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 11 4 1.53MB 57 页 15积分

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VSF-OFCDM 无线通信中基于信道检测的位加载算法

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

Channel Detection Based Bits Loading Algorithms in VSF-OFCDM Wireless Communications

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 demand in multimedia communication, although China has

not yet issued 3G service license. So China may be able to upgrade its wireless

communication infrastructures from 2G/2.5G to 4G in a jumping manner. Among

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

most favorable one. Among different kinds of modulation methods in 4G wireless

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 OFDM, Variable Spreading Factor and CDMA, MC-CDMA based

VSF-OFCDM is suitable for broadband multimedia communication where status of

wireless link is 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, Adaptive Frequency Hopping, Frequency Efficiency, Resource

Allocation and Bit 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.

The research herein is a tentative study of Bit Loading Algorithm with joint

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 communication system is built with modular blocks, dynamic parameters and

interactive interfaces, which simulates integrated communication services including

video, audio and data, facilitating the simulation and analysis of various status of

wireless link and combination of various services., and especially for that of the

channel detection based and object-oriented algorithm proposed herein. Since

VSF-OFCDM wireless communication system is extremely sensitive to time shift and

frequency shift, the research also stresses the analysis and design of precise channel

detection module.

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

allocation, which leads to the Bit Loading Algorithm with joint allocation of

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

simulation results. If the achievement herein be applied in communication between

precision instruments, they would be usable in more complex situations, and reliable

communication can be guaranteed, even in some very atrocious ones. Its’ foreground

in industrial detection and quality control is remarkable.

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

VSF-OFCDM 无线通信中基于信道检测的位加载算法

III

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

§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

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果一览表..........................55

致谢..........................................................................................................................56

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、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。

VSF-OFCDM 无线通信中基于信道检测的位加载算法

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：

log (1 / )C W S N 

，

/ / /

S N E N C W 

，因此功率和带宽之间的关系为：

/ (2 1) /( / )

C W

E N C W 

，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。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。

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。

无线信道

加

循

环

前

缀

并串

转换、

解码

解调

2j f t



编码

调制、

串并

缓存

2j f t



j f t





ˆi

2j f t





2j f t





IFFT

检测

判决

去

循

环

前

缀

FFT

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，接收频带信息正交解调，解调数据判决检测，解调数据并串转换，并行信息

分路，分路信息解调、解码。

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摘要：

VSF-OFCDM无线通信中基于信道检测的位加载算法I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...

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