（电磁场与微波技术专业论文）ofdm系统的自适应调制与编码.pdf

塑望查堂堡主堕塞生兰些塑! 堕! 擎! z 鱼墨垒 摘要 正交频分复用( 0 f d m ) 技术使用正交叠加的子载波对传输信号进行调制， 能有效地对抗信道多径引起的码间干扰，被认为是未来无线通信的关键技术之 一。自适应调制与编码技术可以大大提高系统的频谱效率，保证b e r 或f e r 性 能要求，是下一代通信系统发展的必然趋势。 自适应调制与编码的主要机理是：在信道状况好时，采用高阶的调制方式和 较高码率的信道编码，以提高系统的吞吐量性能：在信道状况差时，采用低阶的 调制方式和较低码率的信道编码，以保证每次传输的质量。 本文主要从自适应调制的算法及实现出发，引入o f d m 子载波分组的概念， 详细阐述了五种固定阖值算法和子带b e r 预估计算法的原理及实现，并在此基 础上加入自适应编码，实现自适应调制与编码。在算法上，本文侧重于固定阈值 算法，并从阈值的优化和子带信噪比的计算两方面来优化算法性能。根据子带信 噪比的不同计算方法，将固定阈值法分为五种：最差子载波代替法、最好子载波 代替法、均值法、用子载波互相关性修正均值法和用均方差修正法。最后，通过 对各种自适应系统和固定调制编码的系统进行性能比较和分析，我们发现无论是 b e r ( 对a m 系统) 或f e r ( 对a m c 系统) 性能，还是吞吐量性能，a m 或 a m c 系统的性能都要明显优于固定调制编码的系统。另外，文中也对不同自适 应算法的性能进行了仿真，比较分析了它们对系统性能的影响和适用场合。 关键字：0 f d m 自适应调制自适应调制与编码阈值调制编码方案分组 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) o n l l o g o n a lf r e q u e n c yd i 、r i s i o nm l l l t i p l c x 吣( o f d 岣，w h i c he m p l o y so 吡o g o i l a l o v e r l a p p i n gs u b c a r r i e r st om o d u l a t ct h es i 驴a l s ，h 孙b e e na t t r a c t e d 肌l c ha 廿肋t i o ni n r e c e n tt i m e 够af 打o m b l eo p t i o nf o r 胁eg e n e r a t i o nw i r e l e s sn c t v r k sd u et oi t s a b i l 时t oo v e r c o m em a n yi m p a i m e n t si n 、v i r e l e s sc h a n n e l s i n c eo f d mi sa m i l l t i - c a r r i e rs y s t e m ，a d 印t i v em o d u l a t i o na l l dc o d i n g0 m c ) t e c h i l i q u e sc a nb e e 彘c t i v e l ya n de m d e n u yu s e dt oe n h a l l c et h es y s t e mp e r f b 珊a n c ei n 咖so f b o t l l b e 晰e ra n do v e r a l ls y s t e mc 印a c i 够h law o r d ，0 f d ms y s t e mi nc o 坷1 l i l c t i o n m a m c t e c h n i q u ep e 哟m sb e 戗e rt l l a i lf e dm o d u l a t i o nb 船e ds y s t e m sb a mi nt e r m so f f e ra n ds p e c 订a le m c i c y t h em a mi d e ao f a m ci s l a th i 曲m o d u l a l i o no r d e ra n dw e a l 【c h a l l i l e lc o d i n gc a 工lb e u s e dt 0b o o s tu pt l l ea v e r a g et 1 1 r o u g h p u tw h e nt h ec k 叫1 e ls t a t e si s9 0 0 d ，a n dl o w m o d u l a t i o no r d e r 蛐ds t r o n gc h 籼e lc o d i 】唱c 姐b eu s e dt 0i n c r e 髂ee n d rp m t e c t i o n w h e nt l l ec h a l l l l e ls t a t e si sb a d b ym 砒c h i l l gt h ev a r i a b l em o d u l a t i o nl e v c l 诵m v a r i a b l er a c ec h a r u l e lc o d i n g ，t h ep h y s i c a lb a i l d 淅d t l li sm a i n t a i n e dc o n s t a 】1 t _ f i r s t l y ，w ec o n s i d e ra d a