（信号与信息处理专业论文）mimoofdma系统中的动态资源分配研究.pdf

摘要 在未来无线通信系统中，自适应资源分配是有效利用有限的频谱资源和提高功率效 率的关键技术之一。自适应资源分配的优化问题一般分为两种：速率自适应( r a ) 和 裕度自适应( m a ) 。本文分别从这两种优化准则出发，分别在单天线和多天线系统对 自适应资源分配的一些优化算法进行了研究，并给出了仿真和分析。资源分配的研究目 前存在两个热点问题：实时分配和信道信息( c s i ) 反馈。本论文研究了一些资源分配 的快速算法，以满足实时传输的需要：并研究了利用延时或部分c s i 进行资源分配的算 法。论文的主要贡献如下： 1 研究了单天线o f d m a 系统中动态资源分配的速率自适应和裕度自适应的优化 方法，并且给出性能分析。同时研究了实时系统中速率自适应准则下的一种功率分配方 案和实时系统中的一种裕度自适应的分配方案。 2 研究了m i m o o f d m a 系统中动态资源分配的速率自适应和裕度自适应的优化 方法，分析研究了一些常用的次优的分配方法简化其计算量，以满足实时传输的需要。 3 提出了m i m o o f d m a 系统中的一种基于多用户q o s 要求的动态资源分配方法。 4 将多天线的s d m a 方案与o f d m a 结合，研究了m i m o o f d m a s d m a 上行 链路系统中的一种动态资源分配方案。 5 针对单天线系统提出了利用延时的c s i 进行动态资源分配的方法。研究了 m i m o o f d m a 系统基于有限c s i 反馈的动态资源分配方案，并提出了一种在性能和反 馈量之间进行折中的方案。 关键词：正交频分多址，自适应资源分配，自适应调制，时分多址，频分多址，空分多 址，反馈 a b s t r a c t a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o nh a sb e e ni d e n t i f i e da so n eo ft h ek e yt e c h n o l o 西e sf o r p r o v i d i n ge 珩c i e n tu t i l i z a t i o no ft h el i m i t e dp o w e ra n ds p e c t r u mi nf u t u r ew i r e l e s ss y s t e m s c u r r e n t l y , t w oo p t i m i z a t i o nc r i t e r i o n se x i s ti nt h ed y n a m i cm u l t i u s e ro f d m1 i t e r a t u r e ： m a r g i na d a p t i v e ( m a ) a n dr a t ea d a p t i v e ( r a ) i nt h i sp a p e r , w es t u d yo nt h e s et w o o p t i m i z a t i o nc r i t e r i o n si ns i n g l ea n dm u l t i p l ea n t e n n as y s t e r n sa n da n a l y z et h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h e r ea r et w op r o m i s i n ga s p e c t si nd y m a n i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n o n ei st h e e x p l o r a t i o no fr e a l t i m ea l l o c a t i o ns c h e m e sa n dt h eo t h e l - i sd y n a m i cr e s o u r c ea l l o e a t i o nw i t h l i m i t e dc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s of e e d b a c k i nt h i st h e s i s 。