（无线电物理专业论文）基于用户比例公平的ofdma系统动态资源分配算法的研究.pdf

摘璎 基于用户比例公平的o f d m a 系统动态资源分配算 法的研究 专业：无线电物理 硕士生：何小利 指导老师：罗锡璋教授秦家银教授 摘要 正交频分多址技术( o f d m a ) 又称m u o f d m ( m u l t i u s e ro f d m ) ，多用 户正交频分复用技术是基于o f d m 技术的一种新的多址方式，其具有频谱利用率 高、能有效对抗多径衰落等优点。o f d m a 技术可利用信道的动态衰落特性，根 据各个用户在不用子载波上的实际传输情况灵活地为每个用户分配所需的资源， 从而更加有效地将无线资源分配给共享这些资源的多个用户，获得较高的多用户 分集增益，提高系统的总体性能，故o f d m a 已成为未来移动通信系统的关键技 术之一。 其中，子载波、比特和功率动态资源分配技术是o f d m a 的关键技术之一。 无线信道的时变特性和频率选择性衰落，使得动态资源分配算法成为近年来研究 的热点问题。各个用户根据不同的q o s 要求分配得到合适的子载波、比特和功率， 能够使系统的资源利用率提高。因此，本文将子载波分配和功率分配算法作为研 究重点。 本文是在已有的经典资源分配算法的基础上，提出的一种次优化的自适应子 载波和功率分配算法。改进的算法是在o f d m a 系统的下行链路，以最大化系统 总容量为目标，在保证用户之间的比例公平性的同时，降低了算法的计算复杂度。 算法主要从两个方面进行了改进。首先，将o f d m a 系统的资源分配分为两个部 分，先对子载波进行分配，包括每个用户分配多少个子载波、具体分配哪些子载 波给特定的用户，完成资源的初始分配。其次，在已分配好子载波的基础上，再 中山大学硕十学位论文 对功率进行分配。功率分配部分，针对已有的算法进行改进之后，在保证原算法 系统容量不受损害的同时，较大地降低了算法的计算复杂度。 关键词：o f d m a 系统，动态资源分配，比例公平性，复杂度 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mo fo f d m as y s t e m sb a s e do n p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r ： r a d i op h y s i c s x i a o l ih e p r o f e s s o rx i z h a n gl u oa n dj i a y i nq i n a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( o f d m a ) ，w h i c hi sa l s o n a m e dm u l t i u s e r0 r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( m u l t i u s e ro f d m ) ， i san e wm u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u eb a s e do no f d m ，w h i c hh a sh i 【g h s p e c t r a l e f f i c i e n c y , a n di sr o b u s ta g a i nm u l t i p a t hf a d i n g t a k i n ga d v a n t a g eo ft h ed y n a m i c c h a n n e lf a d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s y s t e mr e s o u r c e sc a l lb ea l l o c a t e df l e x i b l yt o e v e r y u s e ra c c o r d i n gt h et r a n s m i s s i o ns i t u a t i o no nt h e i ri n d i v i d u a ls u b c a r r i e r s ，t h u sa l lt h e u s e r sc a ns h a r et h ew i r e l e s sr e s o u r c e sm o r ee f f i c i e n t l y , h i g h e rm u l t i u s e rd i v e r s i t y g a i nc a nb eo b t a i n e d ，a n db e t t e rt h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ep r o v i d e d t h e r e f o r e ， 0 f d m ah a sa l r e a d yb e e no n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s d y n