（通信与信息系统专业论文）ofdm系统资源分配和调度策略研究.pdf

中国科学技术大学博士论文 摘要 摘要 随着无线通信的发展，有限的无线资源与业务服务质量要求( o o s ) 不断增长之间 的矛盾日益尖锐。为了缓解这一矛盾，必须从无线系统的各个层面入手。在物理层， o f d m 是一种非常适合于宽带无线系统的技术；在链路层，采用资源分配和调度可以 显著改善通信系统的频谱效率和吞吐量。另外，o f d m 技术的独特优势，为资源分配 提供了灵活自由度。因此，o f d m 系统中的资源分配算法在近十年来得到了广泛的关 注。 本文首先介绍了o f d m 技术在未来无线通信系统中的应用，通过对o f d m 系统关键 技术的简单分析，确立了本文的选题依据和研究内容。 本文接着介绍了单用户、多用户、多小区o f d m 系统资源分配，包括常见的问题 建模和求解方法，并介绍了近年来的几个研究热点。其中，多用户系统中的资源分配 问题，需要考虑用户的q o s ，比较复杂，重点在于寻求解决所提问题的有效的近似最 优解，常见的算法有分步、凸优化和启发式方法。本文以多用户o f d m 系统的资源分 配问题为研究重点，围绕多个热点研究方向，展开了深入的研究。 跨层资源分配是近年来的一个研究热点，针对多用户o f d m 系统，本文提出了一 种应用层、m a c 层、物理层联合优化的跨层资源分配框架。为解决所提资源分配问 题，本文采用低复杂度的精英选择遗传算法，并与其他典型算法进行性能比较，体现 了启发式方法的有效性。本文还提出了m a c 层和物理层联合优化的跨层机会调度方 案，采用随机逼近的方法，将关于平均性能参量的资源调度问题转化为关于瞬时性能 参量的资源分配问题，简单有效地获得了较好的公平性和吞吐量性能。 o f d m 和其他先进技术相结合的系统中的资源分配，是另一个研究的热点。为了 将协作通信技术引入o f d m 系统，本文分别考虑了无额外中继节点和有额外中继节点 两种协作通信模式下的资源分配。在无额外中继节点环境下，为同时挖掘协作分集和 多用户分集，本文提出一种双时隙( 押o s l o t ) 的资源分配结构解决用户半双工的限 制，并相应提出初始资源分配和中继选择分步进行的次优算法，仿真证实了采用分步 法解决复杂问题的可行性。在采用额外中继节点环境下，本文提出考虑用户公平性的 下行系统容量最大化的问题，首先采用连续放松方法，将所提问题转化为一个凸优化 问题，得出其对偶问题，然后采用次梯度法解决对偶问题，对其解进行整数化，最终 得到原问题的近似最优解，体现了凸优化方法的可靠性和应用策略。为了将认知无线 电技术引入o f d m 系统，本文考虑了存在多个认知用户的认知无线电系统中上下行两 第1 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文 摘要 种场景下的资源分配问题，并借助于迭代算法来寻找最优的l a 黟a 1 1 9 i a l l 算子，进一步 深化了凸优化方法的使用。 资源分配和调度的前提是获取实时的信道信息，为了减少用户反馈信道信息的开 销，在本文的最后，提出了基于门限设置的信道有限反馈方案，从反馈中断概率、容 量损失、反馈效用三个不同的角度设置门限。数值计算结果表明，通过适当的门限设 置，可以在相对较少的容量损失下，较大程度地减少反馈量，使得下行多用户o f d m 资源分配和调度算法在实际中可以有效应用。 本文从简单o f d m 环境到结合协作通信、认知无线电等新技术的复杂环境，从启 发式、分步等简单算法到凸优化理论，从理想假设分析到实际算法实施的考虑，综合 地研究了o f d m 系统资源分配调度策略。这些全面的分析和研究将促进对o f d m 系统 资源分配和调度的理解，对实际系统的设计不无裨益。 关键词：正交频分复用，资源分配，机会调度，协作通信，认知无线电，有限反馈 第1 i 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文 a b s 仃a c t a bs t r a c t w i t l lt h er 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 n s ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e 铆e e nt 1 1 e 1 i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c ea i l dm ei n c r c a s i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t so fs e r v i c e s i sm o r ea n dm o r eu r g e n t ni n v 0 1 v e sv 撕o u st e c l l l l o l o g i e s 劬md i f 绝r e n tl a y e r so fw i r e l e s s s y s t e m st 0r e l i e v et h i sc o n 舰d i c t i o n h lm ep h y s i c a l l a y o n h o g o n a lf r e q u e i l