VSF-OFCDM无线通信中基于信道检测的位加载算法

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 1.41MB 56 页 15积分

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第一章绪论

摘要

随着视频、音频和数据业务的快速增长以及移动便携设备的普及，尽管中国至

今尚未正式颁发3G业务牌照，但是3G无线通信系统已经不能满足可预见的宽带多媒

体通信业务的需求；因此，中国有可能实现跳跃式升级，从现在的2G/2.5G无线通

信系统直接跨越到4G无线通信系统。在4G无线通信系统的多址方式中，正交频分复

用(OFDM)是最为合适的多址接入方案，在调制方式中，多载波码分多址（MC-

CDMA）和正交频分复用时分多址（OFDM-TDMA）是最可能采用的两种形式。可变扩

频因子正交频率码分复用（VSF-OFCDM）是在MC-CDMA的基础上发展起来的多载波通

信与多址接入两者统一的方案。这一方案结合了可变因子扩频、多载波码分复用及

正交频分复用，适用于无线链路状况波动较大、数据传输率高、系统容量大的宽带

多媒体无线通信。基于VSF-OFCDM的无线通信系统涉及众多的复杂技术，包括正交

频分复用、码分复用、可变因子扩频通信、编码、交织、自适应调制、信道检测、

符号同步、自适应跳频、频谱效率、资源分配、位加载算法等等。目前，关于

OFDM的理论以及基于OFDM的应用都取得了显著的进展；然而，这些进展大都限于

OFDM领域，没有将CDMA以及可变扩频因子扩频通信相结合。

本课题对VSF-OFCDM无线通信中的动态带宽分配、功率调节和比特联合分配位

加载算法进行了试探性研究。根据无线信道的瞬时特性以及无线传输服务的特点，

在信息传输符号周期内为各业务优化分配子载波，为各子载波优化分配功率和信息

比特数是本课题的重点。提出了基于信道检测及面向业务的子载波、比特和功率联

合分配位加载算法。建立了模块化、参数化、交互式的VSF-OFCDM无线通信系统动

态仿真模型；模拟了数据、多媒体、视频会议综合业务通信；通过该模型对不同的

无线链路状况、不同的业务组合进行了仿真和性能分析；特别地，对本课题提出的

基于信道检测及面向业务的联合位加载算法进行了全方位的仿真和性能分析。由于

VSF-OFCDM无线通信系统对时间偏移和频率偏移非常敏感，对无线信道精密检测模

块的分析和设计也是本课题的要点。

本课题的创新之处在于提出了面向业务的子载波分配思想，并以这一思想为指

导，设计了基于信道检测及面向业务的子载波、比特和功率分配联合位加载算法。

仿真结果表明，算法在VSF-OFCDM高速率综合业务无线通信中稳定可靠、性能良好

若将本课题的成果应用于精密仪器间通信，则能使仪器的使用环境更广泛，使精密

仪器在非常恶劣的环境中也能保证可靠通信，本课题的成果在工业检测和质量控制

等方面都有较大的应用前景。

关键词：正交频分复用码分复用可变扩频因子位加载

ABSTRACT

With the rapid growth of video、audio and data services, and with the popularity of

mobile portable devices, the 3G wireless communication system can no longer be able

to sustain the foreseeable de m a nd in multimed i a communica tion , although C hi n a has

n o t y e t i s s u e d 3 G s e r v i c e l i c e n s e . S o C h i n a m a y b e a b l e t o u p g r a d e i t s w i r e l e s s

VSF-OFCDM 无线通信中基于信道检测的位加载算法

c o m m u n i c a t i o n i n f r a s t r u c t u r e s f r o m 2 G/ 2 . 5 G t o 4 G i n a j u m p i n g m a n n e r . A m o n g

various wireless access methods in 4G wireless communication system, OFDM is the

m o s t f a v o r a b l e o n e . A m o n g d i f f e r e n t k i n d s o f m o d u l a t i o n m e t h o d s i n 4 G w i r e l e s s

communication system, MC-CDMA and OFDM-TDMA are the most possible ones. AS

a combination of multi-carrier communication and multiple accesses, an integration of

