（通信与信息系统专业论文）协作通信系统资源分配算法研究.pdf

中文摘要 摘要： 协作通信系统是一种新兴的增加系统性能的通信方式，是基于m i m o 技术下 发展起来的。本文主要研究了协作通信系统中不同场景下的资源分配方式以及影 响资源分配方式的反馈信号设计方法。 针对单小区情况下中反馈的不同方式，本文提出了两种不同的资源分配方法。 首先是针对只有子码流瞬时信噪比反馈的m i m o 空间复用系统，本文提出了联合 天线选择、速率以及功率分配的方式，通过m i m o 空间复用来同时支持实时和非 实时业务的发送，并满足各自服务质量要求。这样能在正常传输实时业务的同时 利用剩余的无线资源来传输非实时业务， 究了长时间平均信噪比反馈情况的特点， 从而提高了资源利用率。其次，本文研 提出了一种m i m o 空间复用系统中的自 适应发送方式来联合调整发送子码流数目以及速率，从而最大化信息容量以及频 谱效率。 针对多基站协作系统，多小区间协作情况下，由于基站的分布不同，和移动台 相对位置的不同，以及周边环境的不同，其链路的电波传播模型也不同，那么其 衰落程度也不同。那么对于移动台而言，选取几个链路最好的基站为其服务是最 关心的，而对于基站端而言，不仅仅要考虑其链路状态，还要考虑其资源分配情 况。本文研究了用户不同信噪比下协作基站的选取，提出了一种自适应协作基站 的选择方法。 对于基站与r e l a v 的协作系统，本文研究了两跳系统和一跳系统的结合，即： 基站f e l a y 一移动台和基站一移动台。由于r e l a y 的服务方式有很多种，那么这种情 况下的资源分配与调度显得尤为复杂和灵活。本文充分考虑r e l a y 节点可能存在的 四种服务方式，提出了基于信噪比准则的自适应r e l a y 服务方式选择，使得r e l a y 系统的系统吞吐量达到最优。 针对反馈信号在协作通信中的作用和影响，本文从数据压缩和联合反馈的角度 提出了两种反馈信号设计方法。首先，本文考虑了协作通信系统下用户对于协作 基站的反馈信号的特点，提出了一种联合反馈信号设计方法。其次，考虑到已有 的反馈信号设计方法都是基于线性压缩的角度进行研究和设计的，本文利用非线 性压缩方法设计反馈信号，并对比仿真了两者的性能差异 关键词：协作通信，资源分配，基站协作，r - e l a y ，m i m o 分类号：t n 9 2 a bs t r a c t a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o m m u l l i c a t i o ni san o v e l 姊eo fc o m m u l l i c a t i o ni n o r d e rt o 血r e a s es y s t e mp e o m a i l c eb a s e do nm i m ot e c h n o l o g i e s t m sp 印e rm a i n l y r e s e a r c h e do nr e s o u r c ea j l o c a t i o ni i ld i 丘- e r e n ts i t l l a t i o no fc o o p e r a t i v ec o m m l u l i c a t i o n s y s t e m 锄d 勋d b a u c kd e s i 踮w t l i c h 、釉u l di l l 】f l u e n c er e s o u r c ea l l o c a t i o n 1 1 l i sp 印盯p r o p o s e dt w od i 位r e n tr e s o u r c ea l l o c a t i o nm e t l l o d sb a s e d 0 nt 量l e d i 仃e r e n tf e e d b a c ks i g 脚o fs i n g l ec e l l f i r s t l y ，j o i n tm e t l l o do f 锄t e n i l as e l e c t i o i l ，m t e a n dp o w e rc o i l 仃o lw 嬲p r e s e n t e di nt h ec o n d i t i o no fo i l l ye x i s t i n gm 潮m 锄e o u s s u b 仃e 锄s n rf e e d b a c k t h i sm 砒o dc o u l dp r o v i d en o m a lr e a l 一t i m e 仃a 伍ca n du s e t l l er e s tr e s o u r c et 0 仃习l i l s i n i tn o nr e a l t i m e 仃a 伍cs 0 弱t oi i i l p r o