c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h l l o l o g yh 硒b e e na p p r o v e dt o b ev e 拶s u i t a b l ef o rw i d e b a n d w i r e l e s ss y s t e m s h lt h ed a t al i l l l 【l a ) ，c r ，r e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n gc a i lb eu s e dt 0 i m p r o v em e 舭q u e l l c ye 伍c i e n c ya 1 1 dt h r o u g h p u to fc 0 m m 眦i c a t i o ns y s t e m s d u et o t h e d i s t i n c ta d v a n t a g e so f0 f d m ，i tp r o v i d e sf l e x i b l e 丘e e d o m sf o rr e s o u r c ea l l o c a t i o n t h u s ， r e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o n i n0 f d ms y s t e m sh a sa t t r a c t e d 孕e a ti n t e r e s t si nr e c e my e a r s t l l i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e sm ea p p l i c a t i o no fo f d mi 1 1 如t u r ew i r e l e s sc o m m u m c a t i o n s y s t e m sa i l dl i s t ss e v e r a lk e yt e c l l i l o l o g i e s ，b a s e do nw m c h t h ef 0 u n d a t i o n 觚dc o n t e n to f 嘶s m e s i s 扣ee s t a b l i s h e d 。 t h e l l m i sm e s i si n t r o d u c e st l l er e s o u r c ea l l o c a t i o ni ns i n g l eu s e r ，m u l t i u s e ra n d m u l t i c e l l o f d ms y s t e m s ，i n c l u d i i l gt h eg e n e r a lp r o b l e md e s c r i p t i o n sa i l dm er e s o l v e m e n t s ，a n dl i s t s s e v e r a lh o tt o p i c sc u r r e n t l y t h er e s o l l r c ea 1 1 0 c a t i o np r o b l e m si l lm u h i u s e rs y s t e m sa r cu s u a l l y v e r yc o i n p l i c a t e dd u et 0 也ec o n s i d e r a t i o no fu s e r s q o s t h ef o c u so fr e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o nl i e s i nf h l d i n gt l l es u b o p t i m a ls o l u t i o n sr a m e rn l a l lm eo p t i m a lo n e s ，恤c hc a i lb er e a l i z e db y m e t h o d so fs t 印，c o n v e xo p t i m i z a t i o 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h e d u l i n gs c h e m ew h e r et l l em a c a i l dp h y s i c a ll a y e r s a r cj o i n t l yo p t i m i z e d u s i n gt h es t o c h a s t i c 印p r o x i m a t i o nm e t h o d ，t h er e s o u r c es c h e d u l i n g p r o b l 锄c o 仃e s p o n d i n gt 0a v e r a g ep a r a m e t e r si sc o n v e r t e dt 0a r e s o l l r c ea 1 1 0 c a t i o np r o b l 锄 c o r r e s p o n d i n gt oi n s t a n t a