（信号与信息处理专业论文）链路自适应技术的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 链路自适应技术能根据无线信道的时变特性，在保证一定通信可靠性的前提下，尽可能 的提高频谱利用率。因此，在频谱资源日益紧张的今天，链路自适应技术逐渐成为研究的熟 点 本文先简要介绍链路自适应技术的概念和发展，具体阐述自适应调制、自适应调制编码 和混合a r q 技术等几种链路自适应技术的原理和特点。接着介绍i e e e8 0 2 1 6 的标准化进程 和协议结构，并针对i e e e8 0 2 1 6w i r c l e s s m a n - s c 规范，提出适用于该系统的自适应调 制编码和混合a r q 的实现方案。最后，从外同步和自同步两方面，研究q a m 解调的载 波恢复算法。 文章的主要工作和贡献在于： 。 1 对链路自适应技术的起源和发展进行了归纳总结。链路自适应技术种类繁多，先介 绍基本的链路自适应技术：自适应功率控制、自适应调制和自适应编码。指出链路 自适应技术变得越来越灵活和复杂，其发展趋势是：从单一技术的应用发展到两种 或两种以上技术的结合；从传统的一维时域调整扩展到包括时域、频域、空域和码 域等在内的多维调整。 2 系统阐述了几种常用的链路自适应技术的概念和原理。对自适应调制，先介绍自 适应调制系统的基本原理、慢速自适应调制和快速自适应调制两种调整策略，接着 介绍自适应调制下门限值的选择算法：基于误比特率误符号率，误帧率的选择算法、 基于吞吐量性能的选择算法和基于代价函数的选择算法；在自适应调制编码技术中， 介绍探索类和基于信道估计的两种自适应算法。对于混合舭硷技术，介绍混合a i 系统的基本原理，3 g p p 提出的i 勤q a r q 、n 弛- t a r q 方案和m 勤- t a r q 的区别， 以及h a r q 中所采用的各种重传机制和合并机制。 3 根据i e e e8 0 2 1 6 系统w h i e s s m a n - s c 空中接口规范中物理层的特点，提出适用于 该系统的自适应调制编码方案介绍组合的自适应调制编码方式、自适应调整的发 起方式、信噪比区间的设定方法，对所提出的方案的性能进行仿真，给出仿真结果， 并做必要的分析。接着从提高系统鲁棒性的角度，提出连续误帧情况下，及时采 用低调制阶数和高编码冗余度调制编码方案的策略。 4 介绍髓8 0 2 1 6 系统的a i 协议，提出适用于该系统的混合a i 实现方案：在重传 机制上采用了选择重传协议，在合并机制上选用两种方式：第一种是不保留发生错 摘要 误的数据帧，第二种是采用c h a s e 合并方式。接着分别对前向纠错系统、舍弃发生 错误的数据帧和采用c h a s e 合并方式的h a r q 系统的性能进行分析，并从误帧率和 吞吐量角度比较h a r q 机制性能的改进 5 又r j q a m 解调的载波恢复技术进行了研究。先介绍外同步中l m s 恢复方法的f p g a 实 现，再介绍自同步中现有的两种的载波恢复方案：面向判决的载波恢复算法和极性 判决载波恢复算法。针列 q a m 调制星座图的特点，从提高收敛速度同时保持锁定 误差为零的角度提出一种改进算法，并分析其性能。 关键词：链路自适应：i e e e8 0 2 1 6 ：自适应调制编码；混合a r q ：载波恢复 n 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i n ka d a p t a t i o nc a ni m p r o v et h ef r e q u e n c ye f f i c i e n c yw h i l ek e e p i n gt h er e l i a b i l n yo f c o m m u n i c a 自 o i l st om e e tt h e t i m e v a r i o u sc h a r a c t e r i s t i co ft h ew i r e l e s sc h a n n e l l i n k a d a p t a t i o nt e c h n o l o g yi su n d e rw i d e l yr e s e a r c hb e c a u s ef r e q u e n c ye f f i c i e n c yi sh i g h l y c o n s i d e r a t e di nc u r r e n ts y s t e md e s i g n f i r s t l y , t h ec o n c e p ta n dt h ed e v e l o p m e n to fl i n ka d a p t a t i o na 地b r i e f l yi n e d u c e di nt h i s d i s s e r t a t i o n , a n dt h e nt h ef u n d a m e n t a l sa n dc h a r a c t e r i s t i e so fa d a p t