（通信与信息系统专业论文）基于ieee80216的mimoofdm比特和功率分配技术研究.pdf

重庆邮电大学硕十论文摘要 摘要 宽带无线接入技术作为未来无线通信系统最具发展潜力的接入技术之一，正 受到业界越来越多的关注。i e e e 8 0 2 1 6 系列规范的制定，就是为了适应宽带无线 接入的快速发展，并为之提供一个全球统一的标准。m i m o o f d m 作为一种有效 传输技术能够抑制码间串扰和对抗多径衰落，被广泛应用于i e e e 8 0 2 1 6 。 m i m o o f d m 系统的自适应调制技术又称为自适应功率和比特分配，可以达到优 化系统性能的目的。研究基于m i m o o f d m 的自适应调制技术对于未来宽带无线 通信系统的发展和应用具有重要意义。 本文主要研究m i m o o f d m 通信系统中的比特和功率分配问题，并为 i e e e 8 0 2 1 6 设计实用高效的自适应比特和功率分配算法。 论文在深入研究目前国际上自适应分配算法的设计理论和一些经典算法的基 础上，针对当前该研究领域存在的问题以及未来应用需求，在综合分析了现有算 法局限性，运算量和复杂度的基础上，根据业务特点，设计出适用于i e e e 8 0 2 1 6 系统的比特和功率分配方案，并对设计的算法进行了仿真验证。 本文的创新点和主要贡献在于t 在固定速率业务方面，首先根据i e e e 8 0 2 1 6 系统自身调制方式的特征，提出 了一种基于贪婪算法的快速实现方法；其次根据一种次优算法，提出了一种改进 方案，首次采用循环式双步长快速分配，并完善了原算法的不足之处；最后从固 定速率的最优分配理论出发，提出了一种简化的分配算法，并考虑系统实际应用 场景，给出了实用的设计方案。 在变速率业务方面，首先基于快速迭代注水算法，将有限记忆和二分法二者 结合，提出了一种新的解决思想，据此设计了一种具有较低运算量的快速迭代方 案。其次，利用注水功率分配算法，通过寻求快速确定不许分配功率子信道的方 法，提出了一种线性注水比特和功率分配方案。 分析和仿真表明，其它同类型算法相比，达到相同的性能时，所提出的方案 便于根据实际需要在性能和复杂度之间进行折中，适合实际中的应用，对非精确 信道信息具有较好的鲁棒性，也同样适用于采用多输入多输出天线，正交频分复 用的其它系统。 论文最后给出了一种f d d 方式下比特和功率分配的参考解决方案。 关键词：多输入多输出，正交频分复用，比特功率分配，贪婪算法，注水算法 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a e t a b s t r a c t a so n eo ft h em o s t p r o m i s i n gt e c h n o l o g y i n f u t u r eb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，b w a ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) h a sd r a w nm u c ha t t e n t i o n a n db e c a m eah o ts p o to fr e s e a r c h i n g n l ei e e e 8 0 2 16s t a n d a r di sp r o p o s e da saw o r l d s t a n d a r do fb w a a sa ne f f e c t i v ew a yf o rm i t i g a t i n gt h ee f f e c t so fi s ia n dp r o v i d i n g r e l i a b l eh i g h - d a t at r a n s m i s s i o n ，m i m o o f d mh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ni e e e 8 0 2 16 s t a n d a r d a d a p t i v e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，s p e c i f i c a l l y , a d a p t i v eb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o n t e c h n i q u e sc a nb ea p p l i e dt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m s r e s e a r c ho na d a p t i v e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e