（信号与信息处理专业论文）ofdm协同中继系统自适应资源分配技术研究.pdf

北京邮电人学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盈牵望：这 1 7 1 期：塑! 里：! ：! 至 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盔奎勉：j 煎 r 期： z 叟f 叟：! 三 导师签名： 羔盘j 鎏 日期：盘! q ：互：! 北京邮电人学硕士学位论文 中文摘要 o f d m 协同中继系统自适应资源分配技术研究 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术通过将频率选择性多径衰落信道在频域内 转变为单径平坦衰落信道，从而可以有效抑制符号间干扰( i s i ) 。通过将相 互正交的子信道分配给不同的终端，正交频分复用接入( o f d m a ) 可认为 是o f d m 技术在多用户环境下的扩展。o f d m a 为无线资源的分配提供了 更大的自由度，使得容量、覆盖以及公平性等性能指标可以得到较好的折 中。此外，在现有的蜂窝网络的结构下增加中继节点，利用多跳传输的方 式可以进一步扩大系统的覆盖范围以及提供更高的频谱效率；而且中继不 需要使用有线回程链路，具有较低的成本。因此，o f d m 与协同中继技术 已经成为下一代无线通信中的关键技术被讨论，而二者的结合更是涵盖了 各自的优点，具有广泛的研究与应用前景。 本文以o f d m 协同中继系统中的资源分配技术作为研究内容。在概述 o f d m 系统的发展以及无线资源分配技术之后，论文的第二章简要介绍了 o f d m 系统中资源分配的几类目标以及对应的相关技术，包括单小区中容 量与公平性的折中，以及多小区中系统容量与小区边缘性能的折中。论文 第三章引出协同中继技术，并简要讨论了两种固定中继方案：放大转发( a f ) 与解码转发( d f ) 方案的基本原理。 论文的第四章对于单小区o f d m 协同中继系统中的资源分配技术进行 了详细的研究。现有文献中已讨论了几种中继传输中的关键技术，包括中 继选择技术，最优功率分配，两跳系统的子载波配对等。在此基础之上， 本文提出了一种解码转发两跳点对点通信中的基于梯度法的迭代最优功率 分配算法。对于考虑实际离散频谱效率约束的放大转发点对点通信，本文 提出了一种最优的比特加载算法，在每载波上对直接传输和协同中继传输 进行自适应选择，并且能够结合子载波配对技术，有效的减小了系统( 源 节点和中继节点) 的能量消耗。接着本文研究了多中继点对点通信中的资 源分配。通过联合考虑中继选择，两跳子载波配对，以及多中继最优功率 分配，该优化问题被建模为一个二元混合整数规划问题。为有效求解该问 题，本文提出了一种启发式贪婪算法，将原问题分解为两个独立的子问题 进行有效求解。该算法能极大的提高系统容量，并与性能上限差别很小。 对于多用户两跳中继系统，本文提出了两种联合子载波配对的比例公平 ( p f ) 资源分配算法，能够在有效利用多用户分集增益的同时保证一定的 中文摘要 用户公平度。这两种算法在子载波分配和配对的顺序上有所不同，但相对 于从单跳系统中扩展出的传统p f 分配方法都有一定的容量增益，并能达到 最优的用户公平度指标( g p f ) 。 对于多小区环境下的o f d m 协同中继系统，由于中继的加入使得系统 中的干扰环境更加复杂，资源分配需要对各个接入节点进行协调。第五章 首先介绍了协同中继系统中的干扰环境以及几种现有的静态半静态干扰协 调算法。接着，本文对于干扰受限的空间复用解码转发中继系统中容量最 大化的子载波功率分配算法进行了研究。首先通过算数几何平均不等式近 似的方法，将该优化问题转化为一种几何规划( g p ) 问题从而有效求解； 并通过迭代的方式，在多次近似求解后使得转化问题的解逐渐收敛于原问 题的解。由于这种算法的复杂度较高，本文还提出了一种具有较低复杂度 的贪婪二进制多载波功率分配算法。通过仿真可得这两种算法均优于传统 的迭代注水算法。 最后，论文在总结工作的基础上，分析了不足之处和下一步工作的展 望。 关键词：正交频分复用，协同中继，放大转发，解码转发，中继选择， 功率分配，子载波配对，比特加载，比例公平，干扰协调，迭代注水，几 何规划 北京邮电大学硕上学位论文英文摘要 r e s e a r c ho na d a p t n ， 巳r e s o u i 比ea l l o c a t i o n f o ro f d m b a s e dc o o p e ra t i 、厂er e i ，a y 附gs y s t e m s a b s t r a c t b yt r a n s f o r m i n gt h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v em u l