（通信与信息系统专业论文）小区间干扰抑制方法的研究.pdf

中国科学技术大学学位论文相关声明 本入声明所莹交的学位论文，是本入在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所徽的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盥蕴 z t d 7 年f 局弓d 日 小区问干扰抑制方法的研究 摘要 多小区系统由于采用频率复用技术会不可避免的产生共道干扰( c c i ) ，从而使得整个系 统干扰受限。c c i 会严重削弱0 f 瑚系统所带来的高频谱效率优势。同时，未来新的移动通 信系统中，发射规载波频率的提离，使得小区半径变小。引起了多小区结构的变化，未来新 的移动通信系统中的c c i 抑制将成为一个重要的研究方向。在传统的无线通信系统中，空中 接口的高层协议是简单的分层结构，每层进行独立的设计和操作，各层问的接口是静态的 这种设计方法简化了网络设计，具有较好的通用性。但是无线通信环境具有快速变化的特性， 而基于分层结构的协议只能在相邻层之间以固定的方式进行通信。这样，现有的协议就无法 灵活的适应无线移动环境的变化。为了解决这个闫题，提出了跨层反馈机制，印通过协议各 层之间传递特定的信息来协调协议各层之间的工作，实习l , x c 资源的自适应优化配置 本文从新型无线覆盖方法和资源分配的角度出发研究了多小区系统的c c i 抑制方法，将 跨层资源分配方法引入多小区o f i ) m a 系统中，提出能有效抑制多小区干扰的资源分配方案。 首先分析了0 f 咖系统的资源分配方法。介绍了单用户的灌水功率分配算法；介绍多用 户的子载渡、比特和功率分配的最优算法和次优快速算法，并通过仿真比较分析了算法在单 小区环境和多小区环境下的性能，仿真结果表明了小区间干扰抑制的重要性。 然后介绍了能有效减小c c i 的新型无线覆盖方法。包括分布式蜂窝移动网络、群小区结 构和新型正三角形小区结构，通过仿真比较了新型无线覆盖方法的性能，仿真结果表明了新 型无线覆盖方法能有效减小c c i 从而提高系统的性能。 最后提出了一种多小区o 即醯矗系统的跨层孑信道分配方案。该方案包括r n c 的跨层子信 道分配算法和b t s 的跨层子信遒分配算法：r n c 的算法在每个超帧调度一次，将各个子信道 分配给各个b t s ：b t s 的算法在每帧调度一次，将r n c 分配给该b t s 的子信道分配给该小区 内的用户。仿真结果表明，相对于传统分层结构的资源分配方法，这种跨层资源分配方法能 有效抑制c c i ，从而提高多小区0 f d i l a 系统给定服务质量( q o s ) 下的吞吐率。 关键字：多小区，c c i ，跨层，资源分配 小区间干扰抑制方法的研究 a b s 灯a c t a b s t r a c t a st h el a n dm o b i l er a d i o f r e q u e n c ys p e c t r u mh a sb e c o m eo v e r c r o w d e d ，c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ( c c l ) h a sb e c o m et h er u l e ，r a t h e rt h a nt h ee x c e p t i o r ld e s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c ec a l k 镕 9 响u sd e g r a d a t i o nt ot h ed e s i r e ds i g n a l 。o re v i lb l o c k si t 。m e a n w h i l e ，t h ef r e q u e n c yo fc a r r i e r w i l lb ek g h e ra n dt h ed i a m e t e ro f c e l l u l a rw i l lb eb i g g e r t h i sw i l ll e a dt oc h a n g eo f c e l ls t r u c t u r e c o - c h a r m e li n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i n gw i l lb e a l l i 瑚p c f t 撇t r e s e a r c hl l e ao fi n m r ew i 嘏l e 醛 c o n m m n i e a f i o n l a y e r i n gi sac o m n l o np r i n c i p l ei nt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s , i m p l e m e n t e di nt h ep r o t o c o ls t a c k ：t op a r t i t i o nn e t w o r kf u n c t i o n si n t ol a y e r s ，a n d 