s i nm i m o o f d m s y s t e m s w i nb em u c hv a l u a b l ef o r i e e e 8 0 2 16s t a n d a r d t h em a i nt a s k si nt h i st h e s i sa l et od e v e l o pb a s i ct h e o r e t i c sa b o u tb i ta n dp o w e r l o a d i n ga l g o r i t h m sb a s e do nm i m o o f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n dd e s i g nn e w e f f i c i e n tl o a d i n ga l g o r i t h m sa p p l i e di ni e e e s 0 2 16 b a s i n go nt h ei n d e p t hs t u d yo fa d a p t i v em o d u l a t i o nt h e o r e t i c sa n dc o n v e n t i o n a l l o a d i n ga l g o r i t h m s ，s o m ef r u i t f u lt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa n da l g o r i t h m sd e s i g nw o r k h a v eb e e nc a r r i e do u tw i t hr e g a r dt ot h ep r o b l e m so fl o a d i n ga l g o r i t h m sa n dt h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sb yf u t u r es y s t e m s a l l o w i n gf o rt h er e l i a b i l i t y , f e a s i b i l i t ya n d c o m p l e x i t y , t h es o l u t i o no fl o a d i n ga l g o r i t h m si sd e s i g n e df o ri e e e 8 0 2 16s y s t e m s a c c o r d i n gt os e r v i c e s t h ed e s i g n e da l g o r i t h m sa r et e s t e dw i t hm a t l a bs i m u l a t i o n t h em a i nt a s k sa n dc o n t r i b u t i o n si nt h et h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i nc o n s t a n t r a t es e r v i c e ，r e c o g n i z i n gt h a tt h en u m b e ro fb i t so ne a c hs u bc h a n n e li n i e e e 8 0 2 16s y s t e m s ，ac o m p u t a t i o n a l l ye f f i c i e n ta l g o r i t h mb a s e do ng r e e d ya l g o r i t h m i s p r o p o s e df i r s t l y a na d a p t i v ev a r i o u ss t e pm e t h o di se m p l o y e dt os i m p l i f ya n e a r - o p t i m a la l g o r i t h ms e c o n d l y i nt h ee n d , as i m p l i f i e da l l o c a t i o na l g o r i t h mi s i n t r o d u c e db a s e do no p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o nt h e o r e mf o rc o n s t a n t - r a t es y s t e m s ，t h e p r a c t i c a ls o l u t i o ni sa l s op r o p o s e d i nv a r i a b l e r a t es