p t i v ea l g o m l 蛐si na d 印t i v cm o d l l l a t i o n ( a m ) ，i n c l u d i n gf i v e f i x e d 也r e s h o l da d a p t a t i o na l g o r i t h i n sa i l ds u b b a n db e re s t i m a t o r a d 印t a t i o n a l g o r i m m b a s e do nn l ca ma l g o r i t l l m sw 1 1 i c ha r em e n t i o n c da b o v e ，舢cc 趾b e 王i i l p l e m e 玎舱di no f d ms y s t e m i nt l l i s 廿l e s i s ，w ea l s oc o n s i d e ram e 也o d 血a td i v i d i n g a l l 也e0 h ) ms u b c a 而e r s 缸。鼢，e r a lg r 0 1 l p sw h i c ha r ec a l l e ds u b b a i l d s k e y w o r d s ：o n b o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u m p l e x i n g ( o f d m )a d a p t i v e m o d u l a t i o n ( a m )a d a 州v em o d u l a t i o n a 1 1 d c o d i n g( a m c ) t h r e s h o l dm o d u l a t i o na i l dc o d i n gs c h e m e s ( m c s ) g r o u p i n g i i 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 1 1 无线通信系统发展 第1 章绪论 无线通信是当前发展最快、应用最广和最前沿的通信领域之一，它的最终目 标是实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与其他任何人进行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信。无线通信中的主要部分一移 动通信已经发展到了以w c d m a 、c d m 舵o o o 和t d s c d m a 为代表的第 三代，相互兼容各种无线通信技术的第四代标准目前也已经在研究当中。 虽然移动通信的实际应用还不足百年，而我们平常所指的蜂窝移动通信系统 直到上世纪8 0 年代才真正开始发展起来，但它发展的速度却非常惊人。到目前 为止，蜂窝移动通信系统已经并正在经历如下几个阶段： 第一代移动通信系统起源于上世纪8 0 年代初，采用频分多址接入( f d m a ， f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l 咖l ea c c e s s ) 技术，提供模拟语音通话业务。典型代表为 美国的a m p s 系统和欧洲的t a c s 系统。由于系统容量太小，到9 0 年代初就已 经不能满足日益增长的用户数量的需求。 第二代移动通信系统( 2 g ) 的发展始于上世纪9 0 年代初，它的主要目标是 大容量、低功耗、全球漫游和切换能力，能提供包括电话和数据等窄带综合数字 业务，它的出现标志着无线信息网络的到来。基于时分多址( t d m a ，t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 的g s m 系统( 欧洲) 、i s 5 4 系统( 北美) 和基于码分 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 ) 的i s 9 5 系统( 美国高通公司) 成 为这一时期的移动通信系统的典型代表。 第三代移动通信系统( 3 g ) 起源于上世纪9 0 年代中期，旨在提供接近有线 质量的无线话音业务，并且可以支持普通多媒体和高速数据应用所需的速率和容 量。这一代系统采用码分多址技术，主要的标准有：美国的c d l 儿也0 0 0 、欧洲 和日本的w c d m a 和中国的t d s c d m a 。 步入2 1 世纪，后3 g ( b 3 g ，b e y o n d3 “g e n e r a t i o n ) 和第四代( 4 g ) 的研 究就拉开了序幕。2 0 0 2 初，i m t - 2 0 0 0 ( i m e m a t i o n a lm o b i l e t e l e c b m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 已经开始了后3 g 的研究计划，我国也于2 0 0 2 年启动 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 了相关国家级项目，并于2 0 0 4 年4 月正式启动b 3 g 移动通信技术的标准化进程。 这一代移动通信要求实现全球统一的标准，真正达到一个终端在全球任何地点都 能实现通信。 1 2 课题研究背景 第一代的模拟蜂窝移动通信系统完全不采用自适应技术，并且从技术角度考 虑，很难实现自适应调制和编码。