v er e s o u r c ee 伍c i e n c y - s e c o n d l y ，廿l i sp a p e rp r o p o s e da i la d 印t i v ej o 疏m e m o do f 舭舢m b e ro f i 劬唱 s u b s 仃e 锄a 1 1 ds u b s 仃e a mr a t eb a l s e do n 也el o n gt e ms n rf e e d b a c ki no r d e rt 0 m a x i i i l i z ec h a n n e lc a p a c 毋趾ds p e c 删e 佑c i e n c y i nm u l t i p l eb a s e 疏a f t i o i l sc o o p e r a t i o ns y s t e m ，w m c hb a s es t a t i o n ss h o u l dc o o p e r a t e 晰me a c ho m e rw a st l l em o s tc o n c 慰n 廿l i n gf o rd i 筇e r e mb a u s e 贼i o nf - a c e dd i f f e r e n t 1 0 c a ：c i o 玛翩r v j 的n m e n t ，r a m op r o p o g a t i o n sa n dp a ml o s s 1 1 1 i sp a p e rp r e s e n t e d 姐 a d a p a t i v es e l e c t e dm e t l l o do fc o o p e r a t i v eb a s es t a t i o l l sb 嬲e do nd i 虢r e n tu s e r s s n r a d d i t i o i 讲l y ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e do n 廿l er e l a ys y s t e m 觚d t l l ec o n d i t i o n s l a tr e l a y c 0 0 p e r a t e 诵mb 弱e 她童t i o nt o 恤s l i td a ：t at om o b i l es 伽o n b e c a u s eo fm ed i v e r s e d r v i c eo fr e l a y ，t h er e s o u r c ea l l o c a t i o nw 嬲m o r ec o m p l i c a t e d s on l i sp a p e r 如l l y c o n s i ( 1 e r e dm ep o s s i b i l i 锣o fd i v e r s e ds e r v i c eo fr e l a y 锄dp r 0 v i d e d a na d a p a t i v e h y b r i d r e l a ys 仃a t e g ) ，锄ds c h e m eb 嬲e do ns i n ro fr e l a yt 0m o b i l e 僦i o n 锄db a s e s t ；a t i o nt 0m o b i l es t a t i o n n l i s 蛐瞰e g yc o u l dm a ) 【i m i z em es y s t e mp e 响彻a n c ea n d 1 1 0 t i i l c r e a s es y s t e mc o m p l e x 时t 0 0m u c l l a tl a 瓯c 0 i l s i d 嘶n gm ei m p 0 胁c ea n di i m u e n c eo ff e e d b a c ks i 印a li i lc o o p e r a t i v e c 0 姗u i l i c a t i o 玛m i sp a p e rd e s i 弘e dt w of e e d b a c ks i g n a l sb a s e do nd a t ac o m p r e s s i o n 锄dj o 缸f e e d b a c ks c h e m e ，1 1 l ef i r s td e s i 印m e m o dw a st oj o md i 彘r e n tf e e d b a c k s i 鼬a j 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技术，它采用分布式多天线，能够有效地将单个通信信道分解成为许多并行信道， 从而大大提高容量。研究表明证明，当接收天线和发射天线之间不相关时，多天 线系统能够很好地提高系统的抗多径衰落和噪声性能，从而提高系统容量。