自适应QAM调制OFDMA系统研究设计与仿真毕业论文

 2020-04-02 11:04

摘 要

移动通信在现代通讯系统中的重要性不言而喻,它在近十几年经历了飞速发展。随着通信技术的不断革新,我们也走在从4G到5G时代的路上,而正交频分多址接入技术(OFDMA)正是4G时代的移动通信技术的关键。

正交频分复用技术(OFDM),是一项实用有效的调制技术,是推动高速无线信息输送领域发展的关键技术。OFDM技术具有良好的抗多径干扰能力,并且它的频带利用率也较高,这就意味着它可以作为将来宽带无线系统的首选技术。OFDM的独到之处在于降低了符号间干扰,且频谱的利用效率高,在抗衡多径衰落上有显著效果。同时,也因为它的这种特点,很适合自适应技术的应用,可以通过采用合适的自适应技术进一步优化通讯系统。而OFDMA是OFDM的一种扩展,是在OFDM基础上多用户接入一种重要技术,它在4G时代中有无可替代的作用,因此学习研究与它相关的技术具有重要意义。

本文一开始介绍了移动通信的革新历程和正交频分复用技术的相关知识,之后进一步论述了OFDM原理和自适应调制算法,同时阐明了OFDMA系统相关的关键技术及其无线资源分配的基础概念、原理,并对自适应调制的OFDMA系统进行了介绍。本文的主要工作:学习并研究OFDMA的原理与自适应调制技术,研究自适应调制算法;仿真学习适用于OFDMA系统的自适应调制算法,研究QAM调制自适应算法在OFDMA系统上的应用。

关键词:OFDM;OFDMA;QAM;自适应调制技术;自适应调制算法

Abstract

The importance of mobile communications in modern communication systems is self-evident. It has experienced rapid development in the past decade or so. With the continuous innovation of communication technology, we are also on the road from the 4G to the 5G era. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) is the key to the mobile communication technology in the 4G era.

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a practical and effective modulation technology, and it is a key technology that promotes the development of high-speed wireless information transmission. OFDM technology has good resistance to multi-path interference, and its frequency band utilization is also high, which means that it can be used as the technology of choice for broadband wireless systems in the future. OFDM is unique in that it reduces inter-symbol interference and has a high spectrum utilization efficiency. It has a significant effect in countering multipath fading. At the same time, because of its characteristics, it is very suitable for the application of adaptive technology, and can further optimize the communication system by adopting appropriate adaptive technology. And OFDMA is an extension of OFDM. It is an important technology for multi-user access on the basis of OFDM. It has an irreplaceable role in the 4G era, so learning and researching its related technologies are of great significance.

At the beginning of this article, I introduced the development history of mobile communications and the related knowledge of orthogonal frequency division multiplexing technology. Then I discussed the principles of OFDM and adaptive modulation algorithms. At the same time, I explained the key technologies related to OFDMA systems and the basics of wireless resource allocation. Concepts, principles, and adaptive modulation OFDMA systems are introduced. The main work of this paper is to study and study the principle of OFDMA and adaptive modulation technology, and study the adaptive modulation algorithm. The adaptive modulation algorithm for OFDMA system is studied by simulation, and the application of QAM modulation algorithm in OFDMA system is studied.

Key Words:OFDM;OFDMA;QAM;Adaptive modulation technology;Adaptive modulation algorithm

