（通信与信息系统专业论文）面向多用户mimoofdm的资源分配算法研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 作为下一代无线通信中的核心技术m i m o o f d m 能够极大地提高系统性能和 频谱效率。通过与自适应技术的融合处理，可根据不同用户的q o s 要求和子载波 的c s i ，动态地分配子载波和数据比特，能进一步提高系统性能和频谱效率。为达 到这个目的，本文从实际通信环境出发，针对分集和复用两个方面，对多用户 m i m o o f d m 资源分配准则进行详细研究。 分集方面，针对相关信道条件下基于部分c s i 的波束成型和s t b c 分别给出 了相应的子载波分配算法。两种算法以k r o n e c k e r 模型表示信道相关性为基础，分 别采用均值反馈和动态c s i t 模型描述c s i 的反馈过程j 进而推导出相应的数学模 型，并给出对应的最优和次优子载波分配准则。 复用方面，针对l a s t - o f d m 系统，在充分考虑应用层不同业务的q o s 要 求和数据链路层的动态特性基础上，给出基于部分c s i 的跨层资源分配算法。该 算法在基站端数据链路层存在有限缓存条件下，通过均值反馈模型描述物理层信 息的传递过程，并利用q o s 性能指标表示不同业务的需求，进而推导出相应的跨 层资源分配原则。 关键字：m i m o o f d m 信道状态信息子载波分配相关信道q o s 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m m o o f d ms y s t e mw a sc o n s i d e r e da sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rn 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 sd u et oi t sh i g hs y s t e mp e r f o r m a n c ea n ds p e c t r a l e f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n ds p e c t r a le f f i c i e n c yw o u l db ef u r t h e r i m p r o v e m e n tb yc o m b i n a t i o nw i t ht h ea d a p t i v et e c h n o l o g yb a s e do nq o sr e q u i r e m e n t a n dc s io fd i f f e r e n tu s e r s i nt h e p a p e r , c o n s i d e r i n g t h er e a lc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t s ，f o rt h ed i v e r s i t ya n dm u l t i p l e x i n g , t h er e s o u r c ea l l o c a t i o no fm u l t i u s e r m i m i o f d ms y s t e m sw a sr e s e a r c h e d a sf o rt h ed i v e r s i t y , t h er e s p e c t i v es u b c a r r i e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m sb a s e do np a r t i a l c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o r r e l a t e dc h a n n e l sw e r e p r o p o s e df o rb e a m f o r m i n ga n ds t b cs y s t e m s t h ek r o n e c k e rm o d e lw a su s e da st h e c o r r e l a t e dc h a n n e lm o d e lf o rt h e s ea l g o r i t h m s ，t h em e a nf e e d b a c km o d e la n dd y n a m i c c s i tm o d e lw e r es e p a r a t e l yu t i l i z e dt od e s c r i b et h ec s it r a n s m i s s i o np r o c e s s t h e n , w i t ht h ed e d u c e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h et w os y s t e m sr e s p e c t