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基于公平性的m 1 m o o f d m a 动态资源分配算法的研究 基于公平性的m i m o - o f d m a 动态资源分配算法的研究 专业：通信与信息系统 硕士生：陈金峰 指导教师：秦家银教授 摘要 随着无线通信系统的发展，人们对更高的数据传输速率、更大的系统容量等 提出了一系列的要求。多天线发射多天线接收( m i m o ) 和正交频分多址( o f d m ) 技术的相结合成为了当今w i m a x 网络和未来4 g 网络的主要物理层技术。应用到 m 【m o o f d m a 系统中的自适应资源分配技术能够根据各个用户的信道状态调 整相应的子载波分配和功率分配等，适应具有时间选择性和频率选择性衰落特点 的无线信道，产生多用户分集效应，在有限条件下尽可能大的提高系统性能。 本文针对基于用户公平性的最大化信道容量的问题，从子载波分配、空间子 信道分配、功率分配和有限反馈等个方面进行研究。 首先，在对m i m o o f d m a 自适应资源分配基础原理的介绍和研究现状的 分析基础上，对已有的w o n g 算法、x u 算法、卢小峰博士提出的算法进行详细 的分析，总结了各自的优缺点。 接着，本文把x u 算法和卢小峰博士的思想结合起来，并提出空间子信道选 择的思想，包括多发两收最优分配的方案和多发多收门限选择的方案。它们在保 证了系统用户间公平性基础上大大提高了系统的信道容量，而算法复杂度却没明 显增加。 最后，从系统实用化的角度出发，把一种基于有限反馈的思想( 包括簇反馈 和最优反馈) 运用到m i m o o f d m 系统中。讨论了簇大小和最优反馈量的选 取范围，适当的反馈量不仅可以保证系统的用户公平性和信道容量并且能够大大 减少了信道状态信息反馈量。 本文在理论研究基础上，利用m a t l a b 仿真软件进行分析，验证了本文提出思 想和算法的有效性。 基于公平性的m i m o - o f d m a 动态资源分配算法的研究 关键词：m i m o o f d m a ，子载波分配，功率分配，空间子信道，有限反馈 基于公平性的m i m o o f d m a 动态资源分配算法的研究 s t u d yo nd y n a m i c r e s o u r c e sa l l o c a t i o na l g o r i t h m sw i t h f a i r n e s sf o rm i m o - - o f d m as y s t e m m a j o r ： 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 n a m e ： j i n f e n gc h e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a y i nq i n a b s t r a c t w i t ht h ed 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 n ，i tn e e d st oe n l a r g et h ed a t a r a t ea n ds y s t e mc a p a c i t y t h ec o m b i n a t i o no fm u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g ya 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 nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n o l o g yi s r e g a r d e d 髂t h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g yo ft h ew i m a x n e t w o r k n o w a d a ya n dt h ef o u r t hg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e d y n a m i c r e s o u r g e sa l l o c a t i o nt h a ta p p l i e dt ot h em i m o - - o f d m as y s t e mc o u l da d j u s tt h e s u b c a r r i e ra n dp o w e ra l l o c a t i o n sa c c o r d i n gt ot h ec h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ( c s i ) o f e v e r yu s e r , w h i c hc a nm a k et h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma d a p tt ot h et i m es e l e