（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中的自适应调制编码技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着用户对各种多媒体业务需求的增加，3 g p p 提出了长期演进系统( l o n g t e r me v o l u t i o n ，l t e ) 。l t e 项目是3 g 的演进，它改进并增强了3 g 的空中接入 技术，采用o f d m 和m i m o 技术作为其无线网络演进的唯一标准。自适应调制编 码技术能最大限度提高系统的频谱效率，保证b e r 性能要求。因此本文围绕 m 蹦o o f d m 中的自适应调制编码技术展开研究。 本文首先介绍了m i m o 、o f d m 技术和自适应技术的研究现状，对传统自适 应调制进行简单介绍。在研究o f d m 技术时，应用了子载波分组方法。在此基础 上，研究了建立在o f d m 系统下的自适应调制技术，分析了在n a k a g a m i 衰落信 道中的系统性能，在引入平均误码率的基础上采用了l a g r a n g i a i l 优化方法，对自 适应调制门限阈值进行了优化；同时在o f d m 自适应块的信噪比确定中引入了 m r c 合并原理来确定估计s n r 值，进行s n r 选择优化；仿真得到了联合优化方 案基于传统方法的性能改进。然后分析了在自适应调制中信道估计的错误问题， 以高斯分布模拟估计错误，研究了估计错误对性能的影响。 在信道编码中选用了l d p c 码作为研究对象，介绍了l d p c 的基本原理，同 时研究了l d p c 码译码算法，比较了不同码长，不同迭代次数对译码性能的影响， 比较了有无交织对l d p c 码性能的影响。最后研究了m i m o o f d m 系统中基于 l d p c 的自适应调制编码，给出了m d 订o 0 f d m 系统结合l d p c 的自适应调制编 码系统模型，并采用了七种m c s 组合方式作为选择方案，仿真分析在2 x 2m m o 方案下，系统的性能得到了改进，说明m 蹦o o f d m 系统结合自适应调制编码可 明显提高系统性能，同时仿真说明了基于m r c 合并的子带信噪比确定法可较好地 折中吞吐量和误码率性能。 关键字：多输入多输出，正交频分复用，自适应调制编码，阈值优化，低密度奇 偶校验码 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ei n c r e a s i n gd e m a n d so nt h em u l t i m e d i as e r v i c e s ，3 g p ph a sp r o p o s e di t sl o n g t e r me v o l u t i o n ( l t e ) s y s t e m a st h ee v o l u t i o no f3 gl t ep r o je e th a si m p r o v e da n d e n h a n c e dt h ea i ra c c e s st e c h n o l o g i e so f3 ga n du s e do f d ma n dm 【m ot e c h n o l o g ya s i t ss o l ec r i t e r i o n f o rt h ee v o l u t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k s ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d i n gt e c h n o l o g yc a ng r e a t l yi m p r o v et h es y s t e ms p e c t r a le f f i c i e n c ya n de n s u r et h e r e q u i r e db e rp e r f o r m a n c e s ot h i sp a p e rh a sm a i n l ys t u d i e dt h ea d a p t i v em o d u l a t i o n a n dc o d i n gt e c h n o l o g yf o rm i m o - o f d m s y s t e m f i r s t l y , m i m o o f d ms y s t e ma n dt h e r e s e a r c hs t a t u so fa d a p t i v et e c h n o l o g y w e r ei n t r o d u c e d ；t h et r a d i t i o n a la d a p t i v em o d u l a t i o nw a sb r i e f l yd i s c u s s e d b a s e do n t h es t u d yo fo f d ms y s t e m ，i ta p p l i e dt h es u b c a r r i e rg