OFDM自适应调制技术综述

OFDM自适应调制技术综述
【摘要】OFDM（正交频分复用）技术可以有效对抗频率选择性衰落克服窄带干扰，提高频谱利用率，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输，在通信领域得到了广泛的应用，但是固定调制解调技术并不能有效实现频带资源的充分利用。

OFDM自适应调制技术是根据各子信道的状况对比特与功率进行动态分配以实现系统整体性能的提高。

本文对OFDM自适应调制解调的基本原理及传统OFDM自适应调制算法进行了较为全面系统的综述，并介绍了一些国内学者在OFDM自适应调制算法改进发面的研究成果。

【关键词】OFDM；自适应调制；动态分配
正交频分复用（OFDM）的概念是由B.R.Sal-tzberg在20世纪60年代提出的，它的原始思想是将高速数据转化为并行低速数据并调制到相互正交的子信道上传输，在充分利用可用带宽的同时，信道均衡也变得相对容易，而且可以有效对抗突发噪声和多径失真。

OFDM技术应用已有40年历史，主要用于军用的无线高频通信系统，但由于受当时硬件条件的限制一直未得到进一步推广，由于OFDM各个子载波之间相互正交，采用FFT实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。

在二十世纪80年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，OFDM走上了通信的舞台，逐步迈向高速数字移动通信的领域。

80年代后，OFDM的调整技术再一次成为研究热点，如今已被普遍认为是第四代移动通信系统的核心技术。

1.OFDM自适应调制基本原理
自适应调制技术和OFDM技术相结合，可以根据移动无线信道的瞬时质量状况决定子信道的调制方式，使信道的传输能力在任何时刻都能达到最大，自适应调制技术可以使通信系统获得较高的频谱利用率和比特传输速率。

OFDM自适应系统模型其基本原理概述如下：首先接收端通过信道估计器获得关于信道的状态信息；自适应比特、功率分配器根据其内置的算法及来自信道估计器的信道状态信息，为各个子载波设置适当的调制参数（主要包括调制方式和发送功率两部分），并把它们通过专用的信道传送给发送端；发送端的串并变换器根据送来的调制参数为各个子载波分配相应的比特数，调制器同样根据其对应的调制参数完成对各个子载波的基带调制；各个调制器出来的数据通过快速FFT变换器、并/串变换器、加循环前缀后送入信道发送给接收端，接收端操作与发送端相反。

2.传统的OFDM自适应调制算法
2.1 Hughes-Hartos算法
1989年，Hughes-Hartos采用数学中的Greedy优化，提出了Greedy算法。

它是一种适用于OFDM或者多载波统的自适应比特功率分配的算法，它的优化准则是在保证目标误比特率和数据速率的前提下，使得系统的发射总功率最小化。

该算法是一种基于信道增益的算法，其基本思想是将各个子信道的比特数目均设为0，然后将所有的待分配比特依次分配给相应的子信道。

每次分配时，首先找到增加1个比特时，所需要增加的功率最小的子信道，然后将该子信道的比特数目增加1个。

重复这个过程，直到分配的所有比特达到给定的目标比特的要求，最后计算各个子信道所需要的功率。

2.2 Chow算法
1995年，Peter S.chow提出了一种近似于注水算法的次优功率最小化自适应比特分配算法，该算法适合于传输容量较大的ADSL系统中，性能低于Hughes-Hartogs算法，但具有更快的收敛速度。

Chow算法是根据各个子信道的信道容量来分配比特的。

它的优化准则是在维持目标误比特率的前提下，使系统的性能余量最大。

该算法通过迭代过程，逐步分配比特，同时使系统的余量逐步增大，直到所有的比特都分配完毕。

算法中设置了一个最大的迭代次数，以保证算法的收敛速度。

此算法主要由三个步骤完成：确定使系统性能达到最优门限。

确定各个子载波的调制方式。

调整各个子载波的功率。

2.3 Fisher算法
Fischer算法是在Chow算法的基础上改进得到的一种算法。

与Chow算法不同，Fischer算法不是以信道容量为依据来进行比特分配，它以误比特率最小为设计目标。

它的优化准则是在维持恒定传输速率和给定总的发射功率的前提下，使系统的误比特率性能达到最优。

当所有的子载波上的误比特率相等时，系统的误码率达到最小值。

2.4 三种算法性能比较
Hughes-Hartogs算法可达到理想的性能，在每次进行比特分配时需要保证传输该比特所需的附加功率最小。

因此，Hughes-Hartogs算法需要进行大量的排序和搜索运算，复杂度较高，这对于实时性要求很高的系统并不是很实用。

Chow 算法根据各子信道容量进行速率分配，省去大量的排序运算。

而发送功率的分配则是在总功率一定的前提下，保证各个子信道的差错率相同。

但是该算法也存在不足：一方面，信号功率和信息速率是直接相关的，从而不存在进一步的优化空间；另一方面，实际系统中并不是要力图达到传输系统的容量，而是要在一定的功率和信息速率下差错改良尽可能的低。