i v e l yc o r r e s p o n d i n g o p t i m a la n ds u b o p t i m a la l g o r i t h m sc o u l db ea c q u i r e d a sf o rt h em u l t i p l e x i n g , ac r o s s - l a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do n p a r t i a l c s lw a se x p l o r e df o rt h em u l t i u s e rv b l a s t - o f d ms y s t e m ，t h eq o s r e q u i r e m e n to fd i f f e r e n ts e r v i c eo fa p p l i c a t i o nl a y e ra n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d a t al i n kl a y e rw a sc o n s i d e r e di nt h ea l g o r i t h m t h em e a nf e e d b a c km o d e lw a su s e d 觞 t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o np r o c e s so fp h y s i c a ll a y e r , a n dt h ep e r f o r m a n c ei n d e x e so f q o sw a su t i l i z e dt od e s c r i b er e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n ts e r v i c e t h e n ，t h ec o r r e s p o n d i n g c r o s s l a y e r r e s o u r c ea l l o c a t i o nc r i t e r i ac o u l db ed e s c r i b e du n d e rt h ec o n d i t i o no f f i n i t e - l e n g t hb u f f e ra tt h ed a t al i n kl a y e r q o s k e yw o r d s ：m i m o o f d m ；c s i ；s u b c a r r i e ra l l o c a t i o n ；c o r r e l a t e dc h a n n e l s ； 西南科技大学硕士研究生学位论文一 第i 页 1 绪论 1 1 研究背景和意义 无线通信作为一种把电磁场当作传输媒介进行数据通信的技术，在最近几十 年得到迅猛发展，已先后经历三次较大的变革，其发展历程如表1 1 所利l 】【2 1 。 表1 - 1无线通信系统发展历程 t a b i e1 1o v o i u t i o no fw ir o i e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 年代系统传输方式技术典型代表 2 0 世纪北美的a m p s 、英国的t a c s 、北 8 0 年代1 g模拟f d m a欧的n m t - 4 5 0 9 0 0 、德国的c - 4 5 0 初9 0 0 、日本的n j 蝴t s 2 0 世纪t d m a 或 欧洲的g s m 、北美的i s 9 5 、日 2 g数字 9 0 年代c d m a本的p d c 2 l 世纪全球统一以中国的t d s c d m a 、欧洲的 3 g i m t - 2 0 0 0数字 初c d m a 为主w c d m a 和北美的c d m a 2 0 0 0 目前，3 g 通信系统已进入了实用阶段，该系统不仅支持了更高速率的多媒体 业务，同时也具有更高的频谱效率和服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。但随着信 息技术的发展，现存的3 g 通信系统仍然不能满足日益增长的多媒体业务需求，存 在明显的不足。即：码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 技术本身存 在干扰，使得系统难以获得较高的传输速率；目前的系统还难以保证不同业务用 户的q o s 要求，且难以实现不同业务在不同频段间的无缝漫游；全球标准不统一 等。针对3 g 的不足，下一代移动通信系统( b 3 g 4 g ) 被提出，该系统希望能够实现 任何人之间无论在何时何地都能进行实时通信，这就要求系统在保证不同业务用 户的q o s 要求的同时，具有更高的频谱利用率和可靠性。