t i p a t hp r o p a g a t i o nc h a n n e l i n t os i n g l e p a t hf i a t f a d i n gg , l m a a e li nt k f r c q u c n c yd o m a i n ，o f d m ( 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 ) c a l le f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei s i ( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ) o f d m a ( 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 ea c c e s s ) c a l lb e c o n s i d e r e da sa ne x t e n s i o no fo f d mt om u l t i u s e rs c e n a r i o s ，i nw h i c h o r t h o g o n a ls u b c h a n n e l sa r ea s s i g n e dt od i f f e r e n td e s t i n a t i o n s o f d m ao f f e r s m u c hf r e e d o mi nt h er a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o n ，w h e r et h ep e r f o r m a n c em e t r i c s u c ha sc a p a c i t y , c o v e r a g e ，a n df a i m e s sc a l lb ew e l lt r a d e do f f i na d d i t i o n ，b y a d d i n gr e l a yn o d e si n t h ec e l l u l a rn e t w o r k s ，t h e m u l t i h o pt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mc a nf u r t h e re n l a r g et h es y s t e mc o v e r a g ea n d p r o v i d eh i g h e rs p e c t r a l e f f i c i e n c y b e s i d e s ，t h er e l a yn o d ei s n o tc o n n e c t e dt ot h ew i r e db a c k b o n e n e t w o r ka n di st h u sc o s t e f f e c t i v e h e n c e ，o f d ma n dc o o p e r a t i v er e l a y i n ga r e c o n s i d e r e da sk e yt e c h n o l o g i e si nt h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s t h ec o m b i n a t i o no ft h et w oc o v e r sm e r i t so fb o t h , a n dh a sb r o a d r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h i st h e s i ss t u d i e st h er e s o u r c ea l l o c a t i o nf o ro f d m b a s e dc o o p e r a t i v e r e l a y i n g f i r s ta no v e r v i e wo fo f d ms y s t e m sa n dr a d i or e s o u r c ea l l o c a t i o n t e c h n i q u e si sp r e s e n t e d t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e s o u r c ea l l o c a t i o ni n o f d m b a s e ds y s t e m s ，i n c l u d i n gd i f f e r e n to b je c t i v e sa n dt h