OFDM自适应调制算法.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.39M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 OFDM简介

1.1.1移动通信发展历程

1.1.2 OFDM发展现状

1.1.3 OFDM自适应调制技术简介

1.2论文研究工作及创新性概述

1.3论文结构与内容安排

第二章OFDM基本原理及关键技术

2.1 OFDM基本原理

2.2 OFDM关键技术

2.2.1子载波调制

2.2.2 DFT实现

2.2.3保护间隔、循环前缀

2.3本章小结

第三章OFDM信道研究

3.1无线信道

3.1.1无线信道特征

3.1.2无线信道建模

3.2 OFDM信道

3.2.1 OFDM等效信道模型

3.2.2 OFDM信道频响特性

3.2.3 ICI对OFDM的影响

3.3本章小结

第四章OFDM自适应调制技术

4.1 OFDM自适应调制原理

4.1.1注水定理

4.1.2自适应调制模型

4.2 OFDM自适应调制必要技术

4.2.1信道质量估计

4.2.2自适应参数选择

4.2.3自适应参数发送

4.3调制模式选择

4.3.1固定门限自适应调制算法

4.3.2固定吞吐量自适应调制算法

4.4 OFDM功率比特分配算法

4.4.1 CHOW算法

4.4.2 FISCHER算法

4.4.3简单分组比特分配算法(SBLA)

4.5本章小结

第五章新型的OFDM自适应调制算法

5.1特殊形式的OFDM

5.1.1多载波CDMA方案

5.1.2 MC-CDMA系统描述

5.2子载波分集技术研究

5.2.1 MC-CDMA子载波分集性能研究

5.2.2 OFDM子载波分集技术研究

5.3应用子载波分集的OFDM自适应调制

5.3.1系统模型

5.3.2算法描述

5.3.3仿真结果

5.4本章小结

结束语

参考文献

附录

致谢

新型的OFDM自适应调制算法研究摘要无线通信技术无疑是当今通信领域最活跃的一支力量，一方面公众移动通信保持增长态势，特别是在中国等国家和地区增势强劲;另一方面，除传统移动通信外，全球的宽带无线接入、无线传输等领域近年来的研究和应用十分活跃，热点不断出现，包括MIMO技术、HSDPA技术、OFDM技术、UWB技术等，呈现出百花齐放的局面。这些技术的出现和发展，给整个无线通信产业的发展带来了生机和活力，但是随着无线应用的越来越多，无线频谱资源越来越紧张。于是，各种各样的具有较高频谱利用率的通信技术不断被开发出来，OFDM是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统。 OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。OFDM系统将实际信道划分为若干个子信道，其好处之一就是能够根据各个子信道的信道状态信息(CSI)灵活地分配信息比特，进行自适应调制。目前已经存在的OFDM自适应调制算法基本上都是由xDSL上的自适应调制技术演化而来，由于考虑到算法的复杂度，对信噪比小于调制门限的子载波采取关闭策略。实际上这些子载波依然存在着传输能力，关闭这些子载波将会损失这部分传输容量。论文在分析无线信道的主要特征和OFDM信道模型的基础上，提出了一种新型的OFDM自适应调制算法。该算法充分利用了传输能力较弱的子载波的信道容量，而在其他自适应调制算法中，这些子载波将被关闭，所以提高了系统的传输效率。当系统中某些子载波的信噪比小于调制门限时，采用子载波分集技术，对这些子载波进行分组合并，使子载波组的信噪比达到系统所要求的调制门限，再进行自适应调制。通过理论分析和仿真实验，证明这种自适应调制算法可以提高OFDM系统的性能。关键词:OFDMMC.CDMA自适应调制子载波分集............................................ n

ANEWADAIyflVEMODULATION AIGORllHMOFOFDMABSTRACT ItisnodoubtthatV肖relessco们。幻。unicationtechnologyisthemostactlveforceatPresentinthetelecor。们。uniCations.ontbeonehand，publicmobilecollununicationke叩uPtrendparticuladyinChinaandsomecountriesorregions，anditisshowingastmnggrowthtrend.Ontheotherhand，inadditiontothetraditionalmobilecorD们。unicatinns，globalbroadbandwirelessaccessandwirelesstrans面ssionisveryactiveinrecentyearsontheresearchandaPPlication.Hotspotemerged，whichincludesMIM0technology，HSDPAtechno10gy，0FDMtecbno10gy，U认旧technologyandctc.It，saflourishingsituatinn.TheemergenceanddevelopmentofthesetecImologieshavebroughtvitalityforthedeveloPmentoftheentirewire1essconnnunicationsindustry.However，asmoreandmorewirelessaPP11cationsarerequired，wirelesssPeetrumresourccsbecomemoreandmorestrained.T七us，awiderangeofhighsPeetrale伍ciencyofcorOmunicationstechnologyhasbeendevefoPed.OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMu1tiPlexing)isthemaximumutil讼ationofthesPectrumintheknowncommunicationsystem· TbemainidcaofOFDM比cbnulogyisthatagivenchannelintbefrequencydomainisdiv记edintomanyorthogonalsubchalmels.玩eachsubchannel，us吨。nesub一carrlertomodulateonesignal，allsubchaunelstranslnitthosesignalsinParallel.OFDMactualchannelisdlvldedintoanumberofsubchanneis.Oneofitsadvantagesisthatthebits撇beallocatedflexibilybasedondifferentCSI(Channelstatclnformation)，andthenadaPtivemodulationismade.OFDMad叩tivemodulationtechnologybasicallyderived加mthexDSLadaPtivemodulationtecbnulogiesw址chtakeintoaccountthecomPlexityofalgorithm.Therefore，ifthel0caiSNR0fsomesubchannelarelowerthan1

