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北京邮i u 人学碗i + 研究生掌位论文 o f d m 中的自适应分配技术 摘要 宽带无线通信系统需要高数据速率通信，但是这一高速受到了信 道中频率选择性衰落引起的码间干扰的限制。而o f d m 技术，可以克 服码间干扰而成为最具应用前景的技术之一。 在o f d m 系统中，由于o f d m 的各个子载波上的信道衰落相对独立， 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 同用户之间独立的频率选择性衰落，通过自适应的动态子载波和功率 分配，可以获得频域多用户分集的增益，迸一步提高系统的整体传输 效率。 此外，m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路 数据流，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率，有效地提高了系 统的传输速率。将m i m o 和0 f 蹦两种技术结合。可以进一步有效的提 高宽带无线系统的传输速率和效率。在m i m o o f d m 系统中，对自适应 分配技术进行了相应的调整，并涉及到了天线的自适应分配问题。 本文简单介绍o f d m 系统原理后，详细研究了o f d m 中自适应分配 的问题。首先，介绍单用户系统中针对吞吐量、误比特率、发送功率 进行优化的三类问题，给出分析的模型和算法。其次，对较为复杂的 多用户系统中针对收益自适应问题进行了分析，介绍了最新的几种算 法，并进行了改进及提出了新的算法。b a t l a b 性能仿真表现出改进 的算法在降低复杂度的同时保持了性能，提出的算法性能优于其他算 法，其优越性随着负载增加更为明显。在m i m o _ _ o f d m 系统中，结合空 时分层码针对速率自适应问题介绍自适应分配技术；结合空时分组码 针对收益自适应问题介绍自适应分配技术并进行了改进。 关健字：正交频分复用多天线自适应分配多用户收益自适应 北京邮l u 人学坝l + 研究生学位论文 o f d m 中的白适心分配技术 t h ea d a p t i v ea l l o c a t i o nt e c hi n0 f d m a b s t r a c t b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sn e e d h i g hd a t a r a t e w h i c hi sl i m i t e db yi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) d u et ot h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gi nc h a n n e l 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 ( o f d m ) t e c h n i q u e ，w i d e l yr e g a r d e da sam o s tp r o m i s i n gs o l u t i o n ，h a s a t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nf o ri t sa b i l i t yo f r e d u c i n gi s i i no f d ms y s t e m ，d u et ot h ei n d e p e n d e n tf a d i n go ft h ec h a n n e l ， d i f f e r e n ts u b c a r r i e r sc a r le m p l o yd i f f e r e n tc o d i n ga n dm o d u l a t i o n , f u l l y u s et h e r e s o u r c e s ，t oe n h a n c et h et r a n s m i te f f i c i e n c y i nm u i l t i u s e r o f d m a s y s t e m ，d u et ot h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n go ft h ec h a n n e l so f d i f f e r e n tu s e r s ，a d a p t i v e l ya l l o c a t i n gt h es u b c a r r i e r s ，b i ta n dp o w e rt o u s e r sc a no b t a i nt h eg a i nc a l l e dm u l t i u s e rd i v e r s i t y , t oe n h a n c et h e t r a n s m i te f f i c i e n c y w h a ti sm o r e ，m i m oc a ng e n e r a t ep a r a