（通信与信息系统专业论文）协同ofdm系统的无线资源分配研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 作者：2 0 0 7 级研究生张耀 指导教师：黄学军 题目：协同o f d m 系统的无线资源分配研究 英文题目：s t u d yo nw i r e l e s sr e s o u r c e a l l o c m i o ni nc o o p e r a t i v eo f d m s y s t e m 主题词：协同分集，o f d m ，协同策略，资源分配，跨层 k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , o f d m ，c o o p e r a t i v es t r a t e g y , r e s o u r c ea l l o c m i o n ，c r o s s l a y e r 南京邮电人学硕十研究生学位论文 摘要 摘要 协同o f d m 技术是协同分集技术与正交频分复用( o f d m ) 技术结合的产物，兼具两者 的优点。在协同o f d m 系统中，合理分配有限的无线资源，可以保证以较低的复杂度和较 高的资源利用率显著提高系统的通信性能。本文主要研究协同o f d m 系统的资源分配算 法，联合对中继选择、功率和子载波分配进行最优化。 首先介绍了本文的背景知识，信道模型，概括了协同o f d m 系统基本原理，重点介绍 了协同分集的放大转发、译码转发和编码协同三种中继协议的通信过程，并仿真比较了它 们的性能。 其次，详细给出了协同o f d m 系统的协同策略具体实现方法，从系统容量的角度分别 研究了系统中只存在两个用户和存在多个用户时协同策略。当系统中有两个用户时，对于 译码转发协同，此策略可达到容量的最大限；当系统中有多个用户时，在特定的网络拓扑 中，此策略能达到接近最大限的性能。 然后，在协同策略的基础上，重点研究了一种基于总功率最小化，通过原始对偶分解 法的集中式资源分配算法。此算法的优点是不但可以联合对中继、功率和子载波进行分配， 而且它的复杂度只是随着系统中子载波数量的增加而线性增加的。 最后，把跨层机制应用在资源分配中，研究了基于用户q o s 效用函数的跨层资源分配 算法。按照业务类型将用户进行分类，设计调度优先级函数，建立基于效用函数导数的资 源分配问题，实现系统的资源分配，进一步提高系统的性能。 关键字：协同分集，o f d m ，协同策略，资源分配，跨层 a b s t r a c t c o o p e r a t i v eo r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n 0 1 0 9 yi s a n e f f e c t i v ec o m b i n a t i o no fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n do f d m i tb e n e f i t sf r o ma d v a m a g e so f b o t l l t e c h n o l o g i e s l i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c e st i t ler a t i o n a l l ya l l o c a t e di nc o o p e r a t i v eo f d m s 1 ，s t e m t h a tg u a r a n t e e st r e m e n d o u si n c r e a s ei ns y s t e mc o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c ew i t hl o wc o m p l e x i t y a n dc o m p a r a t i v e l yh i g hr e s o u r c e su t i l i z a t i o nr a t e t h ep r e s e n tp a p e r m a i n l yf o c u s e so nr e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rc o o p e r a t i v eo f d m s y s t e m ，j o i n t l yo p t i m i z e sr e l a yp a r t l l e rs e l e c t i o m p o w e ra n ds u b c a r r i e ra l l o c a t i o n f i r s to fa l l ，i ti n t r o d u c e sb a c k g r o u n do ft h ep a p e ra n dc o m m u n i c a t i o nd l