（通信与信息系统专业论文）移动组播系统中的无线资源分配算法研究.pdf

摘要摘要随着通信技术的不断发展，特别是多媒体应用需求的增加，采用o f d m m i m o技术的移动组播系统能够更好地缓解未来通信系统所要求的高数据速率和日益紧张的无线资源之间的矛盾，在现代通信中发挥越来越重要的作用。组播系统中的无线资源分配是提高组播系统性能的关键所在。本文对移动组播系统中的无线资源分配算法进行一些研究，主要贡献有以下四点。提出一种适用于单频蜂窝网的最优功率分配方案，建立基站协调功率分配的线性规划模型；用单纯形法求解该问题；分析小区数为2 时用户的分布对功率分配的影响，离用户近的基站应尽可能多得分配功率；通过数值仿真比较所提功率分配方案与固定功率分配方案，从而验证所提功率分配方案的优势；针对支持多业务传输的单小区o f d m 组播系统，同时考虑数据链路层的队列状态信息( q s i ) 和物理层的信道状态信息( c s i ) ，定义系数吞吐量系数和系统公平性系数，建立功率跨层分配的连续速率集模型和离散速率集模型；对于连续速率集模型，通过理论推导给出最优功率分配算法一一广义注水算法；对于离散速率集模型，利用改进遗传算法进行跨层功率分配；最后通过数值仿真验证了所提功率分配算法的性能；针对支持多业务传输的多小区o f d m 组播系统，建立组播系统多小区多业务功率分配的最优化模型；引入非合作博弈的方法求解该模型；选取两类重要的效用函数一一指数型效用函数和系统吞吐量效用函数，针对这两类效用函数分别提出s b p a 算法和m t b p a 算法，最后通过数值仿真验证算法的性能：针对单小区分布式天线系统天线间功率协调分配问题，建立天线功率协调分配的线性规划模型和基于离散速率集的跨层优化模型；给出求解线性规划模型的改进单纯形算法；分析移动用户分布对功率分配的影响：利用改进粒子群算法进行跨层功率分配；通过数值仿真验证所提功率分配算法的性能优势。关键词：组播系统；o f d m ；m i m o ；功率分配；线性规划；单纯形算法；广义注水算法；改进遗传算法；非合作博弈；s b p a 算法；m t b p a 算法；改进粒子群算法a b s t r a ( 二ra bs t r a c ti ti sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yt h ed e m a n di n c r e a s eo fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n st h a tm u l t i c a s ts y s t e m s 埘mo f d m m i m ot e c h n o l o g y ，w h i c hc o u l da l l e v i a t et h ec o n f l i c tb e t w e e nh i g hd a t ar a t ei nf u t u r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dr a d i or e s o u r c ew h i c hb e c o m e sr a r e ra n dr a r e r , p l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ti nm u l t i c a s ts y s t e m si st h ek e yt e c h n o l o g yt oe n h a n c es y s t e mp e r f o r m a n c e a d a p t i v er a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m sf o rm u l t i c a s ts y s t e m sa r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s ,w h o s em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ef i t sf o l l o w s al i n e a rp r o g r a mb a s e dp o w e ra l l o c a t i o nm o d e li ns i n g l ef r e q u e n c yc e l l u l a rn e t w o r ki se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s ，w h i c hc a nb es o l v e db ys i m p l e xa l g o r i t h m t h ei n f l u e n c eo np o w e ra l l o c a t i o ne x e r t e db yt h ed i s t r i b u t i o no fu s e ri sa n a l y z e di nt h e o r yw h e nt h ec e l ln u m b