（通信与信息系统专业论文）ofdma系统链路质量反馈及功率控制技术研究.pdf

摘要 正交频分多址接入( o f d m a ) 是新一代无线通信系统的首选技术之一。而 在新一代通信系统中以更好地利用系统的资源，提高通信系统在无线衰落信道中 的传输性能为背景，自适应链路传输参数调节成为近年来无线通信研究的热点之 一。在无线通信系统中采用自适应传输技术，需要解决三个方面的问题，第一是 接收端信道传输质量( c q i ) 估计，第二是信道传输质量的信息反馈，第三是发送端 根据收到的反馈信息，进行链路参数自适应控制。 本文从链路质量参数出发研究了反馈信息的形成以及功率控制。在链路质量 参数方面，对现有参数进行总结；在链路质量反馈方面，对现有的反馈方案进行 了总结，在总结的基础上，本文提出了一种新的反馈方案，该方案参数形成过程 简单、运算复杂度低并且具有较高的预测精度；在功率控制方面，本文提出了一 种新的功率控制方案，该方案提高功率控制的有效性，充分发挥自适应传输技术 的潜力，降低干扰，提高系统传输质量和容量，大大降低系统的能耗。 关键词：正交频分多址接入链路质量信息反馈功率控制 a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o f d m a ) i s c o n s i d e r e da l so n eo f t h ep r e f e r r e dt e c h n o l o g i e so ft h en e wg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i n t h e b a c k g r o u n d o fs p e c t r a le f f i c i e n c y i n c r e a s ea n dt r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y i m p r o v e m e n tf o rt h en e wg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a d a p t i v el i n k t r a n s m i s s i o np a r a m e t e ra d j u s t m e n th a sr e c e n t l yb e c o m ea ne m p h a s i so f r e s e a r c h t h e r e a r et h r e ep r o b l e m si na d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y 。f i r s t l y , t h ec h a n n e lq u a l i t y i n f o r m a t i o n ( c q i ) e s t i m a t i o n a tr e c e i v e r ；s e c o n d l y , c q if e e d b a c k ；a n d ，f i n a l l y , a d a p t i v ec o n t r o lo n t 1 1 el 址p a r a m e t e r sb a s e do nf e e d b a c ki n f o r m a t i o na tt r a n s m i t t e r t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h ec o n s t r u c t i o no ff e e d b a c ki n f o r m a t i o na n dp o w e r c o n t r o lb a s e do nt h ec q i i nt e r m so fc q ip a r a m e t e r , w ei n v e s t i g a t et h ea v a i l a b l e k i n d so fc q ip a r a m e t e r s f r o mt h ei n v e s t i g a t i o nt h i sp a p e rp r o p o s e san e wf e e d b a c k s c h e m e t h i ss c h e m eh a ss i m p l ep r o c e s so fp a r a m e t e rc o n s t r u c t i o n a n dl o w c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y f u r t h e r m o r e ，a st op o w e rc o n t r o l ，t h i sp a p e rp r o p o s e d a n e ws c h e m ea l s o t