（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统自适应资源分配算法研究.pdf

摘要 摘要 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 ) 技术有频谱利用率高和抗多径衰落等优点，已被 公认为第三代移动通信系统长期演进标准及第四代移动通信系统的核心技术，而m i m o ( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 技术可以大大增加无线通信系统的容量，并改善无线通信系统的性能，非常适合未来移 动通信系统中高速率业务的要求。在m i m o o f d m 系统中，不同的子信道经历着不同的频率选择性衰 落，因此有不同的传输能力，所以需要有效的资源分配方案来更好地利用信道资源并满足不同业务的需 求。本文从r a ( r a t e a d a p t i v e ) 和m a ( m a r g i na d a p t i v e ) 两种优化准则对m i m o o f d m 系统中的自适 应资源分配算法进行了研究，全文的主要工作如下： ( 1 ) 总结了前人在m l m o o f d m 系统自适应资源分配算法方面已有的研究成果，提出了几种常见 的资源分配优化准则分类，最后根据这些准则对单用户和多用户系统中常见的资源分配算法进行了研究。 ( 2 ) 对m i m o o f d m 单小区系统中的上行自适应资源分配问题进行了研究。针对多用户系统中的 m a 优化问题，提出了改进的y u 算法和a v e r s n r 算法，其中y u 改进算法考虑了用户间的公平性和实际 系统中的调制阶数限制，使算法更符合实际应用；而a v e r s n r 算法改进了b a b sa c g 算法存在的不足 之处，通过用户间子载波的调整，使子载波分配的结果更符合实际情况，同时进一步降低了功率。 ( 3 ) 对m i m o o f d m 系统中的基于r a 优化问题进行了研究。提出了一种上行跨层自适应分配方法， 在该方法中针对前人在调度优先级方面存在的不足之处，提出了一种改进的调度优先级度量表达式；然 后根据该调度优先级，每次调度一个用户给它分配子载波，直到用户数据发送完毕或子载波分配完毕。 在该算法的功率和比特分配阶段，我们利用了注水定理的一个简化形式进行分配，同时在比特的分配过 程中采用了离散值，使算法便于实际应用。 关键词：正交频分复用，多输入多输出，自适应资源分配，跨层，调度，实时业务，速率自适应，余 量自适应 a b s t r a c t a b s t r a c t o f d mh a sb e e ni d e n t i f i e da st h ec o r et e c h n o l o g yi nl t ea n d4 gf o ri t sh i 曲s p e c t r a le f f i c i e n c ya n da b i l i t yi n m i t i g a t i n gt h ee f f e c t so fm u l t i p a t hc h a n n e lp r o p a g a t i o n a n dt h em i m ot e c h n o l o g y , w h i c hc a ng r e a t l yi n c r e a s e t h ec a p a c i t ya n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , i sv e r ys u i t a b l ef o rf u t u r e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fh i 曲r a t et r a f f i c i nm i m o - o f d ms y s t e m s ，d i f f e r e n ts u b c h a n n e l sh a v e d i f f e r e n ta b i l i t yt oc a t t yb i t ，s ow en e e da ne f f e c t i v er e s o u r c e sa l l o c a t i o nt e c h n o l o g yi no r d e rt oa l l o c a t eb i t ， s u b c h a n n e l s ，a n dp o w e rm o r ee f f e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e so ft h es e r v i c e s i nt h i sp a p e r , t h ea d a p t i v e r e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m sf o rm i m o o f d ms y s t e m sa l es t u d i e d0 1 1t h e s et w oo p t i m i z a t i o nc r i t e r i o n s ：r a t e a d a p t i v e ( r a ) a n dm a r g i na d a p t i v ef m a ) t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t so fa d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ni nm i m o o f d ms y s t e ma r es u m m a r i z e d ， i n c l u d i n gt h ec o m n l o no p t i m i z a t i o nr u l e sa n dt h er e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e s i nb o t hs i n g l e - u s e ra n d m u l t i p l e - u s e rs y s t e m s ( 2 ) t h eu p l i n ka d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o no fm i m o o f