e ri s2 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ec a ne c o n o m i z el r a n s m i tp o w e rc o n s i d e r a b l y t a k i n gb o t hq u e u es t a t ei n f o r m a t i o n ( q s i ) i nd a t a l i n kl a y e ra n dc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) i np h y s i c a ll a y e ri n t oc o n s i d e r a t i o n , s y s t e mt h r o u g h p u tc o e f f i c i e n ta n df a i r n e s sc o e f f i c i e n ta r ed e f i n e d ，t h e nac o n t i n u er a t es e tb a s e dp o w e ra l l o c a t i o nm o d e la n dad i s c r e t er a t es e tb a s e dp o w e ra l l o c a t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e df r o mac r o s s - l a y e rp e r s p e c t i v ei nt h i st h e s i s g e n e r a lw a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h ma n di m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h ma r ee x p l o r e dt os o l v et h et o wm o d e l sr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tg e n e r a lw a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h mc a no b t a i nl o w e rq u e u ed e l a ya n dh i g h e rs y s t e mt h r o u g h p u t sa n dt h a ti m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mc a no b t a i nl o w e rq u e u ed e l a ya n dd i f f e r e n tw e i g h si n f l u e n c es y s t e mt h r o u g h p u tc o e f f i c i e n ta n df a i r n e s sc o e f f i c i e n ts i g n i f i c a n t l y ，s y s t e mt h r o u g h p u tc o e f f i c i e n ta n df a i r n e s sc o e f f i c i e n to b t a i n e db yi m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi n c r e a s ec o n s i d e r a b l yt h a nt h o s eb yf i x e dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m an o n - c o o p e r a t i v eg a m et h e o r yb a s e dp o w e ra l l o c a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i st oc o n d u c tp o w e ra i l o c a t i o ni no f d mm u l t i c a s ts y s t e m sw i mm u l t i - c e l ia n dm u l t i s e r v i c e t h e n ,t w ou m i 够f u n c t i o n sa r es e l e c t e d ，n a m e ds i g m o i d a l - l i k eu t i l i t yf u n c t i o na n ds y s t e mt h r o u g h p u tu t d j 够f u n c t i o n , a n dt w oa l g o r i t h m sn o t e ds b p aa l g o r i t h ma n dm t b p aa l g