（通信与信息系统专业论文）基于部分信道信息的ofdm系统资源分配的研究.pdf

p 叭i a lc h 锄e 1i n f o m 甜i 。nf e e d b ks c h e m efor乏,s。l二ii12,ii?iillidii15ff818ilil,12llill a l l o c a t i o ni no f d m s y s t e m s b y s u y i n g b e ( t o n g l i n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 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 s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl is u o p i n g m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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 其他个人或集体已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：艿篮 日期：7 卅年 6 月2 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，即：学 校有权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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：苟滢 别谧轹霸编孚 一 1 日期：2 口f f 年6 月2 日 日期：仞年 彳月2 扫 硕士学位论文 目录 目j i 乏i 摘要i d l 】 ；s t r a c t i i 附图索引i i i 附表索引i v 第1 章绪论1 1 1 论文的研究背景一l 1 2 本论文的研究意义和进展2 1 2 1 资源分配的研究意义2 1 2 2o f d m a 系统研究进展一2 1 2 3m i m o o f d m a 系统研究进展4 1 3 本论文主要内容和贡献4 1 4 论文的结构安排5 第2 章无线o f d m 系统研究6 2 1 引言6 2 2o f d m 技术6 2 2 1o f d m 的产生和发展一6 2 2 2o f d m 系统结构6 2 3o f d m a 系统1 0 2 4m i m o o f d m a 系统1 1 2 4 1m i m o 技术1 1 2 4 2m i m o 系统的主要特征1 1 2 4 3m i m o 信道容量1 2 2 4 4m i m o o f d a 系统模型1 3 2 5 本章小结1 4 第3 章改进的o f d m a 系统自适应资源分配算法1 5 3 1 引言一15 3 1 1o f d m a 系统自适应资源分配1 5 3 1 2 自适应优化准则1 6 3 2 理想的自适应资源分配算法1 7 基于部分信道信息的o f d m 系统资源分配的研究 3 2 1 问题描述1 7 3 2 2 优化目标17 3 2 3 基于双重最优的分配算法1 8 3 3 提出的部分信道信息的自适应资源分配算法1 9 3 3 1 部分信道信息产生的原因1 9 3 3 2 提出的自适应资源分配算法2 0 3 3 3 离散比特的情况2 3 3 3 4 仿真分析一2 5 3 4 本章小结2 7 第4 章减少反馈量的动态资源分配算法。2 8 4 1 引言2 8 4 2 迫零波束成型算法2 8 4 2 1 共道干扰2 8 4 2 2 迫零波束成型算法的基本思想2 9 4 3 亚正交用户选择方法3 0 4 4 改进的亚正交用户选择方法3 1 4 4 1 方法描述一3 1 4 4 2 复杂度分析3 5 4 4 3 仿真分析一3 5 4 5 提出的门限设置的有限反馈算法3 6 4 5 1 部分信道信息反馈的基本思想3 7 4 5 2 基于门限设置的算法一3 8 4 5 3 性能分析3 8 4 5 4 仿真分析一4 0 4 6 本章小结4 1 第5 章总结与展望4 2 5 1 本文的主要研究成果一4 2 5 2 下一步工作一4 2 参考文献。4 4 致谢4 8 附录a 发表的学术论文目录4 9 i i 硕+ 学位论文 摘要 随着移动通信系统的飞速发展，人们对数据传输速率和服务质量( q o s ) 提出 了越来越高的要求。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 ) 技术在克服频率选择性衰落方面有明显优势。而且不同的信道之间相互 独立，经历不同的信道衰落，为自适应资源分配提供了灵活的自由度。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 ) 技术能够提供明显的空域分集增益， 将m i m o 技术与o f d m 技术有效的相结合，可以使无线通信系统在获得更低的误 码率以及在取得更高的数据速率两个方面有着明显的优势。 本论文首先介绍了o f d m a 技术和m i m o o f d m a 技术，通过对o f d m a 和 m i m o o f d m a 系统关键技术的简单分析，确定了本文的选题依据和研究内容。 