第二代移动通信系统虽然仍未采用自适应调制 与编码技术，但它实现了从模拟通信到数字通信的发展，也为采用自适应调制与 编码技术奠定了基础。随着3 g 的诞生与推广，目前已有针对以c d m a 为核心 技术的3 g 系统的自适应调制与编码算法，但只实现了时域上的简单应用，频谱 效率和传输速率都不是很高。近年来，越来越多的人投入到后3 g 的研究工作中， 其中许多人已经着手基于o f d m 技术的自适应调制与编码的研究。 h a i l z o ，g o l d s n l i t h 1 3 】等人在自适应调制系统结构、系统实现目标、子信道 分组以及门限阈值的优化等方面都做了大量研究，提供了许多理论研究依据和系 统仿真结果。许多人对自适应网格编码q a m ( a t c q a m ，a d 印t i v e1 h l l i sc o d e d q a m ) 【4 6 】的自适应系统也颁感兴趣，但它需要重复编码并夹杂未编码信息， 其复杂度较高，实现相对困难。另外，本校通信所的余官定博士提出了一种信道 粒度可变的o f d m 系统的自适应调制算法【7 ，并加了码率为1 2 的前向纠错码。 编码可以有效地降低传输的误 b 特率和误帧率，但单纯地采用一种速率的编码会 使得系统在高信噪比下频谱利用率降低，在低信噪比下又很难满足误帧率性能要 求。 本文的工作是在欧盟第六框架m a g n e t ( m yp e r s o n a lg l o b a ln e t ) 项目组 中进行的，主要研究低速移动( 步行速度，低于3 k 仃曲) 的无线通信接入协议。 本人主要负责其中的自适应调制与编码技术部分的研究和实现，同时结合部分信 道估计内容。 1 3 本文主要内容 本文围绕0 f d m 系统下的自适应调制和编码技术展开分析和研究，内容涉 及自适应算法，闽值的确定，子载波分组，子带信噪比计算等。本文的内容和结 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 构安排如下： 第一章为绪论，介绍了无线通信系统的发展历程，对自适应调制与编码技术 的发展现状和前人的工作进行简要的概括介绍，并筒要说明了课题的背景。 第二章为基本理论，综合阐述0 f d m 的原理、关键技术和优缺点，并大致 介绍了m c s s 系统的原理和m a g n e t 系统模型的帧结构及一些仿真用到的相 关参数。 第三章对自适应调制与编码的o f d m 系统作了详细说明。首先讲述了子载 波分组的优势和原理；然后介绍了自适应调制系统，包括基本原理、实现步骤、 信道估计和算法分类；在此基础上，提出了自适应调制与编码系统的基本原理和 阈值选择方案；最后比较了这两种自适应系统的异同。 第四章是自适应调制在o f d m 系统中的实现。具体讲述了子载波分组的实 现，从阈值的确定和子带信噪比的计算方法两方面详细介绍了固定阙值法，还利 用b e r 的计算公式实现予带b e r 预估计的自适应调制，最后给出仿真结果并进 行分析。 第五章是在自适应调制的基础上实现0 f d m 系统的自适应调制与编码。首 先介绍了编码的原理及自适应编码的实现，然后结合自适应调制系统，实现保证 一定误帧率性能同时使得吞吐量最大化的自适应调制与编码系统，最后对仿真结 果进行比较分析。 本文所进行的仿真都是在s y s t e m c 环境下用c + + 语言实现，并用m a a b 进 行数据的处理。 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 正交频分复用( o f d m ，0 n l l o g o n a lf r c q u c n c yd i v i s i o nm l l l t i p l e x i n g ) 技术的 提出已有近4 0 年历史，第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。近年来由 于数字信号处理技术的飞速发展，o f d m 作为一种可以有效对抗符号间干扰 ( i s i ，i i l t e rs y m b o l i m e 疵r e n c e ) 的高速传输技术，引起了广泛的关注。目前已 经成功地应用于非对称数字用户环路( a d s l ，a s y l i 姗e 伍cd i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ) 、无线本地环路( w l l ，w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 、数字音频广播( d a b ，d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ) 、高清晰度电视( 阳) t v ，h i 曲一d e 砌t i o nt e l e v i s i o n ) 、无线 局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) 等系统中，它在无线通信中的应 用是大势所趋。 2 1o f d m 技术 0 f d m 技术已经与已经普遍应用的频分复用( f d m ，f r e q u e n c yd i v i s i o n m u m p l e x i l l g ) 技术十分相似，其基本原理相同，但o f d m 技术更好地利用了控 制方法，使频谱利用率有所提高。 