c t i v e f a d i n ga n df r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l a sr e s u l t , t h es y s t e mc a no b t a i nt h e m u t i u s e rm u l t i p l e x i n gg a i na n di n p r o v et h ep e r f o r m a n c e 舔g r e a ta sp o s s i b l e i nt h i sp a p e r , o u ro b j e c t i v ei st om a x i m i z et h et o t a ls y s t e mc a p a c i t yt h a t s u b j e c t e dt ot h et o t a lp o w e ra n dp r o p o r t i o n a lr a t ec o n s t r a i n t so f e a c hu s e r w ed i s c u s s af e wq u e s t i o n sa sf o l l o w s ：t h es u b e a r r i e ra l l o c a t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o na n df e e d b a c k r e d u c t i o n f i r s t l y ，a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm i m o _ 。o f d m aa n dt h e e v o l u t i o no ft h er e l a t e dr e s e a r c h e s ，w es t u d yt h ew o n ga l g o r i t h m ，x ua l g o r i t h ma n d t h ea l g o r i t h mo fl ux i a o f e n g ，a n dt h e na n a l y z et h e i rm e r i t sa n ds h o r t c o m i n g s s e c o n d l y , t h ea u t h o re m p l o y st h ex ua l g o r i t h mi n t od o c t o rl u st h o u g h ta n d p r o p o s et h es p a t i a ls u b c h a n n e ls e l e c t i o ns c h e m e s ( i n c l u d i n gt h eo p t i m a la l g o r i t h mf o r 2r e c e i v ea n t e n n a sa n dt h et h r e s h o l ds e l e c t i o na l g o r i t h mf o rm o r ea n t e n n a s ) ，w h i c h 1 1 1 基于公平性的m i m o - o f d m a 动态资源分配算法的研究 c a r l g u a r a n t e et h ef a i r n e s sb e t w e e nt h eu s e r sa n dm e a n w h i l ei n c r e a s et h ec h a n n e l c a p a c i t yw i t ht h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi n c r e a s i n gj u s ta l i t t l e f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，w ee m l o yt h ef e e d b a c kr e d u c t i o n a l g o r i t h m s ( i n c l u d i n gt h ec l u s t e rf e e d b a c ka n ds t r o n g e s tf e e d b a c k ) i n t ot h e m i m o o f d m as y s t e m ，a n dr e s e a r c ht h eq u a n t i t yo fc l u s t e r sa n df e e d b a c k w i t h a p p r o p r i a t eq u a n t i t yo ff e e d b a c k , t h es y s t e mc a nr e d u c et h ec s if e e d b a c kq u a n t i t y s i g n i f i c a n t l yw h i l em a i t a i n i n gi t sp e r f o r m a n c e b a s i n go nt