d ms y s t e m si nas i n g l ec e l li ss t u d i e d t h e i m p r o v e dy ua l g o r i t h ma n da v e r s n ra l g o r i t h ma l ep r o p o s e df o rt h em ao p t i m i z a t i o np r o b l e mi nm u l t i - u s e r s y s t e m s t h ei m p r o v e dy ua l g o r i t h mc o n s i d e r st h ef a i m e s sb e t w e e nu s e 璐a n dt h em o d u l a t i o no r d e rl i m i ti n p r a c t i c a ls y s t e m ，w h i l et h ea v e r s n ra l g o r i t h mi m p r o v e st h ed e f i c i e n c i e so fb a b s _ a c ga l g o r i t h mt h r o u g h t h es u b - c a r r i e r sa d j u s t m e n tb e t w e e nu s e r s t h es u b - c a r r i e r sr e a d j u s t m e n tm a k e st h es u b c a r r i e ra l l o c a t i o nm o r e p r a c t i c a la n df u r t h e rr e d u c e st h ep o w e r ( 3 ) t h er ao p t i m i z a t i o np r o b l e mo fm i m o - o f d ms y s t e m si ss t u d i e d w ep r o p o s e dan e wu p l i n k c t o s s - l a y e ra d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o nm e t h o d ，w h e r ew ep u tf o r w a r da ni m p r o v e ds c h e d u l ep r i o r i t y m e a s u r i n ge x p r e s s i o n sf o rt h ed e f i c i e n c i e so ff o r m e rs c h e d u l ep r i o r i t y t h e na c c o r d i n gt ot h ep r i o r i t y , o n eu s e r e v e r yt i m ei ss c h e d u l e dt ob ea l l o c a t e ds u b c a r r i e r su n t i lt h eu s e r sd a t ao rt h es u b - c a r r i e r si se m p t y d u r i n gt h e p o w e ra n db i ta l l o c a t i o n ，w eu s eas i m p l i f i e df o r mo fw a t e r - f i l l i n gt oa l l o c a t ep o w e ra n db i t m e a n t i m e ，i nt h e p r o c e s so fb i ta l l o c a t i o n ，w ea d o p tt h ed i s c r e t ev a l u e sw h i c hi sf e a s i b l ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：o f d m ，m i m o ，a d a p t i v er c s o u r c ca l l o c a t i o n ，c r o s sl a y e r , s c h e d u l e ，r e a l t i m es e r v i c e ， r a ，m a i ! i 插图目录 插图目录 图1 1m i m o 系统原理图2 图1 2o f d m 系统基本模型3 图1 - 3o f d m 系统各个子载波的频谱3 图1 4 基于f t f 1 丌的o f d m 系统模型4 图1 5m i m o o f d m 系统基本框图5 图2 1 注水算法示意图1 3 图3 1 多用户m i m o - o f d m 系统模型2 3 图3 - 2 算法流程图2 5 图3 3 求边际效用流程图2 6 图3 4 为每个用户先分配一个子载波2 7 图3 5 计算每个用户最好子载波的边际效用2 8 图3 - 6 为用户分配所需子载波。2 9 图3 7 分配剩余子载波给相应用户3 0 图3 8 某个用户的子载波信道增益图3 4 图3 - 9 改进y u 算法各子载波分配到的比特数3 4 图3 1 0y u 算法各子载波分配到的比特数3 5 图3 1 1 算法所需的信噪比随用户数的变化关系3 5 图3 1 2 算法所需时间随用户数的变化关系3 6 图3 1 3 算法所需信噪比随比特数的变化关系j 3 6 图3 一1 4 算法所需时间随比特数的变化关系3 7 图3 1 5 算法所需信嗓比随子载波数的变化关系3 7 图3 1 6 算法所需时间随子载波数的变化关系3 8 图3 1 7 比特数为4 0 时各用户的调整次数。