本文接着介绍了多用户o f d m 系统资源分配算法，通常多用户o f d m 系统中 的资源分配问题，均是基于理想信道信息的情况下。本文提出了非理想信道信息 情况下资源分配方案，分别考虑了信道估计误差、信道反馈时延的情况，充分利 用时域、频域、多用户分集增益，最大限度地提高系统性能。最后在上述基础上， 考虑在离散调制和解调下的资源分配算法，使算法更加符合实际情况。 o f d m a 和m i m o 技术相结合的资源分配，是近年来一个研究热点。但不同 用户在同一个子载波的空间复用会引入共道干扰问题，使系统的传输容量严重降 低。本文先介绍了近年来几个典型的迫零波束成型算法。在此基础上，提出了基 于门限设置的有限反馈算法，并与其他典型算法进行性能比较。 关键词：o f d m ；资源分配；信道信息：共道干扰；有限反馈 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，p e o p l er e q u i r ef o r m o r er a p i dd a t ac o m m u n i c a t i o nr a t e sa n dh i g h e rq u a l i t yo fd a t as e r v i c e o r t h o g o n a l f 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 ) h a st h ea d v a n t a g e si no v e r c o m i n gf r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g ，a n dd i f f e r e n tc h a n n e l sa r ei n d e p e n d e n ta n d h a v ed i f f e r e n tf a d i n g b e t w e e ne a c ho t h e ri no f d ms y s t e m b e s i d e s ，i t p r o v i d e s af l e x i b l er e s o u r c e a l l o c a t i o nf o rt h ed e g r e eo ff r e e d o m o f d ms y s t e mc o m b i n e sw i t hm u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u tm u l t i p l e ( m i m o ) t e c h n i q u ew i t hs p a t i a ld i v e r s i t yg a i na n db e c o m et o b em i m o - o f d m as y s t e m ，w h i c hi sp r o v e dt ob ea c q u i r i n gl o w e rb i t e r r o rr a t ea n d h i g h e rd a t ar a t ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a tf i r s t ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st h eo f d m at e c h n o l o g ya n dm i m o o f d m a t e c h n o l o g ya n dl i s t ss e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r et h ef o u n d a t i o na n dc o n t e n t so f t h i st h e s i sb a s e do n t h e n ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mi nm u l t i u s e ro f d m s y s t e m s c o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lr e s e a r c h e f f o r t so no f d m ar e s o u r c e a l l o c a t i o nt h a tt h e ya r eb a s e do nt h ea v a i l a b i l i t yo f p e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n t h i st h e s i s p r o p o s e s ar e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mu n d e rn o n i d e a lc h a n n e l i n f o