r o u p i n gm e t h o d t h ea d a p t i v e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nr e s e a r c h e di no f d ms y s t e m ；s y s t e mp e r f o r m a n c eo n n a k a g a m if a d i n gc h a n n e lw a sa n a l y z e d b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ea v e r a g eb i t e r r o rr a t e ，l a g r a n g i a no p t i m i z a t i o nm e t h o dh a sb e e ne m p l o y e di no r d e rt oo p t i m i z et h e t h r e s h o l do fa d a p t i v em o d u l a t i o n i nc o n f i r m a t i o no fs i g n a lt on o i s er a t i oi no f d m a d a p t i v eg r o u p ，s n rw a so p t i m i z e ds e l e c t i v e l yb yu s i n gm a x i m a l - r a t i oc o m b i n i n g p r i n c i p l e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e d t h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to f j o i n to p t i m i z a t i o n p r o g r a m t h e n i t a n a l y z e dt h ee r r o rp r o b l e mo fc h a n n e le s t i m a t i o ni na d a p t i v e m o d u l a t i o ns y s t e m t h ee r r o rw a se s t i m a t e db yu s i n gg a u s s i a nd i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o n ， a n dt h ei m p a c to fe s t i m a t e de r r o ro nt h ep e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d l d p cc o d ew a ss e l e c t e da s t h er e s e a r c ho b j e c ti nc h a n n e lc o d i n g t h eb a s i c p r i n c i p l e sa n dd e c o d i n ga l g o r i t h mo fl d p cw e r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h e i m p a c to fd i f f e r e n tc o d el e n g t h ，d i f f e r e n tn u m b e ro fi t e r a t i o n sa n dw h e t h e ri n t e r l e a v i n g o rn o tt ot h ep e r f o r m a n c ee f f e c to fl d p cc o d e sh a v eb e e nc o m p a r e d f i n a l l y , i ts t u d i e d t h ea d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n gf o rm i m o o f d ms y s t e mb a s e do nl d p cc o d e t h ea d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n gs y s t e mm o d e lo fl d p cw a sg i v e ni nm i m o o f d m s y s t e m u s i n gs e v e nk i n d so fm c s a so p t i o n sp l a ni n t h i sm o d e l ，s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mw a si m p r o v e di n2 2m i m op r o g r a m i tc a n b es a i dt h a tt h ec o m b i n a t i o no fm i m o o f d