a n n e lm o d e l s s u m m a r i z e sb a s i cp r i n c i p l e so f c o o p e r a t i v eo f d ms y s t e m ，c o n c e n t r a t e so nm r e ec o n u n u n i c a t i o n p r o c e s s e so fr e l a yp r o t o c o lw h i c hi n c l u d ea m p l i f y - a n d f o r w a r d 沁) ，d e c o d e a n d f o r w a r d ( d f ) ， c o d e dc o o p e r a t i o n ( c c ) ，s i m u l a t e sa n d c o m p a r e st h e i rp e r f o r m a n c e s s e c o n d l y , i tg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fc o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sr e g a r d i n g c o o p e r a t i v es t r a t e g i e so fc o o p e r a t i v eo f d ms y s t e m f r o mt h ea n g e lo fs y s t e mc a p a c i t y , i t r e s p e c t i v e l ys t u d i e so nc o o p e r a t i v es t r a t e g i e sw h e nt h e r ea r et w ou s e r so rm u l t iu s e r si nt h e s y s t e m i nt h ef i r s ts i t u a t i o n ，t h es t r a t e g ya c h i e v e st h ec a p a c i t yr e g i o nu p p e rb o u n df o rd f c o o p e r a t i o n ；i nt h es e c o n ds i t u a t i o n ，t h es t r a t e g yc a na c h i e v en e a ru p p e r - b o u n d p e r f o r m a n c ei n c e r t a i nn e t w o r kt o p o l o g i e s t h e n ，o nt h eb a s i so fc o o p e r a t i v es t r a t e g y , i tf o c u s e so nt h ec e n t r a l i z e dr e s o u r c e a l l o c a t i o n a l g o r i t h mt h a ta d o p t sp r i m a l - d u a ld e c o m p o s i t i o na l g o r i t h mb a s e do nm i i l i m u mt o t a lp o w 瓯t h e a d v a n t a g e so ft h ea l g o r i t h mi st h a ti tc a nr e a l i z er e l a y , p o w e ra n ds u b c a r r i e rj o i n ta l l o c a t i o n w h i l et h ec o m p l e x i t yi n c r e a s e so n l yl i n e a r l yw i t ht h en u m b e ro f s u b c a r r i e r si nt h es y s t e m s h lt h ee n d ，c r o s s l a y e rm e c h a n i s mi s a p p l i e di nr e s o u r c ea l l o c a t i o n ，w i l i c hl e a d st ot l l e r e s e a r c ho nc r o s s - l a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e d o nu s e rq o s u t i l i t yf u n c t i o n c l a s s i f y u s e r sb yb u s i n e s st y p e s ，d e s i g nd i s p a t c h i n gp r i o r i t yf u n c t i o n ，e s t a b l i s ht h ei s s u eo f r e s o u r c e a l l o c a t i o nb a s e do nu t i l i t yf u n c t i o nd e r i v a t i v ea n d w h i c hf u r t h e re n h a n c es y s t e mp e r f o r m a n c e r e a l i z er e s o u r c ea l l o c a t i o no ft h es y s t e m ， k e yw o r d s c o o p e r a t i v e d i v e r s i t y , o f d m ，c o o p e r a t i v es t r a t e g y , r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，c r o s s 1 a y e r i i 南京邮电人学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 研究意义l 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 协同分集技术研究综述。2 1 3 2o f d m 技术研究综述3 1 3 3 协同o f d m 资源分配技术研究综述4 1 4 本文的主要工作和章节安排4 第二章协同o f d m 系统基本原理分析6 2 1 移动通信无线信道及特征参数6 2 1 1 无线信道的主要特征及类型6 2 1 2 瑞利衰落信道模型及参数7 2 2m i m o o f d m 系统与协同o f d m 系统8 2 2 1m i m o o f d m 系统结构8 2 2 2 协同o f d m 系统结构1 0 2 2 3m i m o o f d m 系统与协同o f d m 系统的比较1 1 2 3 协同分集的中继协议分析1 1 2 3 1 协同分集系统模型1 1 2 3 2 常用的协同中继协议1 2 2 3 3 几种协同中继协议的性能比较1 5 2 4 本章小结18 第三章多用户o f d m 系统的协同策略1 9 3 1 假设条件19 3 2 两用户协同o f d m 系统的容量上限2 0 3 3 两用户o f d m 系统d f 中继的协同策略2 1 3 3 1 协同策略过程2 l 3 3 2 容量上限分析2 3 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 3 4 多用户两跳o f d m 系统的协同策略2 5 3 4 1 协同策略过程2 5 3 4 2 容量上限分析2 7 3 5 仿真结果与性能分析2 8 3 6 本章小结3 0 第四章多用户协同o f d m 系统的资源分配一3 1 4 1 资源分配系统模型3 l 4 2 资源分配算法分析3 2 4 2 1 问题描述3 2 4 2 2 算法过程3 3 4 2 3 算法的市场定价解释3 8 4 3 仿真结果与性能分析3 9 4 3 1 两用户o f d m 系统。3 9 4 3 2 多用户两跳o f d m 系统4 2 4 4 本章小结4 5 第五章协同o f d m 系统的跨层资源分配4 6 5 1 跨层结构系统模型4 6 5 2 跨层资源分配算法分析4 7 5 2 1 效用函数的确定4 7 5 2 2 基于效用函数的资源分配算法4 9 5 3 仿真结果与性能分析5 l 5 4 本章小结。5 4 第六章总结与展望2 5 5 6 1 本文总结5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 致谢6 l 研究生期间发表的论文6 2 i l 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 人们对自由生活的向往与移动通信的个人化服务和移动性等特点不谋而合，这也为移 动通信的快速发展提供了良好的市场基础，以宽带和提供多媒体业务为特征的新一代无线 移动通信系统发展迅猛。无线传输资源的有限性以及无线通信恶劣的传输环境制约了它们 的快速发展。虽然现代无线通信系统中采用了许多新的调制、编码、分集等技术，但仍难 满足业务的带宽需求，因此将多种技术进行有机结合的研究，已成为无线信息传输领域的 研究热点。特别是由m i m o 与o f d m 这两种技术有机结合而形成的m i m o o f d m 系统既 可以达到很高的传输效率，又可以通过分集获得很强的可靠性，为宽带无线数据服务提供 了有力的候选方案，同时也被视为下一代无线通信系统的核心技术之一。 m i m o 技术利用多根天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发射功率的情 况下，可以有效地提高系统容量l l 】。但是小型移动终端很难设置多根天线，使得理想的 m i m o 技术在走向实用的进程中步履维艰。