低精度量化OFDM鏈路自適應(yīng)傳輸方案

李沙志遠(yuǎn)，楊 熙，金 石

(東南大學(xué) 移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189)

0 引言

第5代移動(dòng)通信(5G)以及第6代移動(dòng)通信(6G)以頻譜效率、峰值數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)能量效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的提升為目標(biāo)持續(xù)演進(jìn)，為了滿足移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長和業(yè)務(wù)多樣化的需求，傳統(tǒng)無線傳輸系統(tǒng)的天線陣列規(guī)模不斷增大，傳輸帶寬和數(shù)據(jù)速率顯著增加，如何節(jié)省系統(tǒng)功率消耗和硬件資源開銷成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注的問題。近年來，低精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)被應(yīng)用于通信接收機(jī)中，通過低分辨率的特性顯著降低設(shè)備的硬件成本和鏈路功耗，成為了一項(xiàng)極具潛力的技術(shù)。具體來說，ADC的功率隨量化精度的降低呈指數(shù)級下降，同時(shí)，低精度ADC的硬件成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度也相對較低。此外，數(shù)字信號的存儲(chǔ)和傳輸所需的比特位數(shù)更少，也放寬了射頻(Radio Frequency,RF)和接口鏈路的性能需求，減少了這些組件的功率消耗。

文獻(xiàn)[1- 5]從系統(tǒng)容量和可達(dá)速率等方面初步證明了低精度ADC應(yīng)用在無線傳輸系統(tǒng)中的可行性。文獻(xiàn)[2]中關(guān)于加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道容量的推導(dǎo)結(jié)果表明，2～3 bit超低精度量化的引入僅會(huì)帶來10%～20%的信道容量損失。為了解決由低精度量化引起的強(qiáng)烈非線性失真問題，多種信號重構(gòu)算法相繼被提出，包括快速自適應(yīng)收縮/閾值算法(Fast Adaptive Shrinkage/Thresholding Algorithm,FASTA)[6]、基于投影梯度法的算法[7-8]、基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法[9]以及消息傳遞算法。其中，消息傳遞算法包括：廣義近似消息傳遞(Generalized Approximate Message Passing,GAMP)[10-12]和由其擴(kuò)展出的雙線性廣義近似消息傳遞(Bilinear Generalized Approximate Message Passing,BiG-AMP)算法[13]、參數(shù)BiGAMP[14]、向量AMP算法[15]以及廣義Turbo(Generalized Turbo,GTurbo)算法[16-18]。然而，上述研究雖然為低精度量化無線傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)，但是一方面上述算法的推導(dǎo)大多基于較理想的信道模型假設(shè)，實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用將面臨更加復(fù)雜且多變的信道環(huán)境；另一方面，在接收端配置超低精度ADC的系統(tǒng)中，即使能使用性能優(yōu)異的消息傳遞算法來克服強(qiáng)烈非線性失真的部分影響，系統(tǒng)的信號重構(gòu)性能相較于高精度系統(tǒng)仍存在不可忽略的損失，在信道條件變化時(shí)，系統(tǒng)難以維持高性能信號傳輸。因此，如何使低精度量化系統(tǒng)在面對復(fù)雜多變的信道環(huán)境時(shí)維持可靠的信號傳輸成為一個(gè)重要研究課題。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，無線信道的時(shí)變特性是一重要特征，包括傳播損耗、快衰落、慢衰落以及干擾的變化等因素帶來的影響。由于信道的變化，參數(shù)固定的系統(tǒng)傳輸質(zhì)量將受到較大影響，不利于維持系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜利用率。鏈路自適應(yīng)方案通過接收端對信道環(huán)境和信號傳輸效果進(jìn)行感知和反饋，進(jìn)而調(diào)整收發(fā)端的系統(tǒng)參數(shù)，改變系統(tǒng)的傳輸模式，來克服或適應(yīng)傳輸環(huán)境改變帶來的影響，維持系統(tǒng)的可靠傳輸。正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)不僅具有較高的頻譜效率、較好的抗多徑衰落性能等優(yōu)點(diǎn)，其鏈路參數(shù)的配置也較為靈活，例如收發(fā)端天線數(shù)量、發(fā)射功率、導(dǎo)頻插入間隔、信號調(diào)制方式等。因此，傳輸模式豐富的OFDM系統(tǒng)能夠通過一定的反饋信號選擇最優(yōu)的傳輸模式來達(dá)到最快的傳輸速率或最高的能量效率等目標(biāo)。近年來，OFDM鏈路自適應(yīng)技術(shù)的相關(guān)研究取得了豐富的成果，包括面向超寬帶OFDM傳輸[19]、多頻帶OFDM傳輸[20]、頻率選擇性信道傳輸[21]、MIMO-OFDM傳輸[22]等場景的OFDM鏈路自適應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)，以及基于信道編碼[23]、能量效率分析[24-25]、隱馬爾可夫模型[26]、機(jī)器學(xué)習(xí)[27]等技術(shù)的多種鏈路自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)方法，然而，關(guān)于低精度量化OFDM鏈路自適應(yīng)技術(shù)的相關(guān)研究仍較為欠缺。在低精度量化系統(tǒng)中所使用的眾多信號重構(gòu)算法，其性能通常對系統(tǒng)參數(shù)的變化較為敏感，信道估計(jì)與信號檢測的性能與輸入觀測量的數(shù)量、符號間干擾、信號幅度信息損失程度等因素密切相關(guān)，因此，如何基于信號重構(gòu)算法特性設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控方案，是低精度量化OFDM系統(tǒng)鏈路自適應(yīng)技術(shù)的難點(diǎn)之一。