ms y s t e m sa n da d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e m o r e o v e r , s i m u l a t i o nr e s u l th a sf u r t h e r s h o w e dt h a tt h es n rc h o o s i n ga l g o r i t h mb a s e do nm a x i m a l r a t i oc o m b i n i n gp r i n c i p l e i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t i ns u b c a r r i e rg r o u p i n gc a l l g r e a t l yc o m p r o m i s et h et h r o u g h p u ta n db i t e r r o rr a t e p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：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 to r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n go v u m o - o f d m ) ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) ，t h r e s h o l d o p t i m i z a t i o n ，l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e ( l d p c ) i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 移动通信的发展概况 第一章绪论 移动通信是指通信的双方至少有一方在移动中进行信息交流的通信方式，它 是当今世界上最先进的通信方式之一。它可以说从无线电通信发明之日就产生了， 移动通信从第一代模拟移动通信系统开始发展至今，主要历程如下【l 】： 1 ) 第一代移动通信系统( 1 g ) ，接入技术采用频分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ，并以模拟语音技术为核心，其典型系统为美国的a m p s ( a d v a n c e d m u l t i p l ep h o n es e r v i c e ) ，北欧的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n y ) 和英国的 t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，但目前这些系统已经基本被淘汰。 2 ) 第二代移动通信系统( 2 g ) ，接入技术主要为有时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 和码分多址( 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 ) 两种，并以数 字语音传输技术为核心，其典型系统为g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l es y s t e m ) 和 i s 9 5 。 3 ) 基于2 g 与3 g 之间的过渡系统( 2 5 g ) ，增强型数据业务支持，相对2 g 在数据 的传输速率和频率效率上有所提高，典型系统包括通用无线分组业务( g p r s ， g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和增强数据速率的g s m 演进( e d g e ，e n h a n c e dd a t a r a t e sf o rg s m e v o l u t i o n ) 。 4 ) 第三代移动通信系统( 3 g ) ，主流技术为c d m a 技术，通过增强的空中接口，提 供更高速率和宽带数据的传输，典型系统包括w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 。 5 ) 增强型3 g 系统，增强原3 g 系统的空中接口功能，并部分调整原3 g 系统的核 心网结构，支持更高速率和更高可靠性的数据传输，+ 强调提供无处不在、高移动 性、全业务以及更高数据速率的移动通信，具体包括高速下行链路分组接入 ( h s d p a ，h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k a g ea c c e s s ) 2 】和高速上行链路分组接入 ( h s u p a ，h i g hs p e e du p l i n kp a c k a g ea c c e s s ) t d s c d m a 以及c d m a 2 0 0 0lx e v 的增强型技术等。 