（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中基于tgps的资源分配算法.pdf

原创性声明 i i l l l l ll ll l li j l ll l ll l liii y 18 3 3 4 2 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 。 学位论文作者： 梁弧 日期：p f 年r 月 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 渌弧 日期：纠年 月，1 日 摘要 摘要 人们对于没有约束的通信的需求激发了移动通信系统的研究热潮，在第三 代移动通信方兴未艾之际，集多功能为一体的第四代宽带移动通信系统已提上 日程。在宽带无线通信系统中，存在两个比较严重的问题：一个是信号的多径 传播会造成接收信号发生严重的符号问干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ：二 是有限的频谱资源。所以能非常有效的克服i s i 的正交频分复用( 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 e x i n g ，o f d m ) 技术以及能非常有效的提高系统容量 的多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术成为4 g 的两个关 键技术，除此之外，在m i m o o f d m 系统中必须再采用自适应资源分配技术， 才能更加有效的提高系统的频谱利用率。 在未来移动通信中必须满足用户的q o s 要求以及支持多种业务传输，因此本 文研究多用户多业务m i m o o f d m 系统中的自适应无线资源分配算法，主要内 容如下： 1 ) 以采用波束成型的单业务多用户o f d m 系统为研究对象，提出一种基于 t g p s 调度的资源分配算法。仿真结果表明该算法具有以下优点：从公平角 度来说，通过调度满足了用户的q o s 要求，保证了用户的公平性；从系统 容量来说，将子载波分给在其上传输速率最大的用户，提高了系统容量；从 复杂度上来说，算法利用部分空间子信道降低了分配算法的复杂度。 2 ) 以多业务m i m o o f d m 系统为研究对象，提出一种资源分配算法。该算法在 提高系统容量的同时，兼顾了不同业务类型用户的时延要求，克服了低优先 级的用户在某一段时间内得不到服务的缺点，保证了业务之间的公平性。 关键词：m i m oo f d m自适应资源分配波束成形服务质量公平性 截断处理器共享 a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n t so ft h ef r e ec o m m u n i c a t i o ns t i m u l a t et h er e s e a r c h0 ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ef o u r t h g e n e r a t i o n b r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m st h a tc o m b i n e sm a n yf u n c t i o n sh a v eb e e np u to nt h ea g e n d aw h e nt h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r es t i l li nt h ea s c e n d a n to ft h eo c c a s i o n t h e r ea r et w os e r i o u sc h a l l e n g e si nt h eb 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 s ： f i r s t ，t h es e v e r ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s oc a u s e db yw i r e l e s sc h a n n e lm u l t i p a t h e f f e c t s ，s e c o n di st h el i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e s t h eo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd 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 o l o g yc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m ei s i ，a n dm u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y , s ot h e ya r e r e g a r d e da st h et w ok e yt e c h n o l o g i e so f4 g 5 li na d d i t i o n ，t h es y s t e ms p e c t r a le f f i c i e n c y c a nb e e f f e c t i v e l yi m p r o v e dw h e nt h er e s o u r c e sa r ea d a p t i v ea l l o c a t e di nt h e m i m o o f d ms y s t e m t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s m u s t m e e tt h e u s e r sq o s r e q u i r e m e n t sa sw e l la st os u p p o r tav a r i e t yo fb u s i n e s st r a n s f e r s ，s oi nt h i sp a p e r w e r e s e a r c ha d a p t i v er a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rm u l t i s e r v i c em u l t i u s e r m i m o o f d ms y s t e m ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) f i r s t ，w es t u d yt h es i n g l e s e r v i c em u l t i u s e ro f d ms y s t e mw h i c ha d o p t st h e b e a m f o r m i n g a n dp r o p o s e dar e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mw h i c hb a s e do n t g p ss c h e d u l i n g t h es 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 mh a st h e f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：f r o mt h ee q u i t yp o i n to fv i e w , t h ea l g o r i t h mm e e t st h e u s e r sq o sr e q u i r e m e n t sb ys c h e d u l i n g , s ot h a ti te n s u r e st h ef a i r n e s so ft h eu s e r ；, f r o mt h es y s t e mc a p a c i t yo fv i e w , t h ea l g o r i t h mi n c r e a s e st h es y s t e m sc a p a c i t y b ya l l o c a t i n gt h es u b - c a r r i e rt ot h eu s e rt h a th a sl a r g e s tr a t e ；f r o mt h ec o m p l e x i t y o fv i e w , t h ea l g o r i t h mc o m p l e x i t yi sr e d u c e db yu s i n gp a r t i a ls p a c es u b c h a n n e l 2 ) a tl a s t ，w es t u d ym u l t i - s e r v i c em i m o o f d ms y s t e m s ，a n dp r o p o s e dar e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mm