針對上述背景與挑戰(zhàn)，本文基于超低精度量化單流OFDM通信場景，提出一種低精度量化OFDM鏈路自適應(yīng)傳輸方案，在原始量化OFDM(Quantized OFDM,QOFDM)系統(tǒng)中加入通信質(zhì)量檢測和參數(shù)配置評估模塊，以及時(shí)感知信道環(huán)境的變化，設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整策略對系統(tǒng)的量化精度、導(dǎo)頻插入間隔和調(diào)制方式等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，以維持信號的可靠傳輸。基于GTurbo消息傳遞算法搭建QOFDM系統(tǒng)仿真鏈路，對不同參數(shù)配置模式下的QOFDM系統(tǒng)信號重構(gòu)性能進(jìn)行仿真測試，驗(yàn)證鏈路自適應(yīng)傳輸方案的可行性。鏈路自適應(yīng)傳輸方案的仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)能在一定的接收信噪比范圍內(nèi)維持較優(yōu)的誤比特率性能和較高的有效數(shù)據(jù)傳輸速率。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)接收端使用低精度ADC的單流QOFDM無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含N個(gè)正交子載波，其中Nd個(gè)子載波為有效子載波，用于攜帶數(shù)據(jù)符號，其余N-Nd個(gè)子載波全部填充0信號，作為保護(hù)帶以減少相鄰頻帶間的干擾。用χ=1,2,…,N表示所有子載波的索引集合，其中χd?χ表示Nd個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行ё虞d波對應(yīng)的索引子集。

定義發(fā)射端頻域的星座點(diǎn)符號向量為x∈N×1，發(fā)射端導(dǎo)頻符號為A∈N×1，其中滿足j∈χχd的第j個(gè)元素xj和aj為0。如圖1所示，發(fā)送信號經(jīng)正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)、插入導(dǎo)頻、IFFT、數(shù)模轉(zhuǎn)換、射頻調(diào)制等處理后，通過發(fā)射天線經(jīng)空中信道傳輸?shù)浇邮斩恕＝邮斩耸紫冉?jīng)下變頻等射頻鏈路處理，然后經(jīng)低精度ADC量化完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)FFT處理，得到基帶頻域接收信號。其中，接收導(dǎo)頻信號和接收數(shù)據(jù)信號可分別表示為：