er e l a t e ds o l u t i o n s ， e g ，t h et r a d e o f fb e t w e e nc a p a c i t ya n df a i r n e s si ns i n g l ec e l le n v i r o n m e n t ，a n d t h et r a d e o f fb e t w e e ns y s t e mc a p a c i t ya n dc e l l - - e d g ep e r f o r m a n c ei nm u l t i - c e l l e n v i r o n m e n t t h ec o o p e r a t i v er e l a y i n gi si n t r o d u c e di nt h et h i r dc h a p t e r , a n d t w o f i x e d r e l a y i n gp r o t o c o l i s d i s c u s s e d b r i e f l y ,n a m e l y a f ( a m p l i f y - a n d f o r w a r d ) a n dd f ( d e c o d e a n d - f o r w a r d ) t h er e s o u r c ea l l o c a t i o ni ns i n g l e - c e l lo f d m b a s e dc o o p e r a t i v er e l a y i n g s y s t e m si ss t u d i e di nd e t a i li nt h ef o u r t hc h a p t e r s e v e r a lk e yt o p i c si nr e l a y e d t r a n s m i s s i o ni sd i s c u s s e di np r e v i o u sw o r k s ，i n c l u d i n gr e l a ys e l e c t i o n ，o p t i m a l p o w e ra l l o c a t i o n ，a n dd u a l h o ps u b c a r r i e rm a t c h i n g b a s e do nt h e s e ，a l lo p t i m a l i t e r a t i v ep o w e ra l l o c a t i o nm e t h o di sd e r i v e df o rd u a l h o p p e e r - t o p e e rd f ( g e n e r a lp r o p o r t i o n a lf a i r n e s s ，i e ，f a i m e s sm e t r i c ) ，t h e yb o t ha c h i e v ec e r t a i n c a p a c i t yg a i nc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lp fs c h e d u l i n gm e t h o dt h a ti s e x t e n d e df r o ms i n g l e - h o ps y s t e m t h ei n c o r p o r a t i o no f r e l a yn o d e sc o m p l i c a t e st h ei n t e r f e r e n c ec i r c u m s t a n c e o ft h eo f d m - b a s e d c o o p e r a t i v er e l a y i n g i nm u l t i e e l le n v i r o n m e n t s o c o o r d i n a t i o nb e t w e e nn e i g h b o r i n ga c c e s sp o i n t si s r e q u i r e di nt h er e s o u r c e a l l o c a t i o np r o c e s s i nt h ef i f t hc h a p t e r , f i r s tt h ei n t e r f e r e n c es c e n a r i oo ft h e c o o p e r a t i v er e l a y i n gs y s t e ma n ds o m ee x i s t i n gs t a t i c s e m i s t a t i ci