（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(1).pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是移动通信系统中一种很有潜力的技术，将 它和多输入多输出( m i m o ) 的多天线自适应技术结合起来，能更好地抗 频率选择性衰落和抗多径时延。在m i m o o f d m 系统中，由于不同的 信道经历的衰落不同，具有不同的传输能力，因此，如何根据信道特征 自适应地分配系统资源( 比特、功率等) 是其关键技术之一。 本文主要研究m i m o o f d m 系统中的自适应资源分配问题。本文 由两部分组成：第一部分研究单用户m i m o o f d m 系统的比特、功率 分配。方法是通过奇异值分解，将m i m o 系统分解成为相互独立的并行 子信道，这样s i s o o f d m 系统的自适应资源分配技术就可以用到 m i m o o f d m 系统去。论文提出两种算法，一种是基于边值自适应准则 ( m a ) o 勺m 变误码率条件下改进的贪婪算法，另一种是基于速率自适应准 n ( r a ) 的对分法搜索注水线的注水算法。仿真表明本文提出的算法有比 较好的系统性能。第二部分对多用户m i m o o f d m 系统作了研究。采 用基于m a 准则的自适应资源分配方案，把子载波分配和比特、功率分 配作为两个过程，即首先为每个用户分配适合的子载波，然后在相应的 子载波上为其分配比特、功率。论文提出了基于用户信道响应质量因子 的子载波分配算法。通过仿真证明方案是可行的。 关键词；正交频分复用；多输入多输出天线；奇异值分解；贪婪算法； 可变误码率 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a c t o t 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 f d h o i sap o w e r f u lt e c l m i q u ee m p l o y e d i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c o m b i n e dw i t hm u l t i - i n p u tm u l t i r o u t p u t ( m i m o ) m u l t i p l ea n t c u n a sa sw e l la sa d a p t i v em o d u l a t i o n , i ti sp r o v e nt o b er o b u s ta g a i n s t f r e q u e n c ys e l e c t i v i t yf a d i n ga n dm u l t i - p a t hd e l a ys p r e a d i nm i m o - o f d ms y s t e mo v e r m o b i l ef a d i n gc h a n n e l s ，e a c hs u b e b a n n e lh a sd i f f e r e n tc h a n n e lc a p a c i t yb e c a u s eo f i n d i v i d u a la t t e n u a f i e n t h e r e f o r e , i ti s i m p o r t a n tf o r am i m o - o f d ms y s t e mt o a d a p t i v e l ya l l o c a t e 脚u 嬲( b i t s 、p o w e r , e t c ) a c c o r d i n gt oe a c hs u b c h a n n e l sf e a t u r e s t h i st h e s i s sm a i nw o r ki s s t u d y i n go i la d a p t i v er e $ o m o a l l o c a t i o na l g o r i t h mi n m i m o o f d ms y s t e m t h et h e s i si sc o n s i d e r e di nt w os t a g e s t h ef i r s ts t a g ei n v o l v e s t h ea p p l i c a t i o no fb i t sa n dp o w e ra l l o c a t i o ni ns i n g l e u s e rm i m o - o f d ma p p l i e s a d a p t i v em o d u l a t i o ni ns i s o - o f d mi si n t r o d u c e d 幻ag e n e r a lm i m os y s t e mb yu s i n g t h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) t