在带 宽受限的无线信道中，m i m o 通过空间分集实现高数据速率、提高系统容量、提 高传输质量【1 】【2 】。m i m o 技术的出现，不但大大提高了系统容量，也为无线资源 管理提供了更多的可分配的资源。m i m o 系统中多对收发天线之间构成了多个独 立信号传输路径，这些路径用来传送同一发送信号的副本以提高通信可靠性，也 可以部分或全部用来传送不同信号以提高通信容量，若不同发送信号发送给不同 路用户，则产生多路复用。对m i m o 系统中多个独立信号路径的控制是空间维无 线资源管理的工作。如果包含传统无线资源，可以控制的无线资源是多维的，如 时间维、频率维、空间维等等。因此无线通信系统将拥有更多种可管理的无线资 源以及更多种无线资源管理的手段，因此管理也将更加灵活和有效。这种综合多 个维度上的无线资源管理被称为多维无线资源管理【3 j 1 4 j 。 m i m o 技术逐渐广泛的应用到各种无线通信系统中后，实际环境中可能出现 的各种非理想条件就不可避免，而这些非理想条件往往对m i m o 系统的性能有着 不可忽略的恶化，同时还会对我们研究的无线资源管理有着很大的影响。信道状 态信息在无线资源管理中是相当重要的，因为资源分配算法往往需要知道信道状 态信息作为依据进行操作。同时，在m m o 系统中，由于空间资源的特点，信道 状态信息也是非常重要的。但是完整的m i m o 信道信息是一个复数矩阵，而且随 各个天线衰落的变化而变化，因此在m i m 0 系统中信道状态信息的反馈是一个重 要的问题。具体来说，主要的非理想条件包括以下两个方面：不完全信道状态信 息反馈【5 】，信道状态信息误差【6 】。不完全信道状态信息反馈是指反馈的信息只可能 是有限b i t 长度，不可能完全反应信道状况。信道状态信息误差是由接收端利用参 考信号估计信道信息会存在估计误差，以及信道反馈时延和反馈信号误码引起的。 反馈信号误码是指反馈信道状况不好使得反馈信号误码，导致发送端认定的信道 信息有误。反馈时延是指从基站利用信道信息进行资源分配时，此信道信息是从 上一次信道估计并反馈得到的，并不能反应当前信道状况，尤其是在移动台高速 移动的情况下信道是时变的。因此，在实际系统中进行无线资源最优化配置就需 要将非理想信道信息问题考虑进去，而不是仅仅通过理想的信道容量来进行资源 优化配置。 由于m i m o 技术的发展，使得其他一些技术的发展得到了保障，如协作通信 技术【7 】【8 】， r e l a y 技术【9 】【1 0 1 。协作通信技术是指相邻基站之间利用相同的时频资源 发送信号，对于单个用户而言，可以通过某种特定的方法把两个信号接收下来， 从而提高信道容量，协作通信技术实际上是m i m 0 技术在实际系统中的应用。从 最早的s u m i m o ，m u m i m o 到现在的协作通信技术，都是m o 技术的衍生。 协作通信系统对无线资源分配提出了更高的要求，在传统的通信系统中，每个基 站只考虑自己的资源如何分配，但是在协作通信系统中，各个基站要联合考虑资 源的分配，保证系统资源分配的最优化，这不仅对分配算法提出了更高的要求， 更对系统实时性提出了更高的挑战。i 沁l a y 技术是在基站和移动台之间增加一个中 继节点，以保证通信的可靠性。基站和r e l a y 节点之间，r e l a y 节点和移动台之间均 是无线连接，同时利用系统内的时频资源。r e l a y 节点的中继方式有很多种【l l 】【1 2 l ， 包括解码转发，直接放大转发以及重传等。因此r e l a y 节点的多样性和可变性使得 无线资源分配和调度方式更加灵活和复杂。 下一代移动通信技术是以p 网为核心网络架构【1 3 】【1 4 】，因此数据业务和话音业 务将占用相同的时频资源，话音业务包括视频通话业务和语音通话业务，数据业 务的种类更是繁多。而不同业务的速率和误码率要求也不同，话音业务要求在保 证传输速率不变的前提下误码率要求低于某个门限值，数据业务要求保证误码率 低于某个门限值的前提下尽可能地使得传输速率高，因此对于不同的业务类型， 无线资源分配方式也大不相同。 1 2 国内外研究现状 m i m o 技术是下一代移动通信系统4 g 研究的关键技术。目前成为研究热点的 两大国际标准8 0 2 1 6 m 和l 1 陋a 都是基于m i m o 技术进行深入研究【1 5 】【1 6 1 ，有许多 新的技术将引入标准之中。基于m i m o 系统的无线资源分配涵盖了众多关键技术， 无疑是下一代移动通信系统的研究热点。目前已经有一些文章对于m i m o 系统不 同限定条件下的无线资源分配做了研究，其中文献【1 9 彩1 研究了非理想信道状态信 2 息情况下的无线资源分配方法，文献【2 5 乏9 j 研究了信息状态信息误差情况下的无线 资源分配问题，文献3 0 。4 1 研究了多基站联合下的资源分配与调度算法，文献【3 5 。