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基于mim o - o f d m 系统的资源调度算法研究 摘要 在无线通信系统中，带宽是非常有限的资源，所以进行合理的分 配在资源调度中至关重要。随着无线通信技术的发展，在多用户环境 中为不同的数据业务提供服务质量保证也是目前研究的一个热点，为 此，调度算法公平性的研究便成为无线资源管理的重点。 本文对公平性理论进行了深入的研究，对最优化理论、m a x m i n 公平、基于效用的公平和比例公平分别进行了分析，特别的，针 对比例公平给出了严格的理论证明，充分说明比例公平方法是可实现 的调度算法。同时，提出了公平性指数的概念，给出了计算用户资源 分配公平性的方法。 本文对几种经典的调度算法进行了对比：m a x c i 与加窗算法、 不同s c a l e 的p f 算法、交替使用m a x c l 与p f 算法。特别的，对p f 算法进行详细的公式推导，指出其算法的本质：在当前调度时把用户 已经获得的资源状态考虑进去，且过去对现在的影响以某种比例逐渐 减小。p f 调度算法已经在无线通信系统中得到广泛研究，它向用户 提供平等的服务机会。但是，在传统的p f 算法中，获得较少资源的 用户可能在当前信道状态差的情况下被调用。为解决这个问题，本文 提出了一种改进的p f 算法，在调度中提高处于较好信道状态下用户 被服务的机会，同时降低处于较差信道状态下用户被服务的机会，并 通过仿真验证改进的p f 算法可以在不降低公平性的条件下提高系统 的吞吐量。 关键字：m i m o - - o f d m ，资源调度，公平性，q o s i i i i m p r o v e dp r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n g s c h e m ei nm i m o o f d ms y s t e m a b s t r a c t i ti sc r u c i a lt oa l l o c a t ea n dm a n a g et h er e s o u r c e si nw i r e l e s ss y s t e m b e c a u s et h es p e c t r u mi sv e r ys c a r c e t r a d i t i o n a lp r o p o r t i o n a lf a i r( p f ) s c h e d u l i n gs c h e m eh a sb e e np r o p o s e dt os o l v eu n f a i r n e s so fa s s i g n m e n t i nw i r e l e s sn e t w o r k ，a n dt h ea i mi st op r o v i d ef a m i l i a ro p p o r t u n i t yt ob e s e w e df o ru s e r s i tu s u a l l ys e l e c t su s e r sb yc o n s i d e r i n gt h ea l l o c a t e d r e s o u r c ei nt h ep a s t h o w e v e r , au s e rw i t hal o wa v e r a g er a t eb u tal o w i n s t a n tr a t em a yb es e l e c t e dt ob es e r v e da tt h em o m e n t t od e a lw i t ht h i s p r o b l e m ，w ep r o p o s eap e a kr a t es e n s i t i v es c h e d u l i n gs c h e m et oo p t i m i z e t h et r a d i t i o n a lp fs c h e d u l i n gs c h e m eb yc h a n g i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h e r a t ev a l u e so fs e l e c t e du s e r s u n d e rt h i ss c h e m e s y s t e mt h r o u g h p u tw i l l b ea d v a n c e dw i t h o u tr e d u c i n gt h ef a i r n e s sa m o n gt h eu s e r s k e yw o r d s ：m i m o - - o f d m ，p f s c h e d u l i n gs c h e m e ，f a i r n e s s v 创新性说明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：蔓旦篁! 扫i e t g q ：迎12 ：兰垒 北京邮电人学硕十学位论文 1 1 移动通信发展简介 第1 章绪论 1 9 4 5 年，贝尔实验室提出蜂窝移动通信的概念，但其移动台的控制乃至整 个控制系统的实现都是十分复杂的。