基于上述考虑，国内外 许多研究学者通过对无线通信系统进行综合分析和研究，多输入多输出技术 ( 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 ) 、正交频分复( 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 e x i n g ，o f d m ) 技术和自适应技术因其自身所固有的特性【l 】【3 【4 】，成 西南科技大学硕士研究生学位论文 一 第2 页 为下一代移动通信系统中的关键技术。 1 2mlm o - o f d m 技术简述 o f d m 的概念是在2 0 世纪6 0 年代被提出来的。该技术是一种多载波传输方 式，既可认为是一种调制技术，又可认为是一种复用技术。其基本思想是将传输 的高速数据流通过串并变换，形成若干个速率较低的子数据流，然后再去分别调 制相应的子载波。这样，使得每个子数据流的符号周期大于无线信道的时延拓展， 从而具有抗频率选择性衰落和抗码间干扰的特性。又由于各子载波之间是相互正 交的，使得调制后的频谱结构具有重叠的特性，进而极大地提高了系统的频谱利 用率，其基本原理的系统框图如图1 - 1 所示。针对上述优点，o f d m 技术已在实 际中得到广泛应用，例如目前无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , w e a n ) 标准的i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 l g 、非对称数字用户环路( a s y m m e t r i cd i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 、数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、数字视 频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g , d v b ) 、高性能局域网标准h i p e r l a n 2 系统等 技术【3 1 。 蓁曰o 霉f d m 曰銎曰萋h 豢 并i ：ll ：l 掣i ri 串1 1 吲氐 蒺h 蔷oh 台h 粪广| 警 a d 图1 - 1o f d m 系统基本原理的框图 f i g 卜。1 b i o c kd i a g r a mo fo f d mb a s i cp r i n c i p l e m i m o 技术是无线通信领域在智能天线技术所取得的重大突破，其基本思想 是系统在不增加带宽和发射功率的情况下，通过在收发两端同时配置多根射频天 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 线，引入空间这个维度，实现多个数据流在相同时间和相同频带内并行传输和接 收，从而达到成倍地提高系统可靠性和频谱利用率的目的【1 】【2 1 ，其系统框图如图1 2 所示。 在信号的传输和接收过程中，根据优化目标的不同，该技术主要分为空时分 集和空间复用两类，第一类是通过利用多天线获取的空间分集增益来对抗信道衰 落所带来的影响，提高接收端的信噪比，从而增强无线信道中数据传输的可靠性， 典型的应用主要包括波束成型【6 】、空时分组码( s p a c et i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 1 1 1 7 和空时格码( s p a c et i m et r e l l i e sc o d e ，s t t c ) 1 】【8 】等。另一类是通过利用多天线获 取的空间复用增益达到成倍提高传输速率的目的。典型的应用主要包括贝尔实验 室分层空时码( 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 e ，b l a s t ) 传输策略【9 。1 3 】和基 于奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 的并行传输策蝌1 4 】【1 5 】。其中 b l a s t 传输策略包括d b l a s t 9 】【1 0 1 、v b l a s t 1 1 】 1 2 】和h b l a s t 1 3 - - - 种，且 v b l a s t 和s v d 是目前两种应用最广泛的传输策略。 数据比特 数据调 空 蒹： ： 制和信 时 编 道编码 q 调制器仓浴 码 。r 信 输出数据 数据解 空 篓：吲 ： 调和信 时 译 道译码 刳解调器肚接收端 码 图1 - 2m i m 0 系统基本原理框图 f i g1 2b i o c kd i a g r a mo fm i m ob a s i cp ri r c i p i e 目前，国内外研究学者针对m i m o 技术的研究大多是基于信道为平坦衰落的 假设条件下进行的，这与实际通信环境存在一定的差异。众所周知，当数据在无 线信道中进行高速传输时，m i m o 技术对信道中呈现的频率选择性衰落较为敏感。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 为了在充分利用m i m o 技术优势的同时，克服该技术的缺陷。