o r i t h ma r ed e v e l o p e dt os o l v et h et w om o d e l sr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h et w op r o p o s e da l g o r i t h m s al i n e a rp r o g r a mb a s e dp o w e ra l l o c a t i o nm o d e la n dd i s c r e t er a t es e tb a s e dc r o s s - l a y e rp o w e ra l l o c a t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e dt oe n h a n c ep o w e re f f i c i e n c yo fd i s t r i b u t e da n t e n n a ss y s t e m t h e n , i m p r o v e ds i m p l e xa l g o r i t h ma n di m p r o v e dp a r t i d es 1 4 r a no p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma r ee x p l o r e dt oc o n d u c tp o w e ra l l o c a t i o no p t i m i z a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et w oa l g o r i t h m so v e r p e r f o r mf i x e dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mc o n s i d e r a b l y k e yw o r d s ：m u l t i c a s t ；o f d m ；m i m o ；p o w e ra l l o c a t i o n ；l i n e a rp r o g r a m ；s i m p l e xa l g o r i t h m ；g e n e r a lw a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h m ；i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ；n o n - c o o p e r a t i v eg a m et h e o r y ；s b p aa l g o r i t h m ；m t b p aa l g o r i t h m ；i m p r o v e dp a r t i c l es w a r l no p t i m i z a t i o n插图目录插图目录图1 1 移动组播系统示意图2图1 2o f d m 实现原理图5图1 3o f d m a 组播链路模型6图1 4m i m o 传输示意图8图1 - 5b l a s t 示意图8图2 - 1s f ( n 组播系统框图1 4图2 2s f c n 区域分界1 5图2 - 3s f c n 基站功率分配关系：1 6图2 - 4 各基站发射功率变化曲线2 0图2 - 5s f c n 两种功率分配方案吞吐量性能比较2 0图3 1 多业务o f d m 组播系统框图2 3图3 - 2 传统的注水功率分配示意图2 7图3 3 一般的注水功率分配示意图。2 7图3 4 不同假设的注水线分割区间示意图3 1图3 - 5 弘与各业务功率分配之间的关系3 7图3 6 遗传算法流程图：3 9图3 7 染色体结构示意图3 9图3 - 8 赌轮示意图。4 0图3 - 9 改进遗传算法群体构成的两状态m a r k o v 链。4 2图3 - 1 0 广义注水算法系统队列时延性能4 5东南大学硕士学位论文图3 1 1 广义注水算法系统吞吐量性能4 5图3 - 1 2 改进遗传算法系统队列时延性能4 7图3 1 3 改进遗传算法系统吞吐量性能4 7图3 1 4 改进遗传算法系统公平性性能4 8图垂1多小区o f d m 组播系统框图5 0图铊s b p a 模型移动用户的效用函数5 5图鹳s b p a 模型移动用户效用函数的导函数5 5图4 4s b p a 模型业务的效用函数及其偏导数5 6图4 5m t b p a 模型移动用户的效用函数5 7图铴m t b p a 模型移动用户效用函数的导函数5 7图缸7m t b p a 模型业务的效用函数及其偏导数5 8图蝴s b p a 算法各业务的发送功率随定价因子的变化曲线6 4图4 9s b p a 算法系统效用随定价因子的变化曲线“图4 - 1 0s b p a 算法系统公平性系数随定价因子的变化曲线6 5图4 - 1 1s b p a 算法各业务的发送功率随移动用户数的变化曲线6 5图4 - 1 2s b p a 算法系统效用随移动用户数的变化曲线6 6图4 - 1 3s b p a 算法系统公平性系数随移动用户数的变化曲线6 6图4 - 1 4m t b p a 算法各业务的发送功率随定价因子的变化曲线6 8图5m t b p a 算法系统效用随定价因子的变化曲线6 8图4 - 1 6m t b p a 算法系统公平性系数随定价因子的变化曲线6 9图7m t b p a 算法各业务的发送功率随移动用户数的变化曲线6 9图4 - 1 8m t b p a 算法系统效用随移动用户数的变化曲线7 0插图目录图4 - 1 9m t b p a 算法系统公平性系数随移动用户数的变化曲线7 0图5 - 1 分布式天线系统框图。