协d c s i 窨n e a c hl a y e rs e p a r a t e l y t h ew e l l - k n o w na d w a n t a g eo ft h el a y e r i n gl i e si nt h ec r e a s o no f s t a n d a r dm o d u l a rc o m p o n e n t sf o rs e p a r a t ea n di n d e p e n d e n td e s i g n ，t h u sg i v i n gf u l l a b s t i a c t i o na n ds i m p l i f y i n gi n t e g r a t i o n h o w e v e r , t h ew i r e l e s sc h a n n e li sc o m p l i c a t e da n dt h e l a y e r e dp r o t o c o ls t a c km a yn o tw o r ke f f i c i e n t l y c r o s s l a y e rd e s i g ni si n t z o d u c c d i n c r o s s - l a y e rd e s i g n ，i n f o r m a t i o no fs o r t i el a y e r s ；8a l l o w e dt oa c c e s s e db yo t h e rl a y e r s i ti s m o l ee f f i c i e n tf o ra d a p t i v er e s o t l r c ea l l o c a t i o n t h et h e s i sf o c u s e s0 1 1c o - c h a n n e li n t e r f e r e n c es u p p r e s s i n gb ya d a p t i v el e s o u r c ea l l o c a t i o n c r o s s - h y e rd e s i g ni si n t r o d u c e dt om u l t i - c e l lo f d m as y s t e m s ac r o s s - l a y e rs u b c h a n n e l a l l o c a t i o ns c h e m ei sp r e s e n t e d f i r s t l y , t h et h e s i sd e s c r i b e sp o w e ra l l o c a t i o ni ns i n g l e - c e l lo f d ms y s t e m s t h et h e s i s d e s c r i b e sw a t e r - f i l l i n gp o w e ra l l o c a t i o nf o rs i n g l e - u s e r t 抽礼t h et h e s i sd e s c r i b e sb i t , s u b c a t r i e r a n d p o w e ra l l o c a t i o n f o r m u l t i - u s e r t h e p e r f o r m a n c e i sa n a l y z e d b ys i m u l a t i o n f u 蕊e r m o l e ，t h ed e s c r i b e sn o v e lc e l ls w u c t u r ef o rf u m 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 ep e r f o r m a n c eo f t h en o v e lc e l ls t r u c t u r ei sa n a l y z e db ys i m u l a t i o n h lt h et h e s i s 。w ep r e s e n tac r o s s - l a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ef o rm u l t i - c e l lo f d m a s y s t e m t h es e m i - d i s t r i b u t e dc r o s s - l a y e rs c h e m ei n c l u d e sr e s o u r c ea l l o c a t i o na tr a d i on e t w o r k c o n t r o l l e r ( r n c ) a n db a s es t a t i o nt r a n s c e i v e r ( b t s ) r n cm a r e , sr e s o u r c ea l l o c a t i o nt oas e to f b t s so nas u