（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统上行无线资源分配算法研究.pdf

摘要 摘要 o f d m 技术有频谱利用率高和抗多径衰落等优点，因此已被公认为第三代移动通信系统长期演 进标准及第四代移动通信系统的核心技术。o f d m a 是基于o f d m 的一种多用户接入技术，在 o f d m a 系统中，各用户在不同的子载波上同时传输数据。m i m o 技术是一种综合利用多种分集的 新兴通信技术。它使用多根收发天线和数字信号处理技术来实现无线环境下的高速、宽带、可靠通 信，是一种很有前景的无线通信技术。对于下行o f d m a 系统，已经证明最优的分配方式是将载波 分配给信道增益最好的用户。功率的分配则服从注水定理；然而，对于上行o f d m a 系统。由于用 户所存在的分布式功率限制，使得下行所采用的分配策略并不适用于上行。本文对m i m o o f d m a 系统中的上行自适应资源分配算法进行了研究。全文的主要工作如下： ( 1 ) 对前人在o f d m a 系统自适应资源分配算法方面的研究成果进行了总结，归纳了常见的上下 行资源分配优化准则，对单用户和多用户系统中的常见的资源分配算法进行了研究。 ( 2 ) 对上行o f d m 系统资源分配问题进行了研究。将上行资源分配问题描述为有功率约束地载波 资源使用竞争的情形，竞争造成了冲突。而冲突就需要有效地方式来进行裁决，因此文中提出了一 种基于仲裁的多用户上行o f d m a 系统资源分配算法。该算法利用用户信道之间独立性，充分考虑 频率选择性差异，获取尽可能多的多用户分集增益。 ( 3 ) 对m i m o o f d m 系统中的自适应资源分配问题进行了研究。文中将m i m o 空间信道进行了 等效，在原有仲裁的基础上，考虑用户缓存队列大小约束和最小速率需求，提出一种既符合用户不 同的最小平均速率要求，又能保证一定公平性的跨层仲裁算法。该算法在性能和计算复杂度方面都 比前人算法有较大优势。 关键词：正交频分多址接入。自适应资源分配，公平性，非实时业务，仲裁，多输入多输出上行 a b s t r a c t a b s t r a c t o f d mh a sb e e ni d e n t i f i e da st h ec o r et e c h n o l o g yi nl t ea n d4 gf o ri t sh i g ls p e c t r a le f f n c i e n c ya n d a b i l i t y i n m i t i g a t i n gt h e e f f e c t so fm u l t i - p a t hc h a n n e lp r o p a g a t i o n b a s e d0 1 1o f d m ，o f d m ai sa p r o m i s i n ga c c e s sm e t h o dw h i c ha l l o w sm u l t i p l eu s e r st o t r a n s m i ts i g n a l ss i m u l t a n e o u s l yo nd i f f e r e n t s u b c a r r i e r s m i m ou s i n gm u l t i p l et r a n s c e i v e ra n t e n n a sa n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s st oa c h i e v eh i 曲一s p e e d , b r o a d b a n da n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n s 。w h i c hh a sb e e ni d e n t i f i e d 雒ap r o m i s i n gt e c h n o l o g yo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n f o rt h ed o w n l i n k ，i th a sb e e na c c e p t e da sa l lo p t i m a ls o l u t i o nt h a te a c hs u b c a r r i e ri s a l l o c a t e dt ot h eu s e rw i t ht h eb e s tc h a n n e lc o n d i t i o na n dp o w e ri sa l l o c a t e db yw a t e r - f i l l i n go v e r s u b c a r r i e r s h o w e v e r , i ti sn o tt r u ei na nu p l i n ko f d m as y s t e mw h i c hh a sd i s t r i b u t i v ep o w e rc o n s t r a i n t s t h ea 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 sf o ro f d m a s y s t e m si nt h eu p l i n k are s t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t so fa d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d m