（通信与信息系统专业论文）ofdma系统中联合资源分配算法研究.pdf

o f d m a 系统中联合资源分配算法研究 摘要 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰 落信道和频率效率。由于正交频分复用( o f d m ) 技术在抗多径衰落 和高速传输等方面的强大优势，使该技术成为第四代移动通信的一个 关键技术。而在该技术基础上发展出的正交频分多址( o f m d a ) ，也 成为目前无线接入技术的研究重点之一。因此基于o f d m a 系统的资 源分配成为目前第四代移动通信研究的一个热点话题。 无线通信系统中，可利用的资源主要为频率资源和功率资源等。 所谓资源分配算法，就是要合理利用这些资源，根据优化目标，达到 系统的吞吐量要求或服务质量( q o s ) 要求。而联合资源分配算法， 就是指在资源分配过程中，同时考虑子信道的分配和功率的分配。 本文首先分析了课题的研究背景，并介绍了o f d m 相关技术， 之后简单介绍了适用于0 f d m a 系统的系统级仿真平台的总体设计。 在接下来的第三和第四章节中详细论述了本文完成的主要工作，本文 以基于o f d m a 系统的自适应资源分配算法为主线，分别深入研究了 单小区( 单基站) 及多小区( 多基站) 两种环境下的资源分配算法。 在第三章中首先介绍了几种经典的单小区算法，在此基础上提出 了一种新的满足多用户多业务服务质量( 0 0 s ) 需求的资源分配算法。 该算法主要依据不同业务的o o s 要求，构建有利于自身需求的效用 函数。仿真结果表明，该算法可以较好的满足用户对不同业务的o o s 需求。 在第四章中研究了多小区环境下的资源分配算法。考虑到多小区 系统中，公平性对整体性能指标的影响，在深入研究了目前比较常见 的几种多小区算法的基础上，提出一种用于改善系统公平性的联合资 源分配算法。该算法通过采用不等式的平均值定理，利用相邻小区同 频子信道问信干比( s i n r ) 的差异，来协调同频子信道间的干扰， 达到提升系统整体公平性，同时兼顾系统整体吞吐量的目的。其后， 考虑到实际应用，以该算法为基础，在计算信干比的过程中通过近似 i i i 北京邮电大学硕，卜学位论文 简化，提出了一种改进的简化算法，在保证算法效果的前提下，极大 地减少了系统的反馈量和算法计算的复杂度。通过分析和仿真结果表 明，这两个算法均达到了提升系统的公平性的目的。 关键词：正交频分复用；正交频分多址；自适应资源分配；效用函数； 干扰协调 i v 北京邮电人学硕士学位论文 r e s e a r c h0 nj o i n tr e s o u r c ea l l o c a n 0 n a l g o r i t h m si no f d m as y s t e m s a b s t r a c t i nt h ef u t u r 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 ，i te x i s t e d t w om o s tc r i t i c a lc h a l l e n g e s ：m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e la n df r e q u e n c y e f f i c i e n c y o 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 o l o g yh a de n o r m o u sa d v a n t a g ei n t h ea n t i m u l t i p a t hf a d i n ga n d h i g h s p e e dt r a n s m i s s i o n ，i tm a d et h et e c h n o l o g ya sak e yt e c h n o l o g yo f t h ef o u r t h g e n e r a t i o nm o b i l et e c h n o l o g y o 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 ea c c e s s ( o f d m a ) b a s e d o no f d ma l s ob e c a m ear e s e a r c hp o i n t i nw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g yr e s e a r c h t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c h o f r e s o u r c ea l l o c a t i o nb a s e do no f d m ab e c a m ea sah o tt o p i ci nt h es t u d y o ft h ec u r r e n tf o u r t h 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 n s t h ea v a i l a b l er e s o u r c e so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sa r e m a i n l yf r e q u e n c yr e s o u r c e sa n dp o w e rr e s o u r c e s r e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mi s t om