基于子帶的AOFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制方式選擇

1、    基于子帶的AOFDM系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制方式選擇        安 杰， 周明宇 時(shí)間:2008年07月25日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>自適應(yīng)調(diào)制<"cblue" " target=

2、'_blank'>信噪比<"cblue" " target='_blank'>衰落信道<"cblue" " target='_blank'>高階調(diào)制<"cblue" " target='_blank'>系統(tǒng)通信            ? 摘?要: 提出了一種基于子帶的自適應(yīng)正交頻分復(fù)

3、用（AOFDM）系統(tǒng)的調(diào)制方式的自適應(yīng)選擇方法，不同于傳統(tǒng)AOFDM系統(tǒng)采用固定的門限，該方法基于子帶中所有子載波的后驗(yàn)<"cblue" " title="信噪比">信噪比（SNR），計(jì)算得到當(dāng)前信道狀況下不同調(diào)制方式該子帶的誤碼率（BER），并與系統(tǒng)所要求的目標(biāo)BER對(duì)比從而確定子帶所采用的調(diào)制方式。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明，該方法能夠同時(shí)兼顧系統(tǒng)可靠性和有效性，并在保證系統(tǒng)BER性能的前提下較大地提升了AOFDM系統(tǒng)的吞吐量。? 關(guān)鍵詞： 正交頻分復(fù)用; <"cblue" " title=&q

4、uot;自適應(yīng)調(diào)制">自適應(yīng)調(diào)制; 后驗(yàn)信噪比; 信道狀態(tài)信息; 誤碼率? 正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）能夠?qū)剐诺赖亩鄰叫?yīng)并消除符號(hào)間干擾1，自適應(yīng)調(diào)制AM（Adaptive Modulation）技術(shù)能夠充分利用信道的變化，通過(guò)改變調(diào)制方式為系統(tǒng)帶來(lái)更高的頻譜利用率2。這些技術(shù)都是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，而二者的結(jié)合形成根據(jù)信道狀態(tài)信息CSI（Channel State Information）自適應(yīng)地改變調(diào)制方式的OFDM系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)性能3-4。目前普遍采用基于子帶的自適應(yīng)

5、OFDM的AOFDM（Adaptive OFDM）系統(tǒng)5；傳統(tǒng)的AOFDM系統(tǒng)采用固定的門限，并根據(jù)子帶中所有子載波的后驗(yàn)信噪比SNR(Signal-to-Noise-Ratio)的范圍確定該子帶所采用的調(diào)制方式，對(duì)于不同子載波之間的信道衰落狀況變化較大的頻率選擇性<"cblue" " title="衰落信道">衰落信道，固定門限的方法不能較好地同時(shí)兼顧可靠性和有效性的要求。? 本文首先介紹了基于子帶的AOFDM系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)原理，并介紹傳統(tǒng)的調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則以及其存在的問(wèn)題，進(jìn)而提出了一種AOFDM系統(tǒng)

6、調(diào)制方式的自適應(yīng)選擇準(zhǔn)則，并進(jìn)行理論分析。最后把該準(zhǔn)則應(yīng)用于AOFDM系統(tǒng)中，給出仿真結(jié)果并分析。1 系統(tǒng)模型1.1 AOFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)? AOFDM系統(tǒng)能夠根據(jù)CSI進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制，對(duì)CSI較差的子載波采用低階調(diào)制方式，對(duì)CSI較好的子載波采用<"cblue" " title="高階調(diào)制">高階調(diào)制方式，從而能夠在保證傳輸可靠性的前提下提升系統(tǒng)的吞吐量。在目前的AOFDM系統(tǒng)中，若對(duì)每個(gè)子載波進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，則用于傳遞所有子載波采用的調(diào)制方式的信令較多，會(huì)帶來(lái)大量的反饋開(kāi)銷。因此目前常用基于子帶的AOFDM系統(tǒng)5。? 在一個(gè)基于子