七十年代，半导体技术的成熟，大规模集成 电路器件和微处理器技术的发展，为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础和实用 化的可能。于是在1 9 7 8 年，在芝加哥出现了一个蜂窝移动系统，即a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，高级移动电话系统) ，这就是利用模拟传输方 式实现话音业务的世界上第一代移动通信系统，从此，移动通信开始进入了新的 发展阶段。 第一代蜂窝移动通信系统是模拟通信，它以话音业务为主，以模拟电路单元 为基本模块，采用了蜂窝结构，频带可以重复利用，增大了系统的容量，实现了 大区域覆盖，还保证了移动环境下的不间断通信。可以说，蜂窝移动通信的出现 是移动通信的一次革命。另一方面，这一新生事物不可避免的存在某些不足，比 如频谱利用率低，通信容量有限，通话质量相对较差，保密性差，制式太多，标 准不统一，互不兼容，不能提供自动漫游，不能提供非话音业务等，这使得第一 代蜂窝移动通信系统逐渐被淘汰，第二代移动通信系统的出现成为必然。 g s m 数字移动通信系统是在蜂窝系统的基础上发展而成，它是由欧洲主要 电信运营商和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的。早在1 9 7 8 年，欧洲的 爱立信公司开始研究数字蜂窝移动通信系统。1 9 8 2 年，为了全欧洲实现移动电 话漫游，建立一种公共的移动通信系统，北欧国家向欧洲邮电行政大会提交了一 份建议书，要求制定9 0 0 m h z 频段的公共欧洲电信业务规范，于是成立了一个在 欧洲电信标准学会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss d a n d a r d si n s t i t u t e ，简称e t s i ) 技术委员会下的g s m 小组( g l o b a ls e p a c i a lm o b i l e ，全球专业移动小组) ，来制 定有关的标准和建议书。爱立信于1 9 9 2 年正式开始建立第一个运营网，从此移 动通信跨入了第二代数字移动通信时代。g s m 现在己经成为第二代数字移动通 信主要标准之一，用户数居全球首位c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ， 简称码分多址) 为美国q u a l c o m m ( 高通) 公司在扩频技术的基础上发展起来的 一种移动通信技术，最初用于军事，后来才开始引入公用无线通信。1 9 9 3 年7 月，公布了i s 9 5 的空中接口标准，现已在美国、韩国、中国等国商用。采用数 字传输方式的第二代移动通信系统采用了更好的语音信号压缩算法；有更高的频 谱利用率；语音、数据和传真可集成在一个系统中：采用纠错编码技术提高通信 质量；对数字信号进行加密以确保安全；可以进行漫游等等。对第二代移动通信 北京邮电人学硕十学何论文 系统( g s m 及i s 9 5c d m a ) 来说，其核心网仍然以电路交换为基础，因此， 语音业务仍然是其承载的主要业务，随着各种增值业务的不断增长，二代系统也 可以传输低速( 9 6 或1 4 4 k b i t s ) 的数据业务。经过十余年的发展，g s m 取得 了空前的成功，目前，其市场份额最高。c d m a 是由美国提出的第二代移动通 信系统标准，直接扩频和抗干扰性是其突出的特点。 第二代系统进一步向第三代系统演变，提供更先进的业务，这些演变的系统 通常被称为2 5 代系统。例如h s c s d ( h i g hs p e e dc i r c u i ts w i t c h e dd a t a ) ，g p r s ( 通用分组无线业务，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，e d g e ( e n h a n c e dd a t a r a t e s f o rg s me v o l u t i o n ) 等。第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的 应用，也无法实现可视电话以及多媒体业务。同时，由于世界上各国第二代数字 移动通信标准不统一，因而无法进行全球漫游，发展新一代移动通信技术势在必 行 l 】o 1 2 第三代移动通信的发展 u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，国际电信联盟) 早在1 9 8 5 年就提出第三代移动通信系统( 护g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，简 写为3 g ) 的概念，最初命名为f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e p h o n e s y s t e m ，未来公共陆地移动通信系统) ，后在1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s2 0 0 0 ) 。