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一 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- n - i - 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， 本人签名：玉3 = 豇 本人承担一切相关责任。 同期：乙2 旦：! f 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： 承】：置父 同期：望乜：i ：! ! 导师签名：；琴f 屯醑日期：。2 2 乒l 立j l 北京邮电大学硕士论文 0 f 0 t 4 a 系统资源分配策略的研究和实现 o f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 摘要 随着无线通信技术的迅猛发展和多样化业务的激增，有限的无线 网络资源，如目前通信所用的频段和功率，显得弥足珍贵。无线网络 设计就是考虑在满足用户不同q o s 需求的同时，如何最有效地利用 有限的无线资源。因此，无线网络的资源分配是非常重要的。 正交频分复用( o f d m ) 由于其频谱利用率高，抗干扰能力强等 原因，越来越受到关注，已经成为下一代移动通信的核心技术。将资 源分配技术用于o f d m 系统，根据子信道实时的信道状态来分配子 载波和功率，可以充分利用无线资源，对无线通信的发展有很重要的 意义。在此技术背景下，本文对o f d m a 系统无线资源分配策略进行 了研究和仿真。 本文首先介绍o f d m 原理和系统模型，及无线资源分配的基本 内容。并重点从功率分配和子载波调度方面对o f d m a 系统的资源分 配进行了研究和仿真。研究场景分为单小区和多小区。对单小区的研 究包括单用户功率分配，多用户子载波调度及联合子载波和功率分 配。对多小区的研究包括功率分配和干扰协调技术。 本文主要贡献在于提出将粒子群启发式算法应用于多小区 o f d m a 系统下行链路的分布式功率分配，并且进行了系统建模和仿 真工作，仿真结果显示所提方案与相对比的两种传统方法在频谱利用 率方面有了较大提高。该方法在基站发送功率受限的条件下，通过协 调相邻小区间的发送功率，小区内执行干扰协调和抑制同频干扰，在 各基站之间不需要交互彼此信道状态信息的前提下，有效提高了系统 的吞吐量。 - ， 同时，对单小区和多小区o f d m a 系统的资源分配方法进行了总 结和仿真验证。单小区场景下：对单用户功率分配方法：等功率分配、 注水、贪婪比特加载和基于注水的贪婪比特分配算法进行了仿真验 证，信道条件较好的子信道能够传输更多的功率和比特，信道条件较 差的子信道少传输或者不传输信息比特；并对多用户的三种子载波调 度方法进行了仿真比较，最大载于比算法能够获得最大的系统吞吐 北京邮电大学硕士论文 o f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 量，轮询算法公平性最好，比例公平算法能够取得较好的折中性能； 总结多用户的联合子载波和功率分配算法，并就一种联合分配算法进 行了仿真，联合算法的复杂度较高。 多小区场景下：归纳总结干扰抑制技术，对下行干扰协调的提案 进行研究并仿真，通过频率复用方法可以协调小区间的同频干扰，直 接影响系统吞吐量和小区边缘用户的性能。 此外，本文还对用于分布式网络资源分配的干扰议价进行了初步 的研究，加深了对无线资源分配的理解。 关键词：o f d m a 系统资源分配功率分配子载波调度粒子群 算法 北京邮电大学硕士论丈 o f i i a 系统资源分配策略的研究和实现 r e s e a r c ha n ds i m u i a t i o no nr e s o u r c e a l l o c a t i o nm e t h o d si no f d m l s y s t e m a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d f a s t g r o w t ho fv a r i o u st r a f f i c s ，l i m i t e d w i r e l e s sr e s o u r c e s ，s u c ha s f r e q u e n c y a n d p o w e r , a p p e a rp r e c i o u s t h e a i mo f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi st om a k ee f f i c i e n tu s eo fs u c hp r e c i o u sr e s o u r c e s u n d e rd i f f e r e n tq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) r e q u i r e m e n t s t h u s ，t h ed e s i g n o fe f f e c t i v ea n df l e x i b l er e s o u r c ea l l o c a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n s y s t e mp e r f o r m a n c e 一 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 