（通信与信息系统专业论文）多址方式下ofdm系统动态资源分配的研究.pdf

堕塞塑皇兰堕婴主堡皇一 摘要 随着移动用户的增多，以及人们对移动业务的追求已从单纯的语音业务扩展到多媒 体业务，频谱资源就显得日趋紧张。因此，追求尽可能高的频谱利用率已成为并且在今 后仍然是一个；- j 蘸挑战的问题。这种挑战使得人们努力开发高效、实用的资源分配技术 来提高无线频潜的效率。信j 皂理论的发展指出，j 蓖j 撷拥多址凄入技术和咨源分1 黜芰术 可以有效的增加系统容量和提高无线频谱的效率。 以技术层面来看，3 g 主要是以c d m a 为核心技术，4 g 技术则以正交频分复用 ( o f d m ) 技术最受瞩目。虽然3 g 的速率已有很大的提高，但仍不能很好地实现动态 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 0m b i t s ，可在不同接入技术之间进行全球漫游与互通，实现无绔蘑信。o f d m 技术的主要思想就是在频域内将所给频带分成许多正交且非频率选择性衰落子载波，在 每一个子载波上分别进行调制，实现各子载波并行传输比特信息，因此它具有很强的抗 多径干扰陛能和抗突发干扰能力，可极大地提高系统容量。o f d m 技术的一个重要特点 就是：灵活生要比3 g 强得多，能根据各个子载波的实际情况进行资源( 比特与功率) 分配，并且各个子载波可以进行自适应调制，能够处理变化的业务流、信道条件不同的 环境，有很强的自组织性和灵活| 生，大大提高了资源的利用效率。 对o f d m 系统的自适应动态资源分配而言，大幅受提高频谱利用率的最有效途径 就是与多址接入技术结合，可有效提高上、下行，特别是下行吞吐能力，改善系统性能。 码分多址( c d m a ) 由于带宽的增加将不适用，同时，纯时分多址m a ) 不适合高带宽传 输。解决这个问题的办法是采用o f d m 调制，并行传送比特信息，物理层基于o f d m 调制，支持c d m a t d m a 。 本文的研究重点是o f d m 、o f d m - t d m a 和o f d m - c d m a 系统的动态资源分配 算法的性能，在分析它们在频率选择陛衰落信道中生能的优缺点的基础上将三者结合起 来以改善o f d m 系统的陛能。论文首先对o f d m 系统的动态资源分配算法进行了总结 和仿真e e 较；接着，讨论了o f d m - t d m a 的原理，进而对o f d m a 系统的d c a 算法 进行了研究分析和比较；随后，分析了o f d m - c d m a 系统，提出了种简单、高效的 南京邮电学院硕士论文 d c a 算法及其改进算法，给出性能公式，以及性能仿真结果，得出了最适合于该系统的 d c a 算法。论文的最后，提出可用于o f d m 系统的种新的多址方案，将t d m a 和 c d m a 两种多址方式有机地结合起来，称之为。王= d m 皿d c i ) m a 方案。并且提出了 几种适用于该方案的d c a 算法。研究结果表明该新方案能在保持了较高的频谱效率的 同时有效地改善了系统的吞吐量问题，且在不同算法下也具有良好陛能。 i i 南京邮电学院硕士论文 f r e q u e n c yr e s o u r c ei sb e c o m i n gs c a r e w i t ht h ei n c r e a s eo fm o b i l e u s e r sa n dt h es e r v i c ec h a n g e s 的mp u r ev o i c et om u l t i m e d i a s oi ti s a c h a l l e n g i n gq u e s t i o nt op u r s u e m o r ee f f i c i e n t f r e q u e n c yu t i l i z a t i o n a n d d e v e l o p 蛐e f f e c t i v ea n dp r a c t i c a lr e s o u r c ea l l o c a t i o nt e c h n o l o g yt o i m p r o v ew i r e l e s sf r e q u e n c ys p e c t r u me f f i c i e n c y t h e o r e t i ci n v e s t i g a t i o n s h a v es h o w nt h a tt h e s y s t e m t h a tu s e s m u l t i p l e a c c e s sa n dr e s o u r c e a l l o c a t i o nt e c h n o l o g yc a na c h i e v ev e r yh i 曲c a p a c i t ya n di m p r o v et h e f r e q u e n c ye f f i c i e n c y s e e nf r o mt e c h n i c a la s p e c t , t h ek e yt e c h n o l o g yi n3 gi s c d m a ， o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i