（通信与信息系统专业论文）衰落信道上多用户通信的优化技术研究.pdf

、 厂 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f d e n g r e s e a r c ho no p t i m i z i n gt e c h n i q u e so f m u l t i u s e rc o m m u n i c a t i o n s i nf a d i n gc h a n n e l c a n d i d a t e ：s uj i a s u p e r vis o t ：p r o f z h a n gs h u a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：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 d a t e o fs u b m i s s i o n ：n o v e m b e r ，2 0 0 9 d a t e o f o r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 广 l 【 r、=l 。 l i i ii ii iii iii iii ii ru l y 18 0 9 5 3 9 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做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。 作者( 签字) ：菰住 日期：汐p 年弓月2 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( q 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部f 作者( 签字) ：荀、任 日期： 叫。年弓月2 捆 - 共享无 参特性 无线衰 务。 c d m a 有部分 子信道处于深衰落，导致系统误码率升高，论文中采用截断深衰落时比特发 射的方法，改善了多载波系统的性能。某个子信道处于深衰落时，传输误码 率很高，还对其它子信道产生干扰，截断此子信道上用户的发射功率，能够 降低多用户间的干扰，而且将节省的功率重新分配可以提高有效发射时的信 号能量，从而提高通信质量。截断深衰落子信道上的信息发射，在接收端标 识为删除，译码时相当于已知错误位置，有利于译码。文中分析了结合纠错 编码的功率截断多载波系统的平均误码率性能，对瑞利衰落下的系统性能进 行了仿真，可以看出系统误比特率明显降低，可容纳的用户数增加。 通过截断深衰落子信道上的信息发射提高了系统容量，对于剩余的子信 道，最优的功率分配方式是注水分配，但注水功率分配过于复杂不利于实际 应用。基于此，论文讨论了多用户在任意衰落的时变信道中自适应反馈的资 源分配方法，提出了基于相关时间周期检测的增量调整及基于容量变化自适 应反馈两种功率分配方案，仿真了多径衰落信道中自适应反馈功率分配方式 下多用户o f d m 系统的容量，通过与理想的注水分配时的容量做比较，证明 了本文自适应反馈分配方法的性能与最佳分配基本一致，并能够减少迭代次 数，降低系统的复杂度，提高了效率。 多天线阵列中采用奇异值分解技术可形成独立的并行信道，提高吞吐量， 但要求发射端己知准确的信道状态信息，不易实现。机会波束技术利用多用 户分集达到与采用相干波束成形时相近的吞吐量，受到广泛的关注。为了优 选随机发射波束并减少系统中过多地反馈，论文提出了自适应截断机会波束 、j 户对某一波束的接收信干噪比均低于门限值，截断该波束。论文中分析并仿 真了瑞利信道中询问反馈策略下的自适应截断机会波束技术的性能，证明了 能够大幅度降低反馈量，并提高系统中用户数较少时的吞吐量。 为了有效降低用户间干扰，提出一种基于空域滤波和最大比合并的组合 天线阵列，解决了多用户无线通信中同时存在的共道干扰和衰落的问题，分 析了存在任意功率的共道干扰时组合天线阵列在n a k a g a m i m 衰落信道上的 中断概率和误码率的近似性能，通过与单纯的空域滤波或最大比合并比较， 可看出组合天线阵列提高了多用户衰落信道的通信性能。 关键词：多径衰落：用户间干扰；功率分配；多天线：机会波束 o n eo ft h ep u r p o s e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni st oi m p r o v et h ec h a n n e l c a p a c i t ya n de f f i c i e n c y w h e nt h ew i r e l e s sc h a n n e lr e s o u r c ei ss h a r e db ym a n y u s e r s ，m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ei sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hr e s t r i c t s s y s t e m t h r o u g h p u t m e a n w h i l e ，t h eu n c e r t a i n t yo fr e c e i v e