（通信与信息系统专业论文）ofdma系统的资源分配算法研究.pdf

摘要 o f d m a 系统的资源分配算法研究 摘要 随着经济的飞速发展，人们日常的通信活动日益频繁。在未来无 线通信系统中，移动业务量的迅速增长使人们对无线网络提出了更高 的要求，这就带来了两个最严峻的挑战：多径衰落信道和频率效率。 o f d m 技术以其良好的抗多径干扰能力和高频谱利用率成为未 来宽带无线接入系统的首选物理层技术。o f d m 是一种多载波调制技 术，基于o f d m 调制的发射信号，会有一种分集效应，即每个用户 在不同载波上的衰落情况是独立的，而且不同用户在同一载波上的衰 落情况也是不同的。这样一个用户在某个载波上经历深衰落时，其他 用户在这个载波上的衰落情况可能是良好的，使得我们可以根据实际 状况来动态地分配资源，使频谱的使用效率更高，这也是本课题研究 o f d m a 系统资源分配算法的意义。 本文首先对移动通信的发展及无线资源管理进行了回顾，简单的 介绍了o f d m 原理和无线资源管理，阐述了o f d m 系统及其无线资 源分配的基本概念、原理。接下来是本文的主要工作：设计并实现了 基于o f d m a 系统的系统级仿真平台，用于分析各种资源分配算法的 性能；在研究了多小区o f d m a 系统资源分配的基础上，提出了一种 新的半静态干扰协调算法并经过仿真验证。 本文主要介绍了基于o f d m a 系统的系统级仿真平台的设计与 实现，包括初始化、业务产生、调度、信道质量反馈和性能统计五个 主要模块的实现以及整个平台的参数。并且在平台中实现了 m l w d f 、p f 、e x p 等经典算法的仿真比较，得出比较有意义的结论。 最后研究了多小区o f d m a 系统的干扰抑制方法，重点研究了干 扰协调，并提出了一种新的多小区o f d m a 系统半静态干扰协调算 法，并给出了仿真结果和理论分析。 关键词：o f d m o f d m a 系统级仿真无线资源分配半静态干扰 协调 摘要 r e s e a r c ho n 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 m so fo f d t as y s t e m s a bs t r a c t w i t ht h e r a p i d e c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，p e o p l e sd a y t o - d a y c o m m u n i c a t i o n sa c t i v i t i e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yf r e q u e n t i nt h e f u t u r 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 s ，t h er a p i dg r o w t ho fm o b i l e b u s i n e s sh a sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rw i r e l e s sn e t w o r kb y p e o p l e t h e nt h i s h a sb r o u g h tt w om o s ts e r i o u sc h a l l e n g e s ：m u l t i p a t h f a d i n gc h a n n e la n df r e q u e n c ye f f i c i e n c y b e c a u s eo ft h ea b i l i t yt oc o m b a tm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n dh i g h s p e c t r a le f f i c i e n c y , o f d mh a sb e c o m et h ef i r s tc h o i c eo fp h y s i c a ll a y e r t e c h n o l o g yi nf u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s o f d mi sa m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , w h e nt h es i g n a l sb a s e do no f d m t r a n s m i tt h r o u g hw i r e l e s sc h a n n e l ，t h e r ew i l lb ed i v e r s i t ye f f e c t w h i c h m e a n st h a td i f f e r e n ts u b c a r r i e r so fo n eu s e rm a ye x h i b i td i f f e r e n tf a d i n g c o n d i t i o na n dd i f f e r e n tu s e r sm a yu n d e r g od i f f e r e n tl o s sf o ro n es p e c i a l s u b - - c a r r i e r s ow h e ns o m eu s e ru n d e r g od e e pf a d i n go nas u b - c a r r i e r , t h e o t h e ru s e r s c o n d i t i