as y s t e m sa l es u m m a r i z e d ， i n c l u d i n gt h ec o m m o no p t i m i z a t i o nr o l e sa n dt h er e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e si nb o t hs i n g l e - u s e ra n d m u l t i p l e - u s e rs y s t e m s ( 2 ) t h er e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e ma b o u tt h eo f d m as y s t e mi nt h eu p l i n kh a sb e e ns t u d i e d w e f o r m u l a t et h eu p l i n ko p t i m i z a t i o np r o b l e ma st h ec o n d i t i o n so fr e s o u r c ec o m p e t i t i o n ；c o m p e t i t i o nc a u s e d c o n f l i c t s ，s oi ti sn e c e s s a r yt od e t e r m i n et h eu s eb ya r b i t r a t i o ne f f i c i e n t l y a na r b i t r a t i o nm e t h o dh a sb e e n p r o p o s e db a s e do nt h ei n d e p e n d e n c eo fu s e r s r a d i oc h a n n e l i no r d e rt oa c q u i r em o r em u l t i - u s e rd i v e r s i t y , b o t l lt h ep o w e rc o n s t r a i n t sa n dt h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v e l yd i f f e r e n c ea m o n gu s e r sh a sb e e nc o n s i d e r e d ( 3 ) t h ea d a p t i v el e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e si nm i m o o f d ms y s t e m sa r es t u d i e d i nt h i sp a p e r , a n e q u i v a l e n tm e t h o da b o u tm i m o h a sb e e nu s e d a n dw en o to n l yu s et h ea r b i t r a t i o nm e t h o dt od r i v et h e w h o l et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e ，b u tt h em i n i m u ma v e r a g er a t er e q u i r e m e n t sa n dt h ef a i m e s sh a v eb e e n c o n s i d e r e d 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 ea r b i t r a t i o na l g o r i t h mh a sm u c hl o w e rc o m p l e x i t yt h a nt h e o r i g i n a lo n e ，w i t ha l m o s tn od e g r a d a t i o no fp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：o 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 ，p r o p o r t i o n a lf a i m e s s ，n o n - r e a l t i m es e r v i c e ， a r b i t r a t i o n ，m i m o ，u p l i n k i i i 插图目录 插图目录 图2 1 频率选择性信道下的载波增益1 0 图3 1o f d m 的系统模型1 1 图3 2o f d m 插入循环前缀1 2 图3 3 自适应o f 【 m 系统框图1 3 图3 4 注水功率分配流程图。1 6 图3 5 注水功率分配原理图1 6 图3 6 两用户多址信道容量域示意图1 9 图3 7o f d m a 利用多用户分集示意图2 l 图3 8 下行o f d m a 系统发射框图。2 2 图3 - 9 上行o f d m a 系统发射框图2 6 图3 1 0 注水线与载波增加的变化关系3 0 图3 1 1 等效信道增益概念31 图3 1 2 多用户注水原理图。3 2 图4 1 用户吞吐量随着载波分布的变化关系3 6 图4 2 初始载波分配流程。3 9 图4 3 上行o f d m a 系统子载波分配流程图4 0 图4 4 快速比特分配的算法流程图4 2 图4 - 5 各算法吞吐量随着用户数的变化曲线。4 3 图4 6 各算法仿真时间与用户数的变化关系曲线。