e e t st h ed i f f e r e n tb u s i n e s st y p e so ft h e u s e r ，sl a t e n c y r e q u i r e m e n t s ，a n d o v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n g s t h a tt h e i i a b s t r a c t l o w p r i o r i t yu s e r sc a n tg e ts e r v i c ei nac e r t a i np e r i o do ft i m ew h i l ei m p r o v i n g s y s t e m sc a p a c i t ya tt h es a m et i m e ，i naw o r d ，t h ea l g o r i t h me n s u r e st h ef a i r n e s s o ft h eb u s i n e s s k e y w o r d s ：m i m o o f d m a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o n b e a m f o r m i n g q o s f a i r n e s s t g p s 目录 目录 摘j 1 2 兽i a b s t r a c t i i 1 绪论：- 1 1 1 移动通信系统的发展及研究现状1 1 2m i m o o f d m 系统中无线资源分配的研究现状及意义2 1 3 本文主要工作和章节安排4 2m i m o o f d m 系统的基本原理5 2 1 无线信道的衰落特性5 2 1 1 大尺度衰落5 2 1 2 小尺度衰落6 2 2m i m o o f d m 系统的基本原理8 2 2 1o f d m 原理8 2 2 2m i m o 技术的基本原理1 1 2 2 3m i m o o f d m 信道模型1 3 3 多用户m i m o o f d m 系统的无线资源分配1 5 3 1 引言1 5 3 2m i m o o f d m 系统模型1 6 3 3g p s 算法原理1 8 3 4t o p s 算法原理2 0 3 5 基于t o p s 调度的资源分配算法2 l 3 5 1 子载波分配。2 2 3 5 1 1 空阅予信道分配2 2 3 5 1 2 多用户子载波分配准则2 3 i v 目录 3 5 2 子载波和空间子信道功率分配方法 2 4 3 6 仿真结果和分析2 4 3 7 本章小结3 2 4 多业务m i m o o f d m 系统的无线资源分配3 4 4 1 引言3 4 4 2o o s 3 5 4 3 多业务m i m o o f d m 系统的资源分配算法3 6 4 3 1 算法思路3 6 4 3 2 基于t g p s 的多业务资源分配算法。3 7 4 4 仿真结果及分析3 8 4 5 本章小结4 2 5 总结和展望4 3 5 1 本文的工作总结。4 3 5 2 未来工作展望4 3 参考文献4 5 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果4 8 致谢4 9 v 1 绪论 1 绪论 1 1 移动通信系统的发展及研究现状 美国的贝尔实验室于2 0 世纪6 0 年代的时候提出了蜂窝移动通信的概念，从 此以后移动通信就引起了全世界研究学者的关注，成为最近几十年以来发展最 为迅速、最受大家关注的研究领域之一。 最早的移动通信系统利用模拟传输方式来实现话音业务，采用f d m a 接入技 术，称之为第一代模拟移动通信系统( 1 g ) ；随后欧洲和美国的一些研究机构分 别提出了g s m 和i s 9 5c d m a 系统，利用数字传输方式实现话音业务和低速率数 据业务，分别采用t d 脚c d m a 接入技术，这两种技术得到的系统容量和频谱 利用率均高于第一代通信系统，称之为第二代数字移动通信系统( 2 g ) ；但是， 2 g 提供的数据速率还远远满足不了人们的通信需求，因此各国相继提出了新的 通信标准，主要包括c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 以及t d s c d m a 等，在世界范围内得 到大规模商用，称之为第三代移动通信系统( 3 g ) 。3 g 技术可以给移动用户带来 比较高速度的数据通信和多媒体应用，传送速率高达2 m b i t s 的高质量图像【，离 “任何人可以在任何时间、任何地点进行任何方式的通信 的通信目标更接近 了一步。 