l y z e dc h a n n e lt ot r a n s m i t m u l t i p l ed a t as t r e a mi ns p a c e e r d a a n c et h et r a n s m i te m c i e n c yb u tn o t i n c r e a s et h ef r e q u e n c ys p e c t r u m m i m 0a n do f d mc a l lb o t hi m p r o v e t h er a t ea n de f f i c i e n c yo ft h es y s t e m i nm i m o _ o f d m ，t h e a d a p t i v et e c h d e v e l o p e d ，i n c l u d i n gt h ea n t e n n a h e r e ，a f t e rs i m p l yi n t r o d u c i n gt h eo f d ms y s t e m ，d e s c r i p tt h e a d a p t i v e l y d i s t r i b u t i o nt e e hi no f d m i n t r o d u c et h em o d u l ea n d a l g o r i t h mo ft h et h r e ep r o b l e m sf o rt h et h r o u g h p u t , b i te r r o rr a t ea n d t r a n s m i tp o w e r t h e n ，i nc o m p l e xm u l t i u s e rs y s t e m ，m a i n l yi n t r o d u c et h e m a r g i na d a p t i v e ，g i v es e v e r a lr e c e n t l yg o o da l g o r i t h m sa n dt h e ng i v et h e m o d i f i e da n dp r o p o s e ds c h e m e s t h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t l l a tt h em o d i f i e ds c h e m ek e p tt h ep e r f o r m a n c ew h i l e r e d u c i n gt h e c o m p u t a t i o n ；t h ep r o p o s e ds c h e m ew a sb e t t e rt h a nt h eo t h e r sa n dt h e b e t t e r m e n tw a sm o r eo b v i o u sw i t ht h el o a di n c r e a s i n g i nm i m oo f d m 北京邮l 匕人学倾i j 研究生学位论义o f d m 中的白适应分雕j 土木 s y s t e m ，c o m b i n e d w i t hv b l a s ta n a l y z et h er a t e a d a p t i v e a n d c o m b i n e ds t b ca n a l y z et h em a r g i na d a p t i v ea n dg i v et h em o d i f i e d s c h e m e k e yw o r d s ：o f d mm i m o a d a p t i v ea l l o c a t i o n m u l t i u s e r m a r g i na d a p t i v e 北京邮i u 人学颅f 研究生学位论史o f d m 中的臼适j 世分影技术 ( 厂，g ) 代数符号和结构说明 x 的共轭转置 发送天线数 接收天线数 载波数 发送天线脚标 接收天线脚标 载波脚标 内积 范数 r 坼 坼 心 珥 一 砟 独创性( 或创新性) 声明 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，除了文中特别加以标注和致谢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 其他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 做的任何贡献均己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 本人签名：l 饧 处，本人承担一切相关责任。 i t w j ：丝：z ：! ：笙 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和使用学位论文的规定，即： 研究尘在校攻读学位期| 日j 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 或其它复制手段保存、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年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： 翟授臻7 岁了日 日期：互竺! ：三： 日期：苫里z 。