（通信与信息系统专业论文）无线网络中物理层与mac层的联合优化设计.pdf

中国科学技术大学硕士论文摘要 摘要 由于无线信道时变衰落的自然特性和新兴的高速实时多媒体业务对无线网络q o s 的 要求，传统的那种各个层面独立进行优化和设计的分层式网络结构并不适用于现代的无线 网络。因此，人们提出了一种对多个层面进行联合优化的跨层优化设计的概念。物理层和 m a c ( 媒体接入控制) 层是无线网络对其性能影响最大的两层。这两个层面的联合优化设 计是目前无线网络跨层优化设计中的热点问题。 本文主要研究基于物理层和m a c 层联合优化的资源分配算法。本文先对目前无线网 络中物理层和m a c 层的一些自适应技术进行讨论和分析，指出联合优化给系统整体性能 带来的增益，并且总结目前物理层与m a c 层的各种联合优化算法。 针对多载波系统中的资源分配问题，本文提出了一种o f d m a 系统中基于遗传算法的 联合优化设计利用遗传算法来解决多载波系统中物理层与m a c 联合优化的资源分配问 题。把多载波系统中物理层与m a c 层联合优化的资源分配问题分为子载波分配和分组调 度两部分。提出一种基于平均等待时延公平性的调度算法，该调度算法利用随机逼近的方 法来最大化系统的吞吐量和保证用户间的公平性。针对o f d m a 系统的特性，设计出一种 遗传算法来求解资源分配中的子载波分配问题。仿真结果表明该算法能有效地提高系统的 性能和保证用户问的公平性 本文最后提出一种分组调度和子载波分配交替迭代进行的资源分配算法。这种资源分 配算法以数据包为资源分配的基本单位，分组调度算法先根据信道信息和m a c 层队列信 息选择出一个要发送的数据包，然后子载波分配算法根据每个子载波上的信道情况给该数 据包分配子载波，这样一直进行下去，直到所有子载波都分配完毕或者m a c 层中所有数 据包都发送完毕为止。这种资源分配算法实现复杂度低，适合应用于短帧。大数据包的多 媒体无线接入网中。仿真结果表明，该算法无论是在系统的吞吐量、丢包率还是数据包等 待时延方面，都具有良好的性能。 关键字：跨层优化设计，自适应链路，机会调度，正交频分复用接入，遗传算法 m 中国科学技术大学硕士论文a b s t r a e t a b s t r a c t 硼 c u r r e n tl a y e r e dn e t w o r k i n ga r e i t i t e c t t l r e , i nw h i c he a c hl a y e ri sd e s i g n e da n do p t i m i z e d i n d e p e n d e n t l y , l e a dt o 龃i n f e r i o rp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sn e t w o r k s d u et ot h en a t u l o ft h e w i r e l e s sm e d i u m , s u e l a t i m e v a r y i n gc h a n n e l 蠡d j n g ，a n dt h es t r i n g e n tq o sr e q u i r e db yt h e h i g h - s p e e dm u l t i m e d i al l 撕c ac r o s sl a y e rm e t h o d o l o g y p r o p o s e dt os o l v et h i sp r o b l e m , i n w h i c hs e v e r a ll a y e r sw e r ej o i n t e do p t i m i z e dt o g e t h e r p h y s i c a ll a y e ra n dm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e ra l et o wo ft h em o s ti m p o r t a n tl a y e ri nw i r e l e s sn e t w o r k j o i n tp h y s i c a ll a y e ra n d m a c l a y e ro p t i m i z a t i o ni so h o ti s s u ei nc r o s sl a y e rd e s i g n 他p a p e rm a i n l yf o c u s e s0 1 1t h ej o i n tp h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e ro p t i m i z a t i o no f l c s o u l c ea l l o c a t i o n w ef i r s ta n a l y s i st h ea d a p t i v et e c h n o l o g yi np h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e r , t h a n p o i n t o u t t h e p c r f o n m n c e g a i nd l w t o t h e j o i n t o p l i m i z a t i o na n d r e v i e w e d t h e j o i n t p h y s i c a l l a y e ra n dh t a cl a y e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h m a j o i n to p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e do nt h eg e n e t i ca l g o r i t l m a sw i i sp r o p o s e dt os o l v et h e r e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e mi no f d m a $ y s t c m 啊蛇l e s o u r c ea u o e a t i o nc b ed i v i d e di n t ot o w p a r t ：s u b e a r d e r sa s s i g n m e n ta n dp a c k e ts e l a e d u l i a g as e h e d t t l i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h ea v e r a g e w a i t sd e l a y 蠡i m bw p r o p o s e d 1 1 s c h e x l 1 i n ga l g o r i t h mu s e ds t o c h a s t i ca p p r o x i m a t i o n m e t h o d st om a x i m i z es y s t e mt h r o u g h p u ta n dg u a l t e ef a i r n e s si nt h eu s e f s ag e n e t i ca l g o r i t h m w a su s e dt os o l v et h es u b c a r r i e ra l l o c a t i o np r o b l e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m c a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n de n , s l l t ef a i r n e s s a ni t e r a t i v e s 们钟a l l o c a t i o na l g o r i l h mw a l jp r o p o s e d i nw h i c ht h ep a c k e ts c h e d u l i n g a n ds u b e a r r i e r sa l l o c a t i o ni sr , e r f o r r a e ai na na l t e r n a t em a n n e l r t h ep a e k e ts c h e d u l i n gd e t e r m i n e s w h i e hp a c k e tt ob es e n t , t h a nt h es u b e a r r i e r sa l l o c a t i o nm o d u l ed e t e w l n i l l c sw h i e hs u b e a r r i e r s w e r ea g s i g n e dt ot h i sp a c k e t mp r o c e s si sc o n t i n u e su n t i la ut h es u b e a r r i e r sa 托a l l o c a t e do ra l l p a c k e t si nm a cl a y e ra 球s e n tc o m p l e t e d t h i s s a 哪a l l o c a t i o na l g o r i t h mc o m p l e x i t yi sl o w , a n ds u i t a b l ef o rs h o r tf r a m e 1 a r g ed a t ap a c k e t sm u l t i m e d i aw i r e l e s sa c c sn e t w o r k ni s d e m o n s t r a t e di nt h es i m u l a t i o nr e s u l tt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc i n l p t o v et h es y s t e m r , e r f o