3 7 】 研究了r e l a y 系统中的资源分配与调度算法，本课题在研究及查阅的大量国内外相 关文献的基础上，总结出当前国内外关于m i m o 系统无线资源分配以及跨层无线 资源分配研究现状及不足，针对协作通信技术提出无线资源分配方法。 ( 1 ) m i m o 系统下基于非理想信道状态信息下的资源分配 信道状态信息在无线资源管理中是相当重要的，因为实现资源分配算法离不 开信道状态信息。同时，在m i m o 系统中，由于空间资源的特点，信道状态信息 也是非常重要的。但是完整的m i m o 信道信息是一个复数矩阵，而且随各个天线 衰落的变化而变化，因此在m i m 0 系统中信道状态信息的反馈就是一个重要的问 题。 这一部分研究内容主要包括两个方面：发送端如何利用非理想信道状态信息 进行资源分配；如何设计反馈信号，能够尽可能的反应信道状态信息。文献【1 9 】刚 通过线性预编码的方法进行子码流分配，虽然这两篇文献的方法在数学上是线性 预编码中最优的，但是需要完全信道状态信息反馈。文献【2 l j 通过设计一个矩阵集 合，用集合中个数有限的矩阵作为线性预编码矩阵。这样，接收端在估计了信道 状态信息之后，就在这个集合中选择其中一个最合适的元素，并把这个元素对应 的索引号反馈到发送端，发送端根据这个索引号就在矩阵集合里面找到相应的元 素作为发送的线性预编码矩阵。这种方法可以有效降低需要反馈的信息量，但是 线性预编码矩阵选择方式太多。另外一个简化的方法是天线选择【2 2 l 【2 3 1 ，即接收端 在估计信道之后选择信道条件较好的若干个天线，然后把选择天线的索引号反馈 回发送端。但从本质上看，天线选择是一种特殊的线性预编码方法。文献【2 4 j 贝0 针 对m 蹦o 空间复用系统对每个子码流的功率和速率进行分配，反馈量可能是每个 子码流对应的信噪比，或者是某些情况下，接收端根据信道估计的情况，选择了 每个子码流的功率速率之后，再把选择的功率速率反馈回发送端。目前，由于资 源分配问题涉及的内容很多，受影响的参数也很多，大部分文献都是根据某个限 定条件下进行研究的，很少有文献从系统角度研究非理想信道下的资源分配问题。 ( 2 ) 多基站协作下的资源分配与调度算法 传统的移动通信一个用户只被一个小区基站服务。随着硬件的发展和通信系 统的不断研究，对于未来移动通信系统，多基站协作联合对一个用户服务已经成 为可能，多个基站联合编码，调度和资源分配可以降低小区间干扰。文献【3 0 】研究 了多个基站间的同步问题，实际上，多基站联合在保证信号传输同步的前提下， 可以看成是一个虚拟m i m o 系统，这种m i m o 系统的天线分布在各个小区基站， 天线之间没有任何相关性，可以利用m i m o 的分集和复用技术同时为一个用户或 者多个用户服务。如何分配和调度多基站的系统资源成为多基站协作的研究重点。 3 文献【3 1 】指出多基站协作会很大程度上提升系统性能，研究了如何协作进行资源分 配，考虑小区间的干扰和用户资源共享之间的折中，提出了一种基于b d ( b l o c k d i a g o n a l i z a t i o n ) 和d u 甜一d e c o m p o s i t i o n 的多基站协作方式。文献【3 2 】指出 多小区系统信道容量受限于小区间干扰，多小区间协作能很大程度降低小区间干 扰，但是小区间协作需要大量的信息交互和中心处理控制。为了降低计算复杂度， 文中提出了一种受限本地多基站协作方式，在终端通过最小均方误差算法分析冗 余的信道间干扰，证明了基站协作数目超过一定量将不会对系统性能增益有很大 提升。文献【3 3 】研究了多基站协作系统中受限的反馈信号的特性，提出了一种基于 有限信道信息的自适应协作方法。文献【3 4 】研究和推导了基于多基站协作下的通信 系统容量。随着m i m o 技术的发展，多基站协作是近几年发展起来的一项新的概 念和技术，对于不同场景和条件下的资源分配以及小区间的信息交互是目前研究 的热点问题。 ( 3 ) i 沁l a y 系统中的资源分配与调度算法 r e l a y 又称无线中继技术，是一种接收其他站点无线信号，并根据接收到的信 号生成自身发射信号的装置，下一代移动通信系统中主要考虑运用一种解码转发 模式的无线中继，对接收信号进行解调和处理，然后生成发射信号。根据中继协 议栈的完备程度，这种中继可以完成差错控制、功率调整、信道测量、干扰协调， 甚至有调度功能。用户对无线电辐射的关注程度越来越高，即使维持现有的站点 都很困难，要大幅增加站点的数目更是不现实。另外，增加基站数目必定使系统 的总成本上升。以上的矛盾促成了无线中继研究的热潮。因为r e l a y 正是在不增加 基站数目的前提下，低成本扩大基站覆盖的一种方法。r e l a y 和射频拉远很类似， 可以视为基站的延伸但是无线中继不需要任何布线可以很方便地部署网络。引 人r e l a y 节点显然会对现有蜂窝网结构产生很大影响。