第三代移动通信系统的目标是：全球统一频 段、统一标准，全球无缝覆盖，高频谱效率、高服务质量和高保密性能，易于从 第二代系统过渡和演进，与固定网络各种业务相互兼容；在全球范围内使用的小 终端；具有全球漫游能力；支持多媒体功能及广泛业务的终端。为了实现上述目 标，对第三代无线传输技术提出了更高的要求，如：支持高速多媒体业务，可实 现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能；能够实现高 速数据传输；具有更大的容量和覆盖范围；比现有系统有更高的频谱效率；可变 速率和高数据率；分组和数据交换业务；支持多种同步业务：除了可以进行普通 的寻呼和通话外，还可以实现上网读报纸、查信息、下载文件和图片等基本要求。 由于带宽的提高，第三代移动通信系统还可以传输图像，提供简单的可视电话业 务。目前，3 g 在世界上己经形成三大标准：w c d m a , c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 。 目前，由于第三代移动通信标准版本的不断更新，设备( 包括手机) 的复杂度较 高，业务的支撑系统和价值链复杂等原因，第三代移动通信系统的商用化在不断 推迟。 北京邮电人学硕士学位论文 1 3 后三代( b 3 g ) 移动通信的研发现状及其核心技术 在3 g 系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领域的专家已 经在进行新一代( 统称后三代，b e y o n d3 g ，简写为b 3 g ) 移动通信系统的研究 和开发工作，并逐步成为移动通信领域的研究热点。 一般说来，作为新的移动通信系统，人们对b 3 g 的要求会比以往几代移动 通信的要求更高，具体如下： ( 1 ) 更快的信息传输速率、更宽的带宽和更大的容量 b 3 g 的目的是提高移动台访问i n t e m e t 的速率，因此b 3 g 通信的主要特点 就是更快的信息传输速率，b 3 g 移动通信系统的速度可达到1 0 2 0 m b i t s ，甚至 1 0 0 m b i t s 或者更高，远远高于3 g 的1 4 4 k b i t 2 m b i t s 传输速率。 ( 2 ) 智能性和兼容性 b 3 g 系统的智能性应更高，它将能自适应地进行资源分配，处理变化的业 务流和适应不同的信道环境。在b 3 g 网络中的智能处理器，将能够处理节点故 障或基站超载，b 3 g 通信终端设备的设计和操作也将具有智能化。_ ( 3 ) 能实现更高质量的多媒体通信和不同q o s 的业务 b 3 g 通信系统能提供的无线多媒体通信服务，包括语音、数据、多媒体等 业务，大量信息通过无线信道传送出去，因此，b 3 g 要实现一种实时和非实时 的、宽带的以及无缝覆盖的多媒体无线通信。b 3 g 通信系统还应该通过动态地 分配带宽和速率、动态地调节发射功率来提供不同质量的业务。 b 3 g 通信系统的核心技术：b 3 g 移动通信系统必须具备高速率、高频谱效： 率、大容量的多媒体数据传输能力。在无线环境下高速数据传输会产生严重的频 率选择性衰落，而正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， 简称o f d m ) 技术采用并行传输方式，不仅具有很高的频谱效率，而且可以克 服这种频率选择性衰落。可以说，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心 技术，而后三代移动通信系统核心技术则以o f d m 最受瞩目，目前已有不少专 家学者针对o f d m 技术在移动通信上的应用提出了相关的理论和方案。另外， c d m a 技术也将会在b 3 g 中得到应用。在已经进行的b 3 g 实验系统中，其核心 技术就是o f d m 和c d m a l 2 h 3 。 1 4 第四代移动通信核心技术 1 4 1m i m o 北京邮电人学硕十学位论文 m i m o 技术通过在发射端和接收端同时配置多根天线，可以显著提高信道的 容量。理论证明，当天线间的信道衰落彼此独立时，m i m o 信道的容量近似地和 收发两端的最小天线数成正比。因此，m i m o 技术也是4 1 3 系统的最有可能采用 的技术之一。和其它传统的技术相比，m i m o 技术并不需要对抗多径衰落效应； 相反，在一定程度上，m i m o 技术可以利用传播环境中丰富的多径分量来提高信 道的容量。m i m o 可以同时提供空间服用，分集增益，以及干扰抑制的增益，但 是由于天线数目的限制导致了m i m o 空间自由度的限制，使得它不可能同时获 得最大的空间复用、分集增益、以及干扰抑制的增益。在实际系统的设计中结合 不同的优化准则，可以采用不同的m i m o 信号处理方法，获取不同的增益，达 到系统资源的最佳利用。 最近的大量研究证明，对于多用户m i m o 系统，通过灵活的空间多用户调 度，可以充分利用不同用户在空间衰落上的独立性，进行多用户并行传输，获得 空间多用户分集的增益和最大的空间复用增益，提高系统的整体容量；已经证明 当系统中的用户数k 足够大时，这种多用户分集增益和l o g l o g k 成j 下比1 4 。 虽然m i m o 系统理论及性能研究涉及的内容已相当广泛，但是由于4 g 系统 的宽带m i m o 信道是一个时变、频率选择性的非平稳系统，尚有大量问题需要 研究。