（信号与信息处理专业论文）ofdm系统子载波和功率分配理论研究及算法实现.pdf

硕士学位论文 摘要 正交频分复用( o f d m ) 作为一种多载波调制技术，具有良好的抗噪声性能和抗多径 干扰能力，频谱利用率高，被认为是下一代移动通信系统中的关键技术，并得到人们越 来越多的关注。 在o f d m 系统中，资源分配( 包括子载波、比特和功率分配) 对于系统的性能具有 非常重要的影响。合理地分配子载波和功率能够降低系统的误比特率和发射功率，提高 频带利用率，增加系统的容量或总的数据传输速率。目前，对于多用户o f d m 系统中 的子载波和比特分配问题有许多研究方法，这些方法大体上可以分为两类：静态资源分 配方法和动态资源分配方法。静态分配方法有两种典型的分配策略：o f d m t d m a 和 o f d m f d m a 。对于这些静态分配算法，子载波和比特的分配是预先设定的，没有充分 地利用瞬时信道增益信息，因此系统的资源利用率较低。 本文主要分析动态资源分配方法，从速率自适应准则( r a ) 、余量自适应准则( m a ) 和误比特率性能最优化准则出发对o f d m 系统的资源分配问题进行研究。通过借鉴已 有经典算法，将速率自适应准则和余量自适应准则进行折中与融合，提出了一种改进的 子载波和功率分配算法，并用m a t l a b 软件对算法性能进行了仿真验证。仿真结果表明， 该算法性能明显优于静态分配算法，并且与已有动态分配算法相比，具有更大的系统传 输速率和较低的功率损耗。另外，针对误比特率性能最优化准则，本文提出一种比特功 率分配算法，该算法以最小化系统的误比特率为目标，以系统发射功率和传输速率为限 制条件来构造拉格朗日函数，并通过引入误比特率函数的上限表达式得到了问题的闭合 解。仿真结果表明，该算法克服了已有算法在低信噪比情况下误比特率性能欠理想的缺 点，提高了系统的整体性能。 关键词：多载波调制；o f d m ；多用户；动态资源分配 a b s t r a c t 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 ) i s am u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c h i sg o o da ta n t i - n o i s ea n dr e s i s t i n gt h er o u t ed i s t u r b a n c ef r o mm u l t i p l ep a t h s 弱w e l la sh a v i n gh i g hu s er a t i oo ff r e q u e n c ys p e c t r u m s oi ti sr e g a r d e da sak e yt e c h n i q u eo f t 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 ，a n di tg e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i no f d ms y s t e m s ，t h er e s o u r c e sa l l o c a t i o n ( i n c l u d i n gs u b c a r r i e r , b i ta n dp o w e ra l l o c a t i o n ) i sv e r yi m p o r t a n tf o r t h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m s t h el o g i c a la l l o c a t i o ns c h e m e sc a nr e d u c e t h eb e ra n d p o w e rd i s s i p a t i o n , h e i g h t e nt h eu s e r a t i oo f f r e q u e n c ys p e c t r u m , a n di m p r o v et h e c a p a c i t yo ft h es y s t e m s n o wt h e r ea r em a n yw a y st os o l v eh o w t oa l l o c a t et h er e s o u r c e s t h e yc a nb ed i v i d e di n t ot w oc l a s s e s ：f i x e d r e s o u r c ea l l o c a t i o na n dd y n a m i cr e s o u r c e a l l o c a t i o n t h ef i x e dr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei n c l u d e st h et 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 ) a n df 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 ) t h i ss c h e m e i sr i g i dr e g a r d