郭少華

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

1 自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)

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［1］。

圖1 自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)原理框圖

在接收端，接收機(jī)首先對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。

2 速率自適應(yīng)

2.1 高斯信道下的自適應(yīng)調(diào)制性能分析

自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)根據(jù)接收機(jī)對當(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)，可提高系統(tǒng)的比特速率，獲得較高的系統(tǒng)通過量。對于BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制，在高斯信道下的BER性能函數(shù)分別為［2］

其中

基于上述分析，通過仿真得到性能比較結(jié)果如圖2所示。

圖2 高斯信道下幾種調(diào)制方式性能比較

采用4種可選的調(diào)制方式:BPSK、QPSK、8PSK、方形16QAM和方形64QAM，利用瞬時(shí)信噪比SNR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)7≤SNR時(shí)，調(diào)制方式可為 BPSK;當(dāng)10≤SNR時(shí)，調(diào)制方式可為QPSK;當(dāng)15≤SNR時(shí)，調(diào)制方式則可為8PSK;當(dāng)17≤SNR時(shí)，調(diào)制方式可為16QAM。其中SNR=7，10，15及17分別為對應(yīng)于系統(tǒng)所需要的BER性能的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM傳輸信號瞬時(shí)信噪比的轉(zhuǎn)換閾值。由此分析可得到，高斯信道下的速率自適應(yīng)圖是誤碼率為時(shí)的速率自適應(yīng)，其階梯圖如圖3所示。

圖3 高斯信道下的速率自適應(yīng)編碼

若某系統(tǒng)要求誤碼率低于10－3時(shí)，則自適應(yīng)調(diào)制編碼系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信道條件自發(fā)選擇最佳調(diào)制方式，即在信道條件比較差時(shí)選擇速率低的調(diào)制方式，在信道條件較好時(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)會(huì)選擇速率較高的調(diào)制方式，即自適應(yīng)調(diào)制編碼會(huì)在保證信道可靠性的同時(shí)增大傳輸速率，提高系統(tǒng)的吞吐量，使傳輸系統(tǒng)得到優(yōu)化。

2.2 自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)性能分析

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性能為［2－3］

其中，γ為信道的平均信噪比;l1、l2、l3及 l4分別為BPSK、QPSK、16QAM和64QAM傳輸信號的信噪比閾值;B為每符號的平均比特?cái)?shù)(BPS)

PBPSK(r)、PQPSK(r)、P16QAM(r)以及 P64QAM(r)分別為4種調(diào)制方式在高斯信道中的BER性能函數(shù)，p(γ)表示Rayleigh衰落信道信噪比的BER;γ為瞬時(shí)信噪比，文獻(xiàn)［4］給出其表達(dá)式如下將式(1)～式(5)、式(7)和式(8)代入式(6)，分別得到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所示。

圖4 瑞利衰落下M進(jìn)制不同調(diào)制方式性能比較

本文采用的調(diào)制方式有:BPSK、QPSK、8PSK、方形16QAM和方形64QAM，利用瞬時(shí)信噪比SNR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)14≤SNR時(shí)，調(diào)制方式可為QPSK;當(dāng)16≤SNR時(shí)，調(diào)制方式可為8PSK;當(dāng)17≤SNR時(shí)，調(diào)制方式可為16QAM;當(dāng)20≤SNR時(shí)，調(diào)制方式可為64QAM。

其中SNR=14，16，17及20，分別為對應(yīng)于系統(tǒng)所需BER性能的 BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 傳輸信號瞬時(shí)信噪比的轉(zhuǎn)換閾值。由此可得，瑞利衰落下的速率自適應(yīng)圖是誤碼率為10－2時(shí)的速率自適應(yīng)，其階梯圖如圖5所示。