p e r - f l a m el e v e l b t s sm a k ef e s o l l t c ea l l o c a t i o nt ou s e r s s i m u l a t i o ns h o w st h e c r o s s - l a y c rs c h e m ee n h 刮et h et h r o u g h t p u to fm u l t i - c e l lo f d m as y s t e m sw i t hq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) g t m m n t c e k e y w o r d s ：m u l t i - c e l l ，c c l , c r o s s l a y e r ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n 3 小区问干扰扣制方法的研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 未来无线通信的发展趋势 在过去的二十多年里，移动通信经历了从第一代模拟通信到第二代数字通信再到第三代 多媒体通信的几个阶段。移动通信技术的迅猛发展和广泛应用，极大的推动了社会经济发展， 改变着入们的生活方式目前全球移动用户数约2 1 亿，截至2 0 0 6 年2 月，中国移动用户数 共为4 ，0 4 亿，现在中国用户数仍以每月5 0 0 万户的速度递增。 提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务一直是 移动通信的最高目标。近年来，移动用户需求迅猛增长。i n t e r n e t 、电子商务、高速数据、 活动视频和视频点播等数据多媒体业务的需求也不断增加，从而大力推动了移动通信技术的 发展。第三代( 3 g ) 移动通信系统的研究开发和商业化进程正在如火如荼地展开，然而3 g 系统也还有其局限性，比如3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了第二代的电路交换，而不是 纯i p 分组交换方式，此外，由于受到多用户干扰，硼a 难以达到很高的通信速率。为高速 业务和多媒体业务而设计的3 g 系统在通信容量与质量等方面将远不能满足要求，人们对于 未来无线通信系统的需求仍然在不断增长，其中明显的趋势可以总结为宽带化、全i p 化、 智能化，未来的移动通信网络将是基于完全的i p 分组交换的、高度自适应、智能化的高速 网络。专家预估，对于大范围高速移动用户( 2 5 0 k i n h ) ，下一代移动通信系统数据速率为 2 h i b p s ；对于中速移动用户( 6 0 k m h ) ，数据速率为2 0 1 4 b p s ：对于低速移动用户( 室内或步行 者) ，数据速率为l o o m b p s ，其容量至少是3 g 系统容量的1 0 倍以上然而，由于移动通信 本身的特点，实现这些要求在技术上将面l 临着下面这些挑战。 复杂的电波传播条件：移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折 射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应： 无线媒质的开放性：无线通信受到噪声和干扰的影响，如在城市环境中的汽车火花噪声、 各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等； 有限的频带资源：无线电频率是一种宝贵资源，随着移动通信的飞速发展，频谱资源有 限和移动用户急剧增加的矛盾越来越尖锐，出现了“频率严重短缺”的现象； 受限的信号发射功率：从延长移动用户设备的电池寿命、绿色环保、或者设备成本的角 度，一般发射机的功率都受到限制，这就要求具有高功率效率的技术。 总之，未来的无线通信系统，对通信速率和服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 有 更高的要求，而这又受到系统功率、带宽和复杂度的限制。具有高频谱利用率和高性能的通 信方式是无线通信领域的研究开发目标之一，目前的研究重点已转入超三代以及第四代移动 通信，先后出现了多项具有光明前景的重要技术，比如多载波传输技术( 如正交频分复用技 5 小区间干扰抑制方法的研究 第一章绪论 术，o f i i ) ，多天线技术，高性能编码、调制技术，超宽带技术( u 髓) ，各种动态及快速自 适应技术等等。 1 2 蜂窝移动通信系统中的同频干扰 同频道干扰是指无用信号的载频与有用信号的载频相同，对接受同频有用信号造成干 扰 随着蜂窝移动通信的高速发展，有限的频谱资源越显匮乏，为了进一步满足急剧膨胀的 蜂窝移动用户的需求，各国除不断开拓新系统，引入新技术，开发新频段产品外，同时也在 原有系统中为提高频谱利用率、扩大系统容量，而不断缩小复用半径，增加频率重复使用次 数。单位面积频率利用率提高，复用距离越近，同颓干扰源越多，同频干扰控制越显复杂， 通信中受到同频干扰的概率越大。 同频干扰轻则带来通信的背景噪声，重则导致通信中断。