MIMO-OFDM系统自适应技术(20学时)

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1、1第7章OFDM系统自适应技术7.1引言链路级自适应技术的基本思想是，根据在发射端获取的某种形式的信道状态信息自适应调节各种信号传输的参数，实现对当前信道环境的充分利用。可以调节的基本参数包括调制方式、编码方式、符号速率、发射功率等。在多载波条件下可以调整每个子信道的编码调制方式和发送功率，在多用户条件下可以调整用户间资源分配的数量和方式等。通过自适应技术得到的系统信道容量的增益是非常明显的。这种自适应技术已经被广泛地认为是无线通信系统中有效提高频谱利用率的重要手段之一。2OFDM系统把一个频率选择性衰落的实际信道划分成若干个独立的平坦窄带子信道，各个子信道之间信道状况差异很大，具有

2、相对独立性，不同子信道受到不同的衰落，从而具有不同的传输质量。这种特点的好处就是，能够根据各个子信道的实际状态自适应地分配信息比特和发射功率，从而减弱衰落的影响，更加有效地利用信道资源。所以与传统的单载波系统相比，多载波OFDM系统使用自适应技术会具有更高的灵活性，并能够获得更好的性能。当自适应传输技术应用于多天线环境中时，也可为系统带来系统容量提升和整体性能的提高。由于增加了空间上的自由度，MIMO系统的自适应算法的设计也更为灵活和复杂。3在发射端，MIMO系统通过了解当前信道的状态信息，可自适应的调整天线上的发射功率、比特分配，并由此获得系统性能的提高。MIMO系统有多种传输策略

3、，有以提高系统容量为目标的，有以改善系统性能为目标的，有的适用于存在空间相关的环境，有的需要天线之间服从独立衰落。根据信道状况来选择适当的传输策略，包括多种不同传输策略的结合或选择，都是当前自适应MIMO研究的热点题目。在MIMO-OFDM系统中应用自适应技术，能充分利用空间、时间和频率维上的自由度，可以设计更为灵活的传输结构、可调整的参数更多，当然推导和实现也更为复杂。47.2自适应技术的理论基础仙农定理实际传输速率该式的含义是某种调制、编码方法所能达到的实际传输速率，相当于信噪比损失了一个因子后的信道容量。表示在特定的调制方式、信道纠错编码方式以及误码率下，达到一定的传输速率时，

4、理论所需要的功率与实际所需要的功率之间的比值，被称之为信噪比差额（SNRGap）。它是一个与调制方式和信道纠错编码方式、以及目标误码率都有关的量。7.2.1注水原理5当时，就是对功率利用的最理想的情况。在特定调制方式编码方式以及误码率下，是一个大于1的常量，表明对功率利用的降低或对信噪比的实际利用能力。由于实际上信道的特性是随机的，因此在设计传输速率时，时，实际传输的速率为：还要留出一个信噪比的裕量,以便在信道特性变差时，传输的速率和性能仍不受影响。当考虑信噪比裕量（SNRMargin）6信道容量：：信道带宽：信道的传输增益：信道的加性高斯白噪声的功率谱密度：信号的功率谱密度假设信号

5、的总发射功率为，则拉格朗日乘子法为拉格朗日乘数。7注水原理中的核心公式：上式的物理意义是：当信噪比较大时，信道对应的分配功率应该较大，反之，信道对应的分配功率应该较小，或者关闭部分信噪比极低的信道，即绝大多数发射功率集中在信道衰减较小的频带范围内。8注水功率分配示意图9自适应分配的OFDM系统结构框图7.2.2自适应OFDM系统模型107.2.3自适应分配的原则按照系统的比特传输速率来分，OFDM自适应比特功率分配算法可以分为两大类，即固定传输速率算法和变传输速率算法。其中固定传输速率算法又可以分为固定功率算法和变功率算法。具体介绍如下：其工作过程大致分析为：在接收端对信道的参量作出

6、估计，当系统有数据要发送时，首先由信道估计获得各个用户的信道特性，比特及功率分配模块根据这一估计信息为用户所用子载波分配比特，在此基础上进行发射功率分配，所有这些分配策略将通过专用信道反馈给发送端，而接收端利用这些分配信息进行相应解调和数据还原。11变传输速率算法。在给定的总发射功率和系统误比特率(BER)条件下，实现信道容量(传输速率)最大化。也称为最大比特率准则，即RA(RateAdaptive)准则。其对应的优化模型可用下式描述1.基于信道容量最优化的原则122.基于发射功率最小化的原则固定传输速率、变功率算法。在给定的传输速率准则。其对应的优化模型可表示为：和系统误比特率条件

7、下，根据子信道的增益对子载波上的比特数进行动态自适应分配，同时调整各子载波上的发射功率，使得需要的总发射功率(或者平均每比特信噪比)最小，称为功率最小化准则，即MA(MarginAdaptive)133.基于误比特率性能最优化的原则固定传输速率、固定功率算法，即在系统总发射功率和传输速率都保持一定的情况下，通过自适应分配各子载化算法。对应的优化模型可表示为波上的比特和功率，直接提高系统的性能为出发点的优147.3.1Hughes-Hartogs算法Hugh