無線通信中自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

劉先橋，楊 凡，阮定良，程 剛

（1.軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐某地區(qū)軍事代表室，重慶400030；2.重慶金美通信有限責(zé)任公司,重慶400030；3.重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶400044）

無線通信中自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

劉先橋1，楊 凡2，3，阮定良2，程 剛2

（1.軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐某地區(qū)軍事代表室，重慶400030；2.重慶金美通信有限責(zé)任公司,重慶400030；3.重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶400044）

簡要介紹了無線通信中自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向。采用分類對比的方法，重點(diǎn)介紹了不同的無線通信系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制的技術(shù)演進(jìn)，并對比分析了各個自適應(yīng)調(diào)制算法的性能特點(diǎn)和適用場景；結(jié)合無線通信發(fā)展的趨勢，闡述了自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)需要解決的核心問題，以期為無線鏈路的性能優(yōu)化提供解決思路，為高速率、低時延的無線通信系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

無線通信；自適應(yīng)調(diào)制；發(fā)展演進(jìn);高速率；低時延；參考設(shè)計

1 引言

移動通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，人們對傳輸數(shù)據(jù)率的追求也日益增加，提高系統(tǒng)的頻譜利用率成為當(dāng)前無線通信中的研究熱點(diǎn)。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)能夠充分利用無線信道的時變特性，極大提高系統(tǒng)性能，且算法易于實(shí)現(xiàn)，不增加硬件成本，被認(rèn)為是未來寬帶、高速通信的關(guān)鍵技術(shù)，因此，綜述無線通信系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展歷程，回顧自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的技術(shù)演進(jìn)具有非常重要的意義，特別是對目前存在自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用背景、技術(shù)要點(diǎn)和性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析，同時解析自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)，對以后的工程設(shè)計也具有參考價值。

2 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展歷程

2.1 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)回顧

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)發(fā)源于上世紀(jì)60年代2G通信的語音業(yè)務(wù)，最早由Gallager提出的高斯白噪聲(AWGN)下的注水算法可以看作是自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的萌芽。隨后，Hayes利用窄帶信道傳輸發(fā)送端傳輸參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)的自適應(yīng)傳輸。Caver在其基礎(chǔ)上又提出改變調(diào)制符號周期進(jìn)行自適應(yīng)傳輸?shù)姆椒?，最終建立了窄帶業(yè)務(wù)的自適應(yīng)傳輸理論。上世紀(jì)90年代，3G無線系統(tǒng)的應(yīng)用，高頻譜利用率的通信技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)重新引起了人們的關(guān)注。一方面，寬帶通信中QAM調(diào)制技術(shù)的提出極大的提高了頻譜利用率，主要代表技術(shù)有Webb和Steele提出的在移動環(huán)境變速率的QAM調(diào)制技術(shù)；另一方面，無線信道研究的深入也促使了人們對衰落信道下自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制探索，Torrance和Hanzo研究了切換調(diào)制方式時的最佳信噪比門限。此后，Goldsmith等人從理論上分析和研究了不同的信道信息對平坦衰落信道容量的影響，其中文獻(xiàn)[1]對收發(fā)端均已知CSI、僅發(fā)送端已知CSI和僅僅接收端已知CSI這三種典型情況的自適應(yīng)調(diào)制的信道容量進(jìn)行了理論分析。隨后，Goldsmith團(tuán)隊又從理論上研究了調(diào)制方式、功率、編碼方式等不同自適應(yīng)調(diào)制自由度及其不同組合對系統(tǒng)性能的影響，并提出了采用分集合并技術(shù)時的自適應(yīng)調(diào)制方案。最后，編碼技術(shù)與ARQ結(jié)合的技術(shù)也成為3G系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)研究的一個重要內(nèi)容。Goldsmith提出了自適應(yīng)調(diào)制與Turbo碼結(jié)合的自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)(AMC)，并與混合ARQ技術(shù)相結(jié)合設(shè)計了跨層方案。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)已經(jīng)部分在2G和3G標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用。表1總結(jié)了這些通信系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制的方法、幀格式表示法、信道反饋方法和能夠達(dá)到的峰值速率。

表1 2G和3G標(biāo)準(zhǔn)的分組數(shù)據(jù)服務(wù)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)總結(jié)[2]

2.2 自適應(yīng)調(diào)制現(xiàn)行技術(shù)

隨著4G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)主要應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)中，相較2G、3G無線通信系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)不僅在時域調(diào)整發(fā)送端參數(shù)，同時也可以在頻域根據(jù)不同子信道的傳輸特性，為子信道選擇合適的調(diào)制方式、發(fā)送功率及編碼方式等。近年來，形成了如下幾類主流算法：