4 4 图4 7 各算法仿真时间与载波数的变化关系曲线4 4 图4 8 各算法吞吐量与载波数的变化关系。4 5 图5 1 空时编码基带系统模型。4 8 图5 2 单用户上行2 x 2 发射框图4 9 图5 3o f d m a 系统自适应跨层模型5 2 图5 4 跨层分配算法流程图。5 4 图5 5 基于仲裁的跨层分配流程图5 6 图5 6 不同算法下用户占用子载波的比例5 7 图5 7 不同算法下用户实际传输量占各缓存队列大小的比例一5 7 图5 8 系统吞吐量与用户数的变化关系5 8 图5 - 9 系统吞吐量与数据到达率之间的关系5 8 图5 1 0 各用户最小平均速率需求5 9 图5 1 l 各算法平均性能5 9 v l l 缩略语 a m c a p f b e r c d m a d c a f i f o m a c m s p f s q o s 3 g t d d f d m a o f d m a i s i 丌u l t e m a x c i m c s m 蹦o m s o m m p d p p f p s q a m q o s q p s k p d f r r m s n r s i n r s i r 缩略语 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a d a p t i v ep r o p o r t i o n a lf a i r n e s s b i te r r o rr a t 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 y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t m e d i a ma c c e s sc o n t r o l m o b i l es t a t i o n p r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n g q u a l i t yo fs e r v i c e n et h 硼g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 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 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 i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 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 n su n i o n l o n gt e r me v o l u t i o n m a x i m u mc a r r i e r - t o i n t e r f e r e n c er a t e m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e m u k i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m 0 b i l es t a t i o n 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 p o w e rd e l a yp r o f i l e p r o p o r t i o n a lf a i r p a c k e ts w i t c h 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 q u a d r a t u r ep h a s es h i rk e y i n g p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t s i g n a lt on o i s er a t e s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o i x 自适应调制编码 自适应比例公平 误比特率 码分多址 动态信道分配 先进先出 媒体接入控制 移动台 比例公平调度 服务质量 第三代通信系统 时分双工 频分多址 正交频分多址 码间干扰 国际电信联盟 长期演进 最大载干比 调制编码方式 多输入多输出 移动台 正交频分复用 功率时延谱 比例公平 分组交换 正交幅度调制 服务质量 正交相移键控 概率密度函数 无线资源管理 信号噪声比 信号干扰噪声比 信号干扰比 缩略语 t d d t d m t d m a u e r a m a w f m u d s d m a 4 g c s i d f r f f r ) f r 唧 s v d d o a t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s u s e re q u i p m e n t r a t ea d a p t i v e m a r g i na d a p t i v e w a t e r - f i l l i n g m u l t i - u s e rd e t e c t i o n s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 4 t hg e n e r a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i s c r e t ef o u r i e rt r a m f o r m f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 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 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o m s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n d i r e c t i o n0 f a r r i v a l x 时分双工 时分复用 时分多址 用户设备 速率自适应 裕量自适应 注水 多用户检测 空分多址 第四代移动通信系统 信道状态信息 离散傅立叶变换 。