Fischer算法的主要思想是根据差错概率最小化的原则而不是信道容量来分配速率和功率，这样就可以避免大量的排序运算和搜索运算，因此需要预先确定最优的速率分配，这种算法给出了比特和功率分配的闭式解，算法复杂度比较小，适合高速无线数据传输，而且它的误比特
率性能与Chow算法相类，甚至更优。

3.国内OFDM自适应调制技术研究现状
国内的OFDM自适应调制技术起始于20世纪90年代末，目前还处在初始阶段。

兰州理工大学田秀丰等人从速率自适应准则（RA）、余量自适应准则（MA）和误比特率性能最优化准则出发对OFDM系统的资源分配问题进行研究。

通过借鉴已有经典算法，将速率自适应准则和余量自适应准则进行折中与融合，提出了一种改进的子载波和功率分配算法，并用Matlab软件对算法性能进行了仿真验证。

仿真结果表明，该算法性能明显优于静态分配算法，并且与己有动态分配算法相比，具有更大的系统传输速率和较低的功率损耗。

另外，针对误比特率性能最优化准则，提出一种比特功率分配算法，该算法以最小化系统的误比特率为目标，以系统发射功率和传输速率为限制条件来构造拉格朗日函数，并通过引入误比特率函数的上限表达式得到了问题的闭合解。

仿真结果表明，该算法克服了已有算法在低信噪比情况下误比特率性能欠理想的缺点，提高了系统的整体性能。

北京大学信息科学技术学院薛金银、焦秉力研究了发射总功率和系统误码率上限不变时传输比特数最大化（RA）的自适应算法。

提出了一种有记忆迭代方法，能有效克服由于比特数的离散性导致的迭代发散现象，并据此提出两种改进的RA算法。

仿真结果表明，和过去的RA算法相比，改进的功率注水RA算法以增加少量的迭代次数为代价，能获得接近于最佳RA算法的传输速率；而改进的等功率RA算法在相同传输速率情况下具有更低的运算复杂度。

西安电子科技大学任光亮等人研究了一种变化SNR门限的自适应OFDM吞吐量最大化分配算法，算法在原有固定门限算法基础上有了很大提高，而且复杂度较低。

复旦大学陈浩珉等人研究了一种新的OFDM系统自适应调制算法，它是一种最优的计算复杂度低的恒吞吐量算法，引入子载波分组概念，系统性能依然保持良好，并且信道估计偏差对算法的影响较小。

北京邮电大学的赵亚红等提出了改进的分组自适应调制算法，发射机根据各个载波上的衰落幅度大小进行排序，将排序后的载波划分成若干个载波组，自适应调制算法根据每个载波组的信道衰落情况自适应为某个用户的各个载波组选取适当的调制方式，调制方式的选择在保证给定的数据通过速率的原则下用相同的发射功率使系统性能最好。

电子科技大学的敬玉乡等人针对在对OFDM子带进行自适应编码调制时面临的问题，提出一种新的OFDM子带自适应编码调制方式切换算法——曲线重合算法。

通过仿真验证表明，曲线重合算法能够在满足目标误码率的前提下，充分提高系统的数据传输速率。

重庆理工大学李刚等人在Fischer算法的基础上，提出一种改进的自适应调制算法。

以调制方式的近似误码率公式推导出的比特分配公式取代传统的比特分配公式，利用其中的注水门限参数，可使得比特分配达到最优，在计算复杂度较
低的前提下，提高了算法性能。

并做了仿真分析，随着信噪比增加，改善效果越明显。

东北大学胡廷星等人本文针对在对传统Campello算法中采用固定单比特步长导致其计算量大这一缺陷，提出了一种变比特调整步长的比特分配算法，该算法加快了收敛速度，大大降低了算法计算量，同时在比特预分配阶段加入目标误码率因子，提高了算法的灵活性，仿真表明该算法在保证性能的同时，降低了算法计算量。

其次，针对传统固定SNR门限自适应调制算法功率裕量的问题，提出了一种吞吐量最大化算法，该算法充分利用功率裕量，调整各子载波调制模式，使吞吐量达到最大，仿真结果表明，该算法在保障信息传输质量的情况下，提高了系统传输效率。

4.结束语
随着科学技术的飞速发展，人民的生活水平和社会经济水平都有了显著的提高，人们对通信服务的质量和业务要求也越来越高，谋求更高的频谱利用率成为通信领域研究的热点。

正交频分复用（OFDM）技术具有良好的抗多径衰落能力和更高的频谱效毒，因而OFDM技术近年来倍受关注，而OFDM自适应调制技术的不断发展，也必将使OFDM通信系统的总体性能越来越好，这样才能满足人们对多业务种类，高服务质量，高传输速率的通信要求。

参考文献
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