i l e o l l sp a m m e t e r st ob es o l v e di ne a c ht i m e s l o t t h ep r o p o s e d s c h e d u l i n gs c h e m e sa c h i e v e9 0 0 df a i m e s sa n dt h r o u 曲p u tp e r f 0 珊a 1 1 c es i m p l y r e s o u r c ea l l o c a t i o ni no f d ms 、r s t 锄sc o m b i n e dw i t ho t h e ra d v a i l c e dt e c h n 0 1 0 西e si s a n o m e rh o tt o p i c 7 r 0c o m b i n ew i t ht h ec o o p e r a t i v ec o m m u i l i c a t i o n ，t h eo f d m - b a s e d r c s o u r c ea 1 1 0 c a t i o ns c h e m e si nw i r e l e s sc o o p e r a t i v ec e l l u l a rs y s t e m sw i t ha 1 1 dw i t h o u te x t r a r e l a ys t a t i o n s a r ec o n s i d e r e dr e s p e c t i v e l y w i m o u tc x 仃ar e l a ys t a t i o n s ，t 0e x p l o i tt h e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a i l dt h em u l t i u s e rd i v e r s i t ys i m u l t a n e o u s l y ， a 伽o - s l o tr e s o u r c e a l l o c a t i o ns t r u c t l l r ei sc o n s t r u c t e dt od e a lw i mt h eu s e r s h a l f d l l p l e xc o n s t r a i n t s al o w - 第1 i i 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文a b s t r a c l c o m p l e x i t ys u b o p t i m a la l g o d t h mi sd e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e me 伍c i e n t l y w “c h p e r f o 衄st h ei i l i t i a l a l l o c a t i o nf i r s ta n dt h e nt h er e l a ys e l e c t 疏n u m e r i c a le x 锄p l e s d e m o n s t r a t et h e 先a s i b i l i t yo fs t 印m e t h o di ns o l v i n gc o m p l i c a t e dp r o b l e m s w i t he x t r ar c l a y s t a t i o n s ，m ea i mi st om a x i m i z et h ed o w n l i i l l 【c a p a c i t yw i t hf a 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c o n v e xo p t i m i z a t i o nm e t h o d h l s t 锄t a n e o u sc h a l l l l e ls t a t u si n f o 肌a t i o n ( c s di sn e c e s s a r yi nt l l er e s o u r c ea l l o c a t i o n a i l ds c h e d u l 岵t 0r e d u c en l ec s if e e d b a c ko v e r h e a d ，t h r e e 恤e s h o l d - s e t t i n gs c h e m e sa r e p r o p o s e df l d mm e 嬲p e c t so f f e e d b a c ko u t a g ep r o b a b i l i t y ，c 印a c i t y1 0 s sa i l df e e d b a c ku t i l i 哆 n 啪e r i c a lr e s u l t sd e m o n s t r a t em a tt h r o u g hp r o p e rt h r e s h o l dd e s i g n ，m ef e e d b a c ko v e r h e a d