s t r i b u t i o nm u l t i p l e x ( o f d m ) t e c h n o l o g yi n4 g a t t r a c t sa t t e n t i o nm o s t l y t h o u g ht h ed a t ar a t eo f3 gh a sa l r e a d yb e e n i m p r o v e dal o t , b u tt h es y s t e m a t i cr e s o u r c eu t i l i z a t i o ni sr e l a t i v e l yl o wi n c a s e o f l a r g e f l o w t h ed a t a s u p r e m e t r a n s f e r r a t eo f 4 ge x c e e d s1 0 0 m b i t s a n di tc a nc a r r yo nt h ew h o l ew o r l dt or o a ma n di n t e r f l o wb e t w e e n d i f f e r e n tt e c h n o l o g i e so f a c c e s s ，r e a l i z en o s l o tc o m m u n i c a t i o n t h em a i n i d e ao fo f d mi st od i v i d et h ef r e q u e n c yb a n di n t om a n y o r t h o g o n a la s w e l la sn of r e q u e n c ys e l e c t i v e 脚i n gs u b - c a r r i e r si n f r e q u e n c yr e g i o n ， m o d u l a t ei ne a c hs u b - c a r t i e r i n d e p e n d e n t l y , a n da s s i g n d a t at oe a c h s u b c a r r i e rt oa c h i e v e p a r a l l e lt r a n s m i s s i o n s o i th a s v e r ys t r o n gc a p a b i l i t y t or e s i s tm u k i p l e - p a t ha n db u r s t i n go u ti n t e r f e r e n c e ，a n di m p r o v e s y s t e m c a p a c i t yg r e a t l y a ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co fo f d m i s ：i ti sm u c hb e t t e r t h a n3 g s f l e x i b i l i t y ；s e l f - a d a p t a t i o n c a l lb ec a r d e d o ni nr e s o u r c e a s s i g n m e n ta n dm o d u l a t i o ni ne a c hs u b - c a r r i e r ；i tc a r td e a lw i t ht r a 伍cf l o w a n dc h a n n e le n v i r o n m e n to ft e r m st h a tc h a n g e ；i th a sv e r ym u c h b e t t e r s e l f - o r g a n i z a t i o na n df l e x i b i l i t ya n di t i m p r o v e sm eu t i l i t ye f f i c i e n c yo f r e s o u r c e s g r e a t l y a st oa d a p t i v ed y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o no fo f d m s y s t e m , t h e m o s te f f e c t i v ew a yf o r i m p r o v i n gf r e q u e n c ys p e c t r u r l lu t i l i z a t i o ni st o i l l 南京邮电学院硕士论文 c o m b i n ew i t hm u l t i p l ea c c e s s ，w h i c hc a l li m p r o v et h r o u g h o u ti nb o t h u p l i n k a n dd o w n l i n ke f f e c t i v e l y , e s p e c i a l l yi nd o w n l i n k , a n di m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c