近年来，国内外研 究学者提出通过将m i m o 技术与o f d m 技术进行融合处理，利用o f d m 技术抗 频率选择性衰落和抗码间干扰的特性实现m i m o 技术在高速数据传输中的可靠应 用，从而弥补了m i m o 技术的不足。因此，m i m o o f d m 技术被视为未来宽带无 线通信系统的核心技术之一，是一个非常值得研究价值的课趔络1 9 1 。其系统框图 如图1 3 所示。 数据调 空 q 一南岫h 磊筘哐队冷 制和信 时 编 道编码 码 信 数据解 空 ：一勰；姥影1 ) ( ：v 调和信卜一 时 _ f 圣- i 道译码 码爿删黼h 磊群 邓吐一 图i - 3 川m o - o f d m 系统基本原理框图 f i g1 3 b i o c kd i a g r a mo fm i m o o f d mb a s i cp ri n c i p i e 1 3 自适应技术简述 在无线通信过程中，无线信道呈现复杂多变的状态，随着通信环境和运动状 态的变化而改变。因此，该信道实际上是一个随时间变化的时变信道。在这类时 变信道中，c s i 是随机变化的。如果采用传统的固定调制方式，通信系统则未考虑 信道环境的变化情况，而是以信道状态最差的信道为设计准则对所有的信道都设 置相同调制方式，从而造成频谱利用率较低。 为了有效地提高频谱利用率，自适应技术被提出【2 】，其基本思想是发射端根据 反馈的c s i 动态地调整调制方式2 0 】、编码方式 2 1 】【2 2 】、发射功率5 1 和传输速率【矧等 参数，使之与信道环境相适应，从而达到提高系统整体性能的目的，并将上述动 态调整的参数定义为自由度【4 】。但采用自适应技术的进行数据传输存在相应的先决 条件，那就是发射端必须通过反馈获得完全或部分瞬时c s i ，然后根据c s i 对上述 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 提及的自由度进行动态调整，进而优化系统性能。根据系统的不同，获得c s i 方 式主要分为频分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g , f d d ) 和时分双工( t i m e d i v i s i o nd u p l e x i n g t d d ) 两种工作模式，在f d d 工作模式中，上下行链路分别使 用不同的频段进行数据传输，因而在发射端与接收端之间需建立一条专门的反馈 信道，用来将c s i 反馈给发射端；在t d d 工作模式中，上下行链路使用相同的频 段进行数据传输，因而无需建立专门的反馈信道，只需利用不同时隙来分离发送 数据和反馈c s i ，因此该模式下的信道具有“可逆性【3 】。 目前已获得的研究结果表明，与固定调制方案相比，自适应传输方案能取得 较大的性能增益。文献 2 2 】给出了在多进制正交幅度调制( m u l t i p l eq 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 , m q a m ) 调制条件下，对发射功率和传输速率进行自适应调 整后的系统性能进行了定量的分析，并进行了验证，从实验结果可以得出自适应 m q a m 调制方案比固定调制方案有大约2 0 d b 的性能增益的结论。文献 4 】在假设 信道为平坦衰落环境下，针对不同的调制方式，比较系统的研究了几个自由度一 传输速率、发射功率、b e r 存在限制条件时，对自适应传输方案频谱效率的影响。 针对m i m o 技术，由于系统通过在收发两端配置多根射频天线，增加了空间 这个维度。因而，在m i m o 系统中采用白适应技术除了调整上述提及的自由度以 外，还可以通过自适应调整收发两端天线的数量和天线的传输方式来优化系统的 整体性能和提高频谱效率【1 5 】【刎 2 5 】【2 6 1 。该系统发射端利用获得的反馈c s i ，可自适 应的调整不同发射天线的发射功率和比特分配等，进而提高频谱利用率和系统性 能。根据优化目标和适用环境的不同，系统分为多种传输方案，有采用分集技术 提高系统性能的方案，有采用复用技术增加系统容量的方案；有适用于天线之间 存在相关性的环境，也有适用于天线之间存在相互独立条件的环境。根据信道的 状态和优化目标以及环境的要求，选择合适的传输方案以及多种传输方案的结合， 属于当前国内外学者的研究热点 1 5 】 2 5 】【2 6 】【2 刀。 而将自适应技术与o f d m 技术进行融合处理，也能较大幅度的提高频谱利用 率和系统性能。这是由于无线信道存在频率选择性衰落的特性，根据o f d m 的基 本原理，该系统不同子载波之间的信道状态存在一定的差异，通过在发射端对获 得的c s i 进行分析，根据子载波信道状态的优劣程度，在不同子载波上分配不同 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 的发射功率和数据比特，进而提高频谱利用率或系统性能。按照优化目标的不同， 自适应o f d m 技术主要分为边缘自适应( m a r g i na d a p t i v e ，m a ) 和速率自适应 ( r a t ea d a p t i v e ，r a ) 两个准则。