l e s so f t h ec u r r e n tc h a n n e lg a i n sa n dt h eu s er a t i oo fr e s o u r c e si sv e r yl o w i nt h i sp a p e r , w em o s t l ya n a l y z ed y n a m i ca l l o c a t i o na l g o r i t h m s ，w h i c hc o n s i s to ft h r e e a d a p t i v er u l e s ：r a t ea d a p t i v e ，m a r g i na d a p t i v ea n db e r a d a p t i v e o nt h eb a s eo f c l a s s i c a l a l g o r i t h m s ，w et e n dt os y n c r e t i z et h er a t ea d a p t i v ea n dm a r g i na d a p t i v e ，a n dp r o p o s ea n i m p r o v e da l g o r i t h mf o rs u b c a r f i e ra n db i ta l l o c a t i o ni n m u l t i u s e ro f d ms y s t e m s t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h i sa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h es t a t i ca l g o r i t h m c o m p a r e dw i t h t h ep r e v e n i e n td y n a m i ca l g o r i t h m s ，i th a sh i g h e rd a t ar a t ea n dl o w e rp o w e rd i s s i p a t i o n i n a d d i t i o n ，a i m i n ga tt h eb e ra d a p t i v e ，w ep r o p o s ea na l g o r i t h mf o rb i ta n dp o w e ra l l o c a t i o n , w h i c hu s e sl a g r a n g ef u n c t i o na n dt h eu p p e r1 i m i to fb e rf u n c t i o nt og e tt h eu l t i m a t es o l u t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h i sa l g o r i t h mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nt h es i t u a t i o no fl o w s n r , a n d i tc a l li m p r o v et h eh o l i s t i cc a p a b i l i t yo ft h es y s t e m s k e yw o r d s ：m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ；o f d m ；m u l t i u s e r ；d y n a m i c r e s o u r c ea l l o c a t i o n i l 硕士学位论文 插图索引 图2 1 多载波系统基本结构图1 l 图2 2 传统的频分复用1 1 图2 33 d b 频分复用1 2 图2 4o f d m 频谱利用图1 2 图2 5o f d m 收发机框图1 3 图2 6o f d m 系统基本模型框图1 4 图2 7o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。1 4 图2 8 空闲保护间隔对子载波间造成的干扰1 6 图2 9o f d m 符号的循环扩展1 6 图3 1 自适应o f d m 系统等效基带模型2 3 图3 2 多用户o f d m 系统下行传输模型2 3 图3 3 注水功率分配的示意图2 6 图3 4 系统传输模型3 3 图4 1 多用户o f d m 系统结构图3 8 图4 2 算法流程图4l 图4 3 与静态分配算法的传输速率比较( 不同用户数) 4 2 图4 4 与静态分配算法的传输速率比较( 不同子载波数) 4 3 图4 5 与动态分配算法的传输速率比较( 不同用户数) 4 4 图4 6 与动态分配算法的传输速率比较( 不同子载波数) 4 4 图4 7 与静态分配算法的功率损耗比较( 不同用户数) 4 5 图4 8 与动态分配算法的功率损耗比较( 不同用户数) 4 5 图5 1 不同信噪比时两种算法的b f r 曲线5 2 图5 2 子载波数= 1 6 、= 3 2 时两种算法的b e r 曲线5 2 i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名： 、刁房丰 1 日期川年月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并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。 