e c d m aw i l l b en o l o n g e r s u i t a b l ei nc a s eo f i n c r e a s i n gi nb a n d - w i d t h , b e s i d e s ，叩) 队i s u n s u i t a b l ef o rt r a n s m i s s i o nv i a l l i g hb a n d - w i d t h i no r d e r t os o l v et h i sp r o b l e m w ec a n a d o p t o f d ma n d s u p p o r t c d m a t d m ao n p h y s i c a ll a y e r t l i s p a p e rb r i e f l y s t u d i e dt h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i cr e s o u r c e s a l l o c a t i o n a l g o r i t h m f o ro f d m 、o f d m - t d m aa n do f d m - c d m a s y s t e m s a n d a tt h eb a s e o f d o i n ga n a l y s i sf o r t h et h r e eo n p e r f o r m a n c e i n f r e q u e n c ys e l e c t i v ec h a n n e l ，w ec o m b i n e dt h e m t oi m p r o v ep e r f o r m a n c e o fo f d ms y s t e m a t f i r s t , w es u m m a r i z e da n ds i m u l a t e dd y n a m i c r e s o u l v 冶sa l l o c a t i o na l g o r i t h m sf o ro f d m ；t h e nw e a n a l y z e d t h e p r i n c i p l e o fo f d t d m a s y s t e m a n dr e s e a r c h e dt h ed y n a m i cr e s o u r c e sa l l o c a t i o n a l g o r i t h m f o r o f d m a ；i nt h et h i r dp a r to ft h et h e s i sw ea n a l y z e d o f d m - c d m a s y s t e m ，p u tf o r w a r das i m p l ed y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n m e t h o d ，d e r i v e d p e r f o r m a n c e f o r m u l a sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t sf o r p e r f o r m a n c ea n dc o n c l u d e d t h eb e s ts u i t a b l ed y n a m i cr e s o u r c e sa l l o c a t i o n a l g o r i t h m i nt h el a s tp a r t , w ep u tf o r w a r dan e w m u l t i p l ea c c e s ss c h e m e f o ro f d ms y s t e mw h i c h c o m b i n e dt d m aw i t h c d m a ，n a m e d 0 f d m _ 1 m i d - c d m a s y s t e m r e s u l t si n d i c a t et h a tt h en e ws c h e m ec a r l i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o f0 f d m s y s t e m i n s y s t e mc a p a c i t y a n d f r e q u e n c ys p e c t r u m u t i l i z a t i o n g r e a t l y i v 南京邮电学院学位论文独创性声明 y6 2 8 8 , 5 0 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 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我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。 研究生签名：銮塑塑同期；鲍竺竺：2 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 也复制手段保存论文。