OFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)分析

栗雅清

（南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211100）

0 引 言

無(wú)線通信的誕生豐富了人們的交流方式，讓人們之間的交流不再受地域、時(shí)間的限制，隨時(shí)隨地暢聊無(wú)阻。正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其應(yīng)用特點(diǎn)十分顯著，尤其是靈活的調(diào)制方式和超強(qiáng)的抗多徑干擾能力，是第四代無(wú)線通信系統(tǒng)中不可替代的一項(xiàng)技術(shù)。自適應(yīng)提調(diào)制與編碼技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用，它可以結(jié)合信道狀態(tài)信息，自動(dòng)選擇與之狀態(tài)相符的調(diào)制與編碼方案，進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)吞吐量，促使目標(biāo)誤幀率得到了有效保障。近年來(lái)，隨著我國(guó)信息技術(shù)不斷飛速發(fā)展，無(wú)線通信用戶的數(shù)量呈逐年遞增發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的承載量提出了更高的要求。在OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)，是下一代通信網(wǎng)絡(luò)必然的發(fā)展趨勢(shì)，可以有效提高傳輸速率，全面保證了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

1 OFDM概述

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種高速傳輸技術(shù)，對(duì)符號(hào)間的干擾具有較強(qiáng)的對(duì)抗作用。該項(xiàng)技術(shù)與頻分多路復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）有異曲同工之妙，兩者的基本原理十分相似。

OFDM對(duì)控制方法進(jìn)行了高效利用，進(jìn)一步提高了頻譜的利用效率[1]。此外，OFDM有著較強(qiáng)的特殊性，通過(guò)利用多載波傳輸，可以將原本整體的數(shù)據(jù)流進(jìn)行有效分解，從而形成多個(gè)子數(shù)據(jù)流。這樣一來(lái)可以讓原本比較高的比特速率通過(guò)分解而降低，而極低的比特速率會(huì)形成多狀態(tài)且低速率的符號(hào)，從而對(duì)相應(yīng)的子載波加以調(diào)制，進(jìn)而構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳統(tǒng)系統(tǒng)。多載波調(diào)制是OFDM最早的雛形，也就是說(shuō)OFDM是在其基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。多載波調(diào)制的特點(diǎn)是各子載波相互正交，可以讓擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜實(shí)現(xiàn)相互重疊，這樣一來(lái)頻譜的利用效率得以大幅提升，同時(shí)對(duì)子載波間的干擾還有著很好的對(duì)抗作用[2]。OFDM 將不同路徑的窄帶信號(hào)擴(kuò)展成一個(gè)寬帶信號(hào)的示例如圖1所示。

圖1 OFDM將不同路徑的窄帶信號(hào)擴(kuò)展成一個(gè)寬帶信號(hào)

2 自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)

OFDM系統(tǒng)中的每個(gè)子載波會(huì)在無(wú)線通信環(huán)境下發(fā)生不同的衰落，以往單一固定的調(diào)制編碼方案對(duì)于信道狀況較差的子載波通常利用OFDM系統(tǒng)采用較高階調(diào)制編碼方式進(jìn)行調(diào)制，這樣一來(lái)會(huì)增大系統(tǒng)的誤幀率和誤比特率。與之相反，如果子載波的信道狀況較好，調(diào)制編碼方案則是以低階調(diào)制為主，這樣一來(lái)大大降低了OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率。對(duì)于該問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)可以有效解決。OFDM 系統(tǒng)中子載波的頻譜如圖2所示。

圖2 OFDM系統(tǒng)中子載波的頻譜

2.1 子載波分組

在OFDM系統(tǒng)中，不同子載波的信道狀況也不盡相同，如果采用統(tǒng)一的調(diào)制編碼方案，則會(huì)造成系統(tǒng)的誤幀率和誤比特率增大、頻譜利用率降低。倘若在區(qū)分子載波的情況下采用針對(duì)性的調(diào)制編碼方案，雖然可以有效避免以上問(wèn)題，但是會(huì)造成信令信息量增加，從而導(dǎo)致頻譜資源浪費(fèi)。此外，這種調(diào)制編碼方案實(shí)施起來(lái)具有一定的難度，而且對(duì)硬件設(shè)備的要求也比較高。基于此，通過(guò)將子載波進(jìn)行分組，并將每個(gè)分組作為一個(gè)子帶，結(jié)合每個(gè)子帶的具體情況采用與之相應(yīng)的調(diào)制編碼方案[3]。

子載波分組形式有兩種，分別是靜態(tài)組和動(dòng)態(tài)組。靜態(tài)組是結(jié)合OFDM系統(tǒng)的具體通信情況，在每次通信前對(duì)子載波進(jìn)行明確分組，分組方式不會(huì)隨著傳輸環(huán)境的改變而改變，因而只需要傳輸一次分組信息，并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的頻譜效率造成任何影響。靜態(tài)分組參數(shù)包括分組數(shù)和分組大小，分組數(shù)指的是子載波分成的分組個(gè)數(shù)，分組大小則是指每個(gè)分組（子帶）中子載波的數(shù)量。在不考慮傳輸信令的情況下，靜態(tài)分組的頻譜利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于動(dòng)態(tài)組。但靜態(tài)組的優(yōu)勢(shì)在于不用在每次傳輸時(shí)輸入分組信息，同時(shí)還大大減少了信息量，對(duì)硬件設(shè)備沒(méi)有太高的要求，算法簡(jiǎn)單易操作。更重要的是，與整個(gè)信道中子載波相比，靜態(tài)組中子載波間的差異非常小，大大提高了頻譜利用率。動(dòng)態(tài)組的分組是根據(jù)每次傳輸各個(gè)子載波的信道狀況，對(duì)所包含的子載波及分組大小進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。相較于靜態(tài)組，動(dòng)態(tài)組中子載波的分組更加精確。值得注意的是，為了保證動(dòng)態(tài)分組的有效性，在每次使用這種方法時(shí)都需要向OFDM系統(tǒng)輸入分組信息，同時(shí)還要保證分組信息量小于原本信息量，這樣的分組才有價(jià)值[4]。