a m i cr e s o u r c e sa l l o c a t i o nt e c h n i q u eo fs u b c a r r i e r , b i t ，a n dp o w e ri so n eo f t h ek e yt e c h n i q u e si no f d m as y s t e m d u et ot h et i m e v a r y i n ga n df r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e l ，d y n a m i cr e s o u r c e sa l l o c a t i o n a l g o r i t h m sw h i c hh a v eb e e nah o ts p o ti s s u ei nr e c e n ty e a r s t h r o u g ht h e s ea l g o r i t h m s ， e v e r yu s e rc a na b t a i n e dp r o p e rs u b c a r r i e r , b i t ，a n dp o w e ra c c o r d i n gt od i f f e r e n tq o s d e m a n d ，t h u st h es y s t e mr e s o u r c eu t i l i t yr a t i oc a nb er a i s e d a sar e s u l t ，w ew i l l r e s e a r c hm o r eo nt h es u b c a r r i e ra l l o c a t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m si n t h i s c o n t e x t h i 中山大学硕十学使论文 b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lr e s o u r c e sa l l o c a t i o na l g o r i t h m s ，t h i sc o n t e x th a s p r o p o s e das u b o p t i m a la d a p t i v es u b c a r r i e ra n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m t h i s i m p r o v e da l g o r i t h mm a x i m i z et h es y s t e mo v e r a l lt h r o u g h p u tw i t hm o r ed e c r e a s e d c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi nt h ed o w n l i n ko f d m as y s t e mw h i l em a i n t a i n i n gt h e p r o p o r t i o n a lf a i r n e s sa m o n gu s e r sa tt h es a m et i m e s t h e r ea r et w oi m p r o v e m e n t si n t h ea l g o r i t h m f i r s t ，s y s t e mr e s o u r c e sa l l o c a t i o ni sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，w h e r ei nt h e f i r s tp a r ts u b c a r r i e r sa r ea l l o c a t e df i r s t ，i n c l u d i n gt h ea m o u n to fs u c a l l r i e r sa n dw h i c h s u b c a r r i e r sf o re a c hu s e r s e c o n d ，p o w e ra l l o c a t i o ni sc a r r i e do u tu p o nt h ea i l o c a t e d s u b c a r r i e r s ，w h e r et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi sg r e a t l yd e c r e a s e dw h i l e m a i n t a i n i n gt h es y s t e mt h r o u g h p u to ft h eo r i g i n a la l g o r i t h m k e y w o r d s ：o f d m a ，d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n ，p r o p o r t i o n a l f a i m e s s ， c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y 1 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：何d 、匆1 日期：加伽年多月乙日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料 室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、 缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：何，j 、匆l 导师签名： 罗够本 日期：加d 年占月z 日日期：2 0 0 年6 月3 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着人们对通信业务需求的不断提高和互联网技术的小断发展，近年来，无 线移动通信技术正突飞猛进的发展。移动通信用户数目的急剧增加和人们物质生 活水平的提高，传统的语音业务早已无法满足人们对于通信的需求。未来可以预 计，无线通信技术将同时满足低的传输速率和更高的传输速率，提供更为便利和 丰富的多媒体业务。与此同时，频谱资源的有限性已经逐渐成为制约无线通信发 展的瓶颈，而信道干扰也更加严重。因此，如何开发频谱效率更高、抗干扰能力 更强的新型传输技术，以满足日益增长的用户需求，便成为当今无线通信技术研 究的热点之一。 下一代无线通信系统将最大限度地利用时域、频域、空域、码域等各种资源， 提供大容量的通信服务，同时能够提供高质量高速率的多媒体业务。在提高频谱 利用率的同时( 允许子信道频谱重叠) ，如何抗多径信道干扰也是一个重要的问 题，所以要求新的无线通信技术必须能够适应更加恶劣的信道环境，能够克服多 径衰落等各种不利因素的影响。正是在这种背景下，正交频分复用( o f d m ) 技 术应运而生。该技术可以有效的利用有限频谱资源，对抗各种不利环境引起的信 道多径衰落的影响，实现高速传输语音、图像、视频、数据等多媒体业务。 本章首先介绍了无线移动通信技术的发展，接着提出了选题背景和意义，然 后说明了研究现状，本章最后给出本文的主要工作及内容安排。 1 2 研究背景和意义 1 2 1 无线移动通信的发展 现代社会早已步入信息化的时代，在过去的几十年里，以固定通信、移动通 信和互联网为代表的信息技术迅猛发展，已被广泛地应用到了工业、农业、商业、 中山大学硕十学位论文 医疗事业、灾难防治、体育活动、居民生活等社会经济生活的各个方面。现代通 信技术的发展给人们的生活带来了极大地便利，未来，无线通信将会扮演更为重 要的角色。 追溯历史，我们依稀可以找到无线通信应用的痕迹早已从烽火戏诸侯的时代 开始。现代的无线通信史上不得不提到1 8 6 4 年的物理学家麦克斯韦对于电磁波 存在的预言。此后不久，德国人赫兹用实验事实证明了这个伟大预言的正确性和 前瞻性。而在1 8 9 7 年，马可尼第一次成功的使用了无线电波进行信息的传输。 无线通信技术飞速发展的序幕从此被揭开了。 上世纪7 0 年代美国贝尔实验室首次提出了蜂窝网的概念，并在之后的十年 内成功的开发了先进移动电话系统( a m p s ) 。作为第一代模拟移动通信系统的 代表，它可以采用模拟调制技术，提供简单的语音业务。这个时期的西方发达国 家都在投入蜂窝式的无线移动通信网络的开发，并且都是采用模拟调制技术和频 分多址技术( f d m a ) 。同时也带来了模拟系统本身存在的不足，如系统容量受 限、不能支持可变速率的数据业务，系统保密性较差等。基于此类局限性，作为 第二代无线移动通信的代表，上世纪8 0 年代中期，欧洲推出了全球移动通信系 统( g s m ) 。这也正是我们现在所普遍使用的数字移动通信系统。此时的第二代 移动通信可以提供语音业务和低速数据业务，并且实现了漫游功能。但是随着客 户对于高速率数据等多媒体业务的需求，国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年通过 了第三代移动通信系统的的技术规范i m t - 2 0 0 0 。相比于第二代移动通信系统， 3 g 网络大大的提高了系统的用户容量，并且可以达到最高2 m 的传输速率，除 了传统的语音业务，还为用户提供了高速数据传输、宽带多媒体业务。目前3 g 网络依然没有能够实现无线通信网络的统一，而且其技术核心没有完全脱离2 g 。 在此背景下，各国研究者又提出了第四代移动通信系统。 1 2 2 第四代移动通信的发展 第四代移动通信网络( 又称4 g ) 将包括现有的和未来的各种无线接入系统， 相比3 g 在技术和应用上都有着质的飞跃。4 g 用户将可以根据自己的需求，随 时、随地、获得所需的最优质服务。未来的4 g 网络将具备以下几种基本特点： 1 输出传输速率将从3 g 的极限2 m b p s 提高到最高1 0 0 m b p s t ，频谱利用 2 第1 章绪论 率也要大i 幅度的提高。 2 提供更为全面的业务支持，能够满足各种接入系统融合的网络平台。 