自适应调制技术及其性能分析

摘要：介绍自适应调制技术的原理、帧格式的设计，给出调制方式的选取与转换准则；通过数值积分和仿真的方法分析了自适应调制系统在平坦瑞利衰落信道下的性能，并与固定调制方式系统进行了比较。仿真结果表明，自适应调制系统能够获得较高的系统容量，而系统的误比特率也可以保持在较低的水平。

　　关键词：自适应调制 平坦瑞利衰落 BER BPS

　　陆地移动通信中无线信号受到多径效应的作用会产生严重的幅度衰落和时延扩展，造成误比特率性能恶化。克服幅度衰落的一种方法是增加发射功率，加大幅度余量；另一种方法是降低无线信道中的比特传输速率，而比特传输速率的降低会降低频谱利用率，即降低了系统的容量。一种较理想的方法是根据信道随机变好时，用较高的速率传输；信道条件差时，降低传输速率。这种方法可变速率调制或自适应调制，可在系统容量和系统误码性能两方面都达到令人满意的程度。



　　自适应调制可以分为慢速自适应调制和快速自适应调制。慢速自适应调制中调制方式地变化速率相对较低，连续使用到本次传输结果或本次会话结束；快速自适应调制中的调制方式根据每个时隙的瞬时信道状况自适应地变化。本文主要研究基于突发的快速自适应调制技术，每次突发的数据根据信道质量的不同采用不同的调制方式。另外，自适应调制技术还可以根据传输数据的类型控制业务质量，补偿信道衰落的影响以及提高系统频谱利用率从而提高系统的容量。

　　1 系统模型

　　1．1 自适应调制系统原理

　　自适应调制系统的基本原理是：发射机根据当前信道质量情况的反馈信息选定最优的调制方式进行数据传输，其原理框图如图1所示。



　　在接收端，接收机首先对无线衰落信道特性进行估计，包括衰落幅度、信噪比和时延扩展等，根据测量结果对接收的数据进行衰落补偿或基带均衡，提取调制方式后解调数据，再解码后输出；同时将信道测量结果告知调制方式转换模块，调制方式转换模块根据测量到的信道特性，按照一定的算法选择适当的调制方式，并告知发射机调整调制方式。

　　为了比较精确地反馈信道的瞬时特性，考虑采用时分双工TDD方式和TDMA多址接入技术，可以保持上、下行链路的衰落相关性，利用本地时隙的信道估计值作为下一时隙的发送数据调制方式的选择依据。很明显这样做在时间上相差一个发送周期，而且由于上下行信道的不对称性，对信道的估计会有一定的误差。但是只要信号的传输速率足够快，使数据帧周期远远小于衰落周期，那么在几个数据帧暑期内，可以认为信道衰落变化不大，采取上述方法进行信道估计是可行的。

　　1．2 自适应调制系统的帧格式

　　自适应调制系统中，为了能使接收机正确地解调数据，合理的帧结构设计是必要的。如图2所示为一种基于TDMA/TDD的突发自适应调制系统的帧结构，每个突发时隙由头尾比特、数据码元部分（DATA1和DATA2）、引导码元（P）、调制参数估计字（W）和信道估计字（CE）组成。



　　其中头尾比特用于同步、定时和保护；引导码元P用于衰落补偿；调制参数估计字W为8位Walsh码，用于传输调制方式信息，接收端利用该信息进行解调；信道估计字CE为训练序列，用于信道估计。调制参数估计字W对自适应调制系统是至关重要的，它的错误将引起解调失败，这里选择正交性较好的Walsh码。

　　另外，由于信道的衰落特性，帧长度的选择对调制系统的性能也有很大的影响，最佳的帧长度应该使整个帧中每个时隙传输期间的信道变化不明显，这与移动台的速度有关。

　　2 平坦瑞利衰落环境下自适应调制系统的性能分析以及仿真结果

　　2．1 自适应调制系统根据接收机对当前时隙的信道质量估计，推测下一个传输时隙的信道质量，并根据瞬时信道质量情况为下一个时隙的传输选择满足一定系统性能最合适的调制方式。调制方式的转换准则是，使系统在保持一定的目标误比特率（BER）的条件下，获得较高的每码元比特数（BPS）性能。这样当系统码元速率不变时，可以提高系统的比特速率，获得较高的系统通过量。

