基于3G UMTS/WCDMA技术的自适应调制方案

摘要

自适应调制技术表示根据无线信道的条件来选择应用的调制方案。在现代，由于带宽有限，自适应调制方案在无线通信系统中得到了广泛的使用。自适应调制方案有效地利用了可用带宽，来增加系统的吞吐量。它的主要目的是降低误码率，提高无线通信系统的吞吐量。在本文中，将自适应调制方案应用于3G UMTS/WCDMA无线通信技术中，通过无线信道的信噪比来调节调制模式，以实现降低误码率，提高吞吐量和提高信号服务质量。自适应调制可以应用与一个广大的覆盖区域。
　　与3GUMTS/WCDMA中的64-QAM的单调制方案相比，由于自适应调制方案中吞吐量更高，无线信道衰落效应和数据错误率带来的影响大大降低了。同时，通话质量将得到改善;即使用户在远离 BTS的地方通话也不会在受到频繁掉线的困扰。
　　在自适应调制方案中，我们应用了不同调制方案（例如64-QAM,16-QAM, QPSK, BPSK），这使得我们能够在每符号每秒传输大连的消息比特，从而获得大的吞吐量或者更好的频谱效率。自适应调制的利用，使得无线系统能够针对信道情况找到最佳数字调制方案。本文中分析了不同组合的数字调制方案的性能改善效果，本文中研究的是一种最佳的数字调制组合方案。调制方案的性能可以根据 BER进行度量。为了测量 BER，研究不同调制方案的星座图以及无线通信信道的噪声和其他参数对不同调制方案的星座图的影响是必要的。
　　BPSK和 QPSK的星座图简单，这两个方案分别由使用两个相位的两个符号点和使用四个相位的四个符号点组成。BPSK和 QPSK的每个符号点分别占据1比特和2比特。另外，两个方案中的相邻符号点间的相位差分别是180o和90o。和其它调制方案相比，该方案中两个相邻点之间的空间非常大，并且无线信道的噪声和其他因素的影响非常低，特别是在强噪声区域中。并且强噪声区域通常距离基站比较远。BPSK和 QPSK能够在很大程度上承受噪声以及干扰、多径衰落、路径损耗等无线信道因素的影响。BPSK和 QPSK不仅有高 SNR和低 BER的优势，而且信号的失真和衰减情况也较小。这两种调制方案，又被称为低调制方案，常用于长距离无线通信以最小化无线信道的影响。由于星座图的差异，无线信道对QPSK的影响比BPSK高。
　　诸如16-QAM和64-QAM的高调制方案非常复杂但带宽利用率较高，因为它们的星座图分别由16个符号和64个符号组成。16-QAM和64-QAM的每个符号点分别占据4比特和6比特。16-QAM使用12个不同的相位和三个不同的幅度电平，两个符号点之间的相移为30o。在64-QAM调制中，使用了52个不同的相位和10个不同的幅度电平。当星座图具有更多的符号点时，将有更多的相位和更多的幅度电平级数，并且所得到的符号点将彼此非常接近。无线信道的噪声，干扰，多径衰落等对16-QAM和64-QAM的影响都非常高，特别是在远离基站的高噪声区域。由于星座图较复杂，无线通信信道对64QAM信号的影响比16QAM高。
　　为了实现根据信噪比来改变调制方案，本文仿真计算了不同调制方式的信噪比，如BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。仿真结果表明，和低阶调制方案相比，噪声对于高阶调制方案的影响较大，会导致较低的信噪比。根据计算的信噪比，我们分别分析了以上几种调制方案的误码率，并进行了综合处理。综合了误码率和信噪比的仿真结果表明，高阶调制方案，例如16QAM和64QAM，在低信噪比下的误码率更高，而低阶调制方案，如BPSK和QPSK的误码率较低。与低阶调制方案相比，在低信噪比条件下，高阶调制信号在传输过程中，产生了大量的误码。而在高信噪比条件下，相比于低阶调制方案，高阶调制方案的误码率更低，错误码元数更少。
　　在根据信道环境在发射机中选择调制方案之前，发射机需要得到有关无线信道的信噪比信息。发射机在AWGN信道中传输不同的调制信号，如BPSK，QPSK，16-QAM和64-QAM，接收机估计出不同数字调制信号的SNR。来自接收侧的信息通过反馈信号发送给发射机，然后再根据测得的SNR选择最佳调制方案。
　　如果信道的信噪比为高，并且基站距离较短，那么发射机将选择高调制方案，如64-QAM和16-QAM，以实现每符号位较长比特的传输。与低SNR区域的其他调制方案相比，该高SNR区域的64-QAM和16-QAM调制信号的误差更低。因此，在高SNR区域中，高调制方案的性能更好。如果发射机在高SNR区域选择QPSK和BPSK调制方案，则BPSK和QPSK信号的误差将高于64-QAM和16-QAM，64-QAM和16-QAM的数据传输速率大于BPSK和QPSK，这也正说明了为什么在高SNR区域要选择高调制信号。
　　如果SNR较低，则发射机将选择像QPSK这样的低调制方案，因为在低SNR区域，QPSK信号的误差与64-QAM，16-QAM和BPSK等调制方案相比较低。因此，为了维持通信的连续性，此时选择QPSK信号。如果SNR进一步降到更低，则发射机将选择低调制方案BPSK，BPSK信号管理信道中的高噪声，并且在BPSK信号中信号误差率较低。与64-QAM，16-QAM和QPSK相比，BPSK信号的数据传输速率较低，但是为了保持通话的连续性、保持服务质量以及满足可接受的 BER条件，BPSK是低SNR区域的最佳调制方案。
