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關(guān)鍵詞：自適應(yīng)調(diào)制 平坦瑞利衰落 BER BPS
陸地移動(dòng)通信中無線信號(hào)受到多徑效應(yīng)的作用會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的幅度衰落和時(shí)延擴(kuò)展，造成誤比特率性能惡化�？朔人ヂ涞囊环N方法是增加發(fā)射功率，加大幅度余量；另一種方法是降低無線信道中的比特傳輸速率，而比特傳輸速率的降低會(huì)降低頻譜利用率，即降低了系統(tǒng)的容量。一種較理想的方法是根據(jù)信道隨機(jī)變好時(shí)，用較高的速率傳輸；信道條件差時(shí)，降低傳輸速率。這種方法可變速率調(diào)制或自適應(yīng)調(diào)制，可在系統(tǒng)容量和系統(tǒng)誤碼性能兩方面都達(dá)到令人滿意的程度。
自適應(yīng)調(diào)制可以分為慢速自適應(yīng)調(diào)制和快速自適應(yīng)調(diào)制。慢速自適應(yīng)調(diào)制中調(diào)制方式地變化速率相對(duì)較低，連續(xù)使用到本次傳輸結(jié)果或本次會(huì)話結(jié)束；快速自適應(yīng)調(diào)制中的調(diào)制方式根據(jù)每個(gè)時(shí)隙的瞬時(shí)信道狀況自適應(yīng)地變化。本文主要研究基于突發(fā)的快速自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，每次突發(fā)的數(shù)據(jù)根據(jù)信道質(zhì)量的不同采用不同的調(diào)制方式。另外，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)還可以根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的類型控制業(yè)務(wù)質(zhì)量，補(bǔ)償信道衰落的影響以及提高系統(tǒng)頻譜利用率從而提高系統(tǒng)的容量。
1 系統(tǒng)模型
1．1 自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)原理
自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的基本原理是：發(fā)射機(jī)根據(jù)當(dāng)前信道質(zhì)量情況的反饋信息選定最優(yōu)的調(diào)制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其原理框圖如圖1所示。
在接收端，接收機(jī)首先對(duì)無線衰落信道特性進(jìn)行估計(jì)，包括衰落幅度、信噪比和時(shí)延擴(kuò)展等，根據(jù)測量結(jié)果對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行衰落補(bǔ)償或基帶均衡，提取調(diào)制方式后解調(diào)數(shù)據(jù)，再解碼后輸出；同時(shí)將信道測量結(jié)果告知調(diào)制方式轉(zhuǎn)換模塊，調(diào)制方式轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)測量到的信道特性，按照一定的算法選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式，并告知發(fā)射機(jī)調(diào)整調(diào)制方式。
為了比較精確地反饋信道的瞬時(shí)特性，考慮采用時(shí)分雙工TDD方式和TDMA多址接入技術(shù)，可以保持上、下行鏈路的衰落相關(guān)性，利用本地時(shí)隙的信道估計(jì)值作為下一時(shí)隙的發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制方式的選擇依據(jù)。很明顯這樣做在時(shí)間上相差一個(gè)發(fā)送周期，而且由于上下行信道的不對(duì)稱性，對(duì)信道的估計(jì)會(huì)有一定的誤差。但是只要信號(hào)的傳輸速率足夠快，使數(shù)據(jù)幀周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衰落周期，那么在幾個(gè)數(shù)據(jù)幀暑期內(nèi)，可以認(rèn)為信道衰落變化不大，采取上述方法進(jìn)行信道估計(jì)是可行的。
1．2 自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的幀格式
