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摘要 多小区o f d m a 中继系统的功率分配与子信道分配 联合优化 专业：通信与信息系统 硕士生：区国平 指导老师：秦家银教授 摘要 正交频分多址( o f d m a ，o i 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 ga c c e s s ) 是基于正交频分复用( 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 i n g ) 技术的新 一代无线接入技术，由于其高效的频谱利用率和优秀的抗多径干扰能力而越来越 受关注，已成为第四代无线通信系统( 4 g ) 的关键技术之一。近年来，许多人将关 注的目光投放在把中继技术应用于蜂窝网络，因为中继技术可扩展覆盖范围，同 时也能在较低成本和复杂度的情况下增加系统吞吐量。然而，当o f d m 与中继 结合于蜂窝网络的应用时，却又新产生了由小区间干扰( i c i ，i n t e r c e l li n t e r f e r e n c e ) 引起的资源分配问题。博弈论在经济学领域的使用非常普遍，现今作为一种有效 的资源分配分析工具，被广泛应用于无线网络中，并十分适用于解决多个用户间 的资源优化问题。 本文主要针对多小区o f d m a 中继系统的下行链路，提出一个分布式的功 率分配和子信道分配联合优化算法。本文利用博弈论中的非协作博弈模型，解决 多小区系统中因小区间共信道干扰引起的功率分配公平性问题。在所研究系统的 中继技术上采用了一种非普遍使用但性能优越的中继协作协议，并结合功率分配 博弈模型构造出新的效用函数。新的效用函数包含了每个用户直接传输和利用中 继传输的链路效用。并在此基础上，对该系统加入子信道分配迸一步提高系统性 能，从而得到一个功率分配与子信道分配联合优化的算法。该算法是根据经博弈 中山大学硕士学位论文 论功率分配方法得出的用户链路效用，将子信道分配给效用最好的链路。 最后，本文在m a t l a b 仿真平台上验证该算法的有效性并对此进行性能分 析。仿真结果表明，根据本文使用的中继协作协议构造出的效用函数更具有效性 及灵活性；同时，采用本文提出的联合优化算法得到的系统容量，分别比采用统 一功率分配方式和轮询调度子信道分配方式的组合算法所得到的系统容量均有 明显提高。 关键词：o f d m a ，中继，功率分配，博弈论，子信道分配 a b s t r a c t aj o i n tp o w e ra n ds u b c h a n n e la l l o c a t i o na l g o r i t h m f o rm u l t i - c e l lo f d m a - r e l a ys y s t e m s m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：o ug u o p i n g s u p e r v i s o r ：p r o f q i nj i ay i n o f d m a ，b a s e do nt h eo f d m ，i sn o w a d a y sab r a n dn e ww i r e l e s s a c c e s s t e c h n o l o g y i t se x c e l l e n ts p e c t r u me f f i c i e n c ya n da n t im u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea b i l i t y h a v ea t t r a c t e dal o to fa t t e n t i o n , a n dn o wi ta l r e a d yb eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yo f t h ef o u r t hg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( 4 g ) a ni n c r e a s i n gn u m b e r so f p e o p l ec a s tl i g h to na p p l y i n gt h er e l a yt e c h n o l o g yt oc e l l u l a rn e t w o r kf o ri tc a ne x t e n d t h ec o v e r a g ea n di n c r e a s et h et h r o u g h p u t 惭ml o wc o s ta n dc o m p l e x i t y n e v e r t h e l e s s ， w h e no f d m aa n dr e l a yc o o p e r a t ei nt h ec e l l u l a rn e t w o r k , ar