（通信与信息系统专业论文）mimo多载波移动通信系统中的自适应调制技术的研究.pdf

摘要 摘要 新一代移动通信系统应该能够提供高数据速率，支持不同质量要求的无线业务。m i m o - o f d m 架构能够充分利用空间、频率资源，成倍增加系统容量，已成为未来移动通信的关键技术之一，如 能结合自适应调制技术，可以根据业务种类和信道类型更好地提高传输速率。本文主要就 m i m o - o f d m 系统的自适应调制进行讨论。 文章首先分析了m i m o - o f d m 系统的信道容量以及理论上最优的发送能量注水分配方法。然 后在最大传输速率准则下，将几种实用的基于并行信道的比特、能量分配算法应用于基于s v d 分解 的m i m o - o f d m 系统。对能量均分的门限算法进行了改进，以迭代的方式更好地利用了发送能量， 提高了低信噪比处的比特传输性能。通过仿真，对各算法的比特吞吐量、计算复杂度、对车速的敏 感程度等性能进行了分析与比较。 空间复用技术利用多个发送、接收天线传送不同的数据流，可以成倍提高信道容量。其中 v - b l a s t 因简单的结构和较好的性能受到广泛关注。论文将自适应调制算法与无编码 v - b l a s t - o f d m 系统相结合，比较了不同分配算法和检测方式( z f 、m m s e 、z f - s i c 、m m s e s i c ) 对系统性能的影响。仿真表明，置零准则、检测结构、检测顺序等都对系统性能有所影响，应用时 需考虑实现复杂度和系统性能的折衷。 关键词：自适应调制、注水算法、m i m o o f d m 、b l a s t 东南人学硕十学位论土 a b s t r a c t t h en e wg 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 ss h o u l dp r o v i d eh i g hd a t ar a t e ，a n ds u p p e n w i r e l e s ss e r v i c e so fd i f f e r e n c eq o s m 1 m o o f d mi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ef u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，c o n s i d e r i n gi t sf u l l yu s a g eo ff r e q u e n c yo rs p a t i a lr e s o u r c e sa n di t sa b i l i t yt oe n l a r g et h e s y s t e mc a p a c i t y c o m b i n e dw i t ha d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n o l o g yt h a tc a na 嘶u s tt h es y s t e mc o e f f i c i e n t s b a s e do nt h ea c t u a lc h a n n e ls t a t e m e n ta n dq o so fs e r v i c e s ，t h es y s t e mc a ns u p p o r th i g h e rd a t ar a t e t h e d i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h ea d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e so f m i m o o f d ms y s t e m f i r s t ，t h ec h a n n e lc a p a c i t yo fm i m o o f d ms y s t e ma n dt h et h e o r e t i c a l l yb e s tp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m ：w a t e r f i l l i n gi sd i s c u s s e d t h e nb a s e do nt h em a x i m u md a t ar a t e 埘n c i p l e ，t h r e eb i ta n dp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r eu s e di nt h em i m o o f d ms y s t e mw i t hs v d t h e “t h r e s h o l da l g o r i t h m i s i m p r o v e di n t o “r e c u r s i v et h r e s h o l da l g o r i t h m ”w h i c hc a ni n c r e a