但是，3 g 通信系统也存在着明显的缺点，比如：( 1 ) 系统中存在着好几种 无线接入方式，但是不同的接入方式使用的是不同的技术标准，而这些标准在 无线传输技术上有比较大的差别，这样的话就很难实现不同网络之间的无缝切 换和漫游1 2 j 1 3 j ；( 2 ) c d m a 技术本身具有多址干扰，导致3 g 系统很难达到几十 m b p s 的数据传输速率；( 3 ) 3 g 系统目前还不能保证不同业务对不同服务质量的 要求( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) ，因此不太能支持多种速率的业务。 由于3 g 中存在这些问题，其比较难以满足未来通信的高要求，因此全球很 多研究机构均开始着手研究第四代移动通信系统( 4 g ) 。4 g 通信系统将实现和 i n t e r n e t 网络的密切连接，是一个集多种功能为一体的宽带移动通信系统。 在4 g 宽带无线通信系统中，存在着两个很严重的问题：是信号的多径传 播会造成接收信号发生严重的i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ；二是频谱资源是有 限的，其大大限制了系统的容量。 1 绪论 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 ) 技术是一种多载波调 制技术，它能够有效地克服多径衰落，解决i s i ，并且具有比较高的频谱效率和 传输速率；m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术能够在不需要额外增加 其所占用频谱和功率的前提下大幅度的提高无线信道容量、改善系统性能，从 而提高频谱的利用纠4 l 【5 1 【6 1 。对于m i m o 技术的大部分研究成果基本上都是基于 信道是平坦衰落的假设的，然而，在实际的通信过程中，通信信道往往会受到 频率选择性衰落的影响，这样的话所研究的关于m i m o 技术的一些结论就不实 用了，而o f d m 技术正好可以将信道的频率选择性衰落转化为平坦衰落，因此， 将m i m o 技术与o f d m 技术结合起来，就可以避免m i m o 技术不实用的尴尬。 m i m o o f d m 技术成了一种特别行之有效的宽带无线通信空中接口架构【7 1 。但 是仅仅靠这两种技术还不足以缓解频谱紧张的问题，必须在m i m o o f d m 系统 中采用自适应的资源分配技术，该技术可以根据信道的情况动态的分配无线资 源，提高频谱利用犁引。 综上所述，在m i m o o f d m 系统中采用自适应资源分配技术可以克服无线 信道频率选择性衰落、增加系统容量、提高频谱利用率。这三种技术成为4 g 通 信系统的研究热点。 1 2mim o - o f d m 系统中无线资源分配的研究现状及意义 未来移动通信发展的主要限制在于有限的无线资源，对它们进行有效合理 的使用是提高系统性能的关键，这就是无线资源分配技术研究的内容。 在o f d m 系统中，无线资源分配主要集中在子载波、功率分配上。主要有 两种分配方案： 1 ) 固定分配【9 】：为每个用户分配固定的带宽和时隙。优点是没有附加任何 信令开销，实施起来非常简单；缺点是不能与业务环境和用户分布的变 化相适应，频谱效率非常低。该分配方式不适于用在下一代移动通信中。 2 )自适应资源分配( a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o n ，a r a ) 1 0 , 1 1 1 ：在发射端 根据信道状况调整o f d m 子载波分配、子载波上功率分配和比特加载， 是资源分配方案的首选。 在m i m o 系统中，由于在发射端和接收端设置多根天线，可以进一步调整 收发天线数型1 2 1 、传输策略、空间子信道分配、空间子信道上的功率分配等【1 3 】。 2 1 绪论 综上所述，在m i m o o f d m 系统中可以调整子载波分配、子载波上的编码 方式和发送功率、空间子信道分配、空间子信道上功率分配以及传输策略等【1 3 l ， 在多用户条件下还可以调整用户间资源分配的数量和方式等，获得多用户分集 增益【1 4 】。 m i m o o f d m 系统中的无线资源分配可以用有约束的优化问题建立模型。 根据优化目标的不同，该系统中的无线资源分配算法大致可以分为两类：一类 是用于常速率系统的m a ( m a r g i na d a p t i v e ) 问题1 1 5 】f 1 6 j ，即在b e r 给定的状况 下，实现总的发射功率最低；一类是用于具有可变速率的系统的r a ( r a t e a d a p t i v e ) 问题【1 7 。1 叭，即在总发射功率固定的状况下，实现传输速率最大化。 对于自适应o f d m 系统中的无线资源分配问题的研究已经很多。