h i ss c h e m ei so fi m p r o v e de f f e c t i v e n e s sa n dm a k e sf u l lu s eo ft h e a d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y m o r eo v e l i tc a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d c a p a c i t yp e r f o r m a n c eo ft h et r a n s m i s s i o n ，a n dg r e a t l yr e d u c et h ei n t e r f e r e n c e a n d s y s t e mc o n s u m p t i o n k e y w o r d ：o f d m a l i n kq u a l i t yi n f o r m a t i o nf e e d b a c kp o w e rc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：i 。鲤日期12 ：主：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：i 盏壁 日期 导师签名： 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1o f d m a 技术的发展 o f d m o f d m a 是一种特殊的多载波传输方案，它既可以被看作是一种调制 技术也可以被看作是一种复用技术。多载波传输是将数据流分解成若干子比特流， 这样每个子数据流将具有低比特速率，用这样的低比特速率形成的低速率多状态 符号再去调制相应的子载波就构成了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的一种改进。它的特点是各子载波相互正交，所以扩频 调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频 谱利用率。将o f d m 系统多个子载波分给一个用户或多个用户，就得到了一种新 的多址方式刈f d m a 。同样o f d m a 系统具有良好的抗频率选择性衰落、抗 窄带干扰和高谱利用率的特点。o f d m a 类似于常规的频分复用( f d m a ) ，但它不 需要f d m a 中必不可少的保护频带，从而避免了频带的浪费，提高系统容量。此 外，o f d m a 的分配机制非常灵活，它可以根据用户业务量的大小动态分配子载 波的数量( 与t d m a 中动态分配时隙数相似) ，并且可以在不同的子载波上使用 不同的调制制式及发射功率，因而可以达到很高的频谱利用率。o f d m o f d m a 技术作为4 g 移动通信系统关键技术之一，已经得到业界普遍共识i l j 。 1 2 选题背景及意义 在无线信道中，时间选择性衰落使接收到信号功率起伏高达几十d b ：非自适 应系统为了在信道传输条件变得很差时也能维持可接受的性能，通常按照最坏的 情况进行设计的，因而导致系统资源利用率极低。自适应传输是根据信道的即时 传输条件，自适应调整链路的传输参数，可有效提高无线时变信道的频带利用率 和信息传输的可靠性，是近年来无线通信研究的热点之一。 在无线通信系统中采用自适应传输技术，需要解决三个方面的问题，第一是 接收端信道传输质量( c q i ) 估计，第二是链路质量的信息反馈，第三是发送端根据 收到的反馈信息，进行链路参数自适应控制。本文着重研究后两个方面的问题， 首先在反馈最初的链路质量参数的选取方面，对于单载波系统，可以用信噪比、 载噪比等参数来表征链路的传输质量，而对于多载波系统由于之后反馈方面的要 求很难将各个子载波的信噪比反馈回发射端，因此很难用各个并行信道的子载波 信噪比来衡量链路的传输质量，所以找到一种即简单又准确的参数来衡量链路的 o f d m a 系统链路质量反馈及功率控制技术研究 传输质量成为链路质量反馈以及功率测控制方面的一个基础，出于此种原因，爱 立信、摩托罗拉等公司提出了有效信噪比的概念如：e e s m 、m i e e s m 、m m i b 来衡量链路传输质量。 其次在链路质量的反馈方面，对于多载波o f d m o f d m a ，m i m o o f d m 等 系统中，表征多个并行子信道传输质量的信噪比数量多，需要反馈的信息数据量 大，大量的反馈信息将严重降低自适应传输技术带来效率的提升，因此反馈数据 量已成为限制自适应传输技术在o f d m a 等系统中应用的关键。为了降低包含多 个并行子信道的o f d m a 等系统信道传输质量反馈信息数量，根据无线通信系统 的一些新标准i e e e 8 0 2 1 6 e 、i e e e 8 0 2 1 6 m 和i m t - a d v a n c e d 等的要求，通过大量 地研究目前从反馈信息的类型上，可以将这些研究分为三类。