（通信与信息系统专业论文）无线ofdm系统的动态资源分配算法研究.pdf

摘要 手两要 未来移动通信系统( b e y o n d 3 g 4 g ) 的发展趋势要求更高的传输速率、更 好的服务质量和更高的资源利用率。动态资源分配是提高系统：l 生能的一种有效 途径。正交频分复用( o f d m ) 技术因其在宽带无线通信中的优越性能，得到 越来越广泛的研究和应用。o f d m 系统中的动态资源分配是近十年的研究热 点，这也是本文的主要研究内容。 本文详细分析了o f d m 系统中几种典型的动态资源分配算法。首先分析单 用户系统的动态算法，这种情况下，可以自适应调节每个子载波的发送功率和 承载的比特数；然后分析多用户o f d m 系统的动态资源分配( 子载波，功率和 比特分配) ，这种情况的优化问题更复杂。研究表明，动态资源分配可以很大 程度提高系统的性能。 动态资源分配算法在实际应用中会受到信令开销的约束。进行资源分配的 基站需要把资源分配结果告知接收端，这就会占用系统资源，产生信令丌销。 本文对多用户动态资源分配的信令开销进行了分析，结果表明尽管信令开销占 用了很多频带资源，但o f d m 系统动态资源分配方案的性能仍然比静态资源分 配方案好很多。 动态资源分配算法在实际应用中还会遇到信道估计的问题。动态资源分配 需要知道准确的信道信息，实际系统中的信道信息通过信道估计获取，所以信 道估计性能的好坏直接影响动态资源分配的性能。本文采用一种频域导频辅助 低通滤波信道估计，分析了信道估计对自适应调制o f d m 系统的性能的影响。 导频辅助信道估计同样会占用频带资源，所以研究占用系统资源少、运算快、 准确度高的信道估计算法是高速无线通信的重要课题。 传统的无线网络分层设计由于采用固定的网络协议结构和参数设置，会导 致较低的系统性能和资源利用率。为此人们提出了一种对多个层进行联合优化 的跨层优化设计的概念。物理层和m a c 层是对无线网络性能影响最大的两层， 这两层的联合优化设计是目前无线网络跨层优化设计中的热点问题。本文提出 一种保证混合业务q o s 要求的m a c p h y 跨层调度算法，该算法并不是无条件 的给予实时业务较高的优先级，而是在调度过程中根据q o s 状况对实时业务的 优先级进行动态调整，在保证其q o s 的基础上，尽可能增加非实时业务的调度 机会，从而系统的性能也得到改善。仿真结果表明，该算法能够为不同业务提 供q o s 保证，同时有效提高了频谱利用率和系统吞吐量。 中国科学技术大学硕士学位论文 关键字：正交频分复用，动态资源分配，跨层，信令开销，信道估计， q o s ，调度 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ef - u t u r em o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ( b e y o n d 3g 4 g ) d e m a n d sf 瓠t e rt r a n s m i s t i n gr a t e ，b e t t e rt r a m cq u a l i t ya n dk g h e rs p e c t m m e m c i e n c y d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o nc a nm e e tt h ed e m a n d se m c i e n t l y o r t h o g o n a l f r e q u e n c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c l l n i q u eh a sb e e ds t u d i e dm o r ea n dm o r e w i d e l yt o 印p l yi nt h ef u t u r em o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u et 0i t sa d v a n t a g e i nw i d e b a n dc o n l i n u n i c a t i o n s od y n 锄i cr 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 s y s t e mi so n eh o ti s s u ew i t h i nt h e1 a s tt e ny e a r sw h i c hi sa l s ot h em a i nc o n t e n to ft h i s t h e s i s i nt h em e s i sw eb r i e n y a n a l y s es o m et y p i c a id y n a m i cr e s o u r c e a i i o c a t i o n a l g o r i t h m si no f d ms y s t e m f i r s t l yw ea n a l y s en