而对于 m i m o o f d m 系统中的无线资源分配问题的研究起步却不是很早，早期都是分 别研究o f d m 系统中的无线资源分配问题和m i m o 系统的信道容量问题。并且 在m i m o o f d m 系统中，每个子载波上的信道都是一个矩阵，当系统采用不同 传输策略和设计目标的时候，子载波的信道矩阵的一些参数都是不同的，从而 系统就需要相应的不同的子载波分配准则，因此研究起来比较复杂。 直到2 0 0 3 年z h a n g 等1 2 0 j 才研究了基于s v d 传输的o f d m 上行链路的子载 波分配算法，该算法是在保证各个用户的q o s 需求下，以最小化发射功率为目 标进行子载波分配，利用空间子信道的正交性，允许多个用户占用同一个子载 波，但会造成共信道干扰，在实际应用中，必须借助一些干扰消除技术降低共 信道干扰，致使系统变得比较复杂；文献 2 1 1 提出一种基于部分信道状态信息的 自适应子载波分配和功率分配算法，适合发射端获得信道信息不理想的情况； 文献 2 2 1 在获得部分信道信息的情况下，通过在每个移动端采用空时块码、自适 应的分配子载波、功率和比特来优化频谱效率；文献 2 3 1 在对子载波分配以后， 采用梯度散发完成功率加载，得到较大的系统容量，但文章没有分析影响仿真 收敛性的步长；文献 2 4 1 1 2 5 1 仅利用特征值最大的空间子信道传输数据，只利用 一维空间维度，系统吞吐量不能得到最优；文献【2 6 】将空间维度增加到了2 维， 虽然提高了系统容量，但仍然不是最优；文献 2 7 1 提出一种基于比例公平算法的 子载波分配算法，可以解决距基站远的用户频谱资源获得不足的情况，但是没 有考虑用户的最小速率要求；文献 2 8 1 利用所有非零特征值的空间子信道进行数 据传输，提高了系统吞吐量，但是没有考虑用户之间的公平性和最小速率要求。 以上各种资源分配算法侧重点各不相同，有的是从系统最终性能( 主要是 3 1 绪论 误码率) 着手，有的是从系统容量方面来考虑，有的是从节约资源方面来考虑 ( 主要是发射功率) ，但是各种方法都有各自的优缺点，优点是都使得系统性能 得到改善，缺点是或多或少地忽略了其他一些参数的改善。因此，资源分配算 法研究至今，如何保证各种参数的总体提高以及算法复杂度的降低，仍将是今 后研究的一个重要内容。 综上所述，关于多用户m i m o o f d m 系统的自适应传输，学者们虽已获得 了一些有意义的成果，但或多或少都存在一些瑕疵，因此这个领域还有很大的 研究空间，并且关于多业务共存的m i m o o f d m 系统研究还很少，因此本文将 继续研究多用户多业务m i m o o f d m 系统下行链路的无线资源分配算法。 1 3 本文主要工作和章节安排 本文从使系统容量最大化的角度研究了多用户多业务m i m o o f d m 系统的 无线资源分配算法，主要内容和章节安排如下： 第二章首先介绍了无线信道的特征，然后介绍了m i m o 多天线结构、o f d m 的原理以及m i m o o f d m 系统的信道模型。 第三章在满足单业务多用户m i m o o f d m 系统的总发射功率限制和用户的 b e r 约束条件下，提出一种子载波分配算法。该算法可以满足用户的速率要求、 保证用户的公平性；利用了多天线带来的复用增益，很大的提高系统的容量； 利用满足一定条件的部分空间子信道，降低了分配算法的复杂度。文中从多个 角度仿真验证了算法的性能，并与其它多种算法比较，显示了提出的算法的优 势。 第四章主要讨论了多业务m i m o o f d m 系统中的资源分配问题。鉴于不同 的业务类型有不同的q o s 要求，资源分配算法必须考虑业务的q o s 要求。本章 提出一种资源分配算法，该算法首先根据业务的q o s 要求给不同业务类型的用 户设置权重，根据权重计算每个用户需要的子载波数。与其他算法相比，该算 法通过设置权重保证所有等待服务的用户都能分到资源，保证了不同业务之间 的公平性，同时避免了优先级低的用户在一段时间内得不到服务的缺点。文中 仿真验证了算法的性能，显示该算法的正确性。 第五章是总结和展望。这一章对本论文所做的所有工作进行了总结，并在 所做工作的基础上讨论了相关技术可能的发展方向和应用场景。 4 2m i m o o f d m 系统的基本原理 2mim o - o f d m 系统的基本原理 本章首先介绍无线信道的传输特征，然后介绍o f d m 原理、m i m o 原理以 及m i m o o f d m 系统的信道模型。 2 j 无线信道的衰落特性 对任何无线通信系统的研究都必须以实际的信道特性为基础，主要是因为 系统的复杂度和性能主要是由信道的传输特征决定的。这里首先介绍无线信道 的传输特征。 