w es t u d yo ns o m eo ft h e c o m m o n l yu s c d f a s t a l g o r i t h m st os a t i s f yt h er e a l t i m e c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t s m e a n w h i l e ，r e s o u r c ea l l o c a t i o nw i t hd e l a y e do rp a r t i a lc s ii sa l s os t u d i e d t h em a i n c o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 a d a p t i v er e s o u r c e a l l o c a t i o ns c h e m e sa r es t u d i e di nt e r m so fm aa n dr a o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ar e a l t i m er ap o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ea sw e l la sar e a l - t i m em a a l l o c a t i o na l g o r i t h mi ss t u d i e d 2 a d a p t i v er e s o u r c ea t l o c a i t o ns c h e m e sa r cs t u d i e di nm i m o o f d m as y s t e m si nt e r m s o fr aa n dm a c r i t e r i o n s m e a n w h i l e ，s o m es u b o p t i m a la n dr e a l t i m ea l l o c a t i o na l g o r i t h m s a r es t u d i e dt or e d u c ec o m p l e x i t ya n dm e e t p r a c t i c a ln e e d s 3 ad y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei nm i m o o f d m as y s t e mi sp r o p o s e d t h i s a l l o c a t i o ns c h e m ei se f f i c i e n tt os a t i s f ym u l t i p l eu s e r s q o sr e q u i r e m e n t 4 t h ec o m b i n a t i o no fs d m aa n do f d m a t e c h n o l o g i e si nm u l t i p l ea n t e n n as y s t e m si s u s e dt oe x p l o r ed y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nm 1 m o - o f d m a s d m as c e n a r i o 5 a na d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e du s i n gd e l a y e dc s lw i t hs i n g l e a n t e n n a a l s o ，a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e sa r es t u d i e dw i t hl i m i t e dc s if e e d b a c ki n m i m o o f d m as y s t e m s af e e d b a c kr e d u c t i o ns c h e m ei s p r o p o s e dt o t r a d eo f fb e t w e e n s y s t e mp e r f o r m a n c e sa n df e e d b a c kl o a d k e y w o r d s ：o n 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 ea c c e s s ( o f d m a ) ，a d a p t i v er e s o u r c e a l l o c a t i o n ，a d a p t i v em o d u l a t i o n ，t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( t d m a ) ，f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( f d m a ) ，s p a c e - d i v i s i o nm u l t i i p l ea c c e s s ( s d m a ) ，f e e d b a c k i i i 图表目录 图2 1 1 单天线o f d m a 系统发射机和接收机1 0 图2 1 - 2 频谱利用率v s 平均s n r 一1 3 图2 ，1 3 频谱效率v s 子载波数1 4 图2 1 - 4 频谱效率v s 用户数1 4 图2 2 1 频谱效率v s w s n r 1 8 图2 2 2 利用资源分配相对于t d m a 的容量增益1 8 图2 , 3 1 最小用户的吞吐量，用户速率要求y 相等。