为此，s e n d o n a r i s 等人提出了一种虚拟的m i m o 技术：协同分集技术【2 】，其基本思想是通过多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构 造“虚拟多天线阵列 ，并通过分布式协同处理来获得一定的空间分集增益。所以考虑将 协同分集技术引入o f d m 系统，组成协同o f d m 系统，也就是虚拟m i m o o f d m 系统。 本文正是以此为研究方向，研究提高协同o f d m 系统性能的技术和方法。 1 2 研究意义 从无线通信的发展史可以看到，人们所做的努力始终是为了提高通信系统的可靠性和 有效性，尤其在频谱资源十分拥挤的情况下，如何提高通信系统的频谱利用率显得尤为重 要，协同o f d m 系统因其在单天线终端中可以实现高效的频谱利用率而引起人们的高度重 视。无线资源管理问题是任何通信系统中不可避免的一个任务，也是实现系统性能优化的 重要方面。在协同o f d m 系统中研究协同策略和与之对应的包括中继、功率、子载波适应 等资源分配算法是无线资源管理问题的核心。 资源分配对于协同o f d m 系统是非常重要的，它有三个原因：第一，对于协同通信在 正确的时间和频率选择正确的节点进行协同传输是非常关键的。例如，如果源节点与中继 雨京邮电大学硕士研究生字位论文 第一章绪论 节点之间的信道或者中继节点与目的节点之间的信道具有强衰落，协同传输就会浪费宝贵 的系统资源。第二，在多用户o f d m 系统中，用户的每个子载波有独立的信道实现，这就 有助于实现多用户分集。通过把子载波和功率适应性的分配给用户，从而产生多用户分集， 就能够有效地提高系统性能。第三，对于每个子载波在o f d m 系统中可以在低信噪比的情 况下工作，这就使资源分配变得更加重要，因为在低信噪比区域比高信噪比区域分集的益 处更加明显。 传统的多用户o f d m 系统多采用静态的t d m a 或者f d m a 的接入方式，分别对每个 用户分配固定的频段或者时隙，虽然有些方式系统实现比较简单，但是有可能对某个用户 来说，性能最好的子信道只部分时间使用甚至就没有占用过，这势必造成频率的浪费。如 何合理分配有限的无线资源，增大每个子信道的效率，是一个非常有意义的研究课题，本 文将针对这个问题作进一步的研究分析。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 协同分集技术研究综述 协同分集技术的研究虽然刚起步不久，但由于其潜在的优势，目前已有相当多的文献 对协同分集的相关技术展开研究。协同分集作为一种虚拟多天线分集技术，最早源于对中 继信道( r e l a yc h a n n e l ) p 】的研究，但协同又不同于中继，中继节点只是为源节点简单地转发 数据，而协同中继节点既是转发者，又是数据源。s e n d o n a r i s 等学者最早研究了协同分集 与网络容量和中断概率( o u t a g ep r o b a b i l i t y ) 等系统性能的关系【2 ，4 5 】，并给出了在低速及高速 传输系统下的实现方案，研究了该系统可达到的传输速率范围和信道容量；s e n d o n a r i s 对 采用协同和未协同的系统在不同信道状态下的可达速率区域作了比较。l a n e m a n 等人深入 研究了分集的实现策略，提出了固定中继( f i x e dr e l a y i n g ) 、选择中继( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 和 增量中继( i n c r e m e n tr e l a y i n g ) - - 种协同策略【6 喝】。与l a n e m a n 等人的研究工作并行，h u n t e r 等提出了采用信道编码的编码协同( c o d e dc o o p e r a t i o n ) 9 , 1 0 l ，如t u r b o 码。在文献【l l 】中， m d o h l e r 等人深入地分析了v a a 系统在历经信道下的理论容量和非历经信道下每级中继 的中断率，给出了瑞利平坦衰落信道下容量的闭式解，并初步研究了通信中继协议进行资 源分配( 包括功率、带宽、帧长等参数) 以获得端到端最大吞吐率，最后分析了空时分组码 ( s t b c ) 收发信机的部分资源分配策略。总体上，这些文献从m i m o 信号处理的角度，证 明了协同技术在理论上的可行性，为无线移动信息的传输提供了另一种实现途径。 2 雨京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 以上这些学者的工作为协同分集技术的研究奠定了理论基础。但是目前有关协同分集 技术的研究仍主要集中在系统容量的理论分析方面【1 2 】【1 3 】，或者通过实验测量信道参数然后 利用现有的理论成果进行数值计算【1 4 】【1 5 1 ，仅少数文献对合作分集的合作机制和协同的实现 途径e 1 6 】以及能量消耗问题【1 刀作了初步探讨。 