　　本文采用四种可选的调制方式：BPSK、QPSK、方形16QAM和方形64QAM，利用瞬时信噪比γ作为信道质量的衡量指标。自适应调制参数的选择规则为：

　　当l1≤γ
　　当l2≤γ
　　当l3≤γ
　　当γ≥l4时，调制方式为64QAM。

　　其中l1、l2、l3及l4分别为对应于系统所需要的BER性能的BPSK、QPSK、16QAM和64QAM传输信号瞬时信噪比的转换阈值。

　　通常，通信业务都有一定的误比特率要求，不同的业务误比特率的门限BERth不同，调制方式的转换阈值也不同。给定系统的BERth后，就可以根据每种调制方式的BER曲线确定调制方式的转换阈值。当TDMA/TDD时隙长度很短时，一个时隙内的衰落几乎不变，因此每个时隙的BER性能可以通过静态条件下的BER性能来估计。

　　对于BPSK、QPSK、16QAM和64QAM调制，在高斯信道下的BER性能函数分别为：




　　其静态BER性能曲线分别如图3所示。假设系统所需要的BER门限BERth=10 -2时，根据图3，满足BERth=10 -2的l1、l2、l3和l4的值分别选择为l1=4dB、l2=8dB、l3=14dB和l4=20dB。

　　2．2 平坦瑞利衰落环境下自适应调制系统的性能分析

　　文献给出了在Rayleigh衰落信道环境下利用数值积分得出的自适应调制系统的近似上界BER性能：



　　其中，γ为信道的平均信噪比，l1、l2、l3及l4分别为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM传输信号的信噪比阈值，B为每符号的平均比特数（BPS），B值可以由下式给出：



　　PBPSK（γ）、PQPSK（γ）、P16QAM（γ）以及P64QAM（γ）分别为四种调制方式在高斯信道中的BER性能函数（（1）～（5）式），p(γ)表示Rayleigh衰落信道信噪比的PDF，γ为瞬时信噪比，文献给出其表达式如下：



　　将（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（7）和（8）式代入（6）式，分别取l1=-∞和l2=l3=l4=∞，l2=l3=l4=∞，l1=l2=-∞和l3=l4=∞，l1=l2=l3=-∞和l4=∞以及l1=l2=l3=l4=-∞(dB，下同)，并对（6）式进行积分，得到BPSK、QPSK、16QAM和64QAM在平坦Rayleigh衰落信道环境下的数值积分近似上限BER性能，如图4（a）所示。

　　分别取①l1=∞、l2=8dB、l3=14dB和l4=20dB，②l1=4dB、l2=8dB、l3=14dB和l4=20dB作为自适应调制系统的调制方式切换电平，分别对（6）式和（7）式进行积分，得到平坦Rayleigh衰落信道环境下自适应调制系统的数值积分近似上限BER性能和BPS性能曲线（其中4dB、8dB、14dB和20dB分别对应于高斯信道下BER性能为0.01的BPSK、QPSK、16QAM和64QAM的调制方式），如图4（a）、（b）所示。图中曲线①表示在没有传输中断情况下自适应系统性能，曲线②是在γ没有传输中断情况下的自适应系统性能（在信道条件较差时关闭传输，可以减少由于误比特率较大引起的重传次数）。另外，在第②中自自应情况下系统会有一定的中断率。

　　2．3 仿真结果及分析

　　在平坦Rayleigh衰落信道环境下，分别对BPSK、QPSK、16QAM和64QAM固定调制以及上述的①、②两种自适应调制系统进行仿真，得到仿真BER性能和BPS性能，如图4（a）、（b）所示。其中QPSK、16QAM和64QAM调制均采用格雷编码，假设接收机进行正确的频偏估计和信道参数估计，瞬时信噪比服从（8）式分布。



　　从图4可以看出，在平坦瑞利衰落环境下的计算机仿真性与式（6）、（7）得到的数值积分 上限性能曲线是一致的，并且在图中的整个信道比范围内，自适应调制系统的BER性能优于QPSK的性能。在0～20dB范围内的BER性能优于BPSK性能，这是由于信道瞬时信噪比的增加，使得BPS性能提高，引起BER性能改善。当信道平均信噪比为20dB时，自适应调制的BER性能近似BPSK性能，而BPS性能约为BPSK系统性能的4倍。当信道平均信噪比增大时，自适应调制系统的BER和BPS性能将会收敛于64QAM。

　　自适应调制技术是自适应无线传输的一种，也是未来无线通信的一种关键技术。自适应调制可以通过改变调制方式来适合不同系统的传输质量需求，从而优化系统的性能。本文的分析和仿真表明，根据信道的优劣情况进行自适应调制的系统在保持较低的BEP性能的同时，尽可能提高了系统的BPS性能，从而使传输系统得到优化。
作者：刘富芝 李建东 赵林靖    来源：电子技术应用