a k er a t i o n a lu s eo ft h e s er e s o u r c e s ，a c c o r d i n gt ot h e o p t i m i z e do b j e c tt o a c h i e v et h r o u g h p u tp u r p o s eo rt om e e tq u a l i t yo f s e r v i c e ( o o s ) r e q u i r e m e n t s j o i n tr e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h mt a k e s i n t oa c c o u n tt h ed i s t r i b u t i o no fs u b c h a n n e l sa n dt h ed i s t r i b u t i o no fp o w e r i nt h ep r o c e s so fr e s o u r c e sa l l o c a t i o n t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h er e l a t i v e t e c h n o l o g i e so fo f d m ，a n dt h e ni tb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ed e s i g no f o f d ms y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r m n e x ti nt h et h i r da n df o u r t h c h a p t e r so ft h i sp a p e rd i s c u s s e di nd e t a i lt h em a j o rw o r kc o m p l e t e d ，t h e p a p e rm a i n l yr e s e a r c h so na d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m si nt h e s i n g l e c e l l ( s i n g l e b a s es t a t i o n ) a n dm u l t i c e l l ( m u l t ib a s es t a t i o n ) s y s t e m s v 北京邮电人学硕上学位论文 i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e ds e v e r a lc l a s s i c s i n g l e c e l la l g o r i t h m s ，a n dt h e ni tp r o p o s e dan e wr e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h m t om e e tt h eq o sr e q u i r e m e n t si nm u l t i u s e rm u l t i t r a f f i c s y s t e m s t h ea l g o r i t h mm a i n l yb u i l tt h ec o s tf u n c t i o n sa c c o r d i n gt oi t s o w nr e q u i r e m e n tb a s e do nt h eq o sr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tt r a f f i c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e a l g o r i t h m c a nm e e tu s e r s q o s r e q u i r e m n t so fd i f f e r e n tt r a f f i c s i nt h e f o u r t h c h a p t e r ，t h ep a p e rm a i n l y r e s e a r c h e dr e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h mi no f d m am u l t i c e l ls y s t e m t h ef a i r n e s so ft h e p e r f o r m a n c ei s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d i c a t o r si nt h em u l t i c e l l s y s t e m b a s e do ni n d e p t hs t u d y o ft h ec u r r e n ts e v e r a lc o m m o n a l g o r i t h m s ，t h ep a p e rp r o p o s e dan e wm u l t i c e l lj o i n tr e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mt oi m p r o v et h ef a i r n e s sp e r f o r m a n c e t h ea l g o r i t h mu s e dt h e t h e o r e mo