（通信与信息系统专业论文）ofdma系统中下行链路资源分配算法研究.pdf

摘要 正交频分复用多址( o f d m a ) 技术已广泛应用于多个通信标准，并将成为第四 代移动通信( 4 g ) 中的关键技术。对资源受限的通信系统，如何对资源进行合理的 利用和分配显得尤为重要。 本文提出了一种多小区o f d m a 系统下行链路的资源分配算法。首先，为降 低最优化问题的复杂度，将用户调度和功率分配分开完成，在用户调度确定的情 况下，进行了功率的博弈分配。其次，在用户调度中，为提高调度用户的公平性， 将m a x m i n 算法、贪婪算法和渐近公平算法引入到部分频率复用中，提出了一种 新的用户调度算法。最后，为抑s o d , 区间的同频干扰，引入非合作博弈论的思想 对小区中各子载波上的功率进行了博弈分配，在博弈分配中，考虑到博弈用户之 间的公平性，将用户到本基站的距离引入到定价函数中，提出了一种新的定价机 制。 仿真表明，本文算法在保证系统吞吐量性能的同时，进一步提升了系统的公 平性，同时降低了基站的平均发送功率。 关键词：正交频分复用多址多小区子载波分配非合作博弈论 a b s t r a c t 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 ( o f d m a ) h a sb e e na p p l i e di n c o m m u n i c a t i o nf i e l d so v e raw i d er a n g e ，a n dw i l lb et h em o s tp r o m i s i n gt e c h n i q u ei n 4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i n c er e s o u r c ec o n s t r a i n t si nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o i ti ss i g n i f i c a n tt h a th o wt oe x p l o i ta n dd i s t r i b u t et h er e s o u r c er e a s o n a b l y i nt h i sp a p e r , w ep r e s e n tan e w a l g o r i t h mf o rt h ed o w n l i n kr e s o u r c ea l l o c a t i o ni n m u l t i c e l lo f d m a s y s t e m s f i r s t l y , t os i m p l i f yf u r t h e r , t h ew h o l ep r o c e d u r ei sd i v i d e d i n t ot w os t e p s ，an o n c o o p e r a t i v ep o w e ra l l o c a t i o ni sf o r m u l a t e da f t e ru s e rs c h e d u l i n g h a sd e t e r m i n e d s e c o n d l y , i no r d e rt oi m p r o v es y s t e ml e v e lf a i m e s s ，w ep u tm a x m i n a l g o r i t h m ，g r e e d ya l g o r i t h ma n da s y m p t o t i cf a i ra l g o r i t h mi no p t i m a lf r a c t i o n a l f r e q u e n c yr e u s e ( f f r ) ，a n dp r o p o s e dan o v e lu s e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m f i n a l l y , i n o r d e rt oc o n t r o lt h ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c ea m o n gt h en e i g h b o r i n gc e l l s ，w ep u tt h e g a m et h e o r yi nt h em u l t i c e l lp o w e ra l l o c a t i o n ，a n di n t r o d u c ed i s t a n c eb e t w e e ne a c h s c h e d u l e du s e ra n db a s es t a t i o ni n t oi t sp r i c i n gf u n c t i o n ，a n dp r e s e n tan e w p r i c i n g m e c h a n i s m s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi m p r o v e ss y s t e ml e v e l f a i r n e s sw i t hg o o dp e r f o r m a n c ei nt e r m so f s y s t e mt h r o u g h p u t ，a n dc a nr e d u c ea v e r a g e p o w e t k e y w o r d s ：o f d m a m u l t i c e l l c a r r i e ra l l o c a t i o n n o n - c o o p e r a t i v eg a m e t h e o r y 第一章绪论 第一章绪论 在日常生活中，通信扮演着很重要的角色，人类的生活时刻都离不开通信。 