h et h e o r e t i cs t u d y ，w ed ot h es i m u l a t i o n si nm a t l a bs o f t w a r et o p r o v et h ev a l i d i t yo ft h ei d e a sa n da l g o r i t h m sm e n t i o n e da b o v e k e yw o r d s ：m i m o - - o f d m a ，s u b c a r r i e ra l l o c a t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o n ，s p a t i a l s u b c h a n n e l ，f e e d b a c kr e d u c t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作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结果由本人承担。 学位论文作者签名 f s ! f 金干 日期：加矿彦年歹月2 汨 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：鼢辛 日期：功矿孑年i 月2 妇 磊 ， 和彩仞7 v 日r 扩 1屠年 名 警 咿 师 辄 聊 嗍 基于公平性的m 【m o - o f d m a 动态资源分配算法的研究 1 1 引言 第1 章绪论 随着人们在通信业务范围的不断扩展，越来越多的服务内容对数据传输速率 提出了更高的要求，目前的系统将很难满足未来通信业务发展的需要，迫使人们 探索新的技术以满足市场需要。另外，频谱资源严重不足已经日益成为制约无线 通信事业发展的瓶颈，因此，如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用 率，成为当今无线通信技术研究的热点之一。 在提高频谱利用率的同时，我们还要保证传输的可靠性，这就要求新的无线 通信技术能够克服多径衰落等各种不利因素的影响。下一代无线通信系统将最大 限度地利用频域、时域、码域、空域等资源，于是多入多出( m i m o ) 和正交频 分复用( o f d m ) 技术应运而生。 本章将首先回顾无线移动通信的发展历史，展望未来无线移动通信技术的发 展趋势。然后简要地介绍第四代移动通信系统的发展现状，揭示现今无线移动通 信所存在的问题和未来移动通信中的关键技术，从而提出本课题研究的主要任务 和研究意义，并分析相关技术的研究现状。本章最后给出本文的主要工作及章节 安排。 1 2 立题背景 1 2 14 g 网络 目前我们正在使用的移动通信系统和即将投入使用的系统由于数据速率受 到限制，将不能适应未来多媒体移动通信的高速数据业务要求，因此在未来需要 第四代移动通信系统( 4 g ) 来满足这一发展要求，第四代移动通信系统在技术 和应用上较第三代移动通信系统将有质的飞跃。 第四代移动通信系统在业务上、功能上、频带上都将不同于第三代系统， 它可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2 m b p s 的数据传输能力。目 1 第1 章绪论 前，人们对于4 g 的具体技术和架构还没有统一的严格定义，但是在一些问题 上已经形成了普遍共识，未来的第四代移动通信技术，将具备智能化，宽带化， 个人化，移动化的功能。那就剐1 1 1 2 1 3 1 1 4 1 5 】： ( 1 ) 4 g 系统要为用户提供高频谱效率、高可靠性的数据和语音服务，其空 中接口应该能支持1 0 0 m b p s 以上的数据传输速率，频谱利用率应远大于3 g 系 统； ( 2 ) 4 g 系统应该能有效支持全范围的多速率业务，并能满足用户对于服务 质量的不同需求，可适用大动态范围的多种不同类型的多媒体业务( 8 k b p s 一 2 0 m b p s ) ，并能够保证各种业务所需的服务质量； ( 3 ) 4 g 系统应该能够融合目前存在的多种无线接入技术，是各种电信环境 的无线系统的总和，如无线局域网、无线城域网、b l u e t o o t h 、3 g 蜂窝系统等， 使用户的终端设备能够在不同的制式之间透明地切换； ( 4 ) 发射功率低，将只有现有移动通信系统的十分之一到百分之一； ( 5 ) 4 g 是一种新型的移动通信系统，以移动数据为主，面向i n t e m e t 大范围 覆盖高速移动通信网络，应与i p v 6 核心网互联互通，符合全i p 的发展趋势； 4 g 通信系统比3 g 通信系统具有更加优良的性能，是一个远比3 g 复杂的通 信系统。它将要采用的关键技术主要有：正交频分复用技术( o f d m ) 【6 1 ，自适 应调制和编码技术，无线链路增强技术，智能天线技术，多用户检测技术，软件 无线电技术以及基于全i p 的核心网等。 1 2 2 现代通信研究热点技术 人们对于无线通信业务的需求越来越大，要求的质量也越来越高。但是实际 中有着很多的干扰制约着通信质量，在宽带无线通信系统中，影响信道高速传输 的最主要的一类干扰是由信道的多径效应所引起的频率选择性衰落。