（通信与信息系统专业论文）ofdma系统自适应无线资源管理的cpn建模与仿真分析.pdf

摘要 摘要 无线通信经历了一百多年的发展，已成为了人们r 常生活和科研创新活动 中必不可缺的一部分。目前，第三代无线通信系统3 g 和即将到来的第四代无线 通信系统4 g 无疑是学者们研究的热点。在最新一代的4 g 系统中，正交频分多 址接入( o f d m a ，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 ea c c e s s ) 技术受到了广 泛的关注l i j 。研究显示，采用o f d m a 技术可有效提高无线通信系统的接入速率， 有效对抗窄带干扰和由多径传播引起的符号间干扰，提高系统传输信息的容量。 无线资源管理技术( r r m ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 能有效利用无线通信系 统中有限、珍贵的频谱资源，提高无线通信网络的系统容量并控制发射功率。 针对无线资源紧缺的现状，将多业务o f d m a 系统与有效的无线资源管理技术 相结合，能够实现更高的数据传输速率和频谱效率。 近年来建模仿真分析已经逐渐成为一种模拟系统实际运行情况并对系统性 能进行分析的有效手段。着色p e t r i 网( c p n ，c o l o r e dp e t r in e t s ) 建模技术已广 泛应用于各种大型复杂系统的建模和性能分析中，该技术利用c p n 对通信系统 进行建模分析，具有可视性强、修改方便、仿真运行速度快等优点。目前，已 有的o f d m a 系统自适应无线资源管理的c p n 建模研究主要是针对接纳控制模 块，其研究结果已经验证了c p n 模型同m a r k o v 模型在状态空间上是同构的， 并且c p n 具有突出优点来克服随机p e t r i 网( s p n ，s t o c h a s t i cp e t r in e t ) 所存在 的诸多问题( 状态空间爆炸等) 。但已有的模型仅考虑了最大化系统容量的目 标，缺少在功率控制和分配方面的研究实现。 本文首先考虑了o f d m a 系统自适应无线资源管理中的功率控制及分配问 题，使用c p n 在c p nt o o l s 软件平台上建立基于总发射功率最小化( m 八m a r g i n a d a p t i v e ) 准则的o f d m a 系统自适应无线资源管理模型。该模型以系统总发射 功率最小化为目标，对系统呼叫接纳控制、信道分配、功率控制和分配部分进 行了模拟。其中，系统总发射功率最小化这一目标利用自适应无线资源分配m a 优化算法通过c p n 中的m l 编程语言来实现。该c p n 模型采用层次化建模方法， 将o f d m a 系统自适应无线资源管理中的各部分分别设置为子网模型来建立。 本文进一步在o f d m a 系统自适应无线资源管理中同时考虑了系统容量与 功率控制及分配问题，建立了基于总发射功率最小化( m a ) 和系统吞吐量最大 摘要 化( r a ，r a t ea d a p t i v e ) 准则的联合优化c p n 模型。该模型实现了业务源的分 流处理：将f t p 数据业务和话音业务分成两个业务源，系统模型分别对两种业 务根据m a 和r a 两种优化准则进行呼叫接纳控制处理和资源的分配。针对f t p 数据业务以大化系统容量为目标，而针对话音业务则以最小化系统总发射功率 为目标，通过这种方式来综合优化o f d m a 系统的性能。 利用c p nt o o l s 中的m o n i t o r 仿真工具，本文最后对已建立的系统模型进行 了性能仿真分析。设定了几种m o n i t o r 来提取和保存系统模型仿真运行过程中的 各种数据。由这些数据可以直接或间接计算得出系统的各种性能指标，包括反 应系统处理业务效率的业务平均排队队列长度、业务阻塞概率、系统总发射功 率以及系统总吞吐量。本文将基于m a 准则的自适应无线资源管理模型和基于 m a 准则与r a 准则的联合优化c p n 模型以及已有的p e t r i 网系统模型进行了性 能对比分析。仿真结果显示，基于m a 准则与r a 准则的联合优化模型综合了 其他两种单一准则算法模型的优点，更适合在多业务o f d m a 系统中进行应用。 关键词：o f d m a ( j e 交频分多址接入) ；r r m ( 无线资源管理) ；m h ( 总发射功率 最小化) 准则；联合优化方案；c p n ( 着色p e t r i 网) ； i i a b s t r a c t a b s t r a c t w n e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma p p e a r e do n eh u n d r e dy e a r sa g o n o wi th a s b e c o m ea ni m p o r t a n tp a r ti np e o p l e sd a i l yl i f ea n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hf i e l d i nt h e l a t e s tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f4go f d m a ( 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 ea c c e s s ) w h i c hr e c e i v e dw i d e s p r e a da t t e n t i o ni sav e r y i m p o r t a n tt e c h n o l o g y r e s e