本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密q 。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：力争 刷磁轹期讶 日期：砷年石月男日 日期：够年纩月fe t 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着经济的发展，人们的信息交流日益频繁，移动通信也得到了很大发展， 并成为社会的一个支柱产业。移动通信是在移动状态下的实时通信，其发展的最 终目标是实现任何人、任何地点、任何时间的通信。要完成运动物体之间的通信 联系，只能通过无线通信这种传输手段。由于移动通信会遇到各种恶劣的地形和 天气，造成无线传输条件的恶劣性和多变性，需要采用很多相关技术加以解决， 因此移动通信往往综合体现整个通信技术的发展水平。 人类采用无线方式进行通信的历史可以追溯到1 9 世纪末。1 8 6 4 年，英国物 理学家麦克斯韦创造性地对人们已有的电磁场知识进行了总结，大胆地预言了电 磁场的存在。之后，德国物理学家赫兹经过大量的实验产生出电磁波，从而验证 了麦克斯韦当时的预言。意大利科学家马克尼在1 8 9 7 年第一次用无线电波与横跨 英吉利海峡的船舶进行信息传输并获得成功，1 9 0 1 年他又实现了从英国到芬兰之 间超过2 7 0 0 公里的远距离通信，充分显示了无线通信所具有的巨大发展潜力。在 随后一个多世纪的时间里，伴随着计算机和大规模集成电路技术的发展，无线通 信理论和技术不断进步，今天的移动通信技术已经成为人们日常生活中不可缺少 的重要通信方式。 早期的无线通信因为主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域，因 此用户数量很少。2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室提出的蜂窝概念使得无线通信摆脱 了传统的大区制结构，为无线通信以后的大规模商用奠定了基础。在短短的几十 年时间里，无线通信系统经历了从第一代到第三代的重大变革心1 ( 见表1 1 ) 。第1 代商用无线通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代初，主要包括模拟蜂窝和无绳电话系 统。它们的主要缺点是频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，但由于 模拟技术十分成熟，因而在无线通信的发展初期得到了较为广泛的应用。 随着数字通信技术的发展和用户对高质量无线通信的追求，从2 0 世纪9 0 年 代开始，无线通信系统发展到以数字通信技术为代表的第2 代无线通信系统( 2 g ) ， 这些系统由于采用了更为先进的数字技术，使得通信质量、传输效率和系统容量 有了很大提高。除了传统的语音业务之外，第2 代无线通信系统还为用户提供了 丰富多彩的数据业务。根据网络结构和所提供的业务，第2 代无线通信系统分为 数字蜂窝系统、个人通信业务( p c s ) 系统和无线数据网络系统眵1 。 目前人们已经开发出第3 代无线通信系统( 3 g ) ，目标是建立了一个全球统一 o f d m 系统子载波和功率分配理论研究及算法实现 的通信标准，并逐步融合和取代现有的第2 代数字蜂窝系统、p c s 系统和移动数 据业务h 1 。同时，3 g 系统在语音质量、网络容量以及数据的传输速率等方面都将 大大超过2 g 系统。根据网络结构和传输速率，3 g 无线网络可分为3 g 蜂窝网络 和由各种w l a n ( 无线局域网) 和w p a n ( 无线个人局域网) 系统组成的宽带接 入系统，其中3 g 蜂窝网络可在大区域内为用户提供中低速率的多媒体业务， w l a n 在小区域热点地区为用户提供高速宽带业务，w p a n 则为用户提供个人设 备的无线连接。 表1 1 无线通信技术的重大变革 第一代系统第二代系统第三代系统 时间 1 9 8 4 - 1 9 9 61 9 9 6 2 0 0 02 0 0 0 - 2 0 1 0 服务模拟移动电话数字语音高速数据 语音频带数据数据业务宽带视频 多媒体 结构宏蜂窝微蜂窝微蜂窝 微微蜂窝w l a n w l a nw p a n 无线技术模拟调制数字调制c d m a f d d f d m a使用t d d 和f d ds d m a 的t d m a 频带8 0 0 m h z9 0 0 + 18 0 0 m h z2 0 0 0 m h z 例子a m p s c d m a ( i s 一9 5 ) c d m a 2 0 0 0 t a c sg s m d c s 19 0 0w c d m a e t a c su st d m ai s 1 3 6t d s c d m a n m t 4 5 0 9 0 0p a c s n t t p h s j t a c s 门q t a c s 就目前的发展情况来看，3 g 无线通信系统并没有实现所有无线通信网络的统 一以及不同无线网络之间的无缝漫游，因此更高级的移动通信系统一第四代移动 通信系统的发展已变的刻不容缓。