r m a t i o n ，t oc o n s i d e rt h ec h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r ，c h a n n e lf e e d b a c kd e l a y i tt a k e s a d v a n t a g eo ft h et i m ed o m a i n ，f r e q u e n c yd o m a i n ，m u l t i u s e r d i v e r s i t yg a i n ，t o m a x i m i z es y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fa b o v e ，w ed e r i v et h a tr e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h mf o rt h ep r a c t i c a l l yr e l e v a n tc a s eo fw h e n o n l yad i s c r e t en u m b e ro f m o d u l a t i o na n dc o d i n gl e v e l sa r ea v a i l a b l e r e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d m a s y s t e m sc o m b i n e dw i t hm i m ot e c h n o l o g yi sa h o tt o p i ci nr e c e n ty e a r s b u td i f f e r e n tu s e r si nt h es a m e s p a t i a lm u l t i p l e x i n gc a r r i e rt o i n t r o d u c ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，t h es y s t e m st r a n s m i s s i o nc a p a c i t ys e v e r e l yr e d u c e d f i r s ts e v e r a lt y p i c a lz e r o f o r c i n gb e a m f o r m i n ga l g o r i t h mi sl i s t e d o nt h i sb a s i s a t h r e s h o l d s e t t i n gs c h e m ei sp r o p o s e da na l g o r i t h mi no r d e rt or e d u c ef e e d b a c k o v e r h e a d ，a n dg e ti t sa d v a n t a g ec o m p a r e dw i t ho t h e rt y p i c a la l g o r i t h m k e yw o r d s ：o f d m ；r e s o u r c ea l l o c a t i o n ；c h a n n e l i n f o r m a t i o n ；c o c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ；l i m i t e df e e d b a c k i i 硕十学位论文 附图索引 图2 1o f d m 系统框图7 图2 2o f d m 系统基本模型框图8 图2 3m i m o 系统原理图1 l 图2 4 基于波束成型的自适应m i m o o f d m a 系统框架图1 4 图3 1o f d m a 系统自适应资源分配框图1 6 图3 2 不同算法的容量比较图2 6 图3 3 不同参数下的系统容量比较图2 6 图4 1z f b f s u s 算法的框架图3 1 图4 2 用户数= 4 时，计算正交度量图3 4 图4 3 用户组间的s u s 算法3 4 图4 4 不同选择算法下信噪比与系统容量的变化规律图一3 6 图4 5 不同选择算法下用户数与系统容量变化规律图3 6 图4 6 用户数k 、平均用户数k 和门限值r 三者之间的变化规律3 9 图4 7 不同算法的系统容量4 1 i i i 基于部分信道信息的o f d m 系统资源分配的研究 附表索引 表4 1 多种算法计算量的比较图3 5 i v 硕十学位论文 1 1 论文的研究背景 第1 章绪论 随着人们通信业务范围的不断扩展，越来越多的服务内容都要求很高的数据 传输速率，目前已经形成的技术将很难满足未来无线通信业务发展的需要，迫使 人们探索新的技术以满足人们的需要。另外，严重不足的频谱资源已经严重制约 着无线移动通信事业的发展。因此，如何充分利用和开发有限的频谱资源，提高 频谱利用率，成为当今无线通信技术研究领域的热点之一。 在提高频谱利用率的同时，我们还需要保证传输信息的可靠性，这就要求新 的无线通信技术能够克服无线信道中产生的各种不利因素的影响；而且要求下一 代无线通信系统能够最大限度地利用频域、时域、空域等资源。