i v em o d u l a t i o n , a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) a n dh y b r i da r q ( h a r q ) a r es y s t e m a t i c a l l yp r e s e n t e d f u r t h e r m o r e t h es t a n d a r d i z a t i o np r o c e s sa n dp r o t o c o is t r u c t u r eo f 正e e8 0 2 1 6a 糟d e s c r i d e d a n dt h ea m ca n dh a g qs c h e m e sa r ep r o p o s e dt oi e e e8 0 2 1 6w i r e l e s s m a n s cs y s t e m f i n a l l y , c a r r i e r r e c o v e r y a l g o r i t h m s t o q u a d r a t i v e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ( q a m ) a r cs t u d i e d f r o mb o t ho u t s i d es y n c h r o n i z a t i o na n ds e l f - s y n c h r o n i z a t i o ns i d e s 1 1 m a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： 1 s u m m a r i z e t h e 砸g i i l a n d d e v e l o p m e n to f l i n ka d a p t a t i o n t e c h n o l o g y l i n ka d a p t a t i o n t e c h n o l o g yi n c l u d e sm a n yk i n d s n l eb a s i cs o r t so fl i n ka d a p t a t i o nt e c h n o l o g y , s u c h a sa d a p t a t i v ep o w e rc o n t r o l ，a d a p t a t i v em o d u l a t i o na n da d a p t a t i v ec o d i n ga r e p r e s e n t e d t h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fl i n ka d a p t a t i o nt e c h n o l o g ya r ep o i n t e do u t ： f r o ms i m p l e n e s st oc o m p l e x i t y , f r o m s i n g l e n e s s t oc o m b i n a t i o n , f r o mt i m e d i m e n s i o nt ot h eh y b r i do f t i m e , f i e q u e n c y , s p a c ea n dc o d ed i m e n s i o n s 2 s y s t e m a t i c a l l yp r e s e n tt h ec o n c e p ma n df u n d a m e n t a l so fs e v e r a lw i d e l yu s e dl i n k a d a p t a t i o nt e c h n o l o g y f o ra d a p t a t i v em o d u l a t i o n , f i r s t l y , t h e f u n d a m e n t a l so f a d a p t a t i v em o d u l a t i o ns y s t e m s l o wa n df a s ta d a p t a t i v em o d u l a t i o ns c h e m e s 黜 i n t r o d u c c d t h e nt h ea l g o r i t h m so ft h r e s h o l ds e l e c t i o na r ep r e s e n t e d ：b a s e do nb i t 盯l o rr a t e s y m b o le r r o rr a t e f l a m ee r r o rr a t e ；b a s e do nt h r o u g h p u to rb a s e do nc o s t f u n c t i o n f o ra m c ，q u e s tb