o d u l a t i o n ) h a sb e c o m e m o r ea n dm o r ep o p u l a rf o ri t s h i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c ya n ds t r o n g a b i l i t y t o a n t i - j a m m i n g ，a n d h a sb e c o m eo n e k e yp h y s i c a l l a y e r t e c h n o l o g yi n t h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d ms y s t e mi st oa l l o c a t es u b c a r r i e ra n d t r a n s m i tp o w e rw i t ht h ek n o w l e d g eo fi n s t a n t a n e o u sc h a n n e lc o n d i t i o n s ， w h i c hi sc r u c i a lt og u a r a n t e eh i g hf r e q u e n c ye f f i c i e n c yf o rs y s t e ma n d e x c e l l e n tq o sp e r f o r m a n c ef o ru s e ri nt h ef u t u r ew i r e l e s ss y s t e m w i t h t h i s i nm i n d ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e s t u d yo fv a r i o u s r e s o u r c e a l l o c a t i o ns c h e m e s ，a n dg i v e st h e i rp e r f o r m a n c es i m u l a t i o nr e s u l t si n o f d m a s y s t e m s i nt h i st h e s i s ，w es t a r tw i t ha ni n t r o d u c t i o no fw i r e l e s sr e s o u r c e a l l o c a t i o na sw e l la ss o m ee s s e n t i a lo f d mk n o w l e d g e ，a n dt h e np u t e m p h a s i so nt h es t u d yo fp o w e ra l l o c a t i o na n ds u b c a r r i e rs c h e d u l i n gi n o f d m a s y s t e m t h es t u d ys c e n a r i oi n c l u d e sb o t hs i n g l e c e l lo f d m 北京邮电大学硕士论文 o f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 s y s t e ma n dm u l t i - c e l lo f d 认s y s t e m i nc a s eo fs i n g l e c e l lo f d m a s y s t e m ，t h es t u d yr a n g e sf r o ms i n g l eu s e rp o w e ra l l o c a t i o n ，m u l t i - u s e r s u b c a r r i e r s c h e d u l i n g t oj p i n ts u b c a r r i e ra n dp o w e ra l l o c a t i o n i n m u l t i c e l lc a s e ，w ef o c u so np o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ea n di n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o nt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sw o r ki st oe m p l o yt h ep s o ( p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o n ) t e c h n i q u et or e s o u r c ea l l o c a t i o n ，a n dp r o p o s ean e w r 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 e e l lo f d m a s y s t e m t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o do u t p e r f o r m st w oo t h e rt r a d i t i o n a l m e t h o d si ns p e c t r u me f f