圖1 QOFDM發(fā)射機(jī)與接收機(jī)框圖Fig.1 Block diagram of QOFDM transmitter and receiver

(1)

(2)

(3)

式中，μ表示量化步長。

2 QOFDM鏈路自適應(yīng)傳輸方案設(shè)計(jì)

為了提高QOFDM系統(tǒng)的信道環(huán)境適應(yīng)能力，選取導(dǎo)頻插入間隔、量化精度、信號調(diào)制階數(shù)三個(gè)典型參數(shù)，構(gòu)成QOFDM系統(tǒng)的多種參數(shù)配置模式，設(shè)計(jì)一種QOFDM鏈路自適應(yīng)傳輸方案。該QOFDM鏈路自適應(yīng)傳輸方案的目的在于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測和評估OFDM無線傳輸鏈路的通信質(zhì)量，適應(yīng)信道條件的變化，靈活地根據(jù)信道情況自適應(yīng)切換鏈路參數(shù)，確保可靠高效的數(shù)據(jù)通信。

該鏈路自適應(yīng)傳輸方案主要包含兩方面的內(nèi)容：一是對信道環(huán)境變化的感知，二是傳輸參數(shù)的調(diào)整策略設(shè)計(jì)。在鏈路自適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行之前，考慮基于大量理論仿真結(jié)果和系統(tǒng)空口測試結(jié)果，形成一個(gè)傳輸效果記錄表，包含不同導(dǎo)頻插入間隔、量化精度、信號調(diào)制階數(shù)以及接收信噪比下的誤比特率和有效數(shù)據(jù)傳輸速率，作為通信質(zhì)量檢測和參數(shù)調(diào)整的參考。在感知信道環(huán)境變化方面，考慮對系統(tǒng)的接收信噪比進(jìn)行測量，作為一個(gè)在接收端較容易測量的參數(shù)，實(shí)時(shí)的接收信噪比能一定程度反映出系統(tǒng)的通信質(zhì)量，測得的接收信噪比結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)的參數(shù)配置情況對照傳輸效果記錄表，能夠獲得系統(tǒng)誤比特率的預(yù)估值，作為通信質(zhì)量檢測的參考量。關(guān)于系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整策略設(shè)計(jì)方面，在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時(shí)，根據(jù)目前的參數(shù)配置方案以及接收信噪比測量結(jié)果，在傳輸效果記錄表中搜索符合系統(tǒng)性能要求的最優(yōu)參數(shù)配置方案。考慮到維持系統(tǒng)的可靠傳輸是鏈路自適應(yīng)方案的首要目的，將誤比特率上限和一定接收信噪比范圍內(nèi)有效數(shù)據(jù)傳輸速率下限納入?yún)?shù)配置策略中。此外，在同等接收信噪比下可能會(huì)有多種參數(shù)配置模式均符合系統(tǒng)誤比特率和有效數(shù)據(jù)傳輸速率需求，而低精度系統(tǒng)的功率消耗是一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，因此將鏈路自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整策略按照優(yōu)先級順序設(shè)計(jì)為：① 參數(shù)配置方案對應(yīng)的誤比特率性能符合系統(tǒng)需求，系統(tǒng)有效傳輸速率符合當(dāng)前SNR下的系統(tǒng)需求；② 參數(shù)配置方案使系統(tǒng)總功率最低；③ 參數(shù)配置方案使系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)傳輸速率最大。其函數(shù)方程表達(dá)如下：

(4)