0 f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也 可以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子数据流，这样每个 子数据流将具有比原先低得多的比特速率，用这些低比特率形成的低速率多状态 符号去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频 分复用是对多载波调制( m c m ，m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的一种改进，特点是 各个子载波相互正交，扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波问的 相互干扰，还大大提高了频谱利用率。 o f d m 系统收发机的典型框图如图2 1 所示【8 。发送端将需要传输的数字信 号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行傅立叶反变换( i f f t ) 将数据的频谱 表达式变到时域上；接收端进行发送端的相反操作，将射频( i u ，r a d i of r e q u 雠c y ) 信号与基带信号进行混频处理，并用f f t 变换分解频域信号，予载波的幅度和 4 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 相位被采集出来并转换回数字信号。 图2 1o f d m 原理框图 o f d m 系统的关键技术主要有以下几个方面： 1 时域和频域同步 o f d m 系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中与l m a 、t d m a 和c d m a 等多址接入方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。同步分 为捕获和跟踪两个阶段，基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和 频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便移动终端进行同步。 2 信道估计 信道估计主要有两个问题：导频信息的选择和复杂度较低、导频跟踪能力良 好的信道估计器设计。导频信息主要用于对无线衰落信道的跟踪，而估计器的性 能与导频信息的传输方式有关，因此这两部分通常是相互关联的。 3 信道编码和交织 信道编码和交织可以提高数字通信系统的传输性能：编码可以纠正或检测在 衰落信道中的随机错误；交织可以抗衰落信道中的突发错误。o f d m 系统的结 构为在子载波间进行编码提供了机会，形成c 0 f d m 方式。 4 降低峰均比( p a p r ，p e a k t o a v e m g e p o w e r - r a t i o ) 0 f d m 信号时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当n 个子载波相位 相同时，o f d m 信号将达到最大峰值，为平均功率的n 倍，对发送端放大器和 接收端的前端放大器及a 府变换器的线性度要求很高。对此，可以采用基于信 号畸变技术、信号扰码技术和信号空间扩展技术等降低系统的p a p r 。 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 5 均衡 均衡的实质是补偿信道多径引起的码间干扰，o f d m 技术本身已经利用了 多径信道的分集特性，在一般衰落环境下，o f d m 系统不需要均衡。但在高度 散射信道中，信道记忆度很长，要求循环前缀( c p ，c y c l i cp r e 丘x ) 长度很长才 能有效抗符号间干扰，而过长的c p 长度会导致能量和频谱资源的损失，这样就 需要加均衡器以减小c p 长度，提高系统的频谱效率。 2 1 3 例m m 技术的优缺点 o f d m 技术有以下优点： 1 ) 把高速率数据流通过串并变换，使得每个子载波上的数据符号持续长度 相对增加，从而有效地减少无线信道的时间弥散带来的i s i ，降低接收机内均衡 的复杂度； 2 ) 由于各个子载波之间存在正交性，允许子载波的频谱相互重叠，可以最 大限度地利用频谱资源； 3 ) 各个子载波的正交调制和解调可以通过离散傅立叶反变换和离散傅立叶 变换来实现，实现起来非常容易； 4 ) 无线数据业务一般存在非对称性，要求物理层支持非对称高速率数据传 输，0 f d m 系统可以通过使用不同数量的子载波来实现上行和下行链路中不同 的传输速率； 5 ) o f d m 易于和其他多种接入方式结合使用，构成o f d m a 系统，使多个 用户可以同时利用0 f d m 技术进行信息传输。 但o f d m 系统由于存在多个正交子载波，且其输出信号是多个子载波信号 的叠加，与单载波系统相比，存在以下不足： 1 ) 易受频率偏差影响。子载波频谱的相互覆盖，对它们之间的正交性要求 非常严格，但无线信道具有时变性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发 射机和接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会对0 f d m 系统子载波之间的 正交性产生影响，从而影响其性能； 2 ) 存在较高的峰均比。