快速傅立叶变换 离散傅立叶逆变换 快速傅立叶逆变换 奇异值分解 波达方向 东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 卑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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、缩印或其他复制手段保存论文。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) 授权东南大学研究生院办理。 e t 期：2 卫， 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 无线通信技术的日新月异是人类文明发展和社会进步的一个重要表现。自1 8 9 7 年马可尼在英格 兰海峡展示无线通信的魅力开始，无线通信技术的发展己经经历了一个多世纪。在这一百多年里， 随着数字技术和集成电路制造技术地进步。无线通信技术在人类社会的各个方面得到了无处不在的 应用。与此同时，在无线通信技术的推动下，无线网络的研究和应用也得到了高速发展。迄今己经 有三代移动通信系统投入商用，这包括以时分多址( t i m ed i 、，i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 和频分多 址( 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 ，f d m a ) 为主要接入方式的第一代、第二代移动通信系统和基 于码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 技术的第三代移动通信系统【l 】，而基于正交频分 复用( 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 卸l e x i n g ，o f d m ) 技术的第四代移动通信系统【2 】【3 】【4 】【5 】和宽 带无线接入系统( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 6 7 8 也已经在世界各 地开始了研究和试验。可以相信，随着无线通信技术和无线网络的发展，人类离通信技术发展的最 终目标：任何人( w h o e v e r ) 在任何时候( w h e n e v e r ) 可以与任何地方 m 蹦w 呐的任何a ( w h o m e v e r ) j 挂 行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信 传输速率的高速化是无线网络技术追求的永恒目标之一。第一代模拟系统仅能提供语音服务， 不能传输数据；第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9 6 k b i t s ，最高可达3 2 k b i f f s ；第三 代移动通信系统数据传输速率最高可达到2 m b i t s ，高速移动时能达到1 4 4 k b i t s 的峰值速率；正在 研制的以o f d m 为关键技术的第四代移动通信系统普遍能够达到1 0 m b i t s 至1 0 0 m b w s 的峰值速率。 随着传输速率的不断提高，承载业务的多媒体化和多样化成了无线网络技术追求的另外一个目标。 第三代通信系统已经能够支持图像传输、视频流传输、互联网浏览和电子邮件等多媒体业务，而且 还支持全球定位、股票交易、银行业务和网上购物等多样化的业务。随着无线应用的不断普及，人 们对无线通信的期望和要求也越来越高，因此，未来的无线网络必须有能力容纳更多的用户，提供 更好的服务质量以及支持更加多样化的业务，这也是无线通信和无线网络领域科研人员必须要面临 的一个重要问题。 另一方面，无线网络技术的发展受到频谱资源和无线信道的严重制约。不同于有线光纤通信具 有非常大的传输带宽，无线系统由于受到射频器件技术的限制，其可用的频段和带宽是非常有限的。 第二代通信系统可使用的频段只有9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 两个，带宽仅仅只有数1 0 k h z ：第三代通 信系统使用的频段是2 g h z ，带宽也只有5 m h z ；而第四代移动通信系统和宽带无线接入系统能使用 的带宽也仅为数1 0 m h z 。另外，无线信道是开放的媒质，存在严重的干扰、衰落以及噪声，尤其是 当接入设备高速移动时，因多普勒频移引起的时间选择性衰落和因多径引起的频率选择性衰落将大 大影响通信质量。因此。在有限的带宽以及恶劣的无线信道上提供高速的传输速率，给无线通信和 无线网络技术的发展带来巨大的挑战和机遇。 