ds i g n a lc a u s e db yr a n d o m w i r e l e s sc h a n n e lr e d u c e st h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y t h i s p a p e ra i m s a t i m p r o v i n gt h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sm u l t i u s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d e c r e a s i n g t h eb i te r r o rr a t e ，a n do f f e r i n gar e l i a b l ea n dh i g h - e f f i c i e n tw i r e l e s st r a n s m i s s i o n o f d mi si m p o r t a n ti nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o m b i n i n gi t 、析mc d m ai n c r e a s e st h er o b u s m e s sa g a i n s tf r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n ga n dn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e t h i sp a p e rp r o p o s e st h ep o w e rt r u n c a t i o ni n m u l t i c a r r i e rc d m a s y s t e m s ，w h e nt h ec h a n n e lp o w e rg a i ni sl o w e rt h a nac e r t a i n t h r e s h o l d ，c o r r e s p o n d i n gb i t i sn o tt r a n s m i t t e d t h er e a s o ni st h a tb i t s i n d e e p - f a d i n gp e r i o da r eq u i t el i k e l yt ob ei ne r r o r ，i ft r a n s m i t t e dw o u l dw a s t et h e t r a n s m i s s i o np o w e ra n dp r o d u c ei n t e r f e r e n c et oo t h e ru s e r s s ot r u n c a t i n gi t , g e n e r a t i n ga ne r a s u r ea tt h er e c e i v e ra n dr e d i s t r i b u t i n gt h es a v e dp o w e rr e s o u r c e w i l lr e d u c em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e ，i n c r e a s et h es i n ra n di m p r o v ec o m m u n i c a t i o n q u a l i t y t h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i u s e rt r u n c a t e ds y s t e mi nr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e li sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ep e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d a m o n gt h er e m a i n d e rs u b c h a n n e l s ，t h eb e s tr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei s w a t e r - f i l l i n g b u tt h ew a t e r - f i l l i n gs c h e m ei st o oc o m p l e xt op r a c t i c e b a s e do ni t ， a na d a p t i v ef e e d b a c kr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei nm u l t i u s e ro f d ms y s t e m s u n d e rt i m e v a r y i n g f a d i n gc h a n n e l si sd i s c u s s e d t w oa d a p t i