r m a 础i nt e r m so f t h r o u g h p u t , p a c k e tl o s sr a t ea n dp a c k e tw a i td e l a y 1 k e y w o r d s ：c r o s sl a y ho p t i m i z a t i o n , l i n k - a d a p t a t i o n o p p o r t t m i s t i es c h e d u l i n g ，o f d m a , g e n e t i c a l g o r i t h m v 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：碰 c ，d7 年s 月王十日 中国科学技术大学硕士论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展历史及趋势 1 8 9 7 年，m g 马可尼在固定站与一艘距离1 8 海里远的拖船之间进行的无线通信试验 标志着移动通信的诞生。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室成功研制了先进移动电话系统 ( a m p s ) ，建成了世界上第一个蜂窝状移动通信网，这种无线蜂窝网络实现了频率再用，增 加了频谱的利用率，提高了系统的容量，使得移动通信得以大规模地应用。第一代蜂窝移 动通信系统是基于模拟通信技术，采用f d m a 接入方式，只提供话音业务第一代移动通 信系统的主要贡献是建立了移动通信网络的基本架构( 蜂窝式的网络结构) ，解决了移动通 信中的一些基本问题，如频带复用，漫游切换等但是第一代蜂窝移动通信系统存在频带 利用率低、保密性差、终端体积大等缺点。 9 0 年代初，以g s m 系统为代表性第二代数字蜂窝移动通信系统的出现使得移动通信 有了飞速的发展。第二代移动通信系统采用基于数字信号处理技术数字通信技术，采用了 更加灵活、高效的时分多址f m m a ) 和码分多址接入( c o m a ) 技术，解决了第一代蜂窝系统 中的诸多问题。s i m 卡的发明和支持更多用户是第二代移动通信系统的主要贡献。但是第 二移动通信系统仍然为话音业务为主，数据业务的比重很小。 2 l 世纪初期，随着计算机的大量应用和网络技术的不断进步，数据传输业舞在现代通 信业务中的比例逐年上升，基于c d m a 技术和智能信息处理的第三代移动通信系统开始进 入人们的视野。国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 0 年5 月确定w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s - c d m a 三大主流无线接口标准，写入3 g 技术指导性文件 2 0 0 0 年国际移动通讯计划 ( 简称i m t - 2 0 0 0 ) 。第三代移动通信具有如下特点： 占用更高的频段( 2 g h z ) 和更大的带宽( 5 m h z ) ； 支持更高速率的多媒体业务：话音、数据传输、无线互联网接入、运动图像传输 等： 支持更高速率的数据传输：室内2 m b p s 、室外步行3 s 4 k b p s 、室外高速移动1 4 4 k b p s ； 与第二代移动通信网兼容： 具有更高的频谱利用率及更高的系统容量。 然而3 g 系统也有其局限性，比如3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了第二代的电路交换， 而不是纯口分组交换方式；由于受到多用户干扰，c d m a 难以达到很高的通信速率，从 理论上说，3 g 手机的传输速度能达到3 8 4 k b s 或更高( 静止时达到2 m b s ) ，但手机 的速度将受到通信系统容量的限制，难以达到理论速度。为高速业务和多媒体业务而设计 的3 g 系统在通信容量与质量等方面将远不能满足要求。 在3 g 还未大规模商用之前，人们已经开始了基于多载波和m i m 0 技术的后3 代移动通 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 信系统的研究。2 0 0 4 年，日本d o c o m o 演示了传输速率为i g b p s 的第四代移动通信系统。 我国也于2 0 0 6 年成功研发了上下行传输速率均为1 0 0 m b s 的b 3 g 实验演示系统。目前，后 3 代的移动通信正朝着下面几个方向发展： 全i p 化：未来后3 g 移动通信网络的核心网部分将实现全i p 化，整个无线网络由 原来电路交换变成分组交换，所有的业务都由口包来承载，真正实现话音和数据 的业务融合，能为用户提供各种丰富多彩的应用服务。 宽带化：后3 代的移动通信系统将采用比3 g 系统更宽的频谱带宽，并且物理层采 用了0 f d m 和m i m o 等增强技术，大大地提高了频谱利用率目前国际电信联盟( 对4 g 基本的技术要求是，在移动状态下达到速率1 0 0 兆比特秒，静态和慢移动 状态下达到速率i g 比特，秒。与现有的移动通信技术相比，4 0 的传输速度可提高 1 0 0 0 倍。 