l ea l g o r i t h m si ns i n g l eu s e rs y s t e m i nt h i sc a l s e ，i ti sp o s s i b l et ov a r ) ，t h et r a n s m i tp o w e ra sw e l la st h e 锄o u n to fd a t a 扛a n s m i t t e do ne a c hs u b c 跚i e r n e x tw ef o c u so nm u l t i u s e rs y s t e m i nt h ec a s e ，m e r e s u l t i n go p t i m i z a t i o np r o b l e m sa r em o r ec o m p l e x h o w e v e r ，p e r f o r m a n c es t u d i e s s h o wt h el a 唱ep o t e n t i a lo ft h i sa p p r o a c h ，e v e ni fo n l ys u b - o p t i m a ls c h e m e sc a nb e e m p l o y e d w h e nt h ed y n 撇i ca l g o r i t h m sa r ea p p l i e di np r a c t i c a ls y s t e mw ew i l lc o n f r o n t w i t t lt h ep r o b l e mo fs i g n a l i n go v e r h e a d b sh a st oi n f o r mm s st h ea l l o c a t i o nr e s u l t s o b 订o u s l yt 1 1 i sr e q u i r e ss y s t e mr e s o u r c e s i nt h em e s i sw ea n a i y s et h es i g n a l i n g o v e r h e a di s s u e t h es i g m l i n gi n f o 肌a t i o nc a l lb eq u i t ec o s t l ye s p e c i a l l yi nt h em u l t i u s e r c a s e ， h o w e v e ri th a sb e e ns h o w nt h a ti td o e sn o tc o n s u m et h e c o m p l e t e p e r f o 册a n c eg a i na c h i e v e db yt h ed y n a m i ca s s i g n m e n t s t h ed y n a m i cs c h e m e s p e r f o 肌m u c hb e t t e rt h a nm es t a t i co n e s w ew i l la l s oc o n f 幻n tw i t ht h ep r o b l e mo fc h 锄e le s t i m a t i o n d y n 锄i cs c h e m e s n e e dt h ee x a c tk n o w l e d g eo fm ew i r e l e s sc h a n n e l t h ec h a n n e l i n f o 肌a t i o ni nr e a l s y s t e mi sa c q u i r e db yc h a r m e le s t i m a t i o n ，s ot h eq u a l i t vo ft h ee s t i m a t e di n f o n n a t i o n d i r e c t l ya f f e c t sm ep e r f o r m a n c eo ft h ed y n a m i cs c h e m e s i nt h et h e s i sw eu s e ap i l o t a i d e dl o wp a s sf i l t e rc h a n n e le s t i m a t i o ni na d a p t i v em o d u l a t i o no f d ms y s t e ma n d a n a l y s eh o w m ee s t i m a t i o na f 传c t st h e p e r f o r m a l l c eo ft h es y s t e m t h et r a d i t i o n a ll a y e r e dn e t w o r kd e s i g nw i l ll e a dt op o o rs y s t e mp e r f b n n a j l c ed u e t oi t sf i x e dl a y e r e ds t m c t u r