东南大学硕士学位论文 1 2 研究背景 随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量要求在迅速增长， 多入多出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 和正交频分多址复用( 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 nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 相结合的多用户m i m o o f d m 技术受到广泛关注。多用户 m i m o o f d m 技术为每个用户提供部分可用子载波来实现多址接入，通过o f d m 调制把频率选择 性m i m o 衰落信道分解成一组平行的平坦衰落信道，又利用m i m o 提高了信道容量。在固定调制 方式的多用户m i m o o f d m 系统中，为了满足系统性能的要求，通常根据衰落最大的子信道确定 发射端子载波、功率和比特分配。但是无线信道具有频率选择性，不是所有的子信道都同时处于比 较深的衰落情况中，因此采用自适应的子载波、比特和功率分配算法，即根据各个用户的信道状态 信息、用户需求以及传输比特等为每个用户分配子信道，然后在信道增益好的信道上分配更多的比 特和功率，在衰落比较严重的信道上分配相对少的比特和功率，实现自适应调制，这样不仅可以减 少用户间的干扰，更重要的是，可以提高系统的频谱效率，从而充分利用信噪比高的子信道来提高 系统性能。 o f d m 技术是多载波技术的一个特例，它将高速的数据流分成若干个低速的子流，并在不同的 子载波上分别传输。这样每个o f d m 符号的周期将远大于数据符号的周期，符号间的干扰问题将得 到大大的缓解：另外，如果在o f d m 符号中添加循环前缀( c y c l i cp r e f i x 。c p ) ，并且循环前缀c p 的长度大于信道的最大时延扩展，那么码间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 。i s l ) 可以完全消除。此 外，o f d m 将宽带信道分割成若干个并行的窄带子信道，如果子载波间隔足够小，那么每个子载波 上的信道可以是平坦的，每个子载波上的信号将经历平坦衰落，那么每个子载波上的信号均衡就变 得非常简单。另外，由于o f d m 的各个子载波上的信道衰落相对独立，可以在不同的子载波上采用 不同的调制编码方式，实现功率的更有效利用，从而进一步提高系统的传输效率。同时，在多用户 o f d m a 系统中，通过频率域的多用户调度，可以获得多用户分集的增益，提高系统的传输效率。 可见o f d m 非常适合宽带信道的高速数据通信。但是o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的， 所以在o f d m 的基础上合理开发空间资源，也就是m i m o + o f d m ，将是一个很好的解决方法，它 可以提供更高的数据传输速率。 m i m o 技术通过在发射端和接收端同时配置多个天线，可以大幅度地提高信道的容量。理论证 明，当m i m o 信道的天线间的信道衰落彼此独立时，信道的容量和收发两端的最小天线数成正比。 可见，m i m o 对系统容量的提高是很显著的，也正因为如此，m i m o 技术也是4 g 系统的关键技术 之一。和其它传统的技术相比，m i m o 并不需要对抗多径衰落效应，相反m i m o 系统在一定程度上 可以利用传播环境中丰富的多径分量来提高信道的容量。但是对于频率选择性衰落，m i m o 系统依 然是无能为力。m i m o 和0 f d m 可以很好地结合，o f d m 将宽带的信道划分成若干个相互正交的 平坦子信道，在每个子信道上可以进行独立的m i m o 信号处理，这样可以大大简化频率选择性 m i m o 信道中的检测和均衡：而m i m o 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据 流，同时还可以在每个子信道上进行独立的调制和编码，使信道的传输速率尽可能地逼近m i m o 信 道的容量，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。将 o f d m 和m i m o 两种技术相结合能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集 2 第l 章绪论 实现很强的可靠性。 在m i m o o f d m 系统中应用自适应技术，能充分利用空间、时间和频率维上的自由度，可以 设计更为灵活的传输结构、可调整的参数更多，当然推导和实现也更为复杂。在多用户情况下，由 于不同用户所处位置的随机性大多数用户之间所经历的信道衰落状况往往是独立的。在某个时刻 或是某个子载波上，某些用户可能正处于深度衰落当中，不适于在信道上传输数据。而与此同时， 很可能会有另一部分用户信道状况比较好。因此。在多用户环境中存在着一种所谓的“多用户分集” 效果。在上行情况下，由于存在分布式的功率限制，载波数的不同、载波增益的不同。将影响着功 率的不同配置，进而影响着系统吞吐量的变化，这些变化使得最优情形的实现变得非常困难。 无线资源的自适应分配可分为上行和下行( 反向和前向) 两种不同方式进行。前者对应于上行 多址接入信道( m u l t i - a c c e s sc h a n n e l ，m a c ) ，后者对应于下行的广播信道( b r o a d c a s tc h a n n e l ，b c ) 。 多址接入是无线网络中非常重要的一项技术，它提供了多个用户共享无线信道的方式，自适应资源 分配的最小单元与所采用的多址方式有关。