业务的多元化：支持多种应用，包括更多的多媒体业务，而且希望有无处不在且 根据个人需求进行定制的新应用和服务 无缝性：包含系统、业务和覆盖等多方面的无缝性。系统的无缝性指的是用户可 以任意地在多个移动通信系统中选择最合适地一个使用：业务的无缝性指的是对 话音，数据和图像等业务支持的无缝性；而覆盖的无缝性指未来的移动通信系统 应能提供无处不在的无线接入。 然而，移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口，实现这些要求在技术上将面临着 下面这些挑战。 复杂的电波传播条件：移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反 射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效 应： 无线媒质的开放性；无线通信受到噪声和干扰的影响，如在城市环境中的汽车火 花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰，邻道干扰、同频干扰等； 有限的频带资源：无线电频率是一种宝贵资源，随着移动通信的飞速发展，频谱 资源有限和移动用户急剧增加的矛盾越来越尖锐，出现了“频率严重短缺”的现 象： 受限的信号发射功率：从延长移动用户设备的电池寿命、绿色环保、或者设备成 本的角度，一般发射机的功率都受到限制，这就要求具有高功率效率的技术。 为了解决以上问题，人们纷纷寻求更智能的物理层信号处理技术，比如多载波传输技 术( 如正交频分复用技术，o f d m ) ，多天线技术( m i m o ) ，高性能编码和调制技术各种动 态及快速自适应技术等等。除此以外。人们开始寻求无线网络构架上的创新，跨层优化就 是在这一背景下出现的一个新的研究方向。跨层优化设计打破了传统分层的网络结构，针 对无线链路的特殊情况，对多个层面进行联合优化，以达到系统整体性能的最优化。下面 一节将介绍现在跨层优化的研究状况及面临的问题。 2 中国科学技术大学颐士论文第1 章绪论 1 2 跨层优化的研究现状及面临的问题 1 2 1 跨层优化研究的动机 现在因特同采用的是t c p i p 的分层协议结构 1 1 ，每一层利用它下面一层提供的服务 实现某一特定的功能整个协议栈结构采用模块化的设计方法只有相连的两层之同才能 进行通信。这种分层的协议结构降低了协议设计的复杂性易于实现和维护，在过去三十 多年的因特网发展中取得了巨大成功。 现在无线用络中仍然采用有线网络的这种分层的网络结构。但是这种分层网络结构并 不适用于无线网络，其具体原因有如下几个方面第一，传输媒介的不同：有线网络中的 物理层媒介( 比如光纤，铜线电缆等) 是十分稳定和可靠的。所以上层的协议无须考虑物理 层的各种特征，可以独立进行各层的优化。而无线倍道是一个时变的，不可靠的媒介，那 么在设计上层协议的时候就必须考虑到无线信道的这种特征，使上层协议能够自适应物理 层的这种时变性第二，带宽的要求：无线带宽相对于有线来说是十分有限的，所以系绕 设计的时候需要从个全局的角度出发考虑系统的整体效率问题。第三，功耗的要求：无 线终端一般是一个能量受限的设备，如何减少终端的功耗是协议设计一个很重要的方面， 这涉及到协议拽所有的层面。第四，q s ( 月匣务质量瑚要求：无线接入已经成为一种很重要 的接入方式。其上承载的业务不仅有传统的话音业务，还有各种各样新兴的多媒体业务， 并且将来的核心网都将统一采用基于数据包交换的口网络。这就要求无线网络能够支持各 种不同的q o s 需求而q o s 的保证需要所有层的参与。从上面的分析中我们可以看出， 对于无线两络来说，如果我们仅仅独立地对某一层进行优化都不可能得到最优的结果。 因为对任何一个层面进行优化都会需要到本层面无法获得而其他层面又易于获得的信息。 我们需要从一个全局的角度出发考虑系统中的各种问题。近几年的一些研究表明【2 ，3 1 如 果能挖掘无线信道的各种信息，增加各层之间信息的直接交互对坍议栈各层进行联合优 化，那么系统的整体性能将会得到极大的提高，这就是跨层优化设计的基本思想。 1 2 2 跨层优化设计的分类 跨层优化并不是要完全打破现有的这种分层的网络结构，其具体含义是指多个层面的 算法联合在一起进行优化，抛弃以前那种在某个层面上独立对其算法进行优化的做法。现 有文献中提出的跨层优化方案主要有以下几种： 在不相邻的屡面之问创建薪的接c i ：从接口信息流向的角度看可以分成两种慵况： 向下的信息流和向上的信息流。向上的信息流主要出现在上层协议需要底层提供 一些额外的信息时。一个最典型的例子就是当传输层( r c p ) 路径中包含无线链路 时。需要链路层提供一个拥塞指示信息。因为无线链路上的差错产生的丢包会导 致t c p 的发送方误认为是两络发生了拥塞，如果t c p 仍然把这种丢包的处理倚 单地归结为启动拥塞控制机制的话。势必导致网络传输性能的恶化。这个问题的 3 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 解决方法就在无线链路层和传输层之间添加一个拥塞指示的接n ，当无线链路开 始出错时，链路层通过这个接口告诉传输层当前的丢包是由无线链路差错引起的， 并非网络层出现了的拥塞。