同频干扰已成为影响通信质量、 制约系统质量的主要原因之一。 图l 1 同频干扰示意圈 图1 1 给出了典型的同频干扰示意图。设系统中第f 个基站的发射功率为异，第j 个基 站的发射功率为弓，而第f 个基站到第f 个用户的传播路径的增益为q ，第j 个基站到第f 个 用户的传播路径的增益为g j ，第f 个用户的噪声为f ，则可以计算系统中第f 个基站到第f 6 小区间干扰抑制方法的研究第一章绪论 个用户有效信号与干扰信号比。式( l1 ) 给出的是下行链路的同频信号载千比。 瓯。= 争 ( 1 - 1 ) g 弓+ m 7 干扰信号来源于相邻的同频基站发射机。而实现上，上行链路也会受到来自相邻小区同 频移动台的干扰，假设系统中第f 个用户的方式功率为爿，第j 个用户的方式功率为只，第 f 个用户到第i 个基站的传播路径增益为瓯，第，个用户到第i 个基站的传播路径增益为， 第f 个用户到第f 个基站的有效信号与干扰信号之比为式( 1 2 ) 。 2 主蒹 瓴2 ， 略巧+ ： 。 在蜂窝小区结构的移动通信网络中，由于空间物体的反射、绕射、散射等，电磁波的传 播经受多种损耗。由于发射机和接收机之间的空间距离、以及大型障碍物遮断而造成的电磁 波平均场强的变化、衰减被称为是无线信道的大尺度衰落。大尺度衰落描述的是发射机和接 收机之间长距离( 几百米或几千米) 的场强变化，多用来估计无线覆盖范围。另一方面，经 过不同发射路径、具有不同相位的传输信号相互干涉而造成的短距离( 几个波长) 或短时间 ( 秒级) 内的电磁波接收场强的快速波动被称为是无线信道的小尺度衰落。在小尺度衰落中， 当接收机移动距离与波长相当时，其接收场强可以发生3 或4 个数量级( 3 0 d b 或4 0 d b ) 的 变化，以致于大尺度衰落的影响可以忽略不计 电磁波的小尺度衰落效果可以归纳为时间色散、频率色散以及角度色散，以及由此引起 的无线信道的频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落。 实际系统中，由于移动台活动的随机特性，上行链路同频干扰的分析将更加困难，丽相 对于上行链路，下行链路更易受到同频干扰。本文中的分析和计算仅针对下行链路。 1 3 无线通信中的跨层设计 未来无线通信网络将是全i p 的两络。在该系统中，协议栈将在两络设备内得到广泛的使 用，从而确保无线设备能够与现有的互连网互通。现有通信系统中采用的协议栈基于开放系 统互连标准，该标准采用分层结构，对协议栈各部分的运行过程进行了抽象，从而满足了的 信息隐藏准则及端到端准则。但是，无线通信环境具有快速变化的特性，丽基于分层结构的 协议栈只能在相邻的层之间以固定的方式进行通信。这样，现有的协议栈就无法灵活地适应 无线移动环境的变化，从而使得在设计协议栈时只能考虑其在通信条件最为恶劣的情况下进 行工作，进而导致了协议栈无法对有限的频谱资源及功率资源进行有效的利用。为了解决这 7 小区间干扰抑制方法的研究第一章绪论 个问题，人们提出跨层反馈机制，即通过在协议栈的各层之间传递特定的信息来协调协议栈 各层之间的工作过程，使之与无线通信环境相适应，从而使系统能够满足各种业务的不同需 求。其核心就是使协议栈能够根据无线环境的变化来实现对资源的自适应优化配置，例如， 链路控制层及嫘体接入控制层利用物理层的信道特征来调整数据的发送方式。跨层反馈机制 既能在传输设备上执行也能在移动主机上执行。其中，在移动主机上实现跨层反馈机制显得 更容易一些，因为这不需要对现有的设备进行修改。跨层反馈机制使得信息能够在协议栈的 各层之间传递，而不再将信息的传递限定在相邻的两个层之间。 跨层反馈意味着协议栈内的每个层都能够与其他层进行信息交互一个层既能够与上层 交互信息，也能够与下层交互信息。进行信息交互的层包括：应用层、传输层、网络层、链 路层及物理层。就目前的研究情况而言，跨层反馈机制主要包括以下两类： 由上层到下层的机制。这类机制将信息由上层传递到下层。例如：应用层将其相关信息 ( 传输时延或分组丢失率) 传递到链路层，使得链路层能够调整其纠错机制。应用层的优先 级信息被传递到传输控制协议层，从而使其接收窗口能够得到调整以获得相应的优先级。 由下层到上层的机制。这类机制将信息由上层传递到下层。例如：t c p 层的分组丢失率 被传递到应用层，使得应用层能够调整其发送速率。物理层将信道衰落信息传递到链路层， 从而使链路层能够根据信道条件调整数据的发送方式 1 物理层上的跨层反馈机制 物理层的功能就是利用一定的发射方式使数据能够在一定的传输范围内以一定的错误 概率得到接收。物理层的特性主要包括：发送功率、误比特率及调制编码方式。因为链路层 主要负责对数据进行准确的接收。所以利用物理层信息对链路层的控制机制进行调整将使系 统在吞吐量及功率节省方面获得较高的增益。同样，由链路层发出的功率调整指令及传输控 制命令也能够使物理层的性能得到改善。物理层与其他层的信息交互机制包括以下几种： 应用层。在应用层，用户能够根据其业务需求对物理层的特性进行调整。像数字视频 这样的多媒体业务可根据其从物理层获得的信道状态信息对编码速率进行调整。 网络层。信道状态信息能够被网络层用来改变其传输路径，例如，网络层根据信道状 态信息利用路由功能在不同的信道上传输不同优先级的数据。 