e r v i c e ，ac o m p u t a t i o n a l l ye f f i c i e n ta l g o r i t h mi s p r o p o s e db y c o m b i n i n gi t e r a t i v ew a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h ma n db i n a r ym e t h o da tf i r s t am e t h o do f l i n e a rb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o nb a s e do nw a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h ek e yo f t h i ss o l u t i o ni st oc o n f i r mt h en u m b e ro fs u b c h a n n e l sw h i c hn e e dt oa l l o c a t ep o w e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds o l u t i o nh a sl e s sa l g o r i t h m i cc o m p l e x i t y h 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w h e na c h i e v i n gt h es a m ep e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ho t h e ra l g o r i t h m s i ti sm o r e a p p l i c a b l ef o rp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n sw i t hb e t t e rr o b u s t n e s s i ti sa l s oa p p l i c a b l ef o r o t h e rc o m m u n i c a t i o nb a s e do nm i m o ，o f d m t h es o l u t i o no fb i ta n d p o w e ra l l o c a t i o ni nf d d i sp r o p o s e di nt h ee n d k e yw o r d s ：m i m o ，o f d m ，b i ta n dp o w e ra l l o c a t i o n ，g r e e d ya l g o r i t h m ，w a t e r - f i l l i n g a l g o r i t h m i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 随着通信需求的不断增长，宽带化已成为当今通信技术领域的主要发展方向之 一，而网络的迅速增长使人们对无线通信提出了更高的要求。与所有的无线通信 系统相同，在未来移动通信系统中，无线资源( 包括频谱、时隙、码字、功率和天 线等) 非常稀有宝贵，如何对它们进行合理有效的使用满足不同业务q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求，提高系统性能，是无线资源分配技术研究的问题。 无线资源分配方案可以分为两大类：固定分配和动态分配。固定分配几乎不需 要附加任何信令开销，因此实施起来非常简单，它的明显缺点是不能与业务环境 和用户分布的变化相适应，频谱效率非常低。 动态无线资源分配可以看作一种自适应技术，它根据获得的信道状态信息，利 用无线信道的随机时变特性，总是把资源分配给信道条件最好的用户，从而最大 限度地提高系统性能。很多无线通信系统已采用了自适应传输技术来提高系统的 传输速率，比如g p r s ，e d g e 和h s d p a t 。 近年来，自适应链路技术已成为无线通信领域的研究热点之一【2 叫，并且作为 一种增强技术在第三代移动通信技术标准如w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 中得到应用p j 。 “十一五”期间，依据国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 ) 、国 家“十一五”科学技术发展规划和 8 6 3 计划“十一五”发展纲要，8 6 3 计划 信息技术在2 0 0 6 2 0 0 7 年专题指南上【6 】，明确指出自适应与自组织无线传输技术， 新型宽带无线接入体制与技术等是通信技术的总体布局与研究方向。 