3 具有很强的自适应性网络，满足用户同时对低速率和高速率的需求，同 时保证各种业务的服务质量。 4 终端功率损耗低。 为了满足第四代无线移动通信系统的要求，难点之一就是如何克服多径传播 引起的信号严重衰落和多径时延扩展引起的符号间干扰，在恶劣的信道条件下提 供高品质的高速数据传输【2 ，3 1 。正交频分复用( o f d m ) 作为一种多载波技术， 较好的解决了这种多径衰落对系统造成的影响。因此，o f d m 技术已被公认为 第四代无线通信系统的核心技术”1 得到广泛的研究。 1 2 3 选题的意义 未来的无线移动通信系统将以o f d m 作为其核心技术，而且o f d m 系统也 越来越广泛的用于各种现实领域中。 以不同传输速率、高频谱利用率、可提供多种宽带多媒体业务、满足小同用 户的q o s 要求为主要发展目标的未来无线移动通信技术，虽然目前已有的移动 通信网络在不断发展壮大，但仍然存在系统容量较小、频谱利用率不高、抗干扰 能力不强、链路传输时延较大、不适合传输高速数据和多媒体业务等缺点。为了 实现未来无线移动通信系统的发展目标，确保任何时间，任何地点，任何人或物 都可以进行通信，我们必须从通信网络的交换方式、传输路径和接入形式等各个 环节进行研究和突破。尤其是在移动多变的传输环境和有限的频谱资源条件下， 如何稳定可靠高效地支持高速率的数据和多媒体业务具有重要的研究价值。 o f d m 系统的出现成为这一切畅想变成为现实的保障。 本文主要是针对多用户接入方式的o f d m 系统，也即o f d m a 系统的资源 分配部分进行的讨论。o f d m a 系统中，采用动态自适应的资源分配算法对系统 性能的提高有重要的影响。一方面，o f d m a 系统具有与o f d m 系统相同的对 抗信道多径衰落的能力，另一方面，o f d m a 系统还能够利用多用户之间的信道 差异来获取更高的信道分集增益，从而有效地提高系统总体性能。因此，如何利 用自适应资源分配算法有效地利用o f d m a 系统的资源有重要的研究意义。 中山大学硕。 ：学位论义 1 3 研究现状 无线信道具有频率选择性和时变性，各个子信道的衰落时刻变化并月不尽相 同。无线通信网络中，为了更加有效的利用有限的资源，提高传输速率，就需要 采用动态自适应的资源分配方式。根据子信道的实际情况进行子载波、比特和功 率分配，从而更充分的利用有限的频谱资源。 自适应资源分配算法的研究中通常采用两种优化准则： 1 容量自适应准则( r a 准则) 。发射总功率固定的条件下，满足用户b e r 要求，达到系统的最大容量，它针对无速率限制的非实时业务的资源分配。 2 余量自适应准则( m a 准则) 。传输速率固定的条件下，满足用户b e r 要 求，达到系统发射功率的最小化，它针对确定传输速率限制的实时业务的资源分 配。 自适应资源分配算法的性能和复杂度是衡量算法好坏的重要标准。性能要求 分配结果接近最优化的计算结果。复杂度要求算法的计算复杂性小，能够保证实 时业务所需要的较少的运算时间。否则，复杂的算法将无法满足实时传输，高速 数据流。因此，我们的目标是用最简单的算法达到最接近于最优结果的分配方式。 人们对于o f d m 系统中的自适应资源分配算法己经作出了大量的研究，并 提出了一系列的自适应算法。其中最基本的算法就是基于注水原理的功率分配算 法，注水算法的基本思想为：s n r 较大的信道的对应功率也应该较大，而s n r 较低的信道的对应功率也应该较低，这样就可以实现信道容量的最大化，由此也 衍生了很多新的算法。注水功率分配方法虽然可以作为实现最佳功率分配的解决 方案，但是它的计算难度比较大，也不可能根据信道的实际状况进行精确的调节。 因此，许多复杂度相对较低的自适应分配算法被纷纷提出。 另外，g r e e d y 算法【5 1 是一种适用于o f d m 或者多载波系统的自适应比特功 率分配算法。基本崽想为：在每一次比特分配过程中，选择要求递增功率最小的 子载波，这样就可以保证总的发送功率最小或在总的发送功率固定的情况下使得 总的比特率最大。由于各个子信道相互统计独立，可以证明最佳的比特分配方法 是g r e e d y 方法。不过，g r e e d y 算法计算量非常大，速度非常慢，实时性较差， 因而1 、= 适用于高速数据传输。 多用户子载波分配使得一个子载波只能分配给一个用户，导致g r e e d y 方法 4 第l 章绪论 ! 曼曼曼曼! ! 曼! 曼曼曼! 曼曼| 一一一 i ii i i iiel i ii ii i i , i , 曼i 曼舞曼皇 可能不再是最佳的比特分配方法。最优的子载波分配方法可以采用多用户注水算 法来处理，但是又极大地增加了其复杂度。所以，往往需要找到一种平衡，寻找 次优算法。 针对两种分配准则，已有许多文献各自都提出了相应的次优化的算法。这里 将首先介绍基于m a 准则下资源分配算法的相关文献： w o n g 等人在文酬6 】中提出一种基于m a 准则的子载波分配算法。该算法通 过对m a 准则下的最优化问题的求解，得到一个最优的子载波和比特联合分配方 案，但是这种算法的运算量太大，不利于实时性业务的运用。随后，他们在同年 又提出了另一种次优化的子载波分配方法 7 1 ，其主要思想是将资源分配分两步进 行：第一步进行子载波分配，采用试探算法来实现较优的子载波动态分配。