os e p a r a t et h em i m oc h a a n e li n t op a r a l l d s u b c h a n n e i s t w oa l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d ，o n ei sa ni m p r o v e dg r e 蜘ya l g o r i t h mf o r c h a n g e a b l eb e r b a s e do nm a r g i na d a p t i v e ( m a ) p r i n c i p l e , t h eo t h e ri sab i s e c t i o n t e c h n i q u ef o rs e a r c hl e v e ri nw a t e r - f i l l i n gt h e o r yd e p e n d i n go nr a t ea d a p t i v e ( r a ) p r i n c i p l e 。t h ea n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nr e s u | t sd e m o n s t r a t ea l l i m p r o v e ds y s t e m p e r f o r m a n c eb yt h ep r o p o s e da l g o r i t h m s t h es e c o n ds t a g ed i s c u s s e st h ea d a p t i v e a l l o c a t i o ni nm u l t i - u s e rm i m o o f d ms y s t e md e p e n d i n gu p o nt h em ap r i n c i p l e , w h i c h c o n s i d e r e ds u b c a r r i e ra l l o c a t i o na n db i t s , p o w e ra l l o c a t i o na st w op r o c e s s e s t h a ti st o s a y , i nf i r s ts t e p , s u b c a r r i e ri sa l l o c a t e dt oe a c hu s e f ，t h e nt h eb i t sa n dp o w e ri sf u r t h e r d i s t r i b u t e dt oc o r r e s p o n d i n gs u b e a r r i e r as u b c a r r i e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d a c c o r d i n gt oe a c hu s e r st h eq u a l i t yo fc h a n n e lk n o w l e d g e t h es i m u l a t i o ns h o w st h e p r o p o s e ds c h e m ei nt h i st h e s i si sf e a s i b l e k e yw o r d e ：o f d m ；m i m o ；s v d ；g r e e d ya l g o r i t h m ；c h a n g e a b l eb e r n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成 果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外， 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 究成果做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。 论文作者签名：g 瘩 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：墨盗 导师签名：盏盈萑日 m i m o - o f d m 系统自适应赍潭分配算法研究 l m i m o o f d m 系统介绍 本节引言中介绍了论文的研究背景、研究的意义，然后对o f d m 和m i m o 的基本原理分别做以介绍，最后介绍m i m o - o f d m 系统的系统结构，并分析其 工作原理，为以后展开讨论m i m o o f d m 系统的自适应资源分配打下基础。 1 1 引言 随着社会的发展，移动通信技术也有了长足的发展，无线通信与个人通信 在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从f d m a 蛰i c d m a 的巨大发 展。