6 ) 演进型3 g 系统( e 3 g ，e v o l v e d3 g ) ，是3 g p pl r e ( 长期演进) 和3 g p pa r e ( 空中 接口演进) 项目的统称。该项技术名为“演进 ，实则是一场技术革命。 7 ) 超3 g 移动通信系统( b 3 g ，b e y o n d3 g ) ，2 0 0 6 年，i t u r 正式将b 3 g 技术命名 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 为i m t - a d v a n c e d 4 】技术。i m t - a d v a n c e d 技术需要实现更高的数据率和更大的系统 容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下1 g b i t s 以上；高速移动、广 域覆盖场景下1 0 0 m b i t s 以上。 在g s m 等移动网络在过去十年的广泛普及中，全球语音通信业务取得了巨大 的成功，现有的语音通信用户已经超过1 8 亿。同时人们的需求也发生着变化，通 信习惯从以往的点到点( p l a c et op l a c e ) 演进到人与人。个人通信的迅猛发展很好地 促进了通信终端的微型化和多样化，主要包括在线游戏、视频点播、高速下载和 移动电视等数据业务，不断满足着个人通信和娱乐的需求。 现在发展的，利用网络来提供计算和存储能力，使用低成本的宽带无线传送 到终端，将促进个人通信终端的微型化和普及。g s m 网络演进g p r s e d g e 和 w c d m a h s d p a 网络可以提供多样化的通信和娱乐服务，降低无线数据网络的运 营成本，已成为g s m 移动运营商的必选之路，但这只是向宽带无线演进的一个开 始。w c d m a h s d p a 与g p r s e d g e 相比，虽然无线性能大大提高，但面对i p r ( i m e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t ) 的制约、面对市场挑战和用户需求的提高等问题，仍 有很多方面需要改进。 由于c d m a 通信系统的技术背景，3 g 中涉及的核心专利仍被少数公司掌握， 在i p r 上仍是一家独霸的局面；专利授权费依然是厂家的沉重负担，同时影响着 用户的通信费用，3 g 设备厂商和运营商在专利问题上处处受到制约，业界迫切希 望改变这种局面。在此背景下，有了l t e 技术的提出。 l t e 采用以下几个关键技术来实现其优异性能： ( 1 ) 传输技术：3 g p p 选择了下行o f d m ，上行s c f d m a 。采用“频域”方法 来生成上行s c f d m a 信号，也就是o f d m 在进行i f f t 调制之前对信号进行d f t 扩展，这样系统发射的是时域信号，可以避免o f d m 发送频域信号带来的峰均比 问题。 ( 2 ) 宏分集：由于存在难以解决的“同步问题”，l t e 对单播业务不采用下行 宏分集。至于对频率要求稍低的多小区广播业务，可采用较大的循环前缀来解决 小区之间的同步问题。考虑到实现网络结构“扁平化”、“分散化”，l t e 不采用上行 宏分集技术。 ( 3 ) 调制与编码：l t e 下行主要采用o p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 三种调制方 式。上行采用b p s k 、o p s k 、8 p s k 和1 6 q a m 。信道编码l t e 主要考虑t u r b o 码， 若能获得明显的增益，也将采用l d p c 码编码方式。 ( 4 ) 多天线技术：m i m o 是l t e 的核心技术，它是提高系统容量的重要手段， l t e 系统将设计能够适应宏小区、微小区、热点等多种条件下的m i m o 技术。l t e 已确定m i m o 天线个数的基本配置是下行2 。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2m i m o o f d m 技术 1 2 1o f d m 技术 o f d m 主要思想是：将原始信道划分为等间隔的多个正交子信道，每个子信 道使用不同的子载波进行调制，各子载波可以有1 2 的重叠，在接收端采用相关解 调技术分离出各子信道【5 1 。 一个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波的合成，其中每个子载波均 可以采用正交幅度调制( q a m ) 的符号进行表示。如果n 表示子载波的个数，t 表 示o f d m 符号的宽度，d i ( i = o ，1 ，一1 ) 是分配给每个子载波的数据符号，z 是 第0 个子载波的载波频率，r e c ，( f ) = 1 ，h ，当f = 时o f d m 符号表示为： m ) = r e n - zr e c t ( t t r e c t ( t ，一争1e x p 伽( z + 扣训 ，a t - 0 ) ( 2 2 ) 当信号多径分量中存在一个主要的直视路径时，衰落服从莱斯分布。在这种 情况中，从不同方向到达的多径分量叠加到了一个稳定的主要信号上，显示在检 波器的输出端，就是在随机多径上附了一个直流分量。