向下的信息流主要是应用层给底层的信息，比如应用 层可以提供一些业务的特定信息( 如实时业务的时延要求等1 给链路层，这样链路 层在进行调度和资源分配时可以尽量满足上层业务的需求。 融合相邻层：这种跨层设计就是把原来相邻两层融合在一起设计，这样做可以保 留原有协议栈的接口和结构，其实现复杂度最低。在无线网络中，物理层与m a c 层是联系最紧密的两层。也是对系统性能影响最大的两层对这两个层面进行联 合优化可以有效地提高无线网络的容量，并且不需要修改上层的结构，是跨层优 化中最简单的一种，这也是本论文主要研究的内容。 多个层面融合在一起设计：这种跨层设计的思想主要出现在a d - h o c 网络设计中。 无线传感网络是一个能量受限性的系统，功率效率是最重要的一个优化指标。为 了取得最优的功率效率，需要网络层的路由算法。m a c 层的资源分配算法和物 理层各种信号处理算法结合在一起设计。 不相篙；j 鬟背创建 融合相邻的层面多个层面融合在一起设计 固1 1 不同的跨层优化方案 1 2 3 跨层优化设计存在的问题及挑战 虽然跨层优化可以给系统性能带来很大增益，不过跨层设计也会带来其他的一些问题。 跨层优化打破了原来网络中那种分层的协议构架，如何确保跨层优化后系统的稳 定性以及系统长期的可维护性是一个值得探讨的问题【4 1 。 在分层的网络结构中，每层算法都有自己独立的优化准则，如物理层准则是误比 特率，m a c 层准则是节点吞吐量和用户的公平性，网络层准则是时延和路由效 率。那么跨层优化中的优化准则如何确定，在进行多层联合优化时，如何综合优 化这些准则或如何对这些准则进行优先权排序? 如何降低跨层优化的复杂度。 4 中国科学技术大学硕士论文第l 章绪论 1 3 论文的主要内容及章节安排 本文分为五章，第一章是绪论，介绍了无线通信的发展历史和趋势，跨层优化的研究 现状及面临的问题。 第二章对物理层和m a c 层联合优化问题做一个概述，首先介绍现在无线网络中物理 层与m a c 层一些关键的算法技术。包括自适应编码调制，o f d m 系统中的比特，功率和 子载波分配，多用户分集和m a c 层的机会调度。然后在此基础上提出物理层和m a c 层 联合优化的研究动机，最后总结现有的联合优化算法 第三章提出了一种o f d m a 系统中基于遗传算法的联合优化设计先把o f d m a 中的 资源分配问题分为分组调度和子载波分配两部分。提出一种基于平均等待时延公平性的请 度算法，利用随机逼近的方法来解决调度算法中吞吐量最大化和用户公平性问题。然后利 用遗传算法来求解子载波分配的闯题。 第四章提出一种分组调度和子载波分配迭代交替进行的资源分配算法，这种资源分配 方式以数据包为基本分配单位，实现复杂度较低。适合无线接入网的高速多媒体业务传输。 第五章是结束语，先总结本文的内容，然后提出迸一步的研究方向。 s 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 2 1 引言 在研究物理层与姒c 层联合优化问题之前，我们有必要先弄清楚物理层和姒c 层各自 的功能和设计目标，以及各自的关键技术和算法，然后才能设计出有效的联合优化算法 本章先介绍物理层和m a c 层的一些关键技术和算法，然后提出联合优化的研究动机，最后 总结目前物理层与姒c 层的联合优化算法，并且分析其优缺点 在无线网络中，物理层的主要功能是根据无线链路的特性，采用各种信号处理技术， 保证原始数据在无线链路上的可靠传输。物理层算法设计的准则是降低误比特率，提高系 统的频谱效率或功率效率。为了达到以上目标，人们在物理层采用了各种高效的信号处理 技术，包括以下几个方面： 编码和调制技术：l d p c 码，t u r b o 码，q 删，t u r b o 迭代接收，扩频等 分集技术：交织，m i m o 。空时码等 自适应技术是近几年物理层研究的一个热点问题。其基本思想是根据无线链路的信道 情况，自适应地调整物理层各个算法的参数，以提高系统的性能。2 2 节介绍的自适应编码 调制是现在物理层上常用的一种自适应技术 媒体接入控制是m a c ( 媒体接入控制层) 层的主要功能，m a c 层控制着相互竞争的用 户之间如何分配信道。m a c 层是无线接入网的核心部分，其主要功能有接收来自高层的 业务数据，并将这些数据封装成数据包送给物理层，根据用户的业务q o s 需求给不同用户 分配无线资源( 包括信道，功率等) ，采用不同的调度算法决定哪个用户先被服务，根据当 前系统的资源和用户数决定是否接纳新的用户进入( 接入控制) ，采用某种机制避免上行多 用户数据包的碰撞。m a c 层设计的准则是最大化系统的吞吐量，满足各个用户的q o s 需 求和保证用户间的公平性。目前m a c 层研究的热点在于无线资源的分配和调度算法的设 计。o f d m a 被广泛认为是下一代无线网络的接入方式，2 3 节将详细介绍o f d m a 系统中 的资源分配问题( 包括比特，功率和子载波分配) 。多用户分集和机会调度是现代无线网络 出现的一种新概念。利用无线信道的时变特性和用户问信道的独立性，使信道条件好的用 户获得更多的传输数据，以提高系统的吞吐量，2 4 节介绍多用户分集的概念和各种机会调 度算法。 