a r c h e ss h o wt h a t ，o f d m at e c h n o l o g yc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ea c c e s sr a t eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m o f d m as y s t e mc a n r e d u c e sn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ea n ds y m b o l si n t e r f e r e n c ec a u s e db ym u l t i p a t h s p r e a de f f e c t i v e l y r r m ( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) c a ni m p r o v ec a p a c i t ya n d c o n t r o lp o w e ri nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e m t oa c h i e v et h eh i g h e rd a t a t r a n s f e rr a t ea n ds p e c t r u me f f i c i e n c y , r r mt e c h n o l o g yi st h eo n l yw a yt om a k et h e u s eo fr a d i or e s o u r c ee f f e c t i v e l yi no f d m a s y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，t ob u i l dt h ea c t u a lo p e r a t i o nm o d e l a n da n a l y s i st h ep e r f o r m a n c e o far e a ls y s t e m , s i m u l a t i o nh a sb e c o m eak i n do fe f f e c t i v em e a s u r e s c p n ( c o l o r e d p e t r in e t s ) m o d e l i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i so fd i f f e r e n tk i n d so fl a r g ec o m p l i c a t e ds y s t e m t h e r ea r eal o to fa d v a n t a g e s o fc p nm o d e l i n gt e c h n o l o g y i th a sh i g hv i s u a l i t ya n do p e r a t i o ns p e e d t h es y s t e m m o d e li sc o n v e n i e n tt om o d i f yt o o a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fc p nm o d e l i n go nt h e r r mo f t h ea d a p t i v eo f d m as y s t e mi sm a i n l ya i m e da ta d m i s s i o nc o n t r o lp a r t t h e r e s e a r c hh a sb e e nv e r i f i e dt h a tc p nm o d e l i si s o m o r p h i cw i t ht h em a r k o vm o d e li n s t a t es p a c e c p nh a v ep r o m i n e n ta d v a n t a g e st oo v e r c o m em a n ye x i s t i n gp r o b l e m s ( s t a t es p a c ee x p l o s i o n , e t c ) o fs p n ( s t o c h a s t i cp e t r in e t ) h o w e v e r t h i sm o d e lo n l y c o n s i d e r e dt h et a r g e tt om a x i m i z et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m a n di ti sl a c ko f r e s e a r c h i n go nt h ep o w e rc o n t r o la n dd i s t r i b u t i o no f t h es y s t e m t h i sp a p e rf n s t l yu s ec p nt ob u i l daa d a p t i v er r mm o d e lo ft h eo f d m a s y s t e m , t h i sm o d e li sb a s e do nt h et a r g e to fm i n i m i z i n gt h et o t a le m i s s i o np o w e ro f t h ew h o l es y s t e m i tm o d e l st h ec