3 8 图3 1 8 比特数为9 0 时各用户的调整次数3 9 图4 1m 玎v i o o f 【) m 跨层分配系统模型4 2 图4 2 跨层自适应分配算法流程图4 7 图4 3 视频流业务模型4 8 图4 4 视频流业务分组包的分布4 9 图4 5 无业务条件下系统吞吐量随用户数的变化关系5 l 图4 - 6 有业务条件下系统吞吐量随较少用户数的变化关系5 1 图4 7 有业务条件下系统吞吐量随较多用户数的变化关系5 2 v l l 表格目录 表4 1 视频流业务模型参数 表4 2 系统仿真参数 表格目录 i x 英文缩略词 a m c b e r b s b p s k c d e d d c d m a c q i c s i d f r d s e d f e v d m d f d m a f e r i d f r p i s i u m a m a c m a x c i m c s m i m o m 啪f m r c m s o f d m p d p p f p s k q a m q s i o f d m o f d m a q o s q p s k o s i p d f r a s n r s 蹦r 英文缩略词 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g b i te r r o rr a t e b a s es t a t i o n b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c h a n n e ld e p e n d e n te a r l i e s td e a d l i n ed u e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n d e l a ys p r e a d e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t e i g e n v a l u ed e c o m p o s i t i o n f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 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 f r a m ee r r o rr a t c i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r a c tp r o t o c o l i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e e o m m u n i c a t i o mu i l i o n m a r g i na d p a t i v e m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a x i m u mc a r r i e r - t o i n t e r f e r e n c er a t e m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m o d i f i e dl a r g e s tw 西g h t e dd e l a yf i r s t m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g m o b i l es t a t i o n 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 p o w e rd e l a yp r o f i l e p r o p o r t i o n a lf a i r p h a s es h i rk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u e u es t a t ei n f o r m a t i o n 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 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 xa c c e s s q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i t tk e y i n g o p e ns y s t e m si n t e r c o r m e c t i o n p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n r a t ea d p a t i v e s i g n a lt on o i s er a t e s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o x l 自适应调制编码 误比特率 基站 二进制移相键控 信道依赖生存截止时间 码分多址 信道质量指示器 信道状态信息 离散傅里叶变换 时延扩展 生存截止时间最早优先 特征值分解 频分双工 频分多址 误帧率 离散傅里叶逆变换 网际协议 码间干扰 国际电信联盟 边际自适应 媒体接入控制 最大载干比 调制编码方式 多输入多输出 修正最大权重时延优先 最大比合并 移动台 正交频分复用 功率时延谱 比例公平 相移监控 正交幅度调制 队列状态信息 正交频分复用 正交频分复用多址 服务质量 正交相移键控 开放系统互联 概率密度函数 速率自适应 信号噪声比 信号干扰噪声比 东南大学硕士学位论文 s i s 0 s v d t d d s i n g l eh a p u ts i n g l eo u t p u t s i n g u l a rd e c o m p o s i t i o n t i m ed i v i s i o nd u p l e x x u 单入单出 奇异值分解 时分双工 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： j 牡日期：灿厂 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 豸至圭 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 o f d m 技术有频谱利用率高和抗多径衰落等优点，已被公认为第三代移动通信系统长期演进标准及 第四代移动通信系统的核心技术，而m i m o 技术可以大大增加无线通信系统的容量，并改善无线通信系 统的性能，非常适合未来移动通信系统中高速率业务的要求。因此把m i m o 和o f d m 技术结合起来不 仅可以提供更高的数据传输速率，而且可以通过分集达到较强的可靠性。 本章首先简要介绍了m i m o 技术的一些概念，然后对o f d m 技术原理进行了概述，最后对 m i m o - o f d m 系统中的资源分配策略进行简要介绍。 1 1 m i m o 技术简介 m i m o 技术最早由m a r k o n i 于1 9 0 8 年提出，是第三代和未来移动通信系统实现高数据速率、高系 统容量、提高传输质量的重要途径。