目录

第1章 绪论 1

1.1 移动通信的发展历程 1

1.2 移动通信的关键技术 3

1.2.1 正交频分复用技术 3

1.2.2 链路自适应技术 4

1.3 本文研究内容 6

第2章 OFDMA系统及其关键技术 8

2.1 OFDM系统 8

2.1.1 OFDM系统原理 9

2.1.2 OFDM系统的关键技术 10

2.2 OFDMA系统 12

2.3 自适应调制技术 13

2.3.1 自适应调制与编码原理 13

2.3.2 自适应调制与编码相关参数 14

2.4 自适应调制方案 15

2.4.1 单用户自适应调制方案 15

2.4.2 多用户自适应调制方案 16

第3章 系统设计 18

3.1 系统整体模型 18

3.2 系统模块设计 19

3.2.1 发送模块 19

3.2.2 传输模块 20

3.2.3 信道估计模块 20

3.2.4 反馈模块 21

3.2.5 接收模块 21

3.3 自适应调制算法的应用 22

第4章 系统仿真 25

4.1 阈值判别算法仿真 25

4.2 OFDMA系统仿真 26

4.3 QAM自适应OFDMA系统仿真 27

第5章 总结 29

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

随着科技的持续发展,移动通信技术也在不停更新,无线通讯网络得到了突飞猛进的增长除经济利益和应用需求外,导致移动通信近年来快速增长的主要原因是电子工业和通信工程中新技术和新产品的不断出现以及计算机网络的迅速发展[1]。自移动通信问世以来,从若干个地区国家的不同标准到区域性国际标准,从仅有的话音业务到更加复杂的低速数据服务,移动通信技术经历了巨大的更新和优化。现在,移动通信的相关技术在不断创新,信息交互速度跨越式增长,与网络的结合也越来越紧密,资源利用率越来越高,以求优化用户体验,满足用户随时随地,与任何位置任何对象进行通信的要求。

1.1 移动通信的发展历程

自从蜂窝系统理论问世以来,移动通讯高速发展,历经了一、二、三、四代通信技术,目前正处于第四代通信技术阶段并在为实现向第五代通信技术的跨越而不懈努力。其中前四代通信技术已较为成熟,而第五代通信技术正处于研发热潮之中而且已经提出了一部分创新技术,很快将迎来第五代通信技术时代。

第一代通信技术(1G):1986年,首个移动通讯系统出现于芝加哥,利用模拟讯号传输信息,采用模拟方式的FM(调频)调制进行无线通信,将低频的语音信号(300Hz-3400Hz)移动到到频率较高的载波频率上。此外,1G的相关技术只能在的语音信号传输上使用,同时它的信息质量差、信号不稳定、覆盖地区也不够广泛。此外,也出现了其它多种形式,在澳洲、美洲以及亚太地区得到广泛应用,而当时中国的无线通信产业还未发展起来,相关1G技术在中国的研究也比较缓慢。1987年的广东第六届全运会上正式启用了蜂窝移动通讯系统,这才迎来了中国无线通讯飞速发展的时期。

第二代通信技术(2G):我国正式挥别1G,进入了2G的通讯时代,是在1995年中华电信的带领下,各种通信技术得以革新优化并愈发完善。从1G跨入2G,就是从模拟调制进入到数字调制。相比较,第二代通信技术在移动端的保密方面有了明显进步,也系统的容量成倍扩大,手机上的互联网技术在这时候也得以实现。新一代的语音信号品质进一步提高,对比1G新添了数据传输业务,其传输数据的速度为9.6-14.4Kbit/s。出现了许多新的实用服务,文字简讯也在这一时期出现。

1990年,欧洲地区出现了GSM(全球移动通信系统)系统,另外还有iDEN(集成数字增强型网络)、TDMA(时分多址)、CDMA(码分多址)。首款支持WAP(无线应用通讯协议)的GSM手机的问世,预示着手机应用网络服务时代的来临。但当时GSM的网络速度却十分低,只能达到9.6KB/s。同时,2G时代的来临,各方因为移动通信标准开始了争论, GSM最终成为使用最为全面的移动通信规制。当时几个主流网络制式如下:

GSM:全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication),如上文所述是当时使用最广的标准,相比于旧版,GSM语音信令和信道都是数字式的。

TDMA:时分多址(Time Division Multiple Access),它是一种基于时域的多址技术,它把时间分割成拥有周期规律的帧(Frame),每个帧再被分割成一定数量的时隙用来传输。基站可以在满足定时和同步的情况下,在不同时隙中提取不同移动端的信息,避免了互相之间的影响。而基站作为发送端时,它将向不同接收端发送的信息按顺序设置在提前确定的时隙中进行传送,接收端按照指定位置对时隙内信息进行接收,就可以从合并的信号中把所需信息提取出来。