随着移动通信业务的飞速发展、用户数量的剧增、人们对多媒体业务的更多 需求，并且由于3 g ( 第三代移动通信) 技术还存在一些不足，比如：很难达到 较高的通信数率、能提供服务速率的动态范围不大、不能满足各种业务类型要求、 分配给3 g 系统的资源趋于饱和等，因此需要更好的移动通信技术来弥补3 g 的不 足于是，b 3 g 4 g ( 以后在文中统一用4 g l l p 第四代移动通信) 技术应运而生。 国际电信联盟( r r u ) 已经研究制定t 4 g 系统标准：高速数据传输，根据移动 速度支持各种传输速度( 3 公里d , 时- - 1 0 0 m b p s ，6 0 公里d 时- - 2 0 m b p s ，2 5 公里 b 时- - 2 m b p s ) ；以i p 为基础的无线接续，支持q o s ：各系统( i m t - 2 0 0 0 、w l a n 、 b w a 、卫星、广播) 之间无缝的业务支持，并支持全球漫游；支持多重模式、 支持对称非对称业务。4 g 系统能提供更有效的多种业务，能提供更高的数据传 输数率和频谱利用率，有更好的安全性、智能性和灵活性，更好的传输质量和服 务质量( o o s ) ，更低的传输成本。4 g 移动通信系统的研究已经开始好多年了，它 必将取代3 g 移动通信系统。 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。由于o f d m 技术能够有效地对抗多径传播、很好地解决频率选择性衰落 信道中的抗干扰问题，而m i m o 技术能够在不增加所占用的信号带宽的前提下带 来无线通信的性能上几个数量级的改善，这样，将o f d m 和m i m o 两种技术相结 合，就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很 强的可靠性。 因此，m i m o o f d m 技术相结合可以克服无线信道频率选择性衰落，增加 兰州大学硬士学位论文 系统容量，提高频谱利用率，成为4 g 中关键技术之一 1 2o f d m 的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 技术是多载波调制( m c m ，m u l t i 巳r r i c fm o d u l a t i o n ) 的 一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，将高速的串行数据流分解成 若干低速的并行子数据流同时传输在相互正交的子信道上，在每个子信道上进行 窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰( i c i ) ，同时又提高了频谱利 用率。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率 选择性衰落是平坦的，大大消除了符号闻干扰( i s n 。 1 2 1o f d m 和f f r o f d m 是一种多载波传输技术。设 仲- 1 2 ，帅为n 个子载波频率，则一 般的多载波已调信号在第i 个码元闻隔内可以表示成 毛( f ) 。荟墨( 川“p ( i z r f k ) ( 1 1 ) 其中，五( t ，t ) 是信号在第i 个码元间隔内所携带的信息，它决定了丑( f ) 的幅 度和相位，一般情况下它们是只与码元标号有关的复常数，它们携带了要传输的 信息；为叙述方便，在只需研究一个多载波信号码元的时候，常常省略码元标号 i ；而当子载波采用普通的q a m 或m p s k 调制时，与t 无关，从而将置( 七，f ) 简写 成工( 七) ，根据上下文这样不会产生歧义。按上述约定，( 1 1 ) 式可以写成 s ( t ) 一2x ( k ) e x p ( i 2 口f k t ) ( 1 2 ) 经过细致的分析可以发现，上述多载波传输系统的调制解调都可以利用离散 傅里叶变换( d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ，d f t ) 实现，由于d f t 有著名的快速算法 f f t ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) ，使得多载波传输系统实现起来大为简化，特别是利 用f f t 实现的o f d m 系统，以其结构简单、频谱利用率高而受到广泛重视。 为确定子载波间的频率间隔，我们在此讨论接收端如何对信号解调。我们对 接收信号( 暂不考虑噪声和失真的影响) 以抽样率，| 抽样，利用d f t 对抽样信 号进行解调。利用n 点的d f t 可以计算出信号的第k 个频谱分量为 2 m i m o - o f d m 系统宜适应资源分配算法研究 5 忙) 。荟s ( 叫) 唧( 一皿”施，) ( 1 3 ) 其中，s ( k a ) 是第t 个频谱分量；s ( 吖) - 0 , 1 , 2 ，一1 ) 是抽样信号：v r n 是 d f t 的分辨率。为使d f y 正确计算出频谱，信号必须在点抽样以外周期性重 复，当信号只含有该d f r 的谐波成份时，条件就能满足。将t 一代入式( 1 2 ) 得 $ ( n l ) 。荟z ( 。) e x p ( ，扭 “) ( 1 4 ) 将式( 1 销入式( 1 3 ) 得 s ( k a t ) 。