e s o u r c ea l l o c a t i o n p r o b l e mi sn e w l yp r o d u c e db yt h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e g a m et h e o r yi sw i d e l yu s e d i ne c o n o m i c sa l ll o n g n o wi tb e c o m e sa ne f f e c t i v ea n a l y s i st o o lf o rt h er e s o u r c e a l l o c a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k a n di ti se x t r e m e l ys u i t a b l et od e a lw i t i lt h er e s o u r c e p r o b l e mb e t w e e nm u l t i u s e r s t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t sad i s t r i b u t e dj o i n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo fp o w e ra n d s u b c h a n n e la l l o c a t i o n , f o rt h ed o w n l i n ko fm u l t i - c e l lo f d m a r e l a ys y s t e m t h e f a i r n e s sp r o b l e mo fp o w e ra l l o c a t i o n , c a u s e db yt h ei n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，i ss e t t l e d t h r o u g han o n - c o o p e r a t i v eg a m e an e wu t i l i t yf u n c t i o ni sf o r m u l a t e da n dm a x i m i z e d b yu s i n gar e l a yp r o t o c o lw h i c hi sn o n - u n i v e r s a lb u tw i t ho u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e t h i su t i l i t yf u n c t i o ni n c l u d e se a c hu s e r su t i l i t yo fd i r e c tl i n ka n dr e l a yl i n k b a s e do n 也i no r d e rt ou p g r a d et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，as u b c h a n n e la l l o c a t i o nm e t h o di s t t i 中山大学硕士学位论文 j o i n t l yp r o p o s e dw i t hp o w e ra l l o c a t i o nt oa c h i e v ea l li n t e g r a t e do p t i m i z a t i o ne f f e c t t h i sa l g o r i t h ma s s i g n st h es u b c h a n n e lt ot h eb e s tl i n ka c c o r d i n gt ot h eu t i l i t yo f n o n - c o o p e r a t i v ep o w e r a l l o c a t i o ng a m e t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi ss i m u l a t e da n da n a l y z e do nt h em a t l a bp l a t f o r m t h e r e s u l t ss h o wt h a t , f o r m u l a t i n gt h eu t i l i t yf u n c t i o nw i t ht h er e l a yp r o t o c o lw h i c hi s u s e di nt h i sp a p e rr e s u l ti nab e t t e re f f e c t i v e n e s sa n df l e x i b i l i t y a l s o ，t h ep r o p o s e d s c h e