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新型的OFDM自适应调制算法研究,周凯捷,,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�
山国武技让文在线 http://www.paper.edu.cn ()=∑()()+∑ (2) 上式表示调制信号()复訇成份,分配到路子载波上进行传输,在接收端通过 合并模块对这路子载波信号进行合并,得到判决变量^()。将式(1)代入到式(2), 得到其等效信噪比表达式(3): Mean (3) 其中O为的方差。为了更清楚的表达 MC-CDMA频率分集作用,下表列出了4路 信噪比较低的子载波在 MMSEC合并后的信噪比: 表1MMSC合并增益(单位:dB) 子载波1 0.0576 1.7684 -2.7131 1.5594 -0.5946 子载波2 0.3723 -2.2741 -2.4039 -1.3024 -0.3775 载波3 -0.8190 2.8027 -2.1093 -1.0564 0.1690 子载波4 1.2839 3.3562 -1.8281 -0.8207 0.0314 合并信噪比|54325 3.5002 3.766l 4.8413 5.7465 从表中的数据可以看出,每个子载波的信噪比都小于BPSK调制门限,合并后的信噪比 大于每个子载波的信噪比,达到了BPSK调制门限(假定最小的调制门限为BPSK)。因此 本文提出的OFDM自适应调制策略对小于BPSK调制门限的子载波采用适当的组合策略进 行分组,计算其合并增益,即等价信噪比 mean 通过它可以选择合适的调制阶数 22OFDM子载波分集技术研究 在2.1中,我们指出了 MC-CDMA实际上是一种OFDM系统,由表1可知, MC-CDMA 能够提高信号的信噪比,这是因为 MC-CDMA采用了子载波分集技术。如图3采用子载波 分集技术的OFDM系统。采用子载波分集技术的OFDM系统与通常的 MC-CDMA不同之 处在于,复制模块之后不需要乘以扩频因子,以降低系统复杂度,但依然可以获得分焦增益 模缺 N 核块 调:器 H捏块 图3采用」载波分集技术的OFDM系统 山国武技让文在线 http://www.paper.edu.cn 采用频率分集技术的OFDM系统也可以看成是一种特殊的 MC-CDMA系统,只是所有 的扩频因子=1。在 MC-CDMA系统中,位于同一频段上的子载波群可以在相邻小区复 用,为了区分不同的小区,每个小区需要采用特定的扩频序列。而OFDM系统相邻小区采 用不同频段的子载波群,不需要扩频因子来区分不同的小区,所以子载波分集不需要乘以扩 频因子,只是用多个子载波传输同一个数据符号的拷贝。OFDM子载波分集获得的分集增 益优」MC-CDMA获得的分集增益,因为 MC-CDMA分集增益会受到扩频码的非正交性和 多址扰,而OFDM不会受到来至于相邻小区的多址扰 采用了载波分集技术的OFDM系统可以应用在信道环境比较恶劣的情况下,可以提晑 系统的可靠性。当然子载波分集的方案也有多种,可以选择信道状况进行选择,在一个OFDM 符号中,不同的数据符号也可以选择不同的分集增益。在下一节提出的算法就是这种情况。 3.应用子载波分集的OFDM自适应调制 3.1系统模型 图4示出了具有自适应调制功能的OFDM系统模型。自适应参数采用闭环信令发送形 式。图中虚线框内的模块是自适应OFDM调制系统所特有的,非自适应OHDM调制系统可 以省略。为了使图中结构清晰,省略了部分信号处理流程。 调制器 CP DA 参数 信道估计 无线信道 解词器 D 变 CP 目道 应零数 图4自适应OFDM系统框图 在发送端,比特分配算法模块根据信道作计的结果一信道状态信息(CST),进行比特 分配。调制器根据比特分配数日采用相应的调制阶数,产生了个调制符号 0≤≤-1 ),然后通过串并变换把它们分配到路子载波上。之后使用快速傅立叶反 变换(IFFT),将频域上的信号变换到时域上的信号,这个IFFT变换过程的表达式如 )(0≤≤-1) 为了消除OFDM符号间干扰(ISI),在每个OFDM符号前添加循环前缀CP。OFDM 山国武技让文在线 http://www.paper.edu.cn 数字基带信号过数模变换(DA)之后转换为模拟基带信号(),发射机对模拟信号() 进行载波调制,然后发送到无线信道中。信号在无线信道中将受到多径衰落,多普勒频移 以及其他干扰源的影响。接收信号()可以表示为如下 ()=()*(,)+()(0≤≤ (5) 本号表示时域卷积,表示一个OFDM符号周期,在时变缓变信道中,(x,)在一个 内可以看着是不变的。接收端对()进行模数变换(AD)还原成数字基带信号 0≤≤ ε为了还原每个子载波上承载的调制信号,将数字基带信号进行快速傅 立叶变换(FFT),得到的基带信号可以表小为: (6) 式中是对加性高斯白噪声(AGWN)在每个子载波上产生的千扰,与每个子载波上 的传递函数相互独立。