自适应与自组织无线传输技术主要研究：环境自适应高效无线链路传输技术； 自适应多天线( m i m o ) 无线传输技术；宽带无线传输自适应、高效高速编译码技 术，宽带无线传输自适应、高效高速调制解调技术等。 新型宽带无线接入体制与技术主要研究：新型宽带无线接入体制与关键技术； 新型室内宽带无线通信技术等。 在众多的宽带技术中，当前支持宽带无线接入的w i m a x ( w o r l d w i d e i 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 ) 技术受到了业界的普遍关注，w i m a x 技术是 基于无线城域网i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线技术。根据8 0 2 1 6 协议的规定，在 固定状态下，w i m a x 其最大覆盖范围是5 0 公里，最大数据速率可达7 5 m b i t s 。 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 在移动状态下，w i m a x 小区半径最大为5 公里，最大数据速率可达3 0 m b i t s 。无 论是固定还是移动状态，w i m a x 所达到的覆盖范围和最大数据速率都要比现有的 各种无线接入技术大好几倍。因此，w i m a x 技术具有非常广阔的应用前景【7 1 。 1 2 比特和功率分配研究及应用概况 1 2 1 技术起源及发展 g a l l a g e r 早在6 0 年代指出，有加性高斯白噪声( a w g n ) 干扰的限带信道中，使 信道容量最大的最优功率分布是“注水( w a t e r - f i l l i n g ) 形式的分布【8 j 。这可以看作 是自适应调制技术，特别是多载波系统中自适应功率分配技术的萌芽。 1 9 9 0 年，b i n g h a l t l 最早提出了在多载波系统中进行自适应功率分配和调制方 式选择的思想一。10 。 1 9 9 1 年，s t a n f o r d 大学的j m c i o f f i 提出了“信噪比间隔”的概念【1 1 】。这一概 念目前在自适应调制技术研究中广泛使用。其研究小组成员，如c h o w ，l e k e 等人 对d m t ( 离散多音频调制) 系统中的白适应调制技术继续进行了深入研究。1 9 9 5 年 c h o w 算法【l2 】根据各个子信道容量进行功率分配，省去了大量的排序运算，但是该 准则存在一点不足，信号功率和速率直接相关，从而不存在优化空间。 1 9 9 6 年，f i s c h e r 算法1 1 3 1 基于固定速率条件下使系统所需总功率最低的最优比 特和功率分布结果，给出了该最优分布的闭式解。f i s c h e r 算法是目前效率比较高 的算法之一，对于实际应用还是理论分析都具有指导作用。 1 9 9 7 年，w i l l i n k 1 4 1 从理论上全面的分析了多载波系统的最优性能，以及多载 波系统中最优的比特和功率的分布。这是自适应多载波系统研究方面的一篇重要 文献。w i l l i n k 在分析中放宽了对子信道误码率的限制，假设各个子信道额误码率 可以不相等。但由于求解困难，w i l l i n k 并没有得到最优比特和功率分布的闭式解。 1 9 9 8 和1 9 9 9 年c a m p e l l oj 【1 5 07 j 先后提出了关于比特和功率分配的充分和必要 条件的理论，给出了在d m t 系统下的实用算法。虽然考虑了各种噪声干扰的影响， 却没能使得性能和传输速率同时得到最优化。 1 9 9 8 年l e k e 和c i o f f i 首次i l 列提出了在非精确信息下多载波系统中，比特和功 率分配算法的性能问题。 1 9 9 9 年s a ik i tl a i 在h u g h e s h a r t o g s 算法【1 9 】的基础上，提出了一种简化的算 法，复杂度相比h u g h e s - h a r t o g s 算法大大降低【2 0 2 1 1 。 2 0 0 0 年b s k r o n g o l d 提出的算法 2 2 - 2 4 】是比较高效的分配算法之一。该算法根 据每个子信道的速率和功率选择对应于速率和功率曲线上斜率为最佳厶。k 的点， 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 就能够达到最优的分配结果。确定最佳的厶娠，从预先存储的列表查找速率s n r 工作点，最后计算每个子信道的功率和速率。该方法虽采取了最优化，但是没有 考虑各种干扰和信道衰减的影响。 2 0 0 1 年g r u n h e i d 2 5 】提出了基于子带的分配算法，将子信道进行分组，每个分组 中的子信道分配相同数目的比特和功率。这样能够有效减小系统中信令开销，提 高系统的吞吐量，并且复杂度也相应降低，当然这也带来了性能上的一些损失。 