O F D M , Va r i a b l e S p r e a d i n g F a c t o r a n d C D M A , M C - C D M A b a s e d V S F - O F C D M i s

s u i t a b l e f o r b r o a d b a n d m u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n w h e r e s t a t u s o f w i r e l e s s l i n k i s

unstable, data rate is high and system capacity is huge. Lots of complex techniques are

involved in VSF-OFCDM, such as OFDM, CDMA, Variable Spreading Factor, Coding,

Interleaving, Adaptive Modulation, Channel Detection, Symbol Synchronization,

A d a p t i v e F r e q u e n c y H o p p i n g , F r e q u e n c y E f f i c i e n c y , R e s o u r c e A l l o c a t i o n a n d B i t

Loading Algorithm. Great achievements have been made both in theory and application

of OFDM. Yet most of them are confined in OFDM, with less consideration of CDMA

and Variable Spreading Factor.

T h e r e s e a r c h h e r e i n i s a t e n t a t i v e s t u d y o f B i t L o a d i n g A l g o r i t h m w i t h j o i n t

allocation of subcarriers, Bits and Power in VSF-OFCDM wireless communication. The

main task of the research lies in how to optimize the allocation of subcarriers, bits and

power for each service in the period of transmitting symbol according to the instant

channel status and service characteristics. A simulation model of VSF-OFCDM wireless

c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s b u i l t w i t h m o d u l a r b l o c k s , d y n a m i c p a r a m e t e r s a n d

i n t e r a c t i v e i n t e r f a c e s , w h i c h s i m u l a t e s i n t e g r a t e d c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s i n c l u d i n g

v i d e o , a u d i o a n d d a t a , f a c i l i t a t i n g t h e s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s o f v a r i o u s s t a t u s o f

w i r e l e s s l i n k a n d c o m b i n a t i o n o f v a r i o u s s e r v i c e s . , a n d e s p e c i a l l y f o r t h a t o f t h e

c h a n n e l d e t e c t i o n b a s e d a n d o b j e c t - o r i e n t e d a l g o r i t h m p r o p o s e d h e r e i n . S i n c e V S F -

O F C D M w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s e x t r e m e l y s e n s i t i v e t o t i m e s h i f t a n d

f r e q u e n c y s h i f t, t h e r e s e a r c h a l s o s t r e ss e s t h e a n a l y si s a n d d e s i gn o f pr e ci s e c h a n n e l

detection module.

The originality of the research is the thought of service-oriented subcarrier

a l l o c a t i o n , w h i c h l e a d s t o t h e B i t L o a d i n g A l g o r i t h m w i t h j o i n t a l l o c a t i o n o f

subcarriers, Bits and Power. The algorithm is stable and performs well as tested by the

s i m u l a t i o n r e s u l t s . If t h e a c h i e v e m e n t h e r e i n b e a p p l i e d i n c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n

pre cisi on in s tru men ts, the y w o ul d be us a ble in mo re c om p le x si tua t io n s , and rel iab le

c o m m u n i c a t i o n c a n b e g u a r a n t e e d, e v e n i n s o m e v e r y a t r o c i o u s o n e s .

Its’ foreground in industrial detection and quality control is remarkable.

Key Word：OFDM, CDMA, Variable Spreading Factor, Bits Loading

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.......................................................1