式中，Reff為有效數(shù)據(jù)傳輸速率，表示信號在經(jīng)歷無線傳播干擾、量化噪聲干擾、消息傳遞算法的信道估計(jì)誤差、信道頻率響應(yīng)插值誤差和消息傳遞算法信號檢測誤差后的比特速率，Rs表示系統(tǒng)的原始符號速率，由系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)和時(shí)頻資源設(shè)計(jì)等決定，P表示導(dǎo)頻插入間隔，假設(shè)系統(tǒng)插入梳狀導(dǎo)頻，則數(shù)據(jù)符號占所有符號的(P-1)/P，M表示調(diào)制階數(shù)，PBER表示系統(tǒng)的誤比特率，PADC表示ADC的功率，F(xiàn)OMW表示以采樣率和量化精度評估ADC功率時(shí)的品質(zhì)因數(shù)，fs表示ADC的奈奎斯特采樣率，B表示ADC量化精度，PR表示系統(tǒng)需求的誤比特率上限,RSNR表示系統(tǒng)在當(dāng)前SNR下的有效數(shù)據(jù)傳輸速率下限。射頻鏈路中的本振源、低噪聲放大器、正交耦合器和混頻器等器件的功率以及基帶鏈路功率可視為恒定，因此策略②中最小化系統(tǒng)總功率可等效為最小化ADC功率。在形成傳輸效果記錄表時(shí)，通過系統(tǒng)參數(shù)和傳輸效果記錄表中的誤比特率可以由式(4)計(jì)算出有效數(shù)據(jù)傳輸速率。

該低精度量化OFDM鏈路自適應(yīng)傳輸方案的系統(tǒng)流程如圖2所示，系統(tǒng)主要由配備低精度ADC的OFDM無線傳輸鏈路、通信質(zhì)量檢測模塊、參數(shù)配置評估模塊和系統(tǒng)參數(shù)切換模塊構(gòu)成。在系統(tǒng)開始工作前，低比特量化OFDM接收機(jī)根據(jù)仿真和空口測試結(jié)果生成傳輸效果記錄表。在系統(tǒng)開始工作時(shí)，接收端的通信質(zhì)量檢測模塊會(huì)周期性地測量系統(tǒng)的接收信噪比，然后，該模塊將系統(tǒng)的接收信噪比、調(diào)制階數(shù)、量化精度、導(dǎo)頻插入間隔4個(gè)參數(shù)輸入?yún)?shù)配置評估模塊中。在參數(shù)配置評估模塊中，將輸入的當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)和傳輸效果記錄表進(jìn)行比對，按照參數(shù)調(diào)整策略，求解出符合式(4)的最優(yōu)參數(shù)配置方案。最后，將該參數(shù)配置方案輸入系統(tǒng)參數(shù)切換模塊，向發(fā)射端和接收端反饋新的參數(shù)配置方案，調(diào)整系統(tǒng)的導(dǎo)頻插入間隔、調(diào)制階數(shù)、量化精度等參數(shù)，重新建立可靠的OFDM傳輸鏈路。

圖2 QOFDM鏈路自適應(yīng)傳輸方案Fig.2 QOFDM link adaptive transmission scheme

3 GTurbo信道估計(jì)與信號檢測算法

為了對該QOFDM鏈路自適應(yīng)傳輸方案進(jìn)行仿真分析，本文在量化SISO-OFDM無線傳輸場景下，根據(jù)QOFDM系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別提取低精度量化下的接收導(dǎo)頻信號和接收數(shù)據(jù)信號，并基于GTurbo算法完成接收端的信道估計(jì)和信號檢測，輸出信號重構(gòu)比特流。GTurbo信號重構(gòu)算法是一種基于貝葉斯估計(jì)和期望一致近似方法的消息傳遞算法，其使用正交感知矩陣，用于解決廣義線性模型的統(tǒng)計(jì)推斷問題，與OFDM系統(tǒng)的信號處理過程較為契合。下面分別介紹基于GTurbo算法的QOFDM信道估計(jì)和信號檢測。

3.1 GTurbo信道估計(jì)算法

(5)

圖3 GTurbo信道估計(jì)算法框圖Fig.3 Block diagram of GTurbo channel estimation algorithm

(6a)