早期的多址接入方式包括时分多址f f d m a ) 、频分多址 ( f d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，这些多址接入技术普遍被应用到了第二代和第三代移动通信系统。在 第四代移动通信系统以及宽带无线接入系统中，o f d m 是一种关键的物理层调制解调技术，基于 o f d m 的多址接入方式主要包括o f d m - t d m a , o f d m - c d m a ( 也称m c c d m a ) 以及o f d m a ， 其中在o f d m a 方式中，各用户分别占用不同的子载波并且在所选择的时隙上进行发送。o f d m a 方式具有可分级的资源粒度，时域和频域信道组合灵活等特性，非常适合于在下一代无线网络中应 用。在采用多天线的系统中，空分多址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s d m a ) 是增强系统容量的一 种接入方式，在s d m a 中，具有不同波达方向( d i r e c t i o no f a n i v a l 。d o a ) 的用户可以同频同时发送， 基站通过阵列信号处理的方法来分离不同用户的信号。 1 3 资源分配技术的研究现状 在多用户系统中。由于不同用户所处位置的随机性，大多数用户之间所经历的信道衰落状况往 往是独立的。在某个时刻或是某个子载波上，某些用户可能正处于深度衰落当中，不适于在信道上 传输数据。而与此同时，很可能会有另一部分用户信道状况比较好。因此，在多用户环境中存在着 多用户分集。如果我们能够在发射端获得不同用户的信道状态信息，我们就可以将资源合理地分配 给适宜传输数据的用户，从而获得多用户分集增益。当系统中用户数越多时，某个时刻或某个频率 上，越有可能有用户处于很好的信道状况，如果让其占用信道进行传输，那么能够获得的增益也就 越大。 多用户信息理论的研究进展为我们设计无线网络中的资源优化分配策略提供了非常可靠的理论 依据和指导思想。无线资源诸如子信道、功率比特的分配被认为是一种能够动态提高系统吞吐量和 满足用户不同服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 要求的有效方式。在无线通信系统中，用户信道 具有时变和频变的特性，如果采用静态的时分多址( t d m a ) 或者频分多址( f d m a ) 作为多址接 入方式，预定时隙或者频段用于o f d m 的数据传输，将造成载波和时隙的严重浪费；并且当用户在 指定频段或时隙存在着严重的衰落情形时，将造成严重的误码和吞吐量的降低。然而，在多用户情 况下由于用户信道之间的独立性，所有用户均处于深衰落的概率非常低，因此在多用户o f d m 系 3 东南大学硕士学位论文 统中，一个关键性的问题就是如何动态的分配载波，以获得多用户分集增益。d a v i d t s e 等【9 】研究了 衰落多接入信道的容量区，并且将多用户分集调度一般化，提出了达到衰落多接入信道容量区任意 边界点的信道分配和功率分配方法。g o l d s m i t h 等 1 0 贝j j 研究了衰落广播信道的容量区和资源分配方 法。文献【1 1 】【1 2 】分析了多用户下的多址接入信道容量域问题，指出多用户下的容量是一个多矩阵胚 结构，其最大化的分配可以通过贪婪注水算法得到。该思想可以认为是单用户注水到多用户注水的 过渡，但只是理论的分析，没有给出实际的解决方法。文献【1 3 】【1 4 】【1 5 】基于多用户下的o f d m a 不 同目标分析了下行的速率自适应( r a t ea d a p t i v e ，r a ) 、裕量自适应( m a r g i na d a p t i v e ，m a ) 和比例 公平( p r o p o r t i o nf a i r , p n 算法，文献中指出下行子载波的分配应该以用户的信道增益最大为标准，为 简化问题的分析，将优化问题分为两个步骤完成，即首先进行子载波的分配，然后在进行功率比特 的分配。但由于上下行有着不同的功率限制，基于最大信道增益的选取标准对于上行并不适用，且 上行中不能将功率和载波资源的分配独立开来。文献【1 6 】【1 7 】讲述了一种基于裕量速率最大化的上行 o f d m a 资源分配算法。它通过对目标函数( 最大化系统吞吐量) 的k k t 条件求解，得出了一种次 优的资源分配标准。并以此标准提出了一种新的算法：贪婪载波分配。在资源的分配过程中不仅考 虑载波的信道增益，而且还考虑用户的功率分布，用户每分配一个载波都要进行功率的注水，然后 以信道增益与功率的乘式大小为选取标准，进行逐个的载波分配，最后给出用户的载波和功率的分 配结果。该方法能够有效地达到系统最大吞吐性能，但是复杂度达到o ( k n 2 ) ，不能满足高速无线 通信的需要，同时由于没有考虑数据缓存的大小，存在着载波资源浪费的情形。针对上述分析，我 们提出一种基于仲裁的快速载波比特功率分配算法。该算法能够在满足多用户的最小速率需求下最 大化系统的吞吐量。 1 4 论文的组织结构 本文对上行o f d m a 系统中的自适应资源分配算法进行了研究，并针对非实时业务系统提出了 基于仲裁的跨层资源分配算法。此外对m i m o o f d m 系统中的自适应资源分配算法也进行了研究。 论文各章节的安排如下： 第一章是绪论，简要介绍了研究背景与资源分配技术的研究现状法，并对全文内容安排进行了 说明。 第二章是无线信道建模介绍，简要分析了无线信道的特征、无线信道的建模方法等。 第三章是o f d m 系统资源分配算法介绍，从单用户o f d m 系统到多用户o f d m 系统、从下行 多用户o f d m 系统到上行多用户o f d m 系统进行资源分配方法的阐述，逐步引入到我们的研究目 标上来，为第四章的介绍打下基础。 