ft h e i n e q u a l i t ym e a n ， i n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o ( s i n r ) ， a n dt h ed i f f e r e n c eo f s i g n a l t o t oc o o r d i n a t et h ei n t e r f e r e n c eo ft h e c o s u b c h a n n e l so fa d ja c e n tc e l l s t h ea l g o r i t h mc o u l di m p r o v et h e f a i r n e s so ft h ep e r f o r m a n c e ，a n de n s u r et h et h r o u g h p u to ft h es y s t e m s u b s e q u e n t l y , t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea c t u a la p p l i c a t i o n st ot h ea l g o r i t h m ， t h e p a p e rp r o p o s e d a s i m p l i f y i n ga p p r o x i m a t i o n t h es i m p l i f i e d a l g o r i t h mc o u l dg r e a t l yr e d u c dt h ev o l u m eo ft h ef e e d b a c ks y s t e ma n d t h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m 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 e s e t w oa l g o r i t h m sh a v ei m p r o v e dt h ef a i r n e s so ft h es y s t e m k e yw o r d ：o 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 ) ； o 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 a c c e s s ( 0 f d m a ) ；a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o n ；c o s tf u n c t i o n ； i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n v i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 英文缩写 3 g p p a d s l a w g n b e r b s c b t s c d m a c p c q i c s i d a b d f r d v b e p f d m a f f t i c i l e e e i f f t i m t - 2 0 0 0 i t u i s i l t e m 。l w d f m b w a m i m o m u d 缩略语表 英文全拼 t h et h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp l a n a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r b a s et h n c e i v e rs t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cp r e f i x 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 g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f c i f m d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g e q u a lp o w e r 中文 第三代合作计划 非对称数字用户环线 加性高斯白噪声 误码率 基站控制器 基站收发信机 码分多址 循环前缀 信道质量指示 信道状态信息 数字音频广播 离散傅里叶变换 数字视频广播 等功率 e l e c r o n i c sa n dt e l e c 。m m u n i c a i 。n r e s e a r c h 韩国电子通信研究所 i n s t i t u t e 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 频分多址技术 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅立叶变换 i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e信道问干扰 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s 电气与电子工程师协会 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶反变换 i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 国际移动通信2 0 0 