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 莉京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：查塑匝皇导师签名：日期：j 年墨 南京邮电学院硕士论文 第一章绪论 1 。14 g 的定义、特点及关键技术 1 1 14 g 产生的背景 在过去1 0 年中，移动电话的增长幅度往往超过预i 贝 值。第代模拟系统仅提供语 音服务；第二代数字系统速率也只有9 , 6 k b i t s ，最高可达3 2 k b i f s ；而第三代移动通信( 3 g ) 数据速率可达到2 m b i f f s 。虽然3 g 比睨有传输速率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒 体通信的需求，后3 g ( b 3 g ) 系统、第四代移动通信( 4 g ) 系统的提出便是希望能满 足更大的频宽需求。预计，4 g 的数据速率最高可达1 0 0 m b i f f s 。创新、追求是人类社会 永匣不变的主题，就在 、们期待3 g 带来优质服务的同时，4 g 的研究和开发也己悄然进 行。 1 1 2 4 g 的定义 4 g 可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2 m b i t s 的数据传输能力 1 l 。它 包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。4 g 标准 比3 g 标准具有更多的功能，可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中 提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网( 包括卫星通信和平流层通信) 提供 定位定时，数据采集、远程控制等综合功能。此外，4 g 系统是集成多功能的宽带移动 通信系统，是宽带接入i p 系统。 4 g 通信并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，力求不断提高 无线通信的网络效率和功能。与传统的通信技术相比，4 g 的优势在于通话质量及数据 传输速度。另外，由于技术的先进性确保了投资成本的大大减少，未来的4 g 通信费用 也要比目蒯氐嘲。 1 1 3 4 g 系统特点 与3 g 相比，4 g 技术更为复杂，有许多超越之处，其特点主要有； 1 ) 通信速度更快：4 0 的速率比3 g 高个数量级，可达1 0 2 0 m b i t s ，最高可达 1 0 0 m b i t s l 2 ) 网络频谱更宽：4 ( 3 通信最高传输速度达到1 0 0 m b i t s ，因此每个信道将占有 1 0 0 m h z 的频谱，相当于3 g 网络的2 0 倍： 3 ) 以数字宽带技术为主：4 g 信号以毫米波为主要传输波段，蜂窝小区也会相应小 很多，这会大大提高用户容量： 4 ) 多种业务的完整融合：4 g 集成不同模式的无线通信无线局域网和蓝牙等室 内网络、蜂窝网络、广播电视、卫星通信，移动用户可以自由地从个标准漫游 到另一个标准。各种业务应用、各种系统平台间的互联更便捷和安全，面向不同 用户要求，更富有个性化； 5 ) 较好的技术基础：4 g 技术将以几项突破陛技术为基础，例如o f d m 技术、无线 接入技术、光纤通信技术、软件无线电技术等能太幅提高无线频率的使用效率和 系统可实现性； 6 ) 自治的网络结构：4 ( 3 系统的网络将是一个完全自治、自适应的网络，它可以自 动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求； 7 ) 灵活| 生较强：虽然3 g 的速率已有很大的提高，但仍不能很好动态地分配资源， 大流量时系统利用率低。而4 g 系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配， 能够调整系统对通信过程中变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求，有 很强的智能性、适应胜和灵活陛。 ( 1 ) 定位技术 定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法，对移动终端的定断显| 瓠宗，是觌 移动终端在不同系统( 平台) 间无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和 2 南京邮电学院硕士论文 保障。 ( 2 ) 切换技术 切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之间通信或者信号降f 氐信 道选择等l 青况。在4 g 通信系统中，切换技术的适用范围更为广泛，并朝着软切换和硬 切换相结合的方向发展。 ( 3 ) 软件无线电技术 软件无线电是利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的种新技术， 它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电的杨l ，思想是尽可能多地 用软件来定义无线功能。 ( 4 ) 智能天线技术 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，它的成形波 束自跬空间域内抑制交互干扰，增强睁殊范围内想要的信号。这种技术既能改善信号质 量又能增加传输容量。 ( 5 ) 交互干扰抑制和多用户识别 它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和手机，消除不必要的邻近和共信道用户的 交互干扰a i 新中组合将满足更大用户容量的需求，还能增加覆盖范围，还将大大减少网 络基础设施的部署，确保业务质量的改善。 ( 6 ) 可虱划剪自愈网络 当智能处理器用在4 g 无线网络时，它将能够处理节点故障或基站超载。网络各部 分并乏用基于知识的解答装置，将能够纠正网络故障，这种装置安放在无线网络控制器上。 ( 7 ) 新的调制和信号传输技术 7 】 实现调制懈调的鲁棒性可以克服在高频段高速移动所产生的严重的频率选择性衰 落，并且正交频分复用( o f d 岣以及单载波带自适应均衡技术都将据6 j 畏高的频谱效率。 此外，高性能的正向纠错编码，如t u r b o 编码技术、自动重发请求和分集接收技术也是 建立高速大容量网络的重要因素。 ( 8 ) 无线系统资源管理 在高速移动通信系统中，不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率。而目基站和 终端的发射功率也限制了它的传输速率，因此，采用种好的无线资源管理策略，可以 堕室塑皇堂堕堡主笙苎 检测可用的资源以及信号的质量，然后根据不同用户、不同业务质量要求动态的分配频 率资源和信号发射功率，这样可以大大提高系统的洼能。 1 2o f i ) m 及多址技术在4 g 中的应用 o f d m 是种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦 的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个 子信道上使用个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非 ， 平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并目在每个子信道b 折 的是窄带传输，信号带宽小于信道的响应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。 在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，并且它们的频谱是相互重叠的，这样不 但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。o f d m 由于其频谱利用率高、 成捌氐、抗噪声能力相当强、适合高速数据传输等原因越来越受到关注磐”。 在时代交替之际，旧有系统之整合与升级是产业界关心的话题，目前大家谈的是 g s m 、c d m a 如何升级到3 g ，而未来则是c d l v n 、t d m a 如何与o f d m 技术相结合 【8 】。可以预计，它们绝对不会在4 g 系统中消失，而是成为其应用技术的一部份，如 o f d m c d m a 、o f 聊4 佃m k 因此，未来以o f d m 为杨i ) 技术的4 g 系统，也将会 结合多项技术的优点，将是c d m a 、t d m a 技术的延伸。 对4 g 的自适应动态资源分配而言大幅度提高频谱利用效率的最有效途径就是 o f d m 与多址技术结合，可有效提高上、下行，特别是下行吞吐能力。c d m a 由于带 宽的增加将不适用，t d m a 也不适合高带宽传输，解决这个问题的办法是采用o f d m 调制，并行传送比特信息，物理层基于o f d m 调制，支持c d i v l v m m a 。 1 3 资源分配 众所周知，无线通信的频率资源是十分宝贵和有限的。为了有效利用频率资源、减 少系统的干扰、增加系统的容量，已提出多种资源分配算法及策略，以解决容量极大化 和干扰极小化问题m “。其中的信道资源分配算法最基本的可以分为固定信道分配 ( f c a ) 和动态信道分配( d c a ) 两种。在现行的无线通信系统中，f c a 占主导地位， 4 南京邮电学院硕士论文 而在未来的移动通信系统中i ：x 3 a 将发挥它的巨大作用。 在f c a 中，它根据预先估计的覆盖区域的业务负荷，将s 个可用信道分配给n 个 小区。若采用均匀分配的原则，则每个小区有s n 个信道。所有在该小区的呼叫都必须 使用分配瑚刻、区的信道。只有该d , x e e 所 的信道都被占用，则该呼叫被阻塞，甩户 即得不到服务。f c a 的主要优点是简单，无须繁琐的信道选择。只要分配给该崮酋中有 未使用的信道，就可以为该小区内的一个呼叫建立个通信链路。f c a 的主要缺点是频 带利用率低，不自酎艮好地适应网络中负载的变化以及对信道预规划的需求。由于在2 g 系统中以话音业务为主，不同用户所使用的业务对于信道的需求基本相同，因此在信道 分配方案匕大都采用f c a 。 在d c a 中，信道并不是固定归属于某个小区，小区和信道之间没有特定的关系。 