i c i e n c y t h i sr e s u l ta l s oe x h i b i t st h a t w i t h o u t e x t r ai n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nb a s es t a t i o n s ，t h ep r o p o s e dm e t h o d i sa b l et op r o v i d ea ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c eb yc o o r d i n a t i n gt r a n s m i t t i n g p o w e ra m o n gn e i g h b o r i n gc e l l s ，a n dc o m b a t i n gi n t r a c e l li n t e r f e r e n c e m e a n w h i l e ，w ep r e s e n ta n ds i m u l a t ed i f f e r e n tk i n d so fr e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h m si ns i n g l e c e l la n dm u l t i e e l lo f d m a s y s t e m s i n s i n g l e c e l lc a s e ：t h ef o l l o w i n gf o u rm e t h o d sh a v eb e e ne x p l o i t e d ：u n i f o r m p o w e ra l l o c a t i o n ，w a t e r - f i l l i n g ，g r e e d yb i tl o a d i n ga n dg r e e d yb i tl o a d i n g b a s e do nw a t e r - f i l l i n gm e t h o d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t s u b c h a n n e l sw i t hg o o dc o n d i t i o nt r a n s m i tm o r ep o w e ra n db i t s ，w h i l e s u b c h a n n e l sw i t hp o o rc o n d i t i o nt r a n s m i tl e s sb i t so re v e nn o tt r a n s m i t w h e nc o m e st om u l t i u s e rs u b c a r r i e r s c h e d u l i n gm e t h o d s ，t h e c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o ne x h i b i t st h a tt h em a xc ia l g o r i t h ma c h i e v e s m a x i m u ms y s t e mt h r o u g h p u t ，t h er o u n dr o b i na l g o r i t h ma c h i e v e sb e s t f a i r n e s s ，a n dt h ep r o p o r t i o n a lf a i r n e s sa l g o r i t h mo b t a i n st h et r a d e o f f p e r f o r m a n c ei n b e t w e e n t h em a x c i a l g o r i t h ma n dt h er o u n d r o b i n a l g o r i t h m ，t h a ti st r yt oa c h i e v em a x i m u ms y s t e mt h r o u g h p u ta sm u c ha s p o s s i b l ew h i l es t i l ls a t i s f y i n gs o m ed e g r e eo ff a i r n e s sb e t w e e n u s e r s i nm u l t i c e l lc a s e ：w es u mu pi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nt e c h n i q u e b e s i d e s ，t h r o u g hs t u d y i n ga n ds i m u l a t i n gs o m ed o w n l i n ki n t e r f e r e n c e c o o r d i n a t i o n p r o p o s a l s ，w eh a v ec o n f i r m e dt h a tf r e q u e n c yr e u s ec a n c o o r d i n a t et h ei n t e r e e l lc o c h a n n e l i n t e r f e r e n c e w h i c hi nt u