由于4 g 系统的宽带达到2 0 1 0 0 m h z ，m i m o 信道的衰落将是频率选择性 的，符号间干扰严重，在这种条件下的m i m o 均衡和检验将是非常复杂的，目 前解决m i m o 系统中的频率选择性衰落问题的方案一般时利用均衡技术，还有 一种是利用o f d m 1 4 - 2o f d m 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波通信技术，由于具有高频谱效率、 抗多径干扰和资源分配灵活等特性，已成为下一代无线通信系统中的研究热点。 在系统中可利用o f d m 具有多个正交子载波的特性来实现用户多址接入，这种 方式被称为正交频分多址接入o f d m a ，也称为多用户o f d m 。多媒体和计算 机通信在现代信息社会中起着不可忽视的重要作用，数据业务的快速发展，要求 无线通信技术支持越来越高速率的数据速率。o f d m 技术就是无线通信在有限 的无线频段内传送高速率、宽频带的多媒体业务的关键技术。此外，o f d m 将 宽带信道分割成若干个并行的窄带子信道，如果子载波间隔足够小，那么每个子 载波上的信道可以是平坦的，信号均衡就变得非常简单。由于o f d m 各个子载 波上的信道衰落相对独立，还可以在不同的子载波上采用不同的调制编码方式， 实现功率的更有效利用，进一步提高系统的传输效率。在多用户o f d m a 系统中， 利用不同用户信道之间独立的频率选择性衰落，通过自适应的动态子载波功率分 北京邮电大学硕十学位论文 配，还可以获得频域多用户分集的增益，进一步提高系统的整体传输效率。所以 o f d m 非常适合宽带无线信道中的高速数据通信，而且已经被选为l t e 下行的 多址方式。 o f d m 克服了传统的频分复用单载波传输的缺陷，在很好的解决i s i 和信道 频率选择性衰落的同时，最大限度的利用了频谱资源，提高了系统的吞吐量。但 是由于o f d m 的峰均比较高，降低了功率效率，影响覆盖半径，对发送机功放 的线性范围提出了更高的要求，导致设备成本增加，尤其是在终端侧。在现有的 3 g p pl t e 系统中，e r i c s s o n 等公司在o f d m 和单载波频域均衡的基础上提出了 s c f d m a 技术，它可以降低传输信号的峰均比。s c f d m a 包含i f d m a 和d f t s o f d m 两种，前者的峰均比非常低，而后者的峰均比比o f d m 略低。由于支 持d f r s o f d m 的公司较多，所以他已经成为l t e 上行多址技术的主流。同时， m 盯d o c o m o 的研究人员结合c d m a 和o f d m 技术提出了v s f o f c d m 技术 作为4 g 下行多址技术，并在此基础上作了大量的研究和开发工作。可以预见 o f d m ，s c f d m a 和v s f - o f c d m 都将在未来4 g 系统的标准化中占一席之地。 1 4 3m i m o o f d m 不管是m i m o 还是o f d m 都不能独立实现4 g 系统的空中接口设计目标。 ： 尽管m i m o 技术可以大大提高系统的频谱效率，但是在2 0 一1 0 0 m h z 的宽带频 率选择性信道中，m i m o 的均衡将是无线系统空中接口设计面临的一个巨大挑 战。而另一方面，尽管o f d m 可以提高系统的传输效率，但是这种提高毕竟有 限。所以在o f d m 的基础上合理开发空间资源，也就是m i m o + o f d m ，将是满 足4 g 系统设计需求的一个很好解决方案。o f d m 将宽带的信道划分为若干相互 正交的平坦子信道，在每个子信道上可以进行独立的平坦m i m o 信号处理，简 化频率选择性m i m o 信道中的检测和均衡；m i m o 能够产生独立的并行空间信 道，进行多种数据流的并行传输，而且还可以在每个子信道上进行独立的调制和 编码，使信道的传输速率尽可能的接近m i m o 信道的理论容量。所以m i m o 和 o f d m 结合可以有效的提高宽带无线系统的传输速率和效率。如果在发送端充 分利用各个用户的信道状态信息，空频联合多用户调度可以获得空频域多用户分 集增益和空问复用增益，进一步提高系统的整体传输效率【5 1 。 1 4 4 无线互联网标准体系结构介绍 因特网源于1 9 6 9 年底美国国防部组织的四台不同计算机联网。由于它具有 快速、便捷的特点，很快由军事领域突破进入经济、文化和政治领域。1 9 8 3 年， 北京邮电人学硕十学位论文 是全球因特网的诞生年。进入9 0 年代后，网络的发展已成为时代潮流，势不可 挡。如今的互联网己经渗透到千家力户的日常生活。互联网的方便、快捷、简单 将其自身与整个社会的各方各面紧密地结合了起来。然而，随着人们对网络的依 赖越来越大、对网络的要求越来越高，传统有线网络在快速发展的同时，也逐渐 暴露出自身内在的一系列问题。 现在的社会，无论政府、学校、生活小区、公共场所、甚至是街头巷尾，能 够方便地接入互联网已经成为一种必须。如何对新建筑进行布网规划，如何对旧 建筑进行改造、升级，如何在原有网络上进行扩容，以便能够容纳更多的用户， 提供更快的接入速度，这些问题向传统的有线网络提出了致命的挑战。