(6b)

(7)

算法1 GTurbo-LMMSE信道估計(jì)器輸入:傳輸導(dǎo)頻信號的OFDM符號對應(yīng)的量化接收導(dǎo)頻信號Y～P,發(fā)送導(dǎo)頻矩陣A輸出:hd的MMSE估計(jì)值1. 初始化:Ypri1=0N×1,vpri1=1-gAGCσ^2,zpri2=0N×1,zpost2=0N×12. fort

(12)

(13)

3.2 GTurbo信號檢測算法

(14)

圖4 GTurbo信號檢測算法框圖Fig.4 Block diagram of GTurbo data detection algorithm

算法2 GTurbo信號檢測器輸入:量化接收數(shù)據(jù)信號Y～D,信道頻率響應(yīng)估計(jì)值h^d輸出:發(fā)送數(shù)據(jù)信號估計(jì)值xpost21. 初始化:Ypri1=0N×1,vpri1=1N∑j∈χdhj2,zpri2=0N×1,zpost2=0N×12. for t

(19a)

(19b)

4 鏈路自適應(yīng)仿真結(jié)果及分析

4.1 GTurbo信號重構(gòu)仿真結(jié)果及分析

為了形成鏈路自適應(yīng)控制所需的傳輸效果記錄表，需要在一定范圍內(nèi)測試QOFDM系統(tǒng)在不同導(dǎo)頻插入間隔、不同量化精度、不同調(diào)制方式和不同接收信噪比下的信號重構(gòu)誤碼率。

圖5為接收端不同量化精度下QOFDM系統(tǒng)的誤比特率曲線。系統(tǒng)誤比特率隨著接收信噪比的增加呈下降趨勢，同等導(dǎo)頻插入間隔與調(diào)制方式下，接收端ADC量化精度越高，系統(tǒng)誤比特率性能越好。量化精度為1～2 bit的系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的誤差平臺(tái)問題，由于接收信號幅度信息損失較大，接收信噪比增大到一定程度后，系統(tǒng)難以克服超低精度量化引起的非線性失真，誤比特率無法再繼續(xù)下降。而在量化精度增長到4 bit后，已經(jīng)獲得了較接近高精度系統(tǒng)的信號重構(gòu)性能，例如系統(tǒng)在SNR=14 dB的情況下誤比特率為0.006 8，而相同SNR下6 bit量化精度的系統(tǒng)誤比特率為0.004 2。在參數(shù)調(diào)整策略的約束下，系統(tǒng)會(huì)在確保消息傳遞算法信號重構(gòu)性能的情況下，盡量選取較低的ADC量化精度，以節(jié)約系統(tǒng)功耗。

圖5 不同量化精度下QOFDM系統(tǒng)BER曲線Fig.5 BER curve of QOFDM system with different quantization resolution

然后，固定接收端的ADC量化精度B=4，信號調(diào)制方式為16QAM調(diào)制，改變導(dǎo)頻插入間隔，測試QOFDM系統(tǒng)在GTurbo信道估計(jì)和信號檢測下隨接收信噪比的誤比特率變化情況。圖6為導(dǎo)頻間隔由1變化到20時(shí)QOFDM系統(tǒng)的誤比特率曲線。在系統(tǒng)接收信噪比較大時(shí)，隨著導(dǎo)頻間隔的增大，系統(tǒng)的信號重構(gòu)性能逐漸降低，一方面，低精度量化引起了接收信號的幅度信息損失，破壞了子載波觀測量之間的正交性，引入導(dǎo)頻點(diǎn)信道估計(jì)誤差；更進(jìn)一步地，導(dǎo)頻插入間隔逐漸增大以致于超出相干帶寬范圍，信道頻率選擇性衰落的影響將進(jìn)一步加重，因此通過插值方法恢復(fù)出的信道估計(jì)結(jié)果將存在更大的誤差；另一方面，GTurbo算法的信道估計(jì)是對一個(gè)OFDM符號上的所有導(dǎo)頻信號進(jìn)行聯(lián)合信道估計(jì)迭代的過程，導(dǎo)頻觀測量的減少將會(huì)帶來一定的信息損失，信號重構(gòu)性能的誤差將增大。仿真結(jié)果表明，在不同的導(dǎo)頻插入間隔模式下，接收端消息傳遞算法的信號重構(gòu)性能存在差異，而在對QOFDM系統(tǒng)的導(dǎo)頻插入間隔進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)頻插入間隔越小，整個(gè)無線幀中導(dǎo)頻所占用的無線傳輸資源就越多，不利于有效數(shù)據(jù)信息的高速傳輸。在本文設(shè)計(jì)的鏈路自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整策略的約束下，可由有效數(shù)據(jù)傳輸速率的定量分析獲得系統(tǒng)誤比特率性能和無線傳輸資源分配的折中考慮下的導(dǎo)頻插入間隔設(shè)置方案。