r ni n f l u e n c e s s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dc e l l e d g eu s e r s c a p a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，t h i st h e s i sa l s oi n v e s t i g a t e si n t e r f e r e n c ep r i c i n go ft h e d i s t r i b u t e dn e t w o r kr e s o u r c ea l l o c a t i o nt om a k eam o r ec o m p r e h e n s i v e 北京邮电大学硕士论文o f i ) 姒系统资源分配策略的研究和实现 u n d e r s t a n d i n go fw i r e l e s sr e s o u r c ea l l o c a t i o n k e yw o r d s ：o f d m as y s t e m ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，p o w e r a l l o c a t i o n ，s u b - c a r d e rs c h e d u l i n g ，p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n 北京邮电大学硕士论文0 f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 目录 第一章绪论1 第二章无线资源分配2 2 1无线信道。2 2 2o f d m 传输技术。3 2 3o f d m a 系统模型5 2 4无线资源分配6 2 5启发式算法9 2 6本章小结1 0 2 7本章参考文献1 1 第三章单小区o f d m 系统资源分配1 2 3 1单用户的功率分配1 2 3 1 1 系统建模1 2 3 1 2功率分配方法一1 4 3 1 3仿真结果1 7 3 2 多用户的子载波调度2 1 3 2 1子载波调度方法2 1 3 2 2仿真结果2 3 3 3多用户的子载波和功率分配2 6 3 3 1子载波和功率分配方法2 8 3 3 2仿真结果3 0 3 4本章小结3 1 3 5本章参考文献“3 2 第四章多小区o f d m a 系统资源分配3 3 4 1 引一言：。3 3 4 2粒子群启发式算法用于多小区功率分配3 4 4 2 1粒子群算法介绍一3 4 4 2 2系统建模和问题陈述3 5 4 2 3p s o 用于功率分配3 6 4 2 4仿真结果4 l 4 3多小区干扰协调4 4 4 3 1干扰抑制技术。4 4 4 3 2 干扰调度4 6 4 3 3 仿真结果_ 4 8 4 4 本章小结5 1 4 5 本章参考文献_ 5 1 第五章分布式网络资源分配5 3 北京邮电大学硕士论文0 f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 5 1 5 2 5 3 干扰议价5 4 5 1 1系统建模5 4 5 1 2 仿真结果5 5 本章小结5 9 本章参考文献5 9 第六章总结6 0 致 射6 1 在读期间发表论文6 2 北京邮电大学硕士论文 0 f d g a 系统资源分配策略的研究和实现 第一章绪论 近年来无线网络的飞速发展，无线通信业务日趋多样化和复杂化，由单纯的 语音通话业务到简单的短信数据业务，再到当前丰富的多媒体视频业务，使得未 来的无线网络需要承载各种不同层次的需求，满足不同的服务质量q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，比如支持包含实时业务( 视频业务) 和非实时业务( 数据业务) 的 混合业务。多媒体等业务的发展要求无线通信系统能够实现传输工作更可靠、传 输速率更高的数据传输，同时要保证用户的q o s 要求。 j 下交频分复用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 ) 技术因其良好 的频谱利用率和抗多径干扰能力得到广泛关注。o f d m 技术将系统的传输频带 分成多个相互正交的子载波，单个子载波的带宽很窄，其符号周期比较长；同时， 加入的循环前缀能够有效消除因多径等引起的延迟扩展，因此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。多用户o f d m a 系统，通过多用户自 适应进行子载波选择和功率分配，能够为每个用户提供对其信道条件较好的子载 波，使有效信道增益显著提高，因此多用户正交频分复用o f d m ( 即o f d m a ， 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 ea c c e s s ) 技术能够更容易地满足多个用户、 不同通信业务的需求。因此，o f d m 和o f d m a 已经成为当前最引人关注的复 用方式和多址方式。 一 与此同时，需要认识到可利用的无线网络资源的稀缺性，例如目前通信所用 的频段和能量。无线网络设计时需要考虑的就是如何在满足用户不同q o s 需求 的同时，最有效地利用有限的网络资源，使得网络资源利用更有效。因此，无线 网络资源分配的重要性不言而喻。 本文重点研究在o f d m a 系统下的无线资源分配策略，主要包括子载波和 功率分配，分为单小区和多小区场景进行研究和仿真工作。