c a l lb ed e c r e a s e d 伊e a t l ya tm ec o s to fv e 巧l i t t l ec 印a c i t yl o s s ，1 e a d i n gt ot 王1 ee 位c t i v e a p p l i c a t i o no fr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m si nt h ed o w n l i n km u l t i u s e ro f d ms y s t e m s t h i st h e s i ss t u d i e sm er e s o u r c ea l l o c a t i o n 甜l ds c h e d u l i n gs t r a t e g i e ss y n m e s i z i n g l y ，f 而m s i m p l eo f d ms y s t 咖st oo f d m - b a s e dc o m p l i c a t e de n v i r o 衄e m s ，舶ms i m p l ea l g o r i t m s s u c h2 l sh e u r i s t i ca n d s t e pt oc o n v e xo p t i m i z a t i o n ，尔i ma n a l y s i su n d e rp e r f e c ta s s u n l p t i o n st 0 i m p l e m e n t a t i o nc o n s i d e r a t i o n s a 1 1t h er e s e a r c h e si nt h et h e s i sw i l lh e l pc o m p r e h e n s i o no f r e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds c h e d u l i n gi no f d m s y s t e m sa 1 1 dc a s ts o m eb r i g h tl i 曲to nt l l ed e s i 印 o ft h ep r a c t i c a ls y s t e m s k e yw o r d s ：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 ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，o p p o r t u n i s t i c s c h e d u l i n c o o p e r a t i v ec o m m u i l i c a t i o n ，c o g n i t i v er a d i o ，l i m i t e df e e d b a c k 第1 v 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文 图表目录 图表目录 图1 1 本文的结构安排图8 图2 1 注水功率分配示意图1 2 图2 2 多用户下行o f d m 系统分配框图1 4 图3 1 多用户o f d m 系统跨层资源分配框图2 4 图3 2 四种算法下分组时延的累积分布函数：2 9 图3 3 四种算法下的平均队列长度和丢包率3 0 图3 4 多用户下行0 f d m 调度框图3 l 图3 5 不同用户数下下各种方案相对r r 调度的系统性能比例比较3 6 图3 6 不同用户数下各种方案相对r r 调度的时间公平性比较3 6 图3 7 不同多普勒频移下各种方案相对r r 调度的系统性能比例比较3 7 图3 8 不同多普勒频移下各种方案相对r r 调度的时间公平性比较3 7 图3 9 不同常数因子c 下的效用公平性和相对x m i n 的系统效用( b = o 0 1 ) 4 0 图3 1 0 不同滤波器因子b 下的效用公平性和相对m a x m i n 系统效用( c = 1 o ) 4 1 图3 1 1 不同用户数下的效用公平性和系统效用( c = 1 0 ，b = o 0 1 ) 4 1 图4 1 协作的两种工作模式4 4 图4 2 蜂窝小区用户间协作示意图4 6 图4 3t w o s l o t 资源分配结构4 7 图4 4 系统吞吐量和用户业务平均到达速率的关系5 0 图4 5 相对t d m a b a s e d 方案的系统吞吐量和用户业务平均到达速率的关系5 0 图4 6 系统吞吐量和小区半径的关系5 1 图4 7 相对n o n c 0 0 p 方案的系统吞吐量和小区半径的关系5 1 图4 8 系统吞吐量和噪声功率的关系5 2 图4 9 相对t d m a b a s e d 方案的系统吞吐量和噪声功率的关系5 2 图4 1 0 系统吞吐量和用户数的关系5 3 图4 1 1 相对t d m a b a s e d 方案的系统吞吐量和用户数的关系5 3 图4 1 2i e e e8 0 2 1 6 j 中继站应用场景5 4 图4 1 3w i n n e r 计划中加入固定中继的系统模型5 5 图4 1 4 下行固定中继蜂窝系统5 6 图4 1 5 不同r s 