ea n dp a r a m e t e r s i nr e c e n ty e a r sc r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o n h a sb e c o m eaw i d e l yr e s e a r c ht o p i ca sas t r o n gc o m p l e m e n tt ot h et r a d i t i o n a il a y e r e d d e s i g n i nt h et h e s i sap r i o r i t y b a s e dc r o s s l a y e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o ri e e e 8 0 2 16 s y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hc o n s i d e r b o t ht h eq o so f h e t e r o g e n e o u st r a m ca tt h em a c l a y e ra n dt h ed y n 锄i cv a r i a t i o no ft h ew i r e l e s sc h a m l e l b yu p d a t i n gt h e 研o r i t yo ft h e r e a l t i m ec o n n e c t i o n sa c c o r d i n gt ot h e i rq o ss t a t u s ，t h es c h e d u l i n go p p o n u n i t i e so f n o n r e 酊- t i m ec o f u l e c t i o n sa r ei n c r e a s e da n e rt h eq o so fr e a j t i m ec o n n e c t i o n si s 1 1 1 中国科学技术大学硕七学位论文 g 矗a r a n t e 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 es c h e d u l i n ga l g o r i t h mp r o v i d e sq o s g u 2 u r a n t e et oh e t e r o g e n e o u st r a m c s ，u s e st h eb a n d w i d t he m c i e n t l ya n di m p r o v e sm e s y s t e mt h r o u g h p u t k e yw o r d s ：o f d m ，d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n ，c r o s s - l a y e r ，s 吨n a i i n g ，c h a 眦e l e s t i m a t i o n ，q o s ，s c h e d u l i n g i v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人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。与我同工作的同志对本研究 所做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，允许论文被查阅和借阅，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：丛 年月 日 第l 帝绪论 第1 章绪论 1 1 无线移动通信系统的发展 近年来，在全球通信产业的发展中，以移动通信技术和宽带i p 数据通信技 术发展最为迅速。整个通信产业的技术发展呈现出三个趋势无线化、宽带 化和i p 化。其中无线移动通信系统经历了二十年的快速发展j + 已经从第二代模 拟窄带通信系统发展到如今实现商用的第三代数字宽带通信( t h e3 一 g e n e r a t i o n ，3 g ) 系统。3 g 系统是为移动多媒体通信而设计的，支持高速移动 下的语音业务和多种多样的数据业务，例如手机电视，移动互联网业务等。目 前，针对后三代( b e y o n d3 g ，b 3 g ) 和第四代( 4 g ) 移动通信系统的研究f 在 全球范围如火如荼地开展。同3 g 等已有的数字移动通信系统相比，4 g 系统应 具有更高的数据率、更好的业务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 、更高的频谱 利用率、更高的安全性，以及更高的智能性和灵活性；4 g 系统应能支持非对称 性业务，并能支持多种业务；4 g 系统应体现移动与无线接入网和i p 网络不断融 合的发展趋势。