n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o ns c h e m e sa r ei n t r o d u c e d t h e n t h i st h e s i ss t u d i e st h es u b c a n i e r p o w e ra l l o c a t i o nf o rc a p a c i t ym a x i m i z a t i o no fs p a t i a lm u l t i p l e x i n gd fr e l a y s y s t e mu n d e ri n t e r f e r e n c e - l i m i t e de n v i r o n m e n t u s i n gt h ea r i t h m e t i c g e o m e t r i c m e a ni n e q u a l i t ya p p r o x i m a t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mi st u r n e di n t oag p ( g e o m e t r i cp r o g r a m m i n g ) p r o b l e ma n dc a nb es o l v e de f f i c i e n t l y t h r o u g ha s e r i e so fs u c ha p p r o x i m a t i o n ，t h es o l u t i o no ft h et r a n s f o r m e d p r o b l e m s c o n v e r g e st ot h a to ft h eo r i g i n a lp r o b l e mi na ni t e r a t i v em a n n e r h o w e v e r , t h i s a l g o r i t h mh a sar e l a t i v e l yh i g hc o m p l e x i t y , s oag r e e d yb i n a r ym u l t i c a n i e r p o w e ra l l o c a t i o nm e t h o dw i t hl o wc o m p l e x i t yi sp r o p o s e d s i m u l a t i o ns h o w s t h a tb o t ht h et w oa p p r o a c h e sh a v eb e t t e r p e r f o r m a n c ec o m p a r e d t ot h e 北京邮电大学硕十学位论文英文摘要 t r a d i t i o n a li 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 m k e yw o r d s ： o f d m ，c o o p e r a t i v er e l a y i n g ，a m p l i f y - a n d f o r w a r d ， d e c o d e a n d - f o r w a r d ，r e l a ys e l e c t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o n ，s u b c a r r i e rm a t c h i n g ，b i t l o a d i n g ，p r o p o r t i o n a lf a i r , i n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ，i t e r a t i v ew a t e r f i l l i n g ， g e o m e t r i cp r o g r a m m i n g 论文 英义摘要 北京邮电人学硕士学位论文目录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 论文主要贡献及章节安捧“l 第2 章o f d m 蜂窝系统资源分配概述3 2 1o f d m 系统及其链路自适应“3 2 2o f d m 单链路传输资源分配优化5 2 3 单小区o f d m 系统中的资源分配技术8 2 3 1 考虑系统传输速率功率性能的资源分配方案9 2 3 2 考虑用户公平性的资源分配方案1 2 2 a 多小区o f d m 系统中的资源分配技术1 4 2 4 1 考虑系统整体性能的资源分配方案1 5 2 4 2 考虑小区边缘性能的资源分配方案1 6 2 5 本章小结”18 第3 章基于o f d