7 4图5 2 各天线发射功率变化曲线8 1图5 弓d a s 两种功率分配方案吞吐量性能比较一8 1图5 4 总发射功率随天线数变化曲线8 2图5 - 5 移动用户位置分布8 3图5 _ 6 系统队列时延性能8 4图5 7 系统吞吐量和公平性性能随仿真时间变化情况一8 4图5 名系统吞吐量和公平性性能随天线数变化情况一8 5表格目录表格目录表1 - 1 全文内容安排1 0表2 1 单纯形表1 8表2 - 2 单纯形算法步骤1 8表3 1 单注水线注水算法一。2 8表3 2 多注水线多约束注水算法3 0表3 - 3 单注水线注水算法二3 2表3 4 广义注水算法。3 7表4 1s b p a 算法步骤6 0表4 2m t b p a 算法步骤6 2表5 _ 1 粒子更新算法一7 8缩略语东南大学硕士学位论文学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名逊冬日期型丑二! f关于学位论文使用授权的说明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。签名导师签名之垒碰翌日期兰! 盟二 _ 苔第1 章绪论第1 章绪论随着通信技术的不断发展，特别是多媒体应用需求的增加，组播( m u l t i c a s t ) 技术在现代通信中发挥越来越重要的作用，组播中的无线资源分配是提高组播系统性能的关键所在。本章首先介绍移动组播系统，然后介绍移动组播系统中的o f d m 和m i m o 技术，接着概述移动组播系统中的无线资源分配，最后给出本论文的主要工作及内容安排。1 1 移动组播系统简介无线通信技术是通信领域发展最快的技术之一。陆地蜂窝移动通信、卫星通信以及无线因特网使通信的面貌发生巨大的变化。无线通信技术的产生和发展与移动通信有着密切的关系。移动通信从无线电通信发明之日就产生了。1 8 9 7 年，意大利科学家m g m a r c o n i 完成的无线通信实验就是在固定点与一艘拖船之间进行的。“移动”这一术语一直用于区分在通信中运动的任何无线终端。进来，“移动”一词用来描述在高速运动平台上的无线终端，如高速车辆中的蜂窝电话，而“便携”一词用来描述步行者行进中手持的无线终端，如对讲机和室内的无绳电话。但实际上，人们有时并不理会这种严格的区分，一概把它们称之为“移动”终端。在各种无线移动通信系统中，为我们所熟知的有寻呼系统、无绳电话系统、移动卫星通信系统和蜂窝通信系统，其中蜂窝通信系统尤为重要。无线通信取得今天的重要位置，跟蜂窝通信的产生和发展有着极其密切的关系。蜂窝移动通信系统在无线覆盖范围内，能将用户用无线接入公用电话交换网。蜂窝移动通信系统能在有限的频带内容纳大量用户，通话质量和有线网相当。当用户在运动时，它能将用户通话从一个覆盖区切换到另一个覆盖区，用户也可以从一个蜂窝移动网漫游到另一个蜂窝移动网，仍然保持通信不中断。蜂窝移动通信的发展经历了很长的历史，目前正处于2 g 与3 g 的交接期。1 g 以模拟式蜂窝网为主要特征，是2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始商用化的，其中最具有代表性的是北美的a m p s 和欧洲的t a c s 两大系统，另外还有北欧的n m t 及日本的h c m t s 系统等。2 g 以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它于2 0 世纪9 0 年代初正式走向商用。其中，最具有代表性的有欧洲的t d m ag s m 和北美的c d m ai s - 9 5 两大系统，另外还有日本的p d c 系统等。3 g 以多媒体业务为主要特征，它于本世纪初刚刚投入商业化运营。其中最具有代表性的有北美的c d m a 2 0 0 0 、欧洲和日本的w c d m a 及我国提出的t d s c d m a 三大系统，另外还有欧洲的d e c t 和北美的u m c 1 3 6 。第三代系统在继承第一代和第二代通话功能的基础上，增加了因特网业务和定位业务功能，发展成具有会话型、数据流型、互动型与后台类型的综合服务多1东南大学硕士学位论文媒体业务功能。随着网络技术的不断发展，特别是多媒体应用需求的增加，出现了诸如视频会议、视频点播、网络电视、新闻发布等一对多或多对多的组播通信需求。这种业务的特点是“在时间上具有一致性，空间上具有分布性”。比如，具有多个分会场的视频会议系统是典型的多数据源多接收者的组播通信需求，网络电视是典型的单数据源多接收者的组播通信需求。