主2 皇 北京邮l u 人学硕i 研究生掌位论文o f d m 中的白适应分配技术 第一章引言 1 1b 3 g ( 1 ) 无线通信系统发展概况 无线通信系统发展经历3 个发展阶段，而今处于第三代移动通信系统发展中 。第三代移动通信以实现任何人在任何时间，地点以任何方式与任何人进行通 信为目标，i t u 提出了以i m t 一2 0 0 0 第3 代移动通信系统( 3 g ) 的研究，于1 9 9 2 年 提出其频段范围，1 9 9 8 年后确定了最终的无线传输技术( r t t ) 标准。一般认为 c o m a 技术和宽带业务是它的主要标志：i m t 2 0 0 0 最初定义的主要参数为其数据传 输速率：室内通信速率2 m b i t s ，车载通信速率1 4 4 k b i t s ，步行者通信速率3 8 4 k b i t s ，并实现全球漫游和多媒体业务。地面无线接口方案的主要标准有w c d m a ， c d m a 2 0 0 0 等。3 g 的主要业务是在2 g 提供的话音数据的基础上，进一步提供多媒 体服务如静态图像、移动图像等多种服务。3 g 采用微蜂窝结构，宽带c d m a 技术， q p s k 调制、自适应调制方式，t d m a c d m a 多址技术，交换方式从电路交换到分组 交换。 ( 2 ) b 3 g 的研究 基于知识产权及技术进步的要求，及早进行未来无线通信技术的研究具有重 大意义，b 3 g 做为3 g 技术的下一步发展已经全面展开。在2 0 0 3 年，全世界从事 b 3 g 研究和产品开发的组织机构已经超过2 5 0 0 家。 1 ) 未来通信系统应具有下述特征“。1 ： 需要占据更宽的带宽； 采用全数字技术，提供更高的传输速率和更大的容量： 支持分组交换，通信以i p 协议为基础能实现更高质量的多媒体通信，兼 容性强更强； 采用大区域覆盖，与3 g 、无线l a n 和固定网络之间无缝隙漫游，使得终端 具有智能和可扩展性： 实现真正意义的全球漫游。能满足用户接入因特网不受地域和设备的限制， 各种用户设备便捷地入网： 采用高度自治、自适应的网络，具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性， 独立的软件平台等 2 ) 未来无线通信的物理层关键技术： 为实现任何人能在任何时间、地点进行高速的无线多媒体通信，要求未来无 北京邮l u 人学颂l 。研究生学位论立o f d m 中的白适j 赶分配投术 线通信系统提供1 0 0 m b i t s s ( 移动用户) 一1 g b i t s s ( 固定无线接入) 的数据传输速 率。3 。实现这一目标的关键在于物理层高速无线传输技术的研究”“”。 一方面，必须丌辟新的频带和带宽，并采用更为先进的宽带信号处理技术”1 。 这些技术包括自适应均衡、( 自适应) 编码调制技术、联合发送与联合检测技术、 r a k e 接收、跳频、f e c ( 如a q r 和t u r b o 编码) 技术等。 另一方面，当静的2 g 3 g 系统的频谱效率仍然不高( c d m a 2 0 0 0 ，8 0 2 1 l 等无 线系统的频谱效率在l 至2 7 b p s h z 之间) ，要提高通信速率就必须加大发射功 率或者增大带宽，但是频带资源是非再生资源，且电池和辐射的限制使通信速率 的提高面临挑战。因此，必须寻找提高频谱效率的解决方案。在这一领域，较引 人注目的有m i m o ”1 和o f d m ”1 技术。m i m o 技术通过空间复用，使频谱效率得以成 倍提高，而o f d m 技术则通过j 下交调制，实现了高效率的多载波通信，并大大简 化了宽带系统中接收机的复杂度。m i m o 和o e d m 以及二者的结合，引起了广泛 关注，并被认为是未来无线通信系统最可能采用的候选技术。 1 2 相关技术 1 2 1 正交频分复用o f d m 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制 技术，也可被当作一种复用技术”1 。选择o f d m 的一个主要原因在于该系统能够 很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用( o f d m ) 最早起源于2 0 世 纪5 0 年代中期，在6 0 年代就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。 1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有关o f d m 的专利。 在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为| 个相互不重叠的 频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将个子信道进行频分 复用。这种避免信道频谱重叠的方法虽然有利于消除信道间的干扰，但是不能有 效利用宝贵的频率资源。