磊荟x ( ) 唧( j 幼 叫正) e x p ( 一，幼础) 。荟z ( 七) 磊既p ( j 知五) 饮p ( 一，妨础 ( 1 5 ) - 荟n - i z ( t ) a ( 鲁一专) 其中m 川一仁j ：l 二? 观察上式可以发现，当多载波已调信号的频率 一w 坑- 时，就有 s ( k a ) - c x ( k l ，其中c 为常数，就是说当各子载波的频率为解调用的d f r 分辨 率整数倍时，可以用d f r 对信号完成解调。 从以上分析可知，为保证正确解调，x 在一个码元间隔内保持为常数是必要 的。当各子载波的频率为解调用的d f r 分辨率整数倍时，可以用d f r 对多载波 已调抽样信号完成解调。特别地，当子载波的频率间隔为l , f i v 时，由式( 1 4 ) 有： s ( ) 。萎z ( t ) c x p ( ，2 ( 句：，) ) ( 1 6 ) 。荟j ( ) e x p ( j 知棚) 上式恰为x ( k x k - 0 1 五，一1 ) 序列( 以后我们将该序列简记为z ( ) ) 的i d f r ( 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 ) ，即当子载波频率间隔为g l u t 时，多载波己调 信号的时域抽样序列可以由i d f r 计算出来。 由于携带信息的z ( ) 序列恰为多载波已调信号抽样序列的d f r ，所以我们 3 兰州大学硕士学位论文 说，采用f f t 实现的多载波调制系统的调制是在频域上进行的。 由以上分析可知，多载波调制系统的调制可以由i d f r 完成，解调可以由 d f t 完成，由数字信号处理的知识可以知道，i d f t 和d f t 都可以采用高效的 f v r 实现。 1 2 2 正交性 o f d m 信号包含的各子载波具有正交性，这种正交性可以从时域和频域角 度分别来理解 在时域内，每个子载波在一个o f m d 符号周期内都包含整数倍个周期，而 且各相邻子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交 性，即【1 l ： 知“p ( j o , t ) e x p ( 一，哪) d f - 仨：= ： ( 1 7 ) 例如对上式中的第，个子载波进行解调，然后在时间长度r 内进行积分，有： t l 舻1n - i 磐擘，謦即( 渤扣沪m 印 - 亍盏增“c x p ( 幼孚( ) 卜q 。 根据上式可以看到，对第，个子载波进行解调可以恢复出期望符号d 。，而对 于其他子载波来说，由于在积分间隔内，频差( j 一，髟可以产生整数倍个周期， 所以其积分结果为零。 在频域内，其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子 载波频率上的函数的6 卷积。矩形脉冲的频谱幅值为函( 归) 函数，这种函数的零 点出现在频率为i t 整数倍的位置上。在每一子载波频谱的最大值处，所有其他 子载波的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算 这些点上所对应的每一个子载波频谱的最大值，因此，可以从多个互相重叠的子 载波符号频谱中提取出每个子载波符号，而不会受到其他子载波的干扰，因此就 可以消除i c i 。 4 m i m o - o f d m 系统自适应赛源分配算法研究 时域频域 图1 1 包含有4 个子载波的o f d m 1 2 30 f d m 系统的结构 图1 2 0 f d m 系统框图 信号在传输的过程中，由于信道中的多径传输会引起符号间的干扰( i s o ，这 将会破坏子载波问的正交性，使得接收机无法正确的提取各子载波上的调制符 号。因此可以在每个o f d m 信号周期前插入一个保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，保护 间隔要大于多径时延，在这段保护间隔内可以传输任何信号，即它是一段空闲的 传输时段。然而在这种情况下，由于多径传输的影响，在一个f f r 周期内子信 道之间的周期数之差可能会不再是整数，这时就会产生子信道问的干扰( i c i ) 。为 5 兰州大学硕士学位论文 了消除多径传输造成的i c i ，一种有效的办法是将原来宽度为r 的o f d m 符号进 行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔，将保护间隔内的信号称为循环前缀 ( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 。图1 2 示出了o f d m 系统框图。其工作过程为：输入的二进 制信息比特首先经过串并 靴) 转换变为路并行比特流，各子信道上的信息比 特数根据各信道的特性自适应的分配，然后各子信道上的信息比特根据各自的调 制方式( m p s k 或m o a m ) 分别进行星座映射，得到信号空间中的复数坐标，然后 经过逆傅立叶变换( i v v t ) ，经过并，串转换( p s ) ，再加入循环前缀( c 聊，树，模转 换( d a ) ，送入信道进行传输。