0 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n国际电讯联盟 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e 码间干扰 l o n gt e r me v o l u t i o n 长期演进 m o d i f i e dl a r g e s tw e i g h t e dd e l a yf i r s t 改进的最大权重延迟优先 m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s 移动宽带无线接入 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 多输入多输出 m u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n 多用户检测 北京邮电人学硕上研究生学位论文 m i t f o f c d m o f d m o f d m a p a p r p f p s k p s t n q a m q o s r n c s d m a s d r s i n r t d m a r n v d s l w i m a x w w r f m o b i l ei tf o r u m移动信息技术论坛 o n h 。g 。n a lf r e q u e n c y a n dc 。d e d i v i s i o n 正交频率码分复用 m u l t i p l e x i n g 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 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 p e a ka v e r a g ep o w e rr a t e p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s p h a s es h i f tk e y i n g p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 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 a l i t yo fs e r v i c e r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l v e r y - h i 曲- b i t r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v e a c c e s s w i r e l e s s 助】r i dr e s e a r c hf o r u m 5 5 正交频分复用 正交频分多址接入 峰值平均功率比 比例公平 相移键控 公共交换电话网络 正交幅度调制 服务质量 无线网络控制器 空分多址 软件无线电 信干比 时分多址技术 发送时间间隔 甚高速数字用户环线 微波存取全球互通 世界无线研究论坛 北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：哆i 智垒日期：璺! ! 竺：三：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保 密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：协日期：业9f 导师繇崮盎堇导师签名：么剽z 脸兰 王1 日期：2 1 1 罗：呈! 兰6 ： 北京邮电大学顾十研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在经济高速发展的带动下，移动通信得到了突飞猛进的发展，成为一个大规 模生产的行业。在短短的二十几年里，移动通信在中国的发展就经历了第一代 ( 1 g ) 模拟通信、第二代( 2 g ) 数字通信和目前即将进入商用的第三代( 3 g ) 宽带数据通信。3 g 时代是个人移动通信的快速成长期。移动通信不再是一个孤 立的系统，而是开放式的。传统的移动通信方式将与开放的因特网融合。各个国 家和地区的移动通信网将融合为一个整体。除了传统的语音业务外，更多的将是 数据和多媒体业务。 随着3 g 标准的成熟，人们逐渐将注意力集中在对未来的无线通信系统的研 究上来。而有关新一代无线通信系统的名称目前尚不统一，有4 g 、b e y o n d3 g ( b 3 g ) 、b e y o n di m t - 2 0 0 0 、l t e 等多种。新一代移动通信系统是以人为中心的 系统( u s e rc e n t r i cs y s t e m ) ，以满足人的个性需求为中心，针对不同的业务需求 和环境，选择不同的系统，作到真正的任何人( a n yp e o p l e ) 在任何时问( a n y t i m e ) 、 任何地点( a n y w h e r e ) 、任何业务种类( a n ys e r v i c e ) 的( a a a a ) 自由通信。 为了实现这一要求，根据i t u r 的设想，新一代移动通信系统的空中接口提供 的传输速率将高达1 0 0 m b s - 1 g b s ，相应的信道带宽也会拓展到2 0 m h z 、5 0 m h z 或1 0 0 m h z 。 1 2 第四代移动通信的标准化进展 根据无线通信每1 0 年发展一代的特点，新一代移动通信系统的到来将指日 可待。目前对第四代移动通信系统研究最为积极的地区和国家当属欧盟，美国， 东亚的只本、韩国和中国。