第一类是反馈各个 并行子信道的信噪比，第二类方法是反馈发送端所采用调制编码方式( m c s ) ，第 三类是反馈有效信噪比的状态。第一类反馈方法面临的主要问题是各个并行子信 道传输质量信息数量大，如2 5 6 个子载波，每信道8 个比特量化，则需要反馈4 0 9 6 个比特；第二类方法将自适应参数控制的运算处理和需要数据都放在接收端进行 处理，通过反馈编码调制方式( m c s ) 实现链路传输，虽然这种方法可以大大地降 低反馈信息的数量，但接收端增加了复杂处理运算，并需要预存大量的数据，这 种方式更适用于上行链路的反馈。第三类方法是反馈有效信噪比的状态，这种方 法接收端运算处理简单，适用于下行链路中移动台向基站报告信道传输质量。 最后在功率控制方面在o f d m 和m i m o o f d m 等并行多子信道传输系统中， 由于各个子信道的变化不尽相同，表征其传输质量的参数多，反馈信息量大，使 系统功率控制的实现非常复杂。近年来在o f d m 和m i m o o f d m 等系统中开展 了大量的功率控制算法的研究。这些算法大体上可以分为两类；一类是基于理想 反馈信息的功率控制( 功率分配) 算法，另一类是基于部分反馈参数的功率控制 算法。基于理想反馈信息的功率控制算法是假定在发送端可以获得接收端各个并 行子信道的信噪比信息，根据各个并行传输子信道不同的传输质量来分配发射信 号的功率，实现系统的性能的最佳化。典型的功率分配算法有注水算法，贪婪算 法( h u g h e s h a t o g s ) 、c h o w 算法和f i s h e r h u b e r 算法等，这些算法不仅可以在多 个并行子信道上进行功率分配，还可以进行比特分配，实现误码性能、功率和传 输速率等指标的最佳化。但多个并行子信道的传输质量使反馈信息量增大，大量 的信息反馈使反馈时延增加，也使系统传输效率下降，严重地降低了功率控制和 比特分配给系统带来增益。因而在许多实际的宽带无线o f d m 和m i m o o f d m 中，大量的反馈信息需求使得这些算法无法应用。为了进一步利用无线传输链路 的性能，文献 7 提出了有效信噪比的概念，即在接收端将多个并行子信道中的信 噪比，按照一定的规则映射为一个可以表征系统传输质量的有效信噪比。有效信 噪比的提出大大简化了o f d m 、m i m o - o f d m 等具有并行多信道传输系统传输质 第一章绪论 3 量的表征参数；在有效信噪比的基础上，针对无线通信系统的标准i e e e 8 0 2 1 6 e 中的o f d m a 系统提出基于有效信噪比e e s m 的功率控制方案。其功率控制方式 与单载波类似，即在发送端端利用功率提升因子b 对全部子信道进行等功率提升， 在频率选择性较弱的无线信道中各个子信道相关性较强，该方案非常有效；但在 频率选择性较强信道中，各个子信道的信噪比差别大，这种功率控制方式性能较 差，主要体现在两个方面，一方面是在提升功率，即b 1 时，在功率提升因子受 限的条件下，这种功率控制方式很难达到系统所需的有效信噪比，若要达到系统 所需的有效信噪比，就必须突破功率提升因子的限制，功率放大器的非线性失真 使系统引入子载波间干扰，还会给其它用户带来的干扰，从而降低了传输质量和 小区容量。另一方面是在降低功率即b l 时，由于各个子信道的信噪比不同，信 噪比较大的子信道可以节省较多的功率，而信噪比较小的子信道可以节省的功率 是极为有限的，若采用统一的提升因子b 则不能最大限度的节省功率，不能有效 地降低系统多余的发送功率，减小用户之间的干扰。因而，克服基于e e s m 方法 的功率控制方案存在的问题，进一步提高功率控制的有效性，充分发挥自适应传 输技术的潜力，降低干扰，提高系统传输质量和容量，降低系统的能耗，对于新 一代o f d m 、m i m o 和m i m o o f d m 等无线通信系统的研究和传输标准的制定 具有重要意义。 1 3 论文主要研究内容 根据上节的背景知识，本文主要的研究内容可分为三部分：链路质量测量参 数、链路质量的反馈以及功率控制。其详细内容如下： 1 链路质量衡量参数 在o f d m o f d m a 、m i m o o f d m 等多载波系统中为了能使系统的反馈信息 达到既简单又精确的目的，绝不能仅以并行子信道的信噪比作为衡量链路质量参 数，本文从信噪比出发，研究了一些等效信噪比作为衡量链路质量的参数。 2 链路质量的反馈 由于多载波o f d m 、m i m o 、m i m o o f d m 和o f d m a 等系统中，表征多个 并行子信道传输质量的信噪比数量多，需要反馈的信息数据量大，大量的反馈信 息将严重降低自适应传输技术带来的效率提升；许多性能优异的功率、比特自适 应分配算法由于反馈数据量的限制，在实际系统中无法采用。因此反馈数据量以 及反馈精度已成为自适应传输技术在o f d m a 等系统中应用的限制因素。 