其中，就更高的数据速率而言，对4 g 提出的目标是：对于大范 围高速移动用户( 2 5 0 虹肌) ，数据速率为2 0 m b p s ；对于中速移动用户 ( 6 0 k l m ) ，数据速率为1 0 0 m b p s ；对于低速移动用户( 室内或步行者) ，数 据速率至少为1 g b p s 。同时，与移动通信系统平行发展的各种宽带无线接入系 统，一方面在不断提升目标速率，另一方面也在朝着支持终端移动性的目标发 展。比如2 0 0 5 年底标准化的i e e e8 0 2 1 6 e 协议 1 】就是在原有8 0 2 1 6 d 协议中加 入了支持移动性的技术方案，又比如图1 1 所示的一些当今无线通信系统的发展 趋势。可见无线化以实现移动化为最终目标。 要实现下一代移动通信系统的目标，在技术上还面临着诸多挑战，这些困 难主要来自于： 复杂的电波传播信道移动终端可能位于各种环境中，电磁波在传播 时会产生反射、折射、散射和绕射等现象，并带来多径效应和多普勒效 应等，使信号产生衰落和畸变： 无线媒质的开放性无线通信受到噪声和各种外界干扰的影响，如在 城市环境中的各种工业噪声，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谱是一种宝贵资源，随着移动通信的飞速 发展，急剧增加的频带需求导致频率严重短缺的现象； 中国科学技术大学硕士学位论文 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考虑，一般发射机的功率是受限的。 因此，研究具有高数据速率、高频谱利用率和高性能的通信方式是无线通 信领域的主要目标。目前已经提出了正交频分复用( o n 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 ) 技术【2 】，多天线输入输出( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ，丽面i 酊瑶歹k p 】i 一超宽带一( 研t r aw i d e b a n d ，u w b ) 技术 4 】 以及认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 技术 5 】等先进技术。 移动性 踽 对3 低 矾) 。 大尺度衰落还包括阴影衰落。阴影衰落使得实际的损耗成为一个随机变 量，一般认为实际损耗服从对数正态分布。综合考虑路径损耗和阴影衰落，大 尺度传播的损耗表示为 瓦( d ) 船2 瓦( 或) 册“咖l o g ( 丢j + 其中杆为零均值高斯分布随机变量( d b 为单位) ，方差为盯2 ，在大多数 经验公式中，盯2 可以取4 1 2 d b 。 1 2 2 小尺度衰落 1 2 2 1 多径效应 功率延迟分布( p o w e r - d e l a y p r o f i l e ，p d p ) 通常用于描述由多径引起的无 线信道在时间上的色散，它是一个基于固定时延参考量的附加时延的函数，通 常以相对接收功率图的形式表示，将基于本地的瞬时功率延迟分布取平均即可 得到功率延迟分布。 多径信道的时延扩展特性用平均附加时延f 和均方根( 册s ) 时延扩展q 来 定量描述。平均附加时延r 是功率延迟分布的一阶矩，定义为： 尸( 气) o厶、l ，t 丽 其中p ( 以) 为时延为。的第七径信号的平均功率，n n s 时延扩展q 是功率延 迟分布的二阶矩的平方根，即 ，t ：丽 中国科学技术大学硕七学位论文 其中 一尸( l ) 2 产2 丽 相关带宽劈用于在频域描述信道时i 可色散的频率选择特性，它跟r n l s 时延 扩展成反比关系。所谓相关带宽是指一个特定的频率范围，在该范围内两个频 率分量有很强的幅度相关性，如果将包络相关系数设为0 5 ，则相关带宽可近似 为： b c 1 s g ： 当信道时延扩展远小于信号周期或者信号带宽远小于相关带宽时，称该信 道为平坦的。从频域上来看，不同的频率分量经历了相同的衰落；从时域上 看，接收信号只经历了一个可分辨径的衰落，符号白j 干扰( i s i ) 可忽略不计。 而当信道时延扩展大于信号周期或者信号带宽大于相关带宽时，称该信道为频 率选择性的。从频域上来看，不同的频率分量经历了不同的衰落；从时域上 看，接收信号经历了多个可分辨径的衰落，出现了严重的i s i 。 1 2 2 2 多普勒效应 多普勒功率谱密度s ( ) ( d o p p l e r _ p o w e r - s p e c t r a l d e n s i t y ，d p s d ) 用于描述 由于移动台和基站之间的相对运动，或者信道路径中物体的运动而引起的信道 在频率上的色散。无线信道的频率扩展特性通常用多普勒扩展来定量描述， 它被定义为多普勒功率谱二阶矩的平方根，即： b d2 心h f b 丫s d 忱。s 彰 p 一 ，p 其中 秀：坦 n is ( 厂) 矽 t 移动台和基站之间多普勒频移计算公式如下： 以= ；c o s ( 9 ) 其中，v 表示移动台的移动速度，兄表示载波波长，口为速度方向与收发端 径向之间的夹角。由上式可以容易地得到最大多普勒频移： ：，。