未来的终 端设备将会像手机一样便携、p c 机一样功能强大。人们需要随时随地接入 i n t e r n e t ，随时随地进行网上娱乐、网上办公、网上消费等。传统的有线网络在这 方面存在着先天的不足，一根根网线把人们禁锢在了几米范围之内。与有线接入 方式相比，无线接入方式铺设简单、升级方便、终端设备可移动，逐渐受到运营 商和用户的喜爱。国际电气电子工程师协会组织( i e e e ) 制定了一整套完备的 无线接入网络标准，即8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 5 ，8 0 2 1 6 ，8 0 2 2 0 。该系列标准保证了人 们在家庭、社区、城市范围内都可以随时随地通过无线方式接入i i l t e m e t l 6 】1 1 2 l 。 国际电气电子工程师协会组织( 正e e ) 制定的无线接入网络标准体系涵盖 了从几米范围的无线个域网( w p a n ) 到几十公里的无线广域网( w w a n ) ，其 体系结构如图1 - 1 所示： 图1 - 1 ：i e e e 8 0 2 无线网络体系结构 ( 1 ) 无线个域网( w p a n ) ：w p a n ( 8 0 2 1 5 ) 是继w i a n 之后提出的概念， 其目标是解决如何让人们将网络随身携带的问题，核心是解决小区域的无线多媒 体传输。在网络构成上，w p a n 位于8 0 2 1 1 的末端，它是基于计算机通信的专 用网，但有别于w l a n ，因为它工作在个人操作环境，需要相互通信的装置构 成一个网络，而无需任何中央管理装置。w p a n 分为三个子标准：8 0 2 1 5 1 、 8 0 2 1 5 3 和8 0 2 1 6 4 。 北京邮电入学硕十学位论文 ( 2 ) 无线局域网( w l 蝌) ：8 0 2 1 1 是i e e e 最初制订的一个w l a n 标准， 主要用于解决办公室局域网和校园网用户与用户终端的无线接入。这个标准的制 订是无线网络技术发展的一个里程碑，它增强了无线设备互连功能，使w l a n 在有移动要求的环境中被广泛接受。8 0 2 1 1 最初标准支持的速率仅为最高2 m b i t s 。随着w l a n 的迅速发展，该标准在接入带宽、移动性、安全性、服务质 量保证等方面已经不能满足用户的接入要求，于是从8 0 2 1 1 衍生出8 0 2 1 l a 、 8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l d 、8 0 2 1 i e 、8 0 2 1 l f 、8 0 2 1 l g 、8 0 2 1 l h 、8 0 2 1 l i 等一系列w l a n 标准。 ( 3 ) 无线城域网：8 0 2 1 6 系统是和a d s l 、铜缆等处于同一位置的接入系 统、目的是以无线方式将城域范围的用户接入互联网。i e e e8 0 2 1 6 标准系列到 目前为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 七个标准。 ( 4 ) 无线广域网：i e e e8 0 2 2 0 标准是面向基于口的、移动宽带无线接入 技术而制订，目标是发展成为一种基于移动空中接口、可以实现口包高效传输 的技术，以期为i p 业务的传输寻找一种高度优化的移动解决途径，同时也希望 发展成为一种可实现全球普及、可漫游、并且实时在线的公共无线宽带接入网络 技术。依赖这一技术，多数商业用户以及家庭终端用户对于未来的无线网络所提 出的需求，都能够得到满足。8 0 2 2 0 的有效覆盖范围高达1 5 公里，可以支持等 同于无线城域网( w m a n ) 级别的实时数据传输，而传输速度却达到了w l a n 网络的水平，敌与现在的移动通信网络相比具有明显的性价比优势，可以为用户 提供价格低廉的语音、视频、数据的综合业务服务。 1 5 无线资源管理 无线通信系统大都是干扰受限系统，同时也是资源受限系统。由于商用的蜂 窝系统的频率大都是通过购买的形式获得，非常昂贵和稀缺。同时无线通信系统 的基础设施和设备也非常昂贵，所以如何充分利用无线通信系统中有限的频率和 硬件资源，在保证接入业务质量的前提下，提供尽可能高的容量和频谱效率是系 统设计和优化最为关心的问题。为了实现这个目标，除了在物理层采用先进的技 术外，无线资源管理是最重要的环节。 无线资源管理对无线通信系统中有限的无线资源进行协调和管理，包括分配 功率、信道等资源，控制整个系统的状态，避免系统的拥塞和不稳定，最大化系 统资源的利用效率。无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线 用户终端提供业务质量保障，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特 北京邮电人学硕十学1 1 i ) ：论文 性因信道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和 网络的可用资源，最大程度地提高无线频谱利耀率，防止网络期塞和保持尽可能 小的信令负荷。 随着无线通信技术的发展，以及无线网向i n t e r n e t 融合，未来系统需要为 移动用户提供基于i p 分组交换的各种多媒体业务，如i p 电话、电子邮件、网络 浏览和视频流等多种业务。