( 1 ) 子载波初始分配。首先根据每个用户的各个子载波的增益按从大到小进行排序， 得到子载波序号矩阵；然后从该矩阵的第一列子载波序号开始，依次将子载波分 给各个用户。( 2 ) 子载波调整，以减小系统总的发射功率为目标，在不同用户之 间进行子载波调整。第二步是在子载波上进行比特和功率分配，采用一维逼近算 法。w o n g 算法的运算复杂度较低，性能接近最优。 l i a n g 等人在文献【8 】中提出了一种基于m a 准则下的子载波分组的算法。将 信道增益相近的子载波进行分组，根据用户的速率和误码率要求，依次将分得的 子载波组分配给不同的用户使用，算法在降低计算复杂度的同时，使系统的容量 较固定资源分配的o f d m f d m a 系统提高接近4 d b 。z h a n g 在文献【9 】中提出一种 m a 准则下的次优化分配算法。先假设所有的用户都可以使用所有的子载波，由 此假设条件，先进行单个用户的子载波、比特和功率分配；然后处理可能存在多 次分配的子载波冲突。该算法的性能和运算复杂度跟w o n g 算法比较接近。 在这里，接着将介绍基于r a 准则的资源分配的相关文献： 其中，r a 准则下的资源分配算法又分为固定速率的资源分配和可变速率的 资源分配。y i n 和l i u 在文献【1 0 l 提出了基于r a 准则下的用户速率固定的资源分 配算法，算法提出一种新颖的比特加载方法，采取两步分配的步骤，首先根据用 户的平均信道增益和用户速率要求进行初始功率分配和确定子载波数，第二步， 根据每个用户的信道特性进行子载波分配和比特加载。该算法提高了系统的容量 且计算复杂度降低。具有自适应资源分配的优化方法主要研究的是用户具有可变 中【i 大学硕十学传论义 速率的情况。r h e e 等人在文献】中提出了基于r a 准则下的自适应资源分配算 法，该算法提出平均功率分配条件下的最小用户速率最大化的子载波分配算法， 以此为基础最大化系统容量。s o n g 等人分别在在文献 1 2 1 5 1 中提出了跨层资源 分配的概念，将自适应资源分配技术根据物理层的信道衰落特性和m a c 层的 q o s 要求，灵活地进行子载波、比特和功率分配，更有效地利用系统资源，提高 了系统总体性能。j a n g 等人在文献f m 】中提出了基于r a 准则的资源分配算法，该 算法先子载波分配给信道增益最大的用户，然后用注水算法进行功率分配，实现 系统容量的最大化，该算法没有考虑用户的公平性。s h e n 等人在文献1 7 1 中，在 r h e e 等人提出的传统r a 准则的数学模型中引入了用户的比例公平限制条件，该 算法假设系统在信道条件较好的情况下，使资源分配算法根据用户的不同服务质 量要求，在子载波分配结束以后，按照用户的比例公甲限制进行功率分配，实现 了用户短期公甲的同时最大化系统容量。但s h e n 算法利用拉格朗日乘子法计算 分配的功率，计算复杂度较高。 w o n g 等人针对文献【1 7 】中的算法提出了一种低复杂度的资源分配算法，在文 献0 8 1 ，提出算法在子载波按照公平比例分配之后，对功率进行线性地分配，从 而使得计算的复杂度较s h e n 算法得到降低。m o h a n r a m 等人在文献【l9 】中提出一种 次优化的资源分配方法，该算法是先固定用户的功率进行子载波分配，在子载波 确定以后再进行功率的重新分配。算法将子载波和功率分配分两步进行，使得系 统的计算复杂度降低。 1 4 本文工作和章节安排 1 4 1 本文主要工作 本文主要讨论的是o f d m a 系统下行链路基于r a 准则的动态资源分配问 题。工作主要从两个方面进行研究。 首先讨论子载波分配部分，本文是在经典的子载波分配算法r h e e 算法【】和 s h e n 算法【l7 j 的基础上提出的一种具有用户优先级的动态子载波分配算法。提出 的子载波分配算法在s h e n 算法的前面加入了子载波个数的确定，然后根据用户 的平均信道增益确定用户选择子载波的优先级，让那些信道条件较差的用户优先 6 第1 章绪论 选择子载波。提出算法在保证了较好的公平性的同时，系统容量较经典算法更优。 相对于经典算法，本文提出算法在公平性和系统容量之间的折中。在公平性方面， 提出算法接近s h e n 算法，而在系统容量方面，本文提出的算法较r h e e 算法和 s h e n 算法都有一定的提高。 针对功率分配部分，s h e n 的动态资源分配算法采用拉格朗日乘子求最优解 问题计算复杂度极高，本章是在s h e n 的基于比例公平的功率分配算法基础上提 出的一种低计算复杂度的改进算法。改进算法在先假设用户内部的子载波平均分 配功率，然后利用文献f 2 0 】提出的思想进行用户之间的功率分配，最后对用户内部 子载波的功率进行调整，完成系统的功率分配过程。通过仿真比较可以看出， 改进之后算法的计算复杂度大大降低，同时依然能够达到较高的系统容量。 1 4 2 全文章节安排 本论文一共有六个章节，其中第四章和第五章是本论文的主要工作内容，这 两章分别针对自适应资源分配中的子载波分配和功率分配进行了研究。各章节安 排如下： 第一章，本章首先介绍了无线通信的发展历史和第四代移动通信的发展现 状，在此基础上说明了课题研究的背景和意义，并对目前研究的现状做了调查和 简单介绍。 