t l n cs e r v e r图1 - 1 移动组播系统示意图单播( u n i c a s t ) 是处理点对点通信的简单机制，在进行点对多点的多媒体通信时，它将同一数据包多次复制传送给多个用户，因此带宽会限制同时接收数据包的用户数目，另外为每个用户单独发送相同的数据包使系统效率降低。广播( b r o a d c a s t ) 则将同一数据包多次复制给网络的所有用户，不管它们是否需要这个数据包。当只有几个接收用户时，会极大浪费系统带宽，甚至可能拖垮整个系统。针对单播和广播处理多点通信面临的问题，s t e w d e e r i n g 于1 9 8 9 年引入组播技术。移动组播系统的结构如图1 1所示，当小区中多个移动用户有相同的业务需求时，这些用户可以组建成组播组，基站使用相同的无线资源给这些用户发送数据包。有效的组播通信对系统有以下要求 系统能有效地将数据从数据源传送至所有的接收者； 处于小区任何位置的移动用户都能接收到其所感兴趣的数据，而不受系统其它条件的限制； 移动用户可以自由地加入或退出组播组；2第1 章绪论 移动用户数目较多时，系统仍然能够正常工作；满足以上要求的通信，就是有效的组播通信。目前，有关组播技术的研究主要涉及组播结构及机制嗍、组播路由 9 - 1 2 1 、组播覆盖 1 2 , 1 5 、组播资源分配及跨层优化 1 3 - 2 1 等。文献【5 】提出一种组播查表机制用于减少组播寻呼的代价，更新表格的代价可以忽略不计，这种机制大大提高了系统性能；文献【6 】探索出一种端系统组播结构，这种结构可以实现组播系统的所有功能，并且可以容易地解决组播系统中的路由、拥塞等问题；文献【刁就小区广播业务结构提出一种支持彩信业务的组播机制，并通过仿真说明该机制的优势；文献【8 】基于i p 网络针对实时业务提出一种组播结构，旨在寻找实时组播业务拥塞控制问题的简单解法。文献【9 】针对组播树问题在时延方差的约束条件下给出快速而高效的启发式算法；文献 1 0 l 在a dh o c 组播网中用混合遗传算法解决路由问题；文献【1 1 】针对由多个移动a d h o c 网组成的异类网络中的组播通信，提出路由算法保证每种业务的q o s 要求；文献【1 2 】针对业务覆盖提出两种路由算法，目标是避免网络拥塞，提高系统性能。文献【1 3 】研究不同类型的用户流量对系统吞吐量性能的影响，提出一种新的流量控制算法将组播组中的用户进行最优子组划分，从而挺高系统性能。文献【1 4 】在发射功率有限、带宽有限等约束条件下，进行资源最优分配：文献【1 5 】研究多速率组播覆盖系统中速率控制问题，每个用户根据自己的数据速率计算其效用，目标是所有用户的效用之和最大；文献 1 6 1 提出一种新的组播传输机制，称为m o m ，该机制集成i p 组播和覆盖组播的优点于一体，提高系统的频带利用率；文献【1 7 】研究多速率组播系统中的流量控制，资源平均分配等问题；文献 1 8 1 在o f d m组播系统中基于功率消耗最小化进行资源分配，提出启发式次优算法；文献【1 9 】研究异类无线组播网中的频带分配问题，提出一种新的分配方法，仿真结果表明，该方法比传统分配方法节省带宽。文献 2 0 1 在满足业务q o s 要求下基于跨层设计的思想优化系统吞吐量；文献【2 1 】研究w l a n 的跨层优化，考虑了应用层、数据链路层和物理层，提出适应视频组播数据流的跨层结构。本论文重点研究组播系统中的无线资源分配，下面两节将介绍移动组播系统中的o f d m 和m i m o 技术，为后续的研究作铺垫。1 2o f d m 组播技术o f d m 技术有频谱利用率高和抗多径衰落等优点，因此己被公认为3 gl t e 标准及4 g 的核心技术；o f d m a 是基于o f d m 的一种多用户接入技术。o f d m 技术属于多载波调制，也是一种无线环境下的高速传输技术。在宽带条件下，无线信道的频率响应曲线往往是非平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分割成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行并行传输。这样，尽管总的信道在频域上是非平坦的，也就是具有频率选择性，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干带宽，3东南大学硕士学位论文设基带调制信号的带宽为b ，码元速率为r ，码元周期为t ，信道的最大时延扩展 t 。o f d m 的原理是将原信号分割为m 个子信号，子信号速率为r m ，周期为m t ，然后用m 个子信号分别调制m 个相互正交的载波。o f d m 调制信号可以表示为d ( ) = m - i 胁) e 伽厶。) ，o t ( 1 - 1 ) td ( ) = d ( 佗) e 业吃。 ，o t 调制码元周期为m t ，t = m t + 6 ，6 为码元周期保护时间。为使m 个载波相互正交，各个子载波的频率为j c i = z + 斋，佗= o , 1 ，m 一10 - 2 )o f d m 收发信机的原理如图1 - 2 所示，其中( a ) 为发信机，( b ) 为接收机，( c )为o f d m 的频谱。