= 盖 4 第l 章绪论 由于d o p p l e r 频率造成的信道的时变特性，导致在无线数字通信中，接收端 每过一段时间就要对信道进行估计，以捕获信道的时变信息，从而即时调整接 收端的信道模型参数，提高接收机性能，一般采用相关时间的概念来表征信道 参数基本维持不变的时间间隔的，相关时间定义为： 正2 忐 当信号周期远小于相关时间或者信号带宽远大于多普勒扩展时，可以认为 信道参数在一个或多个信号码元周期内是稳定的，称该信道为慢衰落的。当信 号周期大于相关时间或者信号带宽小于多普勒扩展时，信号失真随发送信号带 宽的多普勒扩展的增加而加剧，此时称该信道为快衰落的。 1 3 正交频分复用系统中的动态资源分配 高数据速率通信不仅受到噪声的影响，也常常更加受到无线信道的时间弥 散特性引起的符号间干扰( i s i ) 的影响。通常，只要延时扩展远小于一个传输 符号的持续时间，i s i 的影响就可以忽略。f 交频分复用( o n 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 ) 恰恰具有这个特点。0 f d m 的基本思想是，把 可用带宽划分成很多子载波，信息符号可以在子载波上并行的传输。这就允许 我们设计一个既支持高数据速率，又能保证符号持续时问远大于信道的延时扩 展的无线通信系统。每个子载波经历平坦衰落，这样使得接收端的信道均衡变 得相当简单。同时，不同的用户可以被分配在不同的子载波上同时传输。这样 带来的好处是，系统能够根据各用户在各子载波上的不同信道状态信息将用户 动态分配到不同的子载波上。另外，由于信道被划分为多个窄带信道，系统资 源分配的粒度更小，从而使得系统能够在各个子载波上动态分配系统资源，实 现系统资源的有效利用。 在多用户o f d m 系统中，如果采用t d m a 或者f d m a 接入方式，每个用 户预先固定分配好o f d m 时隙或o f d m 频带。这样即使在物理层上采用自适应 编码调制技术，仍然有一些处于深衰落的子载波因为功率效率太差而不能使 用。因为用户地理位置的不同，信道的衰落情况对于不同用户来说是独立的， 对某些用户来说处于深衰落的子载波在其他用户那里可能是好的。如果我们能 根据不同用户上子载波的信道信息把子载波分配给不同的用户，那么将提高系 统频谱资源利用率。这种在o f d m 系统中能动态分配子载波的接入方式称为正 交频分复用接入( 0 f d m a ) ，已经广泛应用在w i m a x 等无线通信系统中。 中国科学技术j 弋学硕士学位论文 1 3 1 自适应编码调制 在传统的无线系统中( 如g s m ) ，通常采用固定的编码和调制方式，为了保 证达到一定的误比特率，系统设计时必须按照最差的信道情况来决定链路预算 余量。这导致在信道情况好的情况下浪费了系统的大量资源。根据信道的衰落 情况自适应地调整传输信号的参数能更有效地提高系统资源的利用率，从而提 一高系统的吞吐量。一自适应传输的概念就艘据信道的衰落情况实时地改变传输 功率，符号速率，调制星座和编码速率等参数，保证系统性能要求 8 】。 一个自适应编码调制( a m c ) 的系统框图如图1 2 所示，发射机由参数可调的 信道编码器和可调速率的星座调制器构成。接收机利用信道估计器可以得到信 道的状态信息，并通过反馈信道将该衰落信道信息传递回发射端。发射机依据所 得的信道信息，改变发射机的星座大小及形状、编码速率、编码结构等参数以保 证接收端具有恒定的信噪比，从而保证系统物理层的性能要求。自适应编码调制 的信息通过专用信道送给接收端。 l 旦堕鏖堡：垦l 图1 2 自适应编码调制的系统框图 在自适应编码调制系统，有n 种传输模式可供选择，每种传输模式是不同 调制方式和编码方式的组合。把s n r 区间划分成n + 1 个不重叠连续的区间，区 间边界表示为 以) g ，自适应编码调制一般根据信道的信噪比y 落在不同的区 间内选择不同的传输模式。当【以掣以) 时，选择模式刀。 s n r 期间边界点y 。的确定是自适应编码调制设计的重点。一般是根据各个 模式在高斯白噪声信道( a w g n ) 下的性能曲线图和目标误比特率得出7 。 1 3 2 跨层设计在自适应资源配置中的运用 传统无线网络采用的协议栈基于开放系统互联标准( 0 s i ) ，一般分为五 层：物理层，链路层( 细分为逻辑链路子层( l l c ) 和媒介接入控制子层 ( m a c ) ) ，网络层，传输层和应用层。各层之间的接口是静态的，且与网络 的约束和应用需求无关，每层协议使用下层协议提供的服务来解决特定问题， 并向上层提供服务。各层相对独立，通信只在相邻层间进行。这种设计方法简 第l 首绪论 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栈只能在相邻的层之间以固定的方式进行通信，使 得现有的协议栈无法灵活地适应无线移动环境的变化与要求，进而导致无法有 效的利用有限的频谱资源及功率资源。 跨层设计被认为是一个能够有效提高网络性能的研究方向。跨层设计就是 网络各层共享与其它层相关的信息( 图l 一3 ) ，对无线网络进行整体设计。它并 不是完全否定传统网络的分层模式，而是模糊严格的层间界限，将分散在网络 各个子层的特性参数协调融合。