目前普遍的观点是，第四代无线通信网络将是 基于统一的i p v 6 包交换方式，向用户提供的峰值速率超过1 0 0 m b i t s ，并能支持用 户在各种无线通信网络中无缝漫游的全新网络。为了能够支持更高的信息传输速 率和更快的用户移动速度，要求在下一代的无线通信中必须采用频谱效率更高、 抗多径干扰能力更强的新型传输技术。在当前能提供高速率传输的各种无线解决 2 硕七学位论文 方案中，以正交频分复用( o f d m ) 为代表的多载波调制技术是最有前途的方案 之一。 o f d m 的英文全称为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 ，其基本原理 是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。 该技术以其较高的频谱利用率，较好的抗多径衰落能力，以及自适应调制技术等 优点受到了极大的关注晦】。人们不但认为在宽带无线接入领域采用o f d m 是未来 发展的趋势，而且认为该技术将成为未来移动通信系统中的关键技术。 1 2o f d m 的发展及应用前景 o f d m 技术起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代形成了并行数据传输和频 分复用的概念。1 9 7 0 年1 月有关o f d m 的专利首次公开发表。o f d m 技术的应用 也有近4 0 年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是，早期的正交频分 复用系统都使用正弦波发生器组和相干解调器组实现调制和解调，当子信道数目 很大时，系统复杂性很高，造价昂贵难以接受，从而限制了其进一步发展。直到 上世纪7 0 年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结 构，使得o f d m 技术更趋于实用化。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e r b e r t 将离散傅立叶 变换( d f t ) 应用到正交频分复用系统的调制和解调中，避免使用频分复用系统中 的子载波发生器和相干解调器组，使得全数字化的o f d m 实现成为可能口1 。随着 大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展，大载波数的正交频分复用f f t 芯片己经可以 商用。 快速傅立叶变换( f f t ) 和v l s i 技术的发展大大推进了o f d m 系统在有线传输 和无线传输中的应用。目前，o f d m 技术的研究已深入到无线调频信道上的宽带 数据传输。随着数字信号处理( d s p ) 技术和超大规模集成电路技术的发展，大量复 杂运算和高速存储问题得以解决，进一步促进了o f d m 的实用化。 现阶段o f d m 技术已得到相当广泛的应用，简单归纳为以下几个方面： ( 1 ) o f d m 在数字声音广播( d a b ) 中的应用 数字声音广播( d a b ) 是近几年发展的继调频调幅之后的新一代广播体制。9 0 年代初，欧洲提出了用正交频分复用进行数字地面广播的方法，以取代传统方法 中复杂而昂贵的自适应均衡器，并成功的应用于e u r e k a 1 4 7 工程中。采用了 o f d m 技术的d a b 系统，具有节目质量高、抗干扰能力强、频谱利用率高等优点， 是下一代的主流广播体制陋1 。在欧洲，英国、瑞典、德国、法国先后进行了d a b 试播，我国也已建成了d a b 实验台和先导网。 ( 2 ) o f d m 在高清晰度电视( h d t v ) 中的应用 固定高清晰度电视( h d t v ) 以地面广播为主，与d a b 不同的是，h d t v 接收 机是静止的，所以基本上不存在多普勒频移，但由于其传输速率更高( 大于6 m 3 o f d m 系统子载波和功率分配理论研究及算法实现 秒) ，因此其受多径哀落的影响更为严重。采用o f d m 技术可以容易地解决这些 问题。 ( 3 ) o f d m 在无线l a n 中的应用 在新一代w l a n 技术标准、美国的i e e e8 0 2 1 l a 和欧洲e t s i 的h i p e r l a n 2 中，均采用了o f d m 技术。i e e e e8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频带，采用o f d m 调制 技术，速率可达5 4 mb i f f s 。h i p e r l a n 2 物理层应用了o f d m 和链路自适应技术， 媒体接入控制层( m a c ) 采用面向连接、集中资源控制的t d m a t d d 方式和无线 a t m 技术，最高速率达5 4 mb i f f s ，实际应用最低也能保持在2 0 mb i f f s 。 w l a n 中的o f d m 系统模型中除了有编码器、调制器、串并转换、i f f t f f t 变换器、射频放大器以外，还需要有信道估计、系统同步、功率控制、子信道分 配、比特分配等模块。工作在5 g h z 频段的无线l a n 系统通过使用不同的调制和 编码技术支持可变速率。目前w l a n 常采用b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m ， 可支持6 - 5 4 mb i f f s 的传输速率阳3 。 ( 4 ) w - o f d m w - o f d m 是宽带正交频分复用( w i d e b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 的缩写。口前，w - o f d m 己经正式通过i e e e 组织的认证，成为 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准( 无线城域网国际通用标准) 物理层调制技术。w o o f d m 通过循 环前缀克服了多径干扰的问题；它还使用了扩展的前向纠错编码( 如r e e d 。s o l o m o n 码) 以便在多个频率上扩展符号，把信号转换成直接序列扩展频谱信号。直序扩频 技术即使是在完全没有载频的情况下也能恢复出信号。w o f d m 的效率和噪声容 限结合了窄带系统和扩展频谱的优点，同时又避免了二者的缺点( 扩频系统通过 “牺牲 带宽来补偿噪声和多径的影响，而窄带技术对于多径干扰十分敏感) 。为 了克服信号幅度的高峰均比和由多径效应引起的衰落问题，w - o f d m 融合了信号 随机化和信道估计技术。发射端的信号随机化可以减小对射频功率放大器的线性 要求，从而大大提高了o f d m 技术的实用性和经济性。 ( 5 ) o f d m 在未来移动通信中的应用 m c c d m a 技术结合了o f d m 技术和c d m a 技术的优点，使我们得以在高速 宽带无线通信中获得诸多便利，为在无线多媒体通信、无线a t m 等高速宽带无线 通信中采用c d m a 技术提供了一个可行的技术方案。多载波c d m a 将o f d m 技 术与c d m a 技术结合在一起，可有效地降低i s i 和i c i ，简化系统设备，提高系统 性能。 o f d m 系统己越来越广泛地应用到实际系统当中。其中多用户o f d m 系统适 用于多业务、高灵活性的通信系统，频谱利用率高，系统稳定性好。这大都利用 了o f d m 能有效的消除信号多径传播所造成的符号间干扰( i s i ) 这一特征。此外， o f d m 还易于结合时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大限度的 4 硕士学位论文 提高物理层信息传输的可靠性。近年来随着d s p 芯片技术的发展以及快速傅立叶 变换反变换( f f t i f f t ) 、信道自适应、减少均衡计算量等技术的逐渐成熟，o f d m 作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，受到越来越多的关注n 引。 可以预见其未来的应用会更加广泛。 1 3 本论文的研究背景及意义 1 3 1 研究背景 第四代移动通信系统计划以o f d m 为核心技术提供增值服务，它在宽带领域 具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的o f d m 具有更高 的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不但可以增加系统能量，更重要的是 它能满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通 过宽频信道高品质地传送出去3 。到目前为止，人们认为o f d m 系统的实现取决 于以下几个关键技术： ( 1 ) 时域和频域同步 o f d m 系统对定时和频率偏移比较敏感，特别是实际应用中与f d m a 、t d m a 和c d m a 等多址方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。与其他数字通 信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终 端广播发送同步信号，所以下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中， 来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站 根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基 站发回移动终端，以便让移动终端进行同步处理。 ( 2 ) 信道估计 在o f d m 系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。 由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须 不断地传送。二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际 设计中，信道估计器的能力与导频信息的传输方式有关，因此导频信息的选择和 最佳估计器的设计通常是相互关联的。 ( 3 ) 资源分配 下一代无线通信系统将提供范围更广泛的服务项目，包括高速率的数据传输、 多媒体应用等。对比语音用户，只要在一段较长的时间间隔内数据吞吐量足够多， 数据业务就可以容忍一定数量的数据包延时。数据业务相应的延时容忍度与其传 输特性一起对时序传输提出了更高的要求，即要求最优化数据吞吐量。目前，就 无线数据传输系统而言，提高频谱利用率和系统容量是一个函待解决的热点问题。 