在接受端，信号首先经过移l 数转换( a d ) ，去除循 环前缀，串并转换，然后经过快速傅立叶变换( f v t ) ，得到每个子信道上的接收 信号，然后经星座逆映射得到每个予信道上的接收比特，再经过并串转换得到 串行的接收比特流。 1 3m i m o 的基本原理 m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，它利用空间中增加的传输信 道，在发送端和接收端采用多天线同时发送和接收信号。由于各发射天线同时发 送的信号占用同一个频谱，所以并未增加带宽，因而能够成倍提高系统的容量和 频谱利用率。m l m o 技术的最大优点就是能有效地利用随机衰落和可能存在的多 径传播来成倍地提高业务传输速率。 对于发射天线数为m t ，接收天线数为m r 的多输入多输出( m i m o ) 系统，假 定信道为独立的瑞利衰落信道，并设l i f t 、m r 很大，则信道容量c 近似为1 4 】 c d i l i n ，胁) i o g ：p 册) ( 1 9 ) 其中b 为信号带宽，s n r 为接收端平均信嗓比，m i n ( m t ，m r ) 为l i f t ，m r 的较小者。 上式表明，功率和带宽固定时，m i m o 的容量上限随最小天线数的增加而线性增 加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线 系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此，m i m o 技术在提高系统容量 方面具有极大的潜力。 6 m i m o - o f d m 系统自适应资源分配算法研究 群 _ ( f ) v _ j 撑 工：( f ) y ( f ) y 群 一 发射天线 耻) 耻) 胁l 型r ) 信道接收天线 图1 3m i m o 系统的结构图 1 4m i m o o f d m 系统的基本原理 o f d m 能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠地接收。 m i m o 技术通过空间分集消除无线传输中的信道衰落。因此m i m o 和o f d m 结 合的m i m o o f d m 系统在未来的移动通信中具有非常广阔的发展前景。 m i m o o f d m 技术的关键是能够通过空间分集将传统通信系统中存在的多径影 响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。 畦 曰三 图1 4m i m o o f d m 系统结构框图 7 l二i小d nl小日 丫厂+j_ll 、引，、 l，k一 卜 旷 t t f t ； t每十t；t 口日 口日 兰州大学硕士学位论文 ，他) - k + t ) ，2 骐+ t ) ，+ t ) ，f 表示第j 个o f d m 符号数，t 为第t 个子 马。0 ) z k ( 七) 1 日( 七) i h 2 t ：( 七：也? 佛l ，风忙) 为发射天线。和接收天线v 之间的信道脉冲响 1 日。忙) 日m 。琏) f s ( 七) “毛g + i ) ，$ ：g + n ，a + t ) 】r ，a + t ) 为第”个发射天线上发射的信号的 n 岱) 一k ( w + t ) ，n ：( 讲+ t ) ，n 。( w + i ) 】r ，一传) 为附加的均值为0 ，方差为巳的高斯 8 m i m o - o f d m 系统自适应蜜源分配算法研究 定理1 1 2 1 ：对于秩为| i f ( m m i n ( m t m r ) ) ，维数为m r x m t 的复数矩阵_ ，存在s v d 变换： a u d v a ( 1 1 1 ) 其中( ，( 胁m r ) 和v ( m t x 胁) 都为酉矩阵，【r 表示矩阵的共轭转置d - d o 】为 m r x m t 对角矩阵，其中嘞- 0 , i 一，并且白a - j - 0 , 1 ，m ) ；e 0 ，是4 的非零特征值 对于发射端有m t 个发射天线，接受端有m r 个接收天线的m i m o o f d m 系统 来说，第m 个子载波上的信道矩阵可以表示为： 日_ 仲) - 且1 一( 七) l ，1 。( 七) 日瓢- 仲) 日一。( 七) ；。 ； k i - 驻) 日。- 。( 七) ( 1 1 2 ) 其中日，仕) 表示第，个发射天线到第1 个接收天线在第m 个子载波上的路径复增 益因子。如果在发射端和接受端都已知信道状态信息( c s i ) ，于是我们可以根据 定理1 将m i m o 信道分解为并行独立的多个s i s o 信道： 盯- u s v 8 ( 1 1 3 ) 并行子信道数等于h 中非零特征值的个数。我们定义u 为m r x m r 维接受成形滤 波矩阵，v 为m t x m t 维发射预滤波矩阵。s 为m r x m t 维对角矩阵，对角线上的 元素为 ，如，m - m i n ( m t ，m r ) ， ，如，为h 的特征值。 将s v d 分解应用到o f d m 系统的每一个子载波上，每个子载波的信道特征 由s 表示，而u ，p 则表示在每个子载波上的不同的发射预滤波器和接受成形滤 波器。 