本文的结构组织安排 如下：第一章，是绪论部分，简要介绍研究背景和结构安排。第二章介绍无线信 道的特性，o f d m 原理和o f d m a 系统模型，及无线资源分配的基本内容。第 三章研究单小区o f d m 系统的资源分配，分别对单用户的功率分配，多用户的 子载波调度，多用户的子载波和功率分配进行研究和仿真验证。第四章是多小区 的资源分配。归纳总结多小区干扰协调技术，并对干扰协调的提案进行了仿真工 作。本文的主要工作在于提出将粒子群启发式算法应用于多小区o f d m a 系统 的下行链路的分布式功率分配。第五章，对用于分布式网络资源分配的干扰议价 进行了初步的研究，加深了对资源分配的理解。第六章，对研究工作进行了总结， 并且提出展望。 北京邮电大学硕士论文0 f 1 ) t 系统资源分配策略的研究和实现 第二章无线资源分配 o f d m ( 正交频分复用) 和o f d m a ( 正交频分多址接入技术) 是当前最引 人关注的调制方式和多址方式。 正交频分复用技术以其频谱利用率高，抗窄带干扰和多径衰落能力强等优 势，成为最具发展前景的核心技术之一。在无线通信中的应用包括：无线局域网 标准w l a n ：i e e e8 0 2 1 l a ，g ，w m a n 标准；8 0 2 1 6 ，以及无线广域网标准如 8 0 2 2 0 ；l t e 等l 。 o f d m a 系统利用子载波的正交特性来实现用户多址接入，根据各个子载波 的信道状况，用户业务的q o s 需求和公平性要求，为各个用户分配所需的频率 和功率资源，利用多用户分集增益，有效地提高系统的频谱利用效率。 无线通信的研究，需要了解无线通信的传播环境，这一章首先介绍无线信道 的特性，然后介绍o f d m 传输技术和o f d m a 系统模型，总结无线资源分配的 原理及o f d m a 系统下的资源分配，并简单介绍启发式算法的概念。 2 1 无线信道 无线信道不同于传统的固定式恒参有线信道，是个非常复杂的动态信道，其 信道参数是时变的。无线信道主要有以下特点【1 j ：( 1 ) 传播环境的丌放性：无线 信道都是通过电波在空间的传播来传输通信信息。( 2 ) 接收环境的复杂性：接收 端所处的环境复杂多样。( 3 ) 用户的移动性：通信中的用户一般处于移动状态， 室内通信，慢速走动通信和高速车载环境。 基于无线信道的特点，无线通信链路主要受到以下几种传播损耗及产生的效 应的影响。三种传输损耗【1 】如下： 。 ( 1 ) 路径传播损耗：是指电磁波在空间传输过程中产生的损耗。一般指较大尺 度( 数百或数千米) 的传输距离上接收信号的变化趋势。 ( 2 ) 慢衰落损耗：主要指电波在空间传播时受到地形起伏，或者高大建筑物阻 挡产生阴影盲区所产生的损耗。反映了在中等范围( 数百波长) 的接收信 号电平平均值的变化趋势。一般服从对数j 下态分布。 ( 3 ) 快衰落损耗：指较小尺度( 数十或几个波长) 传播时，接收信号功率发生 的急剧的变化，也称为小尺度衰落。主要原因来自于多径传播，信号传播 经历的路径不同，主要包括空间选择性衰落，时问选择性衰落和频率选择 性衰落。 2 北京邮电大学硕士论文 0 f d g a 系统资源分配策略的研究和实现 其中，路径损耗和阴影衰落统称大尺度衰落。四种主要效应1 1 】如下： ( 1 ) 阴影效应：由于大型建筑物和其他移动物体的阻挡，在电波传播的接收区 域内产生传播盲区。 ( 2 ) 远近效应：由于用户在通信过程中一般是移动状态，用户与基站之间的距 离也在不断变化，如果各个用户发送信号的功率一样，到达基站时信号的 强弱也是不同的，离基站近信号强，离基站远信号弱，就会出现强压弱的 现象，离基站较远的用户容易出现掉话现象，即远近效应。 ( 3 ) 多径效应：发送信号传播的过程中往往会受到各种地形，障碍物或者移动 物体的影响，到达接收端时信号强度，时问及载波相位都会不一样。接收 端的信号是来自不同传播路径的信号之和，直射，反射及绕射的不同信号， 各路径之间可能产生白干扰，称之为多径干扰或多径效应。 ( 4 )多普勒效应：由于通信用户处于高速移动中，接收信号频率发生偏移的现 象，比如车载通信时导致传播频率扩散，其程度与用户速度是成正比的。 室内通信或日常步通信不用考虑，适用于高速移动的用户。 由无线信道的特点和受到的各种损耗影响来看，其随机性和不稳定性给通信 设计带来了很大的挑战，为了提高系统的传输速率和系统容量，必须充分考虑到 无线信道的特性，利用这些特性，来为通信服务。下面介绍正交频分复用o f d m 技术。 2 2o f d m 传输技术 正交频分复用o f d m 技术1 2 j ，是多载波调制技术，它是把高速传输的数据流 通过串并变换，分解为多路并行的低速数据流，在多个子载波上同时进行传输。 对于每个低速并行的子载波来说，由于每个符号周期会相对增加，多径效应造成 的时延扩展相对变小，因此可以减轻无线信道的多径时延扩展对系统造成的影 响。并且通过在o f d m 符号之间插入保护间隔，当保护间隔大于无线信道的最大 时延扩展时，可以消除因多径效应引起的符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ， i s i ) 。而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，可以避免信道间干扰( i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。 