7、帶的AOFDM系統(tǒng)中，整個(gè)頻帶B被分為N個(gè)子載波，子載波間隔為B/N，為了減少傳輸所采用的調(diào)制方式的信息而需要的信令開(kāi)銷，將所有N個(gè)子載波劃分為K個(gè)子帶，同一個(gè)子帶中的子載波采用同樣的調(diào)制方式。每個(gè)子帶包含NS個(gè)連續(xù)的子載波，則K=N/NS。AOFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。? 接收端通過(guò)信道估計(jì)獲得CSI，從而確定第k(k=1,2,K)個(gè)子帶采取的調(diào)制方式為MSk，以信令的形式反饋回發(fā)送端。本文假設(shè)信令反饋無(wú)誤，并不考慮反饋時(shí)延的影響。發(fā)送端首先將信源比特分為K個(gè)比特流，然后按照MSk對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式對(duì)第k個(gè)子帶的比特進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制；獲得所有子帶的已調(diào)符號(hào)之后，通過(guò)離散傅里葉變換IDFT(In

8、verse Discrete Fourier Transform）并加上循環(huán)擴(kuò)展CP(Cyclic Prefix)之后，形成OFDM符號(hào)發(fā)送出去。在接收端，首先獲取所有子載波上的信號(hào)；對(duì)于第k個(gè)子帶的數(shù)據(jù)，按照MSk對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，最后恢復(fù)出原始信號(hào)。1.2 信道模型? 一個(gè)多徑衰落信道的時(shí)域沖擊響應(yīng)為:? 其中，L表示多徑數(shù)，l表示第l條徑的時(shí)延，hl(t)是在t時(shí)刻第l條徑的信道衰落，第l條徑的平均功率為Pl，滿足? 本論文中所采用的信道模型為3GPP協(xié)議通用的典型城市信道模型（TU模型）6，其時(shí)域沖激響應(yīng)的平均幅度如圖2（a）所示，由12條獨(dú)立的徑組成，信道的頻域衰落如圖2

9、（b）所示。? 假定信道的時(shí)域沖激響應(yīng)在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)保持不變，第i個(gè)子載波上收到的信號(hào)Ri可以表示為:? 其中, Si表示發(fā)送端已調(diào)頻域符號(hào)，Hi表示頻域的信道衰落，ni表示加性高斯白噪聲AWGN(Additional White Gaussian Noise)，并且E|ni|2=2。假設(shè)每個(gè)子載波上信號(hào)的發(fā)送功率為P，則第i個(gè)子載波接收到信號(hào)的后驗(yàn)信噪比SNR為:? 2 傳統(tǒng)AOFDM原理? AOFDM系統(tǒng)根據(jù)一個(gè)子帶的CSI決定該子帶中所有子載波采用的調(diào)制方式，子帶之間相互獨(dú)立。下面對(duì)一個(gè)子帶進(jìn)行研究，所有子帶采用相同的處理方式。? 由（3）式可見(jiàn)，后驗(yàn)SNR直接反映了子帶的CSI，

10、可以作為選擇調(diào)制方式的依據(jù)。傳統(tǒng)的AOFDM系統(tǒng)采用固定的門限，子帶中各子載波上的后驗(yàn)SNR所處不同區(qū)間對(duì)應(yīng)采用不同的調(diào)制方式，包括平均SNR選擇準(zhǔn)則和最低SNR選擇準(zhǔn)則。? 設(shè)該系統(tǒng)中備選的調(diào)制方式總共有W種，采用第w種調(diào)制方式時(shí)每個(gè)已調(diào)符號(hào)上所加載的比特?cái)?shù)為d(w)。在一個(gè)子帶中，設(shè)i(i=1,2,Ns)表示其中第i個(gè)子載波的后驗(yàn)SNR，b為該子帶中每個(gè)子載波上所加載的比特?cái)?shù)。? 若采用平均SNR選擇準(zhǔn)則，則：? ? 因此AOFDM系統(tǒng)可按照(5)式確定子帶采用的調(diào)制方式:? 其中，T(w)表示第w和第w+1種調(diào)制方式的信噪比切換門限值，并且T(w)<T(W+1)。? 若采用最小SN