a s e da n dc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e da l g o r i t h m sa r e d e m o n s t r a t e d f o rh a r q ，t h ef u n d a m e n t a l s ，t h ed e f i n i t i o no f t y p ei ，t y p ei ia n dt y p e i i ij n3 g p pa n dt h er e t r a n s m i s s i o na n dc o m b i n a t i o ns c h e m e sa r ed e s c r i b e d 3 t h ea m cs c h e m ei sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a ll a y e rs t a n d a r d so f i e e e8 0 2 1 6 w i r e l e s s m a n s ca i ri n t e r f a c e t h ec o m b i n a t i o no fa d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g s c h e m e s ，t h ei n i t i a t i o nm e t h o d so fa d a p t i v ea d j u s t m e n ta n dt h es e t - u po fs i g n a l - t o - n o i s e s c o p ea r ed e s c r i b e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i sa r eg i 、，e 礼am e c h a n i s mi s p r o p s e d t o i m p r o v e t h er o b u s t n e s s u n d e r c o n t i n u o u s f i b l n e e r l d r c a s e 4 t h ea r qp r o t o c o lo fi e e e8 0 2 1 6s y s t e m 职i n m x t w a 诅a n dp r o p o s e dt h es u i t a b l e r a r qs c h e m e 幻t h a ts y s t e m s e l e c t i v er e p 枷o ni s c h o o s e da n dt w ok i n d so f i i ! c o m b i n a t i o ns c h e m e sa r eu s e d ：o n gi sc u s c a r c u n gt h ee n 研f l a m e ；t h eo t h e ri sc h a s e c o m b i n a t i o n p e r f o ff o r w a r de r r o rc o d ec 0 1 1 1 碰o n ( f e c ) ，d i s c a r d i n ge r r o r f l a m es y s t e ma n dc h a s ec o m b i n a t i o ns y s t e ma r ec o m p a r e da n da n a l y z e df r o mt h ep o i n to f f e ra n a t h r o u g h p u l 5 s t u d y t h ec a r r i e rr e c o v e r yt e c h n o l o g yf o rq a m f i r s t , t h ef i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r m y ( f p g a ) r e l i z a t i o n o f l e a s t m e a n s q u a r e ( l m s ) a l g o r i t h m f o r o u t s i d es y n c h r o n i z a t i o n i sd e s c r i b e d t h e nt w oa 出缸培g a r r i e rr e c o v e r ys c h e m e s 黜i n t 工o d u c e , ln a m e l y d e c i s i o n - d i r e c t e dc a t t i e rr e c o v e r ya n dp o l a r i t yj u d g m e n ta r t i e rr e c o v e r y ai m p r o v e d a l g o r i t h mi sp r e s e n t e db o t hf r o mi n c r e a