3 功率控制 在o f d m a 等并行多子信道传输系统中，随着时间的变化，具有不同的空间 和频率子信道产生随机变化，为了补偿信道变化维持恒定的信息传输质量，通常 o f d m a 系统链路质量反馈及功率控制技术研究 采用功率控制。功率控制是时变无线通信系统中的一项关键技术，它可以改善服 务质量，提高系统的吞吐量，降低干扰，降低系统的能耗等。对于包含并行多子 信道传输系统，由于各个子信道的变化不尽相同，表征其传输质量的参数多，反 馈信息量大，使系统功率控制的实现非常复杂。因此改善服务质量，提高系统的 吞吐量，降低干扰，降低系统的能耗以及降低系统实现的复杂度成为功率控制的 关键。 1 4 论文章节安排 第二章介绍了链路质量参数的研究状况。首先简要介绍了o f d m a 的系统模 型和多并行子载波系统模型；其次详细介绍了链路质量的一些参数的选取；最后 是对本章节的一个小结。 第三章首先归类并阐述了现有的反馈信息形成方案；同时在现有的反馈方案 的基础上提出了，并结合反馈指数有效信噪比参数的反馈方案的优点，提出一套 适用于移动台的完整链路质量报告的低反馈方案，该方法克服了反馈信息数量大， 移动台处理复杂等缺点，之后的仿真结果验证了新反馈方案相比反馈指数有效信 噪比参数的反馈方案来说大大提高了传输质量的预测性能；最后对前面部分的内 容加以分析总结，并指出反馈信息形成的研究方向。 第四章首先介绍了基于理想反馈信息的典型功率控制算法如注水算法、贪婪 算法、c h o w 算法、f i s h c r - h u b e r 算法；之后介绍了基于部分反馈参数的功率控制 算法并在此基础上提出了一种功率控制改进方案，该方案克服了基于指数有效信 噪比的功率控制算法存在的问题，最后得仿真结果证实了该算法进一步提高了功 率控制的有效性。 第五章对上述四章的进行了总结，并对今后如何在该领域继续研究进行了探 讨。 第二章系统模型与链路质量参数 第二章系统模型与链路质量参数 ，) 1 己i 吉 二 了l 口 自适应链路是为了克服无限信道中的慢衰落，充分利用无线通信系统资源提 高信息传输性能而产生的一项重要技术。链路质量参数的选取是自适应链路控制 的依据。对于多载波系统如：o f d m a 、m i m o o f d m 为了能使系统的反馈信息 达到既简单又精确的目的，链路质量参数的选取更是自适应链路的关键。本章首 先介绍了自适应o f d m a 链路系统模型，之后归纳总结了多并行子载波系统的数 学模型，最后详细叙述了链路质量的一些参数。 2 2 1 系统模型 2 2 系统模型 图2 1 为自适应o f d m a 系统框图。首先接收端根据接收到的数据信息进行 链路质量测量，接下来确定好反馈信息之后通过反馈信道通知发射端。其次，根 据反馈信息，发射端确定各个子载波的比特数以及发射功率等信息之后将数据信 息进行相应的星座点映射，接下来再进行i f f t 、并串变换和添加循环前缀。 图2 1 自适应o f d m a 系统模型 在接收端，先进行去除循环前缀、串并变换、f f t 之后，根据链路质量测量 得到的反馈信息和自适应调制解调信息，对各子载波做相应的解调，得到数据比 特，同时将链路质量结果通过反馈信道送到发送端。 0 f d m a 系统链路质量反馈及功率控制技术研究 2 2 2 多并行子载波系统数学模型 在循环前缀足够长、同步比较理想 的o f d m a 系统以及相关性比较强的线 性均衡后的m i m o 系统和m i m o o f d m 系统的频域传输模型都可等效为包含多 个并行窄带子信道传输系统，若系统信 道变化缓慢或在一个数据分组传输期间 基本不变，这些包含多个并行子信道的 传输系统复基带等效模型如图2 2 所示。 在图2 2 中，输出信号与输入信号的 关系可表示为： ”一一一一如l + l y 托。妊三兰 。一一三! 拄 。h 图22 名# 行子信谱诵信系统等茵佶输槿犁 y 2 h 。x + w 【2 - 1 ) 其中，x = 【五，置，h 】2 和y = 【x ，k ，巧】1 分别为输入和输出信号矢量， h = 【q ，h 2 ，乩】1 为各个子信道的复系数，w = 【彤，】1 为各个子信道的 干扰噪声，方差分别为彳，霹，砖。则各个子信道的信噪比( 或信号干扰噪声比， s i n r ) 可表示为乃= i 耳1 2 z ，子信道信噪比矢量记为丫= 【y l , 均，肠】，它详细 地表征了各个子信道的传输质量状态。 2 3o f d m a 系统链路质量参数 2 3 1 并行子信道信噪比 表征系统链路质量的参数主要有误码率、误帧率、信噪比( s n r ) 信干噪 比( s 肿乇) 载噪比( c n r ) 载干噪比( c 仆浓) 等，其中误码率和误帧率是不能 直接度量的，往往要通过大量的数据统计才能获得它的精确估计，耗费时间长， 不利于实时应用。信噪比( s n r ) 与误码率、误帧率有直接的关系，并且可实时 测量，因而一般采用信噪比表示系统链路质量。也就是说，自适应控制就是根据 信道的信噪比信息，充分挖掘系统的传输潜力，提高频谱利用率。同样在多载波 系统一搬也是用子信道的信噪比来衡量链路质量的参数【2 】【3 1 。 文献【4 】就给出o f d m o f d m a 系统中具体的信干噪比s i n r 的计算。