a l la d m i s s i o nc o n t r o la n dr e s o u r c ed i s t r i b u t i o np a r t s o ft h eo f d m as y s t e m i nt h i ss y s t e mm o d e l ，t h et a r g e tt om i n i m i z et h et o t a lp o w e r i i i a b s t r a c t o ft h es y s t e m ( m ao p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ) i sa c h i e v e db yt h em lp r o g r a m m i n g l a n g u a g e t h i sc p nm o d e lu s e st h eh i e r a r c h i c a lm o d e l i n gm e t h o d e a c hp a r to ft h e s y s t e mi se s t a b l i s h e do f s u b n e t t h e n , aj o i n to p t i m i z a t i o na d a p t i v er r mm o d e lo ft h eo f d m as y s t e mi sb u i l d i nt h i sp a p e r i nt h i sm o d e l b u s i n e s ss o u r c e sa r ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：f t pa n d v o i c eb u s i n e s s t w op a r t sb u s i n e s ss o u r c e sg e tt h e ko w nd i f f e r e n to p t i m i z a t i o n c r i t e r i o ni nt h i ss y s t e mt h i sj o i n to p t i m i z a t i o nm o d e li sb a s e do nb o t ht h et a r g e t so f m i i l i m i z i i l gt h et o t a le m i s s i o np o w e ro f t h ew h o l es y s t e mf o rt h ev o i c eb u s i n e s sa n d m a x i m i z i n gt h ec a p a c i t yo ft h es y s t e mf o rt h ef t p b u s i n e s s t h i sm o d e lr e a l i z e st h e d i v e r s i o no fb u s i n e s sp r o c e s st oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo f t h eo f d m a s y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e ru s et h es i m u l a t i o nt o o l sm o n i t o ro fc p n t o o l st os i m u l a t ea n d a n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo ft h em o d e l af e wo fm e l n i t o r sa r es e tt oe x t r a c ta n dk e e p d a t ai nt h ep r o c e s so fo p e r a t i o no ft h es y s t e mi nt h es i m u l a t i o n b yt h i sw a y , t h ed a t e c a nb eg e ta n dp r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m , s u c ha st h ea v e r a g eq u e u el e n g t h ， b l o c k i n gp r o b a b i l k y , t h et o t a lp o w e r a n dt h r o u g h p u to ft h es y s t e m t h ep e r f o r m a n c e s o ft h et w os y s t e mm o d e l sb u i l di nt h i sp a p e ra r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r t h e nt h e y a r ec o m p a r e dw i t hp e r f o r m a n c e so f t h eo t h e rs y s t e mm o d e lb u i l db e f o r e k e yw o r d s ：o f d m a ；r r m ；c p n ；m aa l g o r i t h m ；j o i n to p t i m i z a t i o n ；c p n ( c o l o r e d p e t r in e t s ) l 绪论 1 绪论 1 1 无线通信系统的发展历程及现状 早在1 8 9 7 年，马可尼在陆地和一只拖船之间，用无线电进行了消息传输， 这是无线通信的开端。