s i n gc o n v e r g e n c ys p e e da n dk e e p i n gt h ez e r ol o c k e n m k e y w o r d s ：l i n k a d a p t a t i o n ；i e e e8 0 2 1 6 ；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 ) ： h a r q ：c a r d e rr e c o v e r y i v 缩略词 缩略词 英文简写英文全称 3 g p p3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a c k a c k n o w l e d g e a m c a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 晤 a u t or a t ef a l l b a e k a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i o nn o i s e b e rb i te r r o rr a t e b i c mb i ti n t e r l e a v e rc o d em o d u l a t i 叩 b l e rb l o c ke r r o rr a t e b p sb i t p e rs y m b o l b p s k b i n a r yp h a s es h i nk e y i n g b r a nb r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k b w ab r o a d b a n dw w e l e s s a c c e s s c d m a c o d ed i v i s i o nm u l t i l l ea c c e s s c r c c y c l i cr e d u n d n c yc h e c k d d d e c i s i o nd i r e c t e d d a m ad e m a n da c c e s sm u l t i p l ea c c e s s f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f e cf o r w a r de r r o rc o d ec o t 删o d f e rf r a m ee r r o rr a t e f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 铒 中文名称 第三代合作项目 确认 自适应调制编码 自动速率后退 自动请求重传 加性高斯白噪声 比特误码率 比特交织编码调制 误块率 每符号所承载的比特数 二相移相键控 宽带无线接入网络 宽带无线接入 码分多址 循环冗余校验 面向判决 按需分配多址接入 频分双工 前向纠错编码 误帧率 现场可编程门电路 东南大学硕士学位论文 g l o b a l s y s t e m f o r m o b i l e 全球移动通信系统 c o m m u n i c a t i o n g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e通用分组无线业务 h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 混合自动请求重传 碰g hs r 圮e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s s高速下行分组接入 l o c a lm u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 局域多点通信系统 l o c a lm u l t i - p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e 本地多点分配系统 l e a s tm e a ns q u a r e 最小均方 l i n eo f s i g h t 视距 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 m o d u l a f i o nc o d es c h e m e 调制编码方式 m u l t i i ! 