1 3 2o f d m 技术研究综述 o f d m ( 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 ) 技术实际上是多载波调制 m c m ( m u l t i c a r d e rm o d u l a t i o n ) 的一种，其基本思想是将信道分成若干正交子信道，将高速 数据流转换成并行的低速子数据流，然后分别调制到每个子信道上进行并行传输。早在 1 9 6 8 年r w c h a n g 和r a g i b b y 提出了基于正交频分复用( o f d m ) 的相关概念【1 8 】【，随后 在1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 等提出了利用离散傅立叶变换( d f t ) 实现o f d m 的思想【2 0 】，但 直到1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 引入循环前缀后【2 ，使得o f d m 技术逐渐走向实用化。o f d m 技术之所以备受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点： ( 1 ) 频谱利用率高。频谱效率比串行系统高近一倍，这一点在频谱资源有限的无线环 境中很重要。o f d m 信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近 n y q u i s t 极限。 ( 2 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。由于o f d m 系统把数据分散到许多个子载 波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环 前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 ( 3 ) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道、每个符 号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循 信息论中的“注水定理 ，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原 则。 ( 4 ) 通过各子载波之间的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经 利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器，仅通过将 各个子信道联合编码，就可以使系统性能得到提高。 ( 5 ) 基于离散傅立叶变换( d f t ) 的o f d m 可以采用快速算法，即通过i f f t 和f f t 来实 现调制和解调，易用d s p 实现。 3 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 3 3 协同o f d m 资源分配技术研究综述 协同o f d m 技术是协同分集技术与o f d m 技术的结合，不仅可以大幅度提高系统的 容量和传输速率，还可以有效的抵抗多径衰落。此项技术要想走向实用，设计有效的资源 分配技术是至关重要的。 虽然有很多文献讨论了协同网络中的资源分配【2 2 】【2 3 1 ，但是在o f d m 或者o f d m a 系 统中设计专门的协同策略和资源分配算法还非常有限。b c a n 等讨论了基于子载波的混合 协同策略来最小化总的误差概率【矧：w e s i r i w o n g p a i r a t 等提出了用1 - b i t 反馈来决定协同 子载波的策略1 2 5 1 。z h a n 等讨论了协同o f d m 系统的资源分配，但仅考虑到了a f 协刚2 6 1 。 t c y n g 等又把工作扩展到允许在直接传输、a f 、d f 中选择子载波，提出了利用对偶分 解法来解决协同o f d m 系统中的资源分配问题【2 7 】。g l i 等利用图论解决了协同o f d m 系 统中资源分配的公平性约束问题【2 8 1 。此外，l d a i 等讨论了多跳o f d m 系统的子载波选择 问题【捌，s z h a n g 等还讨论了通过a c k 信息讨论了o f d m 中继系统的子载波分配问题【3 0 1 。 在以上的工作中，协同策略通常都是直接从单载波系统中发展而来的，对于多载波系 统也许并不是最优的。因此本文从现有的技术出发，研究一种新的多用户o f d m 系统的协 同策略和资源分配算法，并应用跨层的思想研究协同o f d m 资源分配技术。 1 4 本文的主要工作和章节安排 本文主要针对协同o f d m 系统中的相关技术进行研究，主要研究了协同o f d m 系统 中的无线资源分配技术。