第四章是在第三章上行o f d m 系统模型分析的基础上提出的一种用于解决资源使用冲突问题 的仲裁策略，仿真中将该方法与已有的上下行算法进行了比较。 第五章以第四章为基础，并引入了m i m o 多天线技术，加强了与实际业务的联系，考虑了实际 业务中的q o s 要求，提出一种基于跨层的仲裁方法，并通过仿真验证了该方法的可用性。 第六章是对全文的总结以及对未来的展望。 4 第2 章移动无线信道 第2 章移动无线信道 无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输。信道性能的好坏直接决定 着人们通信的质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽可能的高质量、大容量传输有用的信息就 要求我们必须是很清楚的了解信道的特性。然后根据信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰弱措施。 来保证传输容量方面的要求【1 8 】。不断增长的用户数和更高的q o s 要求，要求蜂窝无线通信系统采 用新的传输技术和改善现有的无线资源管理策略。为了能够实现这些目标，多项技术已经被人们所 看好，将很有希望成为未来移动通信系统架构中的关键技术，这其中就包括能有效克服多径衰落， 提高传输速率的正交频分复用( o f d m ) 技术，能有效改善系统性能或显著提高系统容量的多进多出 ( m u l t i p l e 1 n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ，m i m o ) 技术，以及随着信道的变化调整系统传输参数和结构以适应 无线环境的自适应技术等。 2 1 移动无线信道特征 无论哪种通信系统，其性能都与对应的信道特性密切相关，对任何移动通信系统的研究也都必 须建立在特定的无线信道特性基础上。无线信道特性决定着m i m o o f d m 系统的整体性能，所以 对它的全面了解将有助于研究m i m o - - o f d m 系统。理想的无线信道中接收信号是由单一的直接 传播路径信号构成的，而在实际无线信道中，信号在传输过程中将发生变化。接收到的信号是传输 信号经过衰减、直接传输、反射、折射、衍射、信道噪声以及其他干扰信号等组成的复合信号，如 果发射机或接收机处于移动状态，则复合信号的波形还要发生频率偏移 1 8 1 1 1 9 。 无线移动信道的主要特征就是多路径通过发射、折射、散射、衍射等各种方式共同作用在所传 播的信号上，同一发射信号就会沿着多条不同的传播路径，以不同的时间到达接收端。这些沿不同 路径到达的波，称为多径波。由于不同路径的信号的传播距离和传播时延不同，到达接收机时的相 位也就不同，从而使接收信号的幅度有时同相叠加而增强，有时反向叠加而减弱。这样，接收信号 的幅度就会剧烈变化，从而发生畸变和衰落，称为多径衰落。 无线信道是衰落信道。无线电波通过移动性到时会遇到各种建筑物、树木、植被以及地形起伏， 引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕射等，遭受来自不同途径的衰减损害，这些损害 可以归纳为三类： 路径传播损耗：它是指电波在空间传播时所产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围( 即公里 量级) 的空问距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 阴影衰落：它是由于在电波传输路径上收到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的 损耗。它反映了中等范围内几百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般服从对数正态分 布，其变化较慢。 多径衰落损耗：它主要由于多径传播而产生的损耗，它反映微观小范围内几十波长量级接收电 平的君子变化而产生的损耗，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，其衰弱特性一般服从瑞 s 东南大学硕士学位论文 利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c i a n ) 分布。 无线信道对无线通信系统呈现着基本的限制。与有限信道不同，无线信道经历着从视距通信 l o s ( l i n eo fs i g h t ) 到完全被建筑物、山体等阻隔的非视距通信n l o s ( n o n l i n eo fs i g h t ) 的变 化。由于多径传播，接收信号将是传输信号的多个延迟和衰落副本的叠加。此外，由于移动用户的 运动或环境的相对运动，无线信道又是随着时间变化而变化的。典型的，存在着两种衰落模型：大 尺度传播损耗模型和小尺度多径衰落模型。大尺度传播损耗是由于路径损耗和阴影衰落引起，一般 其变化较慢，可以通过功率控制补偿。小尺度衰落是由于信号从不同的反射和散射路径到达接收终 端，而这种传输特性使在接收终端信号呈现为矢量叠加特性，使信号在小范围内引起剧烈的波动。这种 衰落表现为随机性的，只能用统计的方法做定性的描述。基于对传播空间环境的统计特征，小尺度衰落 可以用r a y l c i g h 分布、r i c e a n 分布、n a k a g a m i m 分布，以及其他混合分布来描述。由于这种衰落 的随机特征，从实现角度来说，用提高信号能量的方法是无法克服的。所以小尺度衰落是通信质量的主 要制约因素。亦是导致系统复杂的主要原因。 2 1 1 大尺度传播损耗 基于理论分析或者实际测量的传播模型都表明平均接收信号的功率随着室内或室外的距离对数 的减少。对于任意的收发分离情形，平均大尺度路径损耗通