链路层链路层能够通过增加发送功率来降低物理层的误比特率，同样，链路层也能 够通过采用更强的差错控制机制来降低误比特率。但是，增加发送功率及采用较强的差错控 制机制都会增加系统的功耗，因此，需要采用联合控制的方式来改善系统性能。 除了与其他层进行交互外，物理层还能够根据电池的供电状况调整发送方式，使得需要 发送的数据能够在当前的信道条件下保持上层的q o s 需求。例如，物理层通过自适应调制编 码技术，能够根据倍道的变化情况调整发送方式。 2 链路层上的跨层反馈机制 b 小区间干扰抑制方法的研究 第一章绪论 链路层的功能主要包括：通过前向纠错机制及自动请求重发机制实现数据的可靠传输， 对移动主机接入信道的过程进行控制以减少或避免冲突，对数据帧进行封装以确保其在开销 最小的情况下进行传输。前向纠错及自动请求重发机制总是一起使用以提高数据传输的可靠 性。前向纠错机制通过向接收端传输多余的比特使传输中出现的错误能够得到纠正。自动请 求重发机制则通过重传损坏的数据帧来实现数据的可靠传输。靛够被其他层采用的链路层信 息主要包括：当前的前向纠错机制、重传数据帧的数量和长度、无线信道的可用时间信息、 切换发起及完成的时闯。链路层与其他层进行信息交互的方式包括以下几种。 链路层与上层的信息交互。 应用层。不同的应用程序有不同的q o s 需求，链路层能够根据相应的业务需求对数据 帧进行不同的处理。例如，具有低时延需求的数据帧将得到优先处理，而可靠性需求高的数 据帧在前向纠错，自动请求重发方面将得到更强的纠错编码及更多的重传次数。此外，应用 层能够通过获知链路层的吞吐重来调整其发送速度。 啭输层。当信道条件较差时。链路层的重发机制将引入更长的传输时延，这就会导致! # 连接超时，从而启动重传机制且降低发送速率。为了避免出现这种情况，必须利用的往返时 问及重传定时器来控制链路层的重发机制。同样，链路层的重发机制也能够用来对重传定时 器的取值进行调整。 网络层。移动主要用来在移动主机改变子网位置时进行切换。移动i p 的切换将会引入 时延，因为它是在i p 层检测到网络的变化后而进行的切换。在移动设备上进行的对信号强度 的持续检测没有被移动i p 的切换过程所利用，而利用信道信号强度这样的链路层信息将能够 减少移动i p 切换带来的时延。 链路层与下层( 物理层) 的信息交互。 根据当前的信道条件及物理层的功耗情况，调整链路层的差错控制机制从而减少传输错 误，并调整数据帧的长度来提高吞吐量。此外，利用物理层的信号处理技术能够实现链路层 对媒体接入的控制。 3 ，两络层上的跨层反馈机制。 网络层的功能主要是完成路由及寻址，确定传输数据分组的物理网络接口。在无线通信 系统内，网络层协议主要为移动i p 协议，它能够对i p 切换进行处理，从而透明地保持移动主 机与外地网络的连接。进行跨层信息交互时，网络层能够利用的信息包括：移动i p 的切换信 息及网络层目前正在使用的物理网络接口移动i p 的切换信息对应用层及传输层而言十分重 要，因为利用它能够节省功耗，提高吞吐量。t c p 能够使用切换信息冻结其重传定时器，应 用层则能够根据切换信息在进行切换时停止发送数据。总之，减少移动i p 的切换时延有助于 上层协议改善其吞吐量。因此，为了加快移动i p 的切换过程，向移动i p 4 * 送链路层的切换信 息是必须的。 9 小区间干扰抑制方法的研究 第一章绪论 网络层与其他层进行信息交互的方式包括以下几种： 网络层与上层的信息交互 应用层。无线设备能够提供不同的物理接口以支持不同的业务。例如，无线局域网接 口能够提供有严格时延要求及高吞吐量的业务，因此，在应用层提出请求时，网络层就需要 根据应用层x t o o s 的不同需求，将数据分组路由至不同的物理网络接口上 传输层。传输层可利用移动i p 的切换信息来控制其定时器，从而避免不必要的数据分 组重传。 网络层与下层的信息交互。 链路层。利用链路层的切换信息将有助于移动i 呦议减少其切换时延。 物理层。各个物理接口上的误比特率能够用来引导网络层在不同的物理接口上进行切 换及数据转发。 4 传输层上的跨层反馈机制。 传输层主要负责在网络上进行端到端的连接控制。无线网络是大时延、高分组丢失率及 高误比特率的网络因此，诸如t c p 这样的传输协议会将因链路恶化引起的数据丢失解释为 拥塞丢失，从而导致传输效率下降。在进行跨层信息交互时，t c p 层的信息主要包括：往返 时问、重传超时时间、最大传输单位、接收窗口、拥塞窗口、数据丢失数量及实际吞吐量。 切换是移动通信的重要特征，它能够减小t c p 的吞吐量。因为t c 哙将切换带来的数据丢失及 定时器超时解释为拥塞丢失，所以需要利用从i p 层及链路层传递过来的切换信息来提高t c p 的吞吐量。传输层与其他层进行信息交互的方式包括以下几种： 传输层与上层( 应用层) 进行信息交互。 应用层能够将其q o s 需求传递给t c p 层，根据这种信息，t c p 层能够调整其接收窗口。另 一方面，t c p 能够将数据分组丢失率及吞吐量信息提供给应用层，应用层能够利用其提供的 信息调整发送速率。 传输层与下层进行信息交互 网络层。由于t c p 具有重传机制及回退机制，移动i p 弓j 起的切换时延会引起t c p 连接的 定时器超时，从而导致t c p 吞吐量下降。