m 的协同中继技术1 9 3 1 协同中继概念的提出1 9 3 2 基本的中继方案”2 0 3 3 协同中继与o f d m 技术的结合“2 3 3 3 1 中继选择技术2 3 3 3 2 放大转发两跳系统的最优功率分配算法2 5 3 3 3 解码转发两跳系统的最优功率分配算法2 7 3 3 4 两跳协同中继系统的子载波配对技术2 9 3 4 本章小结3l 第4 章单小区o f d m 协同中继资源分配”3 2 4 1o f d m 放大转发中继系统的最优比特加载算法3 2 4 1 1 点对点单中继放大转发系统模型3 2 4 1 2 给定信噪比下的最优两跳功率分配3 4 4 1 3 结合子载波配对的比特加载算法3 5 4 1 4 算法仿真与性能分析3 8 4 2 联合中继选择、子载波配对和功率分配的资源分配算法4 0 4 2 1 两跳多中继协作系统问题建模4 0 4 2 2 结合子载波配对的中继选择算法4 2 4 2 3 多中继系统中的功率分配4 5 目录 l l 4 6 4 9 5 0 5 2 5 4 5 5 5 8 5 9 5 9 6 0 配算法6 1 6 2 6 4 6 4 6 7 6 9 7 2 7 3 7 4 7 7 7 9 8 0 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 1研究背景 第1 章绪论 移动通信正越来越广泛地渗透进每个人的同常生活，并且改变着人们的生活方式， 它已经成为我国乃至世界各国最主要的高新技术支柱产业之一。从第一代通信系统到第 二代通信系统完成了从模拟蜂窝网到数字移动通信的转变，第三代移动通信系统( 3 g ) 与前两代的主要区别在于数据传输速度上的提升。目前，3 g 移动通信系统已经在世界 上许多国家开始了商业应用，由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系 统的核心网结构，所以普遍认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向未来宽带移动通信系统过 渡的阶段。现在，人们已经把目光越来越多的投向第四代( 4 g ) 移动通信技术，希望该 系统能够提供更好的通信质量，并容纳更多的用户。 人们对数据速率的需求越来越高，致使移动通信的带宽也不断增加，带来的问题就 是多径衰落和频率选择性衰落问题越来越突出，反过来又阻碍了移动通信数据传输速率 的提高。前两代移动通信系统都是使用时域均衡器来克服符号间干扰( i s i ，i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。第三代移动通信系统，不论是w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 还是我国提出的 t d s c d m a ，核心技术都是码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，利 用正交扩频码来分离多径信号，以克服i s i 。但是随着带宽的增加，利用r a k e 接收机 来分离多径的难度增加，复杂度提高，码间干扰也会变得越来越严重。为了支持更高的 信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的无线通信中普遍采用正交频分复用 ( 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 ) 来有效地消除无线信道多径传输 的影响，并最大限度的利用频谱资源。 对于点到点通信链路而言，其优化目标一般是提高单链路的容量或者减小单链路的 误码率。例如多天线系统中常采用复用( b l a s t ) 技术来提高容量，或者分集( s t b c ) 技术来提高分集度，降低误码率等。对于点到多点系统，如多用户系统，从全局的角度 来看，单条链路性能的优化并不一定能带来系统整体的性能提高。此时需要联合考虑上 层的无线资源的协调以及物理层的自适应设计，以充分利用各层的特性。 1 2论文主要贡献及章节安排 本论文的主要目标是介绍基于o f d m 的协作中继系统中的资源分配技术。o f d m 和协同中继作为两个未来无线通信的核心技术，其结合必将带来通信领域的重大革新。 绪论 2 区假 体性 首先 功率 特加 以及 多跳 协同 方法 近优 北京邮电大学硕上学位论文第二章o f d m 蜂窝系统资源分配概述 第2 章o f d m 蜂窝系统资源分配概述 2 1o f d m 系统及其链路自适应 o f d m 技术早在5 0 年代就已经提出来了，当时由于硬件实现较难而未能引起人们 重视。7 0 年代d f t 多载波调制算法的提出以及实现i f f t f f t 快速算法芯片的出现， 使得多载波调制的实现变得非常简单容易。o f d m 技术以其有效的消除i s i 和抵抗频率 选择性衰落的优点，引起了广泛的关注和深入的研究。