因此，所有层问可以交互信息，使得协议栈能 够以全局的方式适应特定应用所需的q o s 和网络状况的变化，并根据系统的约 束条件和网络特征来进行综合优化，实现对网络资源的有效分配，提高网络的 综合性能。 z “+ i i 。一 j 7 壬知! 寮! ：i _ 。应甩层 “u 十、，t w 一 编码和调制技术：l d p c 码，t u r b o 码，q a m ，t u r b o 迭代接收，扩频等： 分集技术：交织，m i m o ，空时码等。 自适应技术是近十年物理层研究的一个热点问题，其基本思想是根据无线 链路的信道状况，自适应调整物理层各个算法的参数，以提高系统的性能。 媒体接入控制是媒体接入控制( m a c ) 层的主要功能。m a c 层控制着如何在 相互竞争的用户之间分配信道。m a c 层是无线接入网的核心部分，其主要功能 有：接收来自高层的业务数据，并将这些数据封装成数据包送给物理层；根据 用户的业务q o s 需求给不同用户分配无线资源( 包括信道，功率等) ；采用不同 的调度算法决定哪个用户先被服务；根据当前系统的资源和用户数决定是否接 纳新的用户进入( 接入控制) ；采用某种机制避免上行多用户数据包的碰撞。 m a c 层设计的准则是最大化系统的吞吐量，满足各个用户的q o s 需求和保证用 户间的公平性。目前m a c 层研究的热点在于无线资源的分配和调度算法的设 计。o f d m a 被广泛认为是下一代无线网络的接入方式，第2 章将详细介绍 o f d m a 系统中的资源分配问题( 包括比特，功率和子载波分配) 。多用户分集和 机会调度是现代无线网络中出现的新概念，利用无线信道的时变特性和用户间 信道的独立性，使信道条件好的用户获得更多的传输数据，以提高系统的吞吐 且 里。 在传统的分层结构中，每层都有自己独立的优化目标，并且完全不考虑其 他层算法的实现。从系统整体角度来看，这种孤立的优化方式必然不能提供有 第l 章绪论 效的资源利用率。只考虑物理层的情况的子载波分配算法，假设m a c 层一直都 有数据要发送或者m a c 层中数据到达的速率是固定，完全不考虑m a c 层队列 的动态变化。实际上m a c 层的数据包到达是服从一定的随机分布，所以这些算 法在分组调度系统中并不是最优的。同样，m a c 层中的调度算法都是假定物理 层是一个具有恒定速率的通道，实际上由于无线信道衰落的影响，物理层通常 采用自适应编码调制技术，物理层的速率是变化的，所以在无线网络中这些调 度算法并不能提供有效q o s 。 以上这些因素促使我们寻求一种物理层与m a c 层的联合优化方法，能同时 适应物理层信道的时变性和m a c 层业务到达的随机性，以保证业务的o o s 需 求。物理层与m a c 层联合优化的基本思想就是让整个无线链路“匹配”物理层无 线信道的时变性和m a c 层数据业务到达的随机性。在第4 章我们提出一种联合 p h y m a c 的跨层调度算法，在保证混合业务的q o s 的同时，提高了系统的资 源利用率。 1 4 论文的主要内容及章节安排 全文分为五章，第一章是绪论，介绍了无线通信的发展，无线信道的特 征，0 f d m 系统的特性及动态资源分配的概念。 第二章对o f d m 系统的动态资源分配作了详细分析。首先分析单用户系统 的动态方案，这种情况下，可以改变每个子载波的发送功率和承载的比特数。 然后分析多用户o f d m 系统的动态资源分配，这种情况的优化问题更复杂，但 是性能研究表明该方案可以很大程度提高系统的性能。本章还对多用户动态资 源分配的信令开销进行了分析，结果表明，尽管信令开销占用了很多频带资 源，但o f d m a 系统动态资源分配方案的性能仍然比静态资源分配方案好很 多。 第三章研究了信道估计在0 f d m 系统中的应用。o f d m 系统的动态资源分 配算法都是基于获取的信道信息，所以信道估计的准确度会影响动态算法的性 能，尤其是当信道处于快时变衰落时。本章采用一种频域导频辅助低通滤波信 道估计，分析了信道估计对自适应调制0 f d m 系统的性能的影响。 第四章首先介绍了i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的q o s 模型，然后提出一种保证混合 业务q o s 要求的m a c p h y 跨层调度算法，该算法并不是无条件的给予实时业 务较高的优先级，而是在调度过程中根据q o s 状况对实时业务的优先级进行动 态调整，在保证其q o s 的基础上，尽可能增加非实时业务的调度机会，从而系 9 中国科学技术大学硕匕学位论文 统的性能也得到改善。仿真结果表明，该算法能够为不同业务提供q o s 保证， 同时有效提高了频谱利用率和系统吞吐量。 第五章是结束语，先总结本文的内容，然后提出进一步的研究方向。 1 0 第2 童o f d m 系统的动态资源分配 第2 章o f d m 系统的动态资源分配 2 1 引言 随着人们对多媒体业务需求的快速增长，无线通信需要传输更高的数据速 率，然而无线信道的频率选择性限制了系统的性能。o f d m 系统本身具有并行 性，信道被划分为很多子信道，数据符号在这些子信道上并行的传输，而不是 在整个通信信道上连续的传输。