m a 准则的目标是在传输速率和误比特率( b i te r r o r r a t e , b e r ) 定的情况下使系统发射功率最小，由于该准则是针对系统的可靠性 进行优化，所以无线多媒体业务大多采用这一准则，文献 2 8 2 9 】中的比特加载算 法就属于这一准则。r a 准则的目标是在发射功率和b e r 一定的情况下使整个系 统具有最大的吞吐量，文献 3 0 】 3 1 】中的比特加载就属于这一准则。 将自适应技术引入到m i m o o f d m 系统中，通过充分利用空间、时间和频率 三个维度，进而可以获得更多的调整参数，设计出更为高效的传输方案，但同时 也增加了实现的复杂度 3 2 】 3 3 】【3 4 1 。因此，该研究方向有待进一步深入研究。 1 4 多用户m lm o - o f d m 自适应资源分配简述 针对多用户m h m o o f d m 系统，在给定各用户间信道衰落是相互独立的条件 下，由于不同用户所处的地理位置是不同的，使得在通信过程中经历着不同的衰 落。因此，针对同一个子载波调制的信道，在某个时间段，一些用户可能所经历 较差的信道状态，只能传输较少甚至无法传输数据信息，然而，另外的用户可能 经历较好的信道状态，能传输较多的数据信息，这就是在多用户环境中存在的“多 用户分集 效应。如果在某个时间段发射端能够获取所有用户在不同子载波上的 c s i ，就可以通过分析各自对应的c s i ，将资源合理分配给该时间段适合进行数据 传输的用户，进而获得“多用户分集增益 。随着系统中用户数的增多，针对某 个时间段子载波调制的信道来说，经历较好信道状态的用户数也就越多，如果让 这个时间段将所有子载波分配给对应信道状态最好的用户进行数据传输，那将会 获得较大的增益，从而提高系统性能和频谱利用率。与其他分集技术不同的是， 它并未将衰落当作负面效应进行抵消，而是通过将多用户数据传输信道呈随机衰 落的这一特性加以利用，使之产生多用户分集的效果，是一种“系统级 的优化 方法【3 5 】。 通过将“多用户分集 效应与自适应技术进行结合，根据不同用户的c s i 和 q o s 需求动态地调整自由度，从而对频谱资源进行自适应分配，达到进一步提高 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 系统性能和频谱效率的目的。接下来从单纯考虑物理层信息和综合考虑通信网各 层信息两个方面对现有的研究进行简要的介绍。 1 4 1 基于物理层信息的自适应资源分配 物理层自适应资源分配的设计通常可归纳为在不考虑各类业务q o s 要求条件 下，按照一定的约束条件，通过动态调整相应的自由度，达到优化某一代价函数 的目的，从而实现该优化目标的最优传输方案。就多用户m i m o o f d m 系统而言， 按照优化目标的不同，主要分为分集和复用两类。文献 3 2 】 3 4 3 6 】【3 7 】分别就这两 类情况进行了必要的分析，得出相应的资源分配算法。与此同时，国内外一些研 究学者正在考虑如何将上述两类应用进行融合处理，但由于分集增益和复用增益 是相互矛盾的，一种增益的取得必须牺牲另一种增益为代价来获取。因此，只有 根据通信的需求，找出同时具有分集增益和复用增益的折衷算、法【3 8 】，然而，这种 折衷算法属于多目标联合优化问题，且不同的用户有着不同的传输性能要求，使 得实现起来存在较大的难度，所以目前这方面的研究仍在探索之中。 目前基于物理层资源分配存在着以下几个问题和不足：第一，发射端要求知 道所有用户对应的完全c s i ，但在实际通信过程中，发射端获得的c s i 存在一定的 误差，这些误差主要来源于四个方面【2 6 】：其一，接收端信道估计所引入的误差； 其二，对信道信息进行量化所引入的误差；其三，反馈信道引入的误差；其四， 由处理时延、反馈时延和接收端移动性等造成的信道信息过期：使得这一条件很 难实现。针对这一问题，可以通过获得的部分反馈c s i 来设计系统，现有研究已 从利用信道状态统计信息和利用部分c s i 进行预测两个方面进行分析，在缺乏完 全正确c s i 条件下，同样达到提高系统性能和频谱利用率的目的【3 4 】 3 9 1 。第二、在 实际通信的物理环境中，收发两端由于缺少足够的散射空间，使得m i m o 信道具 有一定的相关性，从而对系统性能和频谱利用率造成负面影响。第三、仅从物理 层的角度来设计资源分配方案，将无法满足不同业务用户q o s 要求。对此，兼顾 上层不同业务需求的跨层资源分配应该被考剧3 5 】。在下一小节将对该问题进行较 为详细的描述。 西南科技大学硕士研究生学位论文一第8 页 1 4 2 基于不同业务q o s 要求的自适应跨层资源分配 随着无线通信和多媒体业务的发展，人们对通信系统有了更高的要求，在满 足高性能和高吞吐量的同时，也必须满足多种业务的不同需求，这也是下一代无 线通信系统设计的要求。由于不同业务对q o s 有着不同的要求，按照i e e e 8 0 2 1 6 的通信标准，现有业务主要分为以下四类【删： ( 1 ) 主动授权业务( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ，u g s ) 用来支持常比特速率 ( c o n s t a n tb i tr a t e ，c b r ) 或固定大小吞吐量传输的实时数据流，例如e l t 1 线路、 语音口电话( v o i c e o v e ri n t e m e tp r o t o c o l ，v o l p ) 等。