研究一种能达到容量区域上限的两用户o f d m 系统最优协同策 略；对于超过两个用户的系统，设计了两跳协同策略；然后基于此协同策略研究通过原始 对偶分解法进行联合对中继、功率和子载波分配的集中式资源分配算法，通过仿真证明了 我们研究的协同策略和资源分配算法具有优越的性能；最后应用跨层的思想研究协同 o f d m 资源分配技术。 本文的章节安排如下： 第一章介绍论文的选题背景和意义，以及国内外的研究现状和论文所要解决的问题。 第二章介绍无线信道的特性，以及本文仿真所采用的瑞利衰落信道模型；对本文所 涉及的m i m o 技术，o f d m 技术和协同o f d m 技术做了相关介绍，重点介绍了协同分集 常用的中继策略，并对各种中继策略的平均误码率、中断概率和系统容量等性能进行比较。 第三章介绍多用户o f d m 系统的协同策略。研究了两用户o f d m 系统容量上限，以 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 及通过d f 中继协议时两用户o f d m 系统的协同策略，并证明此协同策略可以达到系统容 量上限；随后再把以上结果扩展到多用户两跳的情况；最后通过仿真显示了本文协同策略 的优越性。 第四章在第三章分析的协同策略的基础上，研究资源分配问题。采取基于总功率最 小化的原始对偶分解法进行协同o f d m 系统集中式资源分配，此算法可以联合对中继、 功率和子载波进行分配，而且它的复杂度只是随着系统中子载波数量的增加而线性增加 的；最后通过仿真显示了本章算法的优越性。 第五章研究跨层机制在资源分配中的应用，进一步提高系统的性能。按照业务类型 将用户进行分类，设计调度优先级函数，建立基于效用函数导数的资源分配优化问题，实 现系统的资源分配。 第六章对全文进行了总结，并提出了进一步的研究内容。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协同o f d m 系统基本原理分析 第二章协同o f d m 系统基本原理分析 协同o f d m 技术结合了m i m o 技术和o f d m 技术，但是又不同于两者，本章将介绍 相关内容。首先介绍无线信道的主要特征及本文仿真所采用的信道模型；其次介绍 m i m o o f d m 与协同o f d m 系统的基本结构与技术特点，以及二者的比较；最后介绍协 同分集三种常用的中继策略，并通过仿真比较它们之间的性能，从而为后续研究工作做好 铺垫。 2 1 移动通信无线信道及特征参数 2 1 1 无线信道的主要特征及类型 通常情况下，信道描述了信号从发送端到接收端所经历的一切媒介，它是任何个通 信系统不可或缺的组成部分。根据传输媒质的不同，物理信道一般可分为有线信道和无线 信道两大类。有线信道是平稳的，其传输媒质一般是双绞线、电缆、光纤等，这些媒质的 传输特性在相当长的时间内是很稳定的，可以认为这种信道为恒参信道。无线信道是随机 的，信号在空间中自由传播，受外界条件的影响很大，呈现出多种衰落特性，可以认为这 种信道为随参信道。影响信号在无线信道中传输性能的因素有很多，其中最主要的有多径 效应、阴影衰落和多普勒频移等。为了克服这些因素的影响，我们首先要对这些因素进行 深入的了解。本章将详细介绍无线信道的主要特征，以及本文仿真所采用的信道模型和各 项参数。 在移动通信系统中，一般来说接收信号的功率可以表示为： p ( d ) - i d l 一”s ( d ) 尺( d ) ( 2 1 ) 式中，d 表示移动台与基站的距离向量，l d i 表示移动台与基站之间的距离。根据式 ( 2 1 ) ，无线信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 路径损耗i d r ，电波在自由空间内的传播损耗，也称为大尺度衰落，n 一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对电磁波传 输路径的阻挡或遮蔽而形成电磁场阴影所引发的衰落，称为中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等，造成信号 6 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章协同o f d m 系统基本原理分析 可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接 收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象，这也称为小尺度衰落。 路径损耗和阴影衰落主要通过合理的天线布局以及恰当的功率控制来消除其影响；小 尺度衰落因其信号可能在几个波长的范围内发生剧烈的变化，严重影响无线通信的信号质 量，所以对抗小尺度衰落始终是无线通信领域的一个研究热点，下面将对小尺度衰落做一 些介绍。 小尺度衰落是由无线信号的多径传播产生的，主要表现为： ( 1 ) 信号强度在经过短距离和短时传播后急速变化； ( 2 ) 多径时延造成的时间弥散； ( 3 ) 多径信号中，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制。 