m ea c h i e v e sah i g h e rc a p a c i t yc o m p a r e dw i t ht h eu n i f o r mp o w e ra l l o c a t i o na n d r o u n d r o b i ns u b c h a n n e la l l o c a t i o nm e t h o d k e yw o r d ：o f d m a ，r e l a y ，p o w e ra l l o c a t i o n ，g a m et h e o r y ，s u n - c h a n n e l a l l o c a t i o n 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 夏7 翻辛 f 1 j 朝：幻l o 年月；d 日 j 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：歪j 葫辱 日期：2 o i o 年j 月；d 日 导师签名： 东誊铭l 日期：劢，p 年r 月；口日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 1 5 1 8 世纪前工业化时期，正用烟、火、光等简单元素进行视距无线通信的 人们也许做梦也没想到，如今2 1 世纪的无线通信正以一个疯狂的速度向前发展。 生活在当今这个时代的人们像中毒一样几乎时时刻刻都离不开移动电话和互联 网。顺理成章地，无线通信已深深缠绕着全球经济的生命线，左右其前进的步伐。 能否最快最好地把握无线通信的关键技术，决定着国家经济发展的兴衰成败。 基于宽带c d m a 的第三代( 3 g ) 移动通信技术是当前主流的无线通信技术， 并已成功投入商用。目前，学者们又纷纷投入第四代( 4 g ) 移动通信技术的研究当 中。4 g 具有高数据率、低延迟、频带宽、具有频谱适应性、基于全i p 和无缝链 接等特征。4 g 主要包括以下关键技术：o f d m 技术、多用户检测技术、智能天 线技术、多输入多输出( m i m o ) 天线技术、无线中继技术、以及软件无线电技术 竺 h 1 2 寸 o o f d m 技术最主要的特征是其高数据速率，因此o f d m 已经成为现今许多 高速无线通信系统调制解调器的解决方案 3 1 。宽带无线网络是未来无线通信系统 的发展重点，而o f d m 技术通过多个窄带子信道并行传播，能有效克服宽带通 信时的频率选择性衰落。因此，o f d m 技术已在当前无线通信领域中( 特别是宽 带无线通信系统) 起着举足轻重的作用。o f d m a 是o f d m 的一种多址接入方式， 它同时具备o f d m 和f d m a 的特性。o f d m a 的出现是为宽带无线系统服务的， 比如蜂窝系统的l t e 下行链路、无线城域n ( w m a i q ) 的i e e e s 0 2 1 6 标准、数字 视频广播( d v b ) 等1 4 j 。 近年来，无线中继技术的使用范围扩大到蜂窝网络中，并受到宽带无线通信 领域的广泛关注。中继的使用能增加网络覆盖范围、保持网络高吞吐量的同时降 低复杂度与成本，使它成为无线通信界极具发展前景的技术之一【1 】【5 1 【6 】。 中山大学硕士学位论文 半个世纪以来，博弈论引发了一场经济学的革命。三位博弈论学者j o h nc h a r s a n y i 、j o h nf n a s h 以及r e i n h a r ds e l t e n 在1 9 9 4 年获得诺贝尔经济学奖后， 更加激发人们了解博弈论的热情。直到现在，博弈论仍在经济学上占据重要地位， 并作为- r 学科系统地学习。通信领域的学者们也逐渐发现，博弈论能为无线通 信带来了前所未有的视角、理念和方法，以至于引入博弈论思想和方法研究无线 通信一时成为研究热点之一。 1 2 研究背景 o f d m 是多载波调f 1 j j ( m c m ) 的一种具体形式，它是随着多载波系统的发展 而诞生的。早在2 0 世纪5 0 年代，人们已经开始关注多载波调制系统i l l 。 1 9 5 8 年，美国创建了世界上第一个多载波调制系统军用多载波高频通信系统( 动 态滤波多路) 川。第一个o f d m 方案的提出是在1 9 6 6 年，w c h a n g 发表他的关 于多信道数据传输中合成带宽受限的正交信号的研究【羽。随后，他在1 9 7 0 年发 表了第一个关于o f d m 的专利( 9 1 。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 首次提出时限 多载波传输，即今天所说的o f d m 1 0 1 。1 9 8 5 年，c i m i n i 首次将o f d m 应用到移 动无线通信中【1 1 1 。但在这之后，o f d m 的发展沉寂了多年，直到1 9 9 5 年才出现 了第一个商用o f d m 无线系统数字音频广播( d a b ) 标准【1 羽。