终端可能不是与基站直接通 信，而是借助r e l a y 转发数据，这就要在协议设计时有所考虑。基站侧也一样，除 了控制终端外，还需要专门设计对中继的控制信令。现有系统的频率资源以小区、 扇区为单位进行复用，加入r e l a y 节点后就有了以r e l a y 节点的覆盖区域为单位进 行复用的可能，由此也带来了小区内干扰协调和不同r e l a y 节点之间切换的问题。 因此，r e l a y 系统下的资源分配将更加复杂和灵活。文献【1 0 】【3 5 】【3 6 】【3 7 】均根据不同的算 法对r e l a y 通信系统下的无线资源做了最优化配置和调度。关于这一部分的研究成 果已经有很多，但是三部分研究成果都是基于三点模型的。而实际通信系统是一 个网络，由许多个基站，r e l a y 和大量用户构成，不同基站与r e l a y 之间的协作，干 扰也是不容忽视的问题。 1 3 研究内容与成果 4 针对上述阐述的协作通信系统资源分配算法的研究现状及存在的问题，本文 拟研究的内容及目前取得的成果包括以下几方面： 1 针对单小区m i m o 空间复用系统中瞬时信噪比反馈和平均功率反馈，本 文提出了两种不同的资源分配方法。首先是针对只有子码流瞬时信噪比反 馈的m i m o 空间复用系统，本文提出了联合天线选择、速率以及功率分 配的方式，通过m i m o 空间复用来同时支持两种业务( 实时和非实时) 的发送，并满足各自的服务质量要求。这样就能在正常传输实时业务的同 时利用剩余的无线资源来传输非实时业务，从而提高了资源利用率。其次， 本文研究了长时间平均信噪比反馈情况的特点，提出了一种m i m o 空间 复用系统中的自适应发送方式来联合调整发送子码流数目以及速率，从而 最大化信息容量以及频谱效率。 2 针对多基站协作系统，多小区间协作情况下，由于基站的分布不同，和移 动台相对位置的不同，以及周边环境的不同，其链路的电波传播模型也不 同，那么其衰落程度也不同，那么对于移动台而言，选取几个链路最好的 基站为其服务是最关心的，而对于基站端而言，不仅仅要考虑其链路状态， 还要考虑其资源分配情况。本文研究了用户不同信噪比下协作基站的选 取，提出了一种自适应协作基站的选择方法。 3 对于基站与r e l a y 的协作系统，我们只研究两跳系统和一跳系统的结合， 即：基站1 e l a y 一移动台和基站一移动台。由于r e l a y 的服务方式有很多种， 那么这种情况下的资源分配与调度显得尤为复杂和灵活。本文充分考虑 r e l a v 节点可能存在的四种服务方式，提出了基于信噪比准则的自适应 r e l a y 服务方式选择，使得r e l a y 系统的系统吞吐量达到最优。 4 针对反馈信号在协作通信中的作用和影响，本文从数据压缩和联合反馈的 角度提出了两种反馈信号设计方法。首先，已有的反馈信号设计方法都是 基于线性压缩的角度进行研究和设计的，本文借用语音压缩编码的十三折 现法，利用非线性压缩方法设计反馈信号，并对比仿真了两者的性能差异。 其次，本文考虑了协作通信系统下用户对于协作基站的反馈信号的特点， 提出了一种联合反馈信号设计方法。 本文章节安排如下： 第2 章研究分析单小区的无线资源分配；第3 章研究多基站协作系统中无线 资源分配；第4 章研究r e l a y 系统中无线资源分配；第5 章研究反馈信号的设计； 最后一章总结全文，并对未来研究方向提出建议。 1 4 小结 5 本章主要介绍了协作通信系统研究背景及意义，分析了国内外发展现状，提 出本课题的主要研究内容及目前取得的成果，同时给出了本文的论文结构和安排。 6 2 协作通信下单小区资源分配研究 研究单个小区的无线资源分配状况是研究协作通信系统无线资源分配方式的 基础。只有在充分考虑了单小区的无线资源分配状况的前提下，研究协作通信系 统资源分配方式才有意义。同时，考虑单小区多天线的资源分配情况又是研究单 小区资源分配的重点所在，也是当前技术的研究热点。 m i m o 系统很多具体的形式，一般来说，空时编码系统( 传输分集) 是开环传输， 即发送端不需要使用信道状态信息。而对于空间复用系统来说，由于多个空间子 码流的存在，需要分配他们的速率功率等，信道状态信息就很重要，没有任何功 率速率控制的空间复用系统无法达到m 肼o 信道容量l 8 j ，所以在空间复用系统在 发送端利用信道状态信息是有必要的。另一方面，在多用户m 聊o 系统之中，尤 其是下行空间复用系统之中，信道状态信息被用来做发送端的信号预处理，从而 在发送的时候就可以降低不同接收用户之间的干扰。这样就导致了在多用户 m i m o 下行系统之中，发送端的信道状态信息不仅是必须的，还会很大程度上影 响了整个系统的性能。 获取信道状态信息的途径一般来说是在接收端接收信号的时候，通过各种信 道估计方法来检测出信道状态。在信道估计后，接收端就能够获取信道状态信息。 