CDMA:码分多址(Code Division Multiple Access),是另一种重要的无线通信技术。CDMA技术的原理与扩频技术相近,由扩频技术演进。传输过程中,它将需要发送的数据,用一个频带宽度相比待发信号大许多的伪随机序列码来调制,从而扩展原信息的频带宽度,再通过调制并输送出去。收信机采用同样的码序列进行解码,把接收到的宽带信号转变为频带较窄原始信号,从而完成通信。

第三代通信技术(3G):随着越来越多的用户使用移动网络,他需要再次革新优化。在此情况下,第3代移动通信网络应运而生,它包含许多新兴技术,满足了用户们对通信或者网络使用的更高要求。

在3G时代,出现了频带高和传输稳定的信息发送系统,视频电话和大量数据的传送更为常见,移动通讯的应用领域更加广泛。而与此同时支持3G网络的移动端产品也登上了舞台,苹果等公司都推出了许多性能强劲而功能强大的移动网络产品。

第四代通信技术(4G):第四代无线蜂窝电话通信协议,是在前代技术上的一个重大更新。它综合了3G的优势与WLAN(无线局域网)技术的长处,也实现了传输高清晰优质视频图像的功能。4G系统的网络速度又达新高,直追100Mbps,这在之前看来只是天方夜谭,同时,其上传数据的速率也达到了20Mbps。

2013年12月,工信部向三个主要通信运营方(移动、联通和电信)颁发了四代通讯业务的经营许可。至此,移动通讯互联网经过不断革新,其速率和性能已经实现了飞跃,并且还在前进的道路之上。如今4G网络已经成为现今产品的标准配置,并且已充分应用到各个领域,包括手机、平板等很多产品,种类也越来越多,具有通话功能并且支持4G网络的平板电脑也成为时代潮流,成为许多家庭的必备设备。

1.2 移动通信的关键技术

目前4G移动通信技术已较为成熟,并处于向5G时代跨越的过程中,而4G时期的一些技术仍会在无线通讯中发挥重要的作用,这些关键技术很大程度上解决了多径衰落和频率效率的问题。

1.2.1 正交频分复用技术

OFDM技术是一种特殊的多载波信息发送方案。它可以以复用的方式同时传送多个子载波带有的信息。OFDM将信道分成许多正交的子载波,使高速的穿行信号变为多个并行的速度较低的子信号,并在多个子载波上调制再发送。它应用离散傅里叶变换(DFT)及其逆变换(IDFT)产生多个互相正交的子载波并从这些载波恢复出原信息。快速傅里叶变换的使用,更是很大程度上简化了多载波信息发送系统。因此,OFDM技术是一种实用且高效的通信技术。初期,OFDM系统中为处理信息需要用到大批数字信号,复杂程度很高,但当时处理信息功能强大的电路元件并未出现,因此OFDM技术没有能够飞速的发展。通信系统在不断革新中集成化、数字化程度愈来愈高,人们对无线通讯的速率的渴求也更加迫切,OFDM技术最终被给予重视并得到了实现,今日这项技术已十分成熟并且还会愈发创新完善。

而OFDMA是OFDM的一种直接扩展应用[2]。OFDM系统中子载波是相对独立的,不同子载波可以设置不同的调制方法和载波功率电平,这就得到了供给不同用户使用的独立子信道。安排各个用户占用不同的单个子载波(或多个),就产生了一个全新的多址方式——OFDMA[3]。在OFDMA系统中,不同用户使用不同频带的子载波,每个用户的衰落参数都互不影响,因为信道的衰落对于不同用户不同情况下是有区别的,对于某个用户来说是低衰落的信道,可能在其他用户的传输时变成影响很大的信道。正因如此,某个信道对所有用户的衰落程度都很严重的情况很难存在。OFDMA系统可以给用户分配不同子载波信道,这样可以通过动态分配子信道让用户使用更加优良的子载波信道,从而充分利用频谱,有效地降低无线信道受到的干扰。

OFDM的主要优点有:

(1)带宽利用率很高

OFDM系统中各个子载波互相呈正交状态,因此频域下的OFDM子载波互有堆叠。频谱就相对单载波利用更加充分,也降低了各个子载波间的混扰。

(2)采用联合编码,有效抗衡抗衰落

OFDM使用信道的频率进行分集。当信道的衰落程度不高时,不用额外再使用时域均衡器。采用多信道联合编码的方式,增加了抗衰落的能力,进一步优化了系统。

(3)显著降低符号间干扰和突发性噪声

OFDM系统在传输信号时添加了保护间隔,能够防止多径衰落产生的干扰,因此它适用于多路径通信环境并使衰落信道中信息高速发送。

(4)支持动态比特分配方法

由于无线信道的频率选择性,每个子载波都陷入程度严重的衰落概率很低,这时能够采用动态子信道分配和比特分配的方法,将信道条件更好的子信道充分利用,使系统更加高效[4]

虽然OFDM系统在传输过程中拥有很多优势,但是也因OFDM子载波频带部分叠在一起,其发出的信息由多个子信道信息叠加而成的特点,对比它和单载波调制的系统,存在以下缺点:

(1)易受频率偏差影响

OFDM子信道各载波频谱互相有部分叠在一起,为正确解调,其各载波之间必须具有严谨的正交性。然而无线信道具有时变特性,信号的频率偏移常发生于传送信息的历程中,或者由于发送信息侧的载波频率与接收侧的本地振荡器的频率产生了偏移,都会损害系统子载波互相的正交性,从而不同用户子信道间的信号产生混扰,对频谱偏移误差的敏感正是正交频分复用技术的一项不足。

(2)存在较高的峰值平均功率比(PAPR)

OFDM系统中,因其时域信息数据是多个正交子信号相叠加的情况,其传输信号具有很大的PAPR,因此它的线性范围较普通系统更大,线性放大器也需要较大的动态范围。所以降低OFDM信号的PARA是OFDM技术中的一个困难的地方。对此,人们已经提出了一些解决方法,如:用部分发送序列加权,使用最小距离译码来识别具有高PAPR的码字,利用代数方法来消除大的峰值,对子载波进行差分编码,用多功率放大器和多传输天线等技术来减小PAPR等[5]

1.2.2 链路自适应技术

近些年来,无线通讯技术正快速向前进步,每年都有许多新兴技术问世。随着互联网技术的高速发展和用户对不同种类的多媒体实时业务渴求的增加,在不远的未来,无线通讯技术将结合数字信号处理技术、网络智能技术和射频技术等,提供多种多样的实用服务,以及愈加快速的信息传输。

与有线通信不同,无线通信因其动态特性而得到人们的重视和不断研究。这种特点包括信道参量随时间不同的时变性和信道传播信息的开放性,随之产生了信道频率选择性衰落和时变衰落。同样,用户的移动也会引起接收环境的复杂性。此外,随着移动业务的丰富多元化,不同用户的优先级,以及用户的应用和多媒体流量的变化等,都承载着众多变化[6]

这就导致了设计系统的过程更加复杂,如若使用固定技术,那么为了保证系统的可用性就必须依据最低的要求设计或采用信道性能较劣的情况。然而若信道情况优良,那么这种依据最差情况的设计将造成很大的资源浪费。因此,就要用到链路自适应的方法。链路自适应技术实际上是指当信道关于空间、时域或频率上发生改变时,自动为适应新情况调整相关参数的技术。其中,调整的参数包括发送信号功率、交织参数、调制方案、编码码率、符号速度等。自适应的调整这些参数,将使系统在信道条件优良的情况下维持较高速度下发送信号,当信道有很多干扰或噪声时增强信息的抗干扰能力,即鲁棒性,以保证信息的正确接收[7]

链路自适应技术能够满足不同业务的QoS(服务质量)要求,并进一步提高信息发送速率以及将频带更加充分地利用,提高系统容量和抗干扰性,使系统得到进一步优化。链路自适应技术是无线通讯系统中充分利用频带的重要手段,是当前移动通讯技术的核心技术之一。

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