所有的信道都被集中进行分配，只要该信道能够提供足够的链路质量，即大于c l r m i n ( 最小信干比) 时，任何小区都可以将信道分配给呼叫。在系统运行过程中，d c a 根据 当前网络的状态( 小区呼叫阻塞概率、信道的使用频率等代价函数) ，动态地将信道分 配给呼叫。d c a 的优点是频带利用率高，无须信j 酋预规划，非常适应网络中负载的变化， 特别适合在多媒体信道中非对称业务和多种不同业务共存j 隋况下的无线通信系统。但有 效的d c a 算法或者能达到理想状态的d c a 算法通常是非常复杂的嘲。 在o f d m 系统中常用的动态资源分配算法是使用比特分配、子载波分配等方法， 它们是以发射功率最小0 9 。4 、数据传输速率最大嘛叫以及高信道利用率等为优化目标进行 资源分配。在变化相对较匣的子载波上，o f d m 系统可以根据每个子载波的信噪比来优 化分配每个子载波e 的传送的比特，从而大大提高系统传输的容量”。 1 4 文章的结构安排 本文内容是按如下方式安排的：第章在介绍4 g 的定义、特点和关键技术的基础 上探讨了动态资源分配对4 g 系统的重要胜。对4 g 系统的自适应动态资源分配而言大 幅度提高频谱利用效率的最有效途径就是0 f e i m 与多址连接技术结合，可有效提高上、 下行，特别是下行吞吐能力。在第二章中详细讨论了o f d m 系统中的动态资源分配算 法，主要是e 匕 寺分配和功率分配，在给出其分配原理和代价函数的基础e ，对其仿真实 堕室塑皇堂堕堡圭堡苎 现和结果进行了讨论和比较。 在第三章中，首先对o f d m - t d m a 系统的原理进行简单阐述，接下来重a g e n t 它的改进系统o f d m a 的原理和相应的d c a 算法，并给出了其理论性能和仿真结果， 结果表明o f d m a 系统可以显著改善系统的误码性能。 第四章在分析了o f d m - c d m a 系统原理和对三种不同类型的系统实现的比较的基 础上，提出了一种简单、实用的d c a 算法及其改进算法，即i c c a 和c c c a 。在i c c a 中，每个载波的业务信道是被分别处理的，相比，c c c a 方案将系统中的所有载波联合 起来。推导出算法的性能公式，并对此进行了详细的仿真分析。仿真结果显示：c c c a 相比i c c a 能是供较高的爱尔兰容量；c c c a 由于它的较高容量，因此比i c c a 在个 b s 的信道利用率上要高；c c c a 可以在高负荷的小区条件下实现更稳定的小区覆盖。 因此，可以得出结论：c c c a 相比i c c a 更要适合o f d m - c d m a 系统。 在第五章，依据o f d m a ，0 f d m - c d m a 方案盼比点将t d m a 、c d m a 和0 f d m 有效的结合在起，以稍微牺牲系统复杂度的代价换来了系统容量 i ：1 资源利用率性能的 改善，并通过计算机仿真重点讨论了提出的几种用于该方案的d c a 算法的原理，还讨 论了不同算法对系绕眭能的影响。得出的结论是：该新方案能在保持了较高的频谱效率 前提下有效地改善系统的吞吐量问题，且在不同算法下也具有良好性能。 最后一章是全文的总结。 1 5 论文的主要贡献 本文的主要贡献有： 1 对o f d m 系统进行了仿真建模，讨论和总结了适用于该系统的动态资源分配算 法，给出了它们的仿真比较结果。 2 分析了o f d m - t d m a 系统的性能，进而分析了改进系统o f d m a 的性能及其 d c a 算法，并给出了其理论陛能和仿真结果，结果表明o f d m a 系统可以显 著改善系统的误码性能。 3 提出了种适合于0 f d m - c d m a 系统的简单、实用的d c a 算法及其改进算法， 推导出算法的性能公式，并对此进行了详细的仿真分析。仿真分析结果显示： 6 南京邮电学院硕士论文 c c c a 相比i c c a 能提供较高的爱尔兰容量；c c c a 比i c c a 在个b s 的c e 利用率上要高：c c c a 可以在高负荷的小区条件下实现更稳定的小区覆盖。因 此，c c c a 更适应o f d m - c d m a 系统。 4 将t d m a 、c d m a 和o f d m 有效的结合在起，充分利用它们的优点，以稍 微牺牲系统复杂度的代价换来了系统容量和资源利用率性能的改善。并通过计 算机仿真重点讨论了所提出的几种用于该系统的d c a 算法的原理，还讨论了 不同算法对系统陛能的影响。得出的结论是该新方案能在保持了较高的频谱效 率的同时有效地改善了系统的吞吐量问题，且在不同算法下也具有良好性能。 7 南京邮电学院硕士论文 第二章o f d m 系统及其动态资源分配 近年来，以o f d m 为代表的多载波技术受到广泛关注。它的思想最早可以追溯到 2 0 世纪5 0 年代末期。6 0 年代，人们对多载波调制作了许多理论e 的工作，验证了在存 在符号间干扰的带限信道l 采用多载波调制可以优化系统的传输陛能；1 9 7 0 年1 月有关 o f d m 的专利首次公开发表；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 的发展，o f d m 技术开始在高速数据传输领域受到人们的广泛关注。