孙锦华老师高效频谱CPM调制和CPM的容量.pptx

无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 1摘要nS.Benedetto，Optimization of CPM pragmatic capacity，IEEE Global Telecommun.Conf.Nov.2007 nAlbert Perotti，Capacity-achieving CPM schemes，Submitted to IEEE Transactions on Information Theory，2008无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 2摘要无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 3摘要无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 4摘要nChun-Hsuan Kuo，Improving the bandwidth efficiency and performance of CPM signals via shaping and iterative detection，MILCOM，2005无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 5摘要nA.Barbieri，Markov Capacity of Continuous Phase Modulations，IEEE International Symposium on Information Theory，ISIT2007无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 6摘要n在这些研究中，是在包含信号99%能量带宽定义下得出的CPM谱效率，在多用户系统下是否成立？n在此前提下可达容量限的CPM方案在多用户系统中是否是最佳参数？n一些改进谱效率的方法在多用户环境下是否同样有效？无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 7背景高速宽带传输系统的设计n更高的传输效率频谱效率n更大的容量信道容量n更可靠的传输质量和性能功率效率无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 8背景n对于调制方式来说，频谱效率是一个非常重要的指标，因为它定量的描述了在给定的单位频带内每秒钟可以承载的信息比特量。n从信息论的角度考虑，无线信道的信息传输需要更好的编码方式使得信息容量更加接近理论容量。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 9背景l在单载波传输系统中，为了有效的利用有限的频带资源、避免信号包络起伏对线性功放的严格要求可以选择包络恒定或包络波动较小的调制方式。连续相位调制信号（Continuous Phase Modulation）就是这样一类恒包络、相位连续的调制信号，与其它线性调制技术相比，它具有很高的带宽和功率利用率。由于包络恒定，它对功放的非线性特性不敏感；而相位连续，又使得其带外辐射较小，因而产生的邻道干扰也较小。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 10背景n尽管典型的CPM功率都集中在频谱的较为集中的一部分，严格的讲其功率谱密度是无穷大的。为了估计频谱效率，需要采用适当的带宽定义方式。n通常采用的定义是基于信号功率集中部分的频带，部分功率保留带宽（包含信号给定功率的带宽，99%）。n也有基于Carson准则的定义（针对FM信号），数学上易处理。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 11背景n上述定义的缺限：未考虑信号功率的临道泄露，在真正的多用户环境中，上述定义几乎失效。n从通信系统观点来看，任何带宽定义的最终目标都是用来衡量一个信号所占用的可用频谱。在频分复用系统中采用该定义以便了解临道应该被配置到多远的地方。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 12背景n在多用户环境下 带宽定义？频谱效率？信道容量？无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 13背景nAlan Barbieri等人（Spectrally Efficient Continuous Phase Modulations，IEEE Trans on Wireless Communications，Vol.8，No.3，March 2009）考虑了一个AWGN信道下的FDM-CPM系统，其中所有子信道等间隔分配，并采用相同的CPM波形，因此一个CPM信号的有效带宽就可以定义成两个相临信道之间的信道间隔。并且估计了采用单用户检测时可达的最大信息容量（每个子信道采用专用接收机，ICI可以忽略）。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 14高效频谱CPM调制和CPM容量一、系统模型n CPM复基带信号无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 15高效频谱CPM调制和CPM容量n在多信道FDM-CPM系统中，所有信道采用相同的CPM信号和输入符号集，假定输入数据流相互独立，所有信道接收功率一样、并且已获取时间同步，信道为AWGN。复低通等效接收信号为无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 16高效频谱CPM调制和CPM容量n考虑单用户接收机 接收信号会受到背景噪声和临道干扰的影响。一般的单用户检测中会假定频率间隔F足够大，在感兴趣的带宽内，第三项可以忽略。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 17高效频谱CPM调制和CPM容量n此系统中将干扰建模为零均值、功率谱密度为2NI，独立于加性噪声的高斯过程。n接收机处的信道模型可以假定为 n(t)是零均值、功率谱密度为2(N0+NI)的高斯过程。