在分析完物理层和m a c 层的一些关键技术之后，2 5 节给出了这两个层面联合优化的研 究动机，并指出联合优化给系统带来的增益。最后2 6 节总结现有的物理层与m a c 层的联 合优化算法。并对其进行分析，指出它们各自的优缺点。 7 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 2 2 自适应编码调制 在传统的无线系统中( 如g s m ) ，通常采用固定的编码和调制方式，这样为了保证达到 一定的误比特率，系统设计时必须按照最差的信道情况来决定链路预算余量。这样导致了 在信道情况好的情况下浪费了系统的大量资源。根据信道的衰落情况自适应地调整传输信 号的参数能更有效地提高系统资源的利用率，从而提高系统的吞吐量。自适应传输的概念 就是根据信道的衰落情况实时地改变传输功率，符号速率，调制星座和编码速率等参数， 保证系统性能要求【5 】 一个自适应编码调制( a m c ) 的系统框图如图2 1 所示。发射机由参数可调的信道编码器 和可调速率的星座调制器构成。接收机利用信道估计器可以得到信道的状态信息，并通过反 馈信道将该衰落信道信息传递回发射端。发射机依据所得的信道信息，改变发射机的星座大 小及形状、编码速率、编码结构等参数以保证接收端具有恒定的信噪比，从而保证系统物理 层的性能要求。自适应编码调制的信息通过专用信道送给接收端。 自适应信息 图2 - 1 自适应编码调制的系统框图 在自适应编码调制系统，有n 韩传输模式可供选择，每种传输模式是不同调制方式和 编码方式的组合。把s n r 区间划分成n + 1 个不重叠连续的区间，区间边界表示为 r a - 1 ， 自适应编码调制一般根据信道的信噪比，落在不同的区间内选择不同的传输模式 选择模式n ，【圪。以) ( 2 1 ) s n r 期间边界点以的确定是自适应编码调制设计的重点一般是根据各个模式在高斯白 嗓声信道( a w g n ) 下的性能曲线图和目标误比特率得出以 一个w i m a x 中自适应调制编码的例子：一共有6 中传输模式，如表2 - i 所示，其在 a w g n 下的性能曲线图如图2 - 2 所示，假设目标b e r 为1 0 - 5 ，从图2 - 2 中我们可以得出 s n r 的区间边界。 表2 - 1 w i m a x 物理层的传输模式 模式1模式2模式3模式4模式5 模式6 q p s k + c t c i 3 q p s k + c t c i 2q p s k + c t c 3 41 6 q a m + c t c l 3 1 6 q a m + c t c l 21 6 q a m + c t c 3 4 3 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 叱 山 ! ! 1 x 川川嘲川雨畸川川川x 川2 21 l 川川7 m x l1 m 巾川”8 h 划血m m 川 ：、 ； f 专串一笋“专守氍一擎 强 ：l i ， i 。搿式6 ，。 讧 。i 。 弋； 睾 搿= ! 。i l i l l li i烹= =# 式n i 鳇；蘸式喜! i ! 爿- 模j毫 - ： _ l ； i ! 讯 黍 r i i i ! l + 。￥ t 应调制切换的门限以【6 】。 2 o f d 系统中的比特，功率和子载波分配 21o f d 系统模型 ) 复用( o r t h o g o n a lf r e u e n c yd i v s i o nm u l i p l e x i n g ，o f d m ) 是多载波调制的 一种形式。其主要思想是将串行的数据流串并转换成比特速率较低的n个并行支路， 每个再调制在个子载波上，最后合成输出。这些子载波可通过选择恰当的载波间隔 使它互正交。因此允许子载波的频谱重叠。由于载波间的正交性，在接收机中仍能将 子载开。ofdm技术通过把信道分隔为窄带平坦衰落子信道，比单载波系统更抗频率 选择落。另外，ofdm的各子载波间有重叠部分，且不需要保护带，这很大程度地节 约了就紧张的频谱资源。并且ofdm技术为移动通信系统中自适应链路技术提供了更 大的空间。针对不同用户，由于在频域上ofdm技术相当于将宽带信号划分为n个 中国科学技术大学硕t 论文 第2 章物理层与m a c 层跌合优化问题概述 窄带信号传输，可以通过对信道衰落的估计找出畸变较小的频谱范围用来传输用户数据。 或者针对用户传输速率要求和不同载波的信道情况调整编码调制方式。这些都是o f d m 技 术在移动通信信道中应用的优势所在 在多用户o f d m 系统中，如果采用t d m a 或者f d m a 接入方式，每个用户预先固定 分配好o f d m 时隙或o f d m 频带。这样即使在物理层上采用自适应编码调制技术，仍然 有一些处于深衰落的子载波因为功率效率太差而不能使用。因为用户地理位置的不同，信 道的衰落情况对于不同用户来说是独立的，某些用户中处于深衰落的子载波在其他用户那 里可能是好的。如果我们能根据不同用户上子载波的信道信息把子载波分配给不同的用户， 那么将提高系统频谱资源利用率。