另外如何充 分提高无线资源的利用率也是很多研究者的关注重点。m i m o 和o f d m 技术结合 的提出成为了解决这些问题的一个重大突破，将两者相结合构成的系统在技术上 相互补充，成为实现无线信道高速数据传输最具希望的解决方案之一，具有非常 广阔的研究和发展前景【引。 正如上文所述，m i m o 技术和o f d m 技术在4 g 网络中都被视为最重点的技 2 基于公平性的m i m o - o f d m a 动态资源分配算法的研究 术。它们把m i m o 技术与o f d m a 技术结合使用，可以大幅提高网络覆盖能力， 使系统容量和用户吞吐量倍增，从而大幅降低网络建设成本和维护成本，有效建 立和维持赢利的商业模式，会大大推动了移动通信技术的发展。 同时我们知道，未来通信要求在有限资源条件下，通信系统要为用户提供高 传输速率和好的服务质量( q o s ) 。于是在m i m o o f d m a 系统中如何使有限 的资源能够尽可能地发挥最佳效能成为亟须解决的问题，这就需求推动动态资源 分配技术的发展。动态自适应资源分配技术可以在有限条件下尽可能大的提高系 统性能，适应具有时间选择性、频率选择性和空间选择性衰落等特点的无线信道。 所以对本论文题目内容进行研究有很大的现实意义和长远意义。 1 3 研究现状 自从t e l a t a r 9 】推导出多天线高斯信道容量，人们对m i m o 技术就异常关注。 m i m o 的技术多种多样，在这里我们关注它的预编码技术。在m 【m o o f d m a 系统问题上，qr a l e i g h 提出过m i m os t v c ( 空间向量编码) 和m i m od m t ( 离 散多音) 系统的思想【1 0 】，它们利用多个空间子信道进行传输，发挥m i m o 提高 系统容量的作用，其中m i m od m t 系统接近于现今流行的m i m o o f d m 系统， 它比m i m os t v c 系统需要更低的复杂度。k kw o n g ，z h e n p i n gh u 等人利用信 道矩阵最大特征值对应的特征向量作为该系统的波束加权值，最大化接收s n r 来对系统误码率、发射功率进行优化【l l 】【12 1 。y ah a np a n 他文章中考虑了利用 多个空间子信道进行数据传输，进行子信道分配，研究误码率性能。 动态o f d m 子载波分配算法的研究大致可以根据设计目标分为两类，一类 是在满足速率和误码率要求下尽可能减小总的发射功率，另一类是在额定功率下 使传输速率最大化。 传输功率最小化方面最经典的是c yw o n g 等研究的下行多用户o f d m 系统 中最优的子载波、比特和功率联合分配算法。他先提出了联合优化算法，算法复 杂度非常高。为此，c yw o n g 又提出了一个次优的两步算法m a o ( m u l t i u s c r a d a p t i v eo f d m ) 算法【1 4 】。然而，文献中提出的算法复杂度仍然比较高。于是， w o n g 等又在【1 5 】中提出了一种能够应用在实时系统中的子载波分配算法。这种实 时分配算法的复杂度有所减少。仿真结果表明，通过几十次迭代就能接近于最优 第1 章绪论 的分配算法获得的性能。 从信道容量的角度而言，r h e e 在【1 6 】中提出将每个子载波只分配给一个用户， 从而大大简化了分析和实现的复杂度。r h e e 首先通过求解凸优化问题得到子载波 和功率分配方案。接着又基于平均功率分配提出了一种简单的迭代子载波分配算 法。文献【l 刀中j 锄g 严格证明对于多用户o f d m 系统来说，为了使传输速率最大化， 就应当将每个子载波只分配给在其上信道状况最好的用户，然后在各个子载波上 按照注水模型来分配功率。而文献【l8 】中则提出一种不需要迭代的以最大化信道 容量为目标的子载波分配算法，先估计出所需要占用的子载波和功率，然后再利 用h u n g a r i a n 算法来决定子载波和比特的分配情况。i a nc w r o n g 在他的文献【1 9 】中 提出了有效的o f d m a 基于用户公平的子载波分配方案，并改进t z u k a ys h e n 啪1 提出的功率分配算法。注水功率分配算法一直是最大化信道容量的研究重点， z u k a ys h e n 提出的是线性注水算法，比传统的迭代注水算法来说降低了算法复杂 度，在后文会有详细分析。 由于在m i m o o f d m 结构中，每个子载波上的信道响应都是一个矩阵， 并且当目标函数不同时，可以用来描述这个矩阵信道状况优劣的参数也是不同 的。因此，对于特定的传输策略和设计目标，我们需要研究不同的子载波分配准 则。在m i m o o f d m 系统中，这方面的研究成果还是比较少。z h a n g 等【2 1 】将 问题拓展到了基于s v d 传输的o f d m 上行链路，提出了以发射功率最小化为 目标的子载波分配算法。j i a nx u 针对i a nc w o n g 的子载波分配算法作出改进， 使之达到更佳的用户公平性，并运用到m i m o o f d m 系统中( 本文把他们的 分配算法作为重要参考算法和改进对象) 【2 2 1 。此外，g u a n g d i n gy u 提出了功率 比特分配的贪婪算法，更切合实际系统【2 3 1 。