衰落信 道对接收到的o f d m 信号功率的影响可以通过当前信道频率响应h ( f ) 计算得 出。假设信道衰落幅度m 。( f ) 和相位口。( ，) 在一个传输时间间隔内保持不变( 即低 多普勒频移) ，那么第k 个子载波的频率选择性衰落功率值计算公式如下： 尸( 七) ：医蜂缈柑2 酬l ：陧吩伽 2 叫 ( 2 - 2 ) 第二章系统模型与链路质量参数 其中，彳，为第p 径的幅度值，五为第k 个子载波相对频率偏移量，乙为第p 径的相对时延。这里假设衰落功率值为归一化值，即e l 尸( 七) l l 。 现定义一个几何因子g ： g = i o ，( k + d ) ( 2 3 ) 其中，l ，为接收到的信号功率总和，k 为干扰功率总和，o 为热噪声功率。 o f d m 系统中去掉循环前缀会使信号能量有部分损失，因此，通过召计算 o f d m a 系统的子载波信噪比时还要考虑循环前缀带来的影响。如果为f f t 长 度，。为循环前缀长度，那么o f d m a 系统中子载波s i n r 的计算公式为： 纠矩【嵩j 击 ( 2 呦 其中，r d 为子载波数，为相对子载波数，峙为可用子载波数。考虑到o f d m a 系统保护间隔持续时间大于信道最大时延扩展且信道准平稳，系统不存在符号间 干扰和子载波间干扰，所以本文中仅考虑噪声功率，干扰功率默认为零。因此认 为信噪比( s n r ) 等于信干噪比( s i n r ) 。 在单载波系统中信噪比能准确的反映出链路的传输质量，然而在多载波系统 中很难用两个并行多信道子载波的信噪比矢量来衡量链路质量的好坏。 2 3 2 等效信噪比 为了能够简便地得到在不同编码调制下多并行子信道系统的误块率( b l e r ) ， 文献 5 】 8 】分别提出了指数有效信噪比映射( e e s m ) 、互信息有效信噪比映射 ( m e s m ) 和平均每比特互信息映射( m m i b ) 等方法。这些有效信噪比映射方 法通过把并行子信道的信噪l - 8 矢量丫= 【y 1 , 兄，y , v 】映射为一个有效的信噪比值， 然后再用这个有效的信噪比值从一条基本的a w g n 链路级性能曲线上查找到误块 率( b l e r ) 的估计值。 图2 3 给出了在低多普勒频移o f d m a 系统中的有效s i n r 映射方法。 吞吐量 图2 3o f d m a 系统中有效s i n r 映射方法 其中，召是几何因子如公式( 2 3 ) ，由其在系统中的位置决定，反映了路径损耗， 0 f d m a 系统链路质量反馈及功率控制技术研究 阴影衰落和热噪声的影响。h ( f ) 是当前传输时间间隔内的瞬时频率响应。在有时 延扩展时，下行链路的正交性被破坏，产生y d , 区内的干扰。b l e r 不仅与g 有关， 还与h ( f ) 有关。为了得至i j b l e r ，定义一个映射函数跚m 0 ( g ；) ，将g ，h ( f ) 映射为一个标量值，即有效s i n r 。下面分别给出具体几种有效信噪比的详细描述。 1 指数有效信噪比( e e s m ) 首先文献 5 】给出指数有效信噪比的推导过程：b p s k 在单个加性高斯白噪声 信道中传输，假设信噪比为y 且符号间隔为1 ，则错误概率为： ( y ，1 ) = q ( 2 y ) ( 2 5 ) 当信噪比很大时，利用c h e m o f f 并集界，那么式( 2 5 ) 可写为： ( ) p 吖 ( 2 - 6 ) 当为n 个a w g n 信道时，则错误概率为： nn 只= 1 一兀( 1 一( 苁) ) e e 一力 ( 2 7 ) i = l i = l 式( 2 7 ) 中，第一个等式实际上是个符号的误块率，令乃= 场，则得： 由式( 2 - 8 ) 解场得： n e 一埘= y e 一乃 j r i z l r , , = - l n 上f p z ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 对于q p s k - 场，渊= _ 2 h 专善p 丁( 2 - 1 0 ) 对于更高阶的调制方式，可用尺度因子得到有效指数s i n r 映射( e e s m ) 为： 场= 一班叫n 瞻g 刁 p 其中，y = 乃，虼，以】是各子信道的信噪比，是与编码调制方式有关的比例因 子，通过最优化这个参数，使e e s m i 映射函数适用于任何编码调制方式。下面将给 出罗参数的优化方法。 值的确定是一个渐进的寻找过程，其目标是使多态信道下的性能曲线都能 归- - 至t a w g n 信道的性能曲线。多越优，映射误差越小，所以优化的成功与否直 第二章系统模型与链路质量参数 接影响系统的性能。对于每种调制和编码方式( m c s ) 都需要一个对应的尺度因 子。我们需要使用b l e r 预测方法来得到这个尺度因子，不同的b l e r 预测方法的 有效性验证包括模型参数的优化和误差分析两方面。 表达式如下： = a r g n 唔n0 眠，删一r ( ) 0 ( 2 - 1 2 ) 其中， s n r 一删= is n r 删j ，s n r 一删2 ，s n r 一删，。