随后，o f d m 通过各种标准，如无线局域网的i e e e8 0 2 1 l a ( w l a n s ) 、固定宽带无线城域网的 i e e e8 0 2 1 6 a d ( w m a n s ) 以及移动蜂窝网的i e e e8 0 2 1 6 e ( w i m a x ) 和i e e e 8 0 2 2 0 等发展至今f 3 】【1 3 1 。 o f d m a 实际上是一个相对比较新的概念，即在多用户o f d m 系统中，每 个终端占有子载波的一个子集，并且每个子集在任何时间被专门分配给一个用户 3 1 。1 9 9 6 年由m w a h l q v i s t 等人首次提出【1 4 1 ，作者在文献中介绍了o f d m a 的 主要思想及技术细节，随后提出了一个适应u m t s 系统需求的典型o f d m a 系 统应用【1 5 】。 无线中继系统研究的开始可追溯n - 十世纪六七十年代。v a nd e rm e u l e n 首 次在信息论上对无线中继信道( w i r e l e s sr e l a yc h a n n e l ) 进行研究，并证明了中继能 提高频谱利用率以及增强无线网络的可靠性【1 6 1 。1 9 7 9 年，t c o v e r 在文献 1 7 】 2 第一章绪论 中提出了高斯信道下中继容量的上限后，无线通信领域开展了一系列关于中继信 道容量的研究。 博弈论的一些观点和想法早在十八世纪就产生，但理论的主要形成与发展始 于1 9 2 0 年数学家e m i l eb o r e l 和传学者j o h ny o nn e u m a n n 的相关研究。二十世 纪五十年代，j o h nf n a s h 提出了一个重要的概念纳什均衡( n a s h e q u i l i b r i u m ) ，并展开了对议价博弈论的研究。在此之后，博弈论模型迅速地被广 泛应用到经济学、政治科学、心理学以及生物学等学科中。时至今日，博弈论已 成为微观经济学的主体理论，同时也常用于经济学的其它领域以及社会科学和行 为科学的研究【1 8 1 。在工程学与计算机科学的研究中引入博弈论是在上世纪九十 年代【1 9 1 。近十几年来，人们越来越热衷于将博弈论作为工具解决通信领域特别 是无线通信的问题，并进行深入分析和研究 2 0 l 。博弈论与资源分配的结合是始 于d g o o d m a n 在 2 1 19 首次提出c d m a 网络的非协作功率分配博弈的基本模 型。文中利用非协作博弈论构造出功率分配方案以最大化基于用户q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 的效用。 1 3 资源分配的研究进展 与固定的资源分配方式相比，根据信道质量的好坏自适应地分配资源，能够 获得显著的性能增益。无线网络中的各种系统存在不同的资源，与其相对应的资 源分配策略也各不相同，如功率分配、子信道分配、带宽分配、速率分配以及中 继选择等多种资源的分配方法。本文主要针对当中的功率和子信道这两种资源的 分配方式进行研究。 1 3 1o f d m 中继系统的资源分配 一、o f d m 系统的资源分配 在过去十年，关于o f d m 系统资源分配的众多研究已经证明了适当的资源 分配策略能有效提高系统性能。o f d m 系统的资源分配策略主要针对功率 ( p o w e r ) 、子载波子信道( s u b e a r r i e f f s u b c h a n n e l ) 、比特( b i o 、带宽( b a n d w i d t h ) 等资 3 中山大学硕士学位论文 源。资源优化的目标分别有最大化传输速率、最小化传输功率、满足用户某种 q o s 需求等。文献 2 2 1 提出了一个基于o f d m 系统移动速率的子载波和比特分配 周期( s b a p ) 。通过找出每个用户的最优s b a p 使系统总吞吐量最大化。文献 2 3 】 研究o f d m 下行链路的调度和资源分配问题包括用户子集的选择、决定现 有子载波如何分配给已选择用户以及考虑每个子载波的传输功率、编码和调制方 案，并针对该问题提出了最优和次优的算法解决。多用户o f d m 系统( 即o f d m a 系统) 中，同一个子载波对应不同用户的信道增益不同，适当的功率分配与子信 道分配策略能使系统获得多用户分集增益。文献 2 4 1 针对多用户o f d m 系统提出 了联合子载波和功率分配的算法。该算法以最大化总速率为优化目标，在总功率 限制下兼顾部分用户公平性。结果表明了该算法均优于之前的相关算法。 二、o f d m 中继系统的资源分配 关于o f d m 中继系统资源分配的文献到目前为止已十分多，比如文献 2 5 】 首先分析了o f d m 系统协作子载波对之间的最优功率分配以及子载波对的等价 信道增益模型。在此基础上提出了利用h u n g a r i a n 算法进行次优子载波对选择的 方法，可通过注水法( w a t e r - f i l l i n g ) 对已选择的子载波进行最优功率分配。仿真结 果表明，提出的功率分配算法比利用最优功率分配进行直接o f d m 传输的性能 要好，且可达到的系统容量比采用同一功率分配所达到的要高。