而华中科技大学卢小峰博士【2 4 】则提 出利用gr a l e i g h 的m i m o o f d m a 系统对子载波、功率资源进行优化，利用 空间子信道提高系统总容量，但他没有对用户公平性进行考虑( 本论文就在此基 础上提出子空间信道的选择方法和把用户公平性考虑进去进行优化) 。 由于b e a m f o r m i n g 技术和资源分配都依靠信道状态信息( c s i ) ，对信道状态 信息不理想的研究变得尤为重要。z h e n p i n gh u ，x u e j u nl i a n g 等人对非理想信道 反馈信息的进行过研究，对误码率进行了分析【2 5 】【2 6 】。在i s s a mt 0 u 讯的文献【2 7 】 中，他提出了减少信道状态信息内容的方案，并对其信道容量进行分析。 4 基于公平性的m i m o - o f d m a 动态资源分配算法的研究 梁晓雯博士在她的论文嘲3 中对0 f d m 的资源分配算法和信道信息的影响进行 了研究，胡臻平博士在他的论文f 2 9 】中对多种m i m o - - o f d m 系统的自适应算法 进行了深入分析，这对本硕士论文都有一定的参考价值。 1 4 本文工作 ( 1 ) 本论文的m i m o o f d m a 系统采用预均衡技术( 有人称之为 b e a m f o r m i n g ) ，运用该技术把m i m o o f d m a 系统转化为s i s o - - o f d m a 系 统，于是传统的基于用户间公平的资源分配算法就能运用到本系统上，并达到良 好的性能。 ( 2 ) 在上面系统基础上，开发更多空域资源，改进传统分配算法，选择多 个合适的空间子信道来进行数据传送，达到性能上的提高。 ( 3 ) 把有限c s i 反馈的思想运用到基于用户公平最大容量的系统中，以最 大化信道容量和维持比例公平性为目标，确定适合的簇大小和最优反馈的量。 1 5 章节安排 本论文共分六章，各章内容安排如下： 第一章简要回顾了无线通信系统的发展历程，重点介绍了4 g 网络的概况， 并带出了多天线技术( m i m o ) 和正交频分复用技术( o f d m ) 的研究现状及重 点。 第二章介绍了瑞利通信信道的传输特性以及o f d m 和m i m o 系统的基本原 理，为后续章节资源分配算法的研究做了铺垫。 第三章里面介绍了动态资源分配算法的概况，并引出了本论文的目标函数、 确立研究的系统。接着进行基于用户公平性的最大化信道容量动态资源分配算法 的研究，分析了多种动态资源分配算法，然后通过实际仿真加以比较证明它们的 优缺点。 第四章提出选择多个合适的子信道来进行数据传送的思想。针对多发2 收和 多发多收的两种情况进行算法的改进，从而开发更多空域资源，通过仿真证明达 到性能上的提高。 第l 章绪论 第五章基于有限c s i 反馈的性能分析。本章首先把有限c s i 反馈的思想运 用到基于用户公平最大容量的系统中，分析分组数和最有反馈数对系统容量和公 平性的影响。然后对该算法进行改进，达到保证公平性基础上进一步提高信道容 量的目的。 第六章对论文的全部工作进行了总结，并讨论了今后需要进一步研究的方 向。 6 基于公平性的m i m m o h ) m a 动态资源分配算法的研究 第2 章川m o 一0 f d m 系统 2 1 r a l e i g h 衰落 2 1 1 r a l e i g h 衰落分布 我们知道，无线移动信道的时域冲激响应可以表示为下式： l - ! h ( t ，f ) = h z ( t ) 6 ( r - r t ( t ) ) ( 2 1 ) 其中红o ) = 旧o ) i p 埘o ，通常假设相位哆( ) 服从【一万，万】内的均匀分布。l 为 多径的数量。而根据其幅度限p ) 1 分布的不同，称信道服从不同的衰落分布，其 q b r a y l e i g h 衰落分布、r i c i a n 衰落分布和n a k a g a m i 衰落分布是用的比较广泛的。 下面重点介绍一下r a y l e i g h 衰落分布，因为这是本文仿真所采用的信道模 型。 r a y l e i g h 分布常用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变 特性的一种分布类型，很好地描述了非直视路径( n l o s ) 的信道环境。i 岛o ) l 服 从下面的分布： p ( 加云p 去，x o ( 2 2 ) q 是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率，即 e ( | 吻( f ) 1 2 ) = 2 qm 。 2 1 2 具有多径时延扩展的衰落信道建模( 频率选择性衰落信道) 在这里我们通过单径r a y l e i g h 衰落信道的生成来说明仿真的信道统计模型。 仿真方法是用具有可变增益和时延的r a y l e i g h 衰落仿真器实现。 首先，我们可利用同相和正交两路g a u s s i a n 噪声相加产生所需要的i 埘l e i 曲 7 第2 章v l i n i o - - o f d m 系统 包络。参考图2 - 1 。 