欧盟的研究工作主要包括欧盟信息技术协会第5 框架 和第6 框架研究计划下的多个研究项目以及世界无线研究论坛( w w r f ) 的工 作。美国对4 g 的研究比较分散，主要体现在美国电气与电子工程师协会( m e e ) 主办的各种会议和研讨会上发表的有关4 g 系统的报导。同本的4 g 系统研究机 构主要有移动信息技术论坛( m l t f ) 、同本通信技术研究所( c r l ) 和n t t 北京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 d o c o m o 公司。目前，n 丌d o c o m o 公司的4 g 研究工作非常引人瞩目，他们提 出了基于正交频率码分复用( o f c d m ) 技术具有可变扩频因子的4 g 系统实现 方案，并于2 0 0 2 年1 0 月推出了下行链路速率为1 0 0 m b i t s 、上行链路速率为 2 0 m b i t s 的实验系统。在韩国，对4 g 移动通信系统的研究工作主要由韩国电子 通信研究所( e t r l ) 来承担，目前，e t r i 已经确定了4 g 系统的远景目标和研 究时间表，并与国内外的大学和研究机构密切协作，全力推动4 g 系统的标准化 工作。在中国，2 0 0 1 年启动的“十五”8 6 3 重大研究计划项目中专门设立了面向 4 g 的f u t u r e 计划，该计划的研究目标是在新技术产生的初期，对国际主流核 心技术的发展以及知识产权的形成有所贡献，实现移动通信技术跨越式发展，开 展高技术研究和实验，侧重于可实现性的关键技术开发与演示，并于2 0 0 5 年底 进行关键技术的演示。 1 9 9 9 年1 1 月，i t u r 在完成了3 g 标准i m t 2 0 0 0 的同时成立了一个新的工 作机构w p 8 f 。w p 8 f 的工作包括两部分：一是负责现有3 g 系统的进一步发展， 指定增强型3 g 系统( 3 5 g ) 的标准；二是制定新的4 g 系统的标准。为了适应 无线通信技术发展的需要，到2 0 1 0 年左右需要一个新的无线接入标准，即4 g 无线通信系统，作为3 5 g 系统的补充。该4 g 无线通信系统的峰值传输速率在 用户高速移动时可达到1 0 0 m b i t s ，在用户静止或低速移动时峰值传输速率可达 到1 g b i t s 。图1 - 1 为i t u r 给出的现有3 g 、3 5 g 和4 g 无线系统支持的数据传 输能力与移动性之间的关系。未来的4 g 网络将包括现有和未来的各种无线接入 系统，这些无线接入系统通过分组核心网络连接在一起，无线用户根据各自的具 体情况( 如终端类型、所处位置等) 最佳地、随时随地地接入网络，获得所需要 的服务，并且用户可以在所有无线接入网络之间自由切换，而不需要关注每种网 络的不同的工作机制。 车速+ 6 0 3 0 0 k r r g h ， 步行 峰值数据速率m b i t s 图1 - 14 g 无线系统支持的数据传输速率 2 北京邮电人学硕上研究生学位论文第一章绪论 1 3 第四代移动通信中的关键技术 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带 宽效率。因此，在第四代移动通信系统中，将采用正交频分复用( o f d m ) 【、 全i p ( a 1 1 i p ) 网络【2 l 、软件无线电( s d r ) l 引、智能天线【4 】和m i m o 技术【5 】以及 多用户检测( m u d ) 技术【6 1 等关键技术来解决上述问题。 1 3 1o f i ) m 技术 正交频分复用( o f d m ) 是第四代移动通信中多载波传输方案的主要实现方 式之一，在此基础上发展起来的正交频分多址接入( o f d m a ) ，也是目前4 g 中 重点关注的多址方式之一。 o f d m 技术把要传输的高速串行数据分解成若干个较低速率的并行子数据 流，然后再把它们调制到相互正交的子载频上，最后合成传输到接收端。由于这 些子载波是相互正交的，之间没有保护间隔并且频谱重叠，因此可以节省频谱资 源，提高频谱利用率。另外，信号分解后并行子数据流的码元周期变长，只要时 延扩展与码元周期之t l d , 于一定数值，系统就不会受多径干扰引起的的码间干扰 ( i s i ) 的影响。 当然，o f d m 技术也存在一定的缺点。由于该技术对系统定时和频率偏移 敏感，因此定时的偏移和频率的偏移都会使o f d m 各个子载波之间的正交恶化， 从而带来i s i 。另一方面，该技术较大的功率峰均比( p a r r ) 也是在应用中不得 不考虑的因素之一。 但是，和传统的均衡器相比，采用该技术构成的设备，结构简单，可以大大 降低成本，且在实际应用中非常灵活。因此，o f d m 对于高速数字通信是一种 非常有潜力的技术。 1 3 2a 1 1 1 i p 网络 第四代移动通信中，很可能采用一个基于全i p 的网络作为核心网。创1 i p 网络能够提供端到端的i p 业务，并且能同已有的核心网p s t n 共存；全i p 的核 心网将具有开放的结构，从而允许各种空中接口接入；同时，也将能把业务、控 制和传输等分开。 一个简化的全i p 网如图1 2 所示，r n c 和b s c 的功能被转移到b t s 和一 系列的服务器和网关中来实现，这也是与2 0 和3 g 网的最大区别。 3 北京邮电人学硕上研究生学位论文 第一章绪论 1 3 3 软件无线电技术 图1 2 全i p 网示意 软件无线电是把标准化、模块化的硬件功能单元，利用软件加载方式来实现 各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。该技术的核心思想 是利用宽带的a d 、d ，a 变换器尽可能的靠近天线，从而使通信电台的功能尽可 能的采用编程软件实现。