由此可见，通过s v d 变换，我们可以将s i s o o f d m 系统的自适应资源分 配应用到m i m o o f d m 系统中去。 1 6m i m o o f d m 系统的自适应资源分配研究现状 由于无线信道的频率选择性衰落会导致o f d m 系统中不同的子信道经历不 同的衰落，也就是说不同的子信道具有不同的传输质量，如果平均分配数据比特 和功率，则要根据衰落最厉害的子信道来分配，这样就会造成一定的浪费，因此 9 兰州大学硕士学位论文 将自适应资源分配技术应用于o f d m 系统，根据各子信道的特征动态地分配数 据比特和功率：在信道增益好的子信道上多分配一些数据比特，在信道衰落厉害 的子信道上少分配一些数据比特，可以达到提高系统性能的目的。而且像o f d m 系统这样的多载波调制系统可以根据每个子信道上不同的比特数来选择不同的 调制方案，这样可以更好地提高系统性能。对于单用户m i m o - o f d m 系统，自 适应资源分配主要是根据各子信道的信道特征来分配每个子信道上的传输比特 和发射功率；对于多用户m i m o o f d m 系统首先要根据各个用户的需求来分配 子信道，在为每个用户分配了子信道后就要在相应的子信道上分配传输比特和发 射功率。 到目前为止，已经有了很多关于自适应资源分配的方法，这些方法可以分为 两类：边值自适应( m 哦面a d a p t i v e ，m a ) 3 i 5 1 【8 1 ( 7 1 【9 l 和速率自适应( r a t ea d a p t i v e ， r a ) 3 1 1 6 1 1 1 。边值自适应即在传输速率和误码率( b e r ) 约束条件下达到发射功率 最小；速率自适应即在发射功率约束条件下达到传输速率最大。c h o w t l o 】提出了 经典的基于信道s n r 的比特、功率分配算法。j o r g ec a m p c l l o 3 l 提出了分别基于 m a 优化准则和r a 优化准则的算法，在每次分配时都选择多分配1 比特数据功 率增加最少的子信道进行分配。注水算法f 1 1 】f 1 2 1 是解决单、多用户o f d m 系统的 子载波、比特和功率分配的最优方法，但是注水算法是一个非线性求解的问题， 有很高的复杂度，在实际应用中，常以牺牲一部分性能为代价来降低其计算复杂 度i s ! 。w b n g 【6 1 等人提出了联合的子载波、比特和功率的迭代分配算法，用拉格朗 臼乘子来解决m a 最优化，这是个很复杂的算法，要求进行大量的循环，是个 非线性问题，在用户数、子信道数很大时需要很高的计算量。在文献【7 】中，在 整数比特约束下将该非线性问题转化为线性问题，但是复杂度也会随着比特数的 增加而增加。d i d e m 等1 9 l 提出了著名的多用户贪婪算法，将问题分为两步：首先， 依据各用户的平均s n r 确定每个用户的应分得的子载波数，然后，找出最适合 于各用户的子载波进行分配。文献【5 】提出了基于相对比特数和相对利用度的子 载波分配算法，虽然计算复杂度较小，但在用户数、子载波数多时计算量很大。 文献 1 3 1 提出了一种低复杂度的子载波、功率分配算法，在子载波分配时优先考 虑总发射功率最小的用户。 1 0 m i m o - o f - d m 系统自适应资潭分配算法研究 1 7 论文的研究内容及研究方法 本文主要研究m i m o o f d m 系统的自适应资源分配问题。m i m o ，o f d m 系 统的自适应资源分配包括对多用户系统的子载波分配，以及在子载波上的比特、 功率的分配本文所论述的m i m o o f d m 系统的自适应资源分配是无线通信系 统中下行链路的自适应资源分配，也就是说是从基站到移动终端的发射过程的白 适应资源分配。移动终端通过反馈信道将信道状态反馈回基站，基站根据信道状 态信息来确定系统的自适应资源分配方案，自适应资源分配的方案由专门的控制 信道发送给移动终端。 由于自适应资源分配的方案是由上一帧的信道估计值来确定的，所以自适应 资源分配的性能不一定是最优的，在本文中我们假设信道估计是理想的，不存在 误差，并假设信道是慢变的，即在一次分配和传输过程中信道矩阵日保持不变。 由于反馈信息对于我们要传输的信息来说是多余的，因此我们根据需要只返回我 们需要的信息，如误码率，信道特征值，信噪比等而不返回全部信道信息。本文 在自适应资源分配时不考虑需要传输的信道信息。只考虑需要发送的数据信息。 对单用户m i m o o f d m 系统，本文在注水原理的基础上，提出了一种对分 法搜索注水线的的快速搜索法，能降低计算的复杂度，并更好地满足实时性要求； 还提出了可交误码率条件下改进的贪婪算法。能降低贪婪算法的计算复杂度，还 能更好的利用系统资源。对多用户m i m o o f d m 系统，本文将子载波分配和比 特、功率分配分为两步来解决，在子载波分配时，采用基于用户信道响应质量的 算法，既考虑到各个用户在不同子载波上的信道特征，又考虑到各个用户的需求， 在满足约束条件的情况下。使系统性能最优化。 一个系统的优劣主要是依据服务质量( o o s ) 和服务代价( c o s ) 两个标准来判 断，服务质量由误码率、数据速率来判断，服务代价由发射总功率来判断。 