s et h ed a t ar a t ei nl o ws n r b ys i m u l a t i o n ， t h ep e r f o r m a n c eo ft h o s ea l g o r i t h m si nd i f f e r e n ta s p e c t s ，s u c ha sb i tt h r o u g h p u t , c a l c u l a t i v et i m e s ，a n d s e n s i t i v i t yi sa l s oc o m p a r e d s p a t i a lm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yc a l ll i n e a r l yi n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t yu s i n gm u l t i p l et r a n s m i t m u l t i p l er e c e i v ea n t e n n a s t h ev - b l a s ts y s t e mi sp a i dw i d e l ya t t e n t i o nb e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e a n d9 0 0 d p e r f o r m a n c e t h e d i s s e r t a t i o nc o m b i n e st h e a d a p t i v e m o d u l a t i o nw i t h u n e o d e d v - b l a s t - o f d ms y s t e m ，a n a l y z e st h es p e c t r u me f f i c i e n c y i nd i f f e r e n tm o d u l a t i o na l g o r i t h m sa n d d e t e c t i o ns c h e m e s ( z em m s e ，z f - s i c ，m m s e s 1 c ) t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h en u l l i n gp r i n c i p l e ， d e t e c t i o ns c h e m e ，d e t e c t i o ns e q u e n c ea l lh a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e i ti s r e c o m m e n d e dt oc o n s i d e rt h et r a d e o f f b e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc a l c u l a t i o nc o m p l e x i t yw h e nu s e d k e yw o r d s ：a d a p t i v em o d u l a t i o n ，w a t e r - f i l l i n g ，m i m o - o f d m ，v - b l a s t i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：至垦亟困 e t 期：迦z ：l 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、缩印或其他复毒4 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：主坶导师签名：丝日期：幽! f 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 在过去几十年间，移动通信技术经历了各种革新和变化。移动通信由最初的第一代模拟移动通 信系统、第二代数字移动通信系统发展到了目前正在产业化进程中的第三代宽带数字移动通信系统， 而第四代移动通信系统( 亦称后三代移动通信系统) 的研究工作也己展开。 第一代移动通信系统( 1 。g e n e r a t i o n ，i g ) 主要采用模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术，仅提 供语音业务。由于有频带利用率不高、容量有限、保密性能差、不支持自动漫游等缺点，促使人们 研制出以欧洲的g s m ，美国的i s - 9 5 和日本的p d c 等系统为代表的第二代移动通信系统。 第二代数字移动通信系统( 2 , a g e n e r a t i o n 。2 g ) 可提供语音业务和低速数据业务。它克服了模拟 移动通信的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高。但由于标准不统一，用户只能在同一制式覆 盖的范围内进行漫游，无法进行全球漫游。