该业务在吞吐量、时延、可容 忍抖动上应得到保证，对应的q o s 性能指标主要有误包率( p a c k e te r r o rr a t e ， p e r ) 、b e r 和固定传输速率。 ( 2 ) 实时业务( r e a l t i m es e r v i c e ，r t s ) 用来支持可变速率( v a r i a b l eb i tr a t e ， w r ) 传输的实时数据流，例如视频数据流和运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r e s e x p e r t sg r o u p ，m p e g ) 视频会议等。该业务在最小保留业务速率、最大持续传输 速率、延时上应得到保证，对应的q o s 性能指标主要有p e r 、b e r 和最大延时。 ( 3 ) 非实时业务( n o n r e a l t i m es e r v i c e ，n r t s ) 用来支持v b r 传输的耐时延 数据流，例如文件传输协议( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，f t p ) 等。该业务在最小保留业 务速率、最大传输速率、时延上应得到保证，但于r t s 相比，可容忍较长的时延， 对应的q o s 性能指标主要有p e r 、最小保留业务速率( 可以利用b e r 限制和最大 延时表示) 和最大传输速率。 ( 4 ) b e 用来支持无最小保留业务速率保证和延时限制的数据流，例如超文本 传输协议( h y p e r t e x tt r a n s p o r tp r o t o c o l ，h t t p ) 和电子邮件( e l e c t r o n i cm a i l ， e m a i l ) 等。该业务是在保证前三种业务q o s 要求条件下使用剩余的带宽，同时 也存在最大传输速率限制，对应的q o s 性能指标主要有最大传输速率和p e r 。 针对上述四类业务，按照优化目标的不同，可以给出相应的跨层资源分配设 计方案，该设计方案突破了传统通信网结构的分层模式，通过将各层之间的信息 进行交互，实现信息的共享，从而在考虑各层参数要求的基础上对系统进行优化， 提高频谱利用率，从而更适合通信的实际需求。其对应各层交互的信息和参数如 表1 2 所示 4 0 d 1 1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 表1 - 2 通信网各层的信息与参数指标 t a b i e 1 2i n f o r m a t i o na n dp a r a m e t e ri n d e xo ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k0 s im o d e i 1 5 论文主要工作和结构安排 众所周知，m i m o o f d m 系统因其卓越的功能性，很有希望成为下一代无线 通信的核心技术。到目前为止，根据m i m o 系统中传输策略的不同，国内外研究 学者针对自适应m i m o o f d m 资源分配技术进行了相应的研究，并通过实验进行 了验证。但研究大多基于不同收发间的信道是相互独立的假设进行分析 【3 2 】【3 3 3 4 3 6 】 3 7 1 ，未考虑到在实际通信环境中，当发射端或者接收端没有足够散射空 间的时候，天线之间会存在不同程度的相关性，使得不同收发天线间的信道独立 性受到一定的影响 1 】【2 】【2 5 1 。因此，在相关信道条件下对自适应m i m o o f d m 资源 分配算法进行研究是很有必要的。另外，在对不同业务q o s 要求的跨层资源分配 进行分析时，现有的研究大多存在一定的假设条件【4 3 】【4 5 1 ，不符合通信的实际需 求和系统设计。因而，在综合考虑通信各方面的需求，设计自适应m i m o o f d m 的跨层资源分配算法是很有意义的。 本课题来源于国家自然科学基金项目“认知无线电智能学习与决策关键技术 研究 ( 批准号：6 1 0 7 2 1 3 8 ) 。论文的主要内容属于作者参加该课题研究中所取得的 成果。 1 5 1论文主要工作 针对m i m o o f d m 系统优化目标的不同，论文从分集和复用两个方面入手， 对波束成型、s t b c 和v - b l a s t 三种传输策略进行研究，并给出相应的资源分配 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 准则。论文的主要工作如下： ( 1 ) 基于波束成型传输策略 现有基于波束成型的子载波分配，大多假设不同收发天线间的信道是相互独 立的条件下进行研究，考虑至| j 实际通信环境中，当发射端或者接收端没有足够散 射空间的时候，天线之间会存在不同程度的相关性，使得不同收发天线问的信道 独立性受到一定的影响。