图2 1g a u s s i a n 噪声频谱成型滤波法【3 0 1 如果要确定平坦衰落对信号s ( t ) 的影响，只要将信号与衰落仿真器的输出相 乘。要确定一个以上分量的影响，必须用下图所示的卷积。这样，根据增益与时 延的不同设置，可进行平坦性或频率选择性衰落条件下的仿真。参考图2 2 。这 也是本文仿真的信道模型【3 0 】。 图2 - 2 频率选择性衰落信道仿真器【3 0 】 2 2o f d m 基本原理 2 2 10 f d m 系统结构 0 f d m 技术是一种多载波传输技术，它把高速传输的数据流分散到多个正交的 基于公平性的m l v i o 0 f i ) m a 动态资源分配算法的研究 子载波上传输，从而使每个符号的持续时间大大加长，因而o f d m 技术对时延扩展 有较强的抵抗力，降低了符号间干扰的影响。o f d m 技术相对其它多载波调制的最 大优势是它的各个子载波的频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，则可以 从混叠的子载波中分离出我们需要的数据信息。o f d m 允许子载波频谱混叠，频谱 效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。o f d m 技术对窄带干扰也有很好的抵 抗力，因为窄带干扰只影响o f d m 子载波很少的一部分。0 f d m 的系统结构正如图2 3 所示，o f d m 系统把输入的数据流经过串并变化成多个并行序列，每个并行序列被 调制到相应的子载波上，然后经过i f f t ( i d f t ) 变换后就能得到时域数据，在 插入循环前缀( 用于降低载波间干扰i c i ) 后被发射出去。接收机则对经过信道 衰落的接收信号进行相反的处理过程，从而恢复原始数据【3 3 1 。 图2 - 3o f d m 系统【删 2 2 2o f d m 基本参数的选择i 弘l 通常来讲，对于o f d m 的基本参数，我们要确定以下：带宽、比特速率以 及循环前缀。为了最大限度地减小由于插入保护比特所带来的信噪比损失，希望 o f d m 符号周期长度要远远大于循环前缀长度，但是符号周期长度又不可能任 意大，否则就意味着o f d m 系统中要包括更多的子载波，从而导致子载波间隔 相应减少，系统的实现复杂度增加，而且还加大了系统的峰值平均功率比，同时 使系统对频率偏移更加敏感。因此在实际应用中，一般选择符号周期长度是循环 9 第2 章m i m o - - o f d m 系统 前缀长度的5 倍，这样由于插入循环前缀所造成的信噪比损失只有l d b 左右。 在确定了符号周期和循环前缀之后，子载波的数量可以直接利用- - 3 d b 带宽 除以子载波间隔得到。或者可以利用所要求的比特速率除以每个子信道的比特速 率来确定子载波的数量。每个子信道中所传输的比特速率可以由调制类型、编码 速率和符号速率来确定1 3 4 。 2 2 3o f d m a 在多用户环境下，通过指定每个用户可以使用o f d m 所有子载波中的一个 ( 或一组) ，我们就得到了一种新的多址方式o f d m a 。o f d m a 类似于常规 的频分复用( f d m a ) ，但它不需要f d m a 中必不可少的保护频带，从而避免了频 带的浪费，提高系统容量。此外，o f d m a 的分配机制非常灵活，它可以根据用 户业务量的大小动态分配子载波的数量( 与t d m a 中动态分配时隙数相似) ，并 且可以在不同的子载波上使用不同的调制制式及发射功率，因而可以达到很高的 频谱利用率。这种模式下系统具有更小的二维时频资源分配粒度，基于不同用户 的子载波响应质量获取频率上的多用户分集增益( m u l t i u s e rd i v e r s i t y ) 来对抗时 间选择性和频率选择性衰落，提高了信道的利用效率。o f d m o f d m a 技术作为 4 g 移动通信系统关键技术之一，已经得到业界普遍共识p 5 | 。 可匝 e 誊缓。荔翰 1 8 红二；缓荔 缪jj 荔； 话j 簪 一 ：，缓i 图2 - 4o f d m 多址技术 基于公平性的m r m o o h ) m a 动态资源分配算法的研究 2 3m i m o 技术 2 3 1m i m o 简介 一般来讲，m i m o 空时处理技术可以大致分为以下三类： 第一类是空间分集。这种技术是通过最大化空间分集增益来提高功率效率 的。它包括发射分集和接收分集，它们利用发射或接收端的多根天线来传输相同 的数据，以增强数据的传输质量，降低系统误码率。 第二类是空间复用。这种技术在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低 速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上发射出去。由于多了空域 的维度，接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的资源。空间 复用技术在高信噪比条件下能够大大提高系统信道容量，并且能够在发射端无法 获得信道信息的条件下使用。其中v - - b l a s t 是典型的空间复用技术。 第三类预编码技术。它利用信道信息，通过对信道矩阵进行特征根分解得到 相互正交的若干并行子信道的空分复用技术。