且由于带宽有限，限制了数据业务的应用，很难支持高 速率的多媒体业务。 醢着人们对无线数据业务需求的不断增加，第三代移动通信系统( 3 ”g e n e r a t i o n , 3 g ) 已在部分 国家和地区推出。第三代移动通信系统占用更高的频段和更大的带宽，提供高速率的数据传输。可 支持多种业务：话音、数据传输、无线互联网接入、运动图像传输等。目前第三代移动通信无线接 口的主流标准包括欧洲和日本提出的w c d m a 、北美提出的e d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 这三大标准都采用码分多址( c d m a ) 的接入方式。 由于第三代移动通信系统支持的最高速率只有2 m b p s ，与宽带业务的发展需求相比还相差甚远， 人们已经开始了对第四代移动通信系统的研究，在概念和技术上寻求创新和突破，从而使通信的容 量和速率有十倍甚至百倍的提高。第四代移动通信系统( 矿g e n e r a t i o n , 4 g ) 是多功能集成的宽带移 动通信系统，在业务上、功能上、频带上都与第三代系统不同，支持全m 高速分组数据传输，数据 速率为数十兆至数百兆b p s 。支持高的终端移动性，提供高的传输质量和频谱利用率。在网络结构 方面。第四代移动通信系统将采用全i p 、分布式、自组织和多层的无线广带个人通信新体制和新模 式；在空中接口方面，多天线技术将起到至关重要的作用，多输入多输出无线通信系统的理论将突 破传统理论，成为移动与无线通信系统理论的核心；在传输体制方面，应用高度灵活的多载波并行 传输方案的设计：在编码与调制技术方面，将采用新型的自适应编码调制技术以及高效的自适应链 路技术。 1 2 多天线技术的概念 未来无线通信系统不仅要求更高的数据传输速率，而且希望系统具有更高的频谱利用率。近来， 多天线发送多天线接收( 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 t ，m i m o ) 技术被证明可以成倍地提高信道容 量1 1 】 2 而成为无线通信领域研究的热点。 1 东南人学帧 j 学位论支 m i m o 技术”指的是利瑚多发射、多接收大线进行无线传输的技术。在多天线传输模掣p ，信 号在时间域和频率域都没有引入冗余度，但是信号彼赋予了一定的空间结构，由此可实现频谱利_ l 】 率的成倍提高。如果接收端有理想的信道信息时，无线信道容量随着大线数量的增大而线性增长。 肖各个天线间相u 距离足够远，各个发射大线剑各个接收天线间的信号传输可视为且相独立时 所采j j 的多天线可称为分立式多天线，比如应_ l j 于宅问分集的多大线就属于这种情况。若各个天线 问距离很近，各个发射天线到各个接收天线闯的信号传输是相关的，系统利用多天线合成波束的方 向性改善系统性能，则所采用的多天线属于天线阵列范畴，可称为集中式多天线如智能大线中的 自适应天线阵、波束切换天线阵等。移动通信中分立式多天线的用途上要是：空间分集、数据传输、 干扰抵消等。3 g p p 标准就已经采用了空时发射分集方案，而3 g p p 2 标准采用了分层空时结构 ( l a y e r e ds p a c e - t i m e a r c h i t e c t u r e ) 来实现高数据速率传输，同时也采用空时发射分集来提高传输质 量。智能天线技术在3 g p p 标准的t d d 模式中得到应用。本文讨论的m i m o 技术特指基于分立式 多天线的m i m o 技术。 学者们就如何充分利用m i m o 信道的容量进行了研究，提出了不同的方案。贝尔实验室提出的 分层空时结构”】( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et i m e ，b l a s t ) 方案，将数据源分成几个并行的子 数据流，独立地进行调制和编码。分层空时结构具有较高的频谱利用率，适合高速数据传输。a t & t 的t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上提出了基丁二发射分集的空时格码嘲( s p a c e t i m e t r e l l i s c o d e ， s t t c ) 处理方案。空时格码能够达到最大编码增益和分集度，但是随着收发天线数和状态数的增加， 空时格码的译码复杂度显著增加，不利于硬件实现。a l a m o u t i 提出了两发送天线下的简单的发射分 集方案【7 j ，t “o k h 等将之推广至多于两根天线的情形从而更加完善了空时分组码”1 ( s p a c e t i m eb l o c k c o d e ，s t b c ) 的概念。空时分组码是利用正交的原理设计各发射天线上的发射信号格式，实际上是 一种宅间域和时间域联合的正交分组编码方式。在一定的条件下，空时分组码可以便接收端解码后 获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，译码复杂度低。 