2 4 图2 3 2 不同r 值下的和速率2 5 图2 3 3 用户间的数据速率分布2 5 图2 4 1 按信道一噪声比进行的功率分配3 0 图2 4 2 比特分配v s 各子信道3 0 图2 4 3 总的分配的比特数v s 迭代次数3 l 图2 5 1b a b s + a c g ，b a b s + r c g 与f d m a 的比较，b e r = 1 旷3 5 图2 6 1b e r 性能比较3 8 图2 6 2 迭代方法的收敛性，b e r = 1 0 - 3 3 9 图3 1 1m i m o o f d m a 系统下行链路发射机4 2 图3 1 2 b e rv s 平均e b n o ，m = 2 4 8 图3 1 3b e rv s 平均e b n o ，m = 1 ，4 4 8 图3 1 - 4 不同特征模式下的b e r 性能，m = 4 4 9 图3 2 1 频谱利用率v s 平均s n r 。5 3 图3 2 2 频谱利用率v s 平均s n r 5 3 图3 2 3 频谱利用率v s 用户数5 4 图33 1 频谱效率v s 平均e b n o 比较5 9 图3 3 2 最小用户的吞吐量v s 用户数6 0 图3 3 3 系统和吞吐量v s 不同的r 下标7 l 6 0 图3 3 4 每个用户的吞吐量比例v s 不同用户6 l 图4 1 1 上行链路发射机和接收机6 3 图4 5 1 平均e b n ov s 每个子载波上加载的比特数6 8 图4 5 2b e rv s 平均e b n o 6 9 图4 5 3 平均e b n o v s 用户间的相关性 图4 5 4b e rv s 平均e b n o 图5 1 1 对延时信道进行处理后的系统性能下降的改善 i x 6 9 7 0 7 3 图5 2 1 频谱效率v s 用户数，s n r = 1 0 d b 7 9 图5 2 - 2 归一化反馈量v s 用户数7 9 图5 2 3 不同功率分配方案的性能，s n r = 0 d b 8 0 表2 3 1 速率要求( f 集合) ，k = 8 ，用于图2 3 - 2 ，图2 3 3 2 5 表2 6 1 子载波分配的示例一3 7 表2 6 2 用户闻子载波互换示例3 7 表3 3 1 速率要求( r 集合) ，k = 8 ，用于图3 3 3 ，图3 3 _ 4 一6 0 x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我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。 研究生签名：关燕凛、 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 go 廿 研究生签名：去整塑导师签名： 燃日期： 弘一g ，1 i 孑 第1 章绪论 在下一代无线通信系统中日益增长的语音业务，数据业务和宽带i n t e r a c t 业务，在传输速率， 性能和系统业务容量等方面对无线通信系统提出了更高的要求。正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a l f 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 ) 技术是一项非常有前景的技术，在学术界和工业界都得到了广泛的 关注。o f d m 是一种高效的多载波传输技术，它将整个频带分割成个正交，并行的子信道，将高 速串行数据流通过串并变换，转化为传输速率相对较低的数据流在一组子信道中传输。由于o f d m 中个子载波相互正交，在频域上各个子信道相互重叠，因而它能够提供比普通频分复用系统高很多 的频谱利用率。 为了更有效的提高频谱利用率，仅利用更多的频谱资源是不够的，因此人们想到利用无线信号 的空间资源，也即利用多天线发送和接收信号。另一方面，无线传播环境中的散射，反射和衍射造 成的多径衰落是造成无线通信系统性能恶化的一个主要因素，分集作为对抗衰落的一种有效技术长 期以来一直受到人们的关注。常用的分集技术有时间分集，频率分集，空间分集等。其中，空间分 集技术由于不需要占用额外的传输时间或带宽而受到人们的青睐。