圖5 瑞利衰落下的速率自適應(yīng)調(diào)制編碼

從圖4和圖5可看出，在平坦瑞利衰落環(huán)境下的計(jì)算機(jī)仿真性與式(6)和式(7)得到的數(shù)值積分上限性能曲線一致，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0～20 dB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20 dB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性能將收斂于64QAM。

3 發(fā)射模式自適應(yīng)

3.1 差錯(cuò)控制編碼的基本原理

差錯(cuò)控制編碼的基本思想是:在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⑿蛄猩细郊由弦恍┍O(jiān)督碼元，這些多余的碼元與信息碼元之間，以某種確定的規(guī)則相關(guān)聯(lián)接收端按照既定的規(guī)則，檢驗(yàn)信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系。一但傳輸過程出現(xiàn)差錯(cuò)，則信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系將受到破壞，從而可發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，甚至糾正錯(cuò)誤［5］。

差錯(cuò)控制編碼常稱為糾錯(cuò)編碼。不同的編碼方法，有不同的檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，通常用多余度來衡量。例如，若編碼序列中每兩個(gè)信息碼元就添加一個(gè)監(jiān)督碼元，則這種編碼的多余度為1/3。或這種碼的編碼效率為2/3。設(shè)編碼序列中信息碼元數(shù)量為k，總碼元數(shù)量是n，則k/n就是碼率;而監(jiān)督碼元數(shù)n－k和信息碼元數(shù)k之比(n－k)/k稱為冗余度。

由糾錯(cuò)編碼原理可知，為減少接收錯(cuò)誤碼元數(shù)量，需要在發(fā)送信息碼元中加入監(jiān)督碼元。這樣做的結(jié)果是發(fā)送序列增長、冗余度增大。若仍需保持發(fā)送碼元速率不變，則傳輸速率必須增大，因而增大了系統(tǒng)帶寬。系統(tǒng)帶寬的增大將引起系統(tǒng)中噪聲的增大，使信噪比下降。信噪比的下降反而又使系統(tǒng)接受碼元序列中的錯(cuò)碼增多。一般來說，采用糾錯(cuò)編碼后，誤碼率總能得到大幅改善，改善的程度和所用的編碼有關(guān)。在本文中選取循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC(Cyclic Redundancy Check)。

3.2 加上糾錯(cuò)碼的不同調(diào)制方式仿真

在不同調(diào)制效率CRC編碼情況下的BPSK性能［6－8］，如圖 6 所示。

圖6 不同編碼效率的CRC碼的BER性能

由圖6可得出，11/15的CRC的性能比7/15的CRC差，7/15的CRC性能比3/15的CRC差，即編碼效率越高，性能越差。由圖6還可看出，7/15CRC的性能隨著信噪比的增大要比其他兩種惡化的快。例如，在誤碼率為10－1時(shí)，7/15的CRC與11/15的CRC相差了1.4 dB，而在誤碼率為10－6時(shí)相差了1.8 dB。更明顯的是，在誤碼率為10－2時(shí)，3/15的CRC與7/15的CRC性能相差了2.3 dB，而在誤碼率為10－6時(shí)只相差0.7 dB。這種情況是由于在低信噪比時(shí)超出了糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)能力而造成的，糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)能力取決于糾錯(cuò)碼的門限值。