可对资源分配来说，往往是发送端更加需要信道状态信息的，因此就需要有某种 方法让发送端也能获取接收端估计出来的信道状态信息。而这具体的方法是和无 线系统的双工方式有关的。一般说来，无线系统有两种主要的双工模式：频分双 工( f d d ) 以及时分双工( t d d ) 。目前实际系统使用较多的f d d 系统中，上行 和下行链路按照频率来进行划分，因此上下行的信道状态是不同的。在这种情况 下，如果发送端要获取信道状态信息，接收端就必须在进行信道估计之后把信道 状态信息反馈回来。由于无线信道是时变的，每次信道状态发生变化之后都要重 新反馈( 通常在1 0 m s 一次的量级) ，加上m i m o 信道状态是一个复矩阵，把完整 的信道信息都反馈回发送端就需要一个高速反馈信道。而现实上，由于频谱资源 的限制，反馈信道往往都是有限带宽的，因此无法反馈全部的信道状态信息回去。 而在t d d 系统中，上下行在同样频率工作，只是通过时间来区分开来。在这种系 统中，上下行的信道是对偶的，即他们的信道特征是相同的。于是发送端的信道 状态信息可以通过其在上一个时隙接收信号时候估计来获取，前提假设是在这一 个时隙的间隔之后，信道状态基本保持不变。在快衰落信道，这点假设可能不成 立。因此，本章讨论不完全信息反馈下的资源分配方法。 在第2 2 节中，本文先考虑有不完全瞬时信息反馈下的m i m o 资源分配，而 7 在第2 3 节中，本文将讨论有长时间平均信噪比反馈下的m 蹦o 资源分配。 2 1 基于瞬时信噪比反馈的资源分配 m i m o 系统的空间复用结构中，几个子码流在各自独立的经过调制编码之后 从不同的发送天线输出，这样就大大地提高了传输速率。在接收端则通过信号处 理的方法把这几个并行发送的子码流分别检测出来。虽然利用最大似然准则来检 测是能得到最好的性能的，但是其复杂度较大，尤其是存在多天线的情况下。而 线性接收机则可以大大降低复杂度，因此得到了广泛的使用。因此在这部分工作 中，本文的研究对象是使用线性接收机的空间复用系统。 随着多媒体业务的应用越来越广泛，会有越来越多的需求是在无线信道中同 时传输实时和非实时业务。一般来说，两种业务可以通过分配在不同时隙或者频 率上传输，但如果能在传输实时业务的带宽内，利用空余的资源，再同时额外传 输非实时业务的话，可以进一步的提高整个系统的容量。因为一般来说，实时业 务所需要的传输速率以及误码率要求都不高，因此系统总能有剩余的资源可以分 配。因此在这一节的工作中，本文考虑在m i m 0 空间复用系统中利用接收端反馈 的部分瞬时信道状态信息，即子码流的瞬时信噪比，来支持实时和非实时业务同 时发送并且分别满足他们的服务质量要求，如不同的误码率以及速率要求。通过 子码流信噪比的反馈，可以分配子码流之间的速率功率以及数量等资源给这两种 业务。在此基础上，本文还将进一步的简化算法，提出大大简化穷举算法复杂度 同时又能有较好性能的次最优搜索算法，使得本文提出的方法可以变得更加实用。 2 1 1 系统模型 考虑一个拥有m r 个发送天线m r 个接收天线的空间复用系统( m r m r ) 。同 样的，我们用h 表示m i m o 信道矩阵，其中的b ，表示第，个发送天线到第f 接收 天线的信道增益。假设总的平均接收功率为p ，y ( 1 ) 是接收信号向量，x ( m r 1 ) 是发送信号向量，向量n ( 1 ) 表示加性高斯白噪声向量，假设其方差归 一化为1 。然后，系统的信号模型可以描述为： y = 墩+ 刀( 2 1 ) 其中同时满足e ( i l i l 幸) = i 枷。在这里e ( ) 表示是期望，而k 则是m r m r 的 单位矩阵，n 宰表示n 的共轭转置。而在不同天线上发送的信号功率可以表示为： 8 a e 裹銮逼盔堂亟堂僮途塞迹往道值工垫丛! 区童遂筮醒硒塞 e ( 搿) = a o o 仍 ： 0o o o 。： p m ( 2 2 ) 其中p 表示第i 个子码流信号的功率，其总和满足 - 苎l 易e ( 2 3 ) 其中一种常见的线性接收机迫零( z e r o f o r c i n g ) 接收机的线性处理矩阵为信 道矩阵h 的伪逆矩阵。在线性处理后，第i 个子码流的处理后信噪比( p m c e s s e d s n r ) 可以表示为【3 8 】： 岛2 面毒备可2 只蜀 ( 2 4 ) 其中 h 宰h 】：1 表示矩阵【h 搴h 】- 1 的第( i ；i ) 个元素。 为了提高迫零接收机性能，本文考虑利用串行干扰抵消接收【3 9 】。接收机会把 各个子码流按照一定顺序进行排序，然后进行串行的接收：然后把已经检测出来 信号从接受信号中抵消掉之后再进行下一个子码流信号的检测。假设第一路子码 流最先被检测出来，第i 个被检测出来的子码流的处理后信噪比为： 2 南2 b 反 ( 2 。5 ) 其中h ，是在在迭代过程中产生的矩阵，是将上一次迭代产生的矩阵h ：一，中的第i 一1 列化为。之后的结果，而h ：一。