辅助信道模型无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 18高效频谱CPM调制和CPM容量二、性能限两个指标：信息容量和频谱效率 这个问题属于mismatched decoding，无法得到封闭解，需要通过基于仿真的方法解决。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 19高效频谱CPM调制和CPM容量n可达信息速率（AIR：Achievable information rate）上标N表示截取序列的前N个元素Dieter M.Arnold，Simulation-Based Computation of Information Rates for Channels With Memory，IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY,VOL.52,NO.8,pp.3498-3508,AUGUST 2006.无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 20高效频谱CPM调制和CPM容量可以通过MAP检测算法的前向递归得到。对于失配接收机（mismatched receiver），当CPM调制器输入端的信息速率不超过 时可以保证无差错传输。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 21高效频谱CPM调制和CPM容量n从系统的观点来考虑，频谱效率（在单位时间和单位带宽内所能传输的信息量）是一个更为重要的指标。n在多用户信道下2K+1个单用户接收机可获得的整个信息速率为无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 22高效频谱CPM调制和CPM容量n多用户信号的功率谱为 SX(f)为单用户的功率谱密度n假定用户数足够大，可达的频谱效率（ASE：Achievable Spectral Efficiency）为无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 23高效频谱CPM调制和CPM容量nsingle-userF无穷大、NI为0。n可以定量的看出，F越小（临道干扰越大），得到的AIR越小。n当F的取值使得99%信号能量集中在-F/2，F/2时，FT=1.2（MSK）、FT=1.1（四进制2RC，h=1/5），干扰的影响几乎为零。n当NI的影响被低估时，AIR会随SNR的增加而降低。信道间隔F和临道干扰NI不同时，AIR与信噪比的关系无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 24高效频谱CPM调制和CPM容量n达到最大达到最大AIRAIR的的F F值并没有值并没有达到最佳的达到最佳的ASEASE，当主要考虑频谱效率时，需要在AIR和ASE之间进行权衡。n对于MSK，基于信号99%能量将得到FT=1.2，而 FT=1.2的频谱效率远低于FT=0.55，这个结论与以前不考虑ICI多用户环境的结论是相矛盾。信道间隔F和临道干扰NI不同时，ASE与信噪比的关系无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 25高效频谱CPM调制和CPM容量随着信噪比的增加，ASE在增加，最优信道间隔也在增加。在低信噪比情况下，可以有把握地减小信道间隔，因为只要干扰功率低于背景噪声，就不会明显影响AIR。在信噪比较大时，NI对于最优ASE的影响是较大的，需要对NI进行优化。三、频谱效率的优化目标对于给定CPM信号，找到能够提供最大ASE的信道间隔F无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 26高效频谱CPM调制和CPM容量n对于给定的NI和Es/N0，函数 的特性并不容易通过闭式来分析，但是通过物理论证可以看出当F0或F，趋于0。从图3也可以看出，有最大值。n对于给定CPM参数和信噪比，谱效率的优化问题即为寻找最大的ASE。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 27高效频谱CPM调制和CPM容量n在F和NI的参考坐标上搜索 的最大值 将Es/N0化为Eb/N0可得到关于比特信噪比的ASE。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 28高效频谱CPM调制和CPM容量nCPM其他参数固定的情况下，采用采用RECREC频率脉冲的最大谱效频率脉冲的最大谱效率要优于率要优于RCRC频率脉冲频率脉冲。而之前的研究结论是RCRC频率脉冲的谱频率脉冲的谱特性更好特性更好。CPM信号的最大ASE与Eb/N0的关系无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 29高效频谱CPM调制和CPM容量n最优信道间隔随信噪比的增加而增加。n随着信噪比的增加，最优信道间隔的还是要小于包含99%信号功率的带宽。AIRAIR和和ASEASE之间之间的权衡是必须的的权衡是必须的。99%信号功率带宽 binary 2RC h=1/3 0.91 binary 2REC h=1/3 0.67nREC的最优信道间隔远小于RC的最优信道间隔，这也说明了为什么REC的谱效率要高于RC的谱效率。最优信道间隔与Eb/N0的关系无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 30高效频谱CPM调制和CPM容量n事实上，RC脉冲的频谱看起来更“紧凑”，但是他们对于ICI的稳健性要弱于REC脉冲。在经典的文献和近期的文献中均未考虑信号对于ICI的稳健性，因此普遍认为RC脉冲更为有效。nGMSK BT=0.3，大信噪比下最优信道间隔为0.55（GSM中实际采用0.74），频谱效率可以改善25%。对于较小的信噪比，最优信道间隔更小，在不同用户处可以选择不同的信道间隔以获得ASE的改善。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 31高效频谱CPM调制和CPM容量四、其他几个方面对频谱效率的影响1.输入统计特性的优化C.H.Kuo，“Improving the bandwidth efficiency and performance of CPM signals via shaping and iterative detection”，MILCOM，pp596-602，Oct.2005 指出通过恰当选择输入序列的成型方式改变其分布特性可以改善频谱效率。