耻i cm u l t i - o u t p u t多入多出 m u l f i p o i n tm u l l i e h a n n e ld i s t r i b u t i o ns y s t e m 多信道多点分配技术 n e g a t i v ea c k n o w l e d g e错误确认 n u m e r i c a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r 数控振荡器 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 e x 正交频分复用 p h a s ed e t e c t o r 鉴相 p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n概论分布函数 p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n t 物理媒质依赖 q u a d l 碰v ea m p l i t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 q u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 r a t e c o m t 咧i b l e p u n e t m e d c o n v o l u l i u n 速率兼容打孔卷积码 c o d e r a t ec o m p a t i b l ep l m m u 同t u r b o r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h s i n g l ec a r r i e r s y m b o le r r o rr a m 速率兼容打孔t u r b o 码 接收信号强度 单载波 误符号率 删 一 一一 一 一| 詈 | 一 煅 一 一 肋 一 m 聊 帅 删；多一 一 l 童 g | 缩略词 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i g n 丑lt on o i s er a t i o s m a l lo m h o m eo 伍c e t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c el a y e r t u n ed i v i s i o nd u p l e x t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s w i r e l e s sl o c a ll o o p - 6 6 信扰比 信号干扰噪声比 信噪比 小型家庭办公 传输汇聚子层 时分双工 时分复用 时分多址接入 无线本地环路 呱 暑霎 暑薹 一 毗 珊 嗍 眦 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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塞王日期：业6 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、缩印或其他复制手段保存论文。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：塞王导师签名：日期：业5 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 当今社会已进入信息社会，人们对通信的要求越来越高。现代通信技术的发展为人们提 供了随时随地、迅速可靠的通信服务，使得进行多层次、多类型的信息交流成为可能。目前， 世界各国都致力于现代通信技术的研发及现代综合通信网的建设，并向着任何时间、任何地 点能与任何对象进行任何形式通信这一个人通信的最高目标而努力。 在通信领域高速发展的同时，通信的可靠性和有效性之间的矛盾也日益明显。可靠性是 对通信系统传输质量的要求，而有效性则是对通信系统传输信息速率的表征。这两类指标在 实际系统设计中往往是相互矛盾的，而链路自适应技术正体现了对通信可靠性和有效性指标 的良好结合，因而，近年来得到了广泛的研究和关注。 1 1 链路自适应技术的起源和发展 对于无线通信系统，频谱是非常宝贵的资源。无线信道受噪声、干扰、阴影效应、多径 衰落和多址接入等因素的影响，信道特性和干扰状况是不断变化的。传统的设计思想是保证 系统能够在较为恶劣的信道条件下依然保持正常通信，于是通过增加发射机发射功率、降低 调制阶数和提高纠错编码的冗余度等方式来保证可靠的通信。这种策略固然能够保障通信质 量，但频谱利用率低、能量上也存在浪费，因此仅考虑通信质量的传统设计思想不是最优的。 随着科学的发展和技术的进步，人们开始采用自适应技术来优化无线通信系统设计。 链路自适应的思想最早是在二十世纪六十年代提出的【1 刀。在1 9 6 3 年，h a n c o c k 等人【l 】 提出了采用自适应的方法来改善衰落信道的性能。h a y e s 在【2 】中提出了自适应调整发射功率 的方法，即自适应功率控制，这是最早的链路自适应方案。在文章【2 】中同时指出可通过收端 反馈的信遭状态，对发端的符号速率、调制类型等参数进行调整的链路自适应思想。链路自 适应技术在刚提出时并没有引起人们的广泛关注，一是由于当时的通信大多基于点对点的单 工通信模式，没有反馈信道i 二是由于当时硬件条件的限制和落后的信道估计技术；三是由 于通信业务的需求与频谱资源的矛盾并不十分突出。