v es c h e m e sa r e p r e s e n t e d ：a d j u s tt h ep o w e rb a s e do nt h ei n c r e m e n tb e t w e e nt h ec o h e r e n c et i m e a n da d a p t i v e l yf e e d b a c kb a s e do nt h ec a p a c i t yc h a n g e m e n t b ys i m u l a t i n gt h e c a p a c i t yo fa d a p t i v es c h e m ep r e s e n t e da n dt h ew a t e r - f i l l i n gs c h e m ei nm u l t i u s e r 、，、；0 哈尔滨t 程大学博十学位论文 o f d m s y s t e m ，i ti sp r o v e dt h a tt h em e t h o d s c a n p r e s e r v et h ep e r f o r m a n c e ，r e d u c e t h es y s t e mc o m p l e x i t y ，a n di m p r o v et h es y s t e me f f i c i e n c y m u l t i a n t e n n a s y s t e mi m p r o v e s t h e t h r o u g h p u t ，p r o v i d e si n d e p e n d e n t p a r a l l e l s u b c h a n n e l sb y u s i n gt h es i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n b u tt h e t r a n s m i t t e rn e e d st ok n o wt h ea c c u r a t ec h a n n e l - s t a t ei n f o r m a t i o n ( c s l ) ，w h i c hi s h a r dt oi m p l e m e n t 1 1 1 eo p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g ( o b f ) s y s t e md o e s n tn e e d p e r f e c tc h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ，a l s oa c h i e v e sh i g ht h r o u g h p u t t os e l e c tt h e r a n d o mb e a m f o m i n g s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e da d a p t i v et r u n c a t e do b fi nm u l t i u s e r m i s os y s t e m s e t t i n gt r u n c a t e ds i n rt h r e s h o l d ，o n l yw h e nr e c e i v es i n ri s l a r g e r t h a nt h et h r e s h o l d ，t h eu s e r sf e e db a c k t h er a n d o mt r a n s m i t t i n g b e a m f o r m i n g sa r eo p t i m i z e db yt r u n c a t i n gt h eb e a m f o m i n g sw h i c hh a v en o f e e d b a c k t h r o u g ha n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h eo p t i m u mt r t m c a t e dt h r e s h o l d s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o na r ef o u n d i t sa l s op r o v e dt h a ta d a p t i v eo p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n gc a l lr e d u c et h ei n t e r f e r e n c e ，d e c r e a s ef e e d b a c k s ，a n de n l a r g et h e s y s t e mt h r o u g h p u t t of u r t h e rr e d u c ef e e d b a c k s ，a d a p t i v et r u n c a t e do p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n