第二章，主要介绍了o f d m 系统结构、基本原理、o f d m 系统的优缺点及 其关键技术。 第三章，对o f d m a 系统自适应资源分配算法做了详细介绍。首先介绍了 o f d m 系统的多址技术，o f d m a 系统模型和相关参数的说明，随后详细介绍了 o f d m a 系统资源分配的方案，最后介绍了o f d m a 系统的研究现状。 第四章主要针对子载波分配部分，提出了一种具有优先级的动态子载波分配 算法。本章先介绍了系统的优化目标，随后介绍了两种经典的子载波分配算法 r h e e 算法和s h e n 算法，在已有的经典算法基础上提出了本文的改进算法，最后 通过仿真比较了三种算法的系统性能，从仿真图中可以看出本文提出算法是在公 平性和系统容量之间取了折中。 第五章主要针对功率分配部分，提出了一种低复杂度的自适应功率分配算 7 中山大学硕十学位论文 法。本章首先具体介绍了s h e n 的功率分配算法【m ，然后介绍了一种改进的s h e n 的功率分配算法【2 。在此基础上提出了本文的改进算法，最后通过仿真比较三种 算法的系统性能，得出了改进算法是在降低计算复杂度的同时依然能够达到较高 的系统容量。 第六章是本论文的工作总结和下一步的工作安排。 8 第2 章o f d m 系统及其芙键技术 鼍曼曼鼍! 曼! r o l l _l _ m l - - i 第2 章o f d m 系统及其关键技术 2 1o f d m 系统基本原理 正交频分复用技术( o f d m ) 【2 2 1 使用一种特殊的多载波调制方式，它将一串 数据流串并变换为若干个并行子数据流，使得每个子数据流有较低的传输速率， 然后用它们分别去调制各个子载波，再进行并行传输。这个过程中每个子信道中 的符号周期相对的增加，使得无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系 统造成的影响减轻了。同时o f d m 系统还可以添加保护间隔，最大限度的消除 了多径带来的符号间干扰( i s i ) 和信道间干扰( i c i ) 。o f d m 系统框图如图2 1 ： i 多径传播 l ( f t ) 图2 1o f d m 系统框图 2 1 1o f d m 系统及基本模型 每个o f d m 符号都是由多个经过调制的子载波信号组成的，每个子载波都 可以选择相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q p d v l 等符号调制方式。n 为系 统子载波数，为一个o f d m 的宽度，用z ( = 0 ，1 , - n - 1 ) 表示每个子载波上的 数据符号，五为第0 个子载波的载波频率，则从r = 开始的o f d m 符号可以表 示为： s 。，= r e 荟n - i 珥，口，c ( ，一三) e x p ，2 万( 石+ 事) ， ) ，。，丁 c 2 一， 9 中山大学硕十学位论文 曼曼! 。一一 ； 一一_ i i 鼍! ! ! ! 曼曼! ! 曼! ! 曼! ! 曼! ! 皇! 曼曼曼! ! 曼! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼 采用等效基带信号描述o f d m 的输出信号，则可以表示为： s o ，= 篓z ，p 纪( ，一吾) e x p ( 2 万事，) ，。，丁 c 2 2 ， o f d m 系统调制和解调框图如图2 2 所示【5 】： e x p ( 一j z t n t 7 ) e x p ( f l r n t 7 ) 磊j j 叫q 1 ， 寓 并 e x p f l r ( n - - ! 九一一j q + 1卜+ 蔓p 信 并 道 审 e x p - j t t ( n - 2 ) t t 】 图2 2o f d m 系统调制和解调原理图 从式2 - 2 可以看到，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含了整数倍个 周期，且相邻的子载波间相差都是1 个周期，因此子载波之间是满足正交关系的。 o f d m 系统的调制和解调可以分别由离散逆傅立叶变换( i d f t ) 和离散傅立 叶变换( d f t ) 2 3 1 来完成。在实际应用中，也可以采用更加方便的快速傅立叶变 换( f f t 和i f f t ) 来替代i d f t 和d f t 。，实现o f d m 的调制和解调。 2 1 2o f d m 的保护间隔和循环前缀 o f d m 技术把高速数据流串并交换转化为多路并行的低速数据流，使得每个 调制的子载波的符号周期增加为原来的n 倍，导致多径时延扩展和符号周期的 比值降低了n 倍。此外，为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个o f d m 符号之间插入长度大于无线信道的最大时延扩展保护间隔( g i ) 2 4 】，使得每个 符号的多径分量不会对下一个符号产生干扰。这段时间内，不插入任何信号的保 护间隔空闲使得相邻子载波之间的周期个数不再是整数，多径传播会产生信道间 干扰，因而破坏了子载波之间的正交性。