莱斯分布为： 即，- 孝e 笋l 白 c 删庀。， 亿3 ，p ( ，) = 7 e 。矿。9 刈，腔u ( 2 3 ) l o ( ， 0 5 为n a k a g a m i 参数，q 2 为信道衰落幅度的方差，而r ( x ) 为伽玛 函数： r ( x ) = 陟一e x p ( 一y ) d y ( 2 5 ) 占 n a k a g a m i 参数m 取不同的值时对应的分布也不相同，因此更具有广泛性： m = l 2 时，它是单边高斯分布；m = l 时，它变成了r a y l e i g h 分布；当r n 为无穷时 密度函数变成冲激函数，信道即为a w g n 信道。 n a k a g a m i 分布能用来对比瑞利分布条件更苛刻的衰落信道进行建模，能够模 拟深衰落和浅衰落，且在数学上易于处理。已经证明，n a k a g a m i m 最适合用于郊 区无线多径信道接收的数据信号。 2 2 自适应调制与编码 自适应调制与编码( a m c ) 技术是以传输速率与误码率之间的平衡为准则，根 据信道瞬时质量信息，选择满足传输质量要求并可尽量提高传输速率的调制编码 方案。这种方案提供了多级可调的调制编码组合，可获得较高的传输速率。 自适应技术的核心思想是改变发射功率、调制方式、编码速率等参数或这些 参数的某种组合以实现在保证误码率( b e r ) 的情况下提高系统输出。自适应技 术主要包含三个部分：对信道状况进行测量；根据测量信息改变选择所需的参数； 反馈信令信息。要达到自适应，前提是需要对信道状况作出质量估计。信道估计 的目的是确定表示信道信息的物理量的状况，通常用的表示信息有信噪l 匕( s n r ) 、 信干噪比( s i n r ) 、均方误差( m s e ) 等，这些值可以在接收端或发送端进行测量， 同时要考虑估计算法复杂度和自适应速度问题。本文中信道质量测量值将选用信 噪比( s n r ) 。 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应调制的基本理论 o f d m 有各子载波分别使用不同调制方式的技术基础，将o f d m 与自适应技 术相结合【1 8 】【1 9 l ，可充分发挥二者的技术优势，建立起高速、可靠的通信链路。多 进制正交振幅调伟i j ( m q a m ) 相比传统的调制方式，使用相位和振幅联合控制，可获 得更高的频谱利用率和传输速率。w t w e b b l 2 0 1 指出m q a m 对于现在的通信系统 是一种具有吸引力的多电平调制方式，它的每个传输符号可以携带多个比特信息。 基于m q a m 自适应调制系统被认为是提高系统频谱效率的一种有效方法。 自适应调制系统中，不同调制方式之间转换门限值的选取直接影响到系统的 性能。根据转换门限选择依据的不同，可大致分为：基于误比特率性能、基于吞 吐量性能和基于代价函数的选择算法。 基于误比特率性能算法：基于误比特率性能的选择，是根据对业务需求的可 靠性，设置一个能保证通信质量要求的误比特率作为最低门限值。以b e r = 1 0 刁为 例，对于b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 调制，计算在信道中b e r 公式的理 论值，选择满足b e r 要求的s n r 值作为转换门限。 基于吞吐量性能的算法：本文中的吞吐量指每符号传输的比特数，用b p s i t s p e rs y m b 0 1 ) 表示。基于吞吐量性能的算法，是选择在当前信噪比下，达到最大吞吐 量的调制方式。 基于代价函数的选择算法：通信系统存在可靠性和有效性一对矛盾，从上面 的分析可以看出：基于误比特率的选择算法确保通信的可靠性；而基于吞吐量的 选择算法侧重于传输的有效性。综合以上两种准则，考虑了基于代价函数的算法， 代价函数的选取可以侧重于满足系统某种实际需要。 本文采用了基于误比特率准则，也就是在维持误比特率满足要求的条件下， 使系统的吞吐量得到优化。为满足设计要求，设置了调制转换门限( s ，是，最，疋) ， 如图2 1 所示： 6 5 舞4 茬3 特 数2 1 0 s 1s 2 s 3 s 4 信噪l l ：；d b 图2 1 转换门限示意图 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应调制的基本理论 用b o 表示要求误码率，调制转换门限( 墨，逆，岛，瓯) 必须保证系统误比特率满 足目标b e r 要求，不高于此值，所以它们应满足： 忍麟( 墨) = 乞麟( s 0 = 日。删( 岛) = 巳洲( 墨) b o ( 2 6 ) 根据式( 2 6 ) ，给定目标误码率后，调制方式转换电平( 墨，岛，墨，& ) 可以通过 计算误码率公式得到。以b p s k 为例，它所采用的s n r 值在s n r 区间高于转换电 平s 1 ，而s l 是在采用b p s k 调制并满足目标误码率的情况下计算出来的，分析可 以得出在b p s k 作用区间内自适应调制系统的误码率要小于b o ，因此b o 可以认为 是系统误码率的上限。 2 3 自适应调制的实现 2 3 1 基于单载波系统的研究 分析单载波系统，假设信道的冲激响应为h ，高斯白噪声为n ，通过 s n r = i h 玎1 2 ，计算其信噪比；若为衰落信道，可以将衰落信道映射为高斯信道， 即认为它们的信道状况相近。