今天，o f d m 已经 在欧洲的数字音频视频广播( 如d a b 和d v b ) 、欧洲和北美的高速无线局域网( 如 h i p e r l a n 2 j e e e 8 0 2 1 l a ) 以及高比特率数字用户线( 如a d s l ，s l ) 中得到了广泛 的应用。目前，人们正在研究基于i e e e s 0 2 1 6 标准的无线城域网，基于i e e e 8 0 2 1 5 标 准的个人信息网以及在未来的4 g 系统中使用o f d m 技术。 2 1 2o f d m 原理 无线信道的频率响应大多是非平坦的，o f d m 的主要思想是将高速串行码流转变 成并行的低速码流，调制到等频率间隔的一组相互正交的子载波上“1 。其基本原理是在 频域将总的信道带宽分成多个带宽相等的子信道，每个子信道单独通过各自的子载波调 制各自的信息符号，尽管总的信道是非平坦的，也就是说具有频率选择性，但是每个子 信道是相对平坦的，并且在每个信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带 宽，因此就可以大大消除符号间干扰。同时，在时域的每个o f d m 符号持续时间l b * p - 载波长很多，于是抗多径衰落性能比单载波好很多。另外，o f d m 符号中引入的保护问 堕塞坚皇堂堕堡主丝奎 隔能有效地克服多径信道的延时扩展，消除码问干扰，因此不必采用复杂均衡器“。 2 1 3o f d m 系统 图2 1o f d m 系统原理框图 对图2 1 所示的o f d m 系统采用离散基带矢量模型，可以得到： 频域内传送符号帧：x = ) ( 0 ，x i 一，k 。 x i r 2 ， 时域内传送符号帧：x = ( x i ，弭。) x i r 2 ，( 其中r 2 表示实数域) 对频域符号帧x 进行n 点i f f t 就得到时域符号帧x 。由于o f d m 系统传输高速数 据，信道必然存在可辨多径，接收到的o f d m 符号帧y 存在多径干扰( m p i ) ，接收端 采用n 点f f r 和单抽头均衡可以有效克服m p i 。当然，为了进一步提高实际系绕陛能， 通常还将增加频域交织、时域交织、导频和信道编解码等功能模块叭。 2 1 4o f d i 、，i 的频谱1 1 2 ，1 3 1 从本质上说，o f d m 是实现多载波系统的种新方式。与一般的f d m 信号不同的 是o f d m 采用了正交的子载波，允许各个子载波频谱重叠，因此可以极大地提高频谱 利用率( 如图2 2 ) 。下面用最简单的例子来给出o f d m 与单载波频谱以及传统多载波 频谱的比较。 假定单载波符号波形为矩形，o f d m 符号波形也为矩形，当子信道个数n = 1 6 时， 两者的频谱比较如图2 3 所示，显然o f d m 的频谱衰减要比单载波系统的频谱快很多。 9 壹皇堕皇兰堕受兰鲨兰一 国2 2 0 f d m 与f d m 信号韵频谱比较 图2 3 0 f d m 信号与单载波信号频普比较( n = 1 6 ) 与4 g 有关的o f d m 系统关键技术有”4 ： ( 1 ) 频域同步 o f d m 系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际l i 拥中可能与f d m a 、i d m a 和 c d m a 等多址方式结合使用时，时蛾和频率同步显得尤为重要。在下行链路中，基站通 曲1 播向移动台发同步信号；在上行链路中，来自不同移动台的信号必须同步到达基站， 才能保证子载波问的正交陛。 ( 2 ) 信道估计 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：是导频信息的选择，由 于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传 送；二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计，在确定导频 发送方式和估计准则条件下，寻找最佳的佶道估计器结构。 ( 3 ) 信道编码和交织 为了提高数字通信系统性能，对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对 于其中的突发错误，可以采用交织。实际应用中，通常同时采用倍道编码和交织，迸一 1 0 壹室塑皇堂堕婴主堡奎一一一 步改善整个系统的性能。 ( 4 ) 俐氐峰均功率比 为了不失真地传输高峰均功率比( p a p 嘞的o f d m 信号，发送端对高功率放大器 ( h p a ) 的线| 生度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及d 变换器的线 性度要求也很高。因此，高的m 使得o f d m 系统的f 生能大大下降甚至直接影响实际 应用。 ( 5 ) 均衡 在高度散射的信道中，信道记 乙长度很长，因此c p 的长度必须很长，才能够使i s i 尽量不出现。但是，c p 长度过长必然导致能量损矧艮大，尤其是对子载波数不是很大 的系统来说。这时，可以考虑加均衡器以使c p 的长度适当减小，即通过增加系统的复 杂性换取系统频带利用率的提高。 ( 6 ) 资源分配 由于各个系统的环境是不一样的，因此在不同环境中采用不同的算法可以提高系统 的性能。常用的算法是以发射功率最小、数据传输速率最大等为目的的比特分配、子 载波分配等资源分配方法。 