圖6 不同導(dǎo)頻插入間隔下QOFDM系統(tǒng)BER曲線Fig.6 BER curve of QOFDM system with different pilot insertion intervals

最后，將導(dǎo)頻插入間隔設(shè)為P=2，接收端的ADC量化精度設(shè)為B=4，改變信號調(diào)制方式為BPSK或4QAM或16QAM，測試QOFDM系統(tǒng)在GTurbo信道估計(jì)和信號檢測算法下隨接收信噪比的誤比特率變化情況。圖7為不同信號調(diào)制方式下QOFDM系統(tǒng)的誤比特率曲線。在不同的信號調(diào)制方式下，系統(tǒng)的誤比特率性能具有明顯差異。隨著信號調(diào)制階數(shù)的升高，信號檢測結(jié)果在低精度量化噪聲和傳輸噪聲等干擾的影響下發(fā)生判決錯(cuò)誤的概率升高，系統(tǒng)的信號重構(gòu)性能下降。然而，高階調(diào)制具有更高的頻譜效率，且在同等符號速率的情況下，調(diào)制階數(shù)越高，系統(tǒng)的比特速率就越高。由于信號調(diào)制階數(shù)對系統(tǒng)比特速率的影響十分顯著，在本文設(shè)計(jì)的鏈路自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整策略①的約束下，為了維持較高的有效數(shù)據(jù)傳輸速率，在一定接收信噪比范圍內(nèi)都會(huì)優(yōu)先選擇高階調(diào)制方式，當(dāng)系統(tǒng)的通信質(zhì)量惡化到一定程度時(shí)，高階調(diào)制方式下的所有參數(shù)配置模式都無法滿足系統(tǒng)的誤比特率要求，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)放寬有效數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，將信號調(diào)制階數(shù)降低，以維持較高誤比特率性能的可靠傳輸。

圖7 不同調(diào)制階數(shù)下QOFDM系統(tǒng)BER曲線Fig.7 BER curve of QOFDM system under different modulation methods

總的來說，不同參數(shù)配置模式的QOFDM系統(tǒng)具有較大的誤比特率和有效數(shù)據(jù)傳輸速率跨度，不同信道環(huán)境下改變參數(shù)配置模式能實(shí)現(xiàn)相近的信號重構(gòu)性能，鏈路自適應(yīng)傳輸方案可行。在QOFDM系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)中，ADC量化精度、導(dǎo)頻插入間隔和信號調(diào)制方式等參數(shù)共同制約著系統(tǒng)的信號重構(gòu)性能，同時(shí)，也存在著系統(tǒng)誤比特率性能與系統(tǒng)能量效率、無線傳輸資源分配、系統(tǒng)頻譜效率等多種指標(biāo)的折中問題。因此，在對鏈路自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整策略進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，使用系統(tǒng)誤比特率分析和有效數(shù)據(jù)傳輸速率分析能夠折中考慮各無線傳輸指標(biāo)，獲得較優(yōu)的參數(shù)配置方案。