图2 3 表示给出了这一过程中第1 子载 波和第2 子载波的延时信号【2 5 】。 使用循环前缀是一个避免i c i 干扰的有效办法。循环前缀就是将每个o f d m 符号内的最后一段大于信道时延扩展的波形复制到o f d m 符号的前面，形成前 缀。在o f d m 符号内加入循环前缀，每个子载波内都有一个整数倍的循环，而 l o 第2 章o f d m 系统及其天键技术 且各个子载波的周期个数也是整数差，因此时延信号就不会产生子载波间干扰。 如图2 _ 4 所示。 第1 子载波 l i i i i l i i i i i i ：保护 i 具有多径时延的第2 子载波 图2 3 空的保护问隔导致载波问干扰 i l o f d m 符号时间 图2 - 4 循环前缀的示意图 中山大学硕十学位论文 2 2o f d m 系统的特点 由于o f d m 技术的众多优点，它已经成为未来通信的关键技术之一。总结 起来，o f d m 系统具有以下的优点： 1 o f d m 技术经过串并转换把信息通过多个子载波并行传输，从而增长了每 个子载波上的数据符号的长度，减小了信道时延扩展带来的码间干扰。通过添加 长度大于最大时延扩展循环前缀，o f d m 系统可以完全消除i s i 造成的影响f 2 6 1 ， 极大地降低了接收机内部均衡的复杂度。 2 o f d m 系统选用相互之间正交的各个子载波，允许它们的频谱相互重叠， 接收机可以通过滤波器分离出各个子频带。从而，极大地提高了频谱的利用率 1 2 7 1 ，o f d m 技术也最大限度地利用了有限的频谱资源。 3 o f d m 系统的调制和解调可以使用快速傅立叶变换和反变换技术 ( i f f t f f t ) 2 s 1 来完成，极大地降低了多载波系统的复杂性，成本也更低。同 时o f d m 系统突破了传统多载波系统的限制，在载波数上可以达到很大的数目。 4 一般的无线数据业务都要求下行链路的数据传输远大于上行链路的数据 传输，o f d m 系统可以较为容易的通过不同数量的子信道实现传输速率的差异， 支持无线数据业务的非对称要求。 5 o f d m 系统可以根据信道的实时要求，结合自适应资源分配技术，采用动 态比特分配和动态子信道分配的方式，选择最佳的子信道和比特的搭配进行传 输，实现系统性能的提升。 6 基于o f d m 系统，可以形成多种多址方式，例如m c c d m a t 2 9 1 、o f d m a 和o f d m t d m a 。 o f d m 系统是多个正交子载波，其输出信号存叠加，因此也不可避免的存 下如下缺点： 1 对频率偏差和相位噪声比较敏感。由于o f d m 系统对子载波的相互正交 性要求较高，频率偏差和相位噪声会破坏各个子载波之间的正交特性，因此会产 生子载波间干扰，降低系统性能。 2 较高的峰值平均功率比。o f d m 系统的输出是多个子信道信号的叠加， 当多个信号相位一致时，所产生的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功 率，从而导致较大的峰值平均功率比。这对于系统的设备要求更加复杂，同时还 1 2 第2 章o f d m 系统及其关键技术 可能带来信号畸变，使系统性能变差。 3 负载算法和自适应调制技术对于系统复杂度的增加。负载算法和自适应 调制技术的使用使得发射机和接收机的复杂度大大增加，如果终端移动速度每小 时高于3 0 公里时，自适应调制技术难以派上用场。 2 3 o f d m 系统参数选择 o f d m 系统中，首先要确立的三个比较重要的参数是：符号周期、保护间 隔和子载波数量。各种参数的选择需要在系统多重要求下进行折中考虑。一般而 言，保护间隔的时间长度是无线信道的实验扩展方根值的2 4 倍，系统确定了保 护间隔，就可以固定o f d m 符号周期的长度。为了最大限度地减小由于插入保 护比特所带来的信噪比损失，要求o f d m 符号周期长度远远大于保护间隔长度。 尽管如此，o f d m 符号的周期长度还是不能无限大，畲则就会使得o f d m 系统 中要包含更多的子载波，导致子载波间隔相应减少，系统的实现复杂度增加，一 般选择符号周期的长度是保护间隔长度的5 倍。符号周期和保护间隔确定之后， 利用3 d b 带宽除以子载波间隔可以直接得到子载波的数量。抑或，利用总的比 特速率除以每个子信道要求的比特速率来确定子载波的数量。各个子信道中所要 求的比特速率可以由调制类型、编码速率和符号速率来确定。 2 4o f d m 系统关键技术 2 4 1 同步技术 o f d m 系统的同步技术主要包括：载波频率同步、符号定时同步和采样时 钟同步。载波频率同步是估计并校正数据量中存在的频率偏移，0 f d m a 系统对载 波频偏特别敏感。符号定时同步主要是为了确定什么时候信号符号开始，有两种 确定方法：基于保护间隔的符号同步和基于导频的符号同步。采样时钟同步主要 是解决采样频率偏移和采样相位偏差问题。 在单载波系统中，载波的频率偏移只会对接收信号造成一定的幅度衰减和相 位旋转，这可以通过均衡等方法来克服。但对于多载波系统，载波的频率偏移会 造成子信道之间的干扰。o f d m 系统有多个相互正交的子载波，其输出信号是 1 3 中山大学硕十学位论文 曼曼! 皇曼! 曼! 曼! 