同时随着人类对生活质量的不断追求，社会的不断发展也推动着通信技术的更新， 从刚开始的语音业务到现在的多媒体业务、视频业务的发展，人们对通信的要求 越来越高。随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及 移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起，因此有理由期待这种第四代移 动通信技术给人们带来更加美好的未来。同时作为一名通信行业的研究者，我们 有信心去研究第四代移动通信技术，通过自己的创新算法解决问题，将具有很重 要的意义。 1 1 研究背景和意义 o f d m 技术最初是由r w c h a n g 在2 0 世纪6 0 年代中期提出，他指出了带限 信道中并行数据源利用正交子载波同时发送的基本原理，与传统的频分复用相比， 免除了陡峭的带通滤波器，大大提高了频谱利用率。1 9 7 1 年w e i s t e i n 和e b e r t 提出 了用离散傅立叶变换( d f t ) 来等效实现多个调制解调器的功能，成为o f d m 发展 史上的一个里程碑，另一个比较大的突破是1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 提出了采用循环 前缀来解决子载波间的正交性问题，有效的降低了符号间干扰和予载波问干扰，后 来的研究者又在o f d m 系统中采用脉冲代替矩形脉冲，得到了更好的波形【1 4 1 。 随着大规模集成电路和数字信号处理技术的成熟，o f d m 作为新一代通信技 术吸引众多学者进行广泛和深入的研究。j a c 于1 9 9 0 年提出多载波调制技术在 有线链路商用的设想。1 9 9 5 年s d s a n d b e r g 提出了基于小波的多载波调制获得了 比基于d f t 的多载波调制更好的性能。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 l a 通过了一个5 g h z 的 无线局域网标准，其中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准e t s i 的宽带射 频接入网( b r a n ) 的局域网标准也把o f d m 定为它的调制标准技术【1 5 】。 o f d m 技术以其良好的抗多径干扰能力和更高的频谱利用率成为未来宽带无 线接入系统的首选物理层技术，目前它在3 g p pl t e ( e 3 g b 3 g ) 、无线局域网、 w i m a x 标准( i e e e 8 0 2 1 6 s e r i a l ) 、m b w a ( i e e e 8 0 2 2 0 ) 等领域中都得到了广泛的 应用。以o f d m 技术为基础的未来移动通信系统中，最有可能采用的接入技术就 是o f d m a 技术。 正交频分复用多址( 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 ，o f d m a ) 技 术是第四代移动通信技术( 4 g ) 的主流技术。经过多年的发展和完善，o f d m a 技 2 o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 术及其各种演进技术已经在新一代的移动通信系统中占有十分重要的地位，并已 经成功运用到众多通信标准和通信系统中。 o f d m a 是在o f d m 技术的基础上发展起来的。由于o f d m 调制中子载波之间 的相对独立性，每一个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率电平。 通过指定每个用户可以使用这些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 ，同时该技术也被i e e e 8 0 2 1 6 标准化组织列为推荐的物理层采 用的技术i l6 | 。该技术能在无线通信领域满足多径对抗的环境中高速传输速率，并 能满足各种各样的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求，引起越来越多的学者的关注，它 有着广泛的应用前景，尤其在宽带无线领域。 众所周知，不管是那种通信系统或者那种主流技术，频谱资源的有限性使得 频谱资源非常的珍贵，如何有效的利用这一资源，是很多研究机构和研究者追求 的目标。o f d m a 技术利用多用户分集的思想，根据o f d m 的子载波在不同位置的 用户处所表现出来的信道增益的不同来对子载波进行动态划分，并在此基础上动 态的分配比特和功率，根据所分配的比特采用不同的调制技术，即自适应调制， 从而可以达到最有效的频谱资源利用率。如何有效的进行子载波分配，比特和功 率的分配就是o f d m a 动态资源分配算法研究的内容。不同的分配算法对系统中的 性能有较大的影响，如何有效的利用有限的频率资源和功率资源去提高系统的吞 吐量、公平性和q o s 是所有学者追求的目标。 1 2o f d m a 系统中资源分配的研究现状 o f d m a 系统中的资源调度涉及子载波和功率，且资源的联合优化是一种复杂 度极高的问题。已有的研究中，主要采用分步优化的方法：第一步，分配子载波； 第二步，确定各子载波上的功率。 1 2 1 子载波分配算法的研究现状 在多用户o f d m a 系统中，系统的频谱资源由多个用户共享，但是为了避免 小区内的同频干扰，同一个子载波不能同时被多个用户使用。同时由于小区之间 同频干扰的存在，如何把有限的子载波按照某种方法分配给各个用户，以满足各 个用户的需求显得非常重要。 在过去的l o 年中，关于o f d m a 系统中子载波分配算法不断发展，算法也在 不断的完善。