2 0 0 2 年f a s a l l o 【2 6 】提出首先给所有的子信道分配最大允许的比特数，然后依次 在各个子信道减少比特，直到满足速率或功率约束条件，并利用拟阵理论证明了 这种算法的最优性。 2 0 0 2 年s i g e ny e t 2 7 】在总结c i o f f i 1 引，yl i l 2 引，m r s o u r y a l l 2 9 】研究基础上针对非精 确信道信息下自适应调制技术，对信道估计以及时延进行了理论分析，为评价算 法的鲁棒性奠定了理论基础。 2 0 0 3 年j a n g l 3 0 】提出以功率注水门限为迭代参数，以指数形式的近似误码率公 式进行自适应分配，能够以较低复杂度接近贪婪算法的性能，该算法是目前关于 注水迭代算法在实际应用的主要算法。 2 0 0 4 年w y g l i n s k i p lj 提出了以误码率为迭代参数，按照q 函数的误码率公式在 各子载波等功率传输的比特分配。 2 0 0 4 年d a r d a r i t 3 2 】提出了一种采用排序、只使用固定数目的信道条件较好的子 信道传输的方案。贺志强【3 3 】依据平均功率分配原则，采用自适应调节的方式，论 述了m i m o 系统中基于注水原理的功率和比特分配。 2 0 0 5 年h w a n gy i n t s u n 9 1 3 4 1 介绍了一种基于信噪比门限切换调制方式的自适 应算法，相比一般加载算法复杂度高，不适宜时变无线信道下的实时传输，但算 法复杂度大为下降。d a n i e lp e r e z l 3 5 1 提出了单用户和多用户不同的受限条件下应用 注水原理最优化功率分配的方法。 2 0 0 6 年王永学【3 6 l 利用遗传算法搜索分配，通过在遗传算法的初始群体中加入 具有优秀基因的个体使遗传算法快速收敛，从而降低算法复杂度。 2 0 0 7 年q i s h a n t 3 7 j 提出了盲调制类算法，不需要发送调制信息，接收端通过盲 估计得到分配方案。余小明【3 8 】在专利中提出利用己经确定分配参数的子载波上所 分配的参数信息，对其相邻子载波进行传输比特和功率分配优化，单纯在空域进 行比特和功率分配。 针对m i m o o f d m 系统，这方面研究还比较少。z h a n gy j r 3 9 1 ，p a s e u a l 1 ma 【4 0 1 研究在了载波和空间两个维度进行功率和比特分配，以达到优化系统容量和可靠 性的资源分配策略。z h o uz h e n g d o n g 4 q 分析了具有不同自由度的白适应 m i m o - o f d m 系统性能，a s h i s hp a n d h a r i p a n d e l 4 2 1 针对基于s v d ( 奇异值分解) 预 重庆邮电火学硕j 卜论文 第一章绪论 编码m i m o o f d m 系统，提出了一种离散最优联合分配算法，但是该算法复杂度 较高。 2 0 0 5 年p a r t e e kb a i l s a l 【4 3 】研究基于m i m o o f d m 系统中的分配技术，提出了 近似最优解，这是迄今关于这方面最重要的一篇文献。 2 0 0 7 年sn a d e r - e s f a h a n i l 4 4 1 提出了一种固定速率下的最小化功率的简化算法。 该算法利用子信道增益的最大值和最小值相除取对数，确定子信道分组数目和子 信道划分，每组中又按照信道增益情况分成两种比特分配。张文强【4 5 1 提出了一种 b i c m o f d m ( 比特交织编码调制) 系统中的自适应比特和功率分配算法，按照信道 信噪比从小到大排序，按照划分好的子信道信噪比门限分组，按照区间采取渐次 分配的方法。 1 2 2 存在的问题 m i m o 系统中的资源管理技术主要包括自适应调制和功率分配两个方面。自 适应调制和功率分配主要是根据信道状态信息c s i 的变化，通过改变调制方式和 天线发射功率，在满足一定误比特率要求的前提下，使系统的总发射功率达到最 小，或者使用注水原理以获得最大的系统容量。 各种资源分配算法侧重点各不相同，有的是从系统最终性能( 主要是误码率) 着手，有的是从系统容量方面来考虑，有的是从节约资源方面来考虑( 主要是发射 功率 ) ，但是各种方法都有各自的优缺点，优点是都使得系统在多种方面得到改善， 缺点是或多或少的忽略了其它一些参数的改善。因此，资源分配算法至今，如何 保证各种参数的总体提高，仍旧是研究的一个重点内容。本文就是在前人研究的 基础上，争取简化系统，使得各个参数都有所改善。 通过上面的综述和对算法总结，可以知道目前还存在的问题： 算法的复杂度相当高，难以在无线环境中应用 ( d 算法的复杂度低，但性能无法达到最优。 ( d 目前，大部分的自适应比特和功率分配算法，都是基于“各个子信道误码率 相等”这一前提条件来设计的。