目前的空时编码主要是针对平坦瑞利衰落信道的，而在实际高速数据传输的信道通常呈现频率 选择性，因此可将空时编码与应用于高速数据传输的o f d m 系统结合使用，在子载波上呈现频率非 选择性的衰落，取得良好的抗衰落性能。 1 3 多载波及o f d m 技术的发展 为有效可靠地支持数据速率为数十兆b p s 甚至数百兆b p s 的全i p 高速分组数据传输，第四代移 动通信系统需要很高的带宽，必须采用多载波并行传输技术。 多载波的通信方案把数据流分解为若干个子比特流，并利用这些子比特流调制若干个载波。这 时，数据传输的速率相对较低，码元周期较长，具有抗无线信道时间弥敬的特性。而且多载波系统 对频率选择性衰落有很强的抵抗力，这是因为频率选择性衰落在某一时刻只会影响一定数量的子载 波，在系统设计时可以通过交织和前向纠错编码等方法成功地修补在这些子载波上较差的信号。 正交频分复用( o f d m ) 技术作为多载波方案的一种，由f 其有频谱效率高，抗多径干扰能力 强，适合高速数据传输等优势，受到普遍关注。正交频分复用的思想由r o b e r tw c h a n g _ f1 9 6 6 年 提出p j ：将带限信道划分为若干个子信道，每个子信道上传输数据速率足够低以便消除码间干扰 2 第一章绪论 ( 1 s 1 ) ，子信道之间的频谱可相互正交并重叠，以便有效利用频谱资源。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e n 提出l l 通过i d f t 和d f t 快速实现o f d m 的调制和解调方法，为后来o f d m 广泛应用于通信领域 开辟了道路。他们还提出为了防止i c i 和i s l ，应在o f d m 符号间插入了保护间隔。p e l e d 和r u i z 于1 9 8 0 年提出了循环前缀( c y c l i cp r e f i x , c p ) 的概念，将o f d m 符号的后一部分复制到o f d m 符 号的前部，形成一种类循环结构，将信道和传送符号间的线性卷积近似成循环卷积。当循环前缀长 度大于信道冲激响应时间时，子载波间可保持良好的正交特性。2 0 世纪9 0 年代以来，随着理论研 究的深入和集成电路制造技术的飞速发展，o f d m 技术已在卫星通信、地面无线通信、有线通信等 各领域有了广泛应用。如非对称数字用户线( a d s l ) ，高清晰度电视( h d t v ) ，e t s i 的数字视频 广播( d v b ) 和数字音频广播( d a b ) 标准，w l a n 物理层标准h i p e r l a n 2 i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l g 和w m a n 物理层标准i e e e 8 0 2 1 6 等。3 g p p 组织还确定了以o f d m a 为u m t s 技术长期演进( l o n g t e r me v o l u t i o n ，l t e ) 的下行多址方式。 o f d m 技术易于结合空时编码、分集、干扰抑制以及智能天线技术，可最大程度地提高物理层 传输的可靠性和有效性，如果再结合自适应调制、白适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配 等技术，其性能可以进一步提高。o f d m 技术将成为f 一代无线通信的主要技术之一。 1 4 移动通信系统中自适应调制的应用 第一代和第二代移动通信系统中，技术上感兴趣的主要是增加话音业务的系统容量。为了使信 道衰落很大时系统能够正常工作，往往采用低阶调制、低码率编码和大功率发射的方式来保证最低 设计要求。虽然实现简单，但在较好的信道条件下无法充分利用资源。 随着人们对包括话音、数据和图像的多媒体业务需求的快速增长，第三代和第四代陆地移动通 信系统的研究目标转移至高速、高可靠性的无线多媒体业务。这对更高的频谱利用率提出了要求。 可以根据业务和信道的变化自动调节系统参数的自适应调制技术得到了广泛关注和应用。 现有的一些无线通信系统已采用了自适应调制技术。如g s m 向3 g 过渡的g p r s ，采用了g m s k 调制结合4 种编码方式( 码率分别为1 2 、2 3 、3 4 和1 ) 来适应不同的信道环境；w c d m a 的增强 模式h s d p a 综合使用了自适应调制编码( a m c ) 、混合重传( h a r q ) 等技术，其中自适应调制编 码部分定义了多种调制和编码方式的组合提供不同的传输速率。最高可达1 0 m b p s ；i e e e 提出的无 线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 a 的物理层采用了o f d m 和链路自适应技术的结合，定义了8 种传输模式， 在时间域进行链路自适应调制；i e e e 的无线城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 a 也采用q p s k 、1 6 q a m 和 6 4 q a m ( 可选) 三种调制方式，级联r s 卷积码和t u r b o 码( 可选) 两种编码方式，并有多种编码 码率，可构成多种传输模式。 