无线信道是移动通信系统进行信号传输的物理媒质，信号以电磁波的形式 在空中进行传输。传播环境的复杂以及发射机和接收机之间的相对运动，导致 无线信道呈现出随机性衰落特性，这种特性通常可以用大尺度衰落和小尺度衰 落共同描述【矧。 2 1 1 大尺度衰落 大尺度衰落也称为慢衰落，用来描述接收机和发射机之间有比较大距离的 时候的信号强度变化情况，它与收发天线之间的距离成反比关系，并且与传播 环境有密切的关系，在不同的地区大尺度衰落有不同的衰减因子。大尺度衰落 一般包括路径损耗和阴影衰落两种情形： 1 ) 路径损耗：表示电波在空间传输时，接收信号因距离引起的衰减。通常用有 效发射功率和接收功率的差值表示。 无论是基于理论推导还是实际测试，得到在所有环境下，信号的平均接收 功率都随着距离的增大而呈对数衰减。假设收发两端之间的距离为d ，则路径损 耗可以用下面的公式计算： 瓦 ) = 1 0 l o g 号= 瓦( 啪+ 1 0 al o g 石d ( 2 1 ) 式中，表示发射功率；表示接收功率；口为路径损耗指数，表明路径 5 2m i m o o f d m 系统的基本原理 损耗随距离增长的速率，不同的传播环境具有不同的路径损耗指数。d 。为近地 参考距离，它的选择情况对路径损耗的计算影响很大，通常在大蜂窝系统中选 择l k m 作为参考距离，在微蜂窝系统中选择l o o m 或者更小作为参考距离。d 。处 的路径损耗可以通过测量得到，也可以通过假设得到。假设收发天线都具有单 位增益，并且系统的硬件没有损耗，那么d 。处的自由空间损耗可以用下式进行 计算l 刈： p l ( d o ) = - l o l o g ( 靠) 他2 ， 式( 2 2 ) 中，a 为载波波长，口是路径损耗指数，对于大多数传播环境来 说，它的值都取2 到4 之间的数值，而对于传播环境特别复杂的，它需要取更 高的值。 2 ) 阴影衰落：由于地形起伏以及建筑物等障碍物的存在，从而会对传输信号产 生阻塞或者遮蔽，造成处于不同位置的接收机的接收信号功率出现对数衰 落。 考虑阴影衰落后，信号的路径损耗可以表示为： 一p l ( d ) 。p l ( d 。) + l o ai o g 孚+ e ( 2 3 ) 式中，x 。表示一种高斯随机变量，该随机变量的均值为0 ，方差为仃2 。 2 1 2 小尺度衰落 小尺度衰落反映了无线信号在较短的时间或者较短的距离之内呈现快速的 剧烈的随机性起伏变化特性【刈。由于传输的信号经过反射、散射等多条路径到 达接收端，而每条路径上的信号分量的延时、衰落和相位等都不尽相同，在接 收端造成了接收信号表现出频率选择性衰落的特点，称为多径衰落。除此之外 移动用户相对基站的运动，使接收端的接收信号发生频谱扩展，表现出明显的 时间选择性衰落的特点。无线多径信道的参数可以分为频率色散参数和时间色 散参数，它们将分别导致四种不同的信道响应类型。下面先介绍描述信道相关 参数，然后在详细的阐明小尺度衰落的可能分类。 6 2m i m o o f d m 系统的基本原理 1 ) 时延扩展：信号在复杂的环境中由于反射和散射等原因产生多径传播，使得 接收信号在时域产生扩展。 2 ) 相干带宽：表示信道被认为近似平坦的频率范围，用反表示。 e 是与时延扩展相关的一个重要概念，其可以用均方根时延扩展近似表 示。如果把频率的相关函数值超过o 5 认为相关，则相干带宽可以定义如下： e 一去 ( 2 5 ) 3 ) 多普勒频移：当移动台在运动中进行通信时，收发信机问会存在相对运动， 使得接收信号在频域发生扩展，即多普勒效应。多普勒频移厶可以用下式计 算： 一 厶一量c o s p ( 2 4 ) 式中，v 为移动台的运动速度，a 为载波波长，0 是接收电波的入射角。 4 ) 相干时间：表示信道的冲激脉冲响应保持不变的时间间隔的统计平均值。 相干时间互是时域内与多普勒频移相关的一个重要概念。其可以由下式定 义： 瓦- 南- 詈 旺6 ， 式中，厶一吖a 表示最大多普勒频移。 小尺度衰落信道可以根据信道的参数来进行分类，主要可以分为四类：频 率选择性快衰落、频率选择性慢衰落、平坦快衰落、平坦慢衰洲3 0 i 。 1 ) 平坦衰落：当符号周期互远大于最大时延扩展或者说信号带宽e 远小于 信道相干带宽忍时，信号产生平坦衰落。条件可概括为： 互 或者鼠 e ( 2 7 ) 2 ) 频率选择性衰落：当信号带宽e 远大于信道相干带宽包或者说符号周期互 7 远小于最大时延 就是频率选择性 3 ) 快衰落：当符号 量在很短的时间 4 ) 慢衰落：当符号 能量几乎不发生 2 2mim o - o f d m 系统的基本原理 本文研究多用户多业务m i m o o f d m 系统中的无线资源分配算法，因此下 面简单介绍下m i m o o f d m 系统的基本原理。 