从而促进了b 3 g 技术的产生和发展。 b 3 g 技术的研究是从2 0 世纪3 g 技术标准化完成之时开始了。2 0 0 6 年，i t u r 正式将b 3 g 技术命名为i m t - a d v a n c e d 技术( 3 g 技术名为i m t - 2 0 0 0 ) 。 i m t - a d v a n c e d 技术需要实现更高的数据率和更大的系统容量，目标峰值速率为： 低速移动、热点覆盖场景下1 g b i t s 以上：高速移动、广域覆盖场景下l o o m b i f f s 以上。就目前来看，b 3 g 无线通信技术的未来发展可能体现在如下几个方面【l 弓j 。 ( 1 ) 未来的无线通信系统将是分组数据业务占主要成分，语音业务占少量成 分。因此传统的无线传输方案不再合适，需要运用全新的理念，设计基于分组数 据业务的无线传输方案以及网络结构，最大程度地满足b 3 g 系统中分组数据业务 占大部分的特点。 ( 2 ) 未来的无线通信系统不仅需要融合多种传统的有线网络的业务，而且需 要支持的业务种类将显著增多。由于不同的业务具有不同的特点，所以用户对系 统的要求也将有非常显著地差异。这样系统需要支持多种业务的能力，同时无线 资源的分配方式需要高度灵活，从而系统的复杂度将显著提高。 ( 3 ) 未来的无线通信系统的业务规模( 包括流量和数量) 将显著增大。一般 认为b 3 g 系统传输的容量将比3 g 提高1 0 倍以上，这就需要系统在信息传输能力 方面有本质性的提高。 ( 4 ) 未来的移动通信业务的峰值传输速率将会提高一至两个量级，达到 1 0 0 m b s 以上。 ( 5 ) 未来的移动通信业务的传输速率的动态范围将极为广泛，可能会在 1 0 k b s 至1 0 0 m b s 之间动态地变化。这就需要无线资源调配方式必须极为灵活， 才能够高效地适应数据速率的大的动态变化范围。 ( 6 ) 未来的移动通信业务的传输请求会经常发生在高速移动的交通工具中， 基丁部分信道信息的o f d m 系统资源分配的研究 这就需要未来移动通信系统的基站能够及时地、快速地接入更多种类的移动终端。 为了体现以上几个上面，i t u rw p s f 对b 3 g 技术的未来趋势进行了研究， 提出了b 3 g 系统中比较有前景的一些关键技术。其中物理层包括能有效克服频率 选择性衰落的正交频分复用( o f d m ) 技术和能显著提高系统容量的多输入多输 出( m i m o ) 技术等。i 1 2 本论文的研究意义和进展 1 2 1 资源分配的研究意义 为了满足人们日益迫切的需求，为了使移动通信系统向高速率、高效率、低 功耗的方向发展，如今自适应资源分配算法得到了越来越多人的关注。自适应资 源分配是利用当前信道特征来自适应调节信号传输参数，充分利用系统资源，有 效提高系统性能的算法。 随着移动通信业务的丰富，用户数量的剧增，用户具有不同的服务质量，如 果采用静态的资源分配算法，就可能造成大量资源的浪费。这是因为一般的静态 的资源分配算法都是按照信道性能较差的情况和最低要求设计的。在当今移动通 信中，频谱、发射功率等资源都相当的宝贵，静态资源分配算法将非常不合适。 此外，由于无线信道的时变性和大量多用户系统的引入，增加了系统资源分配的 复杂度。因此研究和利用最新的理论和算法解决子载波、比特和发射功率三者之 间的分配问题，如何由其中两者去最大化或者最小化第三者，以及如何有效的低 复杂度的解决三者之问的关系问题，具有十分重要的现实意义。 同时在多用户o f d m 或者在m i m o o f d m a 系统中，不同子载波经历不同的 信道衰落，具有不同的信道传输特性，传输能力也不同，而且子载波问相互独立。 在某个时刻，子载波在某些用户上可能正处于深度衰落中，不适合在信道上传输 数据。但同时，子载波很可能在另一部分用户上信道状况比较好。事实上，一个 子载波在所有用户中都处于深度衰落几乎是不可能的。因此我们可以根据用户的 不同信道状态信息和不同需求，确定每个用户的子载波分配以及每一个子载波上 所分配的比特数和发射功率。总的来说，在系统中采用自适应资源分配算法，避 开严重受损的信道，根据信道状态信息及时调整系统资源分配，从而实现系统资 源的自适应最优配置。 可见，自适应资源分配是当前一个重要的研究课题，已经成为提高数据传输 速率以及传输质量的一种重要途径，本论文将着重讨论o f d m a 系统和 m i m o o f d m a 系统的自适应资源分配算法。 1 2 2o f d m a 系统研究进展 正交频分多址( o f d m a ) 技术是在o f d m 技术的基础上发展起来的。o f d m a 系统资源分配主要包括：子载波分配、比特分配及发射功率分配等等。o f d m a 系统的自适应资源分配根据优化目标的不同，大致可以分成两大类：一类是在满 2 硕士学位论文 足速率和误码率的要求下最小化总的发射功率，另一类是在额定功率下最大化总 的传输速率。本文主要针对后一类。 当采用速率自适应优化准则时，我们可以对信道状态比较好的用户提供更高 的传输速率，以达到系统容量最大化。已提出的注水算法、贪婪算法等资源分配 算法，可以很好的去逼近系统容量的极限，实现对系统资源的有效利用，但这些 资源分配算法存在一定的问题。