为了解决这种低效利用频谱资源的问题，在2 0 世纪6 0 年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输f d m ，其中每个 子信道内承载的信号传输速率为r ，而且要求各个子信道在频域上的距离也是 ，从而可以避免使用高速均衡，并且可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且 还可以充分利用可用的频谱资源。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散傅立叶变换( d f t ) 应用到并行传输系统 中，作为调制和解调过程的一部分“1 。这样就不再利用带通滤波器，而是经过基 带处理就可以实现f d m 。而且，这样在完成f d m 的过程中，不再要求使用子载波 振荡器组以及相干解调器，可以完全依靠执行快速傅立叶变换( p e r ) 的硬件实现。 o f d m 作为多载波的一个特例，将高速的数据分流成若干个低速的子流，并 北京邮| 1 1 人学顺i ：研究生掌位论文 o f d m 中的白适应分配技术 在不同的子载波上分别传输。使得每个o f d m 符号的周期将远大于数据符号的周 期，符号f b j 的干扰问题将得到大大的缓解：另外，在o f d m 符号中添加循环煎缀 c p ，并且循环前缀c p 的长度大于信道的最大时延扩展，那么i s i 可以完全消除。 此外，o f d m 将宽带信道分成若干个并行的窄带子信道，当子载波问隔足够小， 那么每个载波上的信道可以是平坦的。 在未来的宽带接入系统中，o f d m 会是一项基本技术。此外，o f d m 还易于结 合空时编码、分集、干扰( 包括i s i 和i c i ) 抑制、智能天线，以及目前被广泛推 崇的m i m o 系统，最大限度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应 调制、自适应编码、动叁子载波分配以及功率分配等技术，可以使其性能进一步 提高。 1 2 2 o f d m 与m i m o 结合 o f d m 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径 衰落的影响。而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据 流，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率，有效地提高了系统的传输速率。 但是不管是m i m o 还是o f d m 都不能独立地实现b 3 g 系统地空中接口的设计目标。 这样，将m i m o 和o f d m 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是实现很高的 传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性；有效的提高宽带无线系统的传 输速率和效率。 而m i m o 系统虽然在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说m i m o 可 以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然是无能为力。在 2 0 。i o o m h z 的宽带频率选择信道中，m i m o 的均衡将是无线系统空中接口设计面i 临 的一个巨大挑战。而m i m o 和o f d m 技术的结合可以很好的解决以上的问题，利用 o f d m 技术把频率选择性深衰落信道转变成多个子载波的平衰落信道。 另一方面o f d m 可以提高系统传输效率，但是毕竟有限；利用m i m o 技术在不 增加带宽的条件下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。研究表明在衰落 信道环境下，o f d m 系统非常适合使用m i m o 技术来提高容量。 m i m o _ o f d m ”。技术是联合o f d m 和m i m o 而得到的一种新技术。它利用了时问、 频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。而 且，当信道情况好的时候，可以使用空间复用的编码方式，成倍地提高传输速率。 m i m o 和o f d m 作为未来b 3 g 的核心技术，二者相结合在提高无线链路的传输速率 和可靠性方面具有巨大潜力。 北京邮l 乜人学硕f 。研究生学位论文o f d m 中的臼适应分配技术 1 2 3 自适应分配技术 无线通信系统在物理层方面的资源包括码字，功率，频率等。自适应发射技 术是通过链路反馈信息，对发射功率，比特率，编码速率，载波分配等进行调整， 使系统在时变信道中满足误码率，传输速率，功率要求的技术。 由于o f d m 的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，利用不同用户之自j 独立的频率选择性衰落，通过自适应 的动念子载波和功率分配，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。 