gu n d e ri n q u i r i n gf e e d b a c ks t r a t e g yi sp r o p o s e d t h eb a s es t a t i o n i n q u i r e st h eu s e r sr a n d o m l y ，o n l yw h e n t h eu s e ri si n q u i r e da n dr e c e i v e ds i n ri s l a r g e rt h a nt h et h r e s h o l d ，t h eu s e rc a nf e e dt h es i n rb a c k t h eb a s es t a t i o n c o m m u n i c a t e s 、7 l ，i t hu s e rw h of e e d sb a c kf i r s t b ya n a l y z i n ga n ds i m u l a t i n gt h e p e r f o r m a n c ei nr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s ，t h ea d a p t i v et r u n c a t e do p p o r t u n i s t i c b e a m f o r m i n gs y s t e mu n d e ri n q u i r i n gf e e d b a c ks t r a t e g yi sp r o v e dc a nr e d u c et h e f e e d b a c ka n di m p r o v et h et h r o u g h p u tw h e nt h e r ea r eaf e wu s e r s t or e d u c em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e ，m u l t i - a n t e n n ar e c e i v e rb a s e do nm a x i m a l r a t i oc o m b i n i n ga n ds p a t i a lf i l t e r i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hm i t i g a t e sb o t hf a d i n ga n d c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e si nt h em u l t i u s e rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e o u t a g ep r o b a b i l i t ya n db e rp e r f o r m a n c eo fm u l t i - a n t e n n as y s t e mi nn a k a g a m i 。m f a d i n gc h a n n e l sw i t hm u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ei sa n m y z e da n ds i m u l a t e d ，a n dt h e a p p r o x i m a t e c l o s e d - f o r m e x p r e s s i o n sa l ed e r i v e d k e yw o r d s ：m u l t i p a t hf a d i n g ；m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c e ；p o w e r a l l o c a t i o n ； m u l t i - a n t e n n a ；o p p o r t u n i s t i cb e a m f o r m i n g 飞 毒 衰落信道上多用户通信的优化技术研究 目录 l 3 。5 第1 章绪论l 1 1 研究背景及意义1 1 1 ，王无线通信发展概述l 1 1 2 无线信道对通信的影响3 1 2 衰落信道中多用户通信优化技术的研究现状4 1 2 1 功率分配技术4 1 2 2 多天线技术5 1 2 3 机会波束。7 1 3 论文的结构及内容安排9 第2 章无线衰落信道与多址接入”1 2 2 1 无线衰落信道特性i2 2 1 1 多径传播的时延扩展和相干带宽1 2 2 1 2 多普勒效应的频谱扩展和相关时间1 4 2 1 3 衰落信道模型1 4 2 2 抗衰落技术15 2 2 1 均衡技术15 2 2 2 分集合并1 6 2 2 3 交织与信道编码2 l 2 3 多用户接入方式2 3 2 3 1 码分多址2 3 2 - 3 2 时分多址。2 4 2 3 3 频分多址和空分多址2 5 2 4 本章小结2 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 第3 章多载波c d m a 中的功率截断技术2 6 3 1 多载波c d m a 系统介绍2 7 3 1 1m c c d m a 系统模型2 7 3 1 2m c d s c d m a 系统模型2 8 3 2 功率截断多用户m c d s c d m a 系统。