其中，因多径时延产生的时间弥散而引起的无线信道的时间色散特性，主要通过时延 扩展和相干带宽来描述；由多径信号中存在的时变多普勒频移而引起的无线信道时变特 性，主要通过多普勒扩展和相干时间来描述。根据以上四种无线信道的参数，可以把无线 信道的小尺度衰落划分为【3 l 】：平坦衰落、频率选择性衰落、快衰落和慢衰落，如图2 1 所 示。 多径时延扩展 平坦 符号带宽 符号周期 高多普勒扩展 相干时间 符号周期 j a k e s 在文酬3 2 1 中提出了一种简单的产生多径瑞利衰落的j a k e s 模型，该模型构造了复 低通接收信号的包络，该信号在全向散射的情况下经过平稳的非频率选择性移动衰落信 道，这个时候假设了不存在直视路径。j a k e s 模型所生成的衰落仿真信道可表示为： 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协同o f d m 系统基本原理分析 如( t ) - e o ec o s ( w d + w = t c o s a + o 。) ( 2 2 ) 式中，磊是载波的幅度，c ：l 表示第n 条路径衰减的随机变量，4 l 表示的是第n 条射线 与接收机移动方向之间夹角的随机变量，w c 为载波频率，w 册为最大多普勒频移，且 = 2 刀v 疋。1 ，为接收机的运动速度，覆为载波波长。 然而，j a k e s 仿真器模型存在着明显的缺点【3 3 】：( 1 ) 信号的同相和正交分量都是相关的； ( 2 ) 对于给定数目的信道，信号的同相和正交分量并非最佳的高斯分布。这样，j a k e s 仿真 器产生的信号是非平稳信号，并不能体现出物理衰落信道的一些非常重要的特性。m f p o p 和n c b e a u l i e u 在文献中分析了传统的j a k e s 模型的缺点所在，并针对这个缺点，对传统 的j a k e s 模型进行了改进，使得这个改进过的j a k e s 模型能产生广义平稳信号【蚓。 改进的j a k e s 模型的生成的衰落仿真信道可表示为： r l ( f ) = c o s w d x , 。( t ) + s i nw d x i 。( t ) = 嘉c o s 彬 压c o s + 。c o s ( ，+ + i ) + 2 善c o s 或c o s ( ，+ ) ( 2 - 3 ) + 嘉s i n 彬 压s i n + - c o s ( r + + i ) + 2 善ms i n 色c o s ( 心r + ) 其中，是【o ，2 万) 上均匀分布的随机变量，而其他所有的参数都与前面介绍的传统 j a k e s 模型中的参数一样。由于在改进的j a k e s 模型中引入了随机相位眠，从而消除了 传统的j a k e s 模型中的相关性问题，因此，使得产生的信号为所需要的广义平稳信号。 本文仿真所采用的瑞利衰落信道系数由上述改进的j a k e s 模型产生。 2 2m i m o o f d m 系统与协同o f d m 系统 2 2 1m i m o o f d m 系统结构 m i m o 技术一定程度上可以利用传输过程中的传播多径分量，也就是说m i m o 技术可 以用来对抗多径衰落，但是对于频率选择性衰落，m i m o 技术依然无能为力。目前解决 m i m o 系统中频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，另外一种方案是利用o f d m 技 术。 o f d m 技术因其具有很高的频谱利用率并能有效地对抗多径效应，易于和多种技术结 合，特别是易与m i m o 技术相结合【3 5 】【3 6 1 。因此m i m o 技术和o f d m 技术相结合而产生的 g 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协同o f d m 系统基本原理分析 m i m o o f d m 技术因其良好的性能而引起广泛的关注，并被i e e e 8 0 2 1 6 3 7 1 、3 g p pl t e 等 多个标准采纳。 一个m 1 m o o f d m 系统模型如图2 2 所示，系统中的m i m o 编码模块可以采用不同 的空时编码技术，如s t b c 、s t t c 、l s t c 等，从而可以达到利用m i m o 技术来提高单天 线o f d m 系统的容量或者性能的目的。 图2 2m i m o o f d m 系统模型 如图2 2 所示的m i m o o f d m 系统的基本原理框图。在发送端，源数据比特通过信道 编码、交织、映射后，再经过m i m o 编码变成m 路信号，m 为发送天线个数。每一路分 别做o f d m 调制，加上c p 增加抗多径干扰和克服符号间干扰的能力，最后经过模数转换 由相应的天线发送出去。在接收端，有个接收天线，再在每个接收天线上做o f d m 解 调，然后将解调后的信号做m i m o 解码，经过一系列与发送端相反的处理就可以恢复源数 据流。 