首先是公平性问题，已提出的算法可能使离基站 较近的用户，分配到大量的资源。离基站较远的用户，将长时间分配不到资源， 这样就造成了用户间的不公平性。更重要的是，求解多条件下的最优化问题时， 一般需要求解大量的非线性方程组，这是一个非常困难的问题。在实际的o f d m a 系统资源分配算法中，我们通常需要考虑用户间的公平性、总的发射功率、每个 用户最低速率等约束条件，求解算法会非常复杂。 正是基于上述问题的考虑，下面从系统公平性和目标函数的求解两方面对 o f d m a 系统自适应资源分配算法的研究进展分别进行回顾： 一、基于公平性的资源分配算法 文献4 】中提出最大化最小用户容量的次优算法，该算法是在为每个子载波分 配相等发射功率的情况下进行子载波和比特的分配。为了使每一个用户尽可能分 配到具有较高信道增益的子载波，在每次的迭代过程中，优先让吞吐量最小的用 户选择信道增益最大的子载波，并为其分配各用户预留的资源。但是由于其各子 载波上的功率进行平均分配的方式，因此不能实现发射功率的最优分配。 文献5 1 中提出最大化加权系数下的用户速率，为不同的用户分配不同的加权 系数，加权系数越大获得系统资源的优先级别就越高。文献【6 】中提出了比例约束 公平的次优算法，但提出的用户间公平性算法是在高性噪比情况下提出的，需要 通过迭代计算求解非线性方程，计算量较大。为此文献【7 】在文献【6 】的基础上提出 了一种改进的比例约束公平性的次优算法，该算法提出了线性情况下的功率分配， 保证用户速率达到近似比例公平性的同时大大降低了计算的复杂度。 二、最优和次优求解方案 目前已提出的速率自适应优化准则的解决方法可归纳为三种： ( 1 ) 两步法：主要思路是降低资源分配的自由度，将最优化问题划分为若干 个较低复杂度的问题【8 】【9 1 。一般算法首先根据每个用户的速率要求进行子载波分 配，然后为每个子载波进行发射功率分配。 ( 2 ) 松弛子载波或者比特的整数约束：将整数限制放松为实数，每个子载波 可以称作为非整数的实数，并且在同一时隙内可以分配给多个用户，表示为时间 共享因子。通过将整数约束放松为实数约束，然后引入新的变量，将系统的离散 非线性问题转变为连续的非线性问题，有效解决了系统复杂度。通常最后，将子 载波分配给有最大非整数因子的用户。 ( 3 ) 启发式算法：是人们面向具体问题的经验或者规划启发得出来的方法， 可能缺乏坚实的理论基础。一般的启发式算法是基于排序过程【l o l l l l 】，也有采用本 基丁二部分信道信息的o f d m 系统资源分配的研究 地搜索算法，利用一种原始解决方案，然后根据本地标准迭代改进i l2 。本文采用 放松子载波和比特的整数约束算法，利用拉格朗日算法i l3 j 解决最优目标函数。 1 2 3m i m o o f d m a 系统研究进展 m i m o 技术是通过在接收端和发射端使用多根发射天线和接收天线，有效提 高系统容量。对于m i m o 技术的实现，贝尔实验室最早提出了基于空间复用的分 层空时码【1 4 1 ( b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ，b l a s t ) 技术， 它可在中高信噪比下实现最高达3 0 b i t s h z 的传输效率。分层空时码包括水平分 层空时码、垂直分层空时码和对角分层空时码。1 9 9 8 年t a r o k h 1 5 】提出了一种空时 格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ，s t t c ) 技术，它是由空时延迟分集发展而来的， 而空时延迟分集可以看作是空时格码的一个特例。它把编码、调制与发射分集综 合考虑，提出了构造准静态瑞利衰落信道下满分集增益和高编码增益的系列准则。 为了减少接收端复杂度，a l 锄o u t i 【1 6 1 等又提出了一种非常简单的发射分集技术一 空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ，s t b c ) 技术。空时分组码技术在发送端 对几个连续发送符号作简单的正交编码，接收端只要采用线性合并就可以获得最 大似然译码，实现最大的发送分集增益。 多用户m i m o o f d m 系统可以在时域、频域、空域三维同时获得多用户分集， 有效提高系统频谱利用率及功率效率【1 7 】。在m i m o o f d m a 系统中采用自适应资 源分配可以使系统达到更高速的传输。通过将信道状态信息反馈回基站，自适应 地分配系统的天线、子载波、比特、发射功率等资源，使系统总处于最优的传输 状态，提供最佳的传输方案。 作为一种优化系统性能的智能天线，波束成型是从信噪比角度出发最优的， 因此它在发射端利用了反馈回基站的信道信息，通过线性预处理使所有传输功率 对准一个方向，从而获得了阵列分集增益，接收端经过相应的处理就可以保证输 出容量最大化。因此，在未来的移动通信的智能天线中，波束成型是研究热点之 一。为此文献【18 1 中提出了正交随机波束成型方案，每个用户将所有波束的最大信 噪比和最大信噪比对应的波束序号反馈回基站，然后基站将波束分配给对应信噪 比最大的用户。