然而，随着通信技术的发展，特别是移 动多媒体业务对高频谱利用率的要求，链路自适应技术逐渐成为研究的热点。 基本的链路自适应大致可分为：自适应功率控制、自适应调制和自适应编码。 自适应功率控制可以看做是应用较早的链路自适应技术。其基本原理是根据收发端的距 离远近和信道条件的好坏来调整发射功率的大小，以保证接收到的信号功率为接收机正常工 第一章绪论 作所需的最小功率。在第- - 卅c 移动通信的g s m 和i s - 9 5c d m a 系统中都得到了广泛应用。特 别是在i s 9 5c d m a 系统【3 】中，还采用开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制等多种 方式相结合，以保证良好的控制效果。自适应功率控制实现简单，降低了不必要的干扰，提 高了系统容量。缺点是存在远近效应，会提高系统的平均发射功率，同时要求使用线性程度 高的a 类或a b 类功率放大器，其功率效率比较低。 自适应调制是提高信道效率和对抗衰落的有效手段。它是指根据信道条件改变调制方式 和调制阶数。常用的调制方式包括b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等。信道条件的参数包 括信噪比、误码率等。例如，【4 】中介绍的方法将接收信号干扰噪声比( s i n r ) 作为检测信 道条件，设置判断门限的依据。发端发送训练序列，收端将测量的接收s i n r 反馈给发端， 发端根据该信息以及预先设定的s 烈r 门限值选择下一时段所采用的调制方式 自适应编码是通过改变信道纠错编码方式，来达到适应链路特性的目的。信道编码可分 为分组码、卷积码、t l 艄等。交织器本身虽不具备纠错能力，但是和纠错编码联合使用， 可以更好的纠正突发错误，因而在实际系统中常采用信道编码加交织的方式在【5 】中提出了 一种比特交织编码调制( b i c m ) ，将卷积码和比特反转交织技术、格雷编码相结合，结合信 道条件，选择不同的码率( 1 2 ，2 3 ，3 4 ，7 8 和1 ) 。在o p r s 标准中网定义了c s _ 1 、c s 2 、 c s - 3 和c s - 4 四种不同的信道编码方案，对应的码率分别为i 2 ，2 3 ，3 4 和1 ，其中c s i 纠错能 力最强，而c s 4 没有纠错能力。g p r s 可根据用户对业务质量的要求以及无线链路的状态来动 态选择编码类型，在保证一定要求的前提下，达到最大的吞吐量 随着对链路自适应研究的深入以及在多种通信系统中的成功应用，链路自适应技术变得 越来越灵活。目前的链路自适应技术通常都不是单一技术的应用，而是两种或两种以上技术 的结合； 自适应调制与编码( a m c ) 是将自适应调制与编码相结合的技术，得到了广泛的研究。 a m c 的基本原理就是系统预先定义几种不同的调制和编码的格式，根据对信道状态的估计 结果，选择与信道条件相适应的一种。在a m c 系统中，一般用户在较理想信道条件下用较 高阶的调制方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下则用较低阶的调制和纠错能 力强的编码方式 【刀中提出的自适应调制技术将自适应功率控制和自适应调制相结合，可用于同时传话音 和数据。q 路用于传递话音，固定采用b p s k 调制、功率控制的方式。i 路采用自适应调制传 递数据。系统的总发射功率不变。信道条件恶劣时加j ( q 路的发射功率、降低i 路的发射功率 和调制阶数。反之，当信道条件好时，将更多的功率用于数据传输，同时提高调制阶数。 另一种方案是将删c 和混合自动重传凹a r q ) 技术结合起来以达到更好的链路自适应 效果，这；篁i - i s d p a 8 中得到了广泛的采用。其中，h a r q 日q , 制是将f e c 和a r q 结合起来的一 种差错控制方案。它可以灵活地调整有效编码速率，还可以补偿由于采用链路适配所带来的 2 东南大学硕士学位论文 误码。将h a i 的技术和删c 结合，可先通过删c 提供粗略的数据速率选择方案，然后再使 用h a r q 技术进行精确的速率调整，从而提高自适应调节的精度并提高资源利用率。 以上提及的链路自适应技术大多是在时域上进行的。随着下一代无线宽带网络的发展和 多天线系统( 如m d 订o ) 、多载波系统( 如o i d m ) 的应用，系统可利用的无线资源的维数 锝到了扩展。链路自适应技术也变得更加复杂、灵活，已经从传统的一维时域调整扩展到包 括时域、频域、空域和码域等在内的多维调整【9 】。例如，对于o f r ) m 系统，由于各个子载波 所经历的信道衰落条件不同，对每个子载波根据其各自不同的信道条件，可以动态地选择调 制和编码方案以及使用子载波的个数。对于多天线系统，经不同发射天线发送的信号所经历 的信道衰落情况也各不相同，这为自适应调制编码算法与多天线系统的结合提供了可能。这 样，接收端在获得空间分集增益的同时，充分利用了信道资源，可以进一步提高频谱利用效 率。 1 2 论文的研究范围和意义 近年来，无线网络技术作为一种用户接入技术已经越来越受到人们的重视。正e e8 0 2 委 员会是针对无线领域不同的市场需求和应用模式制订相关标准的机构。