资源分配方案( 包括子载波、比特和功率分配) 的好坏决定了频谱利用率的高低 o f d m 系统子载波和功率分配理论研究及算法实现 和系统容量的大小，对系统性能的优劣起到了关键性作用。因此，对资源分配方 案的研究已成为目前无线通信领域的焦点。实际应用中，分配问题可以分别从最 大化总的传输速率、最小化传输功率和最优化误比特率性能三个角度来进行。 ( 4 ) 降低峰值平均功率比 由于o f d m 信号时域上表现为个正交子载波信号的叠加，当这个信号恰 好均以峰值相加时，o f d m 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的 倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均比的o f d m 信号，发送端对高功率放大器( h p a ) 的线性要求很高，从而导致发送效率极低；接 收端对前端放大器以及a d 变换器的线性要求也很高。因此，高的峰均比使得 o f d m 系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。 1 3 2 研究意义 在o f d m 系统中，资源分配对于系统的性能具有非常重要的影响。合理地分 配子载波和功率能够降低系统的误比特率和发射功率，提高频带利用率，增加系 统的容量或总的数据传输速率。在众多的资源分配方案中，动态的资源分配方案 因其可以合理的分配子载波和功率从而大大提高系统性能而备受青睐n 。 o f d m 系统把实际信道划分为若干个子信道，其中一个好处就是能够根据各 个子信道的实际传输情况灵活地分配发射功率和信息比特。而且由于无线信道的 频率选择性和时变性，也需要实时的对信道状况进行监测，从而更加有效地利用 无线资源。动态资源分配方案就是根据用户的信道增益信息自适应地为每个用户 分配资源，这种方法在进行子载波、比特和功率分配时，充分地考虑了瞬时信道 增益信息，可以大大提高系统的资源利用率。 根据不同业务、不同服务质量，以及子信道的瞬时特性动态地分配资源可以 优化系统性能，达到提高频谱效率和资源利用率的目的。这对建设下一代高速宽 带移动通信系统有着十分重要的意义n 引。由于多用户系统的引入和时变的无线信 道环境增加了处理问题的难度，因此研究和利用最新的理论和方法解决子载波、 比特和功率分配问题，以及如何协调子载波分配、功率分配和比特分配之间的关 系问题，具有十分重要的理论和现实意义。 1 4 本论文研究的主要内容及创新点 本课题来自于甘肃省自然科学基金项目。本论文的研究内容是o f d m 系统的 资源分配策略，通过分析比较自适应资源分配技术的优化准则，探索复杂度较低、 性能较好的自适应资源分配方案。 本论文的创新点有以下几个方面：一，以往研究只是简单的给出了子载波和 功率分配的模型及相关算法，缺乏必要的理论分析。本论文通过引入数值分析的 6 硕士学位论文 相关理论及方法，对三类自适应资源分配准则一速率自适应准则、余量自适应准 则和误比特率最优化准则的数学模型和算法进行了深入的理论分析和归纳总结， 找出了其存在的不足之处和改进方向。二，在目前已有的研究中，三类自适应资 源分配准则各自独立，互不交叉。本文综合考虑了速率自适应准则和余量自适应 准则，提出一种改进的子载波和功率分配算法，在最大化数据传输速率的同时适 当减少了系统的功率损耗，实现了速率自适应准则和余量自适应准则的融合。三， 针对误比特率性能最优化准则，本文提出一种比特和功率分配算法，克服了已有 算法在低信噪比情况下误比特率性能欠理想的缺点，一定程度上提高了系统的整 体性能。 1 5 论文章节安排 第一章介绍了本课题的研究背景，o f d m 技术的发展和应用前景，阐述了本 课题的研究意义。 第二章简要介绍了无线衰落信道的传播特性和多载波传输系统的结构，详细 阐述了o f d m 系统的基本原理，总结了o f d m 技术的优缺点。 第三章介绍了o f d m 系统资源分配的研究现状，分析了自适应资源分配的基 本原理和系统模型，详细阐述了速率自适应准则、余量自适应准则和误比特率最 优化准则的基本思想及相关算法，并对三种优化准则作出了比较分析。 第四章阐述了改进的多用户o f d m 子载波和功率分配算法，将速率自适应准 则和余量自适应准则进行了折衷与融合，得到了一种复杂度较低、性能较好的自 适应资源分配方案，它在最大化数据传输速率的同时还适当减少了系统的功率损 耗，提高了系统的资源利用率。通过计算机仿真实验，将本文算法与其它算法进 行了性能分析和比较。 第五章分析了误比特率性能最优化准则的已有算法一f i s c h e r 算法，并提出了 一种改进的比特和功率分配算法。通过计算机仿真，验证了该算法在低信噪比情 况下能够提高系统的误比特率性能，在实际中具有一定的应用价值。 第六章对全文进行工作总结，并对未来的研究工作进行了展望。 7 o f d m 系统子载波和功率分配理论研究及算法实现 第2 章o f d m 系统基本理论研究 2 1 无线衰落信道的传播特性 无线移动信道不同于传统的有线信道，它通过空间电磁波来传输信息，属于 开放式的客观存在的变参量信道。电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折 射波、散射波以及他们的合成波。再加上移动台本身的运动，使得移动台与基站 之间的无线信道多变且难以控制。