§1.1课题的提出.................................................1

§1.2课题的主要研究内容.........................................1

§1.3课题的实现方案.............................................2

第一章绪论

§1.4 VSF-OFCDM及其位加载算法在国内外的研究发展现状.............2

第二章可变扩频因子正交频率码分复用基本原理.......................3

§2.1 OFDM、扩频通信、CDMA......................................3

§2.2 MC-CDMA原理...............................................7

§2.3 VSF-OFCDM原理............................................10

§2.4 VSF-OFCDM符号............................................13

第三章 VSF-OFCDM无线通信信道检测与符号同步.......................15

§3.1 VSF-OFCDM无线通信信道检测................................15

§3.2 VSF-OFCDM无线通信时间同步................................17

§3.3 VSF-OFCDM无线通信频率同步................................18

§3.4 VSF-OFCDM无线通信时间和频率联合同步......................18

第四章 VSF-OFCDM无线通信位加载算法...............................19

§4.1并行离散高斯信道..........................................19

§4.2 VSF-OFCDM无线通信功率分配................................20

§4.3 VSF-OFCDM无线通信位加载准则..............................22

§4.4 OFDM位加载算法...........................................23

§4.5 面向业务的子载波、功率和比特联合分配位加载算法...........28

第五章 VSF-OFCDM无线通信系统建模与仿真...........................31

§5.1仿真模型与仿真方法........................................31

§5.2 VSF-OFCDM无线通信系统建模................................32

§5.3 VSF-OFCDM无线通信位加载算法仿真与性能分析................44

第六章总结与展望................................................47

参考文献.........................................................48

附录.............................................................51

第一章绪论

1.1 课题的提出

宽带无线多媒体业务包括视频通信、移动电视、互动电视、实时视频报道、数

字音频广播、移动电子商务、大数据文件传输和交互式3D游戏等。宽带无线多媒

体业务是数据、文本、图形、图像、声音和视频等多种无线业务的综合；其特点是

内容具有集成性，传输一般要求实时和有一定程度的交互性，且传输速率高。由于

宽带无线多媒体通信在传输质量和速率方面比传统的语音和低速数据通信有更高的

要求，加之所需系统容量巨大，以CDMA技术为核心的第三代无线通信系统将不能

满足未来的宽带多媒体应用。在无线通信中，由于无线信道一般存在多条传播路径

不同的传播路径往往具有不同的时变延迟和时变衰减，使无线信道具有时间色散性

和频率选择性。这给宽带无线通信带来困难。功率、带宽和数据传输速率三者是相

互制约的。为了在功率和带宽有限的条件下实现高数据传输速率，必须采用复杂的

编码技术、调制技术、脉冲成形技术、同步技术、信道检测技术、差错控制技术、

VSF-OFCDM 无线通信中基于信道检测的位加载算法

复用技术等。因此，通信领域中传输速率、带宽和功率之间永恒的关系在新的需求

下需要更完美的平衡。这是提出本课题的背景和动因。

1.2 课题的主要研究内容

1.2.1 可变扩频因子正交频率码分复用VSF-OFCDM

正交频分复用(OFDM)是一种多载波通信方案，各并行正交子载波间频率有重

叠，载波之间频谱理论上是最紧密的，能极大地提高频谱利用率；各子载波分别传

输信息的一部分，符号周期较长；通过添加循环前缀的方法可以有效的减少多径效

应带来的影响，能有效地抑制ISI；通过动态分配各子信道数据速率和功率的方法

可以充分利用频率选择性无线信道、提高抗窄带干扰的能力；通过根据信道条件采

用自适应调制和动态位加载算法可以保证高速数据传输。OFDM非常适用于多径和

频率选择性衰落信道中的高速数据传输，是实现高速无线数据传输的主流物理层技