o nm a yb eg o o d ，t h e nw ec a na l l o c a t er e s o u r c e a c c o r d i n gt ot h ew i r e l e s se n v i r o n m e n td y n a m i c a l l ys ot h a ti tc a nb o o s t t h ef r e q u e n c ye f f i c i e n c y t h i si sa l s ot h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho n 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 si no f d m as y s t e m s t h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n dr a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n tw e r er e v i e w e df i r s t ，a n dt h et h e o r i e so fo f d ma n dr a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n tw e r ep r e s e n t e d t h e nt h eb a s i cc o n c e p t sa n d p r i n c i p l e sa b o u t0 f d ms y s t e m sa n dr a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o nw e r eg i v e n n e x ti sm ym a i nw o r ki nt h i sp a p e r ：a no f d m a s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r mw a sd e s i g n e d a n dd e v e l o p e dw h i c hm a i n l yd i d p e r f o r m a n c e a n a l y s i so fr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m s ；an e ws e m i s t a t i ci n t e r f e r e n c e i i i 摘要 c o o r d i n a t i o n a l g o r i t h mw a sp r o p o s e da n d h a v eb e e ns i m u l a t e da n d v e r i f i e d t h eo f d m as y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mw a si n t r o d u c e d t h e f i v em a i nf u n c t i o nb l o c k si n c l u d ei n i t i a l i z a t i o n ，s e r v i c e g e n e r a t e ， s c h e d u l i n g ，c q if e e d b a c k ，p e r f o r m a n c es t a t i s t i ca n dt h ep a r a m e t e ro f p l a t f o r mw e r ep r e s e n t e d m e a n i n g f u lc o n c l u s i o n sw e r eg a i n e df r o mt h e s i m u l a t i o no fm iw df - p fa n de x pa l g o r i t h m s a tl a s ti n t e r f e r e n c ed e p r e s s i o ni nm u l t i c e l lo f d m a s y s t e m sw a s r e s e a r c h e da n dm yf o c u si si n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n b a s e do nd e e p i n v e s t i g a t i o n as e m i s t a t i ci n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o na l g o r i t h mw a s p r o p o s e da n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nw a sc o m p l e t e db ys i m u l a t i o n k e y w o r d s ：o f d m o f d m a ；s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n ；r a d i or e s o u r c e a l l o c a t i o n ；s e m i - s t a t i ci n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n i v 缩略语表 英文缩写 o f d m o f d m a 3 g p p m i t