目前移动通信系统中采用的自适应调制技术还比较简单，只是调制方式和编码方式的组合。随 着多载波、多天线等新一代移动通信关键技术的使用，可以进一步研究把自适应调制从时间域向频 率域和空间域扩展。由于o f d m 和m i m o 技术本身就具有允许各子载波、各发射天线分别使用不 同调制模式的优越性，可以自然有效地提高无线传输速率。 自、南人学硕l 学f 过论文 1 5 论文的主要内容和安排 本文主要研究基fm i m o o f d m 系统的自适应调制技术，论文结构安排如下： 第章为绪论，介绍了论文背景、多载波技术、多天线技术的发展和现有系统中自适应调制的 应用。 第二章描述了移动信道特性和信道模掣、o f d m 的基本原理。给出了m i m o o f d m 系统的数 学模型，并设置了本文所用系统的参数。 第三章讨论了自适应调制的基本理论，介绍了自适应调制技术的发展、需要考虑的因素和基本 优化准则。 第四章分析了m i m o o f d m 系统的信道容量并进行了数值仿真。将三种并行信道比特、能量 分配算法应用于摹fs v d 的m i m o - o f d m 系统，提出了对能量均分的门限算法的迭代改进，并仿 真比较了各算法的性能。 第五章讨论了v - b l a s t o o f d m 系统的自适应调制技术。介绍了常用的v - b l a s t 检测算法。将 自适应调制算法与各检测技术结合应用，分析各种检测因素对系统比特吞吐量和误码性能的影响。 第六章进行了总结，概括了本论文所做的工作，并对进一步的工作进行了展望。 4 第二章移动无线信道与m i m o _ o f 咖系统 第二章移动无线信道与m i m o - o f d m 系统 2 1 移动信道特性及基本模型 2 1 1 移动信道的特性 信息是通过通信信道传输的。信道是通信系统性能的基本制约因素。 无线电波通过移动信道时会遇到各种障碍物，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i l l 】： 路径传播损耗：它是指电磁波在空间传播穿过各种介质造成的电平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的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：它主要是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收 机的信号相互干涉，从而引起接收信号场强瞬时值呈现快速变化的现象。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。接收信号场强的变化强度取决于多径波的强度、相对 传播时间，以及传播信号每个采样点的延迟时问。其衰落特性一般遵从瑞剥( r a y l e i g h ) 分布或莱 斯( r i c i a n ) 分布。 从移动通信系统工程的角度看，路径传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖，与小区规 划有关；而多径衰落则严重影响信号传输质量。与设计可靠有效的无线通信系统紧密相关，这也是 我们主要要关注的。 2 1 2 多径衰落的特性 移动通信的接收信号往往是由直射、反射、散射等众多路径来的信号合成的。由于不同路径的 信号有不同的传播时延和到达相位，使得迭加后的接收信号的幅度急剧变化，产生多径衰落。多径 衰落主要表现为随机时变特性、频率选择性和空间选择性。 、相干带宽 在多径传播条件下，由于不同路径的传播距离不一样，信号沿各个路径到移动台的时间也就不 同接收信号会产生多径时延扩展。定义晟大时延乙( x ) ，表示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功率作为基准。 相干带宽的概念与时延扩展关系密切，一般定义为：w = 1 瓦。信号带宽和相干带宽之间的 东南人乍坝l 学位论上 天系决定，信道的频率衰落特性。当输入信号带宽远小j = 相干，卅，鸯时，信道是平坦衰落的即传输 后信号中备频率分管所受到的衰落是一致的。信号带宽人- 相干带宽时，信道为频率选择性信道， 传输信道对信号的不同频率分肇有不同的响戍。 _ 二、相干时间 移动台在运动中通信会产生多普勒效应。肖入射电波勺移动台垮动方向夹角为口时，接收信号 会产生= 1 扼c o s 口v 的频移，其中v 是运动迓度，f o 为载渡频率c 为光速( 3 x 1 0 3 m l s ) 。定 义：) = 1 毵i c 为最大多普勒频移。 在任意时刻，移动台接收到的信号含有大量来自各个方向的入射波。当入射角度在【o ，2 刀) 区间 均匀分布时，接收信号功率频谱密度呈现c l a s s i c 谱 1 2 】，即： s ( 伊瓦1 。丽1 i i 厶 可见，接收信号的功率谱有从一厶到+ s o 范围的展宽。 定义相干时间毛= i i ，易，该参数表征了时变信道的衰落节拍。当关注的时间远小于相干时间 时，认为信道是不变或慢变的；当关注的时间大于相干时间时，信道就产生了时间选择性衰落。 