数目下的平均容量比较6 2 图4 1 6 不同r s 数目下的中断概率比较6 3 第1 x 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博十论文图表目录 图5 1 基于o f d m a 的上行认知无线电系统6 7 图5 2 认知系统和主系统共享频谱实例6 7 图5 3 功率受限的多水平面注水方案示例7 1 图5 4 每次迭代中的q 7 3 图5 5 每次迭代中的冠7 3 图5 6 每次迭代中的和速率7 4 图5 7 和速率和s n r 的关系7 5 图5 8 迭代次数的概率分布函数7 5 图5 9 基于0 f d m a 的下行认知无线电系统7 6 图5 1 0 平均加权和速率和s n r 的关系8 l 图5 1 l 迭代次数的概率分布8 2 图6 1 不同用户数下的一次反馈效用与门限的关系8 8 图6 2 各种方案不同用户数下的门限比较8 9 图6 3 各种方案不同用户数下的平均信道容量比较9 0 图6 4 各种方案不同用户数下的平均反馈用户数比较9 1 表3 1 遗传算法参数2 7 表3 2e s g a 、l p 算法功能操作数目比较2 8 表3 30 f d m 仿真信道参数3 4 表4 1 初始分配算法4 8 表4 2 中继选择算法4 8 表4 3 次梯度资源分配算法6 0 表4 4 系统仿真参数6 1 表5 1 上行功率受限的多水平面注水迭代算法7 2 表5 2 某次迭代快照7 9 表5 3 下行功率受限的多水平面注水迭代算法8 0 第x 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文缩略语目录 3 g p p 皤 a m c a r q a t m b e r b w a b s c d f c d m a c o f d m c p c r c s i d a b d f d m t d s c d m a d t d v b f c c f d d f d m a f f t h d r h s d p a i c i 缩略语目录 第三代移动通信合作伙伴计划 放大转发 自适应调制和编码 自动重传请求 异步传输模式 误码率 宽带无线接入 基站 累积分布函数 码分多址 编码正交频分复用 循环前缀 认知无线电 信道状态信息 数字音频广播 解码转发 离散多音调制系统 直扩码分多址 直接传输 数字视频广播 美国联邦通讯委员会 频分双工 频分多址 快速傅立叶变换 高数据速率 高速下行分组接入 载波间干扰小区间干扰 第x i 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博七论文 缩略语目录 i f f t i s i i t u r l p l w d f m a c m b o f d m m c m m i m o m i s o m r c n c o f d m o f d m o f d n 【a o s i p a p r p m 田 p s d p u q o s q s i r s s d m a s n r s u t c p t d d t d m a t d s c d m a 快速傅立叶反变换 符号间干扰 国际电联无线电通信部门 线性规划 最大加权时延最先 媒体接入控制 多带正交频分复用 多载波调制 多输入多输出 多输入单输出 最大比合并 非连续正交频分复用 正交频分复用 正交频分复用多址 开放式系统互联参考模型 峰均功率比 点到多点 功率谱密度 主用户 服务质量 队列状态信息 中继站 空分多址 信噪比 次用户 传输控制协议 时分双工 时分多址 时分同步码分多址 第x i i 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文缩略语目录 u e i m w c d 【a w l a n w r a n 用户终端 超宽带 宽带码分多址 无线局域网 无线区域网络 第x i i l 页共1 3 2 页 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取 得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已 经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有 权按有关规定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，可以将学位论文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、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 己帅 中国科学技术大学博士论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1未来无线移动通信技术以o f d m 为核心 高速率、高带宽、高频谱利用率、可提供多种新型业务是未来无线移动通信的主 要发展目标。虽然目前已有的移动通信网络在不断发展，但仍存在系统容量小，频谱 利用率不高，抗干扰能力较差，链路时延较大，不适合传输高速数据和多媒体业务的 缺点。