收信号的频率就会发生变化， 这种因为终端的 移动引起的频率变化，称之为多普勒效应（doppler effect）。多普勒效应引起附加频 率偏移称为多普勒频移（doppler shift），为纪念奥地利数学家多普勒而命名的。可 以用公式可以表示为： cos d f = (2.7) 表示移动台的运动速度，为波长，是入射波与移动台之间的夹角, m vf=为 最大的多普勒频移。多普勒效应会造成通过移动无线信道后的单频信号的频谱扩展为 cd ff，即单频信号成为随机调频信号，在通过无线多径信道后。如果接收到的路径有 多条不同的入射角，那么多普勒频移就成为多普勒扩展频谱。它在时域内与频谱扩展相 关的重要概念是相关时间。 假设多普勒频移宽度为 m f， 那么相应地在时域上相关时间为 1 dcm tf=。它表示这种时变信道影响下信号衰落下的衰落的节拍，信道会随着这个时间 节拍，在时域上对信号做出不同的选择，相对于频率选择性衰落，这种衰落被称为时间 选择性衰落。 如上所述，多径衰落所引起的符号间干扰，严重地限制了无线通信链路上的传输速 率，想要满足高速多媒体通信要求，就必须采用新的调制技术来有效抵抗符号间干扰， 从而提高系统容量，而 ofdm 技术恰好可以做到这一点。 重庆理工大学硕士学位论文 12 2.2 无线信道建模 2.2.1 自由空间的电波传播模型 自由空间传播模型是用来预测接收机和发射机之间在完全无阻挡视距路径时的接 收信号强度。微波视距通信和卫星通信都是典型的在自由空间传播。自由空间中距发射 机d处天线接收功率由friis公式给出： 2 22 ( ) (4 ) ttr r pgg p d d = （2.8） 其中， t g为发射天线增益， r g为接收天线增益， t p为发射功率，( ) r p d为接收功率， d为发射天线与接收天线之间的距离，为波长。通常用分贝表示更方便 30。 若天线在各方向上发射功率相等，称该天线为各向同性天线。在实际应用中，大多 数天线都有方向性，即某个方向发射功率更大，天线的增益应该是方向角的函数。 2.2.2 大尺度衰落模型 多数大尺度衰落模型是根据实际中的统计并结合理论建立起来的经验模型， 主要依 赖于数据的曲线拟合。现在已经建立了一些经典的大尺度衰落模型，比如对数距离路径 损耗模型，hata模型，clarke信道模型等。下面只简要介绍clarke信道模型。 clarke信道模型可以很好的描述瑞利衰落信道， 其移动台接收信号强度的统计特性是基 于散射的，正好与市区环境中的无直视通路的特点一致，因为广泛应用于市区环境的信 道模型仿真中。 在clarke模型中基站和移动台之间的主要是多径传播，主要是散射路径，到达波经 历了相似的衰落，衰落幅度相似，但是频移和入射角不同。对于第n个以角度 n 到达x 轴的入射波，多普勒频移为： cos nn v f = (2.9) 式中，v为移动台的移动速度，入射波的波长。 到达移动台的垂直极化平面波强度分量为： 0 1 cos(2) n zncn n eecf t = =+ (2.10) 其中 0 e为本地平均电场强度； n c为不同的电波强度的实数随机变量；f为载波频率。 那么，第n个到达分量的随机相位为： 2 nnn f t=+ (2.11) 式中 n 为随机变量，在0,2 )间隔内有均匀的概率密度函数。 2.无线信道与 ofdm 基本原理 13 2.2.3 小尺度衰落信道模型 图 2.2 jackes 仿真器模型 jacks信道模型 31是平坦衰落信道模型中经典的一种。 jacks模型采用无穷加权谐波 的叠加技术来仿真高斯随机过程。基于clarke模型，假定发射信号是垂直极化的，接收 端波形表示为经历n条路径的一系列平面波的叠加： () (cos) 00 11 ( )recoscos mnn nn j w t dnncmnn nn rtec eecw tw t + = =+ (2.12) 式中， 0 e为电场余弦波的幅度， c w为载波角频率，2 mc wv=为最大多普勒频移。 n c n n 均为随机变量，相互独立。 n c表示第n条路径的衰减， n 表示第n条路径的到 达角。 n 表示第n条路径的附加相移，不同路径之间的互相独立。且 n 为随机变量， 在0,2 )间隔内有均匀的概率密度函数。可见，平坦衰落的随机信号可以用n组独立的 随机变量（ n c， n ， n ）表示，1,2,nn=? 将( ) d rt归一化，使其具有单位功率，则上式变为： + 1 2 cos m + 1 cos 2 m w t cos m w t 1 cosw t 2 cos m 1 2cos 2n + 1 2 sin m + cos m w t 1 cosw t 2 s