子信道的带宽越小，子信道上的数据符号的传 输周期越长。单载波信道的频率选择性衰落在每个子信道变成了平坦衰落，显 著提高了频率选择性信道的性能。o f d m 系统的这个特性使之被应用于很多系 统：现代数字音频视频广播系统，i e e e 8 0 2 1 1 a g ，i e e e 8 0 2 1 6 e 等。o f d m 具 有的优异性能使之被视为3 g 高速率扩展和4 g 的参考技术。 0 f d m 系统不仅提供非常好的物理层特性，在链路层也提供了诱人的机 会。由于子信道的细分，终端的资源需求能够得到更细致恰当的满足。这自然 的产生了根据终端的速率需求调整带宽分配的想法。另外，由于无线信道的频 率选择性衰落，每个子信道的调制类型和发送功率可以自适应调整，提高频谱 效率。在多用户环境中，衰落的空间分集提供了给不同终端动态分配子载波的 机会。近十年来，对o f d m 系统的动态机制进行了大量的科学研究，发掘其潜 在的性能增益。在本章我们分析该领域的主要研究成果，进行总结并提出未来 研究的开放问题。我们首先分析单用户系统的动态方案，这种情况下，可以改 变每个子载波的发送功率和承载的比特数。然后分析多用户o f d m 系统的动念 资源分配，这种情况的优化问题更复杂，然而性能研究表明该方案具有很大的 潜力。最后对本章进行了总结。 2 2 单用户系统的动态资源分配 本节我们分析一个发送端和一个接收端通信情况下，0 f d m 系统的自适应 调制和功率分配。一般而言，这些自适应方案利用了无线信道的频率选择特 性。如果子载波之间的频率间隔比相关带宽大，每个子载波的衰落可看作是平 坦的，不同子载波经历不同衰落。假设这种频率选择性行为在一段时间内是保 持不变的，例如，每个子载波的幅度在考虑的时间区间是不变的。我们想到的 问题是，为更好的传输数据，发送端根据信道的频率选择性做调整有没有意 义? 信息论的注水( w a t e r6 l l i n g ) 理论 2 3 】为这个问题提供了解答。知道信道的 传输函数，就能知道它的容量( 此处容量定义为满足任意小比特错误概率时的 中国科学技术大学硕士学位论文 最大比特速率) 。根据咳理论，根据传输函数调整发送功率可以达到信道容 量。给定功率预算，更多的发送功率分配给经历较弱衰落的频率。在平均衰落 恒定的情况下，传输函数的变化越剧烈，容量越高 2 l 】。但是注水理论不能直接 应用到o f d m 系统中，原因有两个：( 1 ) 注水理论对应连续传输函数，换句 话说，注水理论假设功率能在无限窄的子载波上调整，而o f d m 系统的传输函 数是离散的。( 2 ) 注水理论考虑的目标是容量，这就表示发送功率和单位时| 日j 接收到的比特量之间的连续关系。而实际的通信系统不具有这个特点，实际系 统只有一组有限的调制类型，这些类型只能提供离散的数据速率。 c o = 母 了 c o z 图2 - l1 言思论的注水理论和在有5 个子载波的o f d m 系统中的应用 所以在o f d m 系统中应用注水理论需要一个离散的形式，称为自适应分配 ( a d a p t i v el o a d i i l g ) ，或称做b i t l o a d i n g 和p o w e r - l o a d i n g 。b i t 1 0 a d i n g 算法根据 子载波状态调整该子载波上传输的比特数量，而p o w e r 1 0 a d i n g 调整发送功率。 通常比特和功率一起调整。 给定总功率圪。，子载波数，数据速率、差错概率以及每个子载波的s n r 三者之间的函数关系，每个子载波的功率或比特分配算法就产生了。主要有两 个目标可以考虑 2 4 】： ( 1 ) 给定功率和b e r 要求，最大化数据速率；( 2 ) 给 定速率和b e r 要求，最小化发送功率。接下来分别分析这两个问题。 2 2 1 最优分配 假设发送功率和每个符号( s y m b 0 1 ) 可承载的比特数之间具有连续关系 ( 无限增长的发送功率使比特速率也无限增长) 。系统带宽b ，子信道数n ， 子信道带宽= 驯。f 时刻子载波以上的发送功率为p ? ) 。当前所有功率分配 可表示为p ( r ) ：f p ”，砖) 。瞬时信道状态用磷) 表示y ( t ；= ( y 箩、r 竽) ，每个子载 波的噪声功率为盯2 ，则子载波以的s n r 表示为： 第2 章o f d m 系统的动态资源分配 儿趟 。i 0 1 给定以”则子载波的容量为 = 矽1 0 9 ：( 1 + 俐 整个系统的容量为各子载波容量之和。给定总功率只。， 表示如下： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 速率最大化问题可 一弘：f ，t + 掣卜陟旺3 ， 这是个非线性连续优化问题，可以通过l a g r a n g i a n 乘法解决 2 6 ，得到每个 子载波的最优功率分配： 瞄障薪心j _ 薪 4 ) 这个结果符合注水理论：子载波的衰落程度相对越弱，分配的发送功率越 多。但是( 2 4 ) 的解会产生有些子载波分配的功率是负值的情况，可以忽略负 功率的子载波，重新计算剩下子载波的最优功率分配。最差情况下要重复计算 n 1 次才能得到最优结果。 