多输入多输出( m i m o ：m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 通信系统能够使信道容量对发射或接收天线数渐进的以线性速率增长，因此 可以极大地提高系统的容量和频谱利用率，从而满足高传输速率、高传输性能和高系统业务容量的 要求，同时可以充分利用空间分集提高通信系统性能。 多用户o f d m a 系统利用了o f d m 系统的多点接入特性。多用户o f d m a 系统允许k 个用户 分享一个o f d m 符号。现有两种资源( 子载波和功率) 分配方案：固定资源分配和动态资源分配。 固定资源分配方案，如时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) ，都是固定一个独立的维( 时隙或 子信道) 给某个用户。很明显，固定的资源分配方法不是最优的，因为它没有考虑当时的信道的情 况。另一方面，动态资源分配方案将某一维自适应地分配给在其上信道情况好的用户。由于无线信 道的时变特性，动态资源分配可以充分利用多用户分集获得更高的容量。 1 1o f d m 技术概述 1 1 1o f d m 的发展历程 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，但是c h a n g 等人在1 9 6 6 年首次阐明了我们现 在称之为o f d m 的技术，他提出一种在线性带限信道上同时传输多路信号的方法，可以同时避免信 道间干扰( 1 c i ：i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) 和符号间干扰( i s hi n t e r s y m b o ll i l t e r f e r e n c e ) 。由c h a n g 提出的多信道传输系统与传统多载波传输技术的区别在于子载波的频谱可以相互叠加，其条件是它 们是相互正交的。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t t 2 i 将离散傅里叶变换( d f t ：d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 运用于o f d m 系统调制和解调。而d f t 可由快速傅里叶变换( f f t ：f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 高敛地实现。这样系 东南大学硕士学位论文 统就无需用一组振荡器来产生多个子载波，而是通过基带处理实现频分复用，从而大大地降低了调 制解调的复杂度。为了消除线性时不变信道的1 ( 2 1 和i s i ，他们提出通过插入一段空白区作为保护间 隔来消除o f d m 块间干扰，但是这并不能保证信号经过弥散信道后各子载波仍保持正交性。 在o f d m 的发展过程中，另一个重要贡献应归功于p e l e d 和r u i z p 】。他们在1 9 8 0 年提出了循 环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 的概念，用于保持子载波的正交性。与通常在符号间插入空的保护间 隔的做法不同，他们提出在发射端作i f f t 之后将o f d m 符号的后一段样点值复制到该符号的前面 作为循环前缀，从而使得信道与传送符号之间的线性卷积等效为循环卷积，在接收端做f f t 之前先 舍弃循环前缀中的各样点。于是，当c p 长度大于信道的最大时延扩展时，可以消除前一个o f d m 块的延迟分量对后一个o f d m 块造成的干扰。当然o f d m 系统中加入循环前缀，会带来发射功率 和传输速率的损失，因此在实际系统中可以根据信道特性选择c p 的长度。 1 1 2o f d m 的优缺点 o f d m 调制对各个o f d m 符号加上循环前缀( c p ) ，可以极大的降低多径效应。每一个子信道 可以看作是一个信道增益加上一个加性高斯白噪声( a w o n ) 。o f d m 的多载波特性的好处还体现 在：较少的噪声、干扰增强效应，抗多径衰落等。由于子信道之间的相互独立性，使多用户接入成 为可能。o f d m 调制的优点还有： o f d m 将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行传输数据，从而有效地减小了信道时 延扩展的影响，而且当循环前缀的长度大于信道最大时延扩展时，接收机中可以不采用均衡器。 o f d m 的各子载波信道的频谱相互重叠，且每个子信道频域响应的峰值点恰为其它子信道频域 响应的零点，因而既保证了子载波的正交性，也充分利用了频谱资源。 可利用f f t i f f t 快速高效地实现调制解调。 可以根据信道特性自适应地进行各子载波上的功率分配以及选择不同的调制方式，充分利用条 件好的子信道以提高系统性能。 