11、R選擇準(zhǔn)則，則：? ? 然后根據(jù)(5)式確定所采用的調(diào)制方式。? 本文研究的AOFDM系統(tǒng)共有4種備選的調(diào)制方式，分別為不傳輸、QPSK、16QAM以及64QAM，并且這些調(diào)制方式中比特映射采用格雷映射方式。在AWGN信道下，在信噪比為時(shí)采用這些調(diào)制方式的誤碼率BER性能為:? b=2,4,6分別對(duì)應(yīng)QPSK、16QAM以及64QAM。? 根據(jù)(7)式可以獲得當(dāng)采用各種調(diào)制方式時(shí)，為保證一定的誤碼率性能（BER<BER0）至少需要的信噪比，即切換門限值T(w)。備選調(diào)制方式的相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中也顯示了BER0=10-3時(shí)的門限值。?3 自適應(yīng)調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則? 對(duì)于上一節(jié)的兩種方法

12、，可以看出平均SNR選擇準(zhǔn)則將所有子載波后驗(yàn)SNR的平均值作為調(diào)制方式的選擇依據(jù)，而最小SNR選擇準(zhǔn)則將所有子載波的后驗(yàn)SNR的最小值作為調(diào)制方式的選擇依據(jù)，因此前者相對(duì)于后者會(huì)以更大概率選擇高階的調(diào)制方式，從而吞吐量高于后者，但是后者的誤碼率性能優(yōu)于前者。在如圖2所示的頻率選擇性衰落信道下，同一個(gè)子帶中各個(gè)子載波的后驗(yàn)SNR可能相差較大，若選擇平均SNR選擇準(zhǔn)則，則可能因不滿足BER<BER0而不能滿足通信所要求的可靠性要求；若選擇最小SNR選擇準(zhǔn)則，則能滿足BER<BER0的條件，但是子帶往往根據(jù)其中所有的子載波的后驗(yàn)SNR的最小值而選擇低階的調(diào)制方式，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐量得不

13、到提高。? 為了解決這一矛盾，本論文提出了一種新的調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則。從(7)式可以看出，若子載波上信號(hào)的后驗(yàn)SNR已經(jīng)獲得，就可以計(jì)算得到采用某種調(diào)制方式時(shí)該子載波傳輸?shù)恼`碼率。對(duì)于基于子帶的AOFDM系統(tǒng)，若對(duì)子帶內(nèi)所有子載波進(jìn)行計(jì)算并取平均，就能夠得到采用某種調(diào)制方式時(shí)該子帶傳輸?shù)钠骄`碼率。計(jì)算得到所有調(diào)制方式的誤碼率性能，并按照通信質(zhì)量的可靠性要求選擇吞吐量最高的調(diào)制方式，則能夠在保證系統(tǒng)可靠性并滿足通信質(zhì)量要求的前提下，極大地提升系統(tǒng)吞吐量。下面對(duì)該方法進(jìn)行詳述。? (1)首先根據(jù)(3)式計(jì)算得到子帶中所有子載波的后驗(yàn)SNR i(i=1,2，,NS)，并根據(jù)(7)式計(jì)算采用b所對(duì)應(yīng)的

14、調(diào)制方式時(shí)各個(gè)子載波傳輸?shù)恼`碼率為b,i(i=1,2,NS)。? (2)對(duì)于該子帶當(dāng)前的CSI，根據(jù)(8)式分別計(jì)算b為不同值時(shí)該子帶傳輸?shù)钠骄`碼率? ? (3)根據(jù)<"cblue" " title="系統(tǒng)通信">系統(tǒng)通信質(zhì)量的可靠性要求，并同時(shí)為了使吞吐量最大化，最后根據(jù)(9)式確定當(dāng)前CSI下所采用的調(diào)制方式：? ? 由于該方法能夠保證從而保證在任何情形下都能滿足可靠性的要求，因此該方法在可靠性方面優(yōu)于平均SNR選擇準(zhǔn)則；同時(shí)，從(8)式可見(jiàn)，選擇調(diào)制方式的依據(jù)是子帶中所有子載波傳輸?shù)钠骄`碼率，因而在同樣CSI狀況下選擇采用