而t c p 通过获取移动i p 的切换信息就能够避免因定时 器超时而产生不必要的拥塞控制，从而改善t c p 连接的流量。 链路层由于链路重发及数据分组调度引起的时延会导致t c p 吞吐量下降根据链路 层对数据分组的存储信息，t c p 能够针对链路层的实际状况实现自适应调整 5 应用层上的跨层反馈机制 应用层是用户用来运行其应用业务的接口现有的应用都是面向有线网络发展起来的， 这些应用在无线网络上无法高效地工作因此，基于底层信息的应用将有助于提高其在无线 网络上的性能。应用层应该能够向其他层传递其q o s 需求，例如：时延范围、时延抖动，吞 i o 小区间干扰抑制方法的研究第一章鳍论 吐量及分组丢失率从物理层或链路层获得的信道状态信息则有助于应用层调整其工作方 式，从而降低对带宽的不必要需求。根据应用层的q o s 需求调整链路层的差错控制机制也将 提高应用层的性能。应用层与其他层进行信息交互的方式包括以下几种： 传输层。应用层将其q o s 需求提供给传输层，传输层则能够根据不同的业务调整其发 送窗口及接收窗口值。从而提高应用层的性能。 阿络层。不同业务的q o s 需求使得网络层能够采用不同的物理网络接口来传输数据。 链路层。链路层能够为具有不同q o s 需求的业务提供不同的发送优先级。 物理层。根据信道状态，应用层能够采取不同的信源编码方式来生成业务。 1 4 论文的内容安排 本文分为五部分，第一部分是绪论，介绍了未来无线通信的发展趋势，c c i 的概念及无 线通信系统中的跨层设计。 第二部分介绍o f d m 资源分配方法。详细介绍了单用户灌水功率分配算法，多用户予 载波、比特和功率分配算法，并通过仿真比较分析了算法在单小区环境和多小区环境下的性 能。 第三部分介绍了能有效减小c c i 的新型无线覆盖方法详细介绍了分布式蜂窝移动网 络结构、群小区结构和新型正三角形小区结构，并通过仿真对新型无线覆盖方法的性能进行 了比较。 第四部分提出了一种多小区o f d m a 系统的跨层子信道分配方案。该方案包括e n c 的跨层 子信道分配算法和b t s 的跨层子信道分配算法：r n c 的算法在每个超帧调度一次，将各个子 信道分配给各个b t s ；b t s 的算法在每帧调度一次，将r n c 分配给该b t s 的子信道分配给该 小区内的用户。仿真结果表明，相对于传统分层结构的资源分配方法，这种跨层资源分配方 法能有效抑制c c i ，从而提高多小区0 f d m a 系统给定服务质量( q o s ) 下的吞吐率 第五部分是结束语 小区间干扰抑制方法的研究 第二章多小区环境下o f d m 黉源分配方法的性能 第二章多小区环境- f = o f d m 资源分配方法的性能 2 1 前言 无线信道( 特别是陆地移动信遭) ，由于地面情况的复杂性，发射豹信号往往是经过多条 路径到达接收端，即存在多径传播效应。从而造成接收信号相互重叠，产生信号波形问的相 互干扰，造成接收端判断错误，严重影响信号传输质量。这种特性称为信道的时间弥散性 特别是在信号的传输速率较高的情况下更是如此。这是由于当信号波形的周期很短。而信号 传输速率又非常高时，在接收端信号波形重叠的程度将进一步加深，信号问的干扰将更加严 重。从另一个角度看，当信号波形的传输速率较高对，信号带宽较宽，当信号带宽接近和超 过信道相干带宽时，信道的时间弥散特性将对接收信号造成频率选择性衰落( 信号的衰落与 频率有关) 。为了保证正确的数据传输，必须对信号的传输速率加以限制。因此，可以说时 间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之一。 解决上述问题的方法是采用多载波调制0 i c j d 。一般情况下，我们所指的调制仅仅采用 了一个载波信号，将要传输的数据映射到这个高频载波上进行传输。而多载波调制采用了多 个载波信号。它是将所要传输的数据流分解成多个比特流，每个子数据流具有低得多的传输 比特速率，并且用这些数据流去并行调制多个载波。显然。在多载波调制的子信道中，数据 传输速率降低了，信号波形周期加长了。只要满足一定的条件( 时延扩展与码元周期之比小 于一定的值) ，就不会造成信号波形间的干扰。因而，从本质上说，多载波调制技术对信道 的时延弥散不敏感，或者说具有抗时延弥散的特性。另外，使用单载波调制进行高速率传输 时必须加均衡器，而用多载波调制不加均衡器也能获得较好的性能。 多载波调制可以通过多种技术途径来实现，如多音实现( m u l t i t o n er e a l i z a t i o n ) ，o f d m , m c - c d m a 和编码m c m ( c o d e dm c m ) 。其中，o f d m 是当前研究的一个热点。o f 嘲技术的最大优 点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信 链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道可以采 用纠错码来进行纠错。 在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，并且频带没有重叠，但 是其最大的缺点是频谱利用率很低。造成频谱浪费。所以，人们提出了频谱可以重叠的多载 波系统。