多载波系统的输出是多个子载波信号的叠加，当多 个信号相位一致时，所得叠加信号的功率会远大高于平均功率，这就对发射机内 6 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 放大器的线性度提出了很高要求。 2 2m a g n e t 系统模型 扩频技术在第二代移动通信中和o f d m 在数字广播及无线局域网中的成 功，使得许多研究人员对这两种技术的结合使用产生了浓厚的兴趣，这便是多载 波扩频( m c - s s ，m u l t i c a r r i e rs p r e a ds p e c 仇蚰) 的来历。目前m c s s 主要有两 种：一种是m c c d m a ( m i l l t i c a r r i e rc d m a ) ，也称o f d m c d m a ；另一种是 m c d s c d m a ( m 1 1 1 t i - c a r r i e rd n c ts e q u e n c ec d m a ) 。两者的差别主要在于子 信道和o f d m 符号上码片的分布，前者是将扩展码片在频域上映射到几个并行 子信道，后者是将扩展码片在时域上映射到几个多载波符号上。【9 m c c d m a 在几个窄带子信道上同时传输一个用户的一个数据符号，这些 子信道与用户专用扩频码相乘，多载波调制通过o f d m 处理得到实现。由于窄 带子信道可以认为是平坦衰落，每个子信道只需进行一次复数相乘的简单均衡。 另外，m c c d m a 的扩频码长度不需要与子载波数相等，这就使得我们可以自 主调整接收机的复杂度。 m c d s c d m a 是通过串并转换，将高速率数据符号转化为并行的低速率子 数据流，然后用户专用扩展码在时域上对每个子信道上的数据符号进行扩展，即 在每个子信道上进行直接序列扩展，同一个扩展码可用于不同的予信道。 m c d s c d m a 可以使用不同的多载波调制方案，子载波之间允许不正交。根据 子信道带宽可分为宽带子信道系统和窄带子信道系统：宽带子信道系统仅使用很 少数量的子信道，每个子信道都可以看作d s c d m a 系统；窄带子信道系统使 用大量子载波，可以用o f d m 来实现。 m c c d m a 和m c d s c d m a 各有优缺点：前者接收机的复杂度低，易于 实现，频谱利用率高，并且由于扩频，可以得到一个频域上的差分增益，但是在 上行链路中，系统的p a p r 会很高，而且系统要求必须是同步传输，因此，前者 比较适合蜂窝系统的下行链路；后者在上行链路中的p a p r 很低，由于时域的扩 展，有高的时间差分增益，但符号间干扰或码间干扰( i c i ，i n t e r c o d e i m e r f e r e n c e ) 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 将导致接收机复杂度的增加，而且若不采用0 f d m 的多载波调制方案，系统的 频谱效率会降低，后者在多用户系统的上行链路中比较适合。 考察系统的帧结构，如图2 2 所示。每帧前面都带一个p r e a n l b l e 作信道估计 用，n 为每帧所包含的用于传输数据的o f d m 符号数， 1 ，2 ，3 ，4 ，g 是循 环前缀长度( g u 盯di m e n r a l ) ，主要用于收发同步和进一步抗i s i ，在生成o f d m 符号时，仅仅产生= m 。个子载波符号，循环前缀是复制最后。个子载波符 号，并把它们放到o f d m 前面作为前缀。 2 2 3 主要系统参数 图2 2 系统帧结构 m c s s 的扩频并不是为了区分用户，而是利用差异来提高系统抗干扰的稳 定性，系统的主要参数如表2 1 所示。系统载频为5 2 g h z ，最大移动速度3 k r n h ， 最大多普勒频移以= v z c = 1 4 4 4 4 舷。系统总的0 f d m 子载波数为1 2 8 ，但 实际只使用其中的9 6 个来传输数据，另外3 2 个作为保护边带使用。 表2 1m c s s 系统主要参数 载波频率 5 2 g h z 最大移动速度 3 k m l l 最大多普勒频移 1 4 4 4 4 h z 带宽 2 0 m h z f f t 大，j 、 1 2 8 保护边带 3 2 有效子载波数 9 6 保护间隔( 循环前缀) 5 子载波间隔 1 5 6 2 5 k h zo f d m 总长1 3 3 采样频率 2 0 m h z 扩频参数 8 采样周期0 0 5 0 m s e c 数据间隔周期 6 4 0 m s e c 保护间隔周期0 - 2 5 0 m s e co f d m 周期6 6 5 m s e c 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 信道采用路径数为1 l 的b r a na 信道，多径时延及其幅度如表2 2 所示。 