15、高階調(diào)制的概率更高，吞吐量?jī)?yōu)于最小SNR選擇準(zhǔn)則。因此，這個(gè)方法能夠在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，極大地提升系統(tǒng)的吞吐量。4 仿真結(jié)果? 為了證明上述自適應(yīng)選擇調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)性能的提升，在圖2所示的信道下進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)如表2所示。10MHz帶寬包含840個(gè)有效子載波，并分為56個(gè)子帶，每個(gè)子帶包含15個(gè)子載波，該系統(tǒng)通信的可靠性要求誤碼率低于10-3，即BER0=10-3，每個(gè)子帶可以采用的調(diào)制方式如表1所示。? 圖3顯示了AOFDM系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的平均SNR選擇準(zhǔn)則和最小SNR選擇準(zhǔn)則，以及本文介紹的自適應(yīng)調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則得到的BER性能。在低SNR時(shí)性能差別不大，在高SNR時(shí)誤碼率性能較好

16、，這是因?yàn)樵诟逽NR情況下后驗(yàn)SNR足夠高，即使采用64QAM調(diào)制也能夠擁有很好的誤碼率性能。對(duì)比這三種準(zhǔn)則所帶來(lái)的誤碼率性能，平均SNR選擇準(zhǔn)則的性能最差，在如圖2所示的頻率選擇性衰落信道下，誤碼率性能高于10-3，不能滿足通信的可靠性要求；最小SNR選擇準(zhǔn)則的性能最好，采用自適應(yīng)調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則的誤碼率性能低于10-3，滿足通信的可靠性要求。? 圖4顯示了AOFDM系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的平均SNR選擇準(zhǔn)則和最小SNR選擇準(zhǔn)則以及本文介紹的自適應(yīng)調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則得到的吞吐量性能。其中，平均SNR選擇準(zhǔn)則帶來(lái)的吞吐量最好，這是因?yàn)椴捎眠@種準(zhǔn)則時(shí)，選擇采用高階調(diào)制的概率大于其他準(zhǔn)則；而由于最小SNR選擇

17、準(zhǔn)則總是以子帶中的最小后驗(yàn)SNR為選擇依據(jù)，選擇采用高階調(diào)制方式的概率低于其他準(zhǔn)則，因此該準(zhǔn)則帶來(lái)的吞吐量性能最低，在吞吐量為4bit/符號(hào)時(shí)，最小SNR選擇準(zhǔn)則比平均SNR選擇準(zhǔn)則的吞吐量性能要差4dB。而自適應(yīng)調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則的吞吐量性能在這二者之間，在吞吐量為4bit/符號(hào)時(shí)，自適應(yīng)調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則比最小SNR選擇準(zhǔn)則的吞吐量性能要好近3dB，這是因?yàn)檫@種準(zhǔn)則能夠根據(jù)信道狀況判定其BER性能，采用高階調(diào)制方式的概率比最小SNR選擇準(zhǔn)則更高。? 從上述分析可見(jiàn)，在頻率選擇性衰落信道環(huán)境中，平均SNR選擇準(zhǔn)則的誤碼率性能不能滿足系統(tǒng)通信的可靠性要求；而最小SNR選擇準(zhǔn)則的吞吐量性能較低；這兩

18、種方法都不能同時(shí)兼顧有效性和可靠性。本文提出的自適應(yīng)調(diào)制方式選擇準(zhǔn)則，能夠同時(shí)兼顧系統(tǒng)的可靠性和有效性，在保證系統(tǒng)通信誤碼率的前提下較大地提升了系統(tǒng)的吞吐量。參考文獻(xiàn)1 ?李立華，王勇，張平.移動(dòng)通信中的先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)M. 第1版，北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.2 ?雷鳴，徐月善，蔡鵬，等. 自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)在衰落信道中的性能分析J. 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27(1):31-35.3 ?KELLER T， HANZO L. Adaptive modulation techniques for duplex OFDM transmission J. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2000,49(5):1893-1906.4 ?ZHOU M, LI L, WEN N, et al. Performance of LDPC coded AOFDM under frequency-selective fading channelC. International Conference on Communication, Circuits and Systems, Guilin, China, June 2006,2(2):861-865.5 ?JUPHIL C, HYUNJAE K, LEE