至今，无线通信已有1 0 0 多年的历史。近年来，无线通 信系统的发展极为迅速，已广泛应用于国民经济的各个部门和人民生活的各个 领域之中。随着用户对语音、高速数据以及高质量多媒体等服务的需求不断增 长，无线通信系统的目标主要集中在更高的数据传输速率和用户移动速度之上 【3 1 。因此，对具有较高频谱利用率和抗多径干扰能力的新技术的研究与探索始终 是学术界的研究热点。 2 0 世纪6 0 年代，美国贝尔实验室提出了蜂窝无线通信的概念，该概念一出 现就受到了全世界的强烈关注，而无线通信系统也成为了全球学者最关注的研 究领域之一。该系统在2 0 世纪7 0 年代进入了发展的黄金时期。有学者研究表 示，按照无线通信的发展历程，其发生大规模更新的周期基本上为十年【7 j 。本节 主要对无线通信系统的发展历程及其现状进行分析。 第一代无线通信系统( 简称1 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代初，该系统应用蜂 窝的概念，采用模拟信号处理技术来实现话音通信。第一代无线通信系统由于 受到传输带宽的限制，不适合高质量多媒体业务的需要，现已被逐步淘汰捧j 。2 0 世纪8 0 年代末，随着数字通信技术的发展，用户对无线通信系统的要求逐渐增 加，由此出现了第二代无线通信系统( 2 g ) ，从此无线通信系统走进了数字时代 【9 1 。第二代无线通信系统采用数字信号处理技术来实现基本的f 1 p 数据通信和 话音通信技术，这是2 g 最基本的技术特征。2 g 主要采用以g s m 系统为代表的 t d m a 时分多址技术和以c d m a 系统为代表的c d m a 码分多址技术。而在2 0 世纪9 0 年代中期，出现了被称为第2 5 代( 简称2 5 g ) 或过渡代无线通信系统【i 。 第2 5 代无线通信系统以g p r s 系统和e d g e 系统为代表，两者在第二代无线通 信系统g s m 网络上构筑而成。第二代无线通信系统不仅克服了模拟通信系统中 存在的许多缺点，也增加了许多新的功能，如实现了在省内以及省外的自动漫 游等。虽然第二代无线通信系统使人们走入了数字通信时代，但该系统数据传 输速率并不高，限制了数据业务的发展，而高速的移动多媒体业务也因此无法 1 绪论 开展。为了满足用户日益增长的业务需求，第三代无线通信系统( 3 g ) 出现了1 6 j 。 目前，第三代无线通信系统已正式投入商用。3 g 的目标是建立一个全球统一的 通信标准。同时，3 g 系统相对2 g 系统具有更高的网络容量、语音质量以及移 动数据传输速率。目前的3 g 系统分为3 g 蜂窝网络和各种无线局域网接入系统， 已经投入市场并进行大规模的商业化运营和推广。第三代无线通信系统可向用 户提供各种宽带多媒体业务，如高速数据业务和图像视频传输等i g 、2 g 系统无 法提供的功能。 虽然第三代无线通信系统实现了宽带多媒体业务的开展，但面对未来高速 发展的业务需求以及对无线通信系统的不断提升的要求，3 g 仍然需要解决自身 存在的一些重要问题。第一，第三代无线通信系统在高速移动的环境中可以实 现的数据传输速率达到了1 4 4 k 比特每秒，而峰值速率可达2 m 比特每秒，增强 型3 g 系统甚至可以达到1 0 m 比特每秒，可以为客户提供一定的高速数据业务 【l o l 。但这还不能满足目前宽带多业务发展的要求，系统的数据传输率还需进一 步提高，以满足不断发展的无线通信业务的需求。目前，第三代无线通信系统 存在三种无线接口标准，分别是我国提交的t d s c d m a 标准，欧洲的w c d m a 标准以及美国的c d m a 2 0 0 0 标准【1 1 l 。在我国，三大无线通信运营商分别使用三 种标准来开展3 g 业务。由于这三种标准在无线传输技术上存在较大差别，因此 很难在满足各方面利益的前提下实现3 g 系统中各网络之间的无缝切换的目标。 第三，3 g 系统目前对于多种速率业务的支持不足。这是由于3 g 系统还不能保 证不同业务的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 的要求。以上三点仅仅是3 g 系 统中出现的最重要的问题，除此之外还存在诸多问题以待解决。因此，为了解 决第三代无线通信系统中存在的问题，人们已把研究的重点放在了新一代无线 通信系统第四代无线通信系统( b 3 g 4 g ) 1 2 1 。 2 0 世纪末，第四代无线通信系统开始在业界萌动。由于无线通信业务飞速 发展，人们对此业务的需求也在快速增长，业界人士普遍认为b 3 g 4 g 系统前景 无限，具有巨大的市场发展空间【i3 1 。与第三代无线通信系统线比较，b 3 g 4 g 是 一个能够互相兼容的无线通信系统。除此之外，未来的b 3 g 4 g 不仅能为用户提 供高速数据传输业务，还能为用户提供一定的服务质量保i l 正( q o s ) 。这表示第四 代系统在技术和应用上将实现质的飞跃。b 3 g 4 g 的数据传输速率目标为低速峰 值i g b p s 和高速峰值1 0 0 m b p s ，速率得到很大的提高。此外，b 3 g 4 g 系统将为 用户提供随时随地的宽带互联网业务以及数据采集、远程控制和定位等综合服 2 i 绪论 务功能。b 3 g 4 g 系统还可在不同的固定或移动平台以及跨越不同频带为客户提 供无线服务，用户也可以在无线网络平台之间进行自由切换。 目前，无线通信系统正向下一代( 第四代) 无线通信系统继续发展。b 3 g 4 g 具有以下四点技术要求。第一，数据传输速率要从2 m b p s 提高到1 0 0 m b p s ， 超过3 g 系统u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 川。