u i m t - 2 0 0 0 q o s c d m a d a b d v b a d s l v d s l i s i i c i p s k q a m f f r i f f t c p 脚r c s l a w g n s 矾r 订i t d m a f d m a b e r p f m u d f e x p c q i 缩略语表 英文全拼 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 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 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 l o n gt e r me v o l u t i o n 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 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 q u a l i t yo fs e r v i c e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 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 v e r y h i g h - 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 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e p h a s es h i f tk 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 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m c y c l i cp r e f i x p e a ka v e r a g ep o w e rr a t e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 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 h n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 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 b i te r r o rr a t e p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s 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 e x p o n e n t i a lp r o p o r t i o n a l c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r 5 3 中文 f 交频分复用 正交频分多址接入 第三代合作计划 长期演进 国际电讯联盟 国际移动通信2 0 0 0 服务质量 码分多址 数字音频广播 数字视频广播 非对称数字用户环线 甚高速数字用户环线 码| 、日j 干扰 信道问干扰 相移键控 正交幅度调制 快速傅立叶变换 快速傅立叶反变换 循环前缀 峰值平均功率比 信道状态信息 加性高斯白噪声 信干比 发送时间间隔 时分多址技术 频分多址技术 误码率 比例公平 改进的最大权重延迟优先 指数公平 信道质量指示 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， 本人签名：j 重坠 本人承担一切相关责任。 日期：逝2 至至日! 璺 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： 导师签名： 日期：垫翌墨垒! 丑! 亟 日期：乒遁烨 北京邮l 乜大学硕i ：研究生学位论文第一市绪论 1 1 论文的研究背景 1 1 1 移动通信的发展 第一章绪论 移动通信，由正式商业运营至今已有2 0 多年历史，就其发展历程来看，无 线移动通信有每1 0 年发展一代的特点。移动通信的发展经历了第一代( 1 g ) 模拟 通信、第二代( 2 g ) 数字通信和目前在中国呼之欲出的第三代( 3 g ) 宽带数据通信。 第一代( 1 g ) 以模拟式蜂窝网为主要特征，从2 0 世纪7 0 年代术8 0 年代初开 始商用化。最有代表性的是北美的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 币l 欧洲 的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，另外还有北欧n m t 及日本的 h c m t s 系统等。这些系统都采用频分复用的接入方式，并以蜂窝式网络结构和 频率规划实现频率再用方式，达到扩大覆盖服务范围的目的。 但是模拟系统的频谱利用率低，保密性差，且提供的业务比较单一，难以适 应用户的数字业务要求，因此走向数字化是移动通信发展的必然趋势。第二代( 2 g 1 以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，于2 0 世纪9 0 年到初正式 走向商用。最有代表性的是欧洲的时分多址( t d m a ) g s m 和北美的码分多址 ( c d m a ) 的i s 9 5 两大系统，另外日本还有p d c 系统。