为了实现未来无线移动通信系统的目标，必须从通信网络的交换、传输和接入 等各个环节进行研究和突破，尤其是在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定可 靠高效地支持高速率的数据和多媒体业务传输值得研究。 正交频分复用( o n 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 ) 技术因其网 络结构高度可扩展，且有良好的抗噪声和抗多径信道干扰的能力，以及频谱利用率高 而被普遍认为是未来无线移动通信系统必不可少的技术。o f d m 技术最早起源于2 0 世 纪5 0 年代中期，在6 0 年代就己经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有关0 f d m 的专利。早在2 0 世纪6 0 年代o f d m 技术就已经 被应用到多种高频军事系统中，其中包括l 信号预畸变技术 信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限 幅、峰值加窗或者峰值消除等操作。信号预畸变技术的好处在于直观、简单，但信号 畸变对系统性能造成的损害是不可避免的。 编码方法 避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样，例如采用循环编码方法。编码 方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量较大时，编 码效率会非常低，从而导致这一矛盾会更加突出 符号扰码技术 可以作为信号编码技术的特例，这种方法的基本原理是对输入信号同时进行多种 扰码处理，选择p a p r 最小的输出信号发送出去，对于不相关的扰码序列，产生的 o f d m 信号与其对应的p a p r 也是不相关的。所以，如果未经扰码的o f d m 符号的 p a p r 超出某一值的概率为p ，那么，通过后种扰码处理并优选后该概率降低到矿。 因此，符号扰码技术并不保证p a p r 降低到某一值以下，而是减小高p a p r 发生的概 率。 1 2 2 同步技术 o f d m 系统的同步技术主要包括载波频率同步和符号定时同步。 在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的幅度衰减和相位旋 转，这可以通过均衡等方法加以克服。而对多载波系统来说，载波频率的偏移会导致 子信道之间产生干扰。o f d m 系统内存在多个正交子载波，其输出信号是多个子信道 信号的叠加，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。由于无线信道存在时变 性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机内 载波频率与接收机本地振荡器之间的频率偏差，都会使得o f d m 系统子载波之间的正 交性遭到破坏，从而导致子载波间的信号相互干扰( i n t e r c a 玎i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。 如果不采取措施对这种i c i 加以克服，会对系统性能带来非常严重的地板效应，即无 论怎样增加信号的发射功率，也不能显著地改善系统的性能。 另外，在解调过程中，接收机是在时域上的任意点开始接收数据的，而o f d m 是 基于符号的，这就需要检测到符号的起始位置，否则会因为符号的起始位置的不合 理，而导致符号间的干扰( i n t e r - s y i l l b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，这就是符号定时同步。 1 2 3 信道估计 无线通信系统中的调制方式主要有差分调制和相干调制。在o f d m 系统中，当发 送采用差分调制时，接收端可以做非相干解调以避免信道估计，如在欧洲的d a b 系统 第5 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文第1 章绪论 中，就采用d p s k 调制方案，接收端用差分非相干检测。但这一般适用于较低速率系 统，且会有一定的信噪比损失，并且无法使用频谱利用率高的高阶调制方式。而相干 方式允许使用任何形式的星座图，适合高数据速率的系统，但需要信道估计。对于相 干方式，解调时需要使用与发送端同频同相的载波信息，否则就不能正确解调，因此 必须进行信道估计。 信道估计的任务是估计发送信号经过无线信道的频率响应。o f d m 系统中的信道 估计算法大概分为两类，一类是导频辅助信道估计算法，另一类是盲信道估计算法。 基于导频的信道估计是在某些o f d m 符号的某些子载波上发送已知的参考信号，即导 频。通过分析导频信号经过信道传输后发生的变化，可以估计出导频所在子信道的频 域响应，再利用这些子信道的频域响应分别在时域和频域进行插值，就可以得出所有 符号在每个子信道上的信道频域响应特性。盲信道估计算法和导频辅助信道估计算法 不同，它可以在发送数据完全未知的情况下完成信道估计。所以盲估计算法可以使发 射机不需要发送特殊的训练符号，从而提高了系统的频谱利用率。但是该方法只有在 收集到足够多数据的情况下才能得到一个可靠的估计。对于无线通信而言，信道是时 变的，需要大量的数据限制了盲估计算法的使用。 