这样，我们就可以在高斯信道下来确定各种调制方 式的转换门限的阈值区间。 本文采用满足系统设定目标b e r 要求且使得传输速率最大化的方法来确定阈 值。设定目标误码率引观斑甜，对于阈值瓯需要满足：当信噪比，- b e r t 砚甜；当，最时，有b e r = ( r ) b 佻哪甜。其中b e r m ( r ) 表示在信噪 比为r 时，采用m 阶调制时b e r 的实际值。对于确定的系统目标b e r ，只要知道 高斯信道下各种调制方式跟信噪比的关系，我们就可以计算出它们的门限阈值。 本文自适应调制中所采用的调制方式有b p s k , q p s k , 1 6 q a m ，6 4 q a m ，下面 给出这几种调制方式在a w g n 信道下，b e r 关于信噪比r 的关系式： 脚( ，) = q ( , 1 2 r ) 召( ，- ) = q ( 4 r ) 嘲洲* c 肛肛剧 砜洲= 西1 7 q ( 压西蜊5 层，坝9 压，呗3 居) 1 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应调制的基本理论 其蝴加击p 讥虿1 唰x 俩= 拉p 矿( 棚) 。 有了误码率和信噪比的关系后，就可以计算信噪比的转换阈值。 2 3 2 仿真说明 阈值是在采用某种调制方式下，满足b e r 所需的最低信噪比值。我们选择在 满足一定b e r 要求下使得传输速率最大化的阈值确定准则，根据上述b e r 公式， 计算各种调制方式下，b e r 等于目标b e r 时的信噪比值，将它们作为对应的调制 方式的阈值。 由于b e r 公式比较复杂，用计算来直接求解符合要求的信噪比值不易实现。 根据误码率公式，仿真出各种调制方式在高斯信道下的b e r 曲线，通过读图的方法 得到一组近似阈值。 ，o 。l竺! 竺 1 0 2 l o 1 0 - 6 缶1 0 1 0 - 1 0 1 0 。1 2 10 1 4 10 - 1 6 051 01 52 02 53 0 8 n r ( d b ) 图2 2 四种调制方式误码率曲线 表2 1 中给出了根据公式计算和直接读图得到的目标b e r 为1 0 。的四种调制 方式的阈值。通过表2 1 可以看到，两种方法得到的阈值基本接近。 1 6 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制的基本理论 表2 1四种调制方式计算阈值与读图阈值比较 计算所得阈值区间( d b )读图所得阈值i x i 日q ( d b ) 调制方式 s 6 7 s 6 8 不传输 6 7 = s 9 5 6 8 = s 9 6b p s k 9 5 = s 1 6 6 9 6 = s 1 6 8 q p s k 1 6 6 = s 2 1 5 1 6 8 = s 2 2 4 1 6 q a m 2 1 5 = s2 2 4 s 6 4 q a m 确定阈值后，可以计算系统的吞吐量。对四种调制方式下三种调制组合的吞 吐量进行了仿真分析。本文的吞吐量指每符号传输的比特数，用b p s ( b i t sp e r s y m b 0 1 ) 表示，对于本节采用的四种调制方式b p s 理论值分别为( 1 ，2 ，4 ，6 ) 。 在进行输出b p s 仿真时，为了维持吞吐量曲线的连续性，在低于最低门限时仍采 用了b p s k 调制。 b p sc u l m e b p s k + q p s k + b p s k + q p s k + 1 6 q a m 目 b p s k + q p s k + 1 6 q a m + 6 4 q a m ，。纱 炱名 ， 、 、 、 s n r ( d b ) 图2 3 三种调制组合吞吐量比较 图2 3 为目标b e r 为1 0 0 时的自适应调制选用四种调制方式下的三种调制组 合吞吐量曲线。分别为b p s k + q p s k ， b p s k + q p s k + 1 6 q a m ， b p s k + q p s k + 1 6 q a m + 6 4 q a m 。从图中可以看出，当接收信噪比低于1 5 d b 时，三 条曲线重合，而在大于1 5 d b 后，三条曲线出现明显的差别。因为根据自适应调制 原理，当瞬时信噪比大于1 6 q a m 和6 4 q a m 的转换门限时，会选择采用这两种调 1 7 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制的基本理论 制方式，故引起了曲线在切换点附近的吞吐量明显变化，说明了自适应调制通过 测量接收信噪比来改变可用调制方式，可以在满足误码率要求的前提下，有效地 提高系统的吞吐量。 2 4 基于o f d m 系统的自适应调制 2 4 1 子载波分组 由于o f d m 系统包含多个子载波，如果在每个子载波上都采用自适应调制， 那么就需要估计每个子载波的信道信息，然后通过反馈信道传递给发送端用以判 决发送端的调制方式。显然，这样会给系统带来大量的信令负荷，且信令负荷带 来的影响可能反而会降低系统的频谱利用率。提出子载波分组的方法就是为了解 决这个问题。在o f d m 系统中自适应调制应用的时候，把多个相邻的子载波分为 一组，每组只传送一个子载波的信道信息，这样就可以大大的减少系统的信令负 荷。