由于子载波的正交性，接收机中的混频和积分电路能有效地分离各子信道蚋= y o l m - 1d ( 佗e 州d z= 酗，上m te x p 【驾产卜c 坞，= d ( m )o f d m 系统可以用d f t 实现，并能够采用高效的f f t 技术。不考虑保护时间6 ，则o f d m 信号可以表示为耻隆叫盎钆t 肛嘣。均= x ( ) e 蛇哪其中x ( t ) 为等效复基带信号刖= 孰) e x p i j n = 0争( 1 - 5 )x ( ) = d ( n )熹亿叫( 1 5 )i1 h 上。，对x ( ) 进行抽样，抽样速率为1 互，令k = k z ，则有础，= 塾叫j 吾埘】螂c 1 卸其中x ( k ) = x ( o ) 是d ( 亿) 的i d f t 。接收信号经过速率为1 z 的抽样后表示为西( 配) = 三m - 1 k m ) e x p 卜嚣】( 1 7 )第1 章绪论其中h 。= o ：n e 耽为子频率厶对应的信道冲击响应。总之，o f d m 调制可以使用i d f t 实现，解调可以用d f t 实现。( 6 )一瓜a 缄融一却弋弋谳渺v 影影v v 一一一j | k h z( c )图1 - 2o f d m 实现原理图o f d m a 是基于o f d m 的一种多用户接入技术，它类似于常规的频分复用( f d m a ) ，即给每个用户分配o f d m 符号内的部分可用子载波，o f d m a 不需要在用户之间设置保护频带，并且各个用户所使用的子载波也并不一定连续，而是允许以子载波为单位任意分配，因此具有比f d m a 更高的频谱利用率和更高的灵活性。在没有频率和定时偏移的情况下，这种多址方式不会受到多用户干扰的影响。5东南大学硕士学位论文6副；l：留摧靼耳荨szq山oc - h 匾酱撂姑叫f q 一留摧姑卜言一寒熙熙嬖琏涟十十t鲻鲻璀梨巨巢巨制卜米臣册舟噩十上t山山山uuu篮篮蜚窜蕃蚕ttt一+千+最山蜂ut童粪裴十籁求舶h 鲻蜢蜊器骠泖皿甾暴悼第1 章绪论o f d m a 系统除了继承o f d m 系统频谱利用率高、抗多径性能好、可利用i f f t 和f f t 简化设备复杂度等优点外，还具有其自身的特点：它将带宽资源分成若干个子载波，每个子载波只分配给一个用户使用，用户选择使用信道条件较好的子载波。当多用户接入时，不同位置的用户的信道条件差别较大，某一个用户处于深度衰落中的子载波，对于另一个用户来说却可能是非常理想的，因此，各个用户可以互补使用子载波，使所有子载波都得到高效利用，从而提高系统容量，这就是多用户分集效应。o f d m a 组播系统是将每个子载波分给一个组播组内的多个用户使用，其链路模型如图1 3 所示。o f d m a 组播系统下行链路是一个广播信道，而上行链路的工作过程要比下行链路复杂得多，这是由于为了使基站能正确解调接收信号，要求各用户到达基站的数据处于完全同步状态。本文研究的是下行链路的资源分配算法，若假设系统完全同步，则上行链路的资源分配是下行链路的一个特例。1 3m i m o 组播技术m i m o 技术，即利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术，是无线通信中一项有相当应用价值的技术。大量的研究表明，m i m o 技术可以极大地提高系统容量和频谱效率，并且不需以时频资源为代价。m i m o 技术的思想就是把收发端天线的信号进行合并。传统观点认为多径传播会对无线传输带来负面影响，而m i m o 技术的特征之一却是把多径传播转变为有利因素。如图1 4 所示，发射天线数为m ，接收天线数为m 的m i m o 系统中，收发问共有m 札个链路，而且由于无线环境中的散射效果，使得每条链路都包含多个径。m i m o 技术中复用方案就是利用这多个链路复用发送端同时发送的个信号。可以把y = h x + i i 的系统模型简单地理解为解方程组a x = b ，有个独立的方程就能解出这m 个未知量，那么至少有m 根接收天线就能分离出m 个发送的数据。空时编码方案则是利用这多个链路，充分利用发射分集增益和接收分集增益。除时频资源外，m i m o 技术又为系统提供空频资源，使系统设计更加灵活和复杂。多个发射天线可以进行子集选择，有限的发射功率在较为有效的子集上进行分配，使有限的资源得到最优的利用。目前对m i m o 技术的研究工作已经进入一个相对成熟的阶段。在h s d p a 、3 g p pl t e 和i e e e8 0 2 1 6 e 等系统的标准中都已经纳入了多种m i m o 方案。m i m o 传输技术大致分为两大类。一类为复用系统，它充分利用空间特性，在一定的误码率下致力于提高信道中传输的数据速率，例如b l a s t 系统；另类为分集系统，它充分利用空间分集特性，致力于提高链路的可靠性，例如采用空时编码的m i m o 系统。空时复用技术主要是指b l a s t 技术，这是由贝尔实验室提出来的一项突破性技术，能够大幅度提高无线链路的容量。b l a s t 技术利用同一频段传输多个信号，每个信号7东南大学硕士学位论文的发送采用不同的发送天线，在接收端采用多根天线及独特的信号处理技术把这些互相干扰的信号分离开来，由此，给定频段上的容量将随天线数量的增加而成比例地增加。