很少再有文献对非等误码率自适应比特和功率分配 进行研究。 ( d 大部分算法性能都是基于精确信道信息，在部分精确信道信息下性能还有 待验证，同时如何利用部分信道状态信息获取较好的性能也是目前研究热点之一。 大部分算法还只是基于m i m o 或者o f d m 系统下的研究，对采用多天线 的m i m o o f d m 系统中如何进行具体进行分配算法以及算法性能有待深入研究。 算法大多是针对调制方式的连续调制数目情形进行分析，没有针对各个系 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 统实际使用调制方式情况进行分析。 因此，m i m o o f d m 的比特和功率分配机制还不够完善，算法往往考虑不够 全面，大部分算法还处在理论研究阶段，运算复杂度比较大，没有充分考虑实际 运用中的诸多困难；大部分还都是通过迭代和穷举搜索的方式来进行传输带宽的 优化，在一次迭代过程中只能确定一个可用子信道，或者排除一个不可用子信道。 1 2 3 课题研究的意义与任务 在移动通信系统中，无线信道的时变特性是影响无线通信系统性能的一个重 要因素。在o f d m 所有载波中，通常有1 的子载波的衰减低于平均载波 2 0 d b ，0 1 的子载波衰减低于平均载波3 0 d b 。如果采用固定的分配方式，系统必 须根据最差的信道状况选择链路传输方案，这样会出现地板效应，即增加信噪比 而不能改善误码率。而如果采用动态地分配由子载波和天线定义的子信道的比特 和功率，在信道状况较好时选择频谱效率高的传输方案以提高系统速率，在信道 状况较差时采用低速率传输方案以提高链路传输质量，能够显著提高系统的性能。 在m i m o o f d m 系统中，采用自适应调制技术虽然可以同时从时间、频率和 空间3 个维度上克服无线信道的衰落，但也增加了系统设计和实现的复杂度。为 进一步提高系统的性能，自适应调制技术通常还会与功率分配技术结合，实现动 态的比特和功率分配。这使得自适应分配问题拓展成更多维度上的最优化问题， 用于其中的比特和功率算法应进一步优化以使执行效率应更高。因此，为 m i m o o f d m 系统设计一种低复杂度的比特和功率分配算法变得非常必要 4 6 1 。 采用了o f d m 和m i m o 的i e e e 8 0 2 1 6 标准作为新型宽带无线接入的主流技 术，被广泛地应用到宽带系统的物理层中，因此对于其资源分配技术的研究有很 重要的现实意义。 i e e e 8 0 2 1 6 系列标准广泛应用了动态分配技术，包括比特分配，功率分配， 带宽分配，子载波分配，可以用来提高系统速率、改善系统b e r 性能、减小系统 的功率开销。系统中的资源分配设计子载波、功率、调制、比特，几种资源的联 合优化是一个复杂度极高的问题。 w o n g l 4 、r b e ew 1 4 8 1 将这几种分配同时进行，算法比较复杂，不适宜实际应用。 k i m 4 州在这种联合分配算法的基础上提出了一种分两步走的算法。首先根据业务为 每个用户分配子信道，然后分别在各个用户得到的子信道上进行比特、功率分配。 目前8 0 2 1 6 相关标准中针对子载波分配主要分为完全使用子信道方法( f u s c ) 和部分使用子信道方法( p u s c ) ，而对于比特和功率分配方法没有具体给出。因此 在已有研究中，主要采用分步优化的方法。第一步，分配子载波；第二步，确定 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 各子载波的功率、加载比特数。本文着重研究功率分配和比特分配技术。 功率分配可以根据信道增益统一分配所有子载波，但此时极易改变子载波分 配时用户的公平性性能。另一种方法是在用户间按照用户占用的资源比例分配载 波，用户内只需考虑尽量增加吞吐量，即保证了用户间公平性和q o s 性能，又不 会影响整个系统的调度目标p o l 。 对于比特分配( 即自适应调制技术) ，考虑实际系统实现时，由于调制方式的 限制，加载的比特数只能取几个固定的值，对于不同系统，加载数目和类型也不 尽相同。因此功率分配要与比特分配联合优化，才具有实际应用价值。 比特和功率联合分配的相关算法中贪婪算法和迭代注水分配算法是理论最优 解，但是贪婪算法运算量较大，迭代注水算法也需要经过多次迭代运算才能求出 最优解，因此目前研究主要集中在如何减少迭代次数和寻求运算量最小的次优解。 通过设计高效而具有鲁棒性的自适应比特和功率分配算法，克服时变衰落，保证 链路q o s 的要求，从而充分发挥w i m a x 高速传输优势。 1 3 本文的工作 本论文的主要工作是，研究自适应比特和功率分配算法的设计理论，设计高 效的自适应比特和功率分配算法。论文分别针对系统中固定速率和变速率两种情 形，分别提出了对应的自适应比特和功率改进分配方案。仿真证明，所提方案便 于根据实际需要在性能和复杂度之间进行折中，适合实际中的应用。 