经过预编码( 预加权) 使得只有具 有特定信道的用户才能接收信号，在接收端不需要额外的处理，就可以进行解调 和解码。这里，预编码技术在提高信道容量的同时能降低接收端复杂度，适合用 于蜂窝基站的下行处理。本论文正是研究这种技术结合o f d m a 方案的性能。 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素，然而对于m i m o 来说，多 径则被作为有利因素加以利用，m i m o 技术能够将传统通信系统性能中存在的多 径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，它能够在不增加所占的信 号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。 m i m o 技术的优点体现在：极高的频谱效率、可靠性。但m i m o 技术实际 上是一种窄带传输技术，仅靠m i m o 技术能支持的传输速率有限，要进一步提 高传输速率，必须增加带宽。但又要满足m i m o 技术对时延扩展可忽略这一假 设，因此m i m o 技术必须结合其它技术，如o f d m 技术等【3 6 】。 m i m o 可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，m i m o 系统依然无能 为力。目前解决m i m o 系统中的频率选择性衰落方案一般是利用均衡技术，还有 一种就是利用o f d m 。4 g 需要极高频谱利用率的技术，而o f d m 提高频谱利用率 的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理开发空间资源，也就是m i m o - - o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。多用户m i m o o f d m 系统中，不同的 第2 章m i m o - - o f d m 系统 用户所处位置不同，受到的信道衰落也不同，所以可采用频分多址( f d m a ) 获得 分集增益，称之为m i m o - - o f d m a 系统【2 9 1 。 2 3 2m i m o 信道模型1 3 8 l 考虑n m 的窄带m i m o 系统，即发射天线和接收天线分别是n 和m 。在 非频率选择性( 平坦) 衰落情况下，m i m o 信道模型相对比较简单，各对天线间 的子信道可以等效成一个瑞利衰落的子信道。 此时，m i m o 信道模型中的各个子信道可以建立为： 红。j ( r ，f ) = 均，j ( t ) 8 ( r t o ) 1 其中h ，( f ) l 服从瑞利分布。接收信号的离散时间等效模型为： y - 耿+ n ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中x 为n 1 维发射信号向量，假设其元素均值为0 ，方差为的独立 高斯随机变量；y 为m 1 维接收信号向量；n 为零均值的高斯白噪声矩阵。h 为m x n 维的随机信道矩阵， h = 矗。扛：7 j l 红红：红 。： 若在频率选择性信道模型，m i m o 信道矩阵可以表示为： 工 日( f ) = h 7 8 ( r - r , ) ，= l 2 3 3 m i m o 信道容量 ( 2 5 ) 对于分别配有n 根发射天线和m 根接收天线的m i m o 信道，发射端在不知 道传输信道的状态信息条件下，如果信道的幅度固定，则信道容量可以表示为： r = l 0 9 2 【d e t ( k + 寿别( 2 - 6 ) 其中，f = p t r 2 为每根接收天线上的信噪比，盯2 为接收天线上的噪声功率，p 基于公平性的m i m o o f d m a 动态资源分配算法的研究 煅射麟q - 鬻髫k 为m i i l ( n ，m ) 阶的单位矩盹 对于m i m o - - o f d m a 系统，总的信道容量为各个子载波信道容量之和，所 以其系统容量为【3 8 】 贮童k = ln 。f l k 扣：c k + 擎， 协7 ， 其中致。为第n 个子载波对用户k 的信道响应，这是由于信号在发送前经 寸了i f f t 蛮搀 2 4 本章小结 移动无线信道的最大特征是信道的时变性。因此，本章首先从时域( 多径传 播) 和频域( 多普勒影响) 两个方面对无线信道的特点进行归纳总结，分析衰落特 征，首先介绍了移动无线信道的各种衰落( 慢衰落、快衰落、选择性衰落等) ；然 后信道模型的搭建进行了深入的分析。 接着本章详细介绍了o f d m 系统的基本原理，主要包括o f d m 系统的基本 模型、串并变换、o f d m 系统调制解调的i f f t f f t 实现、保护间隔和循环前缀、 和参数选择，分析、研究了o f d m 系统能够抵抗i s i 和i c i 的原由。接着，本章 介绍了o f d m 系统的性能指标。 由于m i m o 技术充分开发空间资源，在不需要增加频谱资源和天线发送功 率的情况下，可以成倍地提高信道容量，将二者m i m o 和o f d m 技术结合起来 可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案。