2 2 1o f d m 原理 在传统的无线通信系统中，影响信息高速传输的最主要的一类问题就是信 道的频率选择性衰落。频率选择性衰落表现为对一些频率成分的信号衰减严重， 而对另外频率成分的信号则有较高的增益，并且导致接收信号在时域发生扩展， 从而引起i s i ，造成通信质量严重下降。在传统的通信系统中，采用自适应均衡 技术( a d a p t i v ee q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ，a e t ) 或者直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 加r a k e 接收的方法来克服该衰落。但是随着移动通信 的不断发展，信息传输速率越来越大，再采用以上方法克服多径衰落会导致系 统复杂度增大，因此急需提出新的技术来克服频率选择性衰剖踟。 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 ) 技术正好响应了这种 需求，o f d m 技术最先应用在美国的军工通信上，后来人们发现其在移动通信 上的优势，将其引入到民用通信，自提出之日起，就引起全球范围的研究热潮， 它是多载波调制技术( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 的一种。基本的o f d m 8 2m l m 0 o f d m 系统的基本原理 系统框图如图2 1 所示。 c o s w 图2 1 基本的o f d m 系统框图 在此系统中，o f d m 技术在频域上将系统的无线信道分成若干个相互正交 的子信道，将高速串行的用户数据流通过串并转换分解成若干个低速的并行子 数据流，并且将这些数据加载到这些相互正交的子信道上，这样的话每个子信 道的带宽只是整个系统传输带宽的一个很小的部分，即每个o f d m 符号的周期 都大于信道的最大时延扩展，大大消除了i s i ，并且与传统的频分复用系统相比， 该系统的各个子载波之问是相互正交的，这样的话用户就可以占用不同的相互 正交的子载波传输信息，从而提高了频谱利用率。 在文献中，通常用式( 2 1 1 ) 所示的等效基带信号来描述o f d m 系统的输 出信号1 8 1 ： s o ) = 气s ts 气- t t 丁+ 毛 在接收端对接收到的o f d m 符号进行解调，得到的信号为： ( 2 1 1 ) 五一1 ；梦2 q 州n x p ，幼半，卜 眨 通过对o f d m 系统的调制信号和解调信号进行离散等效推理，得到： 9 一 o zf 妨 p x w + d 篝气。 2m i m o - o f d m 系统的基本原理 叫x p 学】川山一肛1 眩 喀= 叫一学】舻1 旺 从上面两个式子可以看到o f d m 系统的调制和解调可以分别由i f i 叩 ( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 和h 丌( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 实现，从而使 多载波调制解调变得简单易行。图2 2 是基于f f t 变换的o f d m 传输系统框图。 图2 2 基于f f r 变换的o f d m 传输系统框图 从图中可以看出，o f d m 系统传输信号的全过程：高速串行的用户数据经 过串并转换进入多载波调制模块，经过调制后的信号进行并串转换，然后在每 个o f d m 符号前加上比信道最大时延扩展大的多的循环前缀( 目的是进一步消 除i s i ) ，经过数模转换后的信号在无线信道传输到达接收端，在接收端经过与发 射端完全相反的过程，即可得到需要的信息，这就完成了整个信息的传输。 当然在o f d m 系统中还有一些其它技术，比如加窗技术、同步技术等等， 这里就不再多做介绍，相关知识可以参阅文献【8 】。 1 0 2m i m o o f d m 系统的基本原理 2 2 2m i 帅技术的基本原理 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术由于在无线通信系统的发射端 和接收端设置了多根天线，增加了空间传输信道，因此只要用户占用不同的相 互正交的空间子信道，用户就可以占用同一个频谱同时发送信号，所以在未增 加带宽的情况下该技术就成倍的提高了系统的容量和频谱利用率。 m i m o 技术的另外两个优点是：多用户环境下，利用所有信道的随机衰 落特性对信道进行分配，为系统提供空间复用增益；在收发两端都采用分集 技术，克服信道衰落，从而提高信号得传输质量，即为系统提供空间分集增益。 自m i m o 技术提出以来，对它的相关技术的研究都是基于信道是窄带( 即 信道是平坦衰落) 的假设，因此介绍窄带m i m o 系统的模型和信道容量1 3 1 】【3 2 1 。 