在o f d m 系统物理层针对速率月，误码率b e r ，功率j p 的分配问题的研究大 体上可以分为三大类：( 1 ) 总发送功率及误码率一定条件下要获得展大容量( 即速 率最大) 时的比特功率分配问题“1 ；( 2 ) 传输速率和总发送功率一定条件下要获 得最小误码率时的比特功率分配问题“2 “”1 ；( 3 ) 传输速率及误码率一定条件下使 得总发送功率最小的比特功率分配问题“1 。 将m i m o 技术与o f d m 技术相结合，利用复用增益和分集增益可以提高系统吞 吐量和可靠性，也可结合天线自适应分配进一步提高性能“。 1 3 本文研究 针对未来通信系统上下行链路业务不对称的特点，本课题主要研究将有较强 干扰抑制能力、适合高速率传输的o f d m 及与m i m o 技术相结合的m i m o _ o f d m 系统 下行自适应分配问题。o f d m 系统的白适应资源分配中的功率及动态比特分配问 题主要可以归结为两大类：一类是根据注水原理，从给定发射功率出发，实现信 道容量( 即传输速率) 最大化的问题：一类是从传输速率和传输质量给定的角度出 发，研究如何实施子载波分配、比特率分配以及功率分配，使得所需要的发射功 率( 或平均每比特信噪比) 能够达到最小“”。 本文介绍了b 3 g 的研究现状，重点介绍其物理层核心技术o f 叫及o f d m 资源分配的自适应技术，与m i m o 相结合的m i m o _ o f d m 技术及其资源自适应分配 技术。 本文主要研究工作主要有以下两个部分： ( 1 ) o f d m 系统自适应分配问题的研究。针对吞吐量、误比特率、发送功率进 行优化；在单用户下自适应调制使得系统功率最小；在多用户下系统的载波比特 分配使系统吞吐量达到最大的解决方案，以及使发送功率最小的解决方案，并对 已有的算法进行改进，提出新的算法。 4 北京邮i 也人学硕l ：研究生学位论文 o f d m 中的白适应分配技术 ( 2 ) 在m i m o _ o f d m 系统下进行自适应分配研究。介绍m i m oo f d m 系统模型， 结合m i m o 的分层空时码针对天线、载波、比特进行分配使得系统吞吐量最大； 结合多天线的信道及空时分组码，将在o f d m 中提出的算法应用到m i m o _ o f d m 中 最小化功率。 本文共分五章，具体内容安排如下 第一章，介绍了移动通信的发展现状，重点介绍了o f d m 技术，m i m oo f d m 技术，及自适应分配技术的研究现状。 第二章，介绍了o f d m 的基础理论及相关技术。分析了f p t 变换原理、循 环前缀和自适应调制技术。 第三章，介绍了o f d m 的自适应分配技术，针对单用户情况介绍了通常的三 类问题，并给出了相应的方案：在多用户情况下介绍了m a 、r a 问题，针对m a ( - i 题进行了改进并提出新方案。 第四章，分析m i m o _ o f d m 基础理论，在m i m o _ o f d m 系统特征信道理论的基 础上，结合空时码介绍m i m o _ o f d m 中的自适应分配技术，使用了提出的方案进行 问题解决。 最后，总结与展望。 北京邮电人学硕i 。研究生学位论文 o f d m 中的自适成分配技术 第二章o f d m 系统及自适应调制 j 下交频分复用o f d m ，是一种特殊的多载波传输方案，它既可以看作一种调 制技术，也可以被当作一种复用技术。采用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现多载波 调制，为o f d m 的使用奠定了理论基础，从而8 0 年代以后，o f d m 技术在移动通 信中得到了迅猛发展。 在传统多载波传输频分复用( f d h ) 系统中，发送端在不同的频率上发送信号， 各个频段之| 日j 没有任何同步。而在o f ) m 系统中，在各个频段上发送的数掘被组 合成一个单独的复用数据流，这些数据由多个子载波组合而成，然后在o f d m 系 统中传输。在o f d m 信号内的所有子载波都在时日j 和频率上同步，使子载波之间 的干扰被严格控制。这些复用的子载波在频域上交错重叠，但因为调制的正交性 且采用循环前缀作为保护自j 隔，所以不会发生载波间干扰( i c i ) ”“”1 。 下图表示了o f d m 系统中子信道符号的频谱： 00 0 6 0 4 掣 譬 02 0 - 0 2 0 4 y y y x 7 ； 7 r ：j了。 a 公a a厂、八厂、厂、aa a a 泐嘞 即即吣，ij即门吲洳 0 0 0舢 纂 图2 - 1o f d m 系统中子信道符号的频谱 假设每个子载波发送的是矩形信号，即信号波形限制在 0 ，力范围内，则每 个子载波的信号频谱为抽样函数s i n e ，如图2 - 1 所示。在每个子载波频率的幅 度最大值处，所有其它子信道的频谱值恰好为0 ，这就是正交性的概念。在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率上的幅度最 大值，因此，可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不 6 北京邮i u 人学例l ，研究生学位论文o f d m 中的臼适成分配技术 会受到其它子信道的干扰。