相比第一代，2 g 主要的 技术有： 采用抗干扰性能良好的数字式调制：g m s k ( g s m ) 、q p s k ( c d m a ) ； 采用抗干扰性能良好的纠错编码：卷积码( g s m 、i s 9 5 ) 、级联码( g s m ) ； 采用功率控制抵抗远近效应，对c d m a 尤为重要； 采用自适应均衡( g s m ) 和r a k e 接收o s 9 5 ) 抗多径干扰和频率选择衰落； 采用信道交织编码抗时间选择衰落； 基站采用分集技术抵抗空间选择衰落。 第三代( 3 g ) 移动通信系统i m t 是l t u 在1 9 8 5 年提出的，当时称为陆地移地 系统，即f p l m t s 。1 9 9 6 年正式更名为i m t 。主要是将综合宽带业务延伸到移 动环境当中去，能够传送高达2 m b p s 的高质量图像。与第二代( 2 g ) 移动通信系 统相比，主要特点为： 北京邮i u 人学硕i ：研究生学位论文第一章绪论 全球普及和全球无缝漫游； 具有支持多媒体业务和i n t e r n e t 业务( 数据业务) 的能力； 高频谱利用率； 便于过渡和演进。 尽管第三代移动通信系统已经很强大，但仍存在竞争和标准不兼容等问题。 人们开始呼吁移动通信标准的统一，以期待通过第四代移动通信标准的制定解决 兼容问题。第四代移动通信标准将在2 0 1 0 年左右出台，是多功能集成的宽带移 动通信系统，比第三代移动通信更接近于个人通信，其特点主要有t 高速率。从2 m b p 提高到l o o m b p s ； 技术发展以数字宽带为主； 灵活性较强； 兼容性好； 用户共存和业务多样性； 自治的网络结构。 移动通信的最终发展目标是个人通信，实现一种理想的通信境界：在全球范 围内逐步实现全球一网( 统一的网络结构) ，每人一号( 一个身份证号) ，任何时间、 任何地点( 海、陆、空) 以任何通信方式与任何对象( 人或机器) 进行任何业务( 语音、 数据、图像等) 的无缝隙、不间断通信。 综上，移动通信系统的未来是要支持有着不同服务质量要求的各种业务，这 样就需要先进的技术( o n 调制、无线资源管理) 来最大程度上地提高频谱利用率， 以达到要求。 1 1 2 传统的无线资源管理面临的挑战 传统无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提 供业务质量保障，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰 弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用 资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负 荷，传统意义上的无线资源管理包括接入允许控制、切换、负载均衡、分组调度、 功率控制、信道分配等。传统无线资源管理主要的缺点是局限于单一的集中式管 理，管理上不够灵活和智能，不能适应未来通信系统的结构和对资源利用率更高 的要求。 未来移动通信系统需要一种“联合无线资源管理”，可以采用集中式、分布 式以及介于两者之问的分级式的管理方式。联合无线资源管理则是一组网络的控 制机制的集合它能够支持智能的呼叫和会话接纳控制，关注业务、功率的分布 2 北京邮电人学硕t ：r o f 究生学位论文第一章绪论 式处理，从而实现无线资源的优化使用和达到系统容量最大化的目标。这些机制 同时应用多种接入技术，并需要可重配置或者多模终端的支持。就功能而言，联 合无线资源管理涵盖了原有无线资源管理的各项功能。 1 2 第四代移动通信系统的关键技术 1 2 1 正交频分复用技术 o f d m 是一种并行传输机制，即多载波调制。它将信道分成若干正交子载 波，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子载波上进行传输。 每个子载波上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子载波可看作平衰落信 道在传输中，可以认为在每个子载波上面的衰落是平坦的。由于每个子载波频率 是重叠的，所以选择合适的f 交载波频率，可以达到很高的频谱利用率，又避免 了子载波之问的相互影响。 o f d m a 是在o f d m 技术的基础上发展起来的。由于o f d m 调制中子载波 之间的相对独立性，每一个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率 电平。通过指定每个用户可以使用这些子载波中的一个( 或一组) ，我们就得到了 一种新的多址方式o f d m a 。在o f d m a 系统中，由于不同用户的衰落参数 是相互独立的，对于某一个用户来讲是深度衰落的信道对于其他用户来讲不一定 是深度衰落，事实上，某个信道对于所有用户都是深度衰落的概率是非常小的。 o f d m a 系统将宽带资源划分为若干个子载波，这样可以通过动态地分配子载波 让用户选择使用无线性能良好的子载波，有效地克服无线信道的恶劣环境，提高 频谱利用率。 o f d m 技术之所以越来越受关注，是因为o f d m 有很多独特的优点： ( 1 ) 频谱利用率很高，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| 、日j 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( 调制方案) 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。 3 北京邮电人学硕1 ：研究生学位论文第一章绪论 ( 4 ) 通过各子载波的联合编码，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。