其模型如图2 3 所示。 图2 3 窄带m i m o 系统框图 上图是一个窄带的m i m o 系统，它在发射端的发射天线数为m ，根，接收端 的接收天线数为m ，根，图中x ，( j 一1 , 2 , - - m ，) 表示经过空时编码后在第- 根发送 天线上发送的符号，y ；( f = 1 , 2 , - - - m ，) 表示经过信道传输后第f 个接收天线上接收 的符号，h l ；表示发射天线j f 到接收天线i 的信道增益。 从上图可以看出，每对发射天线和接收天线之间都存在一个空间子信道， 则整个系统的信道增益可以用m ，x m ，维的多维矩阵来进行表示，这样的话接收 端的信号就可以用下面的模型表示： 2m i m o o f d m 系统的基本原理 【三二】。【乏。i i i ， 三】+ 【三，】 ( 2 1 5 ) c 书如( 1 + 掣) 娩 其中，b 为每个空间子信道带宽，既是每个空间子信道上分配的功率，是 每个空间子信道接收端的噪声功率，a 是每个空间子信道的信道增益。 在系统的信噪比( s i g n a ln o i s er a t i o ，s n r ) 比较大、并且每个空间子信 道都可以看成是独立同分布的瑞利衰落的情况下，系统的信道容量可以进一步 进行化简为5 1 ： c = m l o g ( s n n ) ( 2 1 7 ) 从上面的式子可以看出，m i m o 系统的信道容量随着天线数目的增加而增 大，并且随着s n r 的增大而呈对数增长。其变化曲线如图2 4 所示。 空问复用的目的是提高系统容量，从而获得空间复用增益，常用的复用模 型是贝尔实验室提出的v - b l a s t 系统；同时m i m o 系统也可以在接收端和发射端 采用分集技术克服信道衰落，从而提高系统可靠性，即提供空间分集增益。但 是这两种增益是一对矛盾体，提高其中的任何一个都会削弱另外一个，所以现 在常用的方式是在采用空间复用的系统中尽力提高系统性能，或者在采用空间 分集的系统中尽量提高系统容量，此外还有许多学者研究两种增益进行折衷的 m i m o 系统，但是系统比较复杂。本文研究在采用空间分集策略的m i m o 系统 中尽量提高系统容量的资源分配算法。 空 疗 聋 筮 咖 谗 螺 1 谣 2 0 0 1 1 1 4 0 天线数目m 图2 4 系统吞吐量随天线数目和信噪比的变化 2 2 3m l m 0 - 0 f d m 信道模型 m i m o 技术通过在收发两端都设置多副天线实现多发多收，充分利用了空 间信道资源，提高了系统的容量，或者在收发两端采用分集技术来提高系统传 输的可靠性。但是对于m i m o 技术的大多数研究结果都是基于无线传输信道是 平坦衰落的，而在实际的通信过程中，无线通信信道往往会受到多径衰落的影 响，m i m o 技术就仍然无能为力，所得到的关于m i m o 的一些结论就不实用了， 而o f d m 技术正好可以将无线传输信道的频率选择性衰落转化为平坦衰落，因 此，将m i m o 技术与o f d m 技术结合起来，就避免了m i m o 技术在实际通信 中不实用的尴尬。 图2 5 是m i m o o f d m 系统的典型模型。 2m i m o 0 f i ) m 系统的基本原理 发 送 数 据 接 收 数 据 图2 5m l m o o f d m 系统模型 通过对o f d m 和m i m o 的介绍，其实m i m o o f d m 技术最简单的合并方 式就是在每个o f d m 子载波上分别进行m i m o 传输。这样的话对于单用户 m i m o o f d m 系统来说，它其实可以等效为m 个空间独立并行的单输入输出的 o f d m 系统( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t - o f d m ，s i s o o f d m ) ，而每个 s i s o o f d m 系统在频域可以等效为n ( 子载波数) 个独立的子信道，其中 m m i n ( m ，m ，) 。 m i m o 与o f d m 结合后，可以用多种多址技术构成多用户系统。在多用户 m i m o o f d m 系统中，无线资源是有限的、宝贵的，对它们进行合理的分配和 选择是无线资源分配算法研究的重要内容。文章的下面部分将介绍多用户 m i m o o f d m 系统中的无线资源分配算法。 1 4 3 多用户m i m o o f d m 系统的无线资源分配 3 多用户m im o - o f d m 系统的无线资源分配 3 1 引言 在4 g 通信系统中，m i m o o f d m 是最受欢迎的空中架构之一。虽然 m i m o o f d m 技术在不需要增加额外的带宽和发射功率的情况下