自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)中，為了能使接收機(jī)正確地解調(diào)數(shù)據(jù)，合理的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是必要的。如圖2所示為一種基于TDMA/TDD的突發(fā)自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)，每個(gè)突發(fā)時(shí)隙由頭尾比特、數(shù)據(jù)碼元部分（DATA1和DATA2）、引導(dǎo)碼元（P）、調(diào)制參數(shù)估計(jì)字（W）和信道估計(jì)字（CE）組成。
其中頭尾比特用于同步、定時(shí)和保護(hù)；引導(dǎo)碼元P用于衰落補(bǔ)償；調(diào)制參數(shù)估計(jì)字W為8位Walsh碼，用于傳輸調(diào)制方式信息，接收端利用該信息進(jìn)行解調(diào)；信道估計(jì)字CE為訓(xùn)練序列，用于信道估計(jì)。調(diào)制參數(shù)估計(jì)字W對(duì)自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)是至關(guān)重要的，它的錯(cuò)誤將引起解調(diào)失敗，這里選擇正交性較好的Walsh碼。
另外，由于信道的衰落特性，幀長度的選擇對(duì)調(diào)制系統(tǒng)的性能也有很大的影響，最佳的幀長度應(yīng)該使整個(gè)幀中每個(gè)時(shí)隙傳輸期間的信道變化不明顯，這與移動(dòng)臺(tái)的速度有關(guān)。
2 平坦瑞利衰落環(huán)境下自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的性能分析以及仿真結(jié)果
2．1 自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)根據(jù)接收機(jī)對(duì)當(dāng)前時(shí)隙的信道質(zhì)量估計(jì)，推測下一個(gè)傳輸時(shí)隙的信道質(zhì)量，并根據(jù)瞬時(shí)信道質(zhì)量情況為下一個(gè)時(shí)隙的傳輸選擇滿足一定系統(tǒng)性能最合適的調(diào)制方式。調(diào)制方式的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則是，使系統(tǒng)在保持一定的目標(biāo)誤比特率（BER）的條件下，獲得較高的每碼元比特?cái)?shù)（BPS）性能。這樣當(dāng)系統(tǒng)碼元速率不變時(shí)，可以提高系統(tǒng)的比特速率，獲得較高的系統(tǒng)通過量。
本文采用四種可選的調(diào)制方式：BPSK、QPSK、方形16QAM和方形64QAM，利用瞬時(shí)信噪比γ作為信道質(zhì)量的衡量指標(biāo)。自適應(yīng)調(diào)制參數(shù)的選擇規(guī)則為：
當(dāng)l1≤γ
當(dāng)l2≤γ
當(dāng)l3≤γ
當(dāng)γ≥l4時(shí)，調(diào)制方式為64QAM。
其中l(wèi)1、l2、l3及l(fā)4分別為對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)所需要的BER性能的BPSK、QPSK、16QAM和64QAM傳輸信號(hào)瞬時(shí)信噪比的轉(zhuǎn)換閾值。
通常，通信業(yè)務(wù)都有一定的誤比特率要求，不同的業(yè)務(wù)誤比特率的門限BERth不同，調(diào)制方式的轉(zhuǎn)換閾值也不同。給定系統(tǒng)的BERth后，就可以根據(jù)每種調(diào)制方式的BER曲線確定調(diào)制方式的轉(zhuǎn)換閾值。當(dāng)TDMA/TDD時(shí)隙長度很短時(shí)，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的衰落幾乎不變，因此每個(gè)時(shí)隙的BER性能可以通過靜態(tài)條件下的BER性能來估計(jì)。
對(duì)于BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制，在高斯信道下的BER性能函數(shù)分別為：
其靜態(tài)BER性能曲線分別如圖3所示。假設(shè)系統(tǒng)所需要的BER門限BERth=10 -2時(shí)，根據(jù)圖3，滿足BERth=10 -2的l1、l2、l3和l4的值分別選擇為l1=4dB、l2=8dB、l3=14dB和l4=20dB。
2．2 平坦瑞利衰落環(huán)境下自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的性能分析
文獻(xiàn)給出了在Rayleigh衰落信道環(huán)境下利用數(shù)值積分得出的自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的近似上界BER性能：