表2 2 多经信道参数 多径序号 延迟时间( n s ) 幅度( d b ) 1 0 o o0 o 2 1 7 3 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l1 5 4 3 3 47 ， ， o 0 6 4 5 2 0 8 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 31 5 3 56 9 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 46 0 6 6 8 6 8 0 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 65 0 0 71 0 4 1 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 74 3 4 81 3 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 97 2 3 91 7 3 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 0 1 4 1 02 0 8 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 31 2 7 2 1 1 2 4 3 0 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 61 3 8 7 事实上，由于系统采样频率只有2 0 z ，采样时不能完全区分所有路径， 导致采样到的某个数据可能是几条路径共同影响的结果，因此在具体操作时，我 们根据以下计算公式对路径进行合并： 觋= l 眈慨2 1 0 7 + o 5l 其中，l x j 表示取不大于x 的最大整数，d b 奶为路径i 的延迟时间，地为 路径i 合并后的路径号。将表2 2 的延迟时间代入上面的公式，将脚；相同的路 径合并： ( 1 ，2 ) 、( 3 ，4 ，5 ) 、( 6 ，7 ) 、( 8 ，9 ) 、( 1 0 ) 、( 1 1 ) 分别合成一条径，共合成6 条路径，这个过程称为径合并。 2 4 本章小结 本章介绍了o f d m 技术的基本原理、关键技术和优缺点，为后面在o f d m 系统中实现自适应调制以及自适应调制与编码技术提供了理论依据。另外还给出 基于m c s s 的m a g n e t 系统的帧结构，并对一些主要系统参数作了描述，为 建立系统平台进行仿真和研究提供了基础。 9 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 第3 章自适应调制与编码系统 无线通信环境下，o f d m 系统中每个子载波将经历不同的衰落，通常的固 定调制编码方案，会使系统在信道状况差的子载波上采用较高阶调制编码方案， 从而导致系统的误帧率( f e r ，f r 锄ee r r o fr a t e ) 和误比特率( b e r ，b i te n d rr a t e ) 增大；而在信道状况好的子载波上仍采用较低阶调制编码方案，使得系统的频谱 利用率降低，自适应调制与编码可以有效地解决这一问题。本章首先简单介绍 o f d m 系统子载波的分组；然后对0 f d m 系统的自适应调制进行系统的阐述， 包括基本原理、实现步骤、信道估计和算法分类；再在自适应调制的基础上，加 入自适应编码以提高系统的f e r 性能；最后比较自适应调制和自适应调制与编 码的异同。 3 1 子载波分组 在o f d m 系统中，我们假设每个子载波内处于平坦衰落，但是对于不同的 子载波，它们的信道状况不尽相同。如果对所有子载波采用相同的调制编码方案， 那必然造成频谱利用率的下降或者f e r 和b e r 的增大；但如果对每个予载波分 别进行调制编码方案的选择，一方面会大大增加需要传输的信令信息量，造成频 谱资源的浪费，另一方面也会提高对硬件设备的要求，得不偿失。因此我们将子 载波进行分组，每个分组作为一个子带( s u b b a i l d ) ，每个子带中的子载波采用相 同的调制编码方案，不同子带独立选择调制编码方案，事实上这是对上述两种情 况的折衷。 子载波分组可以分为动态分组和静态分组两种。动态分组是根据每次传输各 个0 f d m 子载波的信道状况，实时调整分组的大小和所包含的子载波。动态分 组对子载波的分组相对精确，在不考虑传输信令信息量大小的情况下，其频谱利 用率可以非常接近所有予载波独立进行调制编码方案选择的情况，但这种方法要 求同时传输每次分组的信息，如果不能保证分组信息量小于因此而节省的子载波 调制方式信息量，那分组将失去意义。绪论中讲到的信道粒度可变的0 f d m 系 统的自适应调制算法就是一种动态的子载波分组算法。 静态分组是根据系统的情况和具体通信环境以及通信质量的要求，在每次通 1 0 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 信之前首先确定子载波的分组，并且每次传输都不改变分组方式，因此最多只需 传输一次分组信息，对频谱效率基本不产生影响。静态分组参数主要有分组数和 分组大小：分组数指的是将子载波分成的分组个数，即总共包含的子带数；分组 大小表示每个予带所包含的子载波个数。静态分组在不考虑传输信令的情况下， 其频谱利用率一般不及动态分组，但它不需要传输分组信息，又可以减少每次传 输的调制方式信息量，算法复杂度也较低，对硬件设备的要求不高，并且每个子 带中的子载波差异要比整个信道中子载波差异小，相比所有子载波采用同一调制 编码方案的系统，其频谱利用率要高得多。考虑到在s y s t e m c 下具体的仿真实 现，本文选择分组大小相等的静态分组。 3 2 白适应调制系统 在子信道中，如何进行比特分配来达到高效的信息传输是提高0 f r ) m 系统 传输性能的关键，自适应调制( a m ，a d 印t i v em o d u l a t i o n ) 技术被认为是解决 比特分配的一种有效方法，将自适应调制技术和o f d m 技术相结合能有效地提 高系统的频谱效率。 