m i m o o f d m 系统自适应资源分配的性能的好坏也是基于这两个标准来判断 的。在本文的研究过程中也将依此来判断自适应资源分配技术的性能。 1 8 论文的结构安排 1 、首先介绍了课题的研究背景，在分别介绍了o f d m 和m i m o 系统的原 理，及其各自的特性的基础上，对m i m o - o f d m 系统的结构作了介绍，并介绍 1 1 兰州大学颈士学位论文 了m i m o o f d m 系统自适应资源分配算法的研究现状。 2 、对单用户m i m o o f d m 系统进行了研究，通过奇异值分解，将m i m o 系统分解成为相互独立的多个并行子信道，这样s l s o o f d m 系统的自适应资源 分配技术就可以用到m i m o - o f d m 系统去。提出了两种算法，一种是基于边值 自适应准n ( m a ) 的可变误码率条件下改进的贪婪算法，另一种是基于速率自适 应准贝u j ( r a ) 的对分法搜索注水线的注水算法，并进行了仿真比较。 3 、对多用户m i m o o f d m 系统作了研究。首先提出了一种基于用户信道响 应质量因子的多用户m i m o 0 f d m 系统的子载波分配算法。本文采用基于m a 准则的自适应资源分配方案，首先用提出的方法为每个用户分配适合的子载波， 然后在相应的子信道上为其分配比特、功率。通过仿真证明方案是可行的。 4 、总结本文的主要工作和不足之处，提出今后需要继续研究的问题。 1 2 m i m o - o f d m 系统自适应资源分配算法研究 2 单用户m i m o o f d m 系统比特和功率分配 对于像m i m o - o f d m 这样的多载波自适应系统，把信道分为多个并行独立 的子信道，其中一个好处就是可以根据各个子载波上的信道特征动态的分配发射 功率和传输比特，并根据各个子载波上分配到的比特数目决定应该采用的调制方 式。对于采用固定分配和调制方式的m i m o o f d m 系统来说，系统的性能由经 历衰落最严重的子载波来决定，因此，在频率选择性衰落信道中，随着平均信噪 t t c r a cs i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 的增加，系统的性能改善是十分缓慢的。通过 应用自适应资源分配方案和调制方式可以有力地改善系统性能。 2 1 基于m a 准则的优化算法 边值自适应( m a ) 准则是在给定误码率b e r 和比特数约束条件下，使发射总 功率最小。本节主要讨论基于m a 准则的自适应比特、功率分配算法。 2 1 1 贪婪算法 在自适应资源分配中最常用的方法是贪婪算法，其基本思想是：首先初始化 每个子载波的比特数为0 ，然后在每一次比特分配过程中，根据各子载波的瞬时 特征，选择出每增加1 比特数据功率增加最少的子载波，对其分配1 比特信息， 直到所有比特都分配完毕，最后根据分配到的比特数计算各子载波所需要的发射 功率。 假设系统有个子载波，每个发射机都可以使用满足其比特率要求的任何孑 载波。用h 表示信道频率响应，屯表示子信道n 的增益，只表示分配到子信道一 的功率，r 表示系统所要求的比特数，即系统的约束条件 定义，p ) 为在一个子载波上正确接受b 比特信息所需要的接受功率，并设定 系统所采用的调制方式是m - q a m ，则有【1 6 i ： 胁昝1 ( 钟灿) ( 2 1 ) 其中0 表示加性高斯白噪声的单边功率谱密度，p f 表示误码率，且 兰州大学硕士学位论文 那么，则有发送功率为： q ( 小扭c 一屯 只一警 算法可以用公式表示如下： m i n i m i z e 薹只 蛳幻善吒- r b e r - 儿 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 算法的实现过程为： 输入：信道增益丸，子载波数，误码率p 输出：功率化) ，比特数倾l 1 、根据信道增益和误码率计算，p ) ； 2 、计算每一个子载波在不同的传输比特下对应的功率递增表： 必也) 晚) 一只以一1 ) 丛丝三：孥生生 ( 2 5 ) 3 、根据功率递增表选择增加1 比特数据功率增加最少的子载波增加1 比特数据； 4 、计算总的发送比特数，如果羹6 _ t r 则转到第二步，如果薹吒- r 则分配结束； 5 、最终的功率、比特分配即为住j o - l ，) ，亿 o - 1 , ，) 图2 1 就是基于贪婪算法的自适应比特、功率分配图。其中m r 一2 ，胁i 2 ， 0 为加性高斯白噪声，噪声方差o z 为1 0 ，o f d m 系统包含6 4 个子载波，循环 前缀c p 1 6 ，限制每个子载波上的比特数为 0 , l 2 , 4 , 6 ，8 ，采用m - q a m ，对应的 调制阶数为 2 , 4 ，1 6 ，6 4 ，2 5 6 ，当子载波上的比特数为0 时不采用任何调制方法。信 道为四径r a y l e i g h 衰落信道。误码率b - 1 0 4 ，约束条件茏6 _ - r - 2 5 6 ( b i t s s ) 。 