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同 的功能。 在4 g 系统中，软件无线电可以用来实现智能天线、同步检测、载波恢复和 和各种基带信号处理的功能模块，使系统能够便于升级，更好的适应环境。 1 3 4 智能天线和m i m o 技术 智能天线采用了空分多址( s d m a ) 技术和自适应天线技术，具有抑制信号 干扰、自动跟踪以及数字波束调节等功能。该技术的基本原理是利用现代数字信 号处理技术，选择合适的自适应算法，产生空间定向波束，使天线主波束对准用 户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信 号并消除或抑制干扰信号的目的。 多输入多输出( m i m o ) 技术是利用多发射、多接收天线进行空间分集的技 术，采用的是分立式多天线，能够有效的将通过链路分解成许多并行的子信道， 达到增加容量的目的。 1 3 5 多用户检测技术 4 g 系统的终端和基站将用到多用户检测技术以提高系统的容量。该技术的 基本思想是：把同时占用某个信道的所有用户或某些用户的信号都当作有用信 4 北京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 号，而不是作为干扰信号处理，利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位 等信息联合检测单个用户的信号，即综合利用各种信息及信号处理手段，对接收 信号进行处理，从而达到对多用户信号的最佳联合检测。该技术在传统的检测技 术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行 检测，从而具有良好的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控 制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。 1 4 课题的提出 本课题的研究工作是基于北京邮电大学通信网络综合技术研究所的华为科 技基会项目：o f d m 0 f d m a 系统中多小区联合资源分配、调度算法研究。 在移动通信系统中，由于物理资源的有限性，为了充分利用系统资源、保证 用户的传输质量，需要对无线资源进行合理的分配与调度。o f d m 技术以其良 好的抗多径干扰能力和更高的频谱利用率成为未来宽带无线接入系统的首选物 理层技术，目前它在3 g p pl t e ( e 3 g b 3 g ) 、无线局域网、w i m a x 标准 ( i e e e s 0 2 1 6 s e r i a l ) 、m b w a ( e e 8 0 2 2 0 ) 等领域中都得到了广泛的应用。以 o f d m 技术为基础的未来移动通信系统中，最有可能采用的接入技术就是 o f d m a 技术。在o f d m a 系统中，除了频率、时隙、功率这些传统移动通信系 统所共有的无线资源之外，子载波( 子信道) 成为系统的重要资源。因此需要根 据o f d m a 系统特点，研究适用于o f d m a 系统的无线资源分配、调度算法。 o f d m a 系统中的资源分配，主要是根据当前小区内各个用户的信道状况， 实现对功率、子载波等资源的联合最优分配。在o f d m a 系统中，子载波的分 配对于系统的性能具有非常重要的影响，合理地分配子载波能够降低系统的误比 特率和所需的发射功率，提高频谱利用率，增加系统容量或总的数据传输速率。 因而，对资源分配方式的研究对于多用户通信系统来说具有重要的意义。目前关 于子载波、功率分配方法的研究都是基于自适应机制的，即自适应资源分配机制， 该机制可以在分配过程中根据信道状态灵活调整资源的分配状况，达到资源的最 优分配。 o f d m a 系统的主要特征之一是多用户和大量的实时、非实时分组数据业 务。因为不同用户有不同q o s 参数，如数据速率、时延等，一个基站内所有用 户速率总和往往会超过基站拥有频带所能传输的信道容量，因此必须在基站内根 据用户q o s 要求，在相互竞争资源的用户之间提供一种机制，使得用户公平地 访问共享资源，同时使系统吞吐量获得较大改善。关于资源调度算法的研究由来 已久，但是已有的调度算法有些适合于t d m a ，有些适合于f d m a ，有些适合 于c d m a 。由于o f d m a 系统的无线信道与以前系统的无线信道有本质的区别， 北京邮电大学硕j 二研究生学位论文第一章绪论 将这些已有算法应用到o f d m a 系统，还需要按照o f d m a 系统无线信道的特 点进行改动。目前，对o f d m a 系统无线资源调度算法的研究处于刚刚起步的 阶段，研究比较多的是比例公平( p f ) 调度算法。但是未来移动通信系统是一 个支持多种业务环境的系统，需要各种各样的调度算法。比例公平调度虽然能很 好地实现公平性，但是它不能实现系统吞吐量的最大化，不能降低小区间的相互 干扰，因此在研究比例公平调度的同时，还需要研究基于其它优化目标的调度算 法在o f d m a 系统中的应用。 通过对联合资源分配算法的研究，将大大提高系统的资源利用率，并将在保 证用户q o s 基础上进一步提高系统性能。通过对o f d m a 系统中多种资源调度 算法的研究，将更好地支持业务的多样性，方便新业务的引入。这对于b 3 g 乃 至其他采用o f d m a 技术的宽带无线接入系统的研究都具有重要的意义。 1 5 论文的主要工作和内容安排 本文重点研究基于o f d m a 系统的联合资源分配算法，本文后续章节的安 排如下： 第二章对o f d m 技术作了简单介绍，着重介绍了o f d m 的工作原理、该技 术的优劣及o f d m 系统中采用的关键技术，之后简单介绍了o f d m 系统的模型， 和为方便算法仿真而丌发的系统级平台的总体设计。 