然而，o f d m 技术也存在一些缺点： 与单载波系统相比，o f d m 对频率偏差更加敏感。无线信道的时变性造成的多普勒频移，或者 发射机和接收机本地振荡器的频率偏差都会破坏子载波的正交性，从而导致i c i 。 o f d m 存在较高的峰值平均功率比，这是由于o f d m 的输出信号由多个子信道上的信号叠加 而成，当这些信号的相位一致时，输出信号的瞬时功率会远远大于平均功率。高峰均比对发射机内 的线性放大器提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号幅度的变化，就会造成信号 波形和频谱的畸变，因而破坏子载波的正交性。 1 1 3o f d m 的应用现状 目前，o f d m 技术已被众多无线传输标准采纳，例如数字音频广播( d a b ：d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ) 数字视频广播( d v b ：d i s t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，无线局域网( w l a n ：w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 l a g 和h i p e r l a n 2 ，无线城域网( w m a n ：w i t l e s sm e t r o p o l i t a n 2 第1 章绪论 a r e a n e t w o r k ) i e e e8 0 2 1 6 标准等。此外，o f d m 也是未来移动通信系统的关键技术。可以预见， o f d m 技术具有广阔的发展前景。 1 2m i m o 技术概述 1 2 1 多径衰落信道 对无线信道的物理特性进行数学描述是进行可靠通信技术设计的出发点。多径效应是无线电信 号在山峦、建筑以及其他物体上产生反射从而在不同路径上传播的结果。多径效应产生的多径衰落 信道具有时变特性，这导致信号在时域的衰落。 对于多径衰落信道，将时变信道的冲激响应定义为 ( f ，f ) ，这是信道在t 时刻对f f 时刻的激 励的响应。因为信道的时变特性无法预测，因此将时变的多径信道以统计的形式描述。最常见的衰 落信道的统计模型是瑞利( r a y l e i g h ) 衰落信道模型，这一模型将信道响应h ( t ，f ) 建模为一个复随机 变量，其实部和虚部都是零均值、统计独立的高斯随机变量，方差为矿。信道在任意时刻t 的幅度 ，= l h ( t ，f ) 明从r a y l e i g h 分布： j p ( ，) ：二e - , 2 l a 4 ，r o ( 1 2 1 ) 仃f ( f ，f ) 的自相关函数为 ；九( f ，r i ，。) 2 i 1e ) ( h r ，) ( 1 2 - 2 ) 其中f 是观测时间差。由于一般情况下无线通信信道不同路径的冲激响应是相互独立的。若令 垃= 0 ，则有 烈t ，r j ) = p ( ) ( 埘 ( 1 2 - 3 ) 实际上扣) 是信道的平均输出能量对于延时f 的函数。不同的路径有着不同的延时和不同的平均能 量。将 ( f ) = 告e t , r ) ( ) ( 1 2 - 4 ) 定义为信道的多径能量剖面( m u l t i p a t hi n t e n s i t yp r o f i l e ) 。烈r ) 非零时z - 的取值范围为信道的多径延 时扩展( m u l t i p a t hs p r e a d ) ，其中最大的延时l 被定义为信道的延时扩展( d e l a ys p r e a d ) 。即，当f l 时t 氟( f ) z0 。 信道的相干带宽( r ) 。( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 定义为信号通过信道时其中两个经历独立衰落的 频率分量相隔的频率间隔。这一参数的定义与信道的延时扩展相对偶： ( 可) 。= ( 1 2 - 5 ) 如果信号带宽小丁- 信道的相干带宽( 4 ，) ，则可近似认为信号的所有频率分量都受到相同的 3 东南大学硕士学位论文 衰减，称满足这一条件的信道为平衰落信道。也就是说，对于信号带宽中的所有频率分量，信道的 传输函数在频域上是不变的。在这种情况下无法辨别接收信号中的多径分量，信道于是呈现为一个 单一的衰落路径。因此，在平衰落信道中，接收信号可以简单地表达为发送信号与信道增益h 的乘 积，其中h 是一个零均值的复高斯随机过程。对于单天线系统，平衰落信道可以简单地建模为 y 3 肛+ n ( 1 2 6 ) 其中x 和y 分别是发送和接收信号，n 是接收端的加性噪声，通常被假设为服从高斯分布并且统计 独立于x 。 如果信号的带宽大于信道的相干带宽，即 f a f ) ，则这一信道被称作频率选择性信道。在这。 种情况下，接收机能够从接收信号中分辨出各多径信号分量。