文献 2 6 】提出 o f d m 中继系统中继节点( 源节点) 处的最优功率分配方法，用以最大化已有的源 节点( 中继节点) 功率分配的瞬时速率，并且通过源节点和中继节点之间的子信道 配对进一步提高速率。 但文献 2 5 】、【2 6 包括与其类似的文献中的资源分配方法大多都只涉及单个 小区的情况，而没有考虑到发生在多小区之间的共信道干扰问题。 1 3 2 基于博弈论的o f d m 中继系统资源分配 大部分基于博弈论的资源分配方法都是用于解决多用户间的公平性问题。可 利用博弈论进行优化的资源包括：传输功率、信道、传输速率、传输路由等。资 4 第一章绪论 源优化的目标主要包括：误码率、能量开销、传输延时、吞吐量等。所使用的博 弈模型主要分成协作博弈与非协作博弈模型。 一、利用博弈论解决o f d m 系统的资源分配问题 文献 2 7 】基于多小区o f d m a 系统，提出一个非协作博弈的分布式资源分配 迭代算法。文中构造了一个涉及小区间共信道干扰的系统性能效用函数，并证明 了该函数存在唯一的纳什均衡点。与之前不同，该文献的资源分配策略除了与功 率分配相关外还加入了子信道分配。文献 2 8 】针对o f d m a 系统的用户公平性问 题，提出一个利用协作博弈进行子载波、速率以及功率分配的算法。该算法能最 大化系统总速率的同时保证用户间的公平性。 中继技术的引入，使得o f d m 系统的干扰管理与资源分配的公平性问题更 为重要，然而过去的相关研究大多局限于传统的蜂窝网络，很少涉及到与中继技 术的结合。 二、利用博弈论解决o f d m 中继系统的资源分配问题 至今为止，利用博弈论解决o f d m 中继系统的资源分配问题的文献相对较 少。文献【2 9 】主要描述了o f d m a 中继系统下行链路的分布式功率分配算法。该 算法引入了非协作博弈，构造效用函数并使之最大化。文章着重点在第二子时隙 的功率分配方案，效用函数由直接用户和中继用户的两部分效用组成，两部分分 别进行优化。效用函数主要考虑节点容量和共信道干扰。中继节点的效用函数引 入了新的价格函数，使得中继节点的第二子时隙需要根据第一子时隙的链路质量 作调整。文章证明了该博弈的纳什均衡存在性。文献 3 0 】是【2 9 】的改进和补充。 【2 9 只考虑了第二子时隙的情况，而 3 0 】考虑了两个子时隙的情况。【3 0 除了证明 效用函数纳什均衡点的存在性外，还证明了纳什均衡的唯一性。 但是，这两篇文献均只针对功率进行优化，而没有考虑到子信道分配的问题。 5 中山大学硕士学位论文 1 4 本文结构和内容说明 本文主要研究多小区o f d m a 中继系统的资源优化问题，主要针对功率和 子信道这两种资源的分配以及两者的联合优化，资源优化问题将贯穿全文结构的 各个点。第一章介绍了本文的选题意义、o f d m 中继系统以及博弈论的研究背 景，分析了本文研究方向的国内外学术动态。第二章简要概述了o f d m 系统与 协作通信的模型以及相关知识，为本文研究的系统提供理论基础，同时也分别介 绍了它们各自的资源优化情况。在本章的最后一节，介绍了博弈论的基本原理以 及利用博弈论作为手段进行资源优化的应用。第三章研究的对象是多小区 o f d m a 中继系统。在该系统的中继技术中使用了一种不常用的中继协议，构造 出新的效用函数。针对由于共信道小区之间干扰引起的功率分配公平性问题、以 及在此基础上加入子信道分配以进一步提升系统性能，提出了博弈论功率分配与 子信道分配联合优化的资源优化算法。第四章是对第三章中提出的算法在 m a t l a b 平台上进行仿真，并对仿真结果进行比较与分析。第五章是全文总结， 主要包括本文重点研究内容的归纳、下一步研究工作的提出，以及本文研究成果 对于实际应用的展望。 6 第二章系统与相关知识概要 第二章系统与相关知识概要 2 1o f d m 系统 2 1 1o f d m 系统介绍 一、o f d m 系统基本原理 o f d m 是多载波调隹 i j ( m c m ，m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的一种具体形式。m c m 的基本原理是把高速比特流串并转换为多路低速比特流，再调制到不同的子载波 上进行并行传输。这样便能把一个宽带频率选择性信道分成多个窄带平坦衰落信 道，从而具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力，适合高速无线数据传输。 在理想传播条件下，各子载波一般是相互正交的。而o f d m 具有所有m c m 优 点的同时，还允许子载波在频域上相互混叠，因此比普通的m c m 具有更高的频 谱利用率【3 1 1 1 3 2 1 。 o f d m 发送端的基本原理如图2 一l 所示。将经过调制的输入数据进行串并 转换后得到个并行符号，然后将这个符号经i f f t 获得时域抽样值，再并串 转换后插入循环前缀( c p ) 形成时域样值序列，最后通过d a 变换便可得到o f d m 基带信号3 2 1 。o f d m 接收端的基本原理是发送端的逆过程，如图2 2 所示。 