高速率传输和低误码率要求信道估计具有低复杂度和良好的信道跟踪能力，如何 设计导频图案和性能好、复杂度低的信道估计算法是o f d m 系统中的一项重要研究内 容。 1 2 4 资源分配 众多文献表明，如果发射基站能够实时获取所有用户的信道传输函数，在o f d m 系统上采用动态资源分配可以获得巨大的性能改善，具体而言就是具有较大信道增益 的子载波采用高阶调制方式传输更多的比特，而处于深衰落的子载波传输较少比特甚 至不传，不同的子载波在不同的衰落条件下传输不同的比特数，传输功率也要相应随 之改变。采用动态资源分配的o f d m 系统可以更有效的使用子载波，因为一个子载波 可能对某个用户而言是深衰落的，而对另一个用户则不是。事实上一个子载波对所有 用户而言都是深衰落的概率很小，合理的在多用户之间分配子载波和发射功率可以有 效的提高系统容量，降低误码率。 早期的o f d m 系统动态资源分配研究从离散多音调制系统( d m t ) 系统延伸而 来，集中于单用户系统中的功率、速率动态分配，形成速率最大化( r a t e m a x i m i z a t i o n ) 、功率最小化( p o w e rm i n i m i z a t i o n ) 和裕度最大化( m a r 百n m a ) 【i m i z a t i o n ) 三类问题，【4 8 是研究此类问题的经典文献。研究表明，这三类问题实 际上是等价的，适用于某类问题的算法稍作修改即可使用在另一类问题上。o f d m 系 统通过将不同的子载波分给不同的用户，提供了一种新的多用户接入方式，即 第6 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文 第1 章绪论 o f d m a 。多用户o f d m 系统利用不同用户信道衰落的独立性，将子载波尽量分给信 道状况好的用户，以提高频谱利用率，挖掘多用户分集【9 。2 0 】。针对一味追求频谱效率 带来的用户公平性问题，文献 9 ，1 0 】研究了保证用户的服务质量( q u a l i t yo fs e r y i c e ， q o s ) 特性下的资源动态分配。约束条件的增加，使得资源分配问题变得愈加复杂， 大多为组合优化问题中的n p h a r d 问题( 文献 1 1 】给出了严格证明) ，寻找最优解非常 困难。为了有效解决原问题，绝大部分这方面的文献致力于寻求近似最优解。o f d m a 保证了小区内用户间的正交性，但如果两个相邻小区为使频谱复用系数尽可能地接近 1 而使用相同的频谱资源，小区边缘干扰将很严重。所以，多小区o f d m 系统中的资 源分配不仅要完成小区内的动态分配，更需要在各个小区之间进行资源的动态协调【l 玉 1 8 】 o 跨层资源分配，突破了传统o s i 体系结构各层之间的独立性，通过在物理层、数 据链路层、传输层和应用层之间传递控制信息进行联合优化，以提高整体性能，成为 近年来研究的一个热点【1 0 ，1 2 ，1 9 埘】。随着m o 、协作通信、认知无线电等先进技术的 不断发展，o f d m 和这些技术相结合的复杂系统中的资源分配，也是值得研究的问题 【1 9 ，2 5 。3 7 1 。资源分配和调度的前提是获取时变的信道信息，先前绝大部分研究都假设资 源分配中所必需的信道信息估计是理想的，反馈信道也是理想的。近年来人们开始考 虑非理想信道信息对资源分配的影响，反馈开销也逐渐被纳入评价资源分配算法性能 的重要指标之一。 1 3本文组织结构及主要贡献 前文简要列出了o f d m 在未来无线通信中的应用，在介绍了o f d m 系统的关键技 术后，本文将重点聚焦于o f d m 系统资源分配和调度策略这一关键技术的研究。选择 这一问题进行研究的意义在于，首先，o f d m 系统的子载波可以进行独立的调制和解 调，为资源分配提供了更细的粒度，而通过资源分配可以有效地利用有限的系统功率 和频谱资源，尽可能满足未来无线移动通信系统发展的要求。其次，o f d m 技术容易 跟m 蹦o 、协作通信、认知无线电等先进技术结合，对这些复杂系统的资源分配，比 较复杂，目前研究的还不多。最后，虽然已有大量的文献对传统问题作了深入的研 究，并且提出了大量的解决方法，但是将这些算法应用于实际系统，还有诸如信道估 计结果是否有效、反馈信道是否理想、反馈开销是否可忽略等许多值得考虑的问题。 全文的组织结构如图1 1 所示： 第7 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文 第l 章绪论 第 第 童 第 = t 豆 第 四 叫t 显 = e 旦 第 l 、 童 第 图1 1 本文的结构安排图 第二章首先从系统角度介绍了单用户、多用户、多小区三种o f d m 系统中的资源 分配，包括常见的问题建模和求解方法，然后介绍了近年来的几个研究热点，包括跨 层资源分配，结合新技术的复杂环境中的资源分配及非理想信道反馈的影响。三种系 统中的资源分配考虑的重点各有不同：单用户系统中，重点在于优化各个子载波之间 的功率和比特分配，问题模型和求解已比较成熟；多用户系统中，需要考虑用户的 o o s ，问题因此变得比较复杂，寻求最优解困难，重点在于寻求解决所提问题的有效 的近似最优解，常见的算法有分步、凸优化和启发式方法；多小区系统中，为使频谱 第8 页共1 3 2 页 中国科学技术大学博士论文