信号通过无线信道时会遭受各种衰落的影响， 一般来说接收信号的功率可以表示为： p ( d ) = l d l 一”s ( d ) j 5 c ( d ) ( 2 1 ) 其中d 表示表示移动台与基站的距离向量，i d i 表示移动台与基站的距离n 引。根据 上式，无线信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 路径损耗l d l 一：电波在自由空间内的传播损耗，也称为大尺度衰落，其中万 一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s c d ) ：由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对地波的 阻塞或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺度衰落。 ( 3 ) 多径衰落尺( d ) ：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射和衍射等情况， 因此造成信号经过多条路径到达接收端时每个信号分量的时延、衰落和相位都不 相同，因此在接收端进行多信号分量叠加时会产生衰落，也称为小尺度衰落。 2 1 1 路径损耗 无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这 会对数据速率及系统的性能带来不利的影响。最简单的大尺度路径损耗的模型可 以表示为： 三：曼：k 土 ( 2 2 ) 只d 7 其中表示本地发射信号功率，e 表示平均接收功率，d 是发射机与接收机之间 的距离。对于典型环境来说，路径损耗指数，一般在2 到4 之间。由此可以得到平 均信号噪声比f s n r ) 为： ：ersnr：k 至上( 2 3 )= = i 二( 2 3 ) d 7n 0 8 、 8 硕士学位论文 其中0 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽的 常数。为保证可靠接收，要求s n r s n & ( s n r o 表示信噪比门限) ，则路径损耗会 给比特速率带来限制： 矿d b _ 二兰l 一 ( 2 4 ) d 7 n o s n r o 同时对信号的覆盖范围也会带来限制： 、三 d f 二堕1 7 ( 2 5 ) l o b s n r o 可见，如果不采用其它特殊的技术，数据的符号传输速率以及电波的传播范 围将会受到很大的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小， 这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 2 1 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播受到地形起伏影响以及高大建筑物阻挡时，在这些障碍 物的后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，称作阴影 衰落。与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量 的，其衰落特性符合对数正态分布。其中接收信号的局部场强中值的变化幅度取 决于信号频率和障碍物状况。高频信号比低频信号更容易穿透障碍物，而低频信 号比高频信号具备更强的绕射能力。 2 1 3 多径衰落 无线移动通信的主要特征就是多径传播，即接收机所接收的信号是通过不同 的直射、反射、折射等路径到达接收机。由于电波通过各个路径的距离不同，因 而各条路径中发射波的到达时间、相位都不同。不同相位的多个信号在接收端叠 加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样， 接收信号的幅度将会发生急剧变化，产生衰落n 4 1 。 ( 1 ) 多径效应在时域上引起信号时延扩展 在多径传播环境下，发送端发送一个窄脉冲信号，其通过多条长度不同的路 径传播，而传播路径又随移动台的变化而变化，所以发射信号沿各个路径到达接 收天线的时间就不一样，接收到的信号由许多不同时延的脉冲组成，这样就造成 了信道的时间弥散性。由于时延扩展，接收信号中一个符号的波形会扩展到其它 符号中，造成符号间干扰( i s i ) 。为了避免i s i ，符号宽度要远远大于无线信道的最 大时延扩展f 。在频域内，与时延扩展相关的一个重要概念是相关带宽，实际应 用中通常用最大时延的倒数来定义相关带宽( 衄) ，： 9 o f d m 系统子载波和功率分配理论研究及算法实现 ( 衄) 。：上 ( 2 6 ) f 豫 当信号带宽大于无线信道的相关带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化 是不一致的，此时就认为发生了频率选择性衰落。反之，称为非频率选择性衰落。 ( 2 ) 多普勒效应在频域上引起信号频谱扩展 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效 应呻1 。多普勒效应引起的附加频率偏移称为多普勒频移，可以表示为： 厶= c o s 0 ( 2 7 ) 其中1 ，为移动台运动速度，允为波长，0 为入射波与移动台之间的夹角，_ v = 厶为 最大多普勒频移。多普勒效应的结果是，通过移动无线信道后单频信号的频谱扩 展为z 力，即单频信号通过无线多径信道后成为随机调频信号。