3 0 3 2 1 系统模型3 0 3 2 2 功率截断策略3 3 3 2 3 用户端分析3 5 3 3 性能分析和仿真。4 1 3 4 本章小结4 5 第4 章多用户时变信道中的自适应功率分配”4 7 4 1 单用户o f d m 系统中的功率和比特分配4 7 4 1 1 已有算法介绍4 8 4 1 2 单用户系统中功率分配的改进5 0 4 1 3 几种分配方式性能比较5 3 4 2 多用户上行链路资源分配5 4 4 2 1 多用户衰落信道通信中的自适应反馈资源分配5 4 4 2 2 多用户间公平性5 6 4 3 性能分析和仿真5 7 4 4 本章小结6 0 第5 章多用户自适应机会波束技术6 l 5 1 机会波束6 2 5 1 1 机会单波束6 3 5 1 2 正交机会多波束6 4 5 2 自适应截断机会波束6 6 5 2 1 系统模型6 6 5 2 2 最佳门限值的选择7 l 5 2 3 性能仿真和数值结果7 2 5 3 随机询问策略下的自适应截断机会波束7 7 5 3 1 随机询问策略的系统模型7 7 技术研究 7 8 8 2 8 5 8 5 8 7 制。8 7 6 2 组合天线阵列8 8 6 2 1 组合天线阵列模型8 9 6 2 2n a k a g a m i - m 衰落信道9 0 6 3 组合天线阵列的干扰抑制性能分析9 2 6 3 1 组合天线中空域滤波后的输出信号9 2 6 3 2 组合天线中最大比合并后的性能9 5 6 3 3 一般分析法及特殊限制情况下的分析9 6 6 3 4 近似分析及性能9 8 6 4 数值分析10 0 6 5 本章小结1 0 4 结论1 0 5 参考文献10 7 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 1 7 致 射1l8 蜂窝系统经历了指 数型的增长，目前已经发展到第三代宽带码分多址系统。为了提供更广泛的 覆盖区域，更快速的传输速率，更高质量、多样化的服务，无线通信技术的 研究仍将是未来关注的重点。 1 1 研究背景及意义 无线通信技术在短短几十年里经历了从模拟通信系统到数字通信系统、 从频分多址接入( 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 ) 到码分多址接入 ( 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 ) 的迅猛发展。目前出现的以正交频分 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 t i p l e x i n g ，o f d m ) 、多输入多输出 ( 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 ) 天线等为核心的新技术，比以c d m a 为核心的第三代移动通信技术更加完善，作为。后三代或第四代移动通信技 术”被广泛关注1 。 1 1 1 无线通信发展概述 w i l l i a m f u 根据多址方式将无线移动通信系统的发展阶段划分为：模拟传 输的频分多址系统是第一代通信( 1g e n e r a t i o n ，1 0 ) 系统；电路交换数字时 分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 系统是第二代通信( 2g e n e r a t i o n , 2 g ) 系统；使用分组电路交换以码分多址为核心的宽带数字系统是第三代通 信( 3g e n e r a t i o n , 3 g ) 系统；使用高级多址接入技术并采用互联网协议( i n t e r a c t p r o t o c o l ，i p ) 网络结构的极高数据速率通信系统称为第四代通信( 4g e n e r a t i o n ， 4 0 ) 系统。 。 1 9 6 4 年，美国国会从a t & t 公司得到卫星通信的商业使用权后，贝尔实 验室组建了移动通信部门，关注语音通信。在1 9 6 4 1 9 7 4 年期间，贝尔实验 哈尔滨1 二程大学博十学位论文 室开发了一种大容量移动式电话的模拟系统，也就是后来的先进移动电话服 务( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ，a m p s ) 系统。1 9 7 9 年，日本的n t t 公司 在东京部署了世界上第一个商用a m p s 通信系统。由于此时的工艺技术还不 能够生产便携的手持移动终端，因此模拟a m p s 系统都是基于车载电话移动 终端的使用来设计的，由汽车电瓶提供能源。a m p s 系统中通信小区的覆盖 半径约为8 英里。 1 9 8 3 年欧洲开始开发时分多址的全球移动通信g s m 系统。1 9 8 7 年，由 于移动通信用户数的快速增长，a m p s 系统的容量成了制约移动通信发展的 一个问题，于是在1 9 8 8 年表决通过了t d m a 的数字标准。1 9 9 1 年在德国部 署了世界上第一个t d m a 数字蜂窝移动通信系统。 q u a l c o m m 公司在1 9 8 9 年开始开发c d m a 技术，根据当时的理论分析， 与a m p s 系统相比，c d m a 系统可将容量提高1 0 倍。