而传统的f d m 系统中，两个信道之i 日】存在较大的频率 间隔作为保护带来防止干扰，这样就降低了系统的频谱利用率。因此，o f d m 系 统比传统f d m 系统具有更高的带宽利用率二者对比示意图如图2 2 所示。 怙娩的钡分堑m f d m 多载渡调材技术 颤草 正空鞠分堑闱o f d m 多垃眭调材拄术 图2 - 2f 咖和o f d i h 带宽利用率的比较 2 1o f d m 基本原理 ( 1 ) 基本模型 o f d m 系统模型如图2 3 所示。输入的二元数字序列首先进行串并转换和编码 映射，然后经过逆快速傅立叶变换( i f f t ) 对编码后的星座点进行基带调制，再经 并串变换、d a 转换及低通滤波后上变频送到信道。接收端的处理过程与发送端 相反，信道出来的信号先经过下变频、低通滤波、a d 转换及串并变换后，再进 行快速傅立叶变换( f f t ) ，然后对所得数据进行均衡以校正信道失真，最终进行 译码判决和并串转换恢复出原始的二元数字序列。 o f d m 信号x ( t 1 可写为： 图2 - 30 f 蹦系统基本模型 7 北京邮i 乜人学硕f 研究生学位论文 o f d m 中的自适应分配技术 x ( ，) - h ( ，弦 ( 2 一1 ) 其中，n c 表示子载波数，= k + n c a w 为第心个子载波频率，w 是载波频率， h ( f ) 为f 时刻第仉个子载波要调制的复星座点。假定在一个符号周期内( ，) 为 定值则： h ( f ) = 了( 仉) ( 2 - 2 ) 设信号采样频率为l t ，可以得到信号的采样值为： 儿一i 并( h7 = ) = x ( n a e 肥州 ( 2 3 ) 假设一个符号周期i 内含有川采样值，即 l = k r , 不失一般性，令”= 0 ，则 k i x ( ”c ) = x ( 以弦“” = l 将其与逆离散傅立叶变换( i d f t ) 形式对比： ( 2 4 ) ( 2 5 ) 咖耻笺g ( 南2 w 悱 ( 2 - e ) 可以看出，若把x ( 怫) 看作频域采样信号，x ( n l ) 为对应的时域信号，当 。志2 f 1 7 ) 成立时，式( 2 - 5 ) 和( 2 - 6 ) 两式等价。由此可知，若选择载波频率间隔为1 r ，则 o f d m 信号不但保持了正交性，而且可以用d f t 来定义，并能够通过简单的 f f t i f f t 变换模块实现信号的调制与解调。 i ) 保护间隔与循环前缀 在实际的o f d m 系统中，由于信道的影响，将不可避免的产生符号问串扰 ( i s i ) ，同时在各子载波之间也引起相互载波问干扰i c i 。假定信道的冲击响应 为h = ，吼) ，q 为噪声，贝l l n 时刻o f d m 系统的接收序列x 可以写为： 刚例 ( 2 8 ) 北京邮1 u 人学顾l 研究生学位论文o f d m 中的白适应分配技术 h = 岛吃o ol 0 h l 0i ! 。il o o 钆j 1 k = 蚱，赡n 。n x 。= x n 。w 7 x 。= 峰i - l ，坼n - ! 。氍! 。r ( 2 - 1 0 ) 1 1 = 蠕+ 一拓瑶 7 卧= 哦! ，n - i 。砜n - i 一。 7 其中，x 。= k x x 。= k x 。 f f = l1l 1 嘴。 l 幢一，筘。1 m 一” n c l n c ，= p m ，r ( 2 - 1 1 ) x 一2 【( k 1 ) ( c 一2 ) ，( o ) 】。 ，、 k 一。= 【矗一t ( ( 一1 ) ，矗一。( f 一2 ) 毛一。( o ) r 由上可见，由于信道的记忆特性，使得当前符号块输出v 不仅与当前输入x 。 有关，而且与上一时刻符号块输入x 。的最后三个输入信号有关，即产生了i s i 和i c i 。为了消除这一影响。根据数字信号处理中用离散傅立叶变换对计算长线 性卷积的算法，提出了在每个发送的符号块前部加入循环前缀，o f d m 循环前缀 结构图2 4 所示： 辰。 嚣百冠。 符号月一l x 保护同啊 x 符号h + l 圈2 - 4 循环前缀结构 循环前缀( c p ) 间隔的方法，使得时域中原来发送信号与信道响应的线性卷积 变成循环卷积，这样不但消除了i s i 和i c i ，而且简化了系统的均衡运算。如图， c p 的构造是通过把原符号块的最后t 个时域样点再复制一份放到符号块最前端 构成一个长为f + 丘的新序列。发送时，首先发送新加的厶个信号，然后依次 9 北京邮i 也人学颐f 研究生学位论史o f d m 中的白适麻分配技术 发送原序列。在接收端，将收到的心+ t 个信号的前t 个移弃，仅保留m 个信 号。当厶l ，则可以写出： v = 庙x 。+ q ， ( 2 1 3 ) h = 一 0 岛 ： 0 0 0 ： 。 啊 h | 。0 0 ，0 垃 0 0 0 札x ( ( 2 - 1 4 ) 由上可见，当前的输出仅与当前输入有关而与以前输入无关，这样就消除了 i s i 和i c i 。 2 ) o f d m 系统特点 根据上面的分析不难看出，0 f d m 系统具有如下优点： 各个子信道中的正交调制和解调可以采用i d f l r 和d f t 来实现。对于子信道 数很大的系统，还可以用f f t 来实现。这样运算量就很小，实现简单。 