由图2 1 可以看出由于系统应用了2 x 2 的多天线，经奇异值分解之后m i m o 信道就分解成了2 路并行独立的空间子信道，所以共有了1 2 4 路子载波，图2 1 所示前6 4 路子载波是o f d m 系统的子载波在第一路m i m o 空间信道上的形成 1 4 m i m o - o f d m 系统自适应资源分配算法研究 驻 焱 馨 ：丑 驻 隶 静鼍卜 督 子载波 图2 1 贪婪算法下的比特、功率分配 的6 4 路载波，后6 4 路子载波是o f d m 系统的子载波在第二路m i m o 空间信道 上的形成的“路载波( 以后各比特、功率分配图的子载波定义皆同此，不再赘 述) 。可以看出，在不同的空间信道上，各子载波的响应也是不同的，在信道响 应好的子载波上分配的比特数比较多，而在信道响应差的子载波上甚至没有分配 比特数，即使在分配了相同比特数的子载波上，根据信道增益的不同，所需要的 功率也不相同，在信道增益较好时需要的功率相对要少一些。因此贪婪算法实现 了在比特数限制下达到功率分配的最优化这一目标，但是贪婪算法也有其缺点， 该算法的循环次数就是传输的总比特数，因此在总比特数很大的情况下，需要的 循环次数就非常多，显然，贪婪算法的计算复杂度是和传输比特数成正比的。所 以，有必要对该算法加以改进，以降低算法的复杂度。 2 1 2 可变误码率条件下的改进贪婪算法 文献【6 】提出了一种改进的贪婪算法，先用注水原理进行初始分配，然后将 剩余的功率用贪婪算法进行分配。但注水原理是一个非线性问题，因此，该算法 也有着相当的复杂度。本文基于文献【1 4 】的思想提出了一种有着低复杂度的改进 兰州大学硕士学位论文 的贪婪算法，并将固定误码率变为可变误码率来作为约束条件。 由于设定系统采用的调制方式是m - q a m 调制，所以在a w n g 信道中有【4 1 ( 2 6 ) 其中a 扣( z ) - 睾f e + d t ，为误差补余函数。由于詈即为信噪比，于是( 2 6 ) n - - 3 ； v 石o n o 为 一z 等咖【品再) ( 2 7 ) 因此可以根据各子载波的信噪比和所采用的调制阶数计算出各子载波的误 码率，并依此和总比特数限制进行比特和功率的分配。 本文改进的贪婪算法的主要思想是：首先根据已知的信道增益计算出每个子 载波的s n r ，然后根据每个予载波的s n r 粗略计算每个子载波上最多可传输的 比特数，并将每个子载波可传输的最大比特数作为初始分配的结果，然后用贪婪 算法的思想，在限制总比特数的约束条件下，依据可变误码率进行调整，使得系 统的发射总功率最优。 算法实现过程如下； 输入：信道增益屯，子载波数n 输出：功率化 ，比特数住) 1 、根据信道增益计算各子载波的信噪比s n r s n r - 砰肛。 ( 2 8 ) o ：为高斯白噪声方差； 2 、计算每个子载波在信噪比髓晦下可分配的最大比特数k 屯- l o g ：( 1 + s n r ) ( 2 r 9 ) 并将慨l 。作为比特的初始分配； 3 、用式( 2 7 ) 计算每个予载波的可变误码率以，并将既带入式( 2 1 ) 计算，p ) ； 1 6 愿 叫叫 等告 m i m o - o f o m 系统自适应资源分配算法研究 4 、用式( 2 5 ) 计算每个子载波在不同的传输比特f 对应的功率递增表： 必盹) 只瓴) 一只觎一9 - f ( b , ) - f 丁( b 一- 9 ； 5 、计算总的发送比特数，如果妻屯t r 则根据功率递增表选择增加1 比特数据功 率增加最少的子载波增加1 比特数据；如果妻屯，r 则根据功率递增表选择减 少1 比特数据功率减少最大的予载波减少1 比特数据；直到芝屯月则分配结 束； 6 、最终的功率、比特分配即为慨l o - 1 , ，) t 纽 ( n - 1 , ，) 。 驻 隶 褥 督 图2 2 可变误码率条件下改进的贪婪算法的比特、功率分配 图2 2 就是基于本文提出的可变误码率条件下改进的贪婪算法的自适应比 特、功率分配图。其中m r 一2 ，m t - 2 ，o 为加性高斯白噪声，噪声方差为1 0 4 ， o f d m 系统包含6 4 个子载波，循环前缀c p 1 6 ，限制每个予载波上的比特数为 o ，乙4 ，6 ，8 ，采用m - q a m ，调制阶数为 2 , 4 ，1 6 ，6 4 , 2 5 6 ，当子载波上的比特数为 0 时不采用任何调制方法。信道为四径r a y l e i g h 衰落信道。约束条件 善屯_ 胄- 2 5 6 ( 6 娜) 1 7 兰州大学硕士学位论文 图2 2 和图2 1 是在同样的信道响应下仿真的，可以看出可变误码率贪婪算 法的分配方案虽然没有像贪婪算法那样很好的反应信道响应，在信道响应最好的 子载波上不一定分配了最多的比特数，但是与图2 1 比较可以看出发射功率却减 少了不少，通过多次仿真的取平均值，本文改进了的算法比贪婪算法节省了6 0 的发射功率，比文献【1 4 】的方法节省了8 0 0 发射功率。 图2 3 统误码率比较 图2 3 对贪婪算法、文献【1 4 】提到的算法和本文改进的算法的误码率作了比 较，可以看出本文的算法和贪婪算法、文献【1 4 】的算法在系统误码率性能上有着 相似的表现，但是本文的算法能在相同约束条件下使发射总功率最小，因此本文 提出的算法有着更好的系统性能。 e b ，n o 图2 4m i m o 、s i s o 及平均分配的误码率比较 1