2 2o f d m 系统的动态资源分配 o f d m 的一个重要的优点就是可以根据各个子信道的实际隋况灵活地进行比特与 功率分配，并且各个子载波可以各自进行自适应调制。对o f d m 系统的自适应动态资 源分配而言大幅度提高频谱利用效率的最有效途径就是o f d m 与多址技术结合，可有 效提高上、f 彳亍，特别是下行吞吐能力，以及改善系统眭能o 。 虽然3 g 的速率已有很大的提高，但仍不能很好地实现动态分配资源，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 0m b i t s ，可 在不同接入技术之间进行全球漫游与互通，实现无缝通信。它的个主要特点就是：灵 活性要比3 g 强得多，能自适应地进行资源分配，能够处理变化的业务流、信道条件不 同的环境，有很强的自组织性和灵活性，大大提高了资源的利用效率。如果发射机知道 信道转移函数，那么根据信息理论研究中的“w a t e r - p o u r i n g ”观点可知：若优化每个子 南京邮电学院硕士论文 信道上的比特和功率分配，系统性能将会得到很大的提高m 。 ， 很多专家在这方面进行了研究o ”：有的提出一种固定数据速率下最小化比特和功率 分配的方法；有的对类似问题把俪苣容量作为优化目标函数；有的评估了最优o f d m 系 统容量，并与多径信道下带均衡的单载波传输进行了比较等等。还有很多人提出了很多 种比特和功率分配算法，但是它们不是局部最优就是算法计算量太大：h 啦胁。擎 算法能在固定信道容量时最小化总的发射功率，或在传输功率受限时最大化信道容量， 但是它需要很大计算量；c h o ws 算法是一个陕速的比特和功率分配算法，可最大化信道 容量，不幸的是，这些算法不是总自 得到最优解；k r o n g o l d 对固定发射功率和比特错误 率系统使用拉格朗日乘数对半搜索来寻找最优比特与功率分配，但是该方法需要预先计 算一个很大的查找表o ”。 在这里，我们总结了用于o f d m 系统的比特与功率分配算法，并通过m a t l a b 仿真，比较了它们的计算效率和结果。图2 4 是仿真的模型，其中的比特与功率分配算 法主要是采用贪婪算法，但是针对时变信道的初始化采用了智能持续优化方法( i s 鼬， 它是种自适应跟踪算法。 输 比 特 图2 40 f 蹦自适应出睁与功率分配系统仿真模型 信道模型：n = 以工。+ ，其中风和n 。分别是第n 个子信道的增益和噪声。 输 出 比 特 南京邮电学院硕士论文 2 2 1o f d m 系统的自适应懒咀舡_ c a m p e l l o 算法 本算法针对不同的信道进行自适应的比特与功率分配。发射的比特数是一定的，要 求优化b e 特分配后最小化发射功率。算法分三大步，首先是进行初始化，这样的分配不 能蒲足总比特数的要求：第二步进行贪婪算法调整，使得总的分配的比特数满足要求； 第三步进一步调整，使得分配的比特数为0 ，1 ，2 ，4 ，6 ，8 中的个，这样可以相应 采用2 q a m ，4 q a m ，1 6 q a m ，6 4 q a m 录q2 5 6 q a m 进行调恃俨。 2 2 1 1 算法的优化目标和过程描述 优化目标：总发射功率最小 r a i n 。n p 。) 趴t 。n 屯= b( 2 1 ) b 。z ，b 。0 ，”= 1 , 2 ， 式中，b r i 表示第n 个子信道匕分配的e 匕斗奇数，b 表示总比特数，z 表示整数 算法： 1 初始化 a ) 计算子信道的信噪比 b ) 使用公式 占( f ) = l o g ：0 + 姗( f ) ) ( 2 - 2 ) 计算第i 个子信道的比特分配 c ) 四舍五入占( f ) 为6 ( f ) d )限制6 ( f ) 取0 , 1 , 2 , 4 ，6 ，8 ( 对应于可用的调制阶数) 。 e ) 计算第i 个子信道的功率分配( 基于前面的比特分配) ，公式： q ( 6 ( f ) ) = 丽2 e ( 而) - 1 f )生成每个子信道的功率增长表。第i 个子信道有： 她o ) 屯1 ( 6 一1 ) = 蒜 2 使用b 限制 输入： b ，初始比特分配 b ，需要分配的总比特数 妻室业皇堂堕堡主兰苎一 输出： b ( n ) ，t 鲋循的e e 特分配 算法： 占 0 f o rn = 1 屯。n b 七_ b + 6 0 ) w h i l e 佃b ) i f p b ) h = a r g m a x 埘s a e ，( 6 ) b 卜b 一1 6 0 ) 卜6 0 ) 一1 e l s e m = a r g m i n i “a e ，( 6 + 1 ) 占卜口+ l 6 b ) 卜6 ) + 1 3 限制到0 ，1 ，2 ，4 ，6 ，8 a 1 检查输入的e 踌髟 配至少有个不满足要求 b ) 如果有一个子信道v 比特分配不满足，搜索原先的比特分配，找 到那个与第v 个酋有最大功率差的分配有1 个比特的子信道i ： e 1 = a e ，0 ( v ) ) 一a e ，( 6 ( f ) ) 曲找到与第v 个子信道有最小功率差的分配了0 个或1 个比特的子 信道j ： e 2 = a e ，0 0 ) + 1 ) 一a e ，( 6 ( v ) ) d ) 根据e 1 和e 2 进行相应的比特调整。 2 2 1 2 仿真结果及分析卿1 1 h m “ 心棚俑刹i 1 4 l l 孤 壹塞塑皇兰堕堡圭笙塞 围2 5 对于种随机信道的比特