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于 上行链路的数据传输量。0 f d m 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来 实现上行和下行链路中的不同传输速率。 实际的信道多数都是频率选择性衰落信道，但是不可能所有的子信道都同时 处于深衰落。因此，性能差的只是其中的小部分子信道，就可以通过信道编解码 来得到最终的解调数据。还可以通过动态比特分配和动态子信道分配来充分利用 信噪比较高的子信道，从而提升系统性能。 0 f d m 由于其频分特性，容易与其他多种多址方式相结合使用，构成0 f d m a 系统，其中包括多载波码分多址( m c - c d m a ) 、调频0 f d m 以及o f d m t d m a 等等。 2 2自适应o f d m 调制技术 在移动通信系统中，无线信道的参数是时变的，在采用固定的调制技术时， 为了满足某一指标( 保证一定的服务质量( q o s ) ) ，必须按信道状态最差的情况设 置调制参数，这样当信道状态好时就会造成系统资源的浪费。因此，为了最大程 度地利用系统资源就必须充分利用信道状态信息，即根据信道的状态信息来动态 设置有关的调制参数，即自适应调制。通常自适应0 f d m 调制是指根据有关的信道 信息，在满足某种条件下，使系统的目标函数值最优化，即解决带有约束条件的 1 0 北京邮i u 人学硕l ：研究生学位论义o f d m 中的白适应分配技术 最优化问题。因此，自适应的0 f d m 一般包括以下步骤： ( 1 ) 信道状态信息检测：由于无线信道状态信息是进行自适应o f d m 调制的基 础，所以这部分的工作就显得特别重要，由于信道的状态信息可以由多种参数来 表示，比如：信道增益( h ) ，信噪比( s n r ) ，误码率等等。由于误码率有自身的缺 陷，不能反映信道状态比当前的默认的信道状态好的情况，而且对信道状态比较 差时也难以反映服务质量( q o s ) 等级；信噪比( s n r ) 有符号信噪比与比特信噪比之 分，具体采用哪种作为指标与所采用的调制有关，需要对每个子载波进行s n r 计 算。从目前的研究情况来看，o f d m 系统的信道估计算法最多的都是从信道增益( h ) 方面来研究。从是否采用训练序列的角度来说。可分为三类：导频辅助的信道估 计、盲信道估计、半盲信道估计。这三种方法各具特色，可以根据不同的系统选 择不同的算法，导频辅助的信道估计算法是目前运用的最广泛的一种，8 0 2 1 6 a 及8 0 2 1 r e 中均采用这种方法。为了研究自适应o f d m 资源分配算法的性能，本文 在仿真时假定系统的信道估计器是理想的，即信道信息是完全确知的。 ( 2 ) 自适应参数的选择：根据信道估计器获得的所有子信道的信道信息( h ) ， 为各个子信道( 子载波) 选择不同的自适应参数，使得在某种准则下的资源配置 达到最佳化。一般来说，自适应参数包括两大部分：编码模式与调制方式。本文 只涉及到调制方式，即根据各个子信道的信道增益为其选择合适的调制阶数，或 关闭性能恶劣的子信道。这部分的工作一般由接收端来完成。 ( 3 ) 在多用户o f d m a 系统中，利用不同用户之间独立的频率选择性衰落，通过 自适应分配子载波，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。 ( 4 ) 状态信息的闭环传递：在以上( 2 ) 步中做好信道估计和参数自适应选择两 个步骤之后，这部分的信息有两个用途：一个是在接收端作为解调时的参数；另 一个是将这些相关信息通过信令通道通知发送方，以便发送方选择适当的调制方 式，使整个系统达到或逼近最佳化的目的。 北京邮电人学坝i 。研究生学位论文 o f d m 中的自适麻分配技术 第三章o f d m 自适应分配 针对无线信道的时间弥散特性，多普勒频偏使得高速率数据通信要受至i j i s i 的极大限制，o f i ) k l 是解决这一问题的有效技术。它把频率选择性衰落信道分成 多个并行正交的平坦衰落子信道，减少了多径衰落的影响，可以有效地对抗i s i ， 并可以提供很高的数据传输速率。另外还有一个好处就是能够根据各个子信道的 实际传输情况灵活地分配发送功率和信息比特。而且由于无线信道的频率选择性 和时变性，也需要实时地对信道状况进行监测，更加有效地利用无线资源。 对于所有子载波都使用固定调制方案的0 f d m 系统来说，其错误概率主要由经 历衰落最严重的子载波所决定。因此在频率选择性衰落信道中，随着平均信噪比 的增加，o f d m 系统的错误概率下降是缓慢的。这一问题可以通过如下方式得到解 决，即对o f d m 系统内不同的子信道采用不同的调制方式。所使用的调制方式必须 要适应每个子信道的信噪比。而且也可以对子信道上的功率分配实现最优化。 同时，由于o f d m 的子载波是相互独立的，多址接入也是可能的。可以将子载 波分配给不同的用户以提供多用户传输能力。 ，一s u b c a r r i e r l a i o 。a t i o n 一；：船 ；篙 1，jl b i t 图3 - 1o f 叫自适应分配模块模型 自适应o f d m 系统的等效基带模型如图3 一l 所示。