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【转贴】自适应OFDM调制解调
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自适应OFDM调制解调 徐静琴 李兵兵 （西安电子科技大学，陕西西安 710071） 摘 要 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，适合高速数据传输。自适应OFDM调制解调根据信道估计的结果对比特与功率进行动态分配以达到充分利用频带资源、提高系统整体性能的目的。本文对OFDM自适应调制解调的基本原理及其相关技术进行了分析。 关键词 OFDM；自适应调制；算法 1 引言无线信道的一个重要特点是多径传播，这使接收信号相互重叠，产生符号间干扰（ISI）。正交频分复用（OFDM）的概念是由B.R.Saltaberg在20世纪60年代提出的，它使用并行数据传输和子信道相互交叠的技术，在充分利用可用带宽的同时，对抗突发噪声和多径失真。 物理信道对于宽带的OFDM系统一般会呈现出较为明显的频率选择性，这种条件下传输错误通常集中于严重衰落的子载波中。如果对所有子载波均采用相同的调制方式，则会严重影响系统总体性能。针对信道的频域选择性特征，可以采用自适应调制解调的方式，通过对信道参数的估计，动态地分配子信道的比特数和改变调制方式以适应信道要求，达到最佳传输性能，因此自适应OFDM具有重要的理论研究价值和广泛的应用前景。 2 OFDM的自适应调制解调原理自适应调制的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。 用户的模拟信号经过A/D转换后，转换成二进制数据。二进制数据进行串并变换，然后数据送入自适应子载波调制模块。数据在自适应载波模块中根据自适应比特分配算法对各个子信道采取响应方式的调制。调制方式可以采用MQAM或MPSK调制。调制后的数据经IFFT变换将N列的数据序列变换为时域信号。插入保护间隔可以有效的消除符号间干扰（ISI）信道为加性白噪声的频率选择时变衰落信道。在接收端，接收到的信号经去除保护间隔和分路后进行FFT变换，得到N列并行信号，送入各个子信道解调器。调制参数由比特分配信息模块给定。解调后的数据再经并串和D/A转换还原成用户数据。 在信道估计模块中，自适应OFDM调制解调需要对信道进行精确估计，根据接收的导频信号可对数据子信道的冲激响应进行估计，估计的结果可用来确定每个子信道的信噪比，根据不同的算法确定各个子信道下一次传输采用的基带调制方式，从而实现多载波方式下的自适应调制。 3 自适应OFDM调制算法3.1 基于连续比特分配算法 该算法是在一定的数据速率和误码率的约束下，根据信道特性，自适应调整每一个子载波的发射功率使系统的总发射功率达到最小的一种链路自适应方式。公式表达为：   限制条件， 。 在频率选择性衰落信道中，不同的子载波可以经历独立的衰落情况， аn表示第n个子载波上的信道衰落幅度。f (c)表示在信道增益等于1时，一个子载波实现可靠接受c个信息比特所需的接收能量。在迭代算法中每次只分配一个比特，并且这个比特被分配给满足指定BER条件下需要增加的发射功率最小的子载波上，同时该子载波也相应地增加发射功率以保证BER。该算法的复杂度取决于每个OFDM符号承载的比特数。因此当子载波数量较大，且每个符号周期包含的比特数也较多时的多载波系统中，该自适应算法的速度比较慢。 3.2 基于频谱效率最优的自适应算法 P.S Chow提出了一种实用化的自适应比特和功率分配策略，大大降低了算法复杂度，提高了速度，使自适应调制可以应用在高速数据传输中。该算法的目标是在数据速率以及误码率的约束条件下，得到每个子载波上的比特分配方式以达到最优的系统性能余量，最后根据每个子载波上的比特分配来调整发射功率来满足误码率的要求。算法是根据每个子载波上的信道容量来进行比特和功率分配的。算法中的第i个子载波的比特数目由下式计算：   系统的总数据速率为 。 其中，SNR(i)是第 i个子载波上的信噪比；  表示理论信道容量与各种调制方案的实际信道容量之间差值的一个常数；表示系统性能的余量，它在迭代中被确定最终保证系统提供的总速率达到目标速率。在接收端，该算法首先计算每个子载波的SNR，根据此SNR计算每个子载波上支持的速率以及系统支持的总速率。如果系统性能 的总速率和目标速率不相等，那么就调整性能余量，并重新计算系统支持的速率，经过反复的迭代最终得到满足速率要求时每个子载波上的比特分配方式。最后调整发射功率保证每个子载波上的BER。3.3 基于系统误比特率性能最优的自适应调制算法 Fischer提出的算法与chow算法不同，它的最优化准则是在维持恒定传输速率和给定总发射功率的前提下，使系统的误比特率性能功能达到最优。当所有子载波上的误比特率相等时，系统的误比特率达到最小值。当所有子载波上的误比特率相等时，先把各个子载波上的噪声功率值存储下来，接下来就只需进行一些加法和除数为整数的除法，因为它的复杂度较chow算法有了进一步的降低。 