则是将矩阵h h 的列向量进行重新排序后的结果。迭 代过程中，i 从2 开始，一直到m r 结束，初始值h ，= h 。 2 1 2 资源分配方法 本文提出的资源分配方法框图如图2 1 所示。接收端估计出信道状态，并且计 算出每路子码流的处理后增益，然后再把这些信息通过反馈信道反馈到发送端去 ( 每个子码流的增益孚) ，假设接收端的信道估计是理想的，因此接收端得到的信道 状态信息是理想的，同时假设反馈信道是没有延时以及没有传输错误的。基于反 馈到发送端的信道状态信息，实时和非实时业务首先分配到不同的子码流中传输， 然后子码流再各自通过独立编码和调制。设分配给实时业务的子码流集合定义为 q ，而分配给非实时业务的子码流集合定义为s 。然后再给每个子码流分配发送 功率和速率，假设第i 个子码流的速率和功率分别和肛。 9 图2 1 资源分配系统框图 f i g2 1 咖c n 鹏o fr e s o u r c ea l l o c a t i o n 为了各自满足实时和非实时业务的服务质量要求，子码流集合q 和s 提供这 两种业务的误码率要求。假设实时业务和非实时业务的误码率要求分别为b e r v 和 b e 鼬。同时，由于两种业务有不同的速率要求：对于实时业务来说，总的速率要 求为b ，只需要保证其传输速率达到要求即可；对于非实时业务来说，一般情况下 都没有具体的速率要求，但是在误码率要求满足的情况下，应该尽可能提高最大 的速率。因此可以把这里的资源分配问题利用最优化理论的数学建模。其数学模 型为： m a ) 【i m 沈柚 ( 2 6 ) s u b j e c tt 0 竺a ， ( 2 - 7 ) 厂( 辟，) 职， f q ( 2 8 ) ( 岛，) 脚d ， f s ( 2 - 9 ) 卸= ， ( 2 - 1 0 ) 仍，0 ， ( 2 - 1 1 ) s n q = o ，3 u q 舢la v a i l a b l es u b s 慨a m s( 2 一1 2 ) 其中厂( 岛，) 表示第i 个子码流的误码率，是调制速率以及处理后信噪比乃的 函数。为了简化，假设这里没有使用信道编码，而调制方式假设为2 进制的q 舢江。 在使用格雷码的情况下，这个函数f 可以近似的用上界表示为【4 q j ： 一尝 厂( 乃，) o 2 9 奶- 1 ( 2 一1 3 ) 由于这个优化问题涉及到子码流的分配，如果把这个也一起考虑的话，优化 模型会很复杂，从而无法得到闭式解，因此先假定给定子码流的分配a 和b ，然 1 0 后针对实时业务和非实时业务的速率和功率分配问题，可以把一个优化问题分成 两个简化的非线性优化问题来解决： 问题l m i 血眈f e n 只 s u 巧e c t t 0厂( 肛，) 溉， f q ，m ，；= ， 只，0 ， f q ， 以及 问题2 m a ) 【姚鹂 s u b j e c t t o 。e 3 b 只一只， 厂( 肛，) 蛾， f 3 易，0 ， f 3 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 其中只= 锄仍并且满足o 异只。 可以证明，这个两个子问题组成的优化问题和前面提到的优化问题是等价的， 因为它们拥有一样的可行域以及最优解。 再利用求解非线性优化问题的k t 条件，可以得到子问题1 的最优解为： ，；2 高+ 高k g ：志，煳 b = ：觑志 f q ( 2 - 2 3 ) “1 5 5 脚， 、7 其中，用iqi 表示子码流集合q 中包含的元素个数。当这个问题求解出来使得只 只，就说明实时业务所需要的功率总和已经超过了发送功率限制，也就是说这时 候系统已经无法支持实时业务的传输了。我们称这种情况为：系统出现了中断。 在子问题1 得到满足条件的解之后，能进一步求解子问题2 ： = l 0 9 2 c ， f s ( 2 2 4 ) b = 砌志f q ( 2 2 5 )li 1 5 9 i5 b e r d 、。 其中常数c 表示： c c 肾驴萎志，篙 p 2 6 ， 5 b e r d 同样的，isi 表示s 的元素个数。因此这时候非实时业务的传输速率为： 曲i = l o g ：( 兀) ( 2 2 7 ) 在求解了这两个非线性优化问题之后，可以放宽给定子码流分配集合3 以及 q 的条件，对3 以及q 进行的穷举搜索，再利用公式( 2 2 2 ) ( 2 2 6 ) 的结果， 就可以确定最优的资源分配方案来进行子码流、功率以及速率的分配了。 2 1 3 简化算法 前面一节给出了最优化资源分配的方法，但这需要对s 以及q 进行穷举搜索。 每个子码流都有三种可能性：分配给实时业务、分配给非实时业务或者不使用， 所有总共有3 坍种可能的子码流分配方法。尤其在发送天线较多的时候，穷举法的 复杂度就会非常之高，从而影响算法的实用性。因此本文这一节工作是找出合理 的简化搜索方法来降低运算复杂度。 