文献 1 9 】中提出了基于波束成型的m i m o o f d m 系统自适应资源 分配算法，以传输速率最大化为设计目标，但没有考虑发射功率的约束条件。为 此，文献f 1 7 】在传输比特和误比特率的约束条件下，最小化总的发射功率，是一种 级联自适应波束成型、自适应子载波分配和自适应比特分配的资源分配算法。 1 3 本论文主要内容和贡献 本文作者围绕课题做了大量学习和研究，主要包括以下内容和贡献： ( 1 ) i a 真阅读了大量的相关文献，掌握了o f d m 技术、o f d m a 技术以及 m i m o o f d m a 技术的主要内容。对自适应资源分配算法做了重点研究，对现阶 4 硕士学位论文 段的国内外研究现状有了总体上的把握，并在此基础上进行研究。 ( 2 ) 研究了在o f d m a 系统中，充分利用频域、时域、多用户分集增益，最大 化系统遍历容量，同时考虑用户间的公平性。为了使算法更加符合实际要求，反 馈回基站的信道状态信息同时考虑信道估计误差和信道反馈时延的情况。 ( 3 ) 研究了在m i m o o f d m a 系统中不同用户在同一载波上的共道干扰问题， 针对其计算任务繁重、反馈量大的问题，把部分c s i 反馈的思想运用到最大化系 统容量中，当接收信噪比小于预先设置的门限值时，就停止反馈回基站。以最大 化信道容量和维持一定反馈量为目标，确定适合的系统容量和最优反馈量。 1 4 论文的结构安排 本论文共分五章，各章内容安排如下： 第一章简要介绍了未来移动通信系统的发展趋势，并介绍了正交频分多址技 术( o f d m a ) 和多输入多输出技术( m i m o ) 资源分配的研究意义和研究进展。 第二章分别介绍了o f d m a 和m i m o o f d m a 系统的基本原理和模型，为后续 章节资源分配算法的研究做了铺垫。 第三章介绍了理想信道信息下o f d m a 系统自适应资源分配算法，然后引出了 本论文的非理想信道信息的自适应资源分配算法。在资源分配部分应用了双重最 优框架，然后通过仿真分析得出非理想资源分配算法仍然能获得较好的系统容量。 并在最后考虑了离散比特下的资源分配算法，使算法更加符合实际情况。 第四章分析了m i m o o f d m a 系统中共道干扰问题，在此基础上提出一种基于 门限设置的有限反馈的算法，从而有效减少系统计算量和反馈量。 第五章本文工作总结。 基于部分信道信息的o f d m 系统资源分配的研究 2 1 引言 第2 章无线o f d m 系统研究 正交频分复用( o f d m ) 技术是第四代移动通信中多载波传输方案的主要实 现方式之一。一方面在此基础上发展起来的正交频分多址接入( 0 f d m a ) 技术， 目前已经是b 3 g 中重点关注的多址方式之一。另一方面多输入多输出( m i m o ) 技术在提高频谱利用率和系统容量方面的优势也引起了广泛的关注和研究，将 m i m o 技术与o f d m a 技术的有效结合，也成为近年来的一个研究热点。 2 2o f d m 技术 2 2 1o f d m 的产生和发展 o f d m 的思想早在2 0 世纪6 0 年代【2 0 】就已经提出，由于采用模拟滤波器实现 起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来。在2 0 世纪7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 实现多载波调制，很方 便地实现了多路信号的复合和分解。而d f t 还可由快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 来实现，大大简化了系统实现的复杂度，为o f d m 技术的实用化 奠定了理论基础1 2 。 在8 0 年代，l j c i m i n i 首次分析了o f d m 技术在移动通信中存在的问题和解 决方法【2 2 1 。从此以后，o f d m 在移动通信中的应用得到了迅猛发展。在此期间， p e l e d 和r u i z 提出了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的概念。提出在发射端作i f f t 之 后将o f d m 符号的后一段样点值复制到该符号前面作为循环前缀，用于保持子载 波的正交性。从而使得信道与传送符号之间的线性卷积等效为循环卷积，在接受 端作f f t 之前舍弃循环前缀中的各样点值。 现在，o f d m 技术得到了深入的研究，其应用范围非常广泛。2 0 世纪8 0 年 代，o f d m 技术的研究已经发展到高速调制解调器、数字移动通信和高密度磁记 录等方面。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 技术的研究开发推广到了移动无线f m 信道上 的宽带通信、高速率数字用户线、非对称数字用户线、超高速数字用户线、数字 音频广播、数字电视以及h d t v 地面广播等领域。各种h d t v 地面广播的o f d m 系统设计方案和模型已经被公开论证。随着研究的深入，相信这项技术的应用前 景将会十分广泛。 