2.2 自適應(yīng)調(diào)制

通過(guò)對(duì)信道質(zhì)量狀況加以預(yù)測(cè)，進(jìn)而明確最佳的調(diào)制方式完成數(shù)據(jù)傳輸。在選擇調(diào)制方式時(shí)，需要著重考慮誤比特率和吞吐量。在良好的信道環(huán)境下，通過(guò)采用高階調(diào)制方式達(dá)到提高系統(tǒng)傳輸速率的目的。反之，則需采用低階調(diào)制方式。在接收端，利用接收機(jī)評(píng)估無(wú)線衰落信道的特性，結(jié)合具體情形采用合理的調(diào)制方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)并解碼輸出[5]。為了保證評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)下一次傳輸?shù)恼{(diào)制方式進(jìn)行合理選擇[6]。對(duì)于慢變信道，在選擇下一次傳輸?shù)恼{(diào)制方式時(shí)以本次信道的評(píng)估結(jié)果為依據(jù)。結(jié)合下一時(shí)隙信道狀況的預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)傳輸參數(shù)進(jìn)行合理選擇。對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)，選擇科學(xué)合理的解調(diào)方式至關(guān)重要，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的正確解調(diào)。

信道估計(jì)的目的在于準(zhǔn)確獲得當(dāng)前傳輸?shù)母鱾€(gè)OFDM子載波的信道頻域傳輸函數(shù)，有助于接收端對(duì)接收信號(hào)的調(diào)解。對(duì)于自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)，信道估計(jì)還可以用來(lái)得到當(dāng)前各OFDM子載波的信噪比，在此基礎(chǔ)上對(duì)下一次傳時(shí)的信道狀況加以預(yù)測(cè)。

2.3 自適應(yīng)調(diào)制與編碼

對(duì)于OFDM系統(tǒng)而言，編碼技術(shù)能夠有效降低其誤幀率和誤比特率，大大減少了重傳次數(shù)，進(jìn)一步提升了傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)的吞吐量[7]。在良好的信道環(huán)境下，通過(guò)采用高速率的信道編碼與高階調(diào)制方式，提升系統(tǒng)吞吐量性能。在較差的信道環(huán)境下，則采用低速率的信道編碼與低階調(diào)制方式，以更好地滿足誤幀率的性能需求。

對(duì)于不同的系統(tǒng)要求，閾值的確定方法也存在較大區(qū)別。通常來(lái)說(shuō)，主要滿足系統(tǒng)誤幀率、系統(tǒng)傳輸速率以及系統(tǒng)吞吐量的要求[8]。在系統(tǒng)誤幀率小于某個(gè)目標(biāo)值時(shí)，選擇的閾值一定要保證能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)傳輸速率的更大化或者系統(tǒng)吞吐量的更大化。而在傳輸速率固定不變的條件下，選擇的閾值要能最大程度地降低系統(tǒng)的誤幀率?？茖W(xué)合理的調(diào)制編碼方案是發(fā)揮自適應(yīng)調(diào)制與編碼系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵，想要保障方案的可行性與科學(xué)性，需要結(jié)合子帶信噪比所在的閾值區(qū)間選擇與之相符的閾值。如果閾值設(shè)定不合理的話，會(huì)直接影響OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率和誤幀率，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能大打折扣[9]。

2.4 異同分析

由于編碼自帶糾錯(cuò)功能，因此自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)可以直接使用誤碼率公式，而自適應(yīng)調(diào)制與編碼系統(tǒng)則不能直接應(yīng)用[10]。自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)更側(cè)重于誤碼率性能，而自適應(yīng)調(diào)制與編碼系統(tǒng)則更傾向于誤幀率性能。在自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)中進(jìn)行閾值選取時(shí)通常只考慮如何更好地滿足系統(tǒng)誤碼率要求，其他不作考慮。而自適應(yīng)調(diào)制與編碼系統(tǒng)選取閾值時(shí)不僅需要考慮滿足一定的誤幀率要求，還需要考慮吞吐量的最大化。在自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)中，通常對(duì)信息比特進(jìn)行直接映射調(diào)制，可以按需提供每次傳輸?shù)男畔⒈忍?。而在自適應(yīng)調(diào)制與編碼系統(tǒng)中，不同的編碼速率產(chǎn)生的影響也有所不同，必須保證每個(gè)子帶所攜帶的信息比特?cái)?shù)為整數(shù)，這對(duì)調(diào)制方式及編碼速率提出了更高的要求。

3 結(jié) 論

隨著我國(guó)無(wú)線通信領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越嚴(yán)苛。基于OFDM系統(tǒng)中子載波間的正交性，在OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)不僅可以有效提高系統(tǒng)的頻譜利用率，而且對(duì)多徑衰落導(dǎo)致的碼間干擾也有著較強(qiáng)的對(duì)抗作用，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的最大化提升。