这些不同的业务有不同的服务质量需求。如何在多用 户环境中为不同酌避务提供服务质量僳证是目蓊研究酶一个热点。同时，跨层的 无线资源管理也是当前研究的主要方向之一。 本章小结： 本章简单介绍了从第一代到第四代移动通信的发展，主要对第四代通信技术 中的m i m o - - o f d m 技术进行了说明，同时介绍了无线互联网的标准及体系结 构。最后说明了，无线资源管理在现代无线通信的资源篱理中起着重要的作用。 本章参考文献 f 1 】吴伟陵，譬觊，移动透信原理。j 艺京：电子工业懑舨社2 0 0 5 【2 】郭梯云，杨家玮，李建东数字移动通信【m 】北京：人民邮电出版社，2 0 0 1 【3 l ( 美) 披帕波特( r a p p a p o n ，t s 。) 无线通信原理与应用宋俊德译北京：电 子工业出版社 f 4 】m a i r y , r w h e a t h , j r ，s 。s h a k k o t t a i “m u l t i - u s e rd i v e r s i t yf o rt h em u l t i p l ea n t e n n a b r o a d c a s tc h a n n e lw i t hl i n e rr e c e i v e r s ：a s y m p t o t i ca n a l y s i s ”，3 8 t hi e e ea s i l o m a r c o n f o ns i g n a l s ，s y s t e m s ，a n dc o m p u t e r , p a c i f i cg r o v e ，c a , n o v e m b e r2 0 0 4 骖ls t u b e r , q l ；j 。r ；m c l a u g h l i n ，s w ：；y el i ；e la l ，“b r o a d b a n dm i m o o f d m w i t l e s sc o m m u n i c a t i o n s ”，p r o c e e d i n g so ft h ei e e ev o l u m e9 2 ，i s s u e2 ，f e b 2 4 【6 】i e e es t d8 0 2 1 1 ，m e e ，1 9 9 9 f 7 】i e e es t d8 0 2 1 l a 一1 9 9 9 ，i e e e 1 9 9 9 f 8 】匝e es t d8 0 2 1 i b - 1 9 9 9 ，匝e e ，1 9 9 9 【9 】正e es t d8 0 2 1 l d 一2 0 0 1 ，i e e e , 2 0 0 1 1 1 0 1 匿e es t d8 0 2 1 1 f t m - 2 0 0 3 ，i e e e , 2 3 【1 l 】正e ep 8 0 2 1 1 c 0 9 0 ，正e e ，2 0 0 4 1 2 g e ep 8 0 2 1 1 i - 2 0 0 4 ，i e e e ，2 0 0 4 北京邮电人学硕士学位论文 第2 章m i m o o f d m 系统模型 m i m o 技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，是具有极高频 谱利用率的技术。另外在各类无线通信系统中，i s i 一直是影响通信质量的重要 因素。o f d m 技术能够有效对抗i s i ，同时具有频谱利用率高，抗多径衰落性能 好，成本偏低等优点，因此将这两项技术结合起来必将成为新一代移动通信系统 的核心技术之一。本章主要介绍了m i m o 技术和o f d m 技术，以及两者的结合， 并详细描述了m i m o o f d m 系统的结构和信号模型。 2 1m i m o 技术简介及原理 m i m o 技术是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现高数据速率、提高 传输质量的重要途径。该技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出，它利用多天线 来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e - i n p u t s i n g l e - o u t p u t ) 系 统3 1 。 信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时， m i m o 系统能够很好的提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量，例 如：当接收天线和发送天线数目都为8 根，且平均信噪比为2 0 d b 时，链路容量 可以高达4 2 b i t s h z ，这是单天线系统所能达到容量的4 0 多倍。 围绕着充分利用m i m o 系统容量，人们提出了不同的空时处理方案，使得 空间分集和多种分集技术紧密结合。