modulationthreshold，closethosesubchannelwhichstillhaveremainedcaPacities，ItwilllosesometransmissioncaPacityduetoclosethatSUbCanieL Basedonresearchedinto1hefeaturesofwirelesschanndandOFDMchannelmodel，thisthesisPutforwardanewadaPtivemodulationalgorithmofOFDM.Thealgorithmcanmake加Iluseofbadsubchannels，transInissioncaPacity，butinsomeotheradPtivemodulationalgorithm，thosebadsubchannelswillbeclosed.Whensomesubcarriers，localSNRislowerthanthemodulationthresho1d，thosesubcarriersaredividedintogrouPsby0FDMsubcanie卜diversitytechnology，soeachgrouP一SNRcanreachtherequiredthreshold，andthenadaPtivemodulationisdone.ThroughtheoreticalanalysisandsimulationresultsshowthatthisadaptivemodulationalgorithmcanimProve0FDMsystemperfor幻口ance，KEYWORDs:MC一CDMAAdaPtive一ModulationSubcarrier-Diversity一.-............. II

独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。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:日期:子2夕叮中·卜关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位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、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释:本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名:导师签名:日期:日期:一................... I

北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论信息化是当今世界发展的重要主题。20世纪80年代以来，信息产业一直是发展最快的产业.信息化，尤其是信息基础设施的建设，已经成为各国综合国力的象征。在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。由于人类社会对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信技术的研究与开发以及现代通信网的建设。移动通信是当前发展最快、应用最广和前沿的通信领域之一。现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，移动通信己从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。1.10FDM简介1.1.1移动通信发展历程移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。顾名思义，移动通信就是指通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输。例如移动台(由车辆、船舶、飞机或者行人携带)与固定点之间或者移动台之间的通信都属于移动通信的范畴。另外，还有一种可移动的概念，即通信用户的位置是可变的，但是在通信过程中用户不处于运动状态。这类通信也可以称为移动通信，但是与严格意义的移动通信相比，两者的无线信道特征有较大的差别。 1897年，M.0.马可尼完成了一固定点与一艘拖船之间的无线通信实验，当时的距离为18海里(约33千米)。现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代，但是直到20世纪70年代中期，才迎来了移动通信的蓬勃发展。 1978年底，美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统(AMpS，AdvanCedMobilc一Pbonesystem)，建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其他发达国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并且在世界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户需求迅速增加这一主要推动力之外，还有几方面技术发展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到迅猛发展，使得通信设备可以实现小型化、微型化。其次，贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念形成了移动通信新体制。蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。第三方面进展是随着大规模集成电 1

北京邮电大学硕士研究生学位论文路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的移动通信系统一般被称为是第一代移动通信系统。从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。模拟蜂窝网的容量己不能满足日益增长的移动用户的需求。20世纪80年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统(GsM，GlobalsystemforMobile)，随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。20世纪90年代初，美国Qualcomm公司推出了窄带码分多址(CDMA，。de一DivisionMultiPleACCess)蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统发展中的里程碑。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占据了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统就是第二代移动通信系统。第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，己有的第二代移动通信系统已经很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在发展第三代(3G)移动通信系统。但是由于30系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为3G系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光越来越多的投向超3G伽yond3o)的移动通信系统，该系统可以容纳庞大的用户数、改善现有通信质量，达到高速数据传输的要求。从技术层面来看，3G系统主要是以CDMA为核心技术，而在30以后的移动通信系统中正交频分复用(oFDM)最受瞩目，有不少专家学者正针对OFDM技术在无线通信技术上的应用从事研究。对于高速数据业务来说，单载波时分多址接入(TDMA，肠meDivisionMultiPlcAa笑55)系统和窄带CDMA系统都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较为严重的符号间干扰(151，玩抚卜symbollnte对免rcnce)，这对单载波TDMA系统中使用的均衡器提出了非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，从而均衡算法的复杂度也会大大增加。对于窄带CDMA来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。在保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了CDMA系统抵抗噪声的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应的提高带宽。此外，CDMA系统一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行预测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。因此，人们开始关注OFDM系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。现阶段，关于下一代移动通信系统的研究工作已经提交给】TU一R第8研究组和世界................ 2