但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 ( 5 ) 基于离散傅立叶变换d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 的o f d m 有快 速算法，o f d m 采用i f f r 和f f t 来实现调制和解调，易用d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 实现。 但是o f d m 也有两个比较明显的缺点： ( 1 ) 对频偏和相位噪声敏感。频率偏移和相位噪声会使o f d m 各个子载 波之间的正交性恶化，使得接收信号的信干噪比下降。 ( 2 ) p a p r ( p e a ka v e r a g ep o w e rr a t e ) 大，导致发送端放大器功率效率较 低。由于o f d m 的信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加合成的，因 此有可能产生比较大的峰值功率，也就有可能产生较大的p a p r 值。而过高的 p a p r 值通常会对发送端功率放大器提出较高的线性要求，降低功放效率，从而 增加基站和用户终端的成本。 1 2 2 无线资源管理技术 在移动通信系统中，无线资源管理r r m ( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 负责空 中接口资源的管理、利用。好的无线资源管理可以确保移动通信系统的服务质量 q o s 、获取规划覆盖区域和提高系统的容量角度，因此，无线资源管理是移动通 信系统中一个必不可少的部分。而作为无线资源管理的一个重要组成部分，资源 分配算法是本文研究的重点。 1 - 2 - 2 1 无线资源管理概述 在3 g 中无线资源管理作为一个关键技术提出，成为衡量一个标准是否可行， 系统服务质量优劣，是否被运营商所接纳的重要性能指标。随着i n t e r n e t 的迅速 发展以及i p 与移动通信标准的结合，未来移动通信将是一个全i p 的网络系统。 移动通信已经提出了面向q o s 的无线资源管理系统。使用各种无线资源管理方 法对复杂的无线物理信道网络资源进行合理配置，完善口协议兼容性及保障不 同特性业务传输质量等方面的研究诈在进行中，提出面向语音业务、多媒体数据 业务的高效无线资源管理算法迫在眉睫。 无线资源管理试图解决移动用户业务的动态数量与质量( q o s ) 的要求和无线 信道与接口的有限资源及信道的时变动态特性之间的统计匹配，以实现移动通信 系统的优化。无线资源管理一般包含以下3 个基本部分：资源控制，它包含接入 4 北京邮i 乜人学硕【：研究生学位论文第一章绪论 控制、负荷( 拥塞) 控制、切换控制、功率控制、速率控制等；资源分配，它包含 基站分配与选择、信道分配、队列分配、资源预留、功率分配等；资源调度，它 包含时隙调度、码资源调度、切换小区调度、自适应链路调度等。 对于电路型业务，通过接入选择和控制后，选择了服务基站和接入信道，无 需进行排队机制，直接进入业务调度，执行负载控制。负载控制主要是避免系统 超负荷的控制机制，根据当前已接入用户系统负载进行及时调整的控制机制；对 于分组型业务，通过接入选择和控制后，选择了服务基站和接入信道，需要进入 一个按业务优先级队列排队机制和一个时分( 以及码分) 资源调度机制，再经过速 率与功率控制、分配与调度后输出。分组业务的排队机制主要是按照业务的不同 优先级进入不同队列，排队、存储、等待。时分( 码分) 资源调度机制，根据队列 等级、信道状态、干扰监测、业务q o s 要求及对有限的无限资源估计，采用不 同的准则和算法对业务进行调度。 1 2 2 2o f d m a 系统中的无线资源分配 众所周知，无线通信的频率资源是非常宝贵和有限的。为了有效利用频率资 源、减少系统的干扰、增加系统的容量，已经提出多种资源分配算法及策略，解 决容量极大化和干扰极小化问题。 虽然3 g 的速率已有很大的提高，但仍然不能很好的实行动态资源分配，大 流量时系统利用率低。4 g 的数据传输比3 g 高一个数量级，最高传输速率将超 过1 0 0 m b i t s ，可以在不同接入技术之间实现漫游和无缝通信。一个主要特点就 是：灵活性比3 g 强的多，能更好地进行动态资源分配，处理变化地业务流、信 道条件变化的环境，有很强的自组织性和灵活性，大大提高了资源的利用效率。 o f d m 的一个重要特点就是可以根据各个子信道的实习情况灵活地进行比 特和功率分配，且各个子载波可以各自进行自适应调制。另外，o f d m a 系统的 资源划分的粒度比较细，资源分配非常灵活，可以在时间、频率和功率三个维度 进行分配。目前这种o f d m a 系统动态资源分配算法的研究从大的方面来说， 可以分为单小区和多小区的资源分配算法。 对于o f d m a 单小区动态资源分配算法，主要考虑以下几方面： ( 1 ) 无线链路易变性：这一点是和有线网络最大的不同性。 ( 2 ) 公平性：对于不同用户的不同业务，要根据实际的服务模型、业务类 型和信道质量特性来保证公平性。 ( 3 ) q o s 宽带无线网络将对各种具有不同q o s 要求的业务类型提供服务。 必须支持不同业务o o s 的区分和保证。 ( 4 ) 系统吞吐量和频谱利用率：无线通信最宝贵稀缺的就是频谱资源。无 北京邮l u 人学颂i j 研究生学位论文第一章绪论 线资源分配算法就是致力于最大可能的提高系统频谱利用率。 ( 5 ) 功率受限：无论基站还是移动台，功率资源都是有限的。 对于o f d m a 单小区动态资源分配算法，系统相对复杂，除了以上提到的因 素需要考虑外，小区增多就会带来很大的干扰( o f d m a 系统频率复用因子为1 ) ， 这样会导致每个小区内会有一部分边缘用户( 信道质量差) 无法正常传输数据。