基站移动用户乙vl ( )l 以)s ( t )图1 - 4m i m o 传输示意图b l a s t 根据编码后数据流的发送顺序，可以分为水平分层空时码( h b l a s t ) 、垂直分层空时码( v b l a s t ) 和对角分层空时码( d b l a 汀) 三种。b l a s t 的实现如图1 - 5 所示，输入信号经过串并变换转换成多路平行的信号流，并且在同一频带上使用各自不同的天线同时传输，由于各个天线间相互独立，每一根发送天线针对接收端产生一个不同的信道，接收端利用空间信道的不同来区分各自的数据流。实现空间复用必须要求天线单元之间的间距大于相关距离，即要求收发端各个子信道之间衰落不相关。输入发送天线接收天线信号m i m o 检测算法需要解决的一个主要问题就是m s i ，即多个发送流之间的干扰。设发射信号为s = ( s 1 ，s 2 ，s t ) t ，接收信号为r = ( ，) t ，再设信道为平坦衰落信道，则r ：喜h s + w ( 1 - 8 )1 j t第1 章绪论其中，w 是均值为0 ，方差为盯2 的加性g a u s s 白噪声，i - i 是r 的信道矩阵。接收端可以采用线性或非线性接收机进行接收。m i m o 分集系统是采用空时编码实现的。空时码主要有分层空时码、空时格状码和空时分组码。空时编码是提高频谱利用率最为有效的方法之一，必将在未来的移动通信系统中得到广泛的应用。1 4 移动组播系统中的无线资源分配用户对系统容量的要求日益增加，与此同时，为移动用户提供多种业务类型的服务也是未来移动通信系统发展的必然趋势。在基于c d m a 技术的3 g 系统中，无线资源管理已经成为一个关键的解决手段之一。伴随着3 g 系统商用时代的到来，对b 3 g 和4 g 系统关键技术的研究也已经开始，而无线资源管理技术也是其中之一，它是影响系统性能、保护用户服务质量的关键所在。无线资源管理就是对移动通信系统的空中接口资源进行规划和调度。无线资源管理涉及到一系列与无线资源的分配有关的研究课题，如功率控制、信道分配、接纳控制、负载控制、切换和分组信息的调度等。功率控制在无线移动通信系统的资源分配中占有重要地位。一个优化的功率控制算法可以使系统容量大大增加，因而提高系统频谱利用率。功率控制的目标是在为每个用户提供可以接受的服务质量的前提下尽量减少对其他用户的干扰。功率控制及功率分配是现代移动通信系统中必不可少的资源控制技术之一，直接影响到移动通信系统的总体性能，包括系统容量和服务质量，关系到系统的干扰、用户的信道质量和移动台的电池寿命等。功率控制的基本原理是在信道条件好的时候使用较小的发射功率，而在信道条件差的时候使用较大的发射功率，使接收机接收到的信号功率维持在接收该业务所需的最小功率上。从而使得在不同的信道条件下，发射机都可以以最小的发射功率来保证接收机获得固定的传输速率和时延，保障通信的质量。功率控制技术采用调整发射功率的方法来补偿信道的变化，从而保证了通信质量，但是这一技术本身也存在一些无法克服的缺陷。首先，由于远近效应的影响，使得采用功率控制技术时造成系统功率浪费，限制了系统的容量。其次，存在噪声提升效应，即在采用快速功率控制时，发射机根据链路的快衰落变化来调节在各条链路上的发射功率，从而导致每个接收机接收到其他链路的干扰功率不断变化，这样就造成了一个额外的噪声恶化。在前人工作的基础上，本论文拟对o f d m 和m i m o 组播系统中的功率控制及分配问题开展一些研究工作。目前，通信系统中的功率分配问题得到国内外学者的极大关注 2 2 - 3 6 1 。对于单用户的情形，文献1 2 2 1 最早在1 9 9 7 年针对不同的时域功率分配策略分析了单用户衰落信道的系统容量；文献 2 3 1 提出一种快速功率控制算法，该算法利用反向链路功控的数据比特估计前向链路的功率，取得较好的系统性能；文献 2 4 1 和文献 2 5 1 基于跨层设计的思想研究了平均功率和平均时延之间的折衷；文献 2 6 1 针对缓存区规模较大的情况基于动态规9东南大学硕士学位论文划方法提出一种功率控制策略。对于多用户的情形，文献 2 7 1 首先提出基于多用户分集的功率分配方法，该方法将全部功率和整个带宽只分配给信道状态最好的用户，这能够最大化系统的总吞吐量，但没有考虑用户之间的公平性；文献【2 8 】使用注水算法在载波之间进行功率分配，并给出系统吞吐量的一个下界；文献【2 9 】研究多用户o f d m 系统中的资源分配，包括子信道分配，比特加载和功率分配，其优化过程是分步进行的，先让信道状况最好的用户选择子信道，然后基于发送功率最小化原则分配功率；文献【3 0 】和文献 3 1 1 从效用函数的角度在不同的用户之间实现分布式功率分配；文献 3 2 1 在文献 2 9 】的基础上提出一种复杂度相对较低的注水算法，并得出一个重要结论，即随着用户数增多系统平均分配功率获得的吞吐量性能接近系统采用注水算法分配功率时获得的吞吐量性能；文献【3 3 】基于比例公平提出一种低复杂度的o f d m 系统资源分配算法，该算法以最大化系统吞吐量为目标，使用具有线性时间复杂度的求根方法，克服了迭代算法复杂度高的缺陷；文献 3 4 1 贝l j 系统地分析了注水算法在不同系统功率分配中的应用，并针对一条注水线和多条注水线的情况分别提出高效实用的注水算法；文献 3 5 1 n 研究了用户协同多址接入信道的功率控制策略。