为了给无线本地环路 ( w z l ) 提供一个标准，正e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了磁8 0 2 1 6 i 作组来专门开发宽带 无线标准。 匝e e8 0 2 1 6 标准【1 0 1 主要用于建立用户收发机同基站收发机之间无线接入的空中接口 标准。8 0 2 1 6 无线服务的作用就是在用户站点与核心网络之间建立起一个通信路径，这个核 心网络可以是公用电话网络也可以是因特网。 对于正e e8 0 2 1 6 系统，同样存在着在保证一定通信可靠性的前提下，提高频谱资源利用 率的问题。因此，在尽可能与现有标准兼容的前提下，提出针对正e e8 0 2 1 6 系统的链路自适 应算法，具有很强的实用价值。从1 1 节的介绍中可以看出：链路自适应技术种类繁多，包括 从采用单技术到多种技术复合使用，从一维自适应到多维自适应调整等多种方案。本文主 要研究自适应调制编码和混合鲥吨技术等几种较为常用的链路自适应方法，根据它们的原理 和特点，探讨如何将这些链路自适应算法应用于e e8 0 2 1 6 系统。在正e e8 0 2 1 6 系统的空 中接口规范中定义了包括w t r e l e s s m a n - s c ，w l r e l e s s m a n - s c a ，w l r e l e s sm a n - o f d m 和 w 悯e s 蚺d an o f d i m a 等几种规范，本文的讨论仅限于w t r e l e s 姚n - s c 1 3 论文的主要工作和组织结构 论文的主要工作包括：研究和分析现有的链路自适应技术，重点研究自适应调制编码和 混合a i 叼技术，在此基础上提出适用于正e e8 0 2 1 6 系统w h i e s s m a n $ c 空中接口规范的链 3 第一章绪论 路自适应方案。接着给出各种方案在i e e e8 0 2 1 6 系统中的具体实现方式，并对其性能进行分 析和仿真。此外还研究了链路自适应系统的其它关键技术，包括信道估计方法和高阶q a m 调制的载波同步方案等。 论文共分为六章。 第一章简要介绍论文的研究背景、研究意义、国内外相关研究状况、论文的研究工作和 论文的组织结构 第二章先简要介绍链路自适应技术的研究重点，再从原理上具体介绍几种最基本的链路 自适应技术，包括：自适应调制、自适应调制编码和混合a r q 技术。 第三章从正e e8 0 2 1 6 的标准化进程和协议结构入手，重点介绍i e e e8 0 2 1 6 系统物理层 结构中与链路自适应相关的部分，讨论8 0 2 1 6 系统物理层的特点，提出适用于该系统的自适 应调制编码方案，对所提出的方案的性能进行仿真，给出仿真结果，并做必要的分析。 第四章首先介绍i e e e8 0 2 1 6 系统媒体接入控制( m a c ) 层中的混a f f a r q 协议，提出适 用于该系统的混合a r q 实现方案，对所提出方案的性能进行仿真和分析。 第五章中对链路自适应系统实现中，q 州解调的载波恢复技术进行过论。载波恢复分 为外同步和自同步先介绍插入导频的外同步方案采用最小均方( l m s ) 的导频跟踪器 的f p g a 实现方法，接着介绍现有两种自同步载波恢复方案一面向判决的载波恢复算法和 极性判决载波恢复算法，同时针对高 价q a m 调制星座图的特点，提出一种改进算法，并分 析其性能。 第六章对论文工作进行总结，提出今后的研究方向。 东南大学硕士学位论文 第二章链路自适应技术概述 2 i 引言 链路自适应是指通过接收端反馈的信道状态，对发送端的符号速率、调制类型和发射功 率等参数进行调整。链路自适应技术是自适应调制、自适应编码和自适应功率控制等技术的 结合，它根据无线信道环境变化动态的调整调制方式、编码方案、差错控制机制和发射功率 等参数，在保证一定系统可靠性的前提下。最大限度的利用无线信道资源。 链路自适应技术种类繁多。在这一章中，我们主要对常用的几种链路自适应技术的研究 现状做较为详细的介绍。首先介绍链路自适应技术需要研究的具体问题，接着对自适应调制 技术、自适应调制编码技术和混合a r q 技术的原理、特点和实现方式进行具体描述 2 2 链路自适应技术的研究重点 对于链路自适应算法的研究，主要需要解决以下问题： ( 1 ) 确定链路自适应的调整参数。从时域来说，链路自适应中可供调整的参数包括：发 射功率、调制方式、纠检错编码方式、数据包的长度、数据的传输速率等等。当扩 展到频域时，除选择各个子载波上需要调整的参数外，还可以选择使用的子载波的 个数。若扩展到空域，可供选择的参数又增加了天线的个数和各天线的增益等等。 在码域中，还包括扩频码的个数和扩频因子的选择。 c ) 确定信道质量的评估方法。链路自适应算法的关键就是对信道状态的判断。这种判 断可以基于信道估计的结果，也可基于数据错误接收的概率。