北京邮电大学硕士研究生学位论文无线电大会(wRC，研陌rldRadiocbnferenCe)。许多世界著名通信公司己经投入巨资研究下一代移动通信系统，而在这其中，对于OFDM技术的研究也成为业内关注的焦点。总的来说，下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求:用户速率在准静止呱速移动和固定)情况下达20MbiVs，在高速移动情况下达ZMbi确:容量要达到第三代系统的5一10倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统;条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统;具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量:网络的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求:支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等;现与固定网或专用网的无缝化连接;能通过中间件支持和开通多种多样的IP业务;能提供用户定义的个性化服务;按服务级别收费。由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中普遍存在着符号间干扰(15乃。通常采用自适应均衡器来加以克服，但是，在高速数字通信系统中，为了保证克服151，往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是城市环境可能使得均衡器的抽头数达上百。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度，使设备造价和成本大大提高。为了能在下一代移动通信中有效解决这一问题，OFDM技术因其频谱利用率高和抗多径衰落性能好而被普遍看好，以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。近年来，由于DSP技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗151的高速传输技术，引起了广泛关注。1.1.ZOFDM发展现状 OFDM的提出已有近40年的历史，第一个实际应用是军用的无线高频通信链路，但这种多载波传输技术在双向无线数据通信方面的应用却是近10年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播方式下的音频和视频领域已经得到广泛的应用。近年来，由于数字信号处理(DsP，压乡怕lsignalF“x笼ssin目技术的飞速发展，。FDM作为一种可以有效对抗151的高速传输技术，引起了广泛关注。OFDM技术己经成功地应用于非对称数字用户环路(ADs卜AsymmetricDigitalsuh犯dberLinc)、无线本地环路(wL叭w七e】cSSL以翔IL为p)、数字音频广播(DAB，压91回AudioBroadcasting)、高清晰度电视(HDT从几gh一de6nitionTclcvision)、无线局域网(wLAN，wirelessL以，INetwork)等系统中。它可以有效地消除信号多径传播所造成的151干扰，因此在移动通信中的运用也是大势所趋。 1999年拍FF802.lla通过了一个SGI]匕的无线局域网标准，其中采用了OFDM调制技术并将其作为它的物理层标准。欧洲电信标准协会(ETS乃的宽带射频接入网但RAN，BroadR泊dioACC.ssNetwotk)的局域网标准也把oFDM定为它的标准调制技术。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着DsP芯片技术的发展，傅立叶变换/反变换、翻八28左560AM的高速Modcm技术、格状编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中精力开发OFDM技术在移动通信 3

北京邮电大学硕士研究生学位论文领域的应用，预计3G以后移动通信的主流技术将是OFDM技术。DAB是在AM和FM等模拟广播基础上发展起来的，可以提供与CD相媲美的音质以及其它的新型数据业务。1995年，由ETSI制定了DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准。接着在1997年，基于OFDM的DvB(Digital巧sfon，Broadcasting)标准也开始采用。在ADsL应用中，OFDM被当作典型的离散多音频调制但MTModulation技术)，成功地用于有线环境中，可以在IM比带宽内提供高达SMbl珑的数据传输速率。1998年7月，经过多次的修改之后，正EE习02.n标准组决定选择OFDM作为wLAN〔工作于SG比频段)的物理层标准，目标是提供6Mbl确到54Mbl确数据速率，这是OFDM第一次被应用于分组业务通信系统中。此外，OFDM还易于结合时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，动态比特分配等技术，其性能可以进一步得到提高。 OFDM技术以其抗多径衰落、高的频谱利用率、均衡简单等诸多优势，被认为有希望成为第4代(40)移动通信的关键技术。特别是OFDM与CDMA的结合，成为人们研究的热点。然而OFDM应用于40却不能够完全被肯定，这主要是因为OFDM存在两个致命缺点，即高的峰均功率比(PAPR)和对频率偏移的敏感性。前者导致了非常低的射频功放效率和昂贵的发射机成本，而后者则导致了同步的复杂，这两者都不利于移动终端尺寸限制等要求，成为OFDM应用于移动通信的主要障碍。1.1，3OFDM自适应调制技术简介链路级自适应技术的基本思想就是自适应调节信号传输参数来充分利用当前的信道环境。可以调节的基本参数包括调制方式、编码方式、发射功率、扩频增益和信令带宽等.通过自适应技术得到的系统容量的增益是非常明显的。这种技术已经被广泛地应用认为是无线通信系统中有效地提高频谱利用率的重要手段之一，并且已在包括CDN孕口(X犯、WCDMA的第三代移动通信标准中使用。与传统的单载波相比，多载波OFDM系统使用链路级自适应技术会具有更高的灵活性，并能够获得更好的系统性能。OFDM自适应调制，顾名思义就是根据信道状况调整OFDM各个子载波的调制方式。简单的说，自适应调制原理就是当信道条件好时，采用高阶的调制方式，当信道条件差时，采用低阶的调制方式。LZ论文研究工作及创新性概述论文的主要研究内容为OFDM自适应调制技术。在此之前，本人对B30技术:M加0、OFDM、MC一CDMA以及MIMO与OFDM技术的结合等进行了大量的跟踪研究工作，为提出本文的创新点奠定了坚实的理论基础。在完成论文的过程中，本人坚持以理论分析和试验仿真相结合的方法，从理论上分析了OFDM无线信道的特征以及时变.....口..口.....口...一..............~口...旧.........~...........曰....... 4

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