因此，频率选择性信道能够用时变的 延迟线模型表示。频率选择性信道会导致符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，导致系统检 测性能变差。为了解决这一问题，可以使用时域均衡或者正交频分复用( o f d m ) 等技术进行处理。 无线信道的分集技术能够利用多径信号分量提高系统的可靠性。如果信道处于由于多径信号中 的负分量导致的深衰落，那么较大的信道衰减可能导致检测出错。然而，如果接收机能够将接收信 号通过工个独立的衰落信道分量叠加，那么所有信号同时被衰减的概率就小了很多。例如，如果任 何一个信号衰减到某个门限值以下的概率为p ，那么来自所有上个信道的信号副本( r e p l i c a ) 都衰 减在这个门限以下的概率为p 。在无线通信系统中，有多种分集接收技术可以用为接收机提供这工 个同一信号的副本。可能使用的分集技术包括时间分集、频率分集和空间分集。 时间分集，是指将同一个信号在个不同的时间上发送多个副本以获得分集。这一连续发送的 时间应该足够长，以使它们的信道是互相独立的。常见的时间分集的例子包括将编码的符号在一个 相当长的时间块上做交织( i n t e r l e a v e ) 。 频域分集，是指将同一个信号不同的频带上发送多个副本以获得分集。如果信道的带宽达到信 道相干带宽，则可以产生独立的频域信道。例如扩频调制( s p r e a ds p e c t r u m m o d u l a t i o n ) 就利用了频 域分集。实际上，在频率选择性信道上，接收机可以获得乙* ，( ，) ，个可分辨的信号分量。通 过利用o f d m 或者时域均衡的技术，可以获得的频域分集e 矽( a f ) 。 空间分集，是指通过多根天线发射或者接收相同的信号以获得分集。这些天线应当相距足够远， 以产生相互独立的衰落信道。为获得空间分集， 提供的独立空域信道也可以发送独立的数据流 ( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 。 需要在发射端或和接收端应用多天线。由多天线 以提高发送数据的速率。这种技术就是空间复用 1 2 2m i m o 信道容量 信道容量是指信道能够支持的最大无差错传输速率，m i m o 系统在发送端和接收端之问建立了 多个空间子信道，t e l a t a l - 4 和f o s c h i n i l ”都指出m i m o 信道的容量可以成倍线性增加。下面总结了一 4 第1 章绪论 些平衰落m i m o 信道容量的公式。 对于一个，发虬收的m i m o 系统，则有如下传输关系： r ：f 旦珏s + n ( 1 2 - 7 ) v 坼 其中，r 为 1 维的接收信号向量，h 为以r 维的信道矩阵，s 为坼1 维的发射信号向量， 且其协方差矩阵r 。= e s s “ 满足t r ( r 。) = r ，使得发射信号总功率为巨。式( 1 2 - 7 ) 中n 表示 方差为n o 的白高斯噪声向量。因此，m i m o 信道容量为： c = 器 1 0 9 2 矿碱e , h r 。h h z 渤 其中，信道容量c 的单位是b i v s h z d e t ( 、表示矩阵行列式a 如果发射端无法获知信道信息，只能假设各发射天线上的信号相互独立且能量相等，即r 。= i ， 则此时的信道容量为： p s 柑矿击咖切 ： 若将m i m o 信道矩阵进行奇异值分解为：h = u a “2 v ”，则m i m o 信道容量可表示为： ：= 舡( + 矗4 ( 1 2 - 1 0 ) 式中，莓表示信道矩阵h 的秩，而丑，f - 1 2 ，r 则为h h 8 的翡零特征值。可见m 1 m o 信道的容量 可以分解为r 个s l s o 子信道的容量之和。若发射端已知信道信息，可以对各子信道进行功率分配， 使式( 1 2 - 1 0 ) 取得最大值，即： c = 舡( + 瓮4 ( 1 2 - 1 1 ) 式中，一= e 2 表示了各子信道上的功率分配，m a 足y r 。= ，。最优的一组一应当满足： 一= 卜篱卜乩z r ( 1 2 - 1 2 ) 其中，( z ) + 定义为： + = 悟裂( 1 2 - 1 3 ， 满足式( 1 2 ，1 2 ) 的最佳功率分配可由“注水算法”求得。 以上讨论了确定m i m o 信道的容量，对于衰落m i m o 信道，其信道容量是一个随机变量，通 东南大学硕士学位论文 常用遍历容量( e r g o d i cc 印a c i t y ) 和中断容量( o u 仃a g ec 印a c 时) 来描述。遍历容量是指随机m 订o 信道容量的集总平均，故发射端未知信道信息时的遍历容量为： 嘞融：( + 矗丑 ) ( 1 2 - 1 4 ) 而发射端已知信道信息时的遍历容量为： 嘞降：( + 最丑 ) ( 1 2 - 1 5 ) 中断容量用于衡量某个信道容量取值的置信度，g 的中断容量e 表示： ，( c q ) = g ( 1 2 1 6 ) 也就是说，对于( 1 0 0 g ) 的信道实现都能保证不小于q 的信息速率。 