对于每个子载波，可以得到m 1 m o o f d m 系统的数学模型为： x ( 忌) 艺( 尼) 艺( 露) q 。 ) 4 。( 尼) 吼， ) 五( 后) 五( 后) 五( 尼) + 嘭( 后) ( 尼) 睨( 尼) ，k = o ，1 ，n - 1( 2 4 ) 其中， 誓( 忌) ，f = l ，l ，表示天线f 在子载波k 上接收到的数据； 五( 尼) ，q = l ，q ，表示天线g 在子载波后上发射的数据； 彬( 后) i = 1 ，l ，表示天线i 在子载波k 上引入的加性高斯白噪声； ( 后) ，i = l ，l ，j = l ，q ，表示从发射天线歹到接收天线f 在子载波后上的信道频率 响f 立。 9 筘： 泐；脚嚣；哪 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章协同o f d m 系统基本原理分析 2 2 2 协同o f d m 系统结构 m i m o 要求天线间的距离至少2 4v a _ 上t 3 8 1 1 3 9 1 ，因此一般设置较大的天线间距，或者采 用分布式天线阵列( 一般称分布式m i m o 系统) 来获得较好的信道独立性月乍相干性。但这种 方式不适合小型系统，因此一般只能在基站侧使用( 终端越小，工作频率越低，越难集成多 个天线，如1 8 0 0 m h z 时的普通大小手机最多只能装两副天线) 。最近人们提出了协同，即 虚拟m i m o ( v - m i m o ) 的概念，突破了单终端信号处理的界限。协同技术也同时借鉴了a d h o e 的思想，其典型的系统框架结构如图2 - 6 和图2 7 所示。 发 图2 3 有基站的协同系统示意图 源端v 从小区巾继v 从小区中继v 从小区目的v 从小区 端 图2 - 4 没有基站的协i 司系统不意图 图2 3 为有中心的协同系统示意图，此系统比较适用于现在蜂窝移动通信系统，也相 对于容易实现；图2 4 为无中心的多跳接力协同系统，在此系统中，整个信息的传输过程 完全通过自组织的方式来完成，在实际应用中比较具有普遍代表性，同样实现难度也更大 一些。 协同技术结合o f d m 技术，构成协同o f d m 系统，从而可以充分利用m i m o 和o f d m 技术的优势，同时也克服了手持终端对多天线的物理限制。o f d m 系统由于引入了终端之 间的合作机制，也就是利用不同终端的天线来组成虚拟天线阵列，这就需要终端之间遵守 1 0 堕室塑皇盔兰堡圭堡壅竺堂垡堡苎笙三童垫旦竺! 里坚墨竺苎奎堕里坌堑 一定的协议并合理的分配有限的资源，从而完成相互之间的协调。如何有效的解决协同 o f d m 系统中的协同中继协议问题和无线资源管理问题，成为制约协同o f d m 系统可以 成功实施的瓶颈之一。 2 2 3m i m o o f d m 系统与协同o f d m 系统的比较 现在，都在用m i m o o f d m 技术的相关知识来分析协同o f d m 技术，确实协同o f d m 技术是实现m i m o - o f d m 技术的一种方式，但我们不能把协同技术与m i m o 技术等同起 来。协同技术已经不能看作纯粹的物理层技术了，因为协同技术引入了终端间的协作和交 互，这必然在原来m i m o 技术的基础上引入了一些新的问题，这些问题如下： ( 1 ) 协同技术需要提出新的应用的相对代价问题。现有文献主要以传统m i m o 分析模 型为基础直接借用m i m o 技术现有的理论对协同系统的容量进行理论分析，未能对协同实 际应用的代价问题等总体性能进行评估。 ( 2 ) 无线资源分配问题在任何通信系统中都是非常重要的，协同o f d m 系统亦是如此。 在协同o f d m 系统中应用何种协同策略；中继、功率、子载波等无线资源如何分配，只有 解决了这些问题，才能使得这项技术逐渐走向实用。 ( 3 ) 协同技术引入了终端间的协作，这将涉及到终端的邻居发现机制，协同小区的建 立方法等，这些问题所涉及的方面都不是在物理层可以单独解决的，这就需要引入跨层之 间的协作机制。 本文将主要针对协同o f d m 系统中的协同策略，功率、子载波分配技术，并应用跨层 的思想研究无线资源分配问题。 2 3 协同分集的中继协议分析 2 3 1 协同分集系统模型 协同分集的思想从本质上说，就是希望借助合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造 多天线发射，从而形成一个虚拟m i m o 系统，获得空问分集增益。下面，以蜂窝系统环境 下两个用户之间的协同为例，简单介绍一下协同分集的概念。小区中的每个用户都有一个 合作伙伴，互为伙伴的两个用户除了要传输自己的信息之外，还要负责传输其合作伙伴的 信息，如图2 5 所示： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协同o f d m 系统基本原理分析 鼯户i 二谱孑 基站 用户0 图2 - 5 一个基站两个用尸的协l 司蜂窝网络原理图 在图2 5 的模