3 g p p 标准已经采用了空时发射分集( s t i d ： s p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 及闭环发射分集( c l o s e dl o o pt r a n s m i td i v e r s i t y ) 作为w c d m a 系统中的发射分集方案，而3 g p p 2 标准采用空时扩频( s t s ： s p a c e t i m es p r e a d i n g ) 和正交发射分集( o t d ：o r t h o g o n a lt r a n s m i td i v e r s i t y ) 作为c d m a 2 0 0 0 系统中的发射分集方案。同时，3 g p p 标准增强型采用了贝尔实 验室提出的分层空时结构( b l a s t ：b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 来实 现高数据速率传输。 m i m o 无线数字通信系统有时也称为大容量数据传输系统。此项技术被认为 是现代通信技术中重大技术突破之一。由于该技术提供了解决未来i n t e r n e t 无线 网络中的业务容量需求瓶颈问题条件，而名列当今技术进步列表中的显要位置。 但更令人吃惊的是m i m o 技术刚刚出现才几年，就在诸如宽带无线接入系统、 无线局域网( w l a n ) 和3 g 及b 3 g 这样的大型商用无线通信产品和网络中得到 了充分应用。 m i m o 通信系统可以简单地定义如下，即只要在发射端和接收端分别采用多 个天线元的通信系统就称为m i m o 通信系统，其结构如图2 - 1 所示。m i m o 技 术的原理是信号通过发射端的和接收端的多个天线元这种配置传送，从而改善每 个用户得到的服务质量( 误比特率或数据速率) 。利用m i m o 技术可以提高网络 的服务性能并给网络运营商带来巨大的收益。 f 发射天线 ，接收天线 图2 - 1m i m o 无线传输系统框图 m i m o 技术的核心思想就是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个 天线将时问域和空问域结合起来进行信号处理。因此m i m o 技术可以看作是智 能天线的扩胜，智能天线是起源于几十年前的利用阵列天线来改善无线传输性能 的一种流行技术。m i m o 技术的关键特点是能够将传统通信系统中存在的多径影 响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。m i m o 技术有效地利用了随机衰落 和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。m i m o 技术作为一个新的研 究方向，它的成功之处主要是它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下带 来无线通信的性能上几个数量级的改善。 m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，目前针对 m i m o 信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。空间复用技术可以大大提高信 道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 2 1 1 空间复用技术 无线资源管理中的空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用 空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射 信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需 要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量 一种非常有效的手段。 北京邮电人学硕十学位论文 空间复用的实现如图2 2 所示，首先将需要传送的信号经过串并变换转换成 几个平行的信号流，并且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多径传播， 每一副发射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区 分各自的数据流。实现空白j 复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距 离，这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。 间形成m 矗x m r 信道矩阵詹，詹的元素是任意一对收发天线之间的增益。在某 儿【三三乏，】 沪。 c 乩9 2 【d e t 卜彘面h ) 】b ；t ，吡 c 2 刊 固定m 詹，令m r 增大，使得土m 腑h 呻，这时可以得到容量的近似表达r 北京邮电人学硕十学位论文 降低误码率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增益。实现空间复用的接收端的解码算法有迫零算法( z f ) 、 最小均方误差算法( m m s e ) 、垂直一贝尔实验室分层空时码( v l a s t ) 算法 和最大似然算法( m l ) 。z f 算法是一种线性接收方法，可以很好地分离同频信 号，简单容易实现，但是需要有较高的信噪比才能保持较好的性能。