已经证明，m i m o 技术能够在不增加带宽和天线发射功率的情况下 成倍地提高系统容量和频谱利用率1 】【2 1 。m i m o 技术跚4 1 指的是利用多发射、多接收天线进行无线传输的 技术。在多天线传输模型下，信遭在时闻域和频率域都没有弓i 入冗余度，但是信号被赋予了一定的空间 结构，由此可实现频谱利用率的成倍提高。如果假设接收端有理想的信道信息( 通过导频或训练序列进 行信道估计得到) ，则无线信道容量将随着天线数量的增大而线性增长。 m i m o 技术的优点体现在：极高的频谱效率、可靠性。但m i m o 技术实际上是一种窄带传输技术。 仅靠m i m o 技术能支持的传输速率有限要进一步提高传输速率，必须增加带宽。但又要满足m i m o 技术对时延扩展可忽略这一假设，因此m i m o 技术必须结合其它技术，如o f d m 技术等。 未来宽带无线通信系统所要面临的另一个挑战是多径衰落，而多径衰落通常会引起衰落，这在普通 的通信系统中是非常不利的。但对于m i m o 系统来说，多径却可以成为一个有利因素加以利用，m i m o 技术能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，它能够在不 增加所占的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。图1 1 所示为m i m o 系统的原理图。 m i m o 系统在发送端和接收端使用多根天线，在发送端串行数据符号流经过些必要的空时处理后被天 线进行发射，在接收端通过各种检测技术进行数据符号的恢复。通常为了保证各个子数据符号流能够有 效分离，各个天线之间必须保持足够大的距离( 通常要求半个载波波长以上) ，以防止接收信道间过大的 相关性。由于各子数据符号流同时发送到信道，他们共用统一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收 天线间的信道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道，通过这些并行空间信道独立地传 输数据符号，数据率必然可以提高。 东南大学硕士学位论文 1 2 o f d m 技术原理 ， j i 日：h l ： l 。引 图1 1m i m o 系统原理图 o f d m 技术是对多载波调制的一种改进i s ，它既是一种调制技术，又是一种复用技术。o f d m 技术 的主要思想是在频域内将给定信道分割成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行传输， 并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道在频域上是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是每个 子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相干带宽，因此可 以大大消除子载波间的干扰。 图1 2 给出了o f d m 系统的框图，一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号， 其中每个子载波都可以受到相移键控( p h a s es h i f tk e y i n g ，p s k ) 或者正交幅度调制( q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n 。q a m ) 符号的调制。假设子载波总数为，一个o f d m 符号的持续时间为丁， z ( f = 0 ，1 ，2 ，n - 1 ) 表示第f 个子载波上传输的数据符号，第f 个子载波上的中心频率为 彳= 正+ f 丁( f = o ，1 ，2 ，n - 1 ) ，设矩形脉冲成形函数为 脚心，= 三篆 则起始时间为t s 的o f d m 符号等效亟待信号可以表示为： 工o ，：篓置旭c ，( ，一一三) e x p - ，2 万事。一， t s t t s + t 。2 ， 【0 t t ，+ t 2 胁坳：伽 第1 章绪论 图1 2o f d m 系统基本模型 o f d m 系统中子载波间的正交性体现在： 专r e x p c 歹2 刀厶de x p ( - j 2 r c 五r ，以= 器j ：z i ： ( 1 3 ) 立= ；f j + 7 e x p 一2 万生t 。一， 篓。之鼢巾 ，2 万砉。一， 出 。4 ， = f 1 缶n - i 五f i + r e x p j 2 万学c ，卜以 一 可以看到，对第七个子载波进行解调，可以正确地恢复出期望信号五 图1 - 3o f d m 系统各个子载波的频谱 子载波间的正交性还可以从频谱的角度理解。每个o f d m 符号在周期t 内包括多个子载波，其频谱 可以看做是周期为r 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值 为s i n c ( n f ) 函数，这种函数的零点出现在l r 的整数倍上，如图l 一3 所示。每个子载波频谱的最大值 3 东南大学硕士学位论文 处，所有其他子载波的频谱值恰好为0 ，因此可以在解调时从多个相互重叠的子载波符号中提取出各子 载波符号，而不会受到其它子载波的干扰。由于子载波的频谱相互重叠，因此大大提高了频谱利用率。 o f d m 系统的另一个优点是可以利用d f t 及其反变换来实现调制和解调，从而箍化系统实现的复 杂度，并且可以利用f f t 及其反变换进一步简化运算，提高运算效率。为了叙述简洁，令f 。= 0 ，对信 号x ( f ) 以叫为周期进行抽样则可以得到： 一rn)=n-1枷p(，警)，o_k_n-1(krn) z ；z i t c i f f i 0 v 札= x = ze x p l ，百i ， ( 1 5 ) 可以看出等效为对墨进行i d f t 运算。同样，在接收端- 为了恢复出原始的数据符号鼍，可以对五 进行d f t 变换： 五= 专篓懈p ( 一- ，等) ，o o ，讹 f c 3 ：级，包州= r ，y k 其中，c i 给出了子载波分配的准则，c 2 给出了比特数和功率之间的对应关系，c 3 给出了用户速率约柬 2 1 2 r a 优化准则 假设给定用户的功率约束为：只，k 1 ，2 ，柳。为简化起见，假设每个等效子信道的目标误码率 相同，则r a 准则的数学模型表示如下： 。m a 。x 反凡