基于每个子载波的自适应调制方案，理论上可以达到较高的频谱效率，但其 实现复杂度高，且需要较多的信令负荷。利用子载波分组把相邻的子载波分为一 组，在组内采用相同的调制星座，可以在保证系统性能的前提下大幅降低传输所 需的信令负荷。把相邻的子载波分为一组，采用相同的调制方式，虽然这种方法 在一定程度会带来信道测量值的误差，却可以大大减少系统需要的信令负荷，反 而提高系统的频谱效率【2 l l 。 子载波分组可以分为动态分组和静态分组。动态分组是根据每次传输o f d m 子载波的信道状况，动态地选择分组的大小、组内包含的子载波个数。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的情况下，其频谱利用率可 能接近子载波分别进行调制方案的情况，但它要求每次都传输分组的信息，如果 分组信息量大于子载波分别进行调制产生信息量，那分组也就没有意义。 静态分组是根据通信质量的要求，在每次仅传输一次分组信息，产生的信令 负荷对频谱效率基本不产生影响。静态分组参数有分组数和分组大小，分组数指 的是总共包含的子带数；分组大小表示每个子带中包含的子载波个数。静态分组 频谱利用率一般不及动态分组，但它不必传输分组信息，又可以减少每次传输的 调制方式信息量，算法复杂度较低，对硬件的要求较低，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统一调制编码方案， 其频谱利用率要高得多。 1 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应调制的基本理论 2 4 2 子带信噪比的确定 在子载波的分组分析中，对于同一分组内采用相同的调制方式，但是由于子 带中各个子载波之间的差异性，如何选定代表子带性能的估计s n r 值，如何选择 一种调制方式以使子带整体的性能达到最优便成为接下来要解决的一个问题。 对于固定阈值法，调制方式的选取是根据估计所得的信噪比所在的阈值区间 决定的，阈值确定后，就需要解决如何计算子带信噪比的问题。这里，子带信噪 比必须能合理地体现分组内每个子载波的状况，并且以它为代表值选择的调制方 式要尽可能提高整个子带的性能，包括b e r 和吞吐量性能。以下介绍几种子带信 噪比的计算方法。 l 、极值代替法 极值代替是指用组内质量最差或最好的子载波的信噪比作为分组的信噪比， 也就是以下两种形式： 最差子载波代替： ，；= m i n ( s n r ，) ( 2 7 ) 最好子载波代替： 乃= m a x ( s n r f ) ( 2 8 ) 这两种方法都相对简单，且都是激进的选择方法。前者是过于保守的方法， 主要考虑为了保证系统的b e r 性能满足目标要求，但是对于信道质量好的子载 波会造成频谱资源的浪费，使系统的吞吐量降低；后者为了最大地提高传输速率， 但是若存在信道质量较差的子载波，可能引起b e r 的增大，导致每次传输质量 的下降。 2 、均值法 极值代替法没有体现分组中所有子载波的状况，虽然算法简单，但是系统的 性能牺牲也可能比较大，于是我们考虑一种受所有子载波影响的组内信噪比计算 方法一均值法。 均值法就是将信道估计得到的各子载波的信噪比作算术平均，并用此均值f 吒) 作为带内的信噪比来选择传输所采用的调制方式，可表示为： 一 1 ，；= 巧= 寺, s n r i ( 2 9 ) 1 ji = 1 其中n s 为每一分组内的子载波个数； 均值法是一种权衡各子载波的方法，它的出发点是b e r 和吞吐量的平衡：相 对最差子载波代替法，可以有效地减少频谱资源的浪费：相对最好子载波代替法， 又可以在保证吞吐量性能的情况下有效地降低系统b e r 。 3 、基于最大比值合并法 1 9 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应调制的基本理论 依据分组中所有子载波信噪比的极值选择调制编码方案，带来的性能增益受 到限制。针对选择准则对性能提升有限的问题，对s n r 选择准则进行优化设计， 我们考虑将从各子载波中选取子带信噪比值相当于分集合并的意义，将最大比合 并( m r c ) 思想引入，即对一组中每一个子载波的s n r 设置一个权值a ，： n a i = s n r l 帆， i = 1 一 r t = 2 a i s n r i ( 2 z 0 ) l = 1 将所得的，；作为组内信噪比来选择对应的调制方式。此方法可以更好地用一个 s n r 值来体现分组中信噪比的整体分布。 2 5 本章小结 本章介绍了无线衰落信道、自适应调制与编码的基本理论，给出了自适应调 制编码的实现原理、方法等；研究了在自适应调制中阈值的确定方法，同时比较 了三种调制模式组合吞吐量的性能不同；引入了基于o f d m 系统的自适应调制， 介绍了o f d m 的子载波分组概念和子带信噪比的概念，并提出了基于m r c 合并 的子带信噪比值确定方法。 2 0 重庆邮电大学硕士论文 第三章o f d m 系统自适应调制技术研究 第三章o f d m 系统自适应调制技术研究 o f d m 技术是宽带无线通信系统设计的一个自然选择，其在衰落信道上的性 能分析是当前的研究热点。自适应调$ i j0 - - i 最大限度地利用信道特性，m q a m 是一 种频谱利用率较高的调制方式，适合于在需要高频谱利用率的场合应用。