其中，γ為信道的平均信噪比，l1、l2、l3及l(fā)4分別為BPSK、QPSK、16QAM和64QAM傳輸信號(hào)的信噪比閾值，B為每符號(hào)的平均比特?cái)?shù)（BPS），B值可以由下式給出：
PBPSK（γ）、PQPSK（γ）、P16QAM（γ）以及P64QAM（γ）分別為四種調(diào)制方式在高斯信道中的BER性能函數(shù)（（1）～（5）式），p(γ)表示Rayleigh衰落信道信噪比的PDF，γ為瞬時(shí)信噪比，文獻(xiàn)給出其表達(dá)式如下：
將（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（7）和（8）式代入（6）式，分別取l1=-∞和l2=l3=l4=∞，l2=l3=l4=∞，l1=l2=-∞和l3=l4=∞，l1=l2=l3=-∞和l4=∞以及l(fā)1=l2=l3=l4=-∞(dB，下同)，并對(duì)（6）式進(jìn)行積分，得到BPSK、QPSK、16QAM和64QAM在平坦Rayleigh衰落信道環(huán)境下的數(shù)值積分近似上限BER性能，如圖4（a）所示。
分別�、賚1=∞、l2=8dB、l3=14dB和l4=20dB，②l1=4dB、l2=8dB、l3=14dB和l4=20dB作為自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制方式切換電平，分別對(duì)（6）式和（7）式進(jìn)行積分，得到平坦Rayleigh衰落信道環(huán)境下自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的數(shù)值積分近似上限BER性能和BPS性能曲線（其中4dB、8dB、14dB和20dB分別對(duì)應(yīng)于高斯信道下BER性能為0.01的BPSK、QPSK、16QAM和64QAM的調(diào)制方式），如圖4（a）、（b）所示。圖中曲線①表示在沒有傳輸中斷情況下自適應(yīng)系統(tǒng)性能，曲線②是在γ沒有傳輸中斷情況下的自適應(yīng)系統(tǒng)性能（在信道條件較差時(shí)關(guān)閉傳輸，可以減少由于誤比特率較大引起的重傳次數(shù)）。另外，在第②中自自應(yīng)情況下系統(tǒng)會(huì)有一定的中斷率。
2．3 仿真結(jié)果及分析
在平坦Rayleigh衰落信道環(huán)境下，分別對(duì)BPSK、QPSK、16QAM和64QAM固定調(diào)制以及上述的①、②兩種自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到仿真BER性能和BPS性能，如圖4（a）、（b）所示。其中QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制均采用格雷編碼，假設(shè)接收機(jī)進(jìn)行正確的頻偏估計(jì)和信道參數(shù)估計(jì)，瞬時(shí)信噪比服從（8）式分布。
從圖4可以看出，在平坦瑞利衰落環(huán)境下的計(jì)算機(jī)仿真性與式（6）、（7）得到的數(shù)值積分 上限性能曲線是一致的，并且在圖中的整個(gè)信道比范圍內(nèi)，自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的BER性能優(yōu)于QPSK的性能。在0～20dB范圍內(nèi)的BER性能優(yōu)于BPSK性能，這是由于信道瞬時(shí)信噪比的增加，使得BPS性能提高，引起B(yǎng)ER性能改善。當(dāng)信道平均信噪比為20dB時(shí)，自適應(yīng)調(diào)制的BER性能近似BPSK性能，而BPS性能約為BPSK系統(tǒng)性能的4倍。當(dāng)信道平均信噪比增大時(shí)，自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的BER和BPS性能將會(huì)收斂于64QAM。
自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)是自適應(yīng)無線傳輸?shù)囊环N，也是未來無線通信的一種關(guān)鍵技術(shù)。自適應(yīng)調(diào)制可以通過改變調(diào)制方式來適合不同系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量需求，從而優(yōu)化系統(tǒng)的性能。本文的分析和仿真表明，根據(jù)信道的優(yōu)劣情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制的系統(tǒng)在保持較低的BEP性能的同時(shí)，盡可能提高了系統(tǒng)的BPS性能，從而使傳輸系統(tǒng)得到優(yōu)化。