3 2 1 自适应调制基本原理 自适应调制系统仅适用于进行双工通信的两个通信实体间：发射机根据预计 的当前信道质量状况选定的最优的调制方式进行数据传输。当前信道的质量可以 直接由上次传输反馈的信道质量状况代替( 对慢变信道) ，也可以根据前n 次传 输反馈的信道质量信息，根据其变化规律预估计出当前信道质量状况( 对于变化 连续的快变信道) ；调制方式的选择可以从误比特率和吞吐量两方面来考虑，当 信道状况好时，采用高阶的调制方式，以提高系统的传输速率；当信道状况差时， 采用低阶的调制方式以保证系统的b e r 要求。 自适应调制的原理框图如图3 1 所示【1 0 。在接收端，接收机首先对无线衰 落信道特性进行估计，对接收到的数据进行衰落补偿或基带均衡，提取调制方式 后解调数据，并解码输出；同时根据信道估计的结果，按一定的自适应调制算法 选择最优的调制方式，并告知转换模块以调整调制方式。 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) k 号一二 l 调制方式转换卜 一 发 网。苎兰苎兰佩厂i 磊占面翮数据输入 射 机 1 竺竺竺尘严1 曼竺些! r l 1 皇兰竺竺竺l 、 图3 1 自适应调制系统原理框图 3 2 2 白适应调镧的实现步骤 自适应调制系统根据时变信道的变化状况选择调制方式，因此自适应调制系 统的实现需要如下步骤： 1 ) 信道质量估计 白适应调制是在信道状况质量估计的基础上进行的，要合理选择下一次传输 采用的调制方式，必须保证信道质量估计的可靠性。一般对于慢变信道，可以根 据本次信道估计得到的信道质量来选择下次传输采用的调制方式。 2 ) 下次传输的参数选择 根据预计的下一时隙信道状况，选择合适的传输参数进行传输。本文自适应 调制的工作主要就放在调制方式的选择上。 3 ) 接收端调制方式同步 接收端只有采用相应的解调方式，才能正确解调接收到的信号。调试方式的 同步可以通过传输信令或使用盲检测( b l i n dd e t e c t i o n ) 的方法得到，本文采用 传输信令的方法告知接收端相应的解调方式。 3 2 3 信道估计 通常的信道估计是为了得到当前传输的各个0 f d m 子载波的信道频域传输 函数，以帮助接收端解调当前接收到的信号。对于自适应调制系统，信道估计还 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 用来得到当前各个o f d m 子载波的信噪比( s n r ，s i 印a 1 - t o _ n o i r 埘o ) ，并由 此预计下次传输时可能的信道状况，选择最优的调制方式。 假设第i 个子载波的信道频域传输函数为e ，则第i 个子载波上接收到的信 号冠可表示为： r i = s i h + n i 其中s 为第i 个子载波承载的符号，吩为第i 个子载波上的高斯白噪声。为 了表述和比较的方便，我们假定每个子载波的能量都是归一化的，那么第i 个子 载波的信噪比可表示为： 肌晖= h 。，z f 对于慢时变信道，在选择下一次传输采用的调制方式时，我们可以认为该信 噪比值就是第i 个子载波的信噪比。 3 2 4 白适应调制算法分类 目前自适应调制算法主要可以分为：固定阈值算法、子带b e r 预估计算法、 常吞吐量自适应算法和比特分配( b i t l o a d i n g ) 算法。 1 ) 固定阚值算法：根据系统的习标b e r 要求，确定信噪比的阈值，假定阈 值的集合为三= f 0 ，厶 ，调制方式的集合为m = 峨，m ，帆 ，下标表示 调制阶数，m 。表示i 阶调制的星座点数，m ，= 2 j ，比如m 2 表示q p s k 调制，其 调制阶数为2 ，星座点数为4 。当第k 个子带的信嗓比以【，+ ，) 时，选择调制 方式m 进行传输；当以 f 0 时，系统不传输。这类算法的复杂度最低。 2 ) 予带b e r 预估计算法：假设第k 个子带包含m 个子载波，我们可以根 据b e r 的计算公式，计算采用调制方式j 】l 以的情况下，该子带b e r 期望值为： ；。( 七) = 1 。兰见( 以，鸭) 根据系统的误比特率要求，选择使得见( t ) 小于目标b e r 的最大且丸。这类 游浇大学硬士研究生毕韭论文( 设计) 算法一般具脊较高的复杂魔。 3 ) 常吞败量皂适应算法：根据信邋状况选择含邋的调制方式，使得系统的 器睦量基本绦持稳定，毽辩嚣r 露交且不绦证。该算法要求信遥努须後交，著基 能够达到的襻吐量也较低，这种算法适用于实时性要爿芑高，但对吞吐量要求较低 戆系统，本文主要针对提藤系统的吞吐撰并保证一定b e r 要求的囊适瘟调制算 法，因此对该算法不作具体介绪。 4 ) 比特分配算法：该簿法最先由c h o w 【1 1 提出来，是根据香农信道容量定 理为每个子载波分怒比特朔功率，并调熬使总黄输速攀和总传辕能爨等于我们的 粥望值。c 8 n 辨l l o f l 2 】等人将这释算法演纯为采尾最，l 、的能量这弼定的传输速 率和在一定功率限制下达列最大传输速率两种方案。这类算法的传输速率是根据 蠢农理论来确定，莠不涉及具体系统，舞法复杂疫凑，由于每个予躐波调割方式 酃不同，反馈盼信息量也魄较大。e 随n h e i d 等人裰据蕊o w 算法，摅出了分块予 载波分配算法( b 1 0 c k 一谢s el o a d 协g 舢g o r i t h m ) 【l3 】w 以降低算法复杂度，减小 慧要转输的壤令信息量。