这种在o f d m 系统中能动态分配子载波的接入方式称为 正交频分复用接3 ( o f d m a ) ，已经广泛应用在w i m a x 等无线通信系统中 一个多用户o f d m 系统的模型如图2 - 3 所示。假设系统中共有x 个用户。系统带宽 被划分成个子载波。从用户队列过来的串行数据进入子载波和比特分配模块。假设子载 波的带宽小于信道的相干带宽，并且发送端知道每个用户子载波上的信道信息。利用每个 用户子载波上的信道信息，发送端根据信道信息，利用子载波，比特和功率分配算法把不 同的子载波分配给不同的用户并确定每个子载波上每个符号期间内的比特数和功率。根据 每个子载波上的比特数，自适应调制器选取相应的调制方式。假设以为用户在第n 个 子载波上的比特数。假设自适应调制模块允许玩。的取值范围为集合d = o ，1 2 ，m ，m 为每个子载波每符号上最多能承载的比特数。 从调制器出来的调制符号通过i f f t 被转换成时域上的采样信号，然后加上扩展的循 环前缀，为了保证子载波间的正交性。循环前缀的长度必须太于信道的最大时延扩展。传 输信号通过不同的衰落信遭传送给不同的用户。 假设子载波和比特的分配信息通过专门的控制信道传输给不同的用户。在接收端，去 掉循环前缀以后，时域上的采样信号通过i f g r 后送到解调器。解调器根据控制信道传过 来的比特和子载波分配信息把分配给该用户的子载波上的数据提取出来。 l o 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 围2 30 f d m 比特，功率和子载波分配的系统模型 在频率选择性衰落信道申：每个子载波上的信道增益是不一样的。假设j i l 。为用户x 在载波 上的信道增益幅度。 r n 为信道单边噪声功率谱密度，对所有子载波和所有用户 都一榉，假设为l 。假设f ( 6 ，b e r ) 为用户k 在子载波n 上能可靠( 指接收端的误比特率小 于b e r t ) 接收b 比特数据需要的接收功率，( 6 ，b e r ) 是一个由调制方式和自适应调制目 标误比特率b e r t 决定的函数。当b e r t 一定时，p ，b e r ) 对于b 是一个递增的凸函数， 并且有正( o ，b e r t ) = 0 ，对于一般的调制方式，此条件都成立那么用户k 在子载波 上 的发送功率为 耻半 2 3 2 比特，功率和子载波分配算法 根据优化目标的不同，比特。功率和子载波分配算法可以分成两大类：余量自适应最 优化的分配算法忉和速率自适应最优化的分配算法【8 ，9 】 余量自适应最优化的分配算法： 余量自适应最优化的分配算法是在保证用户一定数据速率的情况下最小化系统的发送 功率，从而提高系统的功率效率 1 1 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 假设每个用户数据速率为 r 。，r ，凡。 固定不变，余量自适应最优化问题可以描述为 m i l l 只：i i l i n 争手只：m i i l 争争五墨丝竺! ! 留。2 1 尝荟善只一2 紫善善i 生学 。i j q 4 t i 肛 q 4i t i = 厅“ 置= 6 i ，后 l ，2 ，k 以。o 时，t 。= o ，w | | ( 2 4 ) 以上是一个组合优化问题，也是一个n p 难问题，求解最优解是非常困难的。文献 7 】通过 拉格朗日松弛算法和贪婪算法分别给出了最优解得上界和下界，然后利用最优解上界和下 界的差来评价算法的性能。 为了利用拉格朗日松弛算法求解上式问题，首先把变量屯。放松为一个实数，并且引 进了一个取值范围在【o ，1 1 之间的子载波共享因子变量 。为了保持目标函数的凸性，引 入一个中间变量o = n ，包，这样可以得到最优化问题解的一个下界 曾弓= 曾喜姜只= 曲c i # 童k = l 兰- i 垒盘铲 墨= ，七 1 , 2 ， 利用拉格朗日乘子法求解上式，可求得最优解的下界。每个用户设定了一个功率系数以， 它决定了用户的传输功率。它负责调整子载波分配和用户的总功率。算法通过迭代重新分 配信道和发现新的速率，每次都给需要提升速率最多的用户的丑增加旯。 通过迭代，算法得到很好的收敛性。但是由于算法是非线性的，它需要大量的迭代，复 杂度仍然很高。因为收敛到最优结果的过程不是平滑的。结果的准确性和收敛的速度可以 通过调整增量五来控制。当从a 小的时候，收敛的会慢一点，但结果准确性会高一点， 总功率更小。但代价大。 为了近一步减少运算的复杂度，可先得出式( 2 5 ) 中子载波共享因子变量 。值，把子 载波 分配给用户七= a r g m a x tn 。通过上面的方法完成子载波的分配，然后利用单用 户情景的贪婪分配进行比特和功率的分配。这样可以得到最优化解的一个上界。 通过仿真可以发现最优解的上下界之间的差别很小( 参见文献 7 】) 。 速率自适应最优化的分配算法： 速率自适应最优化的分配算法是在一定的发送功率和用户公平性下最大化系统的吞吐 量，从而提高系统的频谱效率。 速率自适应最优化问题可以表述为： 、， 乙n 埠 l l | 鼻反 茁料 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 警瓯， q 4b i _ ，i r k ：良 r l ：吃：r x2 y l ：托：y u 吒o 时，岛，= o , v j k ( 2 6 ) 上式的目标函数是一个凸函数，但是由于约束条件中存在非线性不等式，所以可性解 集为菲凸的通常这类优化闯题需要把非线性的约束条件该为线性的，这样会导致问题的 解稍微偏离原来的解集，并且这样做的复杂度也非常的高。