鼍i i i ； i i_ 。i i i i 曼! 舅曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼! ! ! 曼曼曼! 曼曼曼曼! ! 曼! ! ! ! 皇蔓曼曼曼曼鼍 多个子信道信号的叠加，因此它们之间的正交性有严格的要求。由于无线信道具 有时变特性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，如多普勒频移，或者由 于发射机内载波频率与接收机本地振荡器之间的频率偏差，都会使得o f d m 系 统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子载波间信号的相互干扰 ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。如果不采取措施对i c i 加以克服，会对系统性能 带来严重的影响，可能导致无论怎样增加信号的发射功率，也无法显著地改善系 统的性能。此外，在信号解调过程中，接收机是在时域的任意点开始接收数据的， 而0 f d m 是基于符号的，这就需要检测到符号的起始位置，否则会因为符号的起 始位置的不同，而导致符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，这就是我们所 说的符号定时同步。 同步是o f d m 技术中的一个难点问题，为此，很多研究也提出了多种o f d m 同步算法，这些算法主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进 行。常用算法有利用奇异值分解的e s p r i t 同步算法和m l 估计算法，其中 e s p r i t 算法虽然估计精度高，但计算复杂也较高，计算量很大，而m l 算法利 用o f d m 信号的循环前缀( c p ) ，可以有效地对o f d m 信号进行频偏和时偏的 联合估计，而且与e s p r i t 算法相比，其计算量要小得多。对o f d m 技术的同 步算法研究，需要根据不同的系统具体进行设计，利用各种算法融合进行联合估 计才是可行的。 2 4 2 峰均功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 与单载波系统相比，o f d m 信号是由个经过调制的正交子信道信号重叠 起来的，当这个型号恰好均以峰值相加时，o f d m 也产生最大的峰值，所以 很容易造成较大的峰均值比p a p r 3 0 ，这样就对发射机功率放大器的线性度提出 了很高的要求，从而导致发送效率极低，接收端对前端放大器以及a d 变换器 的线性要求也很高。大的o f d mp a p r 信号通过功率放大器时会有很大的频谱 扩展和带内失真。但是大的p a p r 的概率并不大，所以可以把p a p r 值较大的 o f d m 信号去掉。但是去掉信号会影响整体性能，所以采用的技术必须保证这 样的影响尽量小。目前所存在的减小p a p r 的方法大概可以分为三类： ( 1 ) 信号预畸变技术。信号经过放大前，先对功率值大于门限的信号进行 1 4 第2 章o f d m 系统及其天键技术 非线性畸变，采用修剪技术、峰值窗e 1 去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简 单地线性去除。 ( 2 ) 编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的p a p r 的o f d m 符号去除。编码方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子 载波数量较大时，编码效率会很低，从而导致这一矛盾更加突出。 ( 3 ) 符号扰码技术。可以作为信号编码技术的特例，这种方法的基本原理 是对输入信号同时进行多种扰码处理，选择p a p r 最小的输出信号发送出去，对 于不相关的扰码序列，产生的o f d m 信号与其对应的p a p r 也是不相关的。采 用扰码技术，使生成的o f d m 的互相关性尽量为0 ，从而使o f d m 的p a p r 减 少。这里的扰码技术可以对生成的o f d m 信号的相位进行重置，典型的有p t s 和s l m 。 2 4 3 资源分配 大量研究表明，如果发射端能够实时获取所有用户的信道状态信息( c s i ) ， 在宽带移动o f d m 系统上采用动态自适应资源分配算法，相比静态资源分配算 法来说，可以获得巨大的性能改善。具体而言，就是信道增益较好的子载波采用 高阶调制方式传输更多的比特数，而处于深度衰落的子载波传输较少的比特数甚 至不传输比特，不同的子载波在不同的信道衰落条件下传输不同的比特数，发送 功率和数据传输速率也要相应随之改变，在各个子信道之间有效地分配功率和速 率以提高系统的使用效率。采用动态自适应资源分配的o f d m 系统可以更有效 的使用子载波、比特和功率，使系统性能达到最优。事实上一个子载波对所有用 户而言都处于深衰落的概率很小，合理的在多用户之间进行子载波、比特数和发 射功率的分配可以有效的提高系统容量，降低误码率【 1 1 。具体的资源