这类算法在绦诞系统b 腿燃戆上存在欢麴，本文不传 考虑。 3 3 自适应溺翩与编码系统 自适应调制与编码( a m c ，a d 印t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 鼹在自适应调 制的基础上，根据信道状况，对要传输的信息进行码率可变的编码。编码可以有 效遮降低系统熬f e r 器b e & 提高每次传辕静震萤，获焉减少囊馋次数，霹辩 尽可能提高系统的吞吐量。 3 3 。l 骞适廉滑朝每装秘系绫基本嚣霪 自适应调制与编码的糕本思想与自适应调制类似：在信道状况较好时，采用 较毒玲静灞裁方式窝鞍亵遮率豹信遴缡璐，鞋提褰系绞豹吞睦量瞧辘；在壤遵狡 况较差时，采用较低阶的调制方式和较低速率的信邋编码，以保证系统的f e r 性能。它的实现步骤与自适成调制的实现步骤也基本一致，并且也是在信道估计 瓣基础上进嚣敬。 4 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 擂 一 收 机 一1 丽函i ：石 基带信号 1 竺竺篓竺l l 调制与编码方式选择i 岔丫攀生l 调制与精码方式转换l l 射lil 机l 匝匝冲墅盟 匦叵卜恒杰匝卜 壶芦 图3 2 自适应调制与编码系统原理框图 舢订c 系统的原理框图如图3 2 所示。可以看到，a m c 系统原理与a m 系统 原理十分相似：在接收端，接收机首先对无线衰落信道特性进行估计，对接收到 的数据进行衰落补偿或基带均衡，提取调制编码方案后解调数据，并解码输出； 同时将信道估计的结果告知调制与编码方式选择模块，调制与编码方式选择模块 根据信道特性，按照一定的自适应调制与编码算法选择最优的调制与编码方式， 并反馈给发射机的调制与编码方式转换模块，以调整调制编码方案。 3 3 2 目值选择方案及影响 本文a m c 算法采用固定阈值算法，算法步骤与自适应调制一样，但根据不 同的系统要求，阈值的确定方法也不同。通常系统要求可以分为：保证一定的 f e r 要求，保证一定的传输速率要求或保证一定吞吐量要求几种。 保证一定的f e r 要求是指在保证f e r 小于某个目标值条件下，所选的阈值 可以使系统传输速率或者吞吐量达到最大化。这类阈值确定算法一般适用与实时 性不是很强，但必须保证传输质量的数据传输业务。保证一定传输速率或吞吐量 要求是指在传输速率或吞吐量一定的条件下，所选的阈值可以使系统的f e r 最 小，两者的不同在于前者是相对发送端发送的数据率而言，而后者则相对接收端 正确接收的数据率而言。这类阈值确定算法一般适用于实时性较强的系统，如话 音、网络视频等。 在自适应调制与编码系统中，调制编码方案的选择是根据子带信噪比所在的 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 阈值区间决定的，阈值选择恰当与否将直接影响系统的f e r 性能或频谱利用率， 从而影响到系统的整体性能。本文系统要求保证一定f e r 要求，同时使得吞吐 量最大化。 3 4 自适应调制与自适应调制与编码的异同 自适应调制和自适应调制与编码的基本思想一致，原理相近，实现步骤类似， 并且所要达到的目标也有很大的相似性。但它们有以下几点区别： 1 ) 由于编码的纠错功能，使得a m 系统下使用的b e r 计算公式在a m c 系 统中不能直接使用，需要考虑编码的影响进行修改，其复杂度更高且不可预计， 因此在a m c 中基本只考虑固定阈值算法。 2 ) a m 系统一般考虑系统的b e r 性能；而在a m c 系统中，f e r 更具有实 际参考意义，更能体现传输的质量和效率。因为在不重传或最简单重传机制下， 传错的包是直接被丢弃的，一次传输错1b i t 跟错nb i t s 是一样的。 3 ) a m 系统在选取闽值时，一般只考虑满足系统b e r 要求；而a m c 系统 要同时考虑吞吐量最大化和满足一定f e r 要求，即在保证一定f e r 的情况下， 使得吞吐量最大化。 4 ) a m 系统中，由于直接对信息比特进行映射调制，每次传输的信息比特 可以按需提供：在a m c 系统中，因为编码速率不同的影响，必须保证每个子带 所携带的信息比特数为整数，这就要求编码速率和调制方式要与每个子带所包含 的子载波数符合一定的要求。 3 5 本章小结 本章采用从自适应调制过渡到自适应调制与编码的方式，从原理上阐述了 a m c 系统的基本思想和实现步骤，明确无论是自适应调制还是自适应调制与编 码，它们的目标都是提高系统的有效频谱利用率，这是通常的固定调制编码方案 的系统所无法比拟的。 本章提出了子载波分组的概念，并结合子载波分组提出了几种自适应算法的 原理，为后面具体的自适应算法的研究和实现作了必要的铺垫，也为以后自适应 算法在o f d m 系统中的实现奠定了基础。 1 6 浙江大学硕士研究生毕业论文( 设计) 第4 章自适应调制算法及实现 本章主要是对固定阈值算法和子带b e r 预估计法提出具体的算法实现方 案，并进行分析和仿真。前者是通过接收到的信噪比与阈值的比较来选择下次传 输采用的调制方式，算法复杂度低，实现相对容易，但对子载波的差异欠敏感， 因而性能上会有所不如后者：而后者要考虑子带中每个子载波状况的影响，从总 体上选择一个可以满足系统b e r 要求的调制方式，更能保证系统的b e r 要求， 但算法复杂度高，实现也相对复杂，并且由于调制方式的非连续性，可能导致为 满足b e r 性能要求而过多地牺牲吞吐量的情况出现。 本章首先介绍了自适应