i r a ( p ) = 【r 万。l ( ) ，r 巧2 ( ) ，r 谚。( ) j ( 2 1 3 ) 每种编码调制方式下的值都需要通过链路级仿真得到。首先，通过仿真得 到a w g n 信道下的b l e r ( s n r ) 参考曲线：其次，依据频率选择性信道模型( 如 i t up a ，p b ，v a ，v b ) 随机生成多个即时信道实现，在每个信道实现下，由仿 真得到一条b l e r ( s i n r ) 曲线；最后，依据上述值的优化方法，计算得出最 优的值【5 】o e e s m 简化了反馈信道中信息量，但仍存在着一些不可避免的缺点，首先当 使用e e s m 时，要求一个终端的所有子载波都必须使用相同的调制和编码方式， 这就很不利于在自适应o f d m 系统中的应用；其次，有效s i n r 并不能反映各个 子载波的信噪比，而只能反映一个近似平均值，因此e e s m 并不能反映较差信道， 而通过这个较差信道传输的信息质量是不能得到保证的。 2 n e s m m i e s m 是一种更高级的映射方法，它不会要求一个终端的所有子载波都使用 相同的调制和编码方式。与e e s m 的主要差别在于使用的信息测度函数不一样。 e e s m 和m i e s m 的通用表达式可以表示为： s i n r , 咿：r 1 睫( s i n g , ) ( 2 - 1 4 ) 其中，l ( x ) 就是信息测度函数，厂1 ( x ) 是i ( x ) 的反函数。 文献【6 】给出的信息测度函数表达式为： i ( x ) = m 一目 ( 2 - 1 5 ) 式中，m p 是每个调制符号的比特数，堤数据符号集合，x ：是当f 等于6 时的数 据符号的集合，z 是零均值单位方差复高斯变型6 1 。 邓一吖 一婴历 卜一卜 卜一卜 p p 咖一铱 丝叫 岛 b 酬 。脚， 一矿 0 f d m a 系统链路质量反馈及功率控制技术研究 m i e s m 具有较好的通用性和预测准确性，但其计算复杂度制约了系统的仿真 速度。在进行系统级仿真时，大量的时间用于计算有效s i n r 上面。为了加速系统 级仿真的速度，每一种调制方式下的互信息可以预先实现并存储在一个表格里面， 在系统级通过查表来完成有效s i n r 映射的操作，这样会大大加速系统仿真的速度。 还有一个问题就是m i e s m 有效s i n r 的计算公式中取平均的操作必须要基于真实 使用的资源。在o f d m 的情况下，如果不使用那些处于较差信道的子载波，那么计 算均值时这些子载波就不应该计算在内。 3 m m i b 之前已经介绍了有关m i e s m 和e e s m 的知识，然而不论是l v l i e s m 还是e e s m 它都与调制编码方式以及编码速率分不开的。它们都与也就是对于不同的m c s 有 不同m i e s m 或e e s m 的计算。为了解决这一问题，文献 7 】提出了一种基于每编码 比特平均互信息( m m i b ) 权值的精确链路传输质量预测技术，m m i b 利用编码比 特与其对应的l l r 值之间的平均互信息求得有效信噪比，实现链路性能预测。 m m i b 重点在于互信息函数的确定以及m m i b 对b l e r 映射函数的确定。对于b p s k 和q p s k ，互信息函数具有确定的表示式；但对于1 6 q a m 和6 4 q a m ，需要像e e s m 一样引入修正因子。 对于o f d m 等多信道状态通信系统，链路性能预测一般由两个映射函数 i ( s 1 n r l ，s i n r 2 ，：一) 和b ( s i n r 够) 组成。第一个映射函数将多个物理信噪比( 或者信 道状态本身) 映射为单个有效信噪比值s 1 n r d r 。第二个映射函数根据a w g n 性能 曲线将有效信噪 s i n r , f f 映射得到当前的b l e r 。 在m m i b 链路性能预测中，第一个映射函数i ( s i n r i ，呲，) 以及有效信噪比 s i n r , f f 定义为 陶( 孚h 薹，( 警) 陋旧 i 身i 吃 、7 其中和口：为常量( 通常限制= ) ，由调制编码方式确定。f 为每编码 比特的平均互信息，通常用m 表示。令a l = 哆= 1 得到 可得： m = ( 岫) = 万1 善nl ( ) ( 2 一1 7 ) 第二章系统模型与链路质量参数 s i n r = 一( m ) = 一( 专善l ( 肌呱) ) ( 2 一8 ) 其中厶( ) 为由调制方式和星座点上对应比特决定的一个函数，m 表示特定的调制 方式。g v j - 于q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m ，m 分别为2 、4 、6 。l ( ) 将子载波信噪比映 射为对数似然率和q a m l 匕特之间的平均互信息。 由于星座点上比特到符号映射的不对称性，各个q a m 符号中不同比特经历不 同的等效比特信道。