图2 1o f d m 系统发送端框图 图2 2o f d m 系统接收端框图 7， 中山大学硕士学位论文 二、o f d m 系统的优缺点 ( 1 ) o f d m 现已成为3 g 和4 g 的关键技术之一，受到如此高度的关注与重视， 源于它有以下的优点【3 1 1 3 1 】： 由于o f d m 具有能将色散的宽带信道转化为并行的窄带子信道的特点， 因此极大降低了接收机均衡的复杂度，这是o f d m 的一个最大优势； o f d m 可根据信道状态进行自适应调制，在窄带子载波间最优地分配功 率和速率。这是它的一个本质的特征，对其多径信道为频率选择性的宽 带无线系统尤为重要； o f d m 使用正交的子载波作为子信道，因此子信道在频率上可相互重叠， 这样便能最大限度地提高系统的频谱利用率，而且子载波数与频谱利用 率成正比； 一般情况下，无线数据业务下行链路中传输的数据量要比上行链路中的 数据量大，o f d m 则可通过使用不同数量的子信道来实现上下行链路 中不同的传输速率； o f d m 的系统模型结构简单，在发射端和接收端使用高效且易于实现的 i f f t f f t ，避免使用复杂的时域均衡器； o f d m 可与多种接入方式相结合，如o f d m t d m a 、o f d m c d m a 以 及o f d m a 。 ( 2 ) o f d m 技术具有众多优点的同时也伴随着一些缺点与不足，因此存在一定 的技术挑战【3 1 1 0 2 1 ： 1 峰均比( p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a r ) 较高。 峰均比是通信系统的重要指标，用于保证功放能高效工作。o f d m 系统的 峰均比随子载波数n 的增长而以近似线性的趋势增大。n 越大越能减小循环前 缀引起的开销，但与此同时产生的峰均比也非常高。从而可能会使信号产生畸变， 令信号的频谱发生变化，导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，甚至 使系统的性能恶化。另外，若峰均比较高则接收端的a d 变换器的分辨率也相 应要提高，这便增加接收机前端的实现复杂度，降低功放的有效性。 8 第二章系统与相关知识概要 2 对频率偏移很敏感。 由于o f d m 系统允许子信道在频域上重叠，因此要求各子信道严格正交。 由于无线信道的时变特性，在传输过程中出现发射机与接收机本地振荡器之间的 频率偏差，以及无线信号的频谱偏移，都会使o f d m 系统子信道的正交性受到 破坏，从而f f t 输出的样值就存在邻近信道间干扰。并且子载波数越大，则子 载波间更加靠近，因此邻近信道间干扰也越严重。 当给定子载波数时，可采用非矩形窗降低信道间干扰。 三、o f d m 的关键技术 ( 1 ) 同步技术 同步是o f d m 技术中的一个难点。在o f d m 系统中，n 个符号并行传输使 符号延续时间变长，因此，它对时间的偏差不敏感。对于无线通信系统来说，无 线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使子信道间产生干扰，导致 o f d m 系统子载波之间的正交性遭到破坏。另外，相位噪声对系统也有很大的 损害。其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，其二，由于相位误差导 致子载波的间隔不再是精确的l 厂r ，因此引入一定量的子载波间干扰。 o f d m 的同步常包括帧检测、载波频率偏差及校正、采样偏差及校正这三 个方面的内容。 同步有时间和频率的同步之分。时间同步的作用在于能找到f f t 窗函数的 正确起始位置。o f d m 系统将高速的数据流经过串并转换后变成速率低的数据 流，符号周期延长，因此对时间偏差不敏感。尽管时间偏差破坏子载波时间的正 交性，但是通常情况下可以忽略不计，时间同步比较容易实现；而o f d m 则对 频偏非常敏感。这是由于频偏能破坏子载波间的正交性，并且产生子载波间的干 扰。所以进行f f t 解调之前就必须估计出频偏并且对此进行校正。因此，频率 同步可以维持子载波的正交性，这对于o f d m 系统来说是十分重要，实现起来 也比较复杂【3 1 】【3 2 】。 ( 2 ) 降低峰均比 前面已经提及过，o f d m 系统存在峰均比较高的缺点。降低峰均比成为能 9 中山大学硕士学位论文 否充分发挥o f d m 优势的一大挑战。目前有很多方法可以解决这一问题，大致 可分为三类【3 1 1 3 2 1 ：1 信号预畸变技术。如采用有失真的非线性功放进行纠正、 限幅( 对高于某个门限值的信号进行削峰) 、峰值消除( 用互补信号抵消峰值) 、峰 值加窗。2 采用特殊的编码技术。3 在每个o f d m 序列中加入不同扰码，然后选 择峰均比最小的序列。 ( 3 ) 子信道分配 o f d m 将整个带宽分成一定数目的子信道给不同用户并行传输信号，因此， 每个用户的子信道分配方案恰当与否，直接影响系统的整体性能。在o f d m 系 统中，子信道分配主要有分组子信道分配和自适应子信道分配两种分配方式【3 1 1 。 分组子信道分配是将子信道分组分配给每个用户，这样可减轻因各信道能量 不均和频偏所造成的用户间干扰，但与此同时也容易使信号产生衰落。