所 以在多小区系统中要考虑干扰抑制，减少小区间干扰提高边缘用户的数据速率， 这也是本文最主要的工作。 1 3 课题的提出 第四代移动通信系统是目自矿研究的热点。由于o f d m 在高速传输和抵抗多 径衰落等方面具有很多优点，所以目前对于第四代的研究多以o f d m 作为无线 接入技术。而o f d m a 作为一种接入技术，得到了更多的关注。在o f d m a 技 术基础上进行的资源分配正是第四代移动通信系统研究的一个热点话题。 鉴于未来通信被要求传输越来越多的多媒体业务，为了保证使用各种业务 ( 如语音、视频和数据等) 的用户q o s 要求得到保证，高效的利用无线资源成为了 关键，这就要求未来无线通信系统有着高效的无限资源管理( r r m ) 系统。而由于 以下几个原因：稀有的无线频谱和有限的基站发射功率。由于用户衰落和移 动造成的信道容量时变特性。不同业务用户的多种q o s 要求，给o f d m a 系 统中高效无线资源利用带来的很大的挑战。 为了适应未来无线通信的发展，支持各种多媒体业务用户的q o s 要求，开 发高效的动态资源分配算法成为必要，这也是我们这项工作的意义所在。 1 4 论文的主要工作和内容安排 本课题“o f d m o f d m a 系统中的多小区联合资源分配算法研究”主要由华 为支撑，与实验室合作，属于企业项目。本文的主要工作主要有两个方面组成： ( 1 ) 系统级仿真平台的开发及经典算法仿真分析：为了评估别人与自己后 续提出的o f d m a 系统中的多小区联合资源分配算法，需要丌发o f d m a 系统 级仿真平台，作为深入研究资源分配算法的基础，本人全程参与了整个平台的搭 建、测试、优化和维护；而作为研究多小区资源分配算法的基础，首先要学习研 究单小区算法，本人在论文阶段对一些经典算法进行了仿真实现，得出比较有意 义的结论。 ( 2 ) 针对0 f d m a 多小区的严重小区间干扰问题，在干扰协调这个方向， 提出了一种半静态干扰协调算法，并进行仿真实现，与其他大公司经典算法比较， 得到了较好的性能。 6 北京邮电人学硕l j 研究生学位论文 第一章绪论 本文后续章节的安排如下： 第二章对o f d m 系统及其动态资源分配机制进行了简单介绍，着重分析了 o f d m a 动态资源分配机制的原理。 第三章重点介绍了整个o f d m a 系统级仿真平台的设计开发，并针对单小 区保证混合业务q o s 的动态资源分配算法进行了仿真实现，得出比较有意义的 结论。 第四章重点研究了o f d m a 多小区资源分配算法问题，为了抑制严重的小 区问干扰，选取干扰协调方向，分析了当前其它的用于o f d m a 多小区的干扰 协调算法的优缺点，提出了自己的半静态干扰协调算法，并通过仿真证明了该算 法可以得到很好的性能。 第五章对本文进行了总结与展望。 7 北京邮i 【1 人学硕i ：研究生学位论文第二幸o f d m a 系统及动态资源分配 2 1 引言 第二章o f d m a 系统及其动态资源分配 j 下交频分复用接入o f d m a 是建立在o f d m 基础上的一种接入技术，通过 为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入。o f d m a 能有效地对 抗非视距传输条件下严重的多径干扰。与传统的调制方法相比，它能在上行信道 中提供1 8 d b 和在下行提供1 2 d b 的系统增益。因此o f d m a 是第二代b w a 网 络以及4 g 的最佳选择。 o f d m a 是将o f d m 技术与f d m a 技术相结合的多址接入技术。在复用方 面，o f d m a 与o f d m 一样，是一种频分复用方式，由它组成的系统是一种多 载波通信系统。这种思想最早在2 0 世纪五六十年代就被提出了，但是高速数字 信号处理( d s p ) 技术及相应硬件产品的制约，o f d m 技术早期只在军事中得到 应用，而民用较少。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 l 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。 由于o f d m a 是基于o f d m 的多址接入技术，与o f d m 是一样的系统调制 方案，因此有必要先了解o f d m 的原理即o f d m a 的传输原理。而这些也是研 究基于o f d m a 系统的动态资源分配算法的基础，清楚地认识o f d m a 资源划 分结构，能更好地研究资源分配算法，本文的完成也正是这样一个研究顺序。 2 2o f d m 系统 2 2 1o f d m 原理 正交频分复用( 0 f d m ) 的基本原理就是将高速的数据流通过串并变换，分 配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道的符号周期 会展宽，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所引起的时间弥散性对系统产 生的影响。j 下交信号通过接收端采用相关技术分开，可以在一定条件下减少子信 道之问的相互干扰i c i 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每 8 北京邮电人学硕 ：研究生学位论文 第二章o f d m a 系统及其动态资源分配 个子信道可看作平衰落信道，从而消除了i s i 。由于每个子信道的带宽仅仅是原 信道带宽的- d , 部分，信道均衡变得相对容易。 每个o f d m 信号都是由一组子载波叠加而成，其中每个子载波都可以受到 相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制，其通带信号可表示 为 晌地隆f x p 陆一半小制仁1 ， 式中，d ，表示第f 路的基带复数据信号；是子载波数；丁表示符号周期；厂r 是 载波的中心频率。 