论文将在综合考虑不同收发天线间信道具有空间相关性 的通信环境和通信过程中信道存在延时反馈两个因素下进行数学推导，给出接收 信噪比的数学模型，进而得出相应的子载波分配算法，并在考虑用户传输比例限 制条件下对算法进行改进。 在推导过程中，论文采用k r o n e c k e r 模型作为相关信道模型，并利用均值反馈 模型来描述部分c s i 的传递过程。通过理论分析和实验仿真表明子载波分配算法 的性能与天线相关矩阵和c s i 反馈质量同时相关，且呈反比。 ( 2 ) 基于s t b c 传输策略 该传输策略仍从实际通信环境出发，综合考虑不同收发天线间信道具有空间 相关性的通信环境和通信过程中信道存在延时反馈两个因素下进行数学推导，给 出系统发射功率的数学模型，进而得出子载波分配算法。并在考虑用户传输比例 限制和公平性条件两种情况下对算法进行改进。 在推导过程中，论文采用k r o n c c k e r 模型作为相关信道模型，并利用动态发射 端的信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt h et r a n s m i t ，c s i t ) 模型来描述部 分c s i 的传递过程。通过理论分析和实验仿真表明子载波分配算法的性能与天线 相关矩阵和c s i 反馈质量同时相关，且呈反比。 ( 3 ) 基于v - b l a s t 传输策略 现有基于该策略的子载波分配，有单独针对物理层进行系统设计的，也有在 考虑不同业务q o s 要求条件下进行跨层设计，但研究都存在一定的限制条件。论 文根据现有通信实际业务的需求，综合考虑i e e e 8 0 2 1 6 四种业务的q o s 要求，在 通信过程中存在延时反馈和基站端数据链路层存在用户有限缓存的条件下，根据 不同业务q o s 性能指标要求进行数学推导，给出相应的数学模型，进而得出跨层 资源分配算法。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 推导过程中，考虑到不同业务q o s 要求、用户公平性及数据链路层动态特性( 例 如队列长度、包到达速率等) 的基础上，利用均值反馈模型来描述物理层部分c s i 的传递过程。通过理论分析表明资源分配算法的性能与c s i 反馈质量相关，同时 也通过实验验证了算法的鲁棒性。 1 5 2 论文结构安排 本文共分五章，具体安排如下： 第一章是绪论，简要介绍了论文研究背景和意义，并对m i m o o f d m 技术、 自适应技术和多用户资源分配技术的研究现状进行了综述，进而给出本文所要研 究的内容和解决的问题。 第二章针对波束成型多用户m i m o o f d m 系统，在相关信道下对基于部分 c s i 的子载波分配进行研究，通过利用k r o n e c k e r 相关信道模型和均值反馈模型进 行数学建模，给出相应的子载波分配算法，并在考虑传输比例限制条件下进行改 进。 第三章针对多用户s t b c o f d m 系统，在相关信道下对基于部分c s i 的子载 波分配进行研究，通过利用k r o n e c k e r 相关信道模型和动态c s i t 信道反馈模型进 行数学建模，给出相应的子载波分配算法，并在考虑传输比例限制和用户间公平 性原则条件下进行改进。 第四章针对不同业务q o s 要求，对部分c s i 条件下跨层子载波分配进行研究， 在通过对应用层不同业务q o s 性能指标和数据链路层队列状态信息( q u e u es t a t e i n f o r m a t i o n ，q s i ) 进行分析的基础上，利用均值反馈模型进行数学建模，给出相 应的跨层子载波分配算法。 第五章是对全文的总结，并在此基础提出尚待进一步研究的方向。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 相关信道下基于波束成型的子载波分配 无线通信中的m i m o 技术是通过在发射端和接收端分别配置多个射频天线， 增加空间自由度使系统能够在不增加带宽和发射功率的情况下，极大地提高系统 性能和频谱利用率。但在无线信道进行高速数据传输时，由于多径效应，会使信 道呈现频率选择性衰落，造成传输数据经历严重的码间干扰，从而对系统性能和 频谱利用率产生一定程度的影响。o f d m 作为一种调制和复用技术，通过串并处 理可将频率选择性信道转化成一系列平坦衰落信道，从而具有抗码间干扰和抗频 率选择性衰落的特性。将上述两种技术进行融合处理，在无线通信系统中形成了 一种高性能和高吞吐量的通信结构，即m i m o o f d m 。 与传统的s i s o o f d m 不同，m i m o o f d m 系统的每个子载波都是独立进行 m i m o 传输，使得系统中每个子载波的信道增益都是以矩阵的方式出现，其对应 的元素为不同收发天线间的信道增益。通过利用不同传输方案对收发两端的 m i m o 进行处理，使信道采用不同的增益方式，从而产生不同的子载波分配方案。 作为一种优化性能的传输方案，波束成型在发射端通过利用c s i 对天线进行 适当的加权处理使系统所有传输功率对准一个方向，从而获得阵列增益，在接收 端经过m r c 处理就可获得最大接收信噪比 2 】【3 2 1 。针对完全及部分c s i 条件，现有 研究对子载波分配算法进行了一定的分析，但分析大多基于不同收发天线间的信 道是相互独立条件下进行的 3 2 】【4 2 】。