下图2 3 给出了两个分配方案f 4 】：子带方案( 图2 - - 3 a ) 和交织方案( 图2 - - 3 b ) 。子带方案 是将一组连续的子信道分配给同一个用户。而交织方案是将子信道交织集成一 组，每组分配给同一个用户。这样便产生了频率多样性，但信道估计比子带方案 要简单，因此交织方案更适用于固定无线通信。通过自适应子信道分配的o f d m 系统，其系统容量能显著提升，但自适应子信道分配中的无线链路需要信道反馈 信息，而子带方案则只需要较少的信息即可。 ( 曲 lljl ，) jlijli k xx xxxxx xk x 、 j ： jiji () lj c) ljl ) ji 厂 xx x 页xk x x x kk 、 一 t ：用户l l ? ：用户2 l t ：用户3 i 图2 - - 3 三个用户的子信道分配方案【4 l ，( a ) 为子带方案；( b ) 为交织方案 l o 第二章系统与相关知识概要 自适应子信道分配是基于信道性能的跳频技术。在移动通信中，由于各个用 户所处的位置不同，因此它接收到的信号强度也各不相同，从而信道衰落模式也 不可能完全一样。自适应子信道分配正是根据用户的信道特征选择对每个用户而 言信噪比最佳的信道。将该子信道分配方案应用于频率选择性信道中，则可以大 幅度地提高信号的接收功率，并且可以削弱频率选择性衰落所带来的影响【3 1 1 。 2 1 2o f d m a 系统模型及其优势 一、o f d m a 系统模型 在多用户o f d m 系统中，指定每个用户使用所有子载波中的一个( 或一组) ， 就可以得到一种多址接入方式，即o f d m a 。o f d m a 同时拥有o f d m 和f d m a 的特性，并且是择两者之优。o f d m 在一个时隙内传输数据给一个用户，然而 o f d m a 能在一个时隙内同时传输数据给多个用户。o f d m a 类似于常规的 f d m a ，但它不需要设置f d m a 中必不可少的保护频带，这样就避免了频带的浪 费，从而提高系统容量。图2 4 是o f d m a 系统下行链路的基带模型。从图中 可以看出，不同用户经过不同的多径衰落信道的信道响应是不同的。因此，一个 能最大化所有用户总体效用( 包括频谱效率、公平性、q o s 等方面) 的资源分配方 案，对改善整体网络性能尤为重要1 3 3 】。 发送给各 基站 叫搿忻 l 辟i 巫拶轭舯刊弱据 图2 4 o f d m a 下行链路基带模型【3 3 】 二、o f d m a 系统的优势 常见的多址技术有：时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 以及码分多址 ( c d m a ) 。对o f d m 系统应用这三种多址技术则得到三种相应不同系统： 中山大学硕士学位论文 o f d m t d m a 、o f d m c d m a 以及o f d m a 。在实际系统中，o f d m a 本质上 比o f d m t d m a 和o f d m c d m a 优越【3 l 【3 4 】： ( 1 ) o f d m a 系统能够以更小的时延( o f d m t d m a 的接入时延较长) 支持更多 的用户，保证了更好的数据速率，对具有不同q o s 需求的媒体应用极为重 要； ( 2 ) o f d m a 可根据用户业务量的大小灵活地动态分配子载波的数量，并且可 以在不同的子载波上使用不同的调制方式及发射功率，从而达到较高的频 谱效率； ( 3 )与t d m a 系统不同，o f d m a 系统可只分配- d , 部分频带来适应低速率的 用户，从而避免造成妨碍低速率用户的链路负载赤字； ( 4 )o f d m a 系统的子信道在多径信道中仍保持正交性。只要所有多径是在循 环前缀窗中，多径的数量就不会限制系统性能。因此o f d m a 对于多径效 应能维持良好的鲁棒性。这对多径效用非常普遍的宽带无线系统来说是一 大优势； ( 5 )o f d m t d m a c d m a 中每一个用户要在整个频带上传输信号，这导致当 信号经历深衰落和窄带干扰的时候平均值会下降。而o f d m a 却可以使不 同用户在不同的业务信道上传输数据，基于不同用户的信道状态获取频率 上的多用户分集增益( m u l t i u s e rd i v e r s i t y ) ，可对抗时间选择性和频率选择性 衰落，提高信道的利用效率。 2 2 协作通信 2 2 1 协作通信的概述 通信技术推动着人类进步，与此同时人们对信息数量和类型的需求也不断扩 张。单一的网络或技术已无法满足这一需求，这使得协作通信的思想开始萌发： 即将不同的个体终端、机制、技术以及系统有机结合，使他们实现各自运行时所 不能达到的整体性能。 协作通信的基本理论研究始于c o v e r 和g a m a l 关于中继信道的信息论特性 1 2 第二章系统与相关知识概要 研究。分析的对象是一个三节点网络模型( 包括源节点、中继节点和目的节点) 的 信道容量。他们研究出了几种特殊情况下的中继信道容量和一般情况下的信道容 量界，这便为中继通信奠定了基础理论，促进了协作通信的发展【3 5 】。 