4.2 鏈路自適應(yīng)方案分析

在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上生成傳輸效果記錄表，假設(shè)系統(tǒng)的初始參數(shù)為調(diào)制方式16QAM，導(dǎo)頻插入間隔P=20,ADC量化精度B=4 bit。將參數(shù)調(diào)整策略①中的誤比特率上限PR設(shè)為0.005，有效數(shù)據(jù)傳輸速率下限RSNR在SNR為8 dB以下時(shí)設(shè)為10 Mbit/s，在SNR為8～12 dB時(shí)設(shè)為30 Mbit/s，在SNR為12 dB以上時(shí)設(shè)為45 Mbit/s。用接收信噪比的變化模擬信道環(huán)境的變化，測試接收信噪比由20逐漸降低到0時(shí)，使用鏈路自適應(yīng)傳輸方案后的系統(tǒng)誤比特率變化和系統(tǒng)能量效率變化情況。

如圖8所示，在系統(tǒng)SNR由20 dB逐漸降低的過程中，具有鏈路自適應(yīng)傳輸方案的QOFDM系統(tǒng)能在一定SNR范圍內(nèi)保持較優(yōu)的誤比特率性能，呈現(xiàn)出較好的環(huán)境適應(yīng)能力，而固定參數(shù)的QOFDM在接收信噪比降低時(shí)誤比特率性能逐漸降低，通信質(zhì)量逐漸惡化。具體的參數(shù)配置模式調(diào)整過程如表1所示。在通信環(huán)境中干擾增強(qiáng)，系統(tǒng)接收信噪比降低的過程中，首先，參數(shù)調(diào)整策略①篩選出了多組具有較優(yōu)信號重構(gòu)性能的參數(shù)配置模式，在有效數(shù)據(jù)傳輸速率下限的約束下，系統(tǒng)的調(diào)制階數(shù)被基本確定，最后在策略②和策略③的約束下選取ADC量化精度最低且有效數(shù)據(jù)傳輸速率最高的一組參數(shù)。注意到在接收信噪比極低如SNR=0～4 dB時(shí)，通信質(zhì)量的惡化程度已經(jīng)超出了系統(tǒng)的可控范圍，此時(shí)系統(tǒng)選擇使用最低調(diào)制階數(shù)、最小導(dǎo)頻插入間隔、最高量化精度，來獲得該環(huán)境下的最優(yōu)誤比特率性能。

圖8 QOFDM鏈路自適應(yīng)BER曲線Fig.8 BER curves of QOFDM link adaptative transmission scheme

表1 接收信噪比變化下的參數(shù)配置模塊輸出結(jié)果Tab.1 Output result of the parameter configuration unit under the change of received SNR

5 結(jié)束語

本文基于低精度量化OFDM無線傳輸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種QOFDM鏈路自適應(yīng)無線傳輸方案，其核心思想是針對QOFDM系統(tǒng)對于信道環(huán)境魯棒性較差的問題，充分利用QOFDM系統(tǒng)豐富的參數(shù)配置模式，通過通信質(zhì)量檢測和參數(shù)調(diào)整策略設(shè)計(jì)，據(jù)此可在信道環(huán)境變化時(shí)靈活調(diào)整系統(tǒng)的調(diào)制階數(shù)、導(dǎo)頻插入間隔和ADC量化精度，從而在保持系統(tǒng)較低功耗的情況下維持系統(tǒng)的可靠傳輸。仿真結(jié)果表明：不同參數(shù)配置模式下的QOFDM系統(tǒng)的誤比特率性能存在明顯差異，在使用鏈路自適應(yīng)傳輸方案后，系統(tǒng)能有效適應(yīng)信道環(huán)境變化，在一定信噪比范圍內(nèi)保持較優(yōu)的誤比特率性能，且維持較高的有效數(shù)據(jù)傳輸速率和最低的ADC功率。