考虑到在实际通信环境中，当发射端或接收端 没有足够的散射空间时，天线之间会存在不同程度的相关性，使得不同收发天线 间的信道独立性受到一定影响【l 】【4 3 1 。 本章以m i m o o f d m 系统的下行链路为研究对象，在空间相关瑞利信道下给 出基于部分c s i 的子载波分配算法。该算法在采用k r o n e c k e r 模型表示相关瑞利衰 落信道基础上【1 1 4 3 1 ，利用均值反馈模型来描述c s i 的传递过程删【3 4 1 ，进而在不考 虑用户需求条件下以系统发射功率最小化为优化目标推导出相应的子载波分配算 法。并在此基础上进行改进，给出一种基于比例公平原则的子载波分配次优算法。 西南科技大学硕士研究生学位论文一一 第1 3 页 2 1系统模型与优化目标 2 1 1系统模型 用户l 用户k l 肭 基站端 忑 延时c s i 和天 d ( 线相关矩阵 馈 信， 道v ! _ l 提取用 o i 嗍调器 1 l 阳白厶 户瑚： ： l 川wi 一数据信 n 珏 y ， 、 n r 息 o i 蝴调器 田 图2 - 1基于波束成型多用户m 0 - 0 f d m 下行链路系统模型 f i g2 1 m u l t i u s e rm l m 0 - 0 f d md o w n i n ks y s t e mm o d e iw i l ：hb e a n f f o r m i n g 基于波束成型的多用户m i m o o f d m 下行链路系统模型如图2 1 所示【3 4 】，系 统中均匀分布k 个用户，基站端配置有m 个发射天线且各用户端均配置有m 个接 收天线，m m ，o f d m 系统中包含个子载波且每个子载波带宽小于相干带宽， 以使每个子载波为平坦衰落信道。在假设接收端与发射端之间的天线是相互独立 的条件下，根据k r o n e c k e r 内积公式，可将s 时刻基站端与用户k 之间在第n 个子 载波上的空间相关m i m o 信道表示为【2 5 】【4 3 】 凰。( s ) = 制2 g 。( s ) 则2 啊，i ( s )盾，2 ( s ) 啊，r ( s ) ，l ( s )，2 0 ) 忽，m ( s ) k ，( s ) k ，：( s ) k “( s ) ( 2 1 ) 其中，钆( s ) 为j 时刻基站端与用户耽间在第，z 个子载波上对应的鳓根发射天线与 第f 根接收天线之间的信道增益；g 。o ) 为s 时刻，x n , 维零均值、单位方差的循 环对称复高斯矩阵；碍、r r 分别为m m 维和r x n r 维矩阵，各自反映了发射天 器一 一器 竺 丽 调一 一调 竺一 1一 载分和特载子波配比加 制 制 子分比配莹导波和分翰一一一鞑 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 线之间和接收天线之间的相关性，其相关矩阵可分别表示为 辟= 岛= 而， 岛，脯 t n t 。n t _ r i ， 恐，坼 r n ，。m ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，岛，- ，为发射端第i 根天线与第根天线的相关系数，r i 。_ ，为接收端第i 根天线与 第，根天线的相关系数，可分别表示为 岛，_ ，= e 域。_ ， ( 2 4 ) r i ，_ ，= e 岛，。巧，。)( 2 5 ) 而在实际通信环境中，基站端天线附近通常不存在本地散射物，仅用户端天 线之间有足够的散射空间。因此，根据式( 2 1 ) ，可将相关信道矩阵风。( s ) 进一步 表示为【4 3 巩。0 ) = g k ，。( s ) 群2( 2 6 ) 式中，相关矩阵岛采用指数相关模型，则可将式( 2 2 ) 进一步表示为哗】 r r = 1 y7 2 7 m 一1 1 ， 1 y p t 矿y 1 矿一 广一1 广 1 ( 2 7 ) 其中，为基站端相邻两根发射天线的相关系数( o ， ( 2 8 ) = 肜位e ( 呶，。( s ) ) 哦，。( s ) ) 剧2 式中，日上一( s ) 为s 时刻基站端已知信道矩阵风。o 一) 情况下h k 。( s ) 的条件均值， 即日t 埘( j ) = e h k ，。( s ) i 风。o - r k ) ，为用户k 的反馈延时；t ，。( s ) 为s 时刻不同 收发天线间信道相互独立条件下基站端和用户k 2 _ 间在第n 个子载波上均值反馈估 计与真实信道间的误差，且服从复高斯分布【3 哪；邑。o ) 为时刻发射天线相关条件 下j 基站端和用户诧间在第n 子载波上均值反馈估计与真实信道间的误差，且服从 复高斯分布，即童k , n ( s ) - - c n ( o ，。m ，r ，。( s ) ) 。 根据j a k e 模型【3 4 ，可将h k 。盯o r k ) 与日咖( s ) 之间的相关系数定义为 , o k = 山( 2 哌。r k ) ，五为用户k 的多普勒频移。因此，式( 2 8 ) 的条件均值日如( s ) 和 误差协方差r 。( j ) 可进一步表示为 h k ，n 0 ) = 凤风。0 - r k ) 风，。( s ) = 群佗