2 1 3 频率选择性信道的抽头延迟模型 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。此时的接收信号通 过多个可辨衰落径到达接收机，信道为频率选择性的。可以将信道建模为具有时变抽头系数的抽头 延迟线( 横向) 滤波器旧： c ( f ；f ) = o ( r 声( f _ ) ( 2 1 ) 其中，信号带宽为职抽头阉隔为l 。抽头加权系数厶( f ) 是独立的复高斯过程。当多径对延扩 展为瓦时，实际应用中，信道的抽头延迟线模型可截断为上= l l ) v j + 1 个抽头： c ( ，f ) = ( ，p ( 卜n l w ) h = 1 本文中研究的信道增益幅度k ( f ) l 符合瑞利衰落，功率i 已( 叫2 满足自由度为2 的z 2 分布，相位服 从 o ，2 万) 均匀分布t 6 第二章移动无线信道与m i m 0 - 0 f i i 系统 2 2o f d m 基本原理 o f d m 是多载波( m u l t i - c a r r i e r ) 技术的一种形式。o f d m 技术的主要思想是在频域内将信道 分成许多的上e 交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子信道并行传输。由于 相邻子载波频谱闯有较大程度的重叠，保证了频段的有效利用。 设o f d m 系统中有c 个子载波，o f d m 符号周期为r ，每个子载波频率为五= f o + i n ( 行= 1 ，2 , - - - , c ) 。设在第k 个o f d m 符号周期上，各子载波上发送符号为s 。，则总传输波形为： s ( ，) = r e l 窆凡p ，z 啊r | ( ( k 一1 ) r f k t ) 。其等效低通形式为： 岛( ，) ：量毛。m 争 ( 2 3 ) 设( f ) = p 2 巾( o s f 丁) ，子载波间有正交性： r p ，薪( r p = f e ，2 f i 。一j 2 f 疗西= f e l 2 x 竿- t d t = ：i ； 在接收端对信号做积分，可以得到接收信号： 只= 亍1j 。t 一。声毋( f ) 西( ，) 出= 毛 以等为采样率对( 2 3 ) 进行采样，得到时域信号的离散形式： 耳( 研) = n 荟- i 。s e i = c 盯( 矗) 耳( 研) = 艺”= ci - c 盯( 矗) 5 哪 o f 肛u 其中m = o ，1 , - - - , ：- 1 。类似地，可以得到( 2 4 ) 的离散信号形式： 以= 壶篆墨c 咖e 掣。嚣= 壶胛( 唧( 矾) ) = 瓦1n 磊o - ! n c - i 2 。妒2 嚣= 晶 其中玎= 0 , 1 ，c 一1 。为了保持i f f t 变换前后信号能量不变，e ( 2 5 ) 、( 2 6 ) 乘上系数，改为 s l ( m ) = 厄f f i f f t ( s ) 咒：导肿( ( 所) ) y 2 丽。f o | _ 1 1 这就是o f d m 系统的l f f 研f t 表示形式。 7 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 至堕垒兰竺! 兰竺丝墨 图2 - i 基- pf f t 的o f d m 系统模型框图 在每个o f d m 符号间加入循环前缀( c p ) ，可以有效消除或减少符号间干扰( 1 s i ) ，并保证各 子载波间的正交性，消除载波问干扰( i c i ) 。 假定信道是漫对变静，那么在一个o f d m 符号的时间内可近似认为信道不变化。以等速率抽 样的o f d m 系统中，信道冲激响应以抽头延迟线模型表示为：h ( t 1 ( ，= o ，i ，l 1 ) 。在每个 o f d m 符号( 2 7 ) 前加入长度为l 的循环前缀，表示为： 圹( m ) 2 而( 坍m o a ( ) 2 暑川掰兰i 菇：， c z ， 发送符号经过信道，不考虑加性噪声的情况下，时域接收信号为： 去除c p 段，经f f t 后得接收符号： 此= 未f2 | 三i 艺矗( ，) 矿一z 小。嚣：芝艺 ( ，) 窆。m 坦。叫”薏 吖“( m = o i = 0i v cp = o i = 0雨 ：n c - i l - i ( ，讲f w i p c 寺1n c - i 。j 2 x r e 心p - n ) ：n c - 1 。，日，j ( p 一胛) p = o i = 0 1 v f 0p 0 = 乜( 胛= o ，1 ，虬) 其中，h n 是信道在第”个子载波处的频率响应。上式表明，每个通过一个增益为日。的子信道。 o f d m 和循环前缀技术使得信道与信号的线性卷积关系成为循环卷积，从而消除了i s i 。频率选择 性信道转变为在每个子载波上平坦的频率非选择性衰落信道。 r 加入c p 将引入一些能量损失：足蛸= - l o l o g j o 去，c p 越长，能量损失越多。同时，加 i v c 十l 入c p 还将引起频带利用率的下降。但是与它带来的优点相比，这些损失是可以允许的。 ) m 口d 一玎 ( p id啊 i l 、j ，【m 第一章移动无线信道与m i m 0 - 0 f 1 3 4 系统 2 3m i m o o f i ) m 系统数学模型 设系统有n t 根发送天线，n r 根接收天线。