用于评判信道状态的 参数包括：接收信号强度( r s s ：r e c e i v e ds i g m is 们a g t h ) ，信干比( s i r ：s i g n a lt o i n t e r f e r e n g er a t i o ) 、误比特葺g ( b e r ：b i t e r r o r r a t e ) 、误符号- 蓦g - ( s e r ：s y m b o le r r o r r a t e ) 、 误块率( b l e r ：b l o c ke r r o rr a t e ) 、误帧i f - ( f e r ：f r a m ee r r o rr a t e ) 等等。 ( 3 ) 确定对物理层模式进行调整的时间间隔( 以下称为调整频率) 、调整门限等具体实现 方案 2 3 自适应调制技术 无线信道由于受到多径衰落和阴影衰落的影响，信道条件是随时间变化的。由于无线衰 5 第二章链路自适应技术概述 落信道时变的特点，使通信过程存在大量的不确定性种链路自适应方案是根据信道条 件来选择不同的调制方案，即在信道条件较好时。用比特速率较高的高阶调制，以提高传输 速率# 而在信道条件差时，通过降低调制阶数，以保证一定的系统误码性能这种方法称为 可变速率调制或自适应调制 自适应调制又可以分为慢速自适应调制和快速自适应调制。幔速自适应调制中调制方式 地变化速率相对较低，某种调制方式连续使用若干帧，较适用于信道条件变化较慢的场合： 而快速自适应调制中的调制方式根据每个时隙的瞬时信道状况而迅速调整，对于信道变化的 反应及时准确，但会增加用于信道估计或预测及控制信息传递所需的系统开销 2 3 1自适应调制系统结构 图2 1 所示为一种典型的自适应调制系统的基本原理框图。 奋 l l 反馈信道 h 图2 1自适应调制系统的基本原理 在发送端，经编码后的数据根据所选定的调制方式调制后，经成形滤波器后进行上 变频处理，将信号发射出去 在接收端，接收信号经过前端接收后，所得到的基带信号需要进行信道估计。信道 估计的结果一方面送入均衡器，对接收信号进行均衡，以补偿信道的对信号幅度、相位、 时延等的影响；另一方面信道估计的结果将作为调制方式选择的依据，根据估计出的信 道特性，按照一定的算法选择适当的调制方式。均衡器输出的结果提取调制方式后解调 数据，再解码后输出。 东南大学硕士学位论文 对于快速自适应调制，利用本帧数据的信道估计值作为下一帧的发送数据调制方式 的选择依据。这样做在时间上相差一个发送周期，但是只要使信号的发送周期小于衰落 周期，那么可以认为信道衰落变化不大，因此，采取上述方法进行自适应调制是可行的。 对于慢速自适应调制，可以将一段时间内信道的变化情况进行加权平均，作为下一 段时间内发送数据调制方式的选择依据。利用统计平均的方法，不跟踪快速变化的信道 特性，而是了解信道的平均变化情况，比较适用于慢衰落信道 对于自适应调制系统，调制方式是链路自适应的调整参数。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，采用接收信干比( s i r ) ，作为信道质量的标识，自低到高 的门限值、，2 、和，分别为在不同阶数调制方式之间进行切换的门限。自适应调制方式 的选择规则为， 当， 时，不发送： 当， 时，调制方式为b p s k ： 当， 时，调制方式为q p s k ： 当， l 时，调制方式为1 6 q a m ： 当，2 ，i 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 和6 4 q a m 四种调制方式的平均误比特率分别为；只。、 。、置6 。和洲，信道接收信干比的功率谱密度( p d f ) h f o , ) ，则自适应调 制系统的平均误比特率为： 而纠【1 r 一( r ) f ( r ) d r 亿o ) ，咖( 2 1 ) + 4r 只删。耵v 胁+ 6 f 只删。肌御i 、。 其中，口为每符号的平均比特数( b p s ) ，可以由下式给出： 8 乱，d r + 2 毫，曲+ 4 f d r + 6 f 价田( 2 - 2 ) 2 3 2 自适应调制下门限值的选择算法 从上一节的介绍中可以看出：自适应调制系统中，不同调制方式之间转换门限值的选择 直接影响到系统的性能。根据选择转换门限依据的不同，大致可分为：基于误比特率债符号 副误帧率性能、基于吞吐量性能和基于代价函数的选择算法 同样假设可以选择的调制方式为；b p s k 、q p s k 、1 6 ( 淤m 和6 4 q 枷四种。高阶调制的 7 - 第二章链路自适应技术概述 星座图为方形排列。 ( 1 ) 基于误比特率误符号率误帧率的选择算法 基于误比特率误符号率误帧率性能的选择算法，根据对通信业务可靠性的要求，设置 一个能保证通信质量所要求的误比特率误符号率误帧率最低门限值。以误比特率0 3 e r ) 为 例，对- 于：b p s k 、q p s k 、1 6 c a m 和6 4 q a m 调制，计算在高斯白噪声信道( a w e n ) 下b e r 性 能函数的理论值。 b p s k 相干解调的比特误码率： = q ( 厨= 喜嗍扔( 2 - 3 ) q p s k 相干解调的比特误码率： 护2 州歹) 吲改据 ( 2 4 ) 1 6 q a m 相干解调的比特误码率： 丑。鲫o ) = 扣( 万i ) + 厕i + ；q ( 万；) ( 2 - 5 ) 6 4 q a m 相干