其基本原理概述如下：首先接 收端通过信道估计器获得关于信道的状态信息：自适应比特、功率分配器根据其 内置的算法及来自信道估计器的信道状态信息，为各个子载波设置适当的调制参 数( 主要包括调制方式和发送功率两部分) ，并把它们通过专用的信道传送给发送 端；发送端的串并变换器根据送来的调制参数为各个子载波分配相应的比特数， 调制器同样根据其对应的调制参数完成对各个子载波的基带调制：各个调制器出 鞠 一 h ， 北京邮l 乜人学颅i ：研究生学位论文o f d m 中的臼适心分配技术 来的数据通过快速i f f t 变换器，并串变换器、加循环i i i 缀后送入信道发送给接 收端，接收端进行与发送端相应的逆操作，最终获得输出数据。 目f i u o f d m 资源分配性能研究包括传输速率，发射功率，误比特率，在不同的 约束条件下研究相应的性能。分析对象分为单用户和多用户( o f d m a ) ，进行研究 本章首先介绍单用户资源分配，单用户分配算法比于多用户相对简单，但是 多用户算法的基础，因此在单用户情况下分别介绍三种不同的问题分析类型，分 别针对速率，误码率，功率；再次介绍多用户载波比特分配，主要针对m a 问题， 由于多个用户的“冲突”，算法复杂很多，目i 已有一些优化算法，在此主要针 对功率问题分析；最后给出在研究这些算法的基础上改进的算法。 3 1 基本知识 3 1 1 a w g n 信道上各种调制方式的性能分析 征a w g n 信遁中，米用相干检测时： ( 1 ) b p s k i 拘错误概率： ( 罔= q ( 瓜) 其中： q ( x ) 2 去p - t 出 其中：b 2 为误比特率：岛为每比特信号的能量；0 为噪声功率谱密度； 特能量噪声比。由式( 3 一1 ) 可得孙与县的关系如下： s n r b = 昙 q - l ( 垦) 2 ( 2 ) m - o a m 的错误概率： = 1 一【1 一j ，、z 式中： 2 ( 卜丽1 ，q f 肝1 v iij 一ij 其中：k = l o g m 。 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 比 ， ， ， 为 弋 q 巧 ， 3 3 3 矗一虬 0 0 北京邮电人学碳1 。研究生学位论文 由式( 3 4 ) 及( 3 5 ) 可得s n r b 与的关系如下： = 等 q ( 等铲订 o f d m 中的自适麻分配技术 ( 3 - 6 ) 给出调制方式b p s k ，4 q a m ，8 q a m ，1 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m 如图3 2 所示及其性能 对比如图3 3 所示： i 一。一一一 0 5 ： 瞻 0 5 1 【一j 1 6 0 a ， 一t 一 一 崛 m i 一 0 5 0 i 0 5 1 1 l f 蜜：； l i ； 0 雪1 0 1 1 2 图3 2 星座图 图3 - 3a w g n 信道中各中调制方式的性能 3 1 2 功率调制误码率关系 驯 ， 考虑到性能和分析的简化，在本文中采用矩形i _ q a m 调制。对于mq a m 调制， 在接收端接收信号，其误码率b e r ，数据速率r ，和接收功率厂具有如下约束 4 叶l ，j l 山 群辫鞭恻藉糍鞭j| 1一一一一“ ：车=荟=x蔓叶二：；丰二”一一-一=辜一出：；：蔚王摹r舅辜王器；，i!-i_-i1， 搿；=一黝糊瓣；_莲；姒蔷=螂群w删群一一 强强ij：畦蔓：幕吨x_晦芝叶t羟本z蕾；壬：舶爻擘#y鸯莹z：荽至；兰莘一_孙r”；，!毫；1ij烈 t_：-，13 ： _- i：-t1i；，!i；ii-i_；f，：_；nt；-譬：?强荨筻尊一矗孽等本寸蔓4如葺z工伯 委董卞攀一 ：!：蔓z砖冀呼：；：壬薪，囊叠：k”k扣。 鬟巡 一 ：i￥=要车：二仃n*o非#一憾：|，：蜡 !_-一 l；1zc，；-rrrl3 涨科 妒 ” 妒 芷u 时 ：， 铲 苎皇些! ! 叁兰堡! ：竺壅圭兰竺堡兰一旦里坠竺兰竺皇星坐兰坚盟! ：! 一 条件： 朋，= 举( 半) r 6 _ 1 ) 其中0 为噪声的功率密度，q ( z ) 如式( 3 2 ) ： 由此要求发送端功率相应为： p = 等= 钟( 剁( 2 6 一咖 其中i 1 2 为信道增益。 3 2 单用户资源分配 ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) o f d m 自适应分配如图3 1 所示，在单用户的情况下，载波全部属于该用户， 则不需要载波分配，只需要对不同性能的载波分配不同的比特。比特分配功能模 块根据反馈的信道信息，通过算法对比特进行分配，性能好的载波将获得较多的 比特。 在具体讨论算法之前，先讨论一下a w g n 信道下容量最大化的“注水功率分配” 方法，这种方法被称为理想的功率分配方法m 。 3 2 1 注水原理 假定某个o f 0 5 l ! 系统的信道总带宽为b h z ，胃( 乃为该信道的传输函数，信道 内存在有噪声功率谱密度为 ，u ) 的加性高斯白噪声。该系统有心个子载波，每 个子载波的带宽为可= 0 ，而且应该满足以下条件：即i h ( 厂) f ( 力的值在 子载波信道频段内近似为常量。而且信号的总发送功率为： 弓= f 墨( 厂矽 ( 3 9 ) 弓为发射机的平均发射功率，( ，) 为发送信号的功率谱密度，矗为第一个 子载波的起始频