o f d m 可以利用h w l f f r ( 快速傅立叶变换快速傅立叶逆变换) 来实现调 制解调，易于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 硬件实现。完整的o f d m 收 发信机结构i l j 如图2 - 1 所示，上半部分是发送链路，下半部分是接收链路。处于 图示中心的i f f t 单元用于基带调制发射处理，f f t 单元用于基带解调接收处理。 发送端，数据首先经过信道编码和交织，然后进行正交幅度调制( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ，q a m ) 调制，映射为o a m 符号并加入相应导频，进行 3 北京邮电大学硕士论文0 f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 串并变换，进入i f f r 单元处理，紧接着进行并串变换，添加循环前缀和加窗， 就形成了基本的o f d m 符号，o f d m 符号经过d a ( d i g i t a l a n a l o g ) 变换成模 拟信号后，上变频通过射频电路发送出去：接收端，把天线接收到的信号先进行 下变频，送入a d ( a n a l o g d i g i t a l ) 转换单元，完成时域频域同步后，得到正确 的符号同步时序，进行频偏校正，然后去除循环前缀，串并变换后，进入f f t 单元处理，再经并串变换，提取出导频信号，进行信道估计和补偿，接着进行 q a m 数字解调，解交织，然后送入信道译码器，得到输出数据。 图2 1o f d m 收发信机的结构【1 j 正交频分复用o f d m 的优点如下： ( 1 ) 抗多径衰落和码问干扰( i s i ) 能力强。数据信息通过多个子载波并行 低速传输，每个子载波上符号时间扩展，使得o f d m 对突发噪声和快衰落的抵 抗力更强，同时也有效减小了因无线信道时间扩展带来的码问干扰，且通过在保 护间隔中插入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 可以使码间干扰的影响更小。通过 各个子载波的联合编码，有效地提高了抗衰落能力。 ( 2 ) 硬件实现简单。各个子信道的j 下交调制和解调都可以选用i f f t f f t 实现，随着d s p 技术的发展，i f f r 和f 丌在硬件上实现更容易。 ( 3 ) 抗频率选择性衰落和窄带干扰。多载波系统，当信道中因为多径传输 而出现频率选择性衰落时，只有处于深衰落区的一部分载波受到干扰以及其携带 的信息受到影响，其他的子载波不会影响性能，对受到干扰的子载波还可以纠错， 因此系统总误码率性能更好。 ( 4 ) 频谱效率高。与一般频分复用技术不同，o f d m 允许各子载波的频谱 在频域产生重叠，无线频谱得到充分的利用，因此极大地提升了系统的频谱利用 率。在信道状态条件变化相对较慢的情况下，系统可以根据每个子载波的信噪比 来优化分配其携带的信息比特，从而大大提高系统的吞吐量。 ( 5 ) 频谱资源分配灵活，o f d m 系统可以根据子载波信道状态，灵活地分 4 北京邮电大学硕士论文0 f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 配子载波和功率，充分利用频率分集和多用户分集增益，提升系统性能。 ( 6 ) o f d m 系统可以与其它接入方式结合使用，比如多载波码分多址 m c - c d m a ，跳频o f d m a , o f d m t d m a 等。 o f d m 也存在一些缺点，如下： ( 1 ) 对载波频率偏移和定时误差较敏感。o f d m 的多个子载波必须正交， 所以系统对精确定时和减小频率偏移要求非常严格。如果出现频差或者定时误 差，子载波正交性无法保证，就会引起各子载波之间的相互干扰及符号间干扰， o f d m 的优势就无法体现。 ( 2 ) o f d m 小区内子载波正交，较好地解决了小区内干扰的问题。但是 o f d m 系统小区间干扰问题可能更加严重。因为如果两个相邻小区在它们的相 邻的区域使用相同的频率资源，就会产生较强的小区间干扰。 2 30 f d m a 系统模型 o f d m 用于单用户的多载波调制，即使单用户采用最优功率分配一功率注 水方法，但由于可能有部分子载波对这个用户处于深衰落的信道状态，而不被用 户利用，会造成大量的资源浪费。基于此背景提出的多址接入方式，多用户o f d m 即o f d m a ，相比o f d m 能够提供更高的频谱效率。因为对于一个用户处于深 衰落的子载波对于其他用户可能信道状态很好，用户问信道衰落是不完全相关 的，那么o f d m a 就可以自适应地为用户选择对其信道传输条件最好的子载波， 然后再确定在子载波上传输的功率和比特，这样平均来看，整个系统都为各个用 户选择了合适的子载波，使传输效率提高，这种效应就是多用户分集增益1 2 j 。 由此可以看到，o f d m a 不仅具备o f d m 多载波调制技术的优势，而且还 可以利用自适应分配无线资源的优势，包括子载波和功率的分配。因此，研究资 源分配算法，有效利用多用户分集增益，对o f d m a 系统非常地重要。 在o f d m a 系统，用户调度与资源分配的划分并不明确，通常所指的资源分 配也包含了调度的概念。调度有狭义和广义之分，狭义的调度指多个用户竞争资 源时，服务用户次序的问题。广义的调度指多个用户对时间、频率、功率等有限 资源的共享，就是确定对用户合理的资源方配方式，实现对资源的最优利用，可 以资源分配与广义调度等价。本文所说的资源分配，就是广义调度，即如何实现 对资源的最佳利用。 