2 2 20 f d m 系统结构 正交频分复用( o f d m ) 技术是多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术的一种改进。o f d m 技术的主要思想是在频域内将整个信道分成若干个正交 6 硕十学位论文 的子信道，通过将高速数据信号流转换成并行的低速子数据流，并调制到每个子 信道上进行传输，构成多个低速率符号并行发送的传输系统。o f d m 技术的一个 主要特点是各个子载波间相互正交，子载波的频谱是可以相互重叠的。这样不但 可以减少了子载波间的干扰，而且可以得到较高的频谱效率，节省宝贵的频率资 源。同时每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道都可以 看成平坦性衰落，从而可以有效消除符号间干扰( i s i ) 。o f d m 系统的原理框图如 图2 1 所示，首先o f d m 技术将输入的数据流经过串并变换变换成多个速率较低 的并行子数据流，再经过快速傅里叶变换将数据的频谱表达式变换到时域上。接 收端进行与发射端相逆的处理过程。 串并变换 o f d m 变换 司厩习鼯 牛习竺 i f f t 一并串变换 一插入循环前缀 一d a _ 一 多雒输 h ( r ，t ) 稠厅兰篡鼯b 翱! ! ! ! ! 忆磊习1 f b 雨磊l 幅磊赢彳袢_ j 砸) 图2 1o f d m 系统框图 下面具体介绍图2 1 中的每个模块： ( 1 ) 串并变换 在o f d m 系统中，每个传输符号速率的大小约在几十个6 豇j 到几十k b i t s 之 间，所以必须进行串并变换，将输入串行比特流转换为可以传输的o f d m 符号。 由于调制模式可以自适应调节，因此每个子载波上可传输的比特流也是可以变化 的，所以串并变换需要分配给每个子载波的数据段的长度是可以不一样的。在接 收端执行相反的过程，从各个子载波出来的数据流被转换回原始的串行数据。 ( 2 ) 子载波调制 一个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制。则从f = t s 开 始的o f d m 符号可以表示为： s ( ，：jr e 篓z 旭c r ( f 一一吾) e x p ，2 万z ( r 一) ) ，r + r ( 2 。) 【 o ， f r + 其中表示子载波数，z 表示o f d m 符号的持续时间( 周期) ， 4 ( i = o ，l ，2 ，n 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，z 表示第f 个子载波的载波频 率，r e c t ( t ) = l ，h t 2 ，表示一个矩形信号。 7 基丁部分信道信息的o f d m 系统资源分配的研究 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射为 子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，即： 5 ( ，) ：j 篓4 厂p c r ( r 一一三) e x p ( 一，2 万；( r 一) ) ， ，+ 丁 ( 2 2 ) 【0 ， f 丁+ 其中s ( f ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量。在实际中 可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i l l 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成 的o f d m 符号。o f d m 系统的基本模型框架如图2 2 所示，在接收端，将接收到 的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。 。 “0 7 l 7 7 l l 7 积分 2 “， p - j 2 - ，r f l i 7 、l | 积分| 乍，、，j 7 并| 卑 4 尽 i一 e - j 2 坼 串并 7 u 7 + 2 巧 j “一。 口一i 7 、 7 7 l 7 积分 l 图2 2o f d m 系统基本模型框图 对式( 2 2 ) 中的第，个子载波进行调制，然后在时间长度t 内进行积分，即： 弓= ；卜x p ( 书万手( ) ) 善n - 1 4e x p ( j 2 万弘) 户 = ；篓z 卜p 卜万竿( ) 弘= 嘭 ( 2 3 ) 根据式( 2 3 ) 可以看出，对第，个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而 对其他子载波来说，由于积分间隔内，频率差别( f 一_ ，) 丁可以产生整数倍个周期， 所以积分结果为零。 ( 3 ) d f t 的实现 傅里叶变换是将时域和频域联系在一起。信号在时域和频域上均被抽样，由 于d f t 的定义，时间上波形连续重复，因此可以导致频域上频谱的连续重复。快 速傅里叶变换( f f t ) 仅是d f t 计算应用的一种快速数学方法，由于其高效性， 使o f d m 技术发展迅速。 对于较大的系统来说，式( 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信