为了进行相干解调,得到的估计值,解调器需要求得的 复共轭 (0≤≤-1 然后对进行解调,得到二进制比特流。 3.2算法描述 在2.1,2,2中已经讨论了MC-CDMA的子载波分集作用。从表1中的数据可以看出,每 子载波的信噪比都小」BPSK调制门限,合并后的信噪比大于每个子载波的信噪比,达到 了BPSK调制门限(假定系统最小的调制门限为BPSK)。在2.2节中指出,OFDM也可以 使用了载波分集技术,并且较MC-CDMA的了载波分集更简单。现有的OFDM自适应调制 算法对信噪比小于调制门限的子载波关闭,不发送任何数据,如果对这些小于调制门限的子 载泼采用子载波分集技术,可以使合并后的信噪比得到提高,以达到系统所有的调制门限。 因此我们可以对小于BPsK调制门限的子载波采用适当的分组合并策略,计算其合并增益, 即等价信噪比mmn,如果 大于调制门限,我们就为这组子载波选择合适的调制 阶数。如图5所示,设计了具有子载波分集功能的OFDM自适应调制系统模型,与通常的 MC-CDMA不同之处在于,复制模块之后不需要乘以扩频因子,以降低系统复杂度,但依 然可以获得分集增益。 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 调制器 S;「复 模块 ub(k3] th(k4 其他 比特分配 功能 获得CSI 模块 R 解调器 k Ri 模块 图5采用频率分集技术的OFDM自适应调制算法 通过信道估计,子载波j,j信噪比小于BPSK调制门限,计算其合并信噪比mm, 大于BPSK调制门限,数据符号通过复制模块复两份,分别用子载波j,j进行传输, 在按收端通过合并模块对了载波j,j的接收信号进行合并;了载波kl,k2,k3,k4信噪 比分别小于BPSK调制门限,并且其中任意3个子载波合并信噪比也小于BPSK调制门限, 只有利用全部的4个子载波其增益才大于BPSK门限,数据符号复制四份,分别用子载 波kl,k2,k3,k4进行发送,在接收端对其信号进行合并。当子载波的信噪比大于BPSK 调制门限时,仍然采用单个子载波发送一路数据,当子载波信噪比小于BPSK调制门限时才 进行分集合并。如何对信噪比小于BPSK调制门限的子载波分集合并,将影响到系统的性能 和复杂度。本文提出了一种较简单的合并算法,算法步骤如下: (1)设定BPSK调制信噪比门限 Threshold,仟意子载波,如果 Threshold 将子载波号加入到集合I中,反之加入到集合J中 (2)计算J的元素个数LenJ,令n=1,GD=2",如果LenJ≥D,计算J中相 邻的GD个子载波合并信噪比mm,如果LenJ<GD,到步骤(5)。 (3)建立集合1,第一个元素为(-GD),如果mmn> Threshold,将这组子载 波序号添加到集合P中,并从J中删除,直到J中任意GD子载波合并信噪比 K Threshold nean (4)将集合1中元素加入到集合1中,即=+1,令n=n+1,转到步骤(2) (5)依据集合I中的分组信息,查找对应的信噪比,进行功率比特分配 注意:在步骤(2)中,用相邻的子载波进行合并比间距合并的效果更好,因为相邻的 子毂波衰落具有相关性,合并埤益较间距合并高,并且易于算法处理。图6为算法流程图。 6 山国武技让文在线 http://www.paper.edu.cn 初始分配 可用子载波 集合 不可用于教 波集合J NO YES 计算合井信 噪比 YES subD。 大于值 GDI NO 史新不可用 子波集合d 图6算法流稈图 4.仿真结果 为了验证上节提出的OFDM自适应调制算法,设计了基于信道客量最人化原则和基于 误码率最小化原则的仿真模型。仿真参数:子载波数=256:OFDM符号周期1.6us+6.4us, 多径数日=6,信道最大多径时延m=16:载波频率5GHz,=100Hz 图7是在上述条件下,系统的频域传递函数曲线。图8是chow算法在设定参数 BER=1E3,T=1时,子载波数上比特数分图。子载波总数=256;其中关闭的子载 波数59;传输比特数 Bit Total=309;如果采用了载波分集功能的OFDM自适应调算 法,关闭的了载波数目=1,传输比特数 Bit total=329。 图7幅频响应特性 图8chow算法比特分配数目 7 山国武技让文在线 http://www.paper.edu.cn 图9示出了在误码率小于BER=1E-3(选择BER=1E-3具有代表性,本仿真未加入编 码增益,1E-3比较符合实际系统所要求的淏码率)条件下,chow算法与本文算法在不同信 噪比条件下传输带宽的对比,图中黑部分为增加的传输带宽。图10示出了采用本文算法 在不同信噪比条件下增加的传输带宽的百分比。图11所示为固定带宽OFDM系统,每个 OFDM符号传输512比特,即每个子载波平均承载2比特。在不同的信噪比条件卜, Fischer 算法与木文算法的淏码率对比 图9系统吞吐量对比图 图10增加吞吐量的百分比 === 三三三三三三三三三t三三三三 ====三三三三三三三: = 土三三三三三三三 图11误码率对比图 8 山国武技让文在线 http://www.paper.edu.cn 通过仿真结果表明,采用频率分集技术的OFDM自适应调制算法可以提高系统的可靠 传输带宽,降低了淏码率。