o f d m 技术被认为是实现高速数 据传输的一种非常有效的手段。它利用许多并行的、传输低速率数据的子载波来实现一 个高速率的数据通信。o f d m 技术以及基于o f d m 调制的多址接入技术已经被广泛地 认为是4 4 3 系统中最具吸引力的核心技术之一。 o f d m 系统的优点可归纳如下【1 】： 1 高速率数据流转换为多个低速的数据流进行传输，增加每个子载波上的数据符 号持续长度，有效的减少无线信道的时间弥散所带来i s i 。这样就减小了接收机均衡的 复杂度，甚至可以不用均衡，而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除i s i 的不利影响。 2 o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因 此与常规的频分复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度的利用频谱资源。 3 各个子信道中的j 下交调制和解调可以通过采用快速傅立叶变换( f f t ，f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 及其逆变换( i f f t ) 来实现。而随着大规模集成电路技术与数字信号处理技 术的发展，i f f t 与f f t 都是非常容易实现的。 4 o f d m 系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传 输速率，从而满足无线数据业务的非对称性。 5 o f d m 可以容易的与其他多种接入方法结合使用，构成正交频分多址接入 ( o f d m a ：t 赫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 ea c c e s s ) 系统，使得多个用户可以同 时利用o f d m 技术进行信息的传输。 基于以上原因，o f d m 非常适用于未来的无线通信系统。在现阶段最具代表性的系 统：3 g 长期演进系统 2 】( l t e ：l o n gt e r me v o l u t i o n ) 及其进化版本( l t e a d v a n c e d ) 中，以o f d m 为基础的o f d m a 已经被3 g l t e 系统接受为下行多址接入方式。 采用正交频分多址接入( o f d m a ) 技术引入了子载波的概念，在传统的资源分配 技术中增加了子载波这一维。这样，系统可用带宽中的一部分子载波集合可以专有地分 配给某个用户。各种资源可以统筹在一起，通过动态的链路自适应技术进行分配来达到 提高系统性能的目的 3 】。当前许多文献对这一领域进行了研究。 3 北京邮电大学硕士学位论文 第二章o f d m 蜂窝系统资源分配概述 链路自适应技术的基本思想就是自适应调节信号传输的参数来充分地利用当前信 道环境的特点。可调的基本参数包括调制方式、编码方式、发射功率、带宽分配、扩频 增益和信令带宽等。自适应技术对系统信道容量的增益是非常明显的，已经被广泛认为 是无线通信系统中提高频谱利用率的重要手段之一。与传统的单载波系统相比，多载波 o f d m 系统使用链路级自适应技术会具有更高的灵活性，并能够获得更好的系统性能。 一种理想的链路自适应算法能够根据当前的信道环境调节各种各样的信号传输参 数。众所周知，移动信道不同于有线信道，它的随机性非常强，其对应的概率统计模型 也是针对不同的环境的。信道的传播模型一般来说根据变化的尺度分成两大类： 大尺度变化：包括路径损耗及其在均值附近的方差等。 小尺度变化：反映了接收到信号在很短的距离或时间内由于多径衰落引起的快速变 化的特性。对于宽带信号来说，这些快速变化的特性对应的是频率选择性衰落信道。 一个典型的时域上的衰落信号，各个波形( 或多径) 的叠加造成了或是有益的峰值 或是破坏性的干扰( 深衰落) 。时间选择性衰落的特性可以利用相关时间来表征。相关 时间指的是信道冲激响应具有强相关性的时间问隔，与最大多普勒频移成反比。相关时 间反映了信道的变化有多快：相关时间越大，则信道的变化就越慢。显而易见，如果希 望能够较好的跟踪信道变化，自适应策略的更新速度要小于信道的相关时间。但是，考 虑到信道的大尺度特性，自适应策略以比上述低的多的更新速率也能获得较好的增益。 在一个多径传播环境中，几个经过不同时问偏移和加权的发射信号一起到达了接收 机端。当所有时延的信号，在一个相对于调制符号持续时间来说很小的时间范围内都能 到达时，衰落信道是非频率选择性的，或是平坦的。在宽带传输中，多径时延相对调制 符号的持续时间变得无法忽略，所以产生了频率选择性衰落。图2 1 表示的是一个信道 模型在2 兆带宽上的时变的频率特性。在这类信道中，可以同时从时间和频率二维上进 行处理，以得到更好的接收信号质量。 ，一” 、l ，一，、，- ”j；。 8 0 00 图2 - l 多径信道的频率和时间特性 总的说来，自适应策略的基本的原则是： 定义一个信道质量指示变量，或称为信道状态信息，它提供有关信道的一些特征。 根据时间、频率或空间上的信道状态信息，来调整一些信号传输的参数。 4 坫 2 佰 ， 帖 o 醚蛆姥孵 北京邮电人学硕士学位论文 第二章o f d m 蜂窝系统资源分配概述 2 2o f d m 单链路传输资源分配优化 当只考虑单用户点对点传输时，o f d m 自适应功率分配分为基于信道容量最优的注 水原理功率分配方法和基于误码率优化的功率分配方法。其中最基本的算法就是基于注 水原理( 岍：w a t e r f i l l i n g ) 的功率分配【4 】，很多其他的算法都起源于此，所以这里简要 介绍一下注水算法及其实现。传统的注水算法假设理想的速率自适应方式，即认为每个 子载波上的频谱效率能够连续可变。 假设o f d m 系统中共有( 1 以) 个子载波，只为系统在第刀个子载波上分配的 功率，发射机的功率约束为，在第n 个子载波上从源节点到终端节点的信道功率增 益为q ( 包括路径损耗，阴影衰落，以及频率选择性衰落的影响) ，第个子载波上的噪 声( 加干扰) 功率为一，用r 来表征理论与实际信噪比的差距( 由特定的系统误比特率 需求来确定) 则根据香农公式，每载波上信号传输的频谱效率为： e n = b 9 2 ( 器_ ) 弘， 系统优化目标为在功率约束条件下最大化系统容量： m 。a x r s j 0 e ，v ，l ( 2 - 2 ) s 使用拉格朗同乘数法，引入拉格朗同乘子五，构造函数： ，n、 c ( e ，允) = r + 五l 一只l n f f i l n f f i i 根据凸优化理论 5 】，原问题( 2 2 ) 等效于新问题： 卿 c ( 只，允) 函数对取偏微分，并令之为0 ，可得到弧a 只= 名，即： 荆_ ( 志等) + 其中【x - = m a x 0 ，工 。由于每载波上的分配功率必须为正数才有物理意义， 由条件。只= l 计算，可采用二分法搜索得到，具体过程如下： 首先由拉格朗日乘子五的表达式可得： 名= 簧i n 2 f ，l 熹)犯只q + r j 5 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 五不能直接 ( 2 - 6 ) 北京邮电大学硕十学位论文第二章o f d m 蜂窝系统资源分配概述 ：篡：) 陋7 ， 气。= 五( = ) = 去l 了 i 初始化名为： 五：生玺 2 根据此允以及式( 2 - 5 ) 计算各个载波上的功率只， 如果。 尸姒，将名的下限更新为： 丸。= 允 ( 2 - 8 ) 然后计算所有载波累加的功率之和。 ( 2 - 9 ) 如果。 尸懈，将五的上限更新为： 军a ( 2 1 0 ) 之后根据式( 2 8 ) 重复对名的更新过程，直到满足搜索结束的条件： ，、，l _ | vl、 i 只 只。l r 、i i 只一只砒l 占i ( 2 - 1 1 ) n = l n = l l 其中占为一个预先定义的较小的值。 实际系统中采用自适应调试编码( a m c ：a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 。就是根 据信道状况调整各个子载波的调制以及编码方式。简单的说，自适应调制编码的原理就 是，当信道条件好时，采用高阶的调制编码方式，当信道条件差时，采用低阶的调制编 码方式。基于自适应调制编码策略的多载波功率分配与前面介绍的自适应功率分配策略 在原理上是相似的，可以基于最大化信道容量或者最小化误码率来选择调制方式，最大 化信道容量时同样基于注水原理。但是由于调制信号星座的种类是有限的，每个子载波 上的频谱效率不可能按照香农公式进行模拟，而是所以需要考虑更为实际的方案。因此， 有必要研究更为实用的技术。 h u g h e s h a r t o g s 算法【6 】是一种适用于o f d m 或者多载波系统的自适应比特和功率 分配算法，它最早被用在d s l 有线系统的下行高速数据传输中。h u g h e s h a r t o g s 算法是 一种典型的基于迭代的连续比特和功率分配算法。它的优化准则是在保证目标误码率的 前提下，用给定的发射功率优化自适应系统的频谱效率。在该算法的每一次迭代中，它 仅仅只分配一个比特，该比特分配给只需增加最少发射功率就能维持目标误码率的子载 波。迭代过程往复循环进行，直至所有的比特分配完毕。所以，h u g h e s h a r t o g s 算法的 复杂度较高，实时性较差。该算法基本思路如下： 首先定义函数( ) 为接收端以一定的误比特率接收，：l ( 万为子载波序号) 比特所 需要的最小接收功率，则发端所需的最小发射功率为： 6 北京邮电大学硕上学位论文第二章o f d m 蜂窝系统资源分配概述 = 掣 使用这个发射功率，接收端便能在f f r 的输出端解调出调制符号，并能使该用户达到所 需的q o s 。