如果调制类型是有限的，就要采用不同的方法。设有m 种不同调制编码组 合，s n r 、差错概率和可达到的比特速率之间的关系表示为f ( 孙侬，) 。给定 b e r 要求，采用每种调制编码组合所需的s n r 可以通过该函数计算得到。这 样，如果给定每个子载波的衰落，每个子载波只能分配m + 1 种功率水平中的一 种。比特速率最大化问题变成了整型规划最优问题【2 7 】，表示如下： 鹕吖掣如 5 ， “ p 只。 一般而言，整数规划问题的求解是很困难的，尽管可能解的数量是有限的 ( 每个子载波可能分配m 十1 种功率水平的一种，因此有( m + 1 ) 种可能的功率 分配) ，找到最优解仍然需要很大的计算量，可能需要穷举所有的解并比较它 们的性能，这激励人们寻找有效的简化算法。h u g h e s - h a n o g s 最早提出一种迭代 方法 2 8 】。该算法的原理很简单( 算法1 ) ，对每个子载波，计算其采用最低的 中国科学技术大学硕士学位论文 调制编码组合时所需的发送功率，然后，选择功率需求最小的子载波，分配功 率，并计算采用下一个更高阶调制编码组合时需增加的功率，同时从总功率中 减去已分配的功率。当没有功率可分配时算法结束。该算法在保证目标b e r 的 同时最大化数据速率。虽然它得到所有可能的解，计算步骤仍然很多。例如， 设m 阶调制每次只分配1b i t ，那么发送1 0 0 0b i t s 算法要进行1 0 0 0 次迭代。 c h o w 等人提出一种更快的分配算法 2 9 】，在保证数据速率需求的同时最小 化发送功率。开始假设功率平均分配，然后改变功率分布来满足速率要求。在 得到等功率分布时每个子载波的比特速率后，根据当6 仃达到的数据速率与目标 速率的差值，迭代增加或减少每个子载波的功率( 例如，若当6 ，j 达到的总速率 大于目标速率，所有子载波的发送功率可以下降一个因子) 。这个细化过程需 要重复一定次数，但是与h u 曲e s h a n o g s 相比能更快得到结果。但是它的结果 是次优的。 f i s c h e r 等人在c h o w 算法的基础上提出一种改进算法【3 0 】，在保证目标比特 速率的同时，产生最小的b e r 。 1 4 第2 章o f d m 系统的动态资源分配 相对以上算法，还可以考虑一种纯b i t 1 0 a d i n g ( 每个子载波的发送功率是固 定的) 算法。因为衰落不同，每个子载波的s n r 也不同，就可以单独调整每个 子载波的调制类型，称为自适应调制( a d a p t i v em o d u l a t i o n ) 1 9 】。给定目标 b e r ，对应每个调制类型有一个s n r 区间。假设知道每个子载波的衰落，对每 个子载波，根据s n r 区间可简单的选择调制类型。 另一个想法是，固定使用一种调制类型，单独的改变每个子载波的发送功 率( 纯p o w e r 1 0 a d i n g ) 。该算法由h u i l z i k e r 等人提出 3 5 。因为吞吐量固定 ( 每个s y m b o l 传输相同数量的比特) ，目标是在总功率受限的情况下最小化 b e r 。因为发送功率是变化的，而调制类型固定，所以该优化问题成为非线性 连续优化问题。用l a g r a n g e 乘法可以得到理想信道状态已知时的最优功率分 配。 2 。2 。2 动态方案的性能分析 前面讨论了各算法的计算复杂度，接下来讨论算法的性能增益。 在文献 3 8 】中，c z y l w i k 比较了o f d m 系统采用固定调制和自适应调制时的 吞吐量性能：对不同的无线信道，自适应调制比固定调制提高4d b ：在非视距 ( n ol i n e o f - s i 曲t ) 传输时，性能提高了5d b 。文献【4 0 中c z y l 谢k 作了进一步研 究，考虑b e r 性能，自适应分配( 可变功率和比特分配) 比自适应调制( 固定 功率分配) 仅仅高1d b 。这说明，自适应比特和功率分配算法比自适应调制算 法多出的计算开销是不值得的。文献 4 1 】对i e e e 8 0 2 11 a 系统分别采用自适应调 制和自适应分配，也发现同样的结论。文献 3 6 】发现对一个采用编码交织的系 统，最大的性能增益是采用自适应调制得到的，而不是采用自适应比特和功率 分配。文献 3 5 】的结果表明，软判决解码比自适应功率分配产生更大的性能增 益。 2 2 3 信道信息的准确度对动态算法性能的影响 前面讨论的算法都假设发送端和接收端知道理想的信道信息，而实际系统 中，信道信息或多或少有些误差。考虑到信道信息，有两个问题需要研究：发 送端怎么得到接收端的信道状态信息? 在时变信道下自适应方案的性能怎样? 第一个问题跟双工方式有关。在t d d 系统，信道可看作是相互的，大大简化了 信道知识的获取。在f d d 系统，信道信息就要通过某种方式反馈 4 2 】。第二个 问题与接收端实际得到的信道信息对性能造成的损失有关。例如，接收端在每 帧的开始根据导频估计信道。由于信道是时变的，在传输过程中，当前信道状 态可能与估计值越来越有差异。文献【3 8 】对采用基于导频的信道估计和理想信道