第三章的研究重点在于单小区的资源分配策略。首先介绍了几种经典的单小 区算法，在此基础上提出了一种新的适用于多用户多业务系统的联合资源分配算 法，用于满足用户对不同业务的q o s 需求。该算法的主要依据不同业务的不同 q o s 需求，根据业务优先级构建有利于自身需求的效用函数，仿真结果表明该算 法可以支持多用户多业务系统的资源分配，达到了设计初衷。 第四章中研究了多小区环境下的资源分配算法。考虑到多小区系统中，公平 性对整体性能指标的影响，在深入研究了目前比较常见的几种多小区算法的基础 上，提出一种用于改善系统公平性的联合资源分配算法。该算法利用相邻小区同 频子信道间信干比( s i n r ) 的差异，通过采用不等式的平均值定理，来协调同 频信道i 、日j 的干扰，达到提升系统整体公平性，并兼顾系统整体吞吐量的目的。其 后，考虑到实际应用，以该算法为基础，通过近似简化了信干比的计算，提出了 一种改进的简化算法，在保证算法效果的前提下，极大地减少了系统的反馈量和 算法计算的复杂度。通过分析和仿真结果表明，这两种算法均能很好的改善系统 的公平性。 第五章对本文进行了总结。 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 6 参考文献 【1 】吴伟陵，牛凯移动通信原理北京：电子工业出版社，2 0 0 5 【2 】朗为民，王金泉全i p 网络体系结构研究邮电设计技术，2 0 0 7 ，9 ：1 2 1 6 【3 】周敏，郭勇，肖忠源浅析软件无线电技术及其在3 g 中的应用大众科学 ( 科学研究与实践) ，2 0 0 8 ，1 ：3 6 3 7 【4 】崔炎智能天线在无线通信中的应用分析电信科学，2 0 0 2 ，n o 5 ：1 5 1 8 【5 】乐渭斌，王衍文，陆辉等b 3 g 无线通信中m i m o 技术现状通信技术， 2 0 0 7 ，1 1 ：3 3 3 4 ，1 4 1 【6 】6 sv e r d u m u l t i u s e rd e t e c t i o n c a m b r i d g eu n i v e r s i t yp r e s s ，1 9 9 8 7 北京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章o f d m 技术及o f d m a 系统仿真平台概述 第二章o f d m 技术及o f d m a 系统仿真平台概述 2 1 引言 o f d m 的英文全称为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 ，中文含义 为正交频分复用。这种技术是h p a 联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 工业规 范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量 信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传 送信号的能力，因此常常会被利用在容易外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的 传输介质中。 o f d m 并不是一项新技术，其思想最早可以追述到2 0 世纪5 0 年代木期， 6 0 年代，人们对多载波调制作了许多理论上的工作，论证了在存在符号问干扰 的带限信道上采用多载波调制可以优化系统的传输性能；1 9 7 0 年1 月有关o f d m 的专利被首次公开发表；1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 在i e e e 杂志上发表了用离散 傅立叶变换实现多载波调制的方法；8 0 年代，人们对多载波调制在高速调制解 调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，但是由于当时技术 条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用；9 0 年代，由于数字信号处理技 术和大规模集成电路技术的进步，o f d m 技术在高速数据传输领域受到了人们 的广泛关注。今天，o f d m 已经在欧洲的数字音视频广播( 如d a b 和d v b ) 、 欧洲和北美的高速无线局域网系统( 如h i pe r l a n 2 、i e e e8 0 2 1 1 a ) 、以及高比 特率数字用户线( a d s l 、v d s l ) 中得到了广泛的应用。目前，人们正在考虑 在基于i e e e8 0 2 1 6 标准的无线城域网、基于i e e e8 0 2 1 5 标准的个人信息以及 未来的下一代无线蜂窝移动通信系统中使用o f d m 技术。 2 2o f d m 技术相关介绍 o f d m 技术是多载波技术的一个特例，其基本原理是高速信息数据流通过 串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周 期牛对增加，这样可以减小因无线信道多径时延扩展所产生的时问弥散性对系统 造成的码间干扰。另外，由于引入保护问隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展 的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰( i s i ) 。如果用循环前 8 北京邮电大学硕上研究生学位论文第二章o f d m 技术及o f d m a 系统仿真平台概述 缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 2 2 1o f d