在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不 仅没有子载波问的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 o f d m 是一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一 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，也就是具有 t 3 小区间干扰抑制方法的研究 第二章多小区环境下o f d m 赍源分配方法的性能 频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号 带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形问的干扰如图1 z 所示：这样做使 其具有如下优势。 1 ) 可以有效地对抗多径传播引起的i s i ，适于多径衰落信道中高速数据的传输 2 ) 通过各子裁波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。 3 ) 信道利用率很高，这是因为其各个子信道在额域是重叠的，不像传统的频分系统各 子信道之问要留有定的保护带宽，备子信道的信号不仅重叠而且在时域是正交的，这就为 接收端正确区分各予信道的信号创造了条件。 4 ) 基于d f r 的0 f d u = 茸快速算法这就大大简化了其硬件复杂性，使其应用更广泛。 5 ) 可以较为简单她实现均衡，此时要对每个子信道上的数据分男日傲均衡，而由于每个 子载波上经历的是平坦衰落，均衡器只需一个的抽头即可。 6 ) 各子载波能够进行自适应的功率比特分配，最大限度的利用宽带无线信道的传输容 量 0 f i ) m 技术同肘也存在下面两个方面的缺陷： 1 ) 对频率偏移和相位嗓声很敏感。 2 峰值与均值功率比相对较大。这个比值的增大会降f 氐射频放大嚣的功率效率 基于上j $ 0 f d m 的基本思想，我们可以得到o f 咖的基本原理图。q a m 信号经过串并变换， 分成多条支路。也就是将原始信号分另目送到多条子信道上，然后由各支路的信号分别对各支 路的载波进行调制。各支路相加后经射频变换再发送0 f d 崆所以备受关往其中一条重要 的原因是它可以幂! i 用离散傅立叶反变换离散傅立叶变换( i n 阿i d f ”代替多载渡调制和解 调。由于0 f d m 系统中各个子载波是相互正交的，所以频带利用率相对来说是较高的。一般来 说，当子载波的个数趋于无限时，频带利用率是2 b a n d h z 。一般倩况下，要传输的数据送入 调制解调器后，己调信号将占用整个带宽。但是在无线信道中深度衰落会产生突发性错误 可以看出串行数据发生突发往错误的情况。相比之下，0 f d m 系统将信号分割到各个子信道中。 并且每个子信道此时只传输一个码元，所以受到的影响很小，且仍能够正确传输。因此，若 串行数据发生严重突发性错误时，采用o f o u 系统则可以大大减小甚至消除这种影响 2 2o f d m 系统的资源分配算法 2 2 1a w g n 信道中实现信道容量最大化的灌水功率分配 在多载波系统中，通过把可用的信道带宽划分为若干个较窄的子信道使得每个子信道 的传输特性能够近似理想。假设表示带宽为ww 的信道的传输函数，信道内存在有功 1 4 小区间干扰抑制方法的研究第二章多小区环境下o f d m 资源分配方法的性能 率谱密度为的加性高斯噪声。因此可以把带宽为w 的信道分为n = 矿4 ，个子信道。其 中鲈表示子信道带宽，而且应该满足如下条件：即1 日( ，) 1 2 ( 力在子信道频段内近似恒定 而且信号的发射功率应该满足： 工p 己 ( 2 1 ) 在艚g n 信道中，信道容量可以表示为：c = 矽蛔，( i + 去 其中c 表示信道容量 ( b i t s ) ，聊。表示信道带宽内的加性高斯噪声的功率- 在多载波系统中，如果v 足够小， 则子信道的信道容量可以表示为： q 卿9 2 ( 1 + 锷铲 ， 因此总信道容量u - - j 以表示为： c=喜q=喹崦：【t+鲁叫-tji)1n(jill11 亿s ， c = q = 1 0 9 ：l1 + 丽而万一 ( 2 ，3 ) 扛if - li ，4 、，j ， 如果v - + o ，则可以利用积分来代替上述的求和： c = t | 0 9 2 ( ，+ 锷铲户 组t ， 考虑式( 2 1 ) 的限制条件，实现信道容量的最大化，利用变分法将其变换为： m t + 矧铲卜十一一 ， 其中a 为拉格朗日乘子，其取值应该满足式( 2 1 ) 的限制条件。经过变换，有上式可 以得到； 蝴：卜器，e 矽 ( 2 6 ) p ( ，) = 弦( 剧”。 ( 2 6 ) io ， ，# w 上式的基本物理意义为：当信噪比i ( 力1 2 ( 门较大时，信道的对应功率也应该较大， 而当信噪比低时，信号功率也应该较低。实现信道容量最大化的方法类似把水( 平均发射功 率昂) 倒入碗中，这样得到的p ( ，) 就可以实现信道容量的最大化。这就是所谓的注水功率 分配方法。 