1 3m i m o o f d m m s d m a 相结合 采用m 订o 技术，通信系统的容量和频谱利用率可以成倍地线性增长，并且能够充分利用空间 分集提高系统对信道衰落的鲁棒性。o f d m 技术将频率选择性信道划分为一组平衰落的子信道并行 传输数据，不仅提高了信息传输速率，而且可以在各平衰落的子信道上与m i m o 技术结合，这就是 m i m o o h ) m 系统。目前，很多公司和研究机构都开发出了m v i o o f d m 实验系统，其中i o s p a n 公司的a 曲u s t 系统是最早的在物理层同时采用m i m o 和o f d m 技术的无线通信系统【6 】。 空间复用( s d m a ) 技术是在同一时段，同一频段的多用户复用成为可能，这样就更有效地利 用有限的频谱资源。当信道矩阵中各个用户的信道传输函数矩阵为空间可分时，s d m a 可以简单的 分离各用户，这样的性质也称为空间特征。尽管m i m o o f d m 系统继承了m i m o 和o f d m 两者的 优点，但是如何有效地将两种技术结合却不是一个简单的问题。同时结合s d m a 的空间复用的优点， 在频域和空域进行自适应的功率、子载波、天线、比特分配是m i m o o f d m a 系统中的动态资源分 配研究的主要问题。 1 4 多用户系统的自适应资源分配 目前自适应资源分配1 可以分为两种优化准则：裕度自适应( m a ：m a r g m ea d a p t i v e ) 和速率 自适应( r a ：r a t e a d a p t i v e ) 。m a 优化的目标是在用户数据速率一定的情况下，最小化总的发射功 率；r a 的目标是在总的发射功率受限的情况下，最大化最小用户的容量或者最大化系统“和容量”。 它们可以运用在不同的实际场合以适应需要。这些优化问题都是非线性的，且计算复杂度较高。这 本文中自适应资源分配和动态资源分配等价 6 第1 章绪论 个非线性优化问题可以转化为线性的具有整数变量的优化问题，并且可以通过整数规划( i n t e g e r p r o g r a m m i n g ) 求出它的最优解【7 】。但是即便如此，随着用户数的增加，计算量也会呈指数形式增长。 因此，通常都是采用各种次优的算法折中考虑计算复杂度和系统性能。 很多自适应资源分配的方法都是假设信道信息在基站完全精确已知。但是在实际系统中，由于 各种因素的影响，在基站( b s ：b a s es t a t i o n ) 一般只能知道部分的或者延时的信道信息。本论文主要 研究了当基站只有延时的信道信息时如何进行自适应的资源分配以及如何有效地反馈部分的信道 信息以达到较好的系统性能。 1 5 本文的主要工作 论文主要研究了多用户o f d m 系统在单天线和多天线情况下的动态资源分配问题，同时也考虑 了与s d m a 结合的分配方案以及c s i 有限反馈的问题。主要工作如下： 第2 章研究了s i s o o f d m a 系统中的自适应动态资源分配方法。分别讨论了以用户公平性、 最大化系统的“和容量”、比例公平兼顾最大化“和容量”为准则的速率自适应( r a ) 分配方法和 以最小化总的发射功率为准则的裕度自适应( m a ) 分配方法，并研究了一些快速算法。 第3 章研究了m i m o o f d m a 系统的自适应资源分配问题，并提出了一种考虑用户不同q o s 要求的实时算法，利用有限发射功率最大化系统总的吞吐量的同时，满足了不同用户的速率和误码 率要求，并且计算复杂度较低。 第4 章研究了m i m o - o f d m a s d m a 相结合的上行链路系统的动态资源分配。这种分配要考虑 多天线之间接入多用户的干扰；而引入s d m a 技术使得当多用户为频域不可分而空间可分时系统的 频谱利用率性能有明显改善。 第5 章提出了当移动端反馈的信道信息( c s i ) 经过较长延时时基站的动态资源分配方案；同 时研究了几种有效的反馈部分c s i 的方案，提出了一种在反馈量和系统性能之间进行折中的反馈方 案。 7 第2 章单天线o f d m a 系统中的自适应资源分配算法 在单用户o f d m 系统中，当信道是静态的或者在发射端和接收端都精确己知时，注水法和自适 应调制是最优的方法【7 】【”。当信道是慢衰落的( 如固定的无线系统) 或信道估计和反馈可以在很短 的时间内完成时，也可以用注水方法。在总的发射功率受限时，单用户o f d m 系统的吞吐量可以通 过功率的频域注水法达到最大【1 1 】【1 2 l ，或者在平均发射功率受限时在时一频域注水。当信道的传输函 数是频域相关时。运用频域的发射功率自适应的方法可以得到很大的增益；若信道的传输函数是时 变的。