最后本章详细介绍了m i m o 系 统及该系统在各种情况下的信道容量理论公式，为下文的容量优化算法分析作铺 垫。 基于公平性的m i m o - o f d m a 动态资源分配算法的研究 第3 章 mim o - - o f d m a 动态资源分配 3 1 引言 m i m o 与o f d m 技术结合也被视为4 g 技术的核心，它要求在有限资源条 件下，为用户提供高传输速率和好的服务质量( q o s ) ，这需求推动自适应资源 分配技术的发展，最大限度利用系统潜在资源。 一般来说，资源分配有两个主要的目标：最大化信道容量和最小化发射功率， 最大化信道容量就在功率恒定时最大化接收s n r ，而最小化发射功率就是满足一 定的b e r 时尽量用最小的发射功率实现相同的接收s n r ，现有的大多文献都是以 这两个目标为代价函数的 3 。 本章主要讨论基于用户公平性最大化信道容量的目标函数及其相关的资源 分配算法。 3 2 m i m o - - b e a m f o r m i n g ( m i m o 波束成型) 技术 前文已经介绍过m i m op r e c o d i n g 是m i m o 的一项主要实现技术。m i m o - - b e a m f o r m i n g 技术正是m i m ol i n e a rp r o c o d i n g 的一种特殊形式。 l i n e a rp r o c o d i n g 可以看成是m i m o 中的一种预均衡技术，它根据信道状态 信息( c s i ) ，在发送端对发送信号进行空间的编码( 有人把它当作是空间扩频，但 接收端不需要解扩) ，将多路数据并行发送出去，在接收端不需要额外处理，就 可以进行解调和解码，直接接收到空间复用信道的信号。 m i m o - - b e a m f o r m i n g 技术根据c s i 对发射信号需要进行加权运算，将所有 能量集中在发送协方差矩阵特征值最大的向量上进行发送。接收端利用一定的准 则接收，从而提高接收端信噪比为目的，即提高了系统可靠性。在多用户的情况 下，b e a m f o r m i n g 可以在接收端只接收感兴趣用户的信息，即此时的用户的信号 功率要比其非感兴趣的用户功率和都大很多，或称作此时波束对准了这个用户。 作为一种优化系统性能的传输策略，b e a m f o r m i n g 从信噪比角度而言是最优 第3 章m i m o - - o f d m a 动态资源分配 的，因为它在发射端利用了信道信息，通过线性处理使所有传输功率对准一个方 向而获得了阵列增益，接收端经过相应的处理就可以保证输出信噪比最大。在文 献【1 1 】中，k kw o n g 就提出了m 【m o b e 锄f o r n l i n g 的系统并导出最优加权向量。 文献【加p l i 4 1 】把该系统扩展到多用户模式，本章正是基于k kw o n g 的m i m o - - b e a m f o r m i n g 系统进行研究。m i m o - - o f d m a - - b e a m f o r m i n g 系统结构如图所示。 图3 - 1m i m o - - 0 f d m a - - b e a m f o r m i n g 系统 多用户m i m o o f d m a 系统上图所示，基站端有m 根发射天线，每个用 户端有m 根接收天线，o f d m 子载波数为n ，每个子载波只分配给一个用户。 假设系统中有k 个用户，并且用户是均匀分布在小区中的，这样各个用户所经 历的信道可以看作是相互独立。 定义mxm 维矩阵磁巩。为用户k 在子载波i 上的信道增益矩阵( 即上 文提到的信道响应矩阵) ，矩阵元素 研 蹦表示第q 根发射天线到第p 根接收天 线之间的信道响应。通过配置合适的天线加权系数，通过可以根据信道矩阵来构 1 6 基于公平性的m i m o - o f d m a 动态资源分配算法的研究 建一组并行信道( 即空间子信道) 。 在本节中，我们将首先分析单用户系统中子载波i 上发射端波束成型向量q 和接收端合并向量谚的选取，进而得出多用户环境中的子载波分配准则。 对于一个单用户m i m o - - o f d m a 系统，接收端第i 个子载波上的接收符号 可以表示为： 影= e q 五+ 惕( 3 - 1 ) 其中，是n xl 的复高斯噪声向量，它的每个元素的都是均值为0 、方差 为d 的复高斯随机变量。在接收端，使接收信噪比最大化的方式是最大比合并， 对于式( 3 - 1 ) ，相应的最大比合并向量为： 4 = ( 只q ) 日 ( 3 2 ) 因此，对( 3 1 ) f l q 接收信号进行最大比合并处理后所得的信号刁可以表示为： 刁= ( 耳c f ) 日( 耳q ) 薯+ ( 耳q ) 日珥 ( 3 3 ) 于是经过最大比合并后接收端第i 个子载波上的接收信噪比为： s n r = 可e 4 h 丽t h c 矿x 1 2 = 每r 群耳q ( 3 4 ) e 时h ? n 弋、 n q ll 广 其中e 代表均值运算符，e 代表子载波i 上调制符号的能量，当采用自适 应功率加载时，它是一个可变的量。我们己经假设系统采用功率平均分配的方式， 可以认为它是不变的