如果接收到多条 有不同入射角的多径信号，多普勒频移成为多普勒扩展频谱。在时域内，与频谱 扩展相关的一个重要概念是相关时间。令多普勒频移宽度为疋，相应地在时域上 规定了相关时间吃= 1 厶。它表征时变信道影响信号衰落的衰落节拍，信道随着 这个时间节拍在时域上对信号有不同的选择性，这种衰落称为时间选择性衰落。 综上所述，多径衰落所造成的符号间干扰严重限制了无线通信链路的传输速 率，要想满足高速的多媒体通信要求，必须采用新的调制技术以有效抵抗符号间 干扰，提高系统容量，而o f d m 技术恰好有这一优点。 2 2 多载波传输系统 由于对高速无线数据传输的需求，多载波调制技术在近几十年有了长足的发 展。多载波调制不像单载波调制那样必须使用一个非常复杂的自适应均衡器，而 是将信道分割成个并行的了信道。如果足够大，那么这个子信道是互相独 立的，并且子信道之间不存在符号间干扰。从而，多载波信道可以按照个独立 的并行加性高斯白噪声( a w g n ) 信道来处理，消除了单一载波系统对于昂贵复杂的 均衡器的需要；同时，由于个子信道之间的相对独立性，多载波系统非常适合 于使用灵活性极高的动态资源分配以提高系统的性能n 引。 在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可能导致整个传输链路失效，但是在 多载波系统中，某一时刻只会有少部分子信道受到深衰落或干扰的影响，因此多 载波系统具有较高的传输能力以及抗衰落和抗干扰能力。多载波传输首先把一个 高速的数据流分解为若干个低速的子数据流，每个子数据流经过调制( 符号匹配) 和滤波构成多个并行的已调信号，这些信号经过合成后在信道上进行传输。其基 本结构如图2 1 所示。 l o 硕士学位论文 信道 图2 1 多载波系统基本结构图 在多载波传输技术中，对每一路载波频率( 子载波) 的选取可以有许多方法， 他们的不同选取将决定最终已调信号的频谱宽度和形状。 第一种方法是各子载波间的间隔足够大，从而使各路子载波上的己调信号的 频谱不相重叠，如图2 2 所示。该方案就是传统的频分复用方式，即将整个频带 划分成个不相重叠的子带，每个子带传输一路子载波信号，在接收端可以用滤 波器组进行分离。 第二种方法是采用偏置q a m ( s q a m ) 技术，在信号功率比峰值功率低3 d b 处 令载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，如图2 3 所示。子载波间的正交性通过交 错同相或正交子带的数据得到，即将不同子载波数据流偏移半个码元n 引。 第三种方法是各子载波问互相正交，且各子载波的频谱有1 2 的重叠，在接 收端通过相关的解调技术分离出来，避免使用滤波器组，同时使频谱效率提高近 一倍，如图2 4 所示。该调制方式被称为正交频分复用( o f d m ) 。 e ( f f c j r r lf c ，n屯n + l fh z 图2 2 传统的频分复用 o f d m 系统子载波和功率分配理论研究及算法实现 p ( f p ( f ) 图2 33 d b 频分复用 一 1厂 n 八 7 灶 a 蓐每段a 趿乒lvg ： 迄 图2 4o f d m 频谱利用图 2 3o f d m 系统的基本原理 o f d m ( 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 ) 是一种特殊的多载波传输 方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。多载波传输 把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用 这样的低比特率形成低速率符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号 并行发送的传输系统。正交频分复用( o f d m ) 是对多载波调制的一种改进。它的 特点是各子载波相互正交，扩频调制后的频谱可以相互重叠，这就大大提高了频 谱利用率。此外，由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无 一线信道多径时延扩展所产生的时间弥散对系统造成的影响。在o f d m 符号之间插 入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地 消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。同时，o f d m 一般采用循环前缀作为保 护间隔，从而避免了多径带来的信道间干扰( i c i ) 哺1 。 1 2 硕士学位论文 2 3 1o f d m 系统模型 o f d m 系统收发信机的典型框图如图2 5 所示n 1 。发送端将被传输的数字信号 转换成子载波幅度和相位的映射，并进行离散傅里叶反变换( i d f t ) 将数据频谱表 达式变到时域上。i f f t 变换与i d f t 变换的作用相同，只是具有更高的计算效率。 在该系统中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。由于f f t 操作类似于i f f t ，因此，发射机和接收机可以使用同一硬件设备。当然，这种复 杂性的节约意味着该收发机不能同时进行发送和接收操作。 编码h 交织h 鳊 插入 导频 解码h 解交织h 嫠翥h 篡差 串并 变换 习肛