o f d m 子载波个数为c 假设在一个o f d m 符号 刷明内信道不变。 s n ，表示第n 个子载波，第f 根发送天线上发送的符号。则向量；，皇 知r 5 妒- j s c - 1 ， 7 表示 第i 根发送天线在所有子载波上需要发送的符号。对其做i f f t ，得到第i 根发送天线在该o f d m 符 号内的时域信号： 磊= 再脚( ；，) ( 2 1 1 ) 其中_ j 钠i - ( o ) 一( 1 ) ，一( c - 1 ) 7 ，且邮) = 丙 n 争c - 1e x p ( - j 百2 ；, r n k ) 设( ，) ( ，= o ，l ，l - i ) 为第，根发送天线和第，根接收天线之间的上径信道冲激响应。则 接收端第，根天线的时域信号可表示为一( 足) ：壹芝s 。以一o h ，( o + 刀f ，( j i ) ( o 七s c 1 ) ， 其中雄，j ( t ) 为t 时刻加在接收天线，上的加性高斯白噪声 用向量；t 皇 一( o ) ，乃( 1 ) ，乃( 一1 ) 7 表示第，根接收天线上在o f d m 符号周期里的 时域信号。对其进行f f t 变换，得第根接收天线上所有子载波的接收符号； 只2 两1 嗣( 元，) 其中只皇 儿。帆一，山 7 ，且咒。= 两1 篆。( t ) e x 一( 。警 c 。”一n 2 3 1 平坦m i m o 信道模型 o f d m 技术将频率选择性信道转化为频率非选择性信道，在每个子载波上，都可以认为是等效 的平坦信道。在第h 个子载波上。有平坦m i m o 的表达式： y 。= h 。s 。+ n 。 ( 2 1 3 ) 其中，接收向量l = 儿，l ，咒，2 ，只儿 7 ，发送向量= 毛，l ，矗2 ，晶，* 7 。平坦m i m o 信道 矩阵h 。= 吃m ： 乜，h l 巩，为信道冲激响应( ，) ( ，= 0 , 1 ，l - i ) 在第n 个子 9 、， * 肿 唧：跏 东南人学顾l 学位论史 载波上的频域响应： = 善l - i 悱x p ( 一，等 ( o s n ( _ - ) 仁，。， 接收端噪声向量n n = 1 ，2 ， 7 ，其中 = 志e x 一( 一，百2 x n k ( o 胛) 仁柳 y n 。 图2 - 2m i m o 信道模型 在收发天线闻共有心m 个链路。本文中假设信道是丰富散射( r i c hs c a t t e r i n g ) 且没有l o s 的，即各链路间没有相关性。每个通道的条多径( ，) ( i = 0 ，1 , - - - , l 一1 ) 相互独立，且都满足 复高斯分布，均值e ( ，) = o ，方差e i ( 叫2 = 听2 。且多径能量满足归一化条件： e 阻l - t ( 驯2 ：1 0 l i = oj 由独立复高斯过程的叠加特性可知k 。也是复高斯随机过程。其实部与虚部的平方和f 以，f 2 满足自由度为2 的中心z 2 分布。且可以证明对于行= l ，2 ，f ，l 也。1 2 的概率密度函数是相同的 不随 的不同而变化。峨。的均值为： e = o 方差为 o ( 2 1 6 ) 第二章移动无线信道与m i m o - o f i ) w i 系统 机，1 2 h 扣胁p ( ，瓦2 m n 肘) 垡- e x 一( ，等 ：e i 执( 叫2i 时域噪声信号哆( 女) 是各自独立的复高斯白噪声，均值五 以f ，( t ) = o ，方差 0 钙( 七) 1 2 = 盯2 ，与发送信号相互独立。易知接收端频域噪声向量n 。= i n 1 ，伟2 ， 7 的分量为独立高斯变量，e n 。】1 0 ，e n 。n ? = d 2 i 。 2 4m i m o - o f d m 系统参数 参考3 g p p l t e 的下行o f d m ( f d d ) 的建议设定系统参数 。 表2 - 1 系统参数 载波频率 3 2 g h z 系统带宽 l o m h z 系统采样频率1 5 | 3 6 m h z子载波间隔1 5k h z f f t 点数 1 0 2 4 实际占用子载波数 6 0 l o o f d m 子帧长度 0 5 m s 每帧含o f d m 符号数 7 c p 段长度( 采样点数) 4 6 9 1 a s ( 7 2 ) 本系统中支持的调制方式有n u l l ( 即不发送比特) 、b p s k 、q p s k 和1 6 q a m 。 收发天线间的k 个链路，每个链路均采用6 抽头延迟模型，时延功率谱参数为i t u r m 1 2 2 5 信道a 模型的车载参数。信道模型采用改进的j a k e s 算法【1 5 1 进行仿真。 表2 - 2 信道参数 相对时延【n s 】平均功率 d b 】 0o o 3 1 01 o 7 1 0 9 o 】0 9 0 1 0 o 1 7 3 01 5 0 2 5 1 0，2 0 ，o 东南大学硕士学位论立 2 5 本章小结 图2 ，3m 1 2 2 5 信道a 车载模型的信道增益延迟分布 本章讲述了移动信道的特性、多径衰落的时频相干性以及频率选择性信道的建模方法。介绍了 o f d m 系统的基本原理。