本文全文共分六章，每章的内容安排如下： 第一章介绍比特和功率发展的基本概念和发展研究现状，分析已取得的进展和 所面临的问题。阐明了研究的理论价值。 第二章主要介绍i e e e 8 0 2 1 6 标准物理层的相关基础，标准体系，载波分配方 案，系统帧结构，实现方式以及相应的系统信道模型。 第三章主要研究比特和功率分配的相关算法以及应用基础，主要包括常见的系 统分析方法，相关容量定义，基本概念，实现方式，算法分类以及评价准则，并 对基本算法和概念进行了仿真，给出对应分析。 第四章提出固定速率下的比特和功率分配改进算法，首先推导了理论上的最 优解，阐述已有的数种功率分配和比特分配算法，并针对i e e e s 0 2 1 6 提出了对应 的几种改进的实现方案，仿真了在不同信道环境下改进方案在误码率上的提高以 及复杂度的降低。 第五章提出变速率下系统的比特和功率分配算法，介绍经典的注水算法基本 原理，针对i e e e 8 0 2 1 6 系统，首先提出了一种可实际应用的分配方案，该改进算 6 重庆邮电火学硕士论文第一章绪论 法采用了二分法以及有限记忆的改进思想，其次提出了一种线性注水方案，最后 对其复杂度以及鲁棒性进行了仿真分析。 第六、七章给出了f d d 下的一种参考解决方案，对全文进行总结，并指出了 当前算法的进一步研究方向。 7 第二章物理层协议与原理 2 1i e e e 8 0 2 1 6 标准的体系1 5 1 - 5 5 1 i e e e 8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，w i m a x 是 i e e e s 0 2 1 6 技术在市场推广中采用的名称。i e e e 8 0 2 1 6 标准系列主要包括 8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 d ，8 0 2 1 6 e 标准，其中8 0 2 1 6 ，1 6 a , 1 6 d 属于固定无线接入空中 接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中标准。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在1 0 6 6 g h z 频段的固定宽带无线 接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用的频段较高，因此 仅能应用于视距( l o s ) 传输。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标准对8 0 2 1 6 标准进行了扩展，对使用2 1 1 g h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了 规范，该频段具有非视距( n l o s ) 传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 公里，通常小 区半径为1 0 公里以内。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供了q o s 保证机制，可支持 语音和视频等实时性业务。 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟且具有实 用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对1 0 6 6 g h z 频段和 1 1 g h z 频段的固定宽带无线 接入空中接口物理层和m a c 层进行了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定 宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。该标准对前几个8 0 2 1 6 标 准进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线接入规范。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准。 8 0 2 1 6 e 标准区别于前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。该标准规定 了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工作在 6 g h z 适宜于移动性的许 可频段，可支持用户终端以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用 户能力并不因此受到影响。8 0 2 1 6 e 标准规定了支持基站或扇区间高层切换的功 能。