术之一。鉴于CDMA和OFDM的特点和优点，以及未来宽带多媒体应用大容量、

高速据传输率的要求，CDMA 与OFDM结合与优势互补已成为无线通信领域研究

的热点。已经提出的结合方式包括MC-CDMA、MC-DS-CDMA、MT-CDMA。可

变扩频因子正交频率码分复用VSF-OFCDM是在MC-CDMA的基础上发展起来的最

新多载波通信方案。这一方案结合了可变扩频、多载波码分复用及正交频分复用，

适用于无线链路状况波动较大、数据传输率高、系统容量大的综合业务无线通信系

统。VSF-OFCDM无线通信的应用前景非常可观。

1.2.2 无线通信系统资源与位加载算法

无线通信系统资源表现为频率和功率。根据仙农定理，信道容量可以表示为：

，，因此功率和带宽之间的关系为：

，可见增加功率可以换取带宽，增加带宽不能无限制地换取

功率。无线通信设备、尤其是移动通信设备往往是便携式设备或嵌入式设备，对低

功率的追求是必然的；因此无线通信系统资源更确切地表现为频率资源[1]。

VSF-OFCDM无线通信中，无线信道按频率划分为等频率间隔的子信道，各子

信道上的载波相互正交；当子载波数量足够大时，系统的频带利用率接近奈奎斯特

极限，系统频率利用率可以得到保证。因此，在保证信道正交划分的前提下，根据

各业务的数据速率要求和功率限制对信道进行二次划分，使系统频率资源充分利用

且总功率最小，就达到了无线通信系统资源的最优分配。这里的二次划分具体体现

为位加载算法——在符号周期内为子载波分配最佳比特数。考虑到宽带多媒体业务

的特点以及VSF-OFCDM无线通信的频率小粒度划分特性，本课题提出了面向业务

的子载波分配思想，即以业务为主导在符号周期内统筹划分子载波，并以这一思想

为指导，设计了基于信道检测及面向业务的子载波、比特和功率联合分配位加载算

法，对算法进行了验证和性能分析。

1.3 课题的实现方案

VSF-OFCDM无线通信的系统级设计和算法设计可以采用DSP和FPGA以硬件化

实现的方式相结合。系统的上层控制部分通过可编程数字信号处理器（PDSP）实

现，系统的数据信号处理算法部分通过FPGA实现。其中PDSP部分可以在Matlab

及开发工具提供的系统级集成环境下完成，包括设计、仿真、目标代码生成、调试

和运行；FPGA部分可以利用硬件描述语言VHDL或Verilog通过可编程器件完成。

第一章绪论

整个通信系统表现为一个多级数字信号处理系统，为本课题从理论到应用的过渡提

供一种最合适的解决方案[2, 3]。

1.4 VSF-OFCDM及其位加载算法在国内外的研究发展现状

OFDM是4G系统最为合适的多址方案，目前的研究进展表明OFDM是将来4G系

统最有可能采用的多址方式。日本NTT DoCoMo公司提出的4G移动系统方案的无

线接入方式为：VSF-OFCDM，已在室内环境成功进行了上行20Mbps，下行

100Mbps的传输试验。在位加载算法方面，无论是面向单用户的位加载算法还是面

向多用户的位加载算法，都以子载波静态分配为前提，而且扩频因子是固定不变的

因此适于VSF-OFCDM的位加载算法需要重新设计。

VSF-OFCDM 无线通信中基于信道检测的位加载算法

第二章可变扩频因子正交频率码分复用基本原理

2.1 OFDM、扩频通信、CDMA

2.1.1 OFDM原理

OFDM是多载波调制的一种，同时也是一种频率复用技术。在OFDM系统中，

基带信息数据流经过串并缓存、编码后被分成N路并行数据流，子数据流速率为原

数据流速率的1/N；各子数据流进行正交调制后，经射频放大再发射，这样各子数

据流分别在各子信道上以窄带传输方式并行传输；接收端接收到的信号为各子数据

流的正交叠加，经过正交解调、解码、并串转换后可恢复原始基带信息数据流。其

原理如图2-1所示。由于各子数据流速率远低于原始基带信息数据流，符号周期延

长了N倍，并远大于无线信道的最大多径时延扩展，信号带宽远小于信道的相关带

宽，因此通过插入循环前缀可以完全消除符号间干扰(ISI)，而不必使用均衡器。由

于各子信道的载波相互正交，因此在波间相互干扰减小了、同时提高了频谱利用率

图2-1 OFDM原理框图

OFDM关键技术包括：基带信息编码、调制、交织，串并转换及数据缓存，基

带信息编码参数信息的可靠传输，导频插入与训练序列，子数据流正交调制，循环

前缀，正交调制信号射频放大，无线通信信道实时检测，时间同步、频率同步，接

无线信道

加

循

环

前

缀

并串

转换、

解码

解调

编码

调制、

串并

缓存 IFFT

检测

判决

去

循

环

前

缀FFT

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第一章绪论摘要随着视频、音频和数据业务的快速增长以及移动便携设备的普及，尽管中国至今尚未正式颁发3G业务牌照，但是3G无线通信系统已经不能满足可预见的宽带多媒体通信业务的需求；因此，中国有可能实现跳跃式升级，从现在的2G/2.5G无线通信系统直接跨越到4G无线通信系统。在4G无线通信系统的多址方式中，正交频分复用(OFDM)是最为合适的多址接入方案，在调制方式中，多载波码分多址（MC-CDMA）和正交频分复用时分多址（OFDM-TDMA）是最可能采用的两种形式。可变扩频因子正交频率码分复用（VSF-OFCDM）是在MC-CDMA的基础上发展起来的多载波通信与多址接入两者统一的方案。这一方案结合...

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