给出了m i m o o f d m 系统的数学模型，并对单个子载波上的平坦m i m o 频响特性进行了分析。最后给出了系统的参数设定。本文的后续讨论都是建立在这些概念及模型的 基础上的。 1 2 第三章自适应调制的基本理论 第三章自适应调制的基本理论 无线信道具有很大的随机性，且是时变衰落的。随着移动业务的丰富，用户的业务种类、业务 流量以及不同用户问的优先级也都有很强的变化性。这导致了移动通信系统设计的困难。 如果采用固定调制方式，只能按照信道性能较差情况和最低要求来设计。这样在信道状况较好 时，无法充分利用资源。如果采用自适应的方法，根据信道、用户或业务的改变，改变系统中的某 些参数，如发射频率、调制方式、符号速率、编码码率、交织参数、发射天线选择等，可以达到系 统优化的目的，更充分地利用无线频谱和功率资源。 3 1 自适应调制的发展 h a y e s 在1 9 6 8 年提出自适应的概念：“一个有效对抗这些有害( 衰落) 效应的方法，是根据接 收端获得的瞬时信道质量信息，自适应地调整调制和信道编码的方式以及其他系统参数，这些信道 质量信息利用一个反馈信道反馈回发送端”。 1 9 7 2 年，c a r e t s 0 6 1 提出根据接收信道质量采用变化的符号速率。通过改变比特速率而不是改变 传输功率的方法，系统保持了比特接收信噪比恒定，不增加同信道干扰。其缺点在于变符号速率会 引起信号带宽的变化，也要求复杂的硬件来实现不同比特速率信号的传输。 s t e e l e 和w e b b i ”m 瞧出了基于星形q a m 调制阶次控制的自适应调制技术，在硬件实现上比采 用符号速率控制的系统简单得多，且该系统可以充分利用衰落信道的时变特性而使其容量逼近香农 容量。 g o l d s m i t h 等人”从理论上对功率分配和比特分配进行了研究，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，证明了联合功率速率自适应方式从接近信道容量来说很有吸引力，也发现 对于大多数类型的衰落信道，速率自适应对容量影响较功率自适应对容量的影响要大得多。 传统自适应调制在时间域上进行。随着多载波和多天线技术的应用，也有很多研究将自适应调 制扩展到空间域、频域，或者几个域联合进行。如h a n z o i 驯等人总结了自适应在多载波中的应用， 提出了以子带为单位进行自适应调制的概念。g r i n h e i d 和r o h l i n g 则研究了o f d m 系统中的自适应 调制与多址方式的结合，并进行了性能比较。自适应调制也可应用于多天线系统中，现有的研究一 般包括自适应调制与空分复用的结合、与空时分组码的结合，以及与基于s v d 分解的m i m o 信道 的结合等。 如果将自适应调制应用于m i m o - o f d m 系统，可以在时间、频率和空间三个维度上对无线资 源进行分配，达到更优的系统性能。但这也使得分配算法、反馈信令和系统工作方式更加复杂。所 以，合适的自适应调制方式应该是性能和复杂度的折衷。 东南人学硕t 学位硷上 3 2 自适应调制的因素 3 2 1 可调的系统参数 自适应调制技术可以调整的系统参数有： 1 、调制方式：对处于深衰落的子信道采用低阶调制，而当信道条件较好时，采用高阶调制。 2 、功率分配：依据信道条件对子信道分配不同的功率和比特，有利于提高系统吞吐量。理论上 最优功率分配算法是注水算法。依据该算法，可以给条件较好的信道分配更多的比特和功率。 3 、编码码率：编码以系统吞吐量的降低换取系统误比特率性能的提高。依据信道状况的好坏， 动态采用不同的编码码率，可以提高系统的总体频谱利用率。 在广义的自适应链路技术中，还可以对帧结构、子载波数目、交织长度等系统参数进行自适应 调整。 3 2 2 信道质量估计 对时变信道的状态有准确的了解。才可以恰当地进行自适应调制。需要选择合适的参量对信道 的状态和质量做出评估。 一般通过基于导频信号的信道估计，可以得到信道的传递函数、噪声方差，以及等效信道信噪 比等信息。这属于短时的信道质量评估。长时间的评估可采用误比特率，误符号率、误帧率等。 在t d d 方式下，可认为正向信道和反向信道具有很高的相关性，发射机可以直接测量反向链路 来获得正向链路的信道参数，这也称为开环模式。在f d d 方式f 。需要接收机侧首先测量信道状况， 然后通过反馈链路将一定的信息反馈至发射机，这是闭环模式。 自适应传输系统在调整发射参数时，根据当前信道质量来近似未来的信道质量。接收机需要一 定的处理时间，且在f d d 方式下，反馈本身有一定的延时。则当信道变化很快时，仅仅以当前的信 道质量作为未来信道质量的近似就会不准确。需要结合信道预测技术，才能比较准确地调整发射参 数， 3 2 3 反馈方式 闭环模式中，自适应信息需反馈至发射端，反馈方式的选择也很重要。 可以在接收端进行信道质量的估计并计算自适应调制参数。再将选用的自适应调制方式、分配 发送功率等信息反馈到发射机；也可以将接收机测量剑的信道参数进行量化编码，反馈给发射机， 由发射机自行进行自适应计算和参数调整。前者需要的反馈信息相对较少；后者由于要传输量化后 的信道数据，需要的反馈较多。一般希望反馈信息尽可能少，因为如果反馈信息过多，