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 32高效频谱CPM调制和CPM容量n输入优化并没有带来谱效率的改善nQuaternary 2REC h=1/2 FT=0.96 Octal 2REC h=1/2 FT=0.87 在i.u.d和shaping时均达到1.8b/s/Hz 在在AIRAIR和和ASEASE之间做出适当之间做出适当的折中后，输入优化不会带的折中后，输入优化不会带来性能的改善来性能的改善。独立均匀分布和采用成型时CPM的最大谱效率无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 33高效频谱CPM调制和CPM容量nA.Barbieri，“Markov capacity of continuous phase modulation”IEEE International Symposium Inform.Theory,June 2007 提出在CPM调制器输入符号间引入适当的相关性来改善频谱效率。在忽略临道干扰、采用Carson带宽定义下，分析了一阶、二阶Markov源，通过优化转移概率使得频谱效率最大化。在输入符号间引入适当的相关性可以显著的减小占用带宽，而带来的信息速率的减小基本忽略不计。因此总的频谱效率可以大大提高。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 34高效频谱CPM调制和CPM容量n相关输入与独立均匀分布相比ASE大大减小了n在多信道情况下，放弃输放弃输入的无记忆性、人为引入入的无记忆性、人为引入相关性总是使相关性总是使ASEASE降低降低。独立均匀分布和一阶Markov相关输入时CPM的最大谱效率无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 35高效频谱CPM调制和CPM容量2.相位脉冲的优化定义一个SREC（short-rectangular）脉冲标准REC丧失CPM相位的连续性无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 36高效频谱CPM调制和CPM容量n （与PSK类似）的谱效率优于 （标准REC），这个结论也与之前CPM文献得出的结论是相反的（相相位连续性是为了获得更好的频谱特性位连续性是为了获得更好的频谱特性）。n虽然失去相位连续性会带来带宽的扩展，事实上频谱看起来会不太紧凑，但是由于对ICI稳健性增加使得总的ASE得到改善。n从信息论的角度来看，在多信道场景中，连续相位并不会像所期待的那样连续相位并不会像所期待的那样带来好处带来好处，有时MPSK比CPM会带来更好的谱效率。SREC脉冲对谱效率的影响无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 37高效频谱CPM调制和CPM容量3.EXIT图分析 通过一般的编码方式就可以达到上述理论性能，串行级联CPM的EXIT图就可以说明。在其它参数（L，M，h，Es/N0）固定的情况下，RC的EXIT曲线完全在REC的 EXIT曲线之上。在无干扰情况下，不管采用何外码，在无干扰情况下，不管采用何外码，RCRC比比RECREC的信噪比收敛门槛要低的信噪比收敛门槛要低。这与SCCPM的结论是吻合的。在有干扰情况下，EXIT曲线明显下降了，收敛门限会升高。值得注意的是RCRC的的EXITEXIT曲线下降曲线下降更为明显更为明显。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 38高效频谱CPM调制和CPM容量n外码采用1/2码率的（5，7）卷积码，在ICI环境下，2REC的EXIT曲线完全在外码的EXIT曲线之上，对应于迭代译码的瓶颈区，Es/N0=0.04dB就是保证误比特率可以收敛的最小信噪比。n根据仿真，binary 2REC h=1/3的CPM在FT=0.43，Es/N0=-1.33dB时达到最大谱效率，相应信息容量为1/2 b/ch.use。而EXIT图分析得到的收敛限要比这个信噪比低1.37dB，这主要是因为外码（5，7）是随意选取的，并没有进行优化。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 39高效频谱CPM调制和CPM容量n下表列出了可达信息容量为1/2时所需的信噪比以及通过EXIT图分析得到的信噪比收敛门限。由于信息论性能限和EXIT收敛门限之间的差距，对于给定对于给定CPMCPM和信道间隔可以根据收敛门限的最和信道间隔可以根据收敛门限的最小化来小化来设计外码设计外码。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 40高效频谱CPM调制和CPM容量n4.多用户解调器 考虑多用户接收机模型 与实际信道更为吻合；采用线性均衡、干扰抵消等多用户接收机时可以在J 较大时给出实际的性能界。无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 41高效频谱CPM调制和CPM容量n多用户接收机的谱效率要高于单用多用户接收机的谱效率要高于单用户接收机户接收机n对于2RC信号，多用户接收机的最优信道间隔减小了，多用户接收机对于信道间干扰更稳健，可以减小信道间隔以提高谱效率n对于MSK信号，FT=0.5时ASE出现了局部最小值。在频域上距离FT=0.5的两个临接的MSK信道会对彼此产生严重的干扰，因为在相同符号周期内一个信道传输+1符号的波形与另一个信道传输-1符号的波形是无法区分的（下行链路所有信道时间同步）。J=1，没有加性高斯噪声的谱效率无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 42高效频谱CPM调制和CPM容量n思考：1）在多用户系统中，对于任意给定CPM信号，通过引入有效带宽，可获得的频谱效率比传统的单用户系统中固定的、未优化信道间隔（根据信号能量确定）的情况要显著提高，选择系统参数来达到最优的谱效率。2）在多用户信道下信道间隔可以比以往单用户系统的带宽定义下得出的信道间隔更小，从而在由于ICI引起的信息容量损失和利用有效的频谱资源之间获得折中。3）模型及结论的完备性？无线通信发展面临的基础理论问题和数学问题研讨会 43结束谢谢大家！