专家估计 b 3 g 4 g 系统的数据传输速率将突破1 0 m b p s ，最高达到1 0 0 m b p s ，相当于目前移 动电话数据传输速率的1 0 0 0 0 倍左右f 1 6 】。而第四代无线通信系统的移动速度将 从步行速度提高到车速。第二，由于高数据传输速率和高分辨率的多媒体服务 在覆盖面积、服务质量和造价上要求较高，第三代无线通信系统尚不能实现这 些要求。b 3 g 4 g 系统则可以实现这些高速高质的服务。在该系统中，w l a n 宽 带无线局域网与b i s d n 宽带综合业务数字网、a t m 三者之间相互兼容，形成 i b c n 综合宽带通信网【1 7 】。第三，b 3 g 4 g 系统可以向高速移动用户提供高达1 0 0 m b p s 的多媒体服务，并具有较好的质量保证。因此在未来的无线通信时代，我 们在随时进行无线通信的同时，更可以双向传递文本、图像和视频等，从而进 行随时随地的学习和娱乐。在此同时，该系统还提供定位功能。第四，b 3 g 4 g 系统无线通信具有较高的智能性。在b 3 g 4 g 时代，无线通信的终端设备的设计 将更加智能，实现许多目前还无法想象的功能，更好地为人们提供服务。 第四代无线通信系统具有的强大功能的实现则需要考虑一些实际的问题。 例如，如何从第三代系统平滑过渡到第四代系统。无线通信的频谱资源非常珍 贵，b 3 g 4 g 系统如何有效的利用这些有限的宝贵资源，如何最大化系统的容量。 同时，由无线信道的特性可知，由多径传输引起的符号间干扰i s i 将造成频率选 择性衰落，这将对无线通信系统产生很大的不良影响【l 引。因此，如何抑制无线 信道的频率选择性衰落，显得十分重要。o f d m 正交频分复用技术由于其技术 特点可以很好的消除i s i 符号间干扰，近年来成为了研究的热点。同时，r r m 无线资源管理技术能有效利用无线通信系统中有限、珍贵的频谱资源。因此， 在对第四代无线通信系统的研究中，o f d m a 技术与无线资源管理技术已经成为 核心技术，具有很高的研究价值和研究意义。 1 2o f d m a 系统自适应无线资源管理及服务模型的研究现状及意义 正交频分多址接入( o f d m a ) 是当前无线通信系统的一种优选方案”1 。该方 1 绪论 案可有效克服码间干扰及减少多径衰落的影响，因此受到了广泛的关注和研究。 而无线资源管理技术( r r m ) 能有效利用无线通信系统中有限、珍贵的频谱资 源，提高无线通信网络的系统容量并控制功率，近年来已成为第四代无线通信 系统中的重要技术并引起了更多研究人员的关注。由于当前无线资源的紧缺， 在对o f d m a 系统的研究中，无线资源管理显然非常重要 2 0 l 。无线资源的管理 包括无线资源的分配，呼叫接纳控制等部分。多载波是o f d m a 的重要特点， 多业务o f d m a 系统只有使用有效的无线资源管理技术，才能实现更高的数据 传输速率和频谱效率。 无线资源管理( r r m ) 技术中包括了很多方面的技术手段和方法，例如接 纳控制、无线信道分配、功率分配以及切换等【2 l 】。其中，接纳控制是无线资源 管理技术的第一步，由于对通信系统整体性能具有直接影响，其控制策略十分 重要。 无线通信系统中的用户很多，因此我们针对多用户o f d m a 系统进行研究 分析。在多用户o f d m a 系统中，无线资源分配方法分为固定分配和动态分配 两种【2 2 1 。顾名思义，固定资源分配对于资源的分配是固定不变的。不管当前信 道的条件如何，固定资源分配方法总是将子信道按照一定的方案固定分配给用 户。因此，固定资源分配方法没有将多用户分集进行有效利用，无法有效利用 信道资源，系统的性能较差。动态资源分配方法是一种可以有效利用信道资源 的方法。此法根据用户当前的信道条件自适应实现系统资源的分配。由于无线 信道的时变特性，系统在不同时刻适合于不同的分配方案，因而动态资源分配 方法能够更有效地利用无线资源，使系统获得更高的性能。因此，动态资源分 配问题是目前的一大研究热点，它主要包括三种优化准则：系统吞吐量最大化 r a 优化准则，总发射功率最小化m a 优化准则和b e r 最小化优化准则。 要制定一个性能优越的接纳控制和无线资源分配方案就需要建立一个准确 的服务模型对系统的性能进行分析。因此，对o f d m a 系统无线资源分配问题 进行研究对促进o f d m a 系统以及第四代无线通信系统的发展起着较大的作用， 具有一定的现实意义。 c p n 建模技术广泛应用于各种大型复杂系统的建模和性能分析中，利用 c p n 对通信系统进行建模分析具有可视性强、修改方便、仿真运行速度快等优 点。目前，对于自适应o f d m a 系统无线资源管理的c p n 建模研究主要是针对 接纳控制模块，其研究结果已经验证了c p n 同m a r k o v 在状态空间上同构，并 4 l 绪论 且c p n 具有突出优点来克服随机p e t r i 网s p n 所存在的诸多问题( 状态空间爆 炸等) 2 1 。但由于其所建立的模型仅考虑了最大化系统的容量的目标，缺少在功 率控制和分配方面的研究实现。而无线通信系统中基站和移动终端的发射功率 同样也是非常稀缺和宝贵的资源，限制着整个系统的容量，功率控制问题也非 常重要。因此，本文首先采用c p n 在c p nt o o l s 平台上建立基于总发射功率最 小化的自适应o f d m a 系统无线资源管理模型，并对系统性能进行了仿真分析。 然后建立了基于吞吐量最大化和总发射功率最小化的综合优化c p n 模型，该系 统实现了业务的分流处理，优化了系统的性能。最后对系统性能包括平均队列 长度、阻塞概率、系统总功率和吞吐量进行了仿真分析。 1 3 论文的结构及主要内容 本文主要的研究对象是o f d m a 系统自适应无线资源分配问题。文章利用 数学建模工具着色p e t r i 网( c p n ，c o l o r e dp e t r in e t s ) 及其仿真工具c p nt o o l s