文献【8 】提出了一种低复杂度的 次优算法，这种次优算法把子载波分配和功率分配分开进行处理，以减少运算的复杂度。 先假设功率在各个子载波上平均分配，然后把子载波根据用户的速率比分配给各个用户， 使得用户最后得到的速率之比基本上满足约束条件的要求子载波分配完成后，通了拉格 朗日算法进行功率分配，使得用户闻的公平性得到严格的保证，同时又最大化系统的吞吐 量。 2 4 多用户分集与机会调度 无线信道最基本的一个特征是信号多径产生的衰落。对付信道衰落一个重要的方法是 采用分集技术。分集技术包括时域的分集( 如交织) 频域上的分集( 如扩频 和空闻分集( 多 天线系统) 。这些分集的基本思想是在发送端和接收端之间创建独立的信号传输路径这些 分集技术都是应用于点到点的链路之阃。在一个多用户的系统中，从m a c 层的角度出发， 就会出现另外一种分集现象：多用户分集当一个系统中存在多个用户，并且这些用户之 间的信道衰落情况是相互独立的时候，那么就会出现几乎在任何时刻都会有一个用户其信 道增益处于峰值期间。如果m a c 层每次都调度其信道情况最好( 这里的最好是相对于该用 户而言的) 的那个用户，那么系统的整体吞吐量将会增加，这就是多用户分集带来的增益 1 1 0 与传统的观念不同多用户分集是尽量挖掘无线信道衰落的波动性。这种挖掘是通过 机会调度来实现的。机会调度就是当一个用户的信道增益到达其峰值的时候才调度它【1 1 】。 一个两用户系统的机会调度如图2 4 所示。从图2 4 中可以看出系统传输数据时等效的s n r 为m a x s 嗽 。s n r 2 当一个系统中用户数目越多，那么数据包都是在每个用户信道增益 达到最大时才传输的概率就越大，因为不同用户的信道衰落波动是独立的。 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 s n r 用户i 用户2 用户l 圈2 _ 4 两用户的机会谓度算法 2 4 1 机会调度算法综述 比例公平性调度算法口f s ) ： 比例公平性调度算法根据下式选择归一化速率最大的那个用户m ； m = a r g m a x 如( f ) 最( f ) ( 2 7 ) 埘 其中心( f ) 为用户m 当前物理层的速率，t ( f ) 为一时间窗内通过一个低通滤波器过虑的平 均速率： 最( 力= ( 1 丢) 最o - 1 ) + 吉如( f ) 5 ( m - - m * ) ( 2 - 8 ) 可以通过数学公式证明公平比例最大化的优化目标为最大化所有用户速率对数之和【1 2 】： k m a x l o g ( r k ) t ；i ( 2 9 ) 比例公平调度算法是一种最简单但十分有效的机会调度算法，最早应用于高通公司的h d r 系统中，后来许多文献中提出的机会调度算法都是基于比例公平调度算法演进过来的。 最大加权时延优先算法( m - l w d f ) ： m ，l w d f 算法是在p f s 的基础上添加了一个时延因子，使其适用于对时延有要求的实 时业务。其调度准则为 1 3 1 , m = a r g l 雩 如( f ) 既( f ) & ( f ) ( 2 1 0 ) x i m 其中降协为用户m 队列队首的数据包等待时延c 和瓦。是根据用户m 的业务时延要求 1 4 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 得出的： p ( 呒 k ) ，则e = ：0 在上式中，唯为一个可调的参数，用来保证用户问的时间公平性唯是由u 的随机分布 中国科学技术大学硕士论文第2 章物理层与m a c 层联合优化问题概述 和气来决定的，但是在实际的系统中u 的随机分布是很难确定的，可以利用随机逼近的 方法来估计出虻。 2 4 2 讨论 从上面的综述中我们可以看出，机会调度算法的核心思想就是选择信道情况“相对较 好”的那个用户。在这里，“相对较好”的定义是根据调度算法优化的目标和q o s 的要求 决定的。例如在p f s 算法中，其约束条件是保证用户间的资源分配的比例公平性，从数学 推导我们可以得知要到达资源分配的比例公平性，那么调度算法优化的目标为最大化所有 用户速率的对数之和，这时“相对较好”的定义变为用户当前速率和平均吞吐量之比最大。 如果考虑数据包时延的要求，例如在m l w d f 算法中，这时“相对较好”的定义变为用户 当前数据包等待时延和速率的乘积与平均吞吐量之比最大。在c s 算法中，先统计出用户 物理层速率的累积分布，这时“相对较好”的用户是指物理层速率比当前速率大的概率最 小的那个用户，即该用户目前已经处于信道增益的峰值。基于随机逼近的机会调度算法采 用一个参数，。与效用值“之和最大定义为“相对较好”，参数k 的作用是为了保证用户 公平性的约束。 所以机会调度算法设计的核心就是如何根据优化目标的要求和系统的约束条件设计出 “相对较好”的准则。 2 5 物理层与m a c 层联合优化的