对于具有m 个比特的输入符号，存在m 个互信息函数l ，则 m = i , ( s i n r ) = 去轧( s i n r ) ( 2 1 9 ) l 即称为每编码比特互信息( m i b ) ，为互信息在m 个比特信道上的平均。这 样，每比特平均互信息( m m i b ) 可以理解为不同信道状态或者不同s n r 测量值上 互信息的平均。 第二个映射函数s ( m ) 用于由平均互信息估计b l e r ，b ( m ) 根据高斯白噪声 信道下特定编码类型和解码器时的系统性能推导得出。 由于调制映射的不对称性，每个调制符号各个比特将经历不同的等效比特信 道。这样每个编码比特以概率1 m 随机映射n m 个比特信道的某一个，等效比特信 道的互信息可以表示为 ，( b , l l r ) = 去姜砸m 尺( 岛) ) ( 2 - 2 0 ) 其中，( 匆，儿r ( 6 f ) ) 为q a m 符号映射中第i 个输入比特与其对应的l l r 值之间 的互信息。这样对于传输编码字的n 个子载波，其平均互信息为 示为 肘= 丽1 善n 喜，( 勿，三尺( 匆) ) ( 2 2 1 ) 互信息函数，( 匆，儿r ( 6 f ) ) 为q a m 符号信噪比的函数，则平均互信息m 可以表 肘= 丽l 刍n 善ml 岛( s i n r ) 皇l u i , ( s i n r ) ( 2 - 2 2 ) 可以看出互信息函数由信噪比和编码比特序数i 确定，并随星座阶数m 变化。 1 2o f d m a 系统链路质量反馈及功率控制技术研究 这样就需要得到调制方案和其各个成员比特序数数之间的关系l ( s i n r ) 以确定 互信息函数l ( s i n r ) 。 若h ( x ) 为x 的熵，则 i ( b ，l l r ) = h ( 6 ) 一h ( b ll l r )( 2 - 2 3 ) 表示编码比特b 和l l r 值之间的互信息等于b 的不确定性( 一般假设为1 ) 减去 已知l l r 时b 的不确定性。显然h ( b ) = 1 时 h ( l l r i b ) = 百1 卜瑚( z i b = 1 ) l o g ： 儿詹( z 1 6 = 1 ) p 厶7 ( 2 2 4 ) + 告，胁( z i b = o ) l o g ： ( z i b = o ) p - 则所需的互信息函数可以表示为 砸删= 糊嘶崦： 面志卜2 5 ， 式中z 为表示l l r 的变量 对于b p s k 调制，接收信号可以表示为 y = x + 挖 ( 2 - 2 6 ) 其中e j i x l 2i = 1 ， 比特0 用“+ l ”传输，比特“l ”用“一l ”传输。 e lh 2i = - 2 = i ( 2 e s n o ) ，o 2 为噪声方差。则l l r 值为 l l r ：；( ) = 去伍+ 刀) ( 2 - 2 7 ) 可以看出l l r 值为接收信号乘以某一比例因子，因此是魄为条件的高斯分布 的。对于给定的x 值，l l r 的均值( k t = 2 吒2 ，x = 1 时) 和方差 ( 盯2 = 4 一一= 4 一= 8 g n 0 ) 就是确定的。由于l l r 满足= 仃21 2 ，则 即删小j 志唧【掣】1 0 9 2 ”p 1 比p 2 8 ， = ，( 盯) = ，( 而) = ，( 俪丽) 同理对于q p s k ，l l r 分 布也是高斯的，但其均值为b p s k 时的一半。 对于高阶q a m ，文献 7 】中将l l r 分布近似为复合高斯分布，从而也可用( ) 第二章系统模型与链路质量参数 函数的叠加近似互信息函数。 如果l l r 分布能够近似为不重叠的高斯分布的叠加，则此时的m i b 函数可以表 示为，( ) 函数的叠加。通过最优化方法得到的近似结果如表2 1 所示，其近似误差 小于5 e 3 。 表2 1m i b 映射互信息函数近似形式简表 互信息函数近似形式 厶( y ) q p s k m = 巾万) ( 精确) 厶( y ) 1 6 q a m m = 三j ( o s 万) + 三卟胛万) 丢小9 6 5 万) 1 6 0 ) 6 4 q a m m = 三，( 7 万) + 三，( o s 2 9 万) + ；，( o 3 6 6 万) b s 通常存储各种m c s 下的a w g n 性能曲线进行m m i b 到b l e r 的映射。另一种 可选的方法是通过参量函数近f 以a w g n 性能曲线，这里考虑用3 个变量的高斯累积 模型近似 y 廿形( 老) 卜 ( 2 2 9 ) 其中a 、b 、c 分别表示误差曲线的“转换高度”、“转换中心”和“转换宽度”。在 线性b l e r 区域，参数a 取l 。8 0 2 1 6 e 中几种m c s 对应的b 、c 参数如下表示： 表2 2b l e r 映射函数高斯累积近似参数，帧长4 8 0 b i t s 调制方式编码速率 bc q p s k 1 20 5 5 1 20 0 3 0 7 1 6 q a m 3 40 7 8 6 30 0 3 3 7 5 6 4 q a m 5 f 60 8 5 6 50 0 2 6 2 2 因此对于每种m c s ，b l e r 表示为 y * p 文毒肛。 