本章将 深入研究频率选择性相关衰落信道n a k a g a m i 上采用m q a m 调制的o f d m 系统性 能。同时由于信道估计中存在误差，需要研究信道估计误差带来的影响。 3 1 系统模型 图3 1 给出了采用l d p c 编码、m q a m 调制的l d p c m q a m o f d m 系统简 略模型。 图3 1l d p c - m q a m - o f d m 系统模型 在发送端，数据流首先要根据信道估计结果做编码、调制选择，后做i f f t 变 换，经过并串转换后再加上循环前缀，最后送上发射天线；在接收端，收到o f d m 符号后首先要去掉循环前缀，接着进行f f t 变换，最后经过与发送端相对应的解 符号映射得到原始的比特流( 本章分析时暂不考虑编码影响) 。 在自适应调制系统中，调制方式是链路的可变参数。以b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 四种调制方式为例，采用信噪l 匕( s n r ) 作为信道质量的标识，自低到高 的门限值为在不同调制方式之间进行切换的门限。自适应调制的选择规则为： 当r ( s l 时，不发送； 当s 1 r s 2 时，调制方式为b p s k ； 当s 2 r s 3 时，调制方式为q p s k ； 当s 3 r s 4 时，调制方式为1 6 q a m ； 2 l 重庆邮电大学硕士论文第三章o f d m 系统自适应调制技术研究 当r s 4 时，调制方式为6 4 q a m ； 设b p s k ，q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 的四种调制方式的误码率分别为：i ( 厂) ， 岛研( r ) ，p l 。删( ，) ，p “唧( ，) ，信噪比概率密度函数为f ( r ) ，则自适应调制的平 均误码率为： r 晶品岛 。 丽= 曰一1 1 j ( r ) m ) a t + 2 ，( ，) m ) a t + 4 ，a 。唧( ，) 竹) a r + 6 - f p 椰( ，) m ) a ti l 墨 是s j矗 j 其中b 为输出容量，可以由下式给出： &ss 4o b = i ，( ，) d r + 2i f ( ，) d r + 4i f ( ，) d r + 6i f ( ，) a r 3 2 自适应调制技术研究 3 2 1 基于n a k a g a m i 的性能分析 为了分析自适应调制，引入以f 。参数。从n 种, - - j 选的调制模式中选择第k 个 调制方式的概率m k ，可以通过计算信道质量函数得到： 尥= p r s t 孝 s k + 。】- j 厂( 孝烤 ( 3 1 ) s k 代表调制转换的阈值，f ( e ) 代表输出信噪比的概率密度函数。因为已经考 虑了在自适应环境下，输出容量b 可描述为： b - - y a 厂( 孝腾= 仇心 ( 3 2 ) 就是说b 是计算m q a m 的输出容量，然后再代入不同组成模式的选择概率 m k 获得，单位为b i t s y m b o l 。当瓯= o o 时，输出量b 也可写作： b = 阮，( 孝w = 篓【- 玩，厂c 孝，d 孝一玩3 厂c 孝，d f 。3 3 ， ：6 0 了厂( 即孝+ 艺( 钆吨) 砂( 纠孝 = g ，厂( f ) d f = g c 瓴 重庆邮电大学硕士论文 第三章o f d m 系统自适应调制技术研究 这里g = 瓯- b , 一，c ( 善) 是厂( 孝) 的分布函数。 我们利用瞬时s n r 作为信道质量的参数，在此不考虑信道干扰。经m q a m 调制通过衰落信道后的b e r 为p k ： 最= j & ( r ) f ( r ) d r ( 3 4 ) 其中p h i k ( ，) 是m q a m 的第m 阶调制模式通过a w g n 信道的误码率。自适应 调制的平均误码率p 嘴通过输出容量b 表示为： = 吉瓯仇 ( 3 5 ) 上jk = 0 其中以为第k 阶调制模式的输出，最是由( 3 4 ) 式给出的调制误码率。调制 的目标是传输尽可能多的比特数，同时满足系统误比特率要求。也就是说，我 们要求最大化输出b ，同时满足 0 5 称为n a k a g a m i 参数，q 2 为信道衰落幅度的方差，而t ( x ) 表示 伽玛函数： r ( x ) = p 1e x p ( 一y ) d y ( 3 7 ) 衰落信道服从n a k a g a m i 分布时，接收端信噪比的概率密度函数为 】： f ( r ) = ( m ) 4 高p 嘭 俐 ( 3 8 ) 参数m 决定衰落类型，为s n r 的平均值。当m = l 时为瑞利衰落分布，随着 m 的增加，衰落服从莱斯分布，当1 1 1 较大时，变为a w g n 信道。 故自适应调制中当信号经过n a k a g a m i 信道时，m k 可以表示为【2 3 】： 心2jf ( r ) d r = c ( & ) 一c ( & + t ) ( 3 9 ) 其中的只( ，) 为： 重庆邮电大学硕士论文 第三章o f d m 系统自适应调制技术研究 有： c ( ，) = 少 ) a x = 页詈) 辨嵩p 嘭出 。埘 i