2.2.1 OFDM自適應(yīng)調(diào)制的固定比特率算法

（1）Hughes-Hartos算法[3]

Hughes-Hartos采用數(shù)學(xué)中的貪婪算法，基本思想是將各個子信道的比特數(shù)目均設(shè)為0，然后將所有的待分配比特依次分配給相應(yīng)的子信道。每次分配時，首先找到增加1個比特時所需要增加的功率最小的子信道，然后將該子信道的比特數(shù)目增加1個。重復(fù)這個過程，直到分配的所有比特達(dá)到給定的目標(biāo)比特的要求。Hughes-Hartos算法復(fù)雜度高，實(shí)時性差，在快時變信道下，自適應(yīng)調(diào)制的頻譜利用率會受到影響。

（2）Chow算法[4]

PerterS.chow提出了一種近似于注水算法的次優(yōu)功率最小化自適應(yīng)比特分配算法，該算法適合于傳輸容量較大的ADSL系統(tǒng)，性能略低于Hughes-Hartos算法，但具有更快的收斂速度。Chow算法是根據(jù)各個子信道的信道容量來分配比特的。它的優(yōu)化目標(biāo)是在維持系統(tǒng)預(yù)期誤碼率的前提下，使系統(tǒng)的剩余余量最大。Chow算法根據(jù)各子信道容量進(jìn)行速率的分配，省去了大量的排序運(yùn)算。但是該算法由于信號功率與數(shù)據(jù)速率是正相關(guān)的，無法在多目標(biāo)規(guī)劃中到同時達(dá)傳輸容量和誤碼率的局部最優(yōu)。

（3）Fisher算法[5]

Fisher算法是在Chow算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的一種算法。它的優(yōu)化準(zhǔn)則是在維持恒定傳輸速率和給定總的發(fā)射功率的前提下，使系統(tǒng)的誤碼率性能達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)所有的子載波上的誤碼率相等時，系統(tǒng)的誤碼率最小。Fisher算法也是目前效率較高的算法之一，它避免了大量的排序和搜索運(yùn)算，實(shí)時性較高，特別適合于高速無線傳輸系統(tǒng)，且它的誤碼率性能與Chow算法相當(dāng)。

2.2.2 OFDM自適應(yīng)調(diào)制的變比特率算法

（1）B.S.Krongold算法[6]

B.S.Krongold算法是一種比較高效的比特分配算法。該算法采用了拉格朗日乘子法來得到理論的最優(yōu)結(jié)果，并采用二分法和查表的方法，來快速得到實(shí)際當(dāng)中最優(yōu)的比特和功率分配結(jié)果。算法中只用到了查表和簡單的除法運(yùn)算，便于實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。

（2）Yoshiki算法[7]

Yoshiki提出了一種基于SNR的分配算法，以及一種多級功率控制方案。該算法首先根據(jù)接收到的各個子信道的信噪比，為各個子信道指定最低階的調(diào)制方式或者不指定調(diào)制方式（表示該子信道不用）。然后增加比特，每次增加比特所需要功率最少的子信道增加比特，并計算剩余的功率，直到剩余的功率為0，系統(tǒng)的速率達(dá)到最大。

（3）Fasano算法[8]

Fasano提出了一種新的最優(yōu)分配算法。不同于以前的依次增加比特的算法，F(xiàn)asano的算法是首先給所有的子信道分配最大允許的比特數(shù)，然后依次在各個子信道減少比特，直到滿足速率或功率約束條件。該算法即可用于固定速率的系統(tǒng)，也可以用于變速率系統(tǒng)。Fasano利用擬陣?yán)碚?，證明了這種算法的最優(yōu)性。該算法中還考慮了實(shí)際當(dāng)中對子信道最大比特數(shù)和最大功率的限制。

2.2.3 OFDM自適應(yīng)調(diào)制的基于子帶劃分的分配算法

這類算法的主要特點(diǎn)是將子帶進(jìn)行分組，每個分組中的子信道分配相同數(shù)目的比特和功率。雖然這類算法性能不如以子信道為單位進(jìn)行分配的算法，但是這一類算法能夠有效的減小系統(tǒng)中用于傳遞自適應(yīng)調(diào)制信息的信令開銷，提高系統(tǒng)的吞吐量，且復(fù)雜度也相應(yīng)降低。該算法由Grunheid首先提出，根據(jù)每個子信道分組中的平均信噪比來確定該分組中子信道的比特數(shù)。隨后Forenza發(fā)展了這一技術(shù)，給出了平均誤分組率與每個子信道比特數(shù)的關(guān)系，并確定了滿足平均誤分組率的各個子信道的最大比特數(shù)。Yuanrun在Forenza的基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確了分組中子信道的比特數(shù)，進(jìn)一步完善了基于子帶劃分的分配算法。