在比較了不同速率的糾錯(cuò)碼后，本文又比較了在相同速率下不加糾錯(cuò)碼與加上糾錯(cuò)碼的誤碼率性能，如圖7所示。

圖7 相同速率下不加糾錯(cuò)碼與加糾錯(cuò)碼的性能比較

由圖7可以看出，BPSK的性能與QPSK+CRC的性能在不同SNR時(shí)表現(xiàn)不同。當(dāng)SNR較低，如在0～6 dB時(shí)，BPSK的性能優(yōu)于 QPSK+CRC，在 BER為10－2時(shí)，BPSK比應(yīng)用QPSK+CRC校驗(yàn)碼的性能要優(yōu)0.35 dB;當(dāng)SNR＞6 dB時(shí)，BPSK的性能比QPSK+CRC，BER為10－4時(shí)，應(yīng)用QPSK+CRC校驗(yàn)碼的性能比BPSK方式優(yōu)0.35 dB。造成這種情況的原因在于，當(dāng)?shù)托旁氡容^低時(shí)，QPSK解調(diào)過程會(huì)出現(xiàn)較多的誤碼，當(dāng)誤碼個(gè)數(shù)超出CRC碼糾錯(cuò)能力時(shí)，CRC解碼過程反而會(huì)產(chǎn)生更多的誤碼，因此BER性能較差。而在信道條件比較好，SNR較高時(shí)，解調(diào)過程中出現(xiàn)的大多分散的誤碼會(huì)在CRC解碼過程中得到校正，最終的BER會(huì)低于單純使用BPSK調(diào)制方式的BER性能。

根據(jù)BPSK和QPSK+CRC兩種發(fā)射方案性能的特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)一個(gè)AMC系統(tǒng)根據(jù)信道的時(shí)變特性來選擇發(fā)射方案。當(dāng)SNR較低時(shí)，使用BPSK發(fā)射方案，當(dāng)SNR＞6 dB時(shí)，選擇QPSK+CRC發(fā)射方案。這樣可保證系統(tǒng)始終以最優(yōu)的發(fā)射方案進(jìn)行發(fā)射。

為防止信道的SNR始終在6 dB附近徘徊時(shí)，系統(tǒng)頻繁地在兩種發(fā)射方案中進(jìn)行切換，給系統(tǒng)的收發(fā)過程帶來困難，在進(jìn)行發(fā)射方案判決的過程中為切換門限增加一段冗余。例如判決門限可選擇為:當(dāng)SNR從低升高到7 dB時(shí)，將發(fā)射方案由 BPSK切換到QPSK+CRC;當(dāng)SNR從高下降到5 dB時(shí)，將發(fā)射方案由QPSK+CRC切換到BPSK。這樣既能保證發(fā)射方案的優(yōu)化，又避免了在兩種發(fā)射方案中發(fā)生“乒乓切換”造成系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加重的情形。

4 結(jié)束語

文中分別分析了速率自適應(yīng)和發(fā)射模式自適應(yīng)，仿真調(diào)試的結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。其中對于高斯信道的自適應(yīng)和瑞利衰落下的自適應(yīng)來說，高斯信道下的性能要比瑞利衰落下的性能好，分析中體現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)制編碼的優(yōu)點(diǎn)，即自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)技術(shù)根據(jù)信道的情況確定當(dāng)前信道的容量，根據(jù)容量確定合適的調(diào)制和信道編碼方式等，從而最大限度地發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率。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)在保持較低誤碼率性能的同時(shí)，盡可能提高了系統(tǒng)傳輸速率的性能，使傳輸系統(tǒng)得到優(yōu)化。

［1］劉富芝，李建東，趙林靖.自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)及其性能分析［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2005(2):61 －62.

［2］Torrance JM，Hanzo L.Upper bound performance of adaptive modulation in a slow rayleigh fading channel［J］.Electronics Letters，1996，32(8):677 －686.

［3］Hanzo L，Wong CH，Yee M S.Adaptive wireless transceivers［M］.NZ USA:lEEE Press，2002.

［4］Proakis J G.Digital communications［M］.New York:MC －Graw Hill International Editions，1995.

［4］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［5］約翰·G·普羅克斯，馬蘇德·薩勒赫.現(xiàn)代通信系統(tǒng)－實(shí)用Matlab［M］.劉樹棠，譯.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

［6］李媚，楊鐵軍.快速時(shí)變信道中幾種自適應(yīng)信道估計(jì)算法的比較研究［J］.電子科技，2007(7):17 －19，35.

［7］李建新，劉乃安，劉繼平.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真—Matlab通信工具箱［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004.