亿3 。， 文献 7 】指出映射函数仅与码字大小和编码速率：f i - 关t 7 】【8 】。 m m i b 不需要先映射到有效信噪比再映射蛰j b l e r ，可以直接由m m i b 映射 b l e r ，且m m i b 到b l e r 的映射与系统调制方式无关。但是由于m m i b 实现起来较 复杂同时只有当发射端的编码块足够长时m m i b 的推导公式才能足够精确，因此出 于对系统的复杂度以及灵活性的考虑，在后续的章节中我们仍采用e e s m 作为衡量 0 f d m a 系统链路质量反馈及功率控制技术研究 多载波系统链路质量的参数。 2 4 本章小结 为了能使系统的反馈信息达到既简单又精确的目的，链路质量参数的选取是 多载波自适应链路的关键：通常，在单载波系统中信噪比能准确的反映出链路的 传输质量，然而在多载波系统中很难用两个并行多信道子载波的信噪比矢量来衡 量链路质量的好坏。有效信噪比映射方法的引入大大简化了表征多并行子信道系 统的参数，e e s m 简化了反馈信道中信息量，但仍存在着一些不可避免的缺点， 1 使用e e s m 时，要求一个终端的所有子载波都必须使用相同的调制和编码方式， 这就很不利于在自适应o f d m 系统中的应用；2 有效s i n r 并不能反映各个子载 波的信噪比，而只能反映一个近似平均值，因此e e s m 并不能反映较差信道，而 通过这个较差信道传输的信息质量是不能得到保证的。m i e s m 具有较好的通用 性和预测准确性，但其计算复杂度制约了系统的仿真速度。在进行系统级仿真时， 大量的时间用于计算有效s i n r 上面。为了加速系统级仿真的速度，每一种调制 方式下的互信息可以预先实现并存储在一个表格里面，在具体实现中需要通过查 表来完成有效s i n r 映射的操作，这样会大大加速系统仿真的速度。同时m i - e s m 有效s i n r 的计算公式中取平均的操作必须要基于真实使用的资源。在o f d m a 的情况下，如果不使用那些处于较差信道的子载波，那么计算均值时这些子载波 就不应该计算在内。m m i b 不需要先映射到有效信噪比再映射到b l e r ，可以直 接由m m i b 映射b l e r ，且m m i b 到b l e r 的映射与系统调制方式无关。但是由 于m m i b 实现起来较复杂同时只有当发射端的编码块足够长时m m i b 的推导公 式才能足够精确。因此在后续的章节中我们仍然采用e e s m 作为衡量链路质量的 参数。 有效信噪比加和平均运算使得有效信噪比的一个数值对应多种并行子信道质 量状态，即一个有效信噪比无法准确表征出多并行子信道质量的状态，但多个具 有参数不同的有效信噪比可以表征某一并行子信道质量状态。从e e s m 、m i - e s m 和m m i b 方法定义的有效信噪比公式可以看出，有效信噪比的计算都需要已知当 前子信道信噪比状态。在有效信噪比计算中，有效信噪比的数值与矢量中信噪比 的顺序无关，信噪比矢量中不同数值的分量对有效信噪比的贡献不同，数值较小 即信噪比较低的子信道贡献大，而信噪比较高的子信道贡献小，当某一子信道中 的信噪比数值非常大时，在计算中甚至可以被忽略。因而决定有效信噪比大小的 主要是信噪比数值较小的那部分子信道，这部分的信噪比也可准确表征出并行子 信道的质量状态。 第三章链路质量的反馈方案 第三章链路质量的反馈方案 3 1 引言 为了降低包含多个并行子信道的o f d m 、m i m o 和m i m o o f d m 等系统信 道传输质量反馈信息数量，根据无线通信系统的一些新标准i e e e 8 0 2 1 6 e 、 i e e e 8 0 2 1 6 m 和i m t - a d v a n c e d 等的要求，文献【5 】、【7 】、 9 】- 【1 4 】开展了大量地研 究。从反馈信息的类型上，可以将这些研究分为三类。第一类是反馈各个并行子 信道的信噪比文献如 9 】 1 0 】，第二类方法是反馈发送端所采用调制编码方式( m c s ) 文献如 1 1 】 1 2 】，第三类是反馈有效信噪比的状态如文献【5 】【7 】 1 3 】 1 4 】。第一类反 馈方法面临的主要问题是各个并行子信道传输质量信息数量大，如2 5 6 个子载波， 每信道8 个比特量化，则需要反馈4 0 9 6 个比特；为了降低反馈信息量，文献 9 针对t d d o f d m 系统，提出利用传输信道的可逆性，接收端通过向发送端传输 一个用于信噪比测量的训练符号，即可实现各个子信道传输质量的反馈；但这种 方法无法用于信道不具备可逆性的f d d 方式，而实际系统由于收发射频设备的不 对称，既使在t d d 方式下，上行和下行链路中的各个子信道也有所不同，因而 这种反馈方式在实际系统中的应用受到一定的限制。文献 1 0 提出将各个子载波 的传输质量信噪比的变化趋势通过