2.2.4 現(xiàn)行OFDM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的比較

三類OFDM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用場景、算法復(fù)雜度、實(shí)時性等方面進(jìn)行了對比，對比結(jié)果如表2所示。

表2 OFDM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)類比

由表2可以看出，固定比特率的OFDM自適應(yīng)調(diào)制算法由于實(shí)時性差，適合于一般發(fā)送功率恒定的慢時變信道，變比特率的OFDM自適應(yīng)調(diào)制算法由于對發(fā)送功率和誤碼率進(jìn)行了約束，調(diào)制策略簡單導(dǎo)致算法的實(shí)時性更高，適合于快時變信道?；谧訋澐值淖赃m應(yīng)調(diào)制算法盡可能的減少了實(shí)際應(yīng)用中傳輸調(diào)制方式信令時所需的開銷，減少了算法的復(fù)雜度并提高了算法的實(shí)時性，適合當(dāng)前LTE/LTE-A的快時變信道類型。

3 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的趨勢及展望

無線通信越來越向高帶寬、低時延的趨勢發(fā)展，多載波通信就變成未來無線通信的主流方向，因此這對自適應(yīng)調(diào)制的實(shí)時性和算法的復(fù)雜度提出了更高的要求，更多的研究者也將注意力集中于以下幾個方面：

（1）在變速率的OFDM系統(tǒng)中，自適應(yīng)調(diào)制算法需要求取“基于分組的高效貪婪分配算法”的局部最優(yōu)解，并需要局部最優(yōu)解快速收斂。因此高效的貪婪分配最優(yōu)算法是解決快時變信道下低時延自適應(yīng)調(diào)制的關(guān)鍵技術(shù)；

（2）較低的信令開銷扁平化網(wǎng)絡(luò)的基本要求，針對未來無線通信，特別是5G無線通信系統(tǒng)中多節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流量巨大的特點(diǎn)，設(shè)計低開銷的反饋機(jī)制以及調(diào)制階數(shù)調(diào)整方案是面向未來自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的熱點(diǎn)問題；

（3）終端的高速移動是未來無線通信的方向，由此帶來的信道快時變性對自適應(yīng)調(diào)制性能影響較大，分析編碼對自適應(yīng)比特分配的影響，并將信道衰落、編碼增益和調(diào)整機(jī)制聯(lián)合起來優(yōu)化設(shè)計，有利于解決高速移動下無線通信自適應(yīng)調(diào)制的低頻譜利用率的問題。

4 結(jié)束語

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)是無線通信中保證高數(shù)據(jù)速率和穩(wěn)定通信的重要手段，在2G/3G/4G無線通信系統(tǒng)中，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)也隨著技術(shù)手段、硬件條件和業(yè)務(wù)需要不斷深入發(fā)展?；仡櫫俗赃m應(yīng)調(diào)制技術(shù)在無線通信發(fā)展各個時期的技術(shù)演進(jìn)和性能特點(diǎn)，綜述了當(dāng)前關(guān)于自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的研究進(jìn)展，并展望了未來無線通信中自適應(yīng)調(diào)制發(fā)展的幾個方向，相關(guān)結(jié)論可為后續(xù)研究提供參考。

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Situations and Developments of Adaptive Modulation in Wireless Communications

Liu Xianqiao1,Yang Fan2,3,Ruan Dingliang2,Cheng Gang2
（1.Commission of Equipment Development Department,Military representatives Bureau in XX of Communication Department of PLA General Staff，Chongqing 400030,China；2.Chongqing Jinmei Communication Co.， Ltd.，Chongqing 400030,China；3.The College of Communication Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China）

The history,situation and development of adaptive modulation are introduced.A comprehensive survey on the evolution of performance of adaptive modulation is made,and an analysis on the application scenarios is also provided.With the trends of wireless communications,the key problems in adaptive modulation are summarized in order to provide solvement for improving performance in wireless link and promote the design of the wireless communications system with high data rate and low delay.

Wireless communications；Adaptive modulation； Development and evolution；High data rate；Low delay； Reference design

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.008

TN929.5

A

1002-2279-（2017）03-0034-04

劉先橋(1978-),男，山東省鄆城市人，碩士研究生，工程師，主研方向：無線通信，圖像處理。

楊 凡（1983-），男，湖北省廣水市人，博士研究生，工程師，主研方向：寬帶無線通信。

2016-07-20