为了使用方便，通常采用基带信号来描述o f d m 的输出信号，即 i n ，、 删= 瓢+ 冬唧陋引r 蚓( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 的实部和虚部分别对应o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可 以分别与图2 - 1 、2 - 2 中相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信 道信号和合成的o f d m 符号。 图2 1 、2 - 2 分别给出了o f d m 系统调制和解调的框图，其工作原理为：输 入数据信元的速率为r ，经过串并转换后，分成n 个并行的子数据流，每个子 数据流的速率为r n ，把每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取 决于对应子载波上的调制方式，如p s k 、q a m 等。n 个并行的子数据信元编码 交织后进行l f f t 变换，将频域信号转换到时域，i f 丌块的输出是n 个时域的样 点，再将长为l p 的循环前缀( c p ) 加到n 个样点前，形成循环扩展的o f d m 信元。因此，实际发送的o f d m 信元的长度为l p + n ，经过并串转换后发射。 接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去c p ，当c p 长度 大于信道的记忆长度时，i s i 仅仅影响c p ，而不影响有用数据，去掉c p 也就彻 底去除了i s i 的影响【1 l oc p 的存在同时使得信号与信道响应的线卷积变为循环卷 积，从而简化了接收端的设计( 只用进行n 可并采用单抽头均衡器即可) 。 9 北京邮i 乜人学倾ij 研究生学位论文 第一二章o f d m a 系统及j e 动态资源分配 c o s ( 2 f o tj 一o x p ( j w o t ) 1u l 一 一峄 数据 s p s i l l ( 2 尢j o t ) o f d m m j 【| 叶1 j i t 川d , ，、 编码 r j 、 器 1 变换 ， c o s ( 2 兀( t ) d ( n ) = a ( n ) + j b ( n ) 一一卤一 一一9 一 图2 1o f d m 系统发送端的调制部分 童；n 婢蛎怯1 盈j l + i y ? ：i - _ ? 图2 2o f d m 系统接收端的解制部分 2 2 2o f d m 系统中的多址方案 在无线接入系统中，同一个基站要同时对多个用户提供服务，因此必须对基 站内不同用户的和基站自身发出的信号加以区别，使用户能识别自己的信号，基 站能区分不同用户的信号。解决这个问题的方法称为多址技术。常用的多址方式 有三种：时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。o f d m 都可以与它们结合，分别构成o f d m t d m a 、o f d m f d m a 和o f d m c d m a 技术1 2 1 1 3 1 1 4 1 。 2 2 2 1o f d m t d m a t d m a 是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分成若干个时隙( 无论帧还 是时隙都是不重叠的) ，然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内 1 0 北京邮 【1 人学硕士研究生学位论文第二章o f d m a 系统及j e 动态资源分配 只能按照指定的时隙号向基站发送信号。对于o f d m t d m a 系统来说，在任意 一个时隙的连续时i 、丑j 内，所有的子载波都只能分给同一个用户，也就是说 o f d m t d m a 多址方式是按照时隙为单位进行用户分配。这种接入方式类似于 单载波系统，i e e e8 0 2 1 1 a 以及h i p e r l a n 2 等就是采用这种接入方式。 o f d m t d m a 的优点之一是减小了接收机的功率消耗，因为每台接收机仅需要 在某一特定时隙内处理发给它的有用信息。此外，由于某一特定时隙内某一特定 用户可以使用所有的子载波，可以充分利用正交多载波带来的频率分集效果，提 高信号接收质量。 2 2 2 2o f d m - c d m l a d s c d m a 通信系统对于多用户的区分不是依赖频率不同或者时隙不同来 进行的，而是利用各自不同的编码序列来进行区分。在移动通信系统中，c d m a 被推荐为多址方式以提供多媒体服务。这是因为c d m a 具有支持多媒体数据流 异步特性，能够提供比f d m a 和t d m a 更大的系统容量，并且能够抵抗无线信 道频率选择性衰落。 在c d m a 的基础上，近年来一种新的多址方式迅速发展起来，即 o f d m c d m a ，它混合了o f d m 和c d m a 的优点，也被称为m c c d m a ( 多 载波c d m a ) 。在m c c d m a 中，发射机通过使用一个给定的扩频码将信号进 行频谱扩展，也就是说，每一个对应于扩频码码片的那一部分数据符号都通过一 个不同的子载波进行传送。对于多载波传输来说，保证每一个子载波传输时受到 的衰落是非频率选择性衰落是非常重要的。因此，如果原始信号传输速率足够高 ( 这将导致信号在传输中收到频率选择性衰落) ，就必须在频谱扩展之前将信号 进行串并变换。从这一点上来说，m c - c d m a 发射机的基本结构与o f d m 发射