1 5 小区间干扰抑制方法的研究 第二章多小区环境下o f d m 资源分配方法的性能 2 , 2 2 单用户功率分配算法 o f d i l 系统中信道被分成许多子载波，因此，虽然系统所占用的整个信道是宽带频率选择 性信道，但是每个予载波却可近似认为经历的是平坦衰落。此时，信道的容量就是有限个子 载波容量的总和，不用使用积分，从而将连续信道转化为离散信道，易于优化问题的分析和 求解。下面我们讨论离散信道下功率分配问题及其解 0 f i ) h 系统进行功率比特分配时我们经常考虑两类优化问题：一种是速率晟大化，另一种 是余量最大化，也就是能量晟小化。速率最大化就是在一定的功率和误码率的限制下使每个 o f l ) l h 符号传输的比特数最大。用数学式子表示如下： 一x 屯 肛l ( 2 7 ) v 7 s t e n e ，毛o ，瓯o ，成 h 这里乌，以和岛分别代表第n 个子载波分配的功率、比特速率( 每符号的比特数) 以及误 码率，臣是总功率限制，岛。代表误码率要求。 许多传输系统并不允许可变速率传输，在这种情况下。设计目标就转化为固定数据速率 下使系统余量最大系统余量表示在系统性能满足要求的条件下可容忍的信噪比下降的程 度。系统余量最大化等效于以晟小的能量传输目标数据速率。用数学式子表示为： 曲巳 = ( 2 8 ) s t 屯口，o ，吒o 岛，n = l2 ， 日- l 这里b 表示总的速率限制。 为了便于推导，我们将误码率限制用另种方式表示。即以参数r 的形式融a s h a n n o n 信道容量公式，代表了实际通信系统传输速率和信遵极限容量之问的差距，它的取值由调制 编码方式以及要求的误码率决定。这时，每个子信道可传输的比特数与分配的功率的关系就 可以由修正后的s h a n n o n 公式决定。这样。优化闯题就可以用一种简单的形式表示。 数据速率最大化问题可以表示为： 。溉砉b s ( t + 竿) s 上气s 蜀 ( 2 9 ) 0 ， = k 2 ， 其中晶相等于1 日1 2 ，( ，) 。 能量最小化翘题可以表示为： 1 6 小区闻干扰抑制方法的研究 第二章多小区环境下o f d m 疑擐分配方诘的性毪 。取善去( 扎，) 3 f t 坟= 暑 屯0 , n = l ，五，_ 我们可以应用拉各朗日乘数法可以很容易得到上述闫题的理论解。 膏= * + 唼a ( 2 ，l o 闯题的解可表示为： ( 21 1 ) 毛= 彤一三，n = l2 ， ( 2 ，1 2 ) 垃= 砩c 1 + 制一咀2 ， ( z ，】3 ) 这个解形式上同信息论中最优功率比特分配是一样的。只不过参数k 有了一个明确的 表达式。实际上并不完整它没有考虑q 的非负性，这也是它之所咀能够得到确切的关于 k 的表达式的原因。如果所有的岛都参加运算，就有可能得到的某个小于零，这显然不 符合要求。不过从上面的表达式可以明显看出，如果有子倍道的岛小于雾，那一定是晶最 小的子载波此时能量不够所以子载波使用最差的子载渡不应分配功率一根据前面信息论 功率的规律，信遭状况最差的子载波不应该分配功率。因此巳小于0 的子载波的功率应为零 所以，如果在计算中发现某个吒小于零，我们就认为该为零，对剩下的子载波再用上面 的表达式计算。这个过程反复进行，直到得到所有的气非负。这也就是下面分配算法的基本 思想。 同理。问题( 2 8 ) 的解可以表示为： 一总厂 亿 毛= j ( 一上，月= l 2 ，n ( 2 1 5 ) b 。= l o g ( “剥一， 亿1 6 ) 也有类似算法实现上述理论解。 到目前为止，我们得到的解中子载波的比特分配是非负实数，而不一定是我们希望的整 数，这在实际中滩以实现。这就说明，我们需要的最优功率比特分配还应有一个约束条件， 即每个子载滚上分配的比特数是非负整数，c a m p e l l o 在文献中绘出了一种解决这个闯题的算 法，其复杂度为0 0 v ) ，并且从理论上证明了它是优化问题的最优解。 1 ) 确定各子载波的功率，非整数限制的比特分配。不同于前面给出的算法，c a m p e l i 给 出了一种算法能够快速确定那些信道不能分配功率，其复杂度为饼) 。一旦确定了那些子 载波要被使用，就可利用式( 2 6 ) 来得到各子载波的功率比特分配。 1 7 小区间干扰抑制方法的研究第二章多小区环境下o f d m 资源分配方法的性能 2 ) 将上一步得到的比特分配做四舍五入得到整数的比特分配。 3 ) 如果口= 口屯 o ，对于屯= r ( 吒) 一k 最小的a 口个子载波多分配一个比特；如 果口，则对以晟大的i a 口1 个子载波各减少一个比特的分配。这一步也可用一个复杂度为 d ( ) 的算法实现。 在实际中，每个子载波可分配的比特数是有一定范围的，并不能够任意大。而c a m p e l l o 的算法显然没有考虑这方面的限制，因此当可分配的比特数有限制时，上面的快速算法的第 三步就不适用，但是我们可以在前两步结果的基础上，通过别的方法，如h u g h e s - h a r t o g s 的方法来实现恒定的比特分配。最后得到解仍然是最优的，只不过复杂度可能会较高。 以上提到的的单用户情况下的最优化算法，虽然在从理论上证明了它是优化问题的最优 解，但是同时它也带来了算法复杂度方面的提高。因此，我们希望寻找一种相对简化的优化 算法来降低复杂度。由于o f d m 系统中，在一个单独的子载波上传输特定数量比特所需要的功 率独立