算法总结如下： ( 1 ) 初始化：令= o ，以及必= lf ( 1 ) - f ( o ) i q ，v n ( 2 ) 比特加载循环： ( a ) 五= a r g m i n 。必 ( b ) ，：；= + l ( c ) 最= l 厂( + 1 ) 一厂( ) i g 直到需要传输的比特数量上限达到，或者功率约束条件达到。 ，：l ：。就是最后的 分配结果。可以看到，该算法实际上是一种贪婪( g r e e d y ) 的比特加载( b i tl o a d i n g ) 算 法，并且局部最优就是全局最优。并且该方法要求( ，) 是凸函数的，而且是厂( ，) = 0 的 增函数。这一条件实质上是说当没有比特进行传输时，也就不需要任何能量，而且传送 额外比特所需的能量是随着，的增加而增加的( 即厂( ，+ 1 ) 一f ( r ) 是随着厂增加的) 。基 本上所有的编码和调制方式都满足这一条件。 b s k r o n g o l d 在2 0 0 0 年提出了一种最优的并且具有较低复杂度的功率分配算法。 该算法基于二分法搜索以及表格查询，可以适用于自适应编码调制系统中的离散的频谱 效率变化【7 】。首先由于拉格朗同乘子五= a g 1 a 4 ，可知其可表示为速率一功率曲线的斜 率。当采用实际离散的调制编码方式时，在速率功率曲线的拐点处会有多个连续的斜 率值，如图2 - 2 所示。因此，拉格朗同乘子名的取值域被分为了若干个区间，每个区间 对应图中所示的一个o p t i m a lo p e r a t i o np o i n t ，可映射为一组功率一速率取值。在用二分法 搜索五时，可根据目标咒所处的区间确定其对应的载波功率。 童 罡 p o w e r 图2 - 2 离散速率一功率曲线 该算法中，可预先将每个载波上2 的取值域及其对应的速率功率值储存在表格中， 以便于进行查找。由于对于每个载波来说，其信道增益与噪声( 干扰) 的比值是不同的， 7 北京邮电大学硕士学位论文第二章o f d m 蜂窝系统资源分配概述 意味着图2 2 所示的速率一功率曲线对于每个载波也是不同的。为了在实际应用中减小 数据储存量，定义信道增益与噪声( 干扰) 之比为c n r = o d 显然繇豫= p xc n r ， 这样式( 2 6 ) 可转化为： 型c o s n r , , = 土c n r , , = 孱 ( 2 一1 3 ) j 月 、 其中成为每个载波的速率一信噪比曲线的斜率。由于不同载波的a ! r ( s n r , , ) o s n r 值是 一样的，这样系统中可以只储存一条相同的速率信噪比曲线，因此可以大大节省数据 存储量。 根据一个特定的名值，首先计算出各个载波上的厦值，查表求出每个载波对应的信 噪比，据此计算出每载波的功率消耗： 只：s n r ( f l , , ) ( 2 - 1 4 ) 只2 酉 。，v k 累加得到系统中的总功率消耗，根据式( 2 9 ) 和式( 2 - 1 0 ) ，使用二分法搜索来更新得到的 五，直到满足算法结束的条件( 2 11 ) 。 2 3单小区o f d m 系统中的资源分配技术 上一节讨论了单用户点对点通信中的自适应资源分配技术，这一节将介绍在单小区 多用户环境下，如何联合比特、功率和子载波分配技术，使系统的整体性能得到优化。 考虑把带有自适应资源分配的o f d m 扩展到多用户频率选择性衰落环境中。当有 自适应资源分配的单用户o f d m 应用在频率选择性衰落环境中时，有相当一部分的子 载波可能没有使用。存在一些典型的子载波，他们处于深衰落而且没有足够的功率来承 载任何信息比特。在使用静态时分复用( t d m a ) 或者频分复用( f d m a ) 作为多址接 入技术的多用户系统中，这些在某一个用户被分配的时隙或者频带中没有使用的子载波 ( 由于白适应功率和速率分配) 就被浪费了，而且其他用户也没有使用这些子载波。这 就是为什么要采用o f d m a 这种接入方式的原因：在一个用户中呈现出深衰落的子载波 不一定在其他的用户中也处于深衰落。事实上，一个子载波在所有的用户中都处于深衰 落几乎是不可能的，因为不同用户的衰落参数是完全独立的。因此需要考虑一种根据瞬 时信道特性来为每一个用户分配子载波的自适应多用户资源分配方法。这种方法使得所 有的子载波都能更有效地被利用，因为，一个子载波只有当它在所有的用户中都处于深 衰落时才会被丢弃不用。 在图2 3 中给出的是下行多用户自适应o f d m 系统的结构图。我们假设系统有k 个 用户，第七个用户的数据速率为疋比特每o f d m 符号。在发送端，从k 个用户输出的 串行数据进入子载波和比特分配模块，该模块将比特从不同的用户数据分配到不同的子 8 北京邮电人学硕士学位论文第二章o f d m 蜂窝系统