运用时一频域的功率自适应可以达到比单独用频域功率自适应更好的效果，因为它利用了无 线信道的时变的特性。在单用户o f d m 系统中运用发射功率自适应算法的增益主要来自于频率分集 ( 频域) 和时间分集( 时域) 。 注水法( w f ：w a t e r f i l l i n g ) 只能在单用户系统或者多用户的固定资源分配的系统中使用。例如， t d m a 系统或者f d m a 系统。在这些系统中，不考虑信道响应，一个独立的维( 如一个频带或者 一个时隙) 分配给一个用户。在这种情况下，每个用户和其他用户独立，因此，这种系统可以看作 是单用户系统，这样就可以运用注水法使每个用户的吞吐量达到最大。然而，这样达到的最大化的 速率远小于运用自适应资源分配时可以达到的速率，因为很可能一些用户在其指定的维中的信道增 益很小。所以，如果我们自适应地分配资源，就可以达到更大的吞吐量，即将某一维自适应地分配 给在其上信道情况好的用户。在系统带宽越来越宽的情况下，信道估计可以很快地完成。虽然由于 无线通信系统信道的变化特性，自适应分配一般在实时系统中难以应用，但是由于它能有效地利用 频谱资源，它也越来越受到人们的关注。 在多用户o f d m 系统中，因为每个用户很可能分布在不同的地方，所以每个用户的信号都经历 独立的衰落。因此，在同一个子载波上，每个用户的信号都经历深衰落信道响应的概率很低。对于 一个固定的子载波而言，某一个用户的信号经历深衰落时，其他用户的信道很可能不是深衰落，因 此信道条件好的用户可以利用那个子载波来发射信号，这就是多用户分集的效应。因此，在o f d m a 系统中，当每个用户每个子载波上的发射功率可以根据信道情况自适应的调节时，我们可以联合利 用多用户分集和频率分集。 在本章以及第3 、4 章中，有以下假设：( 1 ) 发送信号是经过准静态的频率选择性的瑞利衰落， 由于在o f d m 信号前加上循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f l x ) ，信道可以由个平衰落信道的组成的来模 拟。因此可以假设从进行自适应资源分配到信号发射出去期间信道是不变的，即进行自适应分配所 用的时间小于信道的相干时间；( 2 ) 接收端精确已知信道状态信息( c s i ：c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ) ， 并且每个用户将信道信息以一定的形式反馈给基站( b s ：b a s es t a t i o n ) 。 2 1 最大化系统和速率的准则 本节研究了一种实用的自适应的功率分配方法来最大化o f d m a 下行链路系统的“和速率” 9 东南大学硕士学位论文 同时考虑总的发射功率和误比特率的约束。这里考虑了用户可以分享同一个子载波的情况，这时就 必须考虑在同一个子载波上其他用户的干扰，即当一个用户的发射功率增加的时候，他对其他用户 的干扰也增加了，因此通过调节发射功率来最大化系统“和容量”的问题就复杂了。这里采用复杂 度较低的次优算法，传输功率自适应的方法可以通过两步完成：( 1 ) 用户的子载波分配；( 2 ) 子 载波上的功率加载。在用户的子载波选择中，对于一个特定的子载波选择一组用户最大化那个子载 波上的数据速率；当对子载波进行功率加载时，我们考虑如何在子载波上加载功率以使总的数据速 率达到最大。 2 1 。1 系统模型 本节考虑的多用户o f d m 下行链路系统的模型如下，它同样适用于速率自适应( r a ) 和裕度 自适应( m a ) 各种准则下的优化算法。 如图2 ，1 1 所示，在基站端的控制器接收到所有下行链路用户的信道信息，并运用“子信道分 配，功率、比特加载算法”控制基站发射机。假设系统中有k 个用户，个子载波共享带宽为b 的 频带资源。k 个用户的总的可用的功率为。假设用户在小区内是均匀分布的，并且每个用户的 信道是瑞利频率选择性衰落信道。 基站墙的控制嚣 信道信息反馈 月p 2 衅挂 二一：= = ：。 月p ： v 厂 厂 拈 l 4 鬻【前缀i j 虽爱霰。 捌r 1 一j ： 【一l 图2 i 1 单天线0 f d m a 系统发射机和接收机 当考虑一个子载波可以被多个用户分享时，我们必须考虑在一个子载波上的多用户之间的干 扰。假设在一个用户数为k ，子载波数为，带宽为曰，噪声的功率谱密度为o 的0 f d m a 系统 中，第k 个用户在第h 个子载波上的信干噪比( s i n r ：s i g n a l t o i n t e r f e r e n c e - p l u s n o i s e r a t i o ) 为： 1 0 第2 章单天线o f d m a 系统中的自适应资源分配算法 “m = ( 2 1 1 ) 其中 ，n ，分别表示第1 个用户在第h 个子载波上的信道增益和发射功率。毛【】表示对 求数学 期望，以。表示第k 个用户在第”个子载波