由于设计同时支持两种业务的系统的目的是利用实时业务传输的时候空余的 无线资源来传输非实时业务来进一步提高信道利用率，因此本文设计的简化算法 就优先保证实时业务传输，尽可能降低系统无法支持实时业务的概率( 中断概率) 。 在这个设计目标下，简化算法首先分配子码流给实时业务。可以想象，当信 噪比比较低的时候，为了能保证实时业务的成功传输，需要把信道条件较好的子 码流分配给实时业务，从而尽可能避免中断发生。而在另外一种极端情况，当信 噪比很高的时候( 只_ 佃) ，实时业务的传输速度能够得到保证的同时并且还能 有很多的剩余资源分配给非实时业务。因此在这中情况下，应该优先考虑非实时 业务获得更多的传输速率。利用公式( 2 2 7 ) ，可以给出非实时业务总的传输速率 为： = l o g ：( 兀斗) ，c 专佃 ( 2 2 8 ) 船 柚isi 觑二一 1j 5 b e r 。 从上式可以看出，在此情况下，非实时业务传输的总速率随着& ( f s ) 的增加而增加。因此在这种情况下，把信道状况好的子码流分配给非实时业务可 以提高整个系统的资源利用率。 从上面的分析可以给出一个基本搜索步骤，首先假定分配给实时业务的子码 流数目为k ，然后根据每个子码流反馈的信道增益找出可以支持实时业务传输的子 码流集合吸。，如果这个集合的子码流数目多于k ，则说明有较多的子码流可以支 持实时业务的传输，此时只需要把锨。中最差的k 个子码流分配给实时业务即可， 其他子码流留非实时业务来提高效率；而当吼。的元素数量少于k ，则说明这是信 道情况较差，此时就把全部最好的k 个子码流分配给实时业务来最小化中断概率。 在分配好给实时业务的子码流之后，把剩下的子码流由好到坏逐一分配给非 1 2 实时业务，并且利用下面的方法来判断是否要分配更多的子码流给非实时业务。 图2 2 优化算法流程图 f i g 2 2o p t i m a z i t i o na j g o r i 仉m 假设子码流集合s 已经分配给非实时业务了，现在再增加一个增益为毋的子 码流，如果这时候能让总的传输速率增加的话，则g ，会满足下面的条件： 啦厂型坚f ( 2 - 2 9 ) 。1 5 _ ( 只吲+ 闽志) i s p 5 b e r d 最后利用图3 2 来表示优化算法的流程图。可以看出，本文提出的简化算法把 循环次数从3 胛降低到m t 次，大大降低了运算复杂度。同时，这个简化算法还 能尽可能地保证实时业务的传输。 2 1 4 仿真结果与讨论 在仿真中假设一个4 个发送天线和6 个接收天线的m i m o 系统，先考虑使用 独立同分布瑞利衰落信道。实时业务的误码要求为1 0 ，而非实时业务的误码率要 求为1 0 - 4 。系统中我们使用的调制方式为：4 q w ，1 6 q 舢v i ，6 4 q 蝴以及2 5 6 q 。 因此每个子码流可能的传输速率为：2 ，4 ，6 ，8b i t s h z 。同时假设实时业务的速率要 求为：4b i 洮h z 。 为了便于比较，同时还考察一种传统的资源分配方式：只能支持一种服务质 量要求的分配方法。在这里，这种传统的方法只支持非实时业务种业务的服务 质量要求，即误码率要求为：1 0 - 4 ，然后尽可能大的增加总的传输速率。 图2 3 独立衰落信道下不同资源分配方式中非实时业务的总传输速率 f i g 2 3t o t a lt 豫n s m i tr a t eo fn o nr e a l t i m et y p ei nd i f r e r e n tr e s o u r c ea l l o c a t i o nu n d e rf a d i n gc h 猢e l 图2 3 画出了独立衰落信道下不同资源分配方式中非实时业务的总传输速率。 与传统的资源分配方案相比，本文提出的方案因为可以提供不同的误码率给两种 业务，因此可以将对无线资源从误码率要求不高的实时业务中更多的利用到误码 率要求较高的非实时业务中去，从而得到更高的资源利用率。如图2 3 所示，本文 提出的方案可以得到更高的传输速率。同时，还可以看出，在利用了提出的简化 算法之后，虽然传输速率有所下降，但是依然很接近最优算法的性能。尤其是当 信噪比比较高的时候。 1 4 图2 4 独立衰落信道下不同资源分配方式中实时业务的中断概率 f i g2 4i n t e r m p t i o np r o b a l t yo fr e 翻t i m et y p ei nd i f r e r e n tr e s o u r c ea l l o c a t i o nu n d e rf - a d i n gc h a n l l e l 独立衰落信道下不同资源分配方式中实时业务的中断概率则在图2 4 表示。同 样的，从结果可以看出本文提出的资源分配算法在中断概率方面同样有很大的增 益。另一个重要结果是，本文提出的简化算法在中断概率的性能上，与利用穷举 法的最优算法完全一样。因此可