简要来说，o f d m a 系统资源分配的目标就是在保证用户q o s 和一定公平 性前提下，最大限度地获取多用户分集增益，提高系统的频谱效率。 为了保持子载波之间的j 下交性，o f d m 系统要求严格的频率同步和定时同 步，与上行链路相比，o f d m a 系统的同步技术在下行链路更容易实现，因此对 5 北京邮电大学硕士论文o f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 o f d m a 系统无线资源分配算法的研究多集中在下行链路。本文主要研究 o f d m a 系统下行链路的无线资源分配算法。下图为o f d m a 下行链路系统模型。 用户1 数 用户2 数 用户k 数 基站 并 审 变 加循环前缀 换 去掉 循环前缀 用户接收端 图2 - 20 f d m a 下行链路系统模型 1 该模型中，基站根据用户的信道状态信息，将不同用户的数据信息分配到最 佳的子载波上进行传输，再为子载波分配功率和选择调制方案。数据进行i f f t 变换和并串变换后，加入循环前缀，经过处理发送到达接收端之后，进行相反的 变换，去掉循环前缀，串并变换和f f 变化，接收端用户再根据资源分配信息 从对应的子载波上提取信息。下行链路的传输过程结束。 在o f d m a 系统不管是上行链路还是下行链路，都应在基站来进行资源的 分配和调度。在基站端，每个用户都有一个单独的缓存区，数据分组以先进先出 的方式进入缓存区。每个用户对下行链路的信道状念信息进行估计，通过反馈信 道反馈给基站。基站根据用户的缓存区信息和信道状态信息，以及用户的q o s 需求，进行子载波、比特和功率的联合分配，并将资源分配的结果广播给各个用 户。在终端，用户根据信道状念信息在相应的子载波上进行解码、解调恢复出原 始数据。 下面对无线资源分配的概念进行详细的介绍。 2 4 无线资源分配 现代移动通信系统的无线资源主要分为四种类型【。 ( 1 ) 能量资源：包括功率和能量，下行链路资源分配原则一般可以分为满 足系统传输速率最大化和基站发射总功率最小化原则。 ( 2 ) 时间资源：包括时隙，帧，导频信道导频符号，保护时间问隔。时问 6 北京邮电大学硕士论丈0 f 蹦a 系统资源分配策略的研究和实现 资源的分配，主要目的是根据信道状态进行信源数据和冗余数据的比例调整，尽 可能保证数据传输的可靠性。 ( 3 ) 频率资源：包括信号带宽，保护频段，子载波信号速率和调制模式。 频率资源主要目的是在保证系统传输的可靠性保证下，尽可能提高系统传输的有 效性。 ( 4 ) 空间资源：包括天线的极化方向、天线角度、天线数目及通信基站和 终端的拓扑结构和空问位置。 在o f d m 系统中的资源分配，一般称为自适应资源分配，既包含子载波的分 配，又包含子载波上比特和功率的分配。存在这种情况，即使两个用户获得同样 的无线资源，用户吞吐量也可能不同，因为用户的吞吐量不仅与无线资源相关， 也有其信道增益有关。在满足用户q o s 需求的前提下，如何分配子载波给各个用 户以及分配子载波上的功率和比特，使得系统容量最大化是非常值得研究的问 题。 o f d m 传输数据是将实际信道划分为若干个子信道，由于各个子信道上经 历的衰落情况不同，就可以根据各个子信道实际的信道状态来灵活地分配发送功 率和装载信息比特。文献【4 1 和【5 1 证明o f d m 系统结合自适应调制，就会提高系 统的性能，o f d m 的自适应传输技术可以通过以下方式进行实现，发送端根据 测得的每个子信道的信噪比( s i n g a l t on o i s er a t i o ，s n r ) ，对o f d m 系统内不 同的子信道采用不同的调制方式，或分配不同的功率，来满足用户的q o s 需求。 即对于拥有高信道增益的子载波采用高阶的调制方式，携带更多的比特信息，处 于深衰落的子载波采用低阶的调制方式，携带更少的比特信息或者不携带。实现 在保证一定误码率的情况下，最大限度地提高传输效率。 通常所说的无线资源管理技术包括以下几个方面：单小区系统中的无线资源 分配，包括子载波，比特和功率等【3 】；多小区的无线资源分配1 6 】；m i m o 系统中 的无线资源分配，包括天线的分配或选择；呼叫接纳控制、越区切换和拥塞控制 算法的研究等。 本文主要研究的是单小区和多小区o f d m a 系统的无线资源分配。单小区 系统中包括子载波分配和功率分配等。在多小区系统中，还需要考虑小区选择和 频率复用及其引起的同频干扰的问题。o f d m a 系统是多用户系统，在资源分配 中要考虑充分利用多用户分集增益，较大幅度地提高系统的吞吐量。 根据o f d m a 系统无线资源分配的数学模型，将o f d m a 系统的资源分配 分为速率最大化原则和功率最小化两类。 速率最大化和功率最小化。速率最大化是在总的发射速率的限制条件下，最 大化系统的传输速率：功率最小化是在用户数据传输速率或误码率的约束下，最 7 北京邮电大学硕士论文o f d m a 系统资源分配策略的研究和实现 ( 1 ) 速率最大化【7 】 p m a x 崦z ( 锚) ， 约束条件：a 荟荟仇朋s ， 、 ( b ) p k 小0 对所有的七，m ( c ) 以。= 0 ，1 对所有的k ，m ( d ) 罗成，。= 1 对所有的m 一 ( e ) r ：恐：也t ) ，l ：) ，2 ：k 约束条件( a ) 表示总发送功率的约束条件；( b ) 表示每个用户分配到各个子载 波上的功率是非负值；( c ) 1 表示子载波以分配给用户k ，0 表示子载波m 没有 分配给用户k ；( d ) 表示一个子载波只能分配给一