1 9 9 5 年，c d m ai s 9 5 是第一个使用1 2 5 m h z 带宽的c d m a 系统，它的容量至少是整个模拟语音 系统容量的两倍。1 9 9 6 年，韩国市场c d m a 用户数迅速增长，证实了c d m a 系统的优点。1 9 9 7 年，主要由爱立信公司和d o c o m o 公司提出了3 g 通信系 统，并将c d m ai s 9 5 称为2 5 g 。宽带c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，w c d m a ) 、c d m a 2 0 0 0 和时分同步的码分多址技术( t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d s c d m a ) 做为3 g 的主 要通信标准，都使用5 m h z 带宽的信道，码片速率为3 8 4m b p s ，5m h z 带 宽上接收到的多径分量个数比采用1 2 5m h z 带宽的c d m a 系统接收到的更 多，因而全球3 g 系统的部署都遇到了很多难题，不断延期。 由于更高级多样化服务的需要，对通信系统的通信数据速率提出了更高 的要求，在完善3 g 通信系统的同时，发展了4 g 通信系统。正交频分复用和 多发射天线多接收天线m i m o 技术是4 g 中的关键技术，通过有效使用频域 和空域，可以达到几十m b p s 的传输数据速率。 总之，无线通信是一个广阔又充满生机的领域，在过去的几十年里涌现 出无数令人兴奋的技术成果，在未来也将是研究的前沿课题。 2 第1 章绪论 1 1 2 无线信道对通信的影响 无线信道是一种随参信道，它比具有恒参特性的有线信道要复杂的多， 对信号传输造成的影响更严重。无线信道的主要特征是信道响应不稳定，随 时间、频率、空间的不同发生随机变化，使接收信号功率产生衰落。衰落分 为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落指的是接收信号的强度受传播距离 以及传输路径中障碍物的影响，产生路径损耗和阴影衰落，造成强度随传输 距离的增加而缓慢起伏变化；小尺度衰落指的是多径衰落，反映了无线信号 在较短的时间和距离内的快速变化。无线传输的收发两端存在多条传输路径， 这些路径的信号在接收端同相叠加时幅度增强，反相叠加时幅度削弱，因而 信号强度在较小的尺度也剧烈变化。大尺度衰落可以由信号的传输路径粗略 估计，而小尺度衰落受到环境、载波频率等多种因素的影响，较复杂，是研 究衰落信道的重点。 无线信道的不理想传输特性决定了无线通信的特点以及在无线通信中存 在的一些问题嵋1 ： 第一。信号在传输过程中，无线信道存在路径损耗，且通信的收发两端 之间存在多条通信路径，各路径的传播时延不同，接收信号为多个衰减信号 副本的矢量和。由于矢量相加时的抵消和增长作用，接收信号强度随机波动， 即无线信道传输会造成信号的衰落。另外，由于无线通信的可移动性，如发 射端、接收端的移动，无线信道环境中各物体的移动，使接收信号存在更大 的不确定性。因而正确建模无线信道，分析信道的随机性对接收信号的影响， 并找到有效的技术保证无线信道通信的可靠性是一个难点。 第二，无线信道带宽有限，频谱资源非常珍贵，如欧洲的第三代移动通 信运营许可的拍卖高达1 0 0 0 亿美元。因而必须充分利用频谱资源，系统中多 用户共存时如何分配资源是一个重要的问题。为了高效利用频谱，常常需要 进行信道复用，因而系统中不可避免会存在用户问的干扰。当用户多址接入 方式不能完全正交，或者信号在传输过程中受信道衰落的影响导致失真失去 正交性时，也会造成用户间存在干扰。比如o f d m 系统，传输过程中受到多 普勒频移的影响，接收端子载波不能满足完全正交，各子载波间产生干扰， 造成了用户间干扰。因而在无线通信中如何合理高效地安排多用户共享资源， 哈尔滨t 程大学博十学位论文 有效地降低用户间干扰，是提高无线通信质量的关键问题。 综上，无线信道通信时的衰落和用户间干扰是影响通信质量的两个主 方面，论文将以此展开讨论。 1 2 衰落信道中多用户通信优化技术的研究现状 在多用户系统中，评价系统的性能并不是以系统中某个用户性能的优 作为标准，而是将多用户系统作为一个整体，考量其吞吐量，同时保证系 中的用户能够公平地共享无线信道资源。 目前发展了各种技术降低用户间干扰，抵抗信道衰落。空间多天线技术 是提高无线通信质量的重要技术手段，其中空间分集合并可以有效抵消信道 衰落带来的影响，空域自适应滤波能够抵消干扰。另外，功率分配技术根据 信道状态灵活分配资源，也是高效利用系统资源，提高通信质量的有效方式。 1 2 1 功率分配技术 通过调整发射功率既可以抵抗衰落，又能够将用户间干扰控制在可接受 的范围，是提高通信质量的重要技术手段。功率分配技术的研究包括三个方 面：一是达到不同目标所采用的不同功率分配方法；二是信道误差对功率分 配性能的影响；三是多用户中的联合资源分配。 功率分配研究的一个重点是对应于不同目标函数的功率分配方式。目标 函数包括最小化误码率、最小化发射功率、最大化系统容量、满足用户不同 的服务质量和传输速率要求等。最小化误码率和最大化系统容量二者具有一 致性，系统容量提升意味着无差错传输的最大速率增大，但也存在不同，以 最大化系统容量为目标时，对并行信道功率分配的原则是状态越好的子信道 会得到越多的功率以便最有效地利用信道；而以最小化误码率为目标函数时， 需要补偿信道衰落，最差子信道的性能将主导系统误码率，故此时分配原则 是通过给子信道分配不同的功率使得所有子信道上的误码率相等，如文献 【3 】。