有关组播系统中功率分配问题的研究较少。文献 3 6 1 研究o f d m 组播系统中的资源分配，其目标是总功率消耗最少，资源分配采用功率最省的策略；提出一种次优算法，这种算法以略微损失系统吞吐量系性能换取计算复杂度的大幅度降低。文献 3 7 1 在组播系统中采用特殊的叠合编码和重传机制提高系统吞吐量。1 5 本文的主要工作及内容安排本文主要研究移动组播系统中的无线资源分配问题，全文内容安排如表1 - 1 所示。表1 - 1 全文内容安排第1 章简明扼要地介绍移动组播系统及其无线资源分配。第2 章提出一种适用于s f c n 中的最优功率分配方案，首先建立基站协调功率分配的线性规划模型；然后分析小区数为2 时用户的分布对功率分配的影响，离用户近的基站应尽可能多得分配功率；接着用单纯形法求解该问题；最后通过数值仿真验证了所提功率分配方案的优势。第3 章针对支持多业务传输的单小区组播系统，同时考虑数据链路层的q s 和物理层的c s i ，建立功率跨层分配的连续速率集模型和离散速率集模型。对于连续速率集模型，通过理论推导给出最优功率分配的算法一一广义注水算法；对于离散速率集模型，利用改进的遗传算法进行跨层功率分配。最后通过数值仿真验证了所提功率分配方案的优势。第4 章针对支持多业务传输的多小区组播系统，首先建立了组播系统多小区多业务功率分配的最优化模型，然后引入非合作博弈的方法求解该模型，1 0第1 章绪论选取两类重要的效用函数一一指数型效用函数和系统吞吐量效用函数，针对这两类效用函数分别提出s b p a 算法和m t b p a 算法，最后通过数值仿真验证了算法的性能。第5 章研究单小区分布式天线系统天线间功率协调分配问题，建立了天线功率协调分配的线性规划模型和基于离散速率集的跨层优化模型；针对线性规划模型，给出功率分配的改进单纯形算法，分析移动用户分布对功率分配的影响，离用户近的天线应在其子载波上尽可能多得分配功率；针对跨层优化模型，提出改进粒子群算法进行跨层功率分配；最后通过数值仿真验证所提功率分配算法的性能。第6 章全文工作总结。第2 章s f c n 中的单业务功率分配第2 章s f c n 中的单业务功率分配本章研究s f c n 中的功率分配问题，首先建立s f c n 基站间功率协调分配的线性规划模型，该模型可以用单纯形法求解：然后从理论上分析小区数为2 时移动用户分布对功率分配的影响；最后通过数值仿真验证所提方案的性能优势。2 1 背景介绍在s f n 中，多个发送者使用相同的频率块同时向网络中的同一个接收者传输相同的信号，这样可以提高网络覆盖，减少系统干扰，节省发射功率。s f n 在d a b 、d v b 、蜂窝移动通信系统中有广泛的应用前景。近年来，国内外学者就s f n 开展了大量的研究工作 3 8 - 4 4 。文献【3 8 】研究应用o f d m技术的s f n 中系统的时延、覆盖、误码率性能以及这些性能之间的内在关系：文献【3 9 】在不同信道的接收信号具有相关的阴影衰落特性时研究系统覆盖的变化规律；文献【4 0 】研究s f n 中的无线资源管理算法，该算法将小区进行动态分组，每一组的小区构成s f n ，但只考虑下行非实时业务，对于实时业务应用该算法复杂度很高；文献【4 1 】将o f d m - s f n 应用到蜂窝小区系统中，提出一种新的方案，称为s f c n ，该方案同时采用了发送宏分集和接收选择分集，获得比普通小区系统更好的系统性能；文献【4 2 】针对数字通信系统广播数据基于多层编码和多层调制提出多层传输方案，用户可以根据其信道状态选择多种接收速率；文献【4 3 】总结了s f n 的诸多优点并解决应用中的几个问题：文献【蜘提出将s f n 和m f n 同时应用到数字广播系统中，取得较好的系统性能。从以上的分析不难看出，有关s f n 中功率分配问题的研究相对较少。在基于o f d m的s f c n 中，基站使用相同的子信道向小区中的移动用户传输信息，如何协调各个基站的发送功率使其在满足用户s n r 的条件下总的发射功率最小是本章研究的核心问题，其结果可以推广应用到分布式天线系统中的功率分配等问题中。2 2 数学模型研究一个支持下行组播业务传输的多小区蜂窝移动通信系统，如图2 - 1 所示。设系统有m 个小区，每个小区的中央有一个基站，系统有k 个移动用户分布在这m 个小区中，这m 个小区组成一个s f c n ，所有基站使用同一个o f d m 子信道向k 个移动用户传输相同的信号。移动用户使用均衡器将不同基站的传输信号合并，均衡器以首达信号为基准，若基站的传输信号时延不超过均衡器的时延门限，均衡器将这一信号视为有用信号，否则视为干扰信号。移动用户通过信道估计算法测量信道的参数，并能通过反馈信道将所测量的c s i 反馈给基站。这样，基站就可以根据移动用户的c s i 自适应地优化1 3东南大学硕士学位论文不同基站的发射功率，使总的发射功率最小。移动用p图2 1s f c n 组播系统框图本章研究每个1 1 1 内基站的功率分配，为方便起见，以下均省去r i r i 标号。设在一个1 1 t i 内，各个移动用户的信道衰落系数保