制定8 0 2 1 6 e 标准的目的，是希望能够提出一种既能提供高速数据业务又使 用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。8 0 2 1 6 e 标准己于2 0 0 5 年1 2 月7 日获 i e e e 批准。8 0 2 1 6 系列各空中接口标准的比较如表2 1 所示。 8 表2 1i e e e 8 0 2 1 6 系列各空中接口标准特征的比较 8 0 2 1 68 0 2 1 6 a8 0 2 1 6 d 8 0 2 1 6 e 标准2 0 0 1 年1 2 月2 0 0 3 年1 月正式发2 0 0 4 年6 月获批2 0 0 5 年1 2 月获批 情况正式发布布 使用 lo 6 6 g r h z l i g h z10 6 6 g h z 6 g h z 频段 1 l g h z 信道视距非视距视距+ 非视距非视距 条件 固定固定固定固定移动+ 漫游 移动 性 调制q p s k 16 q a 2 5 6 0 f d m2 5 6 0 f d m2 5 6 0 f d m 方式 m 6 4 q a m( b p s k ( b p s k ( b p s k q p s k 16 q a m 6 4q p s k 16 q a m 6 4q p s k i6 q a m 6 4 q a m )q a m ) q a m ) 2 0 4 8o f d m a 1 2 8 5 1 2 1 0 2 4 2 0 4 8 o f d m a 信道 2 5 2 8 m h z 1 2 5 2 0 m h z1 2 5 - 2 0 m h z1 2 5 2 0 m h z 带宽 传输 3 2 - 13 4 m b p s (在2 0 m h z 信道上 在2 0 m h z 信道上在5 m h z 信道上提 速率 以2 8 m h z 为 提供约7 5m b p s 的提供约7 5m b p s 的供约1 5m b p s 的速 载波带宽) 速率 速率 塞 额定 o ，v f - l ，2 ， ( 4 9 ) ；2 h t 、7 一 、7 鍪：o , i j , i , j ：1 ，2 ， ( 4 1 0 ) a b i 8 b ： 一 、 由4 9 - 4 1 0 两式看出，拉格朗日函数的海森矩阵是正定的。根据多元函数极 值判断定理，拉格朗日函数存在极小值。又由于函数的驻点是唯一的，因此，拉 格朗日函数存在最小值。上面所求的若即为使得拉格朗日函数取得最小值的唯一 解，也是使固定速率系统所需要的发送功率达到最小的最优比特分布。将魏代入， 各个子信道所需要的功率为 “驴厂2 争c 尊一等幺 4 3 基于发射功率最小化的分配算法分析 由于无线信道是时变的，所以系统必须及时根据信道的变化情况来调整功率 和比特分配方案以取得最佳性能，这就要求用于最小化发射功率的算法应有较高 的计算效率。但固定速率下的最优分配求解复杂，不易于实际操作。因此实际应 用中的算法大部分是基于贪婪算法。 h u g h e s h a r t o g s 算法【1 9 1 ，c h o w 算法【1 2 1 ，f i s h e r 算法【1 3 】都是固定速率中比较经 典的算法，但是这些算法的复杂度比较高，实时性比较差，目前难以在无线环境 中应用，并且都是针对连续调制方式。 文献 4 3 ，6 0 1 q b 提出了一种可实用于i e e e 8 0 2 1 6 的比特和功率分配算法，基 本思想沿袭了贪婪算法，并且结合了c h o w 算法和c a m p e l l o 算法中的部分方法。 算法具有非常大的通用性和灵活性，被认为是目前关于该问题的近似最优算法， 能为无线宽带通信中的固定速率的语音数据和可变速率的多媒体数据提供良好的 传输性能。文中简称为c c 算法，并将其作为改进算法的比较对象。文献 6 9 】曾提 出一种对其的改进算法，但是本文通过仿真发现该算法容易发生振荡现象，迭代 次数不能够稳定下降。 4 4 基于贪婪算法的简单改进算法 该算法是基于s a ik i tl a i 算法【2 0 。2 1 1 原理提出的，针对i e e e 8 0 2 1 6 固定速率业 务的实用分配算法。本节首先介绍了s a ik i tl a i 算法的原理( 文中简记为s k l 算 法) ，然后分析了在本文中的应用原理和相关改进。 4 4 1 算法原理 s k l 算法是针对贪婪算法的改进算法，目的是降低贪婪算法的运算复杂度， 其基本出发点是：信道情况越好( 增益越大) 的子信道上增加同等数目的比特的 能量增量也越少。这个很容易证明。 首先1 主1 ( 4 3 ) 式知子信道增a n 减少一个比特的能量变化量： d e ，( 6 ) = q ( 6 ，) 一q ( 包一1 ) = 厅2 2 岛z ( 4 1 2 ) 从上式可以看出：在初始比特数目相同的子信道上增加相同数目的比特，需 要最小附加能量的子信道就是信道增益情况最大的子信道。因此，如果 耻) ：a r g m 势红，那么她( 炉卿掣。 ”“”叱 惕