另外，文献 4 、5 】中以误码率作为迭代参数来调整功率分配，最小化系 统误码率。 4 第1 章绪论 不论哪种功率分配方法，都是在假设发射端精确可知信道状态信息时得 到的，在大多数情况下，接收端可以通过训练序列得到精确的信道状态信息， 但发射端需要可靠的反馈及忽略反馈时延的情况下才能得到实时精确的信道 状态信息，在高速数据传输中不易实现。另外，文献 6 7 】研究了信道状态信 息不完整、不准确时对系统性能的影响及改进方案。另外，功率截断技术嘲 是一种简化的功率分配方法，此时只反馈截断信号，无需完整的信道状态信 息，通过截断频率选择性衰落信道中经历深衰落的子信道，可以提高通信性 能。 另外，在多用户系统中，除了功率的分配，还包括频域和空域等资源的 分配。如何根据不同用户在频域和空域子信道的不同状态分配资源以最大化 系统容量也值得研究。1 9 9 9 年，c h e o n gy u iw o n g 一1 提出了在多用户o f d m 系统中的联合子载波、比特和功率的分配方案，研究了如何通过子载波、比 特分配的非线性优化来最小化总发射功率，是多用户资源联合分配的经典文 章。在此基础上，文献 1 0 】提出了将子载波分配和功率分配分步进行的方法， 首先选出每个子信道上的最优用户，然后在这些用户中平均分配功率或进行 注水功率分配，简化了联合分配的难度，这是从子信道的角度选择用户，文 献【1 1 1 从用户的角度出发，考察用户在不同子信道的传输情况，首先找到信 道传输增益方差最大的用户，将最好的子信道分配给它，然后依次选择用户 并分配状态最好的子载波，直到所有用户获得子载波，若子载波还有剩余， 可实际情况选择按比例分配或及最大化吞吐量两种方式继续分配给用户。另 外，为了进一步简化子载波的分配，文献 1 2 1 按照无线信道的频率相关性将 所有子载波分成若干组，并按组分配给用户，简化了分配。还有很多文献讨 论了通过设定用户的不同优先级，根据用户通信要求更合理的分配资源玉1 。 1 2 2 多天线技术 目前无线通信系统中的多天线技术主要包括分集合并技术、智能天线技 术、与编码结合的m i m o 技术。其中，分集合并技术可以抵抗无线衰落信道 中多径传播带来的衰落；智能天线技术通过信号的不同空间特征增强期望信 号、抑制干扰；m i m o 技术则利用了充分散射环境中的丰富多径，与编码技 r a t i oc o m b i n i n g ，m r c ) 或等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n g ，e g c ) 相结合， 从所有的分支中选出性能最好的几个分支进行m r c 或e g c 合并，在降低系 统复杂度的同时保持较高的性能。还有一种是将切换驻留合并( s w i t c h - a n d s t a yc o m b i n i n g ，s s c ) 与m r c 或e g c 相结合的广义切换合并( g e n e r a l i z e d s w i t c h a n d s e l e c t i o nc o m b i n i n g g s s c ) b t i , 先将所有支路分组进行s s c 合并， 再将s s c 合并后的输出进行m r c 或e g c 合并。二是得到不同衰落信道模型 中各种合并技术的误码率性能表达式。如最大比合并是无干扰衰落信道中的 最优合并方式，得到最大比合并性能闭合式的难点之一是得到多路期望信号 之和的分布。目前求随机变量的和分布多采用矩生成函数的方法叼；难点之 二是当系统同时存在干扰与噪声时性能闭合式，由于接收信号为各个分集支 路衰落信号的和，干扰功率是若干个共道干扰( c o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，c c i ) 或可分辨多径造成的干扰之和，再加上噪声，此时得到接收信干噪比( s i g n a l t o i n t e r f e r e n c e a n d n o i s er a t i o ，s i n r ) 的概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o n , p d f ) 是有很大困难的，因而误码率公式更加复杂，往往需要对干 扰功率的大小及分布进行限制，才能得到误码率性能或中断概率的闭式解。 如j i n g j u nz h a n g 限制干扰功率相等，分析了n a k a g a m l m 衰落下，存在三个 独立同分布干扰信号时干扰受限系统的平均错误概率，由于n a k a g a m i - m 衰 落中包络平方为g a m m a 分布，且同分布的g a m m a 变量具备可加性，才得到 了信干噪比的概率密度函数，并得到了m 参数为整数时不同调制方式下误码 率公式的闭式解。中断概率的求解较误码率简单一些，但通常也要对衰落参 6 方法分析了切换驻留合并技术在相关莱斯衰落信道中的性能，并根据性能公 式得到了最佳切换门限，文献 2 0 2 1 利用累积分布函数与概率密度函数二者 的拉普拉斯变换之间的关系分析了瑞利衰落和n a k a g a m i 信道中最大比合并 与等增益合并的中断概率。 除了利用空间独立支路进行分集合并技术对抗衰