从图9,10可以看岀,当信噪比降低时,本文算法对昋吐量有极 大的改善。这是因为在低信噪比条件下,小于BPSK调制门限的子载波数量很多,如果采用 关闭策略,损失的信道容量很大,采用本文算法可以将这部分信道容量加以利用。当用户位 小区边缘或处于阴影哀落的情况卜,采用频率分集技术的OFDM自适应调制,可以有效 的改善系统的性能。从图5-14可以看出,如果采用固定传输带宽的OFDM系统,木文算法 也可以降低系统的误码率。 另外,本文是以BPSK作为最低阶的调訇门限,在有些OFDM系统中,自适应调制不 采用低阶的BPSK、甚至QPSK。如果对小于系统设定调制门限的子载波进行关闭,损失的 信道容量将进一步增大,采用本文算法可以将小于设定调制门限的子载波进行分集合并,以 达到系统设定的调制门限 5.小结 MC-CDMA是一种特殊形式的OFDM系统, MC-CDMA应用的子载波分集技术,在 OFDM系统中也可以采用子载波分集技术以抵抗信道的衰落。本文提出的算法正是应用 OFDM的子载波分集技术来提高系统的性能。对于信道增益较大的子载波不采用子载波分 集,对信道増益较小的」载波釆用子载波分集,这用使得在通常的OFDM自适应算法中, 不能使用的子载波也可以加以利用,这样就提高了系统的性能。 参考文献 [1 D. Hughcs-Hartogs. Enscmblc Modem Structurc for Impcrfcct Transmission [P] Nos 4,679, 227(July 1987), 4,731816 March 1998and4,833,706(May1989) [2 Chow P S, Cioffi J M, Bingham J A C. a practical discrete multitone transceiver loading algorithm for data transmission over spectrally shaped channels [] IeEe transactions on communications, 1995; 43(2): 773-775 [3 Fischer, R.F. H. Huber, J.B. A new loading algorithm for discrete multitone transmission Cl Proc. Globccomm96. Communications, vol. l, pp. 724-725 [4] Goldfeld L, Lyandres V, Wulich D. Minimum BER Power Loading for OFDM in Fading Channel[]. IEEE Trans Commun.2002,50(11):17291733 A NEW ADAPTIVE MODULATION AIGORITHM OF OFDM Kaijic zhou Beijing university of Posts and Telecommunications, Beijing 山国武技让文在线 http://www.paper.edu.cn Based on researched into the features of wireless channel and OFDM channel model,this thesis put forward a new adaptive modulation algorithm of oFDM. The algorithm can make full use of bad subchannels transmission capacity, but in some other adptive modulation algorithm, those bad subchannels will be closed. When some subcarriers'local snr is lower than the modulation threshold those subcarriers are divided into groups by OFDM subcarrier-diversity technology, so each group-snR can reach the required threshold, and then adaptive modulation is done. Through theoretical analysis and simulation results show that this adaptive modulation algorithm can improve OFDM system performance

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