m m s e 算 法可以使由于噪声和同频信号相互干扰造成的错误最小，尽管它降低了信号分离 的质量，但具有较好的抗噪性能。m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比 较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。性能和复杂度最优的就是 b l a s t 算法，该算法实际上是使用z f 算法加上干扰删除技术得出的。 2 1 2 发送分集和接收分集 空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为s i m o 系统 是接收分集，m i s o 系统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生 r a y l e i g h 衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线 之白j 的相关距离( 通常相隔十个信号波长以上) ，就认为两处的信号完全不相关， 这样就可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或者多副大于相关距离 的天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。在s i m o 系统中的接 收分集技术可以分成最大比率合并( m r c ) ，等增益合并( e g c ) 和选择分集合 并( s d c ) 三种类型。在最大比率合并的接收中，每- n 天线的输出用一个复数 加权，然后相加；等增益合并接收使各副天线的输出信号保持同相，然后相加； 选择分集合并接收中，简单地选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号并使 用该信号作为接收到的信号。由于最大比率合并之后信号的信噪比等于合并之前 各支路的信噪比之和，因此是最佳的合并方式。 发射分集就是将分集的负担从终端转移到基站端，然而采用发射分集的主要 问题是在发射端不知道衰落信道的信道状态信息( c s i ) 。因此，必须采用信道编 码以保证各信道具有良好的性能，具体是采用空时编码。1 9 9 8 年，a t & t 实验室 的t a r o k h 等人在发射延迟分集的基础上正式提出了基于发射分集的空时码 ( s t c ) 的概念。空时码是信道编码设计和多发射天线的结合，其主要思想是利 用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 空时码在将数据串并转换成1 1 个数据流，每一路数据流经脉冲形成、调制，然后 通过n 个天线同时发送到无线空间，建立了空间分离信号( 空域) 和时间分离信 号( 时域) 之间的关系。在接收端，可以用单一天线，也可以用多个天线进行接 收，每一个接收天线接收到的是n 个发送信号与干扰噪声线性的叠加( 衰落系数 为权重) ，然后通过最大似然检测等方法，正确地识别出发送信号。空时译码算 北京邮电大学硕十学位论文 法和信道估计技术结合以获得分集增益和编码增益。按照编码方式不同，空时码 可以分为空时格码( s 州r c ) 和空时块码( s t b c ) 。 2 。2o f d m 技术简介及原理 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波通信技术，由予具有高频谱效率、 抗多径干扰和资源分配灵活等特性，已成为下一代无线通信系统中的研究热点。 在系统中可利用o f d m 具有多个派交子载波的特性来实现用户多址接入，这种 方式被称为正交频分多址接入o f d m a ，也称为多耀户o f d m 。多媒体和计算 机通信在现代信息社会中起着不可忽视的重要作用。数据业务的快速发展，要求 无线通信技术支持越来越高速率的数据速率。o f d m 技术就是无线通信在有限 的无线频段内传送高速率、宽频带的多媒体业务的关键技术。 隧着数据速率的不断提高，高速数据遥信系统的性能不仪仅受噪声限制，更 主要的影响来自于无线信道时延扩展特性导致的码问干扰。这种码间干扰主要是 由于发射机和接收机之间存在多条时延不同无线传播路径造成的。多径效应造成 接收机收到的信号是多个时延、幅度和相饿各不相同的发送信号的叠加，从而导 致错误发生。 ， o f d m 技术可以对抗码问予扰，荠且具有低复杂度和离效的传输数率。与 单载波均衡抵消码间干扰的思路不同，o f d m 采用一组正交子载波多路并行传 输业务数据。其基本原理是将高速的数搀分解为多路并行的低速数据流，在多个 载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效 应造成的时延扩展相对变小。当每个o f d m 符号中插入一定的保护时闻后，码 闻干扰几乎就可以忽略。因此，系统的吞吐率是所有并行子通道数据吞吐率之和， 这样每个子信道的吞吐率只是传统单载波系统吞吐率的几十分之一。由此， o f d m 系统既可以维持发送符号淘期远远大于多径时延，又缝够支持高速的数 据业务，并且不需要复杂的信道均衡。 世纪9 0 年代以来，由于o f d m 具有一系列的优点，被广泛地应用于数 据通信系统