　　如果此时发射机使用高调制方案，则接收的信号错误率将急剧上升、通话的连续性难以保证并且由于通话频繁掉线将导致服务质量下降。因此，在低SNR区域，BPSK调制方案可行性更高。改变SNR的值，测量诸如BPSK，QPSK和QAM的调制方案的BER。在目的地侧测量BPSK，QPSK和QAM这些调制方案的SNR以及基于测出的SNR的 BER。基于不同调制方式的SNR和BER的信息以及其之间的关系，基站将决定低 SNR，高SNR和中间 SNR的不同情况下，哪种调制方案是最佳的。
　　在判断出哪一个最佳之后，调制选择器将向发射机给出诸如 BPSK，QPSK和QAM等调制方案的SNR阈值，并且发射机将根据SNR的这些阈值改变调制方案。如果SNR的值大于特定调制方案的阈值，则发射机将改变调制方案。例如，如果SNR的值进入BPSK的阈值，发射机将会选择像BPSK的这种低调制方案，如果SNR的值高于BPSK的SNR的阈值，则发射机将如BPSK选择低调制方案，发射机将近一步判断它是否进入QPSK或QAM的阈值。如果SNR的值超过了QAM的阈值，则发射机将选择QAM方案用于信号传输，如果SNR的值小于QAM的阈值，则发射机将选择QPSK方案进行传输，该信息由调制器选择器发送给发射机。因此，与3G UMTS/WCDMA中的64-QAM单调制方案相比，无线通信信道的噪声、衰落、干扰、多径等对组合调制方案的影响较小。
　　噪声以及无线信道中其它因素对我们所描述的组合调制方案的影响在特定信噪比和距离限制下较小，并且可以获得最小的BER。从我们目前的研究来看，我们发现，单调制方案在无线通信信道中并不适用，因为一些调制方案在低SNR值情况下失真和衰减严重而高SNR值的情况下正好相反。无线通信中，要获得正确率和质量较高而BER最小的信号，向用户发送信号时的最佳调制方案为自适应调制方案。与目前在3G UMTS/ WCDMA中使用的64QAM调制方案相比，自适应调制方案用于无线通信，在距离覆盖方位较大时，可以更好地传输语音信号。
　　仿真结果表明，就无线通信系统中的信噪比的总体值来讲，混合调制方案，也可以叫做自适应调制方案的性能要优于单一的高阶调制方案，比如64QAM。在单基站、双基站和多基站环境仿真中，我们得到了自适应调制方案信噪比与路程的关系，这里假设发射信号有相同的覆盖范围。仿真结果表明，与单基站或双基站环境相比，移动用户在多基站环境下会获得最大的接收功率，产生最大的信噪比，这是由于在整个覆盖范围内，都使用了高阶调制方案，如16QAM和64QAM。同时，多基站环境下，频谱效率也达到了最大。
　　在本文中，我们已经通过 MATLAB仿真实验证明，AWGN信道中组合调制方案的性能优于64QAM调制信号。该调制方案可以实际应用于3G信号的发射中。通过使用不同的数字调制组合，本文的工作成功的提出了一种改进3G UMTS/WCDMA信号质量的新方法。此外，通过在研究中使用不同的调制方案组合，我们比较了各种调制方案的组合性能，在实际环境中具有很高的应用价值。我们可以在拥有MIMO技术的4G网络和即将推出的5G网络中应用我们的研究思想，从而提高来自基站的传输信号的 BER、信号质量和吞吐量，同时实现信号覆盖区域的增大。

目录

Chapter 1. Introduction

1.1 Background of the Adaptive Modulation

1.2 Motivation

1.3 Problem Statement

1.4 Objectives

1.5 Introduction of the Adaptive Modulation

1.6 Significance of the Research

1.7 Overview of the Thesis

Chapter 2. Basic Principle of Modulation Schemes

2.1 Overview

2.2 Modulation Schemes

2.3 Adaptive Modulation Scheme

2.4 SNR Estimation

Chapter 3. Methodology

3.1 Overview

3.2 BPSK Modulation

3.3 QPSK Modulation

3.4 16-QAM Modulation

3.5 64-QAM Modulation

3.6 Adaptive Modulation Schemes

Chapter 4. Adaptive Modulation in Simulated Environment

4.1 Overview

4.2 Single Base Station in Simulated Environment

4.3 Two Base Station in Simulated Environment

4.4 Six Base Station in Simulated Environment

Chapter 5. Adaptive Modulation in Real Situation

5.1 First real Situation having no Motion of Mobile user w.r.t B. S

5.2 Second real Situation having Motion of Mobile user w.r.t B. S

5.3 Adaptive Modulation in Complex Fading Environment

Conclusions

参考文献

声明

致谢