一、协作通信技术的特征 下面对协作通信的优缺点进行简单的介绍【3 5 】。 与不采用协作的系统相比，协作通信系统具有以下的优点：增加数据传输速 率，从而可降低用户的发送功率；减小数据速率对信道变化的敏感程度；可增加 蜂窝系统的小区覆盖半径：使移动终端的电池寿命延长。 然而，在协作通信技术的应用中，存在以下的挑战： ( 1 ) 协作中的用户必须具备检测信号的能力，这便增加了用户接收机的复杂 度。需要针对实际情况对复杂度与性能增益间进行折中； ( 2 ) 若要保证协作通信中的用户信息具有保密性，则需要用户在传输信息之前 进行加密，这也增加了系统的复杂度，并且现今没有任何调制技术能保证 传输信息的安全性； ( 3 ) 在m a c 层及其上层采用协作技术，仍存在许多问题有待深入研究。 二、协作通信的分层应用 协作通信的应用十分广泛，针对不同的层面有不同的应用方式p 6 】： ( 1 ) 针对单链路，可采用协作多输入多输出天线( a o 协作m i m o ，c o o p e r a t i v e m i m o ) 、协作多用户分集以及协作编码等； ( 2 ) 针对终端用户，可通过用户之间的协作，实现目标用户的高数据传输率、 解决传输时延等问题； ( 3 ) 针对接入网，可利用协作技术在多个无线接入网之间实现高传输速率与解 决网间传输瓶颈问题； ( 4 ) 针对核心网，可利用协作技术实现多核心网融合； ( 5 ) 对于网络中的不同层，需要使用不同的协作技术以构建一个综合性能优越 的无线通信网络。 中m 大学顿+ 学口论文 三、协作m i m o m i m o 技术是4 g 的关键技术之一。它在发射端和接收端同时使用多根天线 进行无线传输。m i m o 信道通过空问复用增益来提高信道容量，又利用空间分集 增益来有效消除无线信道多径、时变衰落带来的影响，这样便提高信号传输的可 靠性、降低误码率，从而极大地提高系统性能。然而通过m i m o 技术获得性能 增益的代价是增加安装多个天线所需要的空间和功耗，并且增加了多维信号处理 的复杂度。 协作m i m o ( c o o p e m t i v em i m o ) 的出现j 下好可以解决这一问题。协作m i m o 的基本原理是多个具备单根天线的坍作节点，既能传输自己的信息也能传输其它 节点的信息。这种技术实际上是利川各个节点的单天线构成一个多大线阵势，形 成一个虚拟m i m o 系统去获取m i m o 技术的众多优点。 2 2 2 三节点中继信道模型 如图2 5 所示，三节点中继信道模型分别由源节点s 、中继节点r 和目的 接收节点d 组成。 图2 5 三节点中继信道模掣 从图25 可以看到，中继信道分为两种子信道并采川相应不同的技术：从 源节点到中继节点和目的节点( 即s _ r ，d ) 的广播子信道，采用广播通信技术； 从源节点和中继节点到目的接收节点( 即s ，r _ d ) 的多址子信道，采用多址接入 技术， 由于设备的局限性，在中继节点采用全暇工模式进行信乜的接收与发送是不 第二章系统与相关知识概要 现实的。然而，为了避免收发信号的相互干扰，中继节点又必须在接收信道和发 送信道之间实现完全正交。正交性可表现在时域、频域或时频域上。目前，一般 采用时分双工模式解决这一问题，即将传输时隙分成两个子时隙，中继节点在第 一个子时隙接收信息，在第二个子时隙发送信息，从而实现半双工通信模式【3 5 】。 2 2 3 半双工协作中继的传输方案 协作通信中采用的中继传输方案主要可以分为解码一转发( d f ， d e c o d e f o r 姗耐) 中继方案与观测一转发( o f ，o b s e r v e f o n ) v a r d ) 中继方案两种1 】【3 5 1 。 一、解码一转发中继( d f 中继1 方案 d f 中继方案的工作原理是：中继节点r 对从源节点s 接收到的信号进行译 码，采用相同码本重复编码后再将信息转发给目的节点d 。r 将收到的由s 发送 的信号进行判决检测，并按原来的编码方式将判决后得到的信息发还给d 。该过 程通过在不同空间传输冗余信息得到性能的改善。要使这种方案能顺利进行，则 必须具备以下两个条件： 1 要求r 能正确接收来自s 的信息并对其进行解码、再编码、转发； 2 d 要接收来自s 和r 的信号并对此进行分集合并，这要求d 能正确解码。 若将单位传输时间平均分成两个子时隙进行数据传输，则d 收到的信号能 在时间上被区分开，可采用最大比合并方式获得时间分集增益。 d f 中继方案的信道容量受s - r 信道容量的制约。若s _ r 信道状态较差， r 就不能对接收到的信息进行解码，从而起不到协作中继的作用。因此d f 中继 方案适用于s r 信道状态较好的情况。 二、放大一转发中继( a f 中继) 方案 在o f 中继方案中，中继节点r 不对接收到的数据解码，而是进行简单的信 号级变换，然后直接将变换后的信号发送给目的节点d 。而o f 中继方案中最常 用的是放大一转发( a f ，a m p l i f y f o r w a r d ) * 继方案。 a f 中继方案的工作原理是：中继接收并直接放大从源节点收到的带有噪声 中山大学硕士学位论文