步骤1：初始化。首先必须已知各个子载波上的噪声方差ni，i=1，2…，N，N为子载波的总数。设置目标比特速率，也就是要分配的比特总数RT。记N’为已使用的子载波数，设N’的初值N’=N。记激活的子载波集合为I，设I 的初值 I={1，2，…，N}。然后计算各个子载波的  ，i=1，2，…，N，并把这些值存储下来，这样下次使用时不需要再做对数运算。步骤2：计算 I 中各个子载波可分配的比特数目。  步骤3：若Ri≤0且i∈I，那么N`=N`-1，把第i个子载波从I中删除。然后转到步骤2，继续下去直到Ri>0，i∈I。 步骤4：由于激活子载波上所分配的比特数Ri一般情况下都不是整数，所以必须进行量化。RQi =round(Ri)。量化误差等于△Ri=Ri-RQi。。  步骤5：计算分配的比特总数 。 步骤6：若  ，则转到下一步，否则调整Ri直到  。若Rsum> RT，找到最小的△Ri且RQi>0，调整RQi= RQi-1，Rsum=Rsum-1，△Ri=△Ri+1. 若 Rsum< RT，找到最小的△Ri且RQi>0，调整RQi= RQi+1，Rsum=Rsum+1，△Ri=△Ri-1. 步骤7：最后一个步骤是功率分配。每个激活的子载波上分配的发射功率按下式计算。 以上是Fischer算法的各个步骤。因为Fischer算法给出了比特分配和功率分配的闭式解。所以算法复杂度较小，适合高速无线数据传输。而且它的误比特率性能接近与Chow算法。 3.4 基于子带分配算法 随子载波数目的增大，每个子载波所占的带宽变小，这样距离近的子载波的信道特性相关性较大，因此在不严重降低系统容量的前提下，为了减少计算量，提高比特分配速率，可将相邻的m个子载波作为一个子带，子带中的所有子载波都使用相同的比特分配方式。使用该方法时要注意子带大小要合适。若选择太大时，子带内的子载波之间的相关性变小，那么此时必须使用子带中衰落最大的子载波的信道特性作为比特分配的依据。基于子带划分的自适应OFDM调制算法可以分为以下几种： (1) 固定门限自适应算法。系统根据误码率的要求对于每种调制方式都对应有固定的信噪比门限，在每个子带内，根据误码率和每个子载波的信噪比选出满足所有子载波误码率要求的最高阶调制方式作为子带内所有子载波共同采用的调制方式，这种算法实质上是采用的子带内信道最差估计方法，通过使用误码率优先原则，对系统性能有一定的影响。 (2) 子带BER估计自适应算法。上述固定门限自适应算法采用信噪比最低的子载波所采用的调制方式，此时子带的平均BER已经低于系统BER的要求，是系统资源造成一定的浪费。因此采用使子带BER估计自适应算法中子带内的平均误比特率满足系统要求的前提下，使得发送数据最大的方法。该方法也应用了误码率最优的原则。 基于自适应OFDM的调制解调技术能有效的提高系统的性能，因此已经成为研究的热点。目前，除了以上所述的方法外，还有一些改进的次最优的算法。例如：多用户OFDM系统的动态资源分配、MIMO与OFDM相结合等。 4 结束语OFDM由于其频谱利用率高、抗干扰能力强等优点在数据通信领域中得到了广泛的应用，被认为是未来无线通信的关键技术之一。在OFDM系统中使用自适应调制技术，不但可以大大地提高频谱利用效率，系统的误码率也有了明显的改进。与自适应OFDM调制解调相关的信道估计、自适应动态资源分配算法等关键技术则越来越受到关注。 参考文献[1] 佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2003 [2] 王文博，郑侃.宽带无线通信-OFDM技术[M].北京：人民邮电出版社，2003 [3] P S Chow.J M Ciofi.J C Bingham.A Practical Discrete Multitone Transceiver Loading Algorithm for Date Transmission over Spectrally Shaped Channels[J].IEEE Transaction on Communitions.1995.11：773~775 [4] R F H Fischer.J B Huber.A New Loadong Algorithm for Discrete Multitone Transmission[J].IEEE Proc.GLOBECOM’96.1996.11：724~728 [5] 赵珺洁.OFDM技术及其关键技术[J].现代电子技术.2007，3(242)：43~45 收稿日期：7月16日 修改日期：7月23日 作者简介：徐静琴(1979-)，女，湖北，在读研究生，主要研究方向：多速率信号处理、数字通信；李兵兵 (1955-)，男，江苏，教授，主要研究方向：多速率信号处理、数字通信。 [ Last edited by ccjjhh on 2009-3-26 at 03:40 ] |
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