其中比较经典的有，在1 9 9 9 年c h e n gy u iw o n g ，r o g e rs c h e n g 等人 提出的w o n g 算法【1 7 】，该算法通过对m a 准则下的最优化问题的求解，得到一个 最优化的子载波和比特联合分配方案。2 0 0 0 年w r h e e 和j m c i o f f i 提出了一种基 第一章绪论 于用户比例速率公平的分配算法【l 】，该算法能满足系统中用户的公平性。2 0 0 1 年a j a l a l i rp a d o v a n i 和rp a n k a j 提出了一种基于用户优先级的轮询调度算法【9 】，该算 法在用户优先级确定的前提下，根据用户的优先级进行子载波的分配。2 0 0 3 年j j a n g 和k b l e e 在小区用户速率和功率受限的情况，将贪婪思想引入到系统的子 载波分配上，提出了一种能最大化系统吞吐量的算法【2 1 ，该算法进行子载波分配时， 每次选择信道条件好的用户，这样保证了系统的吞吐量，但是系统的公平性很差。 2 0 0 0 年h y i n 和h l i u 提出了一种能最大化用户最小速率的算法【3 】，也叫m a x m i n 算法，该算法对子载波进行多次分配，每次选择多个用户中速率最小的用户进行 子载波的分配，这样保证了用户的公平性，但是系统的吞吐量有损耗。2 0 0 3 年 d i d e mk i v a n c 提出了一种资源分配方案，利用用户的信道信息以及传输速率要求 来得到近优的结果 2 ”，这个方案脱离了联合优化的模式，而是将算法分为两步， 使之易于实现。2 0 0 9 年r i a s o u l i h 和a n p a l a g a n a 在文献 2 和文献 3 基础上提 出了一种单小区中多用户的渐近公平的子载波调度算法【4 j ，该算法即能保证小区内 用户的公平性，也能提高小区的吞吐量。但是该算法只适用单小区，直接移植到 多小区时，性能很差。 1 2 2 功率分配算法的研究现状 蜂窝移动通信系统中，无论是基站( b s ) 还是移动用户( m s ) ，功率资源都是有 限的，同时由于多小区中同频用户之间的干扰，怎样合理的将功率分配到每个子 载波上，提高系统的总吞吐量和公平性，是我们研究的主要目的。 o f d m a 系统中功率分配是一个经典的研究问题，迭代注水算法是理论上界 【5 】，但是需要经过多次迭代运算才能求出吞吐量最大的最优解，目前研究主要集中 在如何减少迭代次数和寻求运算量小的次优解【6 ，7 】，文献 7 给出了一种快速迭代算 法。2 0 0 7 年l u c av e n t u r i n o 和x i a o d o n gw a n g 提出一种新的迭代注水算法【8 1 ，该算 法收敛速率快，但是功率注水线比较难确定。同年张冬梅等人提出一种o f d m a 系统中线性注水功率分配算法【9 】，运算中不需要多次迭代，就可完成功率注水过程， 该算法的吞吐量逼近迭代注水功率分配算法。2 0 11 年t a ow a n g 和v a n d e n d o r p el 提出了一种o f d m a 系统中最大化系统的最小吞吐量的功率注水迭代分算法【1 0 】。 博弈论作为数学领域的一个重要分支在解决资源调度问题方面具有独特的优势， 近年来在无线通信中得到了广泛的应用。文献 1 1 提出了一种非合作功率博弈分 配算法，但是并没有深入讨论用户的调度算法。文献 1 2 将信道质量引入到定价 函数中提出了一种新的非合作功率博弈分配算法，该算法提高了系统中用户的公 平性。文献 1 3 提出了一种多小区中单用户的博弈算法，但是文中用户的调度算 法直接引入到多用户中公平性很差，同时博弈的定价机制也没有考虑到用户的信 4 o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 道状况，所以博弈的结果不公平。 1 3 1 论文主要内容 1 3 论文的主要内容和结构安排 本文以o f d m a 下行链路资源分配技术为背景，在现有的资源分配技术的基 础上，重点研究了子载波和功率的分配。通过理论分析，改进了分配方案，并且 通过仿真验证了改进方案的可行性和有效性。 ( 1 ) 研究了o f d m a 下行链路多小区多用户系统中，以满足用户的传输要求， 基站如何分配子载波来提高系统的公平性，并且也能保证系统的吞吐量损耗最小。 论文主要在现有分配技术的基础上，重点深入的研究了贪婪算法、m a x m i n 算法、 渐近公平算法。根据各算法的优缺点以及多小区中存在同频干扰的缺点，将部分 频率复用的思想和渐近公平算法、贪婪算法进行了有效的组合。首先，为降低小 区间同频干扰的影响，采用频率复用的思想。其次，对小区中心用户进行调度时， 由于它们的信道质量比较好，则采用了渐近公平算法对子载波进行了分配，这样 既保证了小区的吞吐量，也提高了中心用户的公平性。最后，对小区边缘用户， 由于信道质量比较差，为保证系统的吞吐量，则采用贪婪算法进行调度。该子载 波分配算法在小区总吞吐量损耗不大的情况下，能够有效的提高了小区的公平性。 ( 2 ) 研究了在子载波分配的基础上，基站如何分配各子载波上的功率，以减少 系统中的同频干扰，并且在功率受限的情况下，以较少的功率资源来保证系统的 吞吐量和公平性。由于经典的注水算法，其功率注水线很难确定，以及算法的复 杂性，要达到平衡点需要多次迭代才能完成。所以本文引入了博弈论的思想对功 率进行了博弈分配。首先，为降低同频用户之间的干扰，则参与功率博弈的是同 频用户。其次，考虑到博弈用户信道质量之间的差异，将用户离基站的距离引入 到定价因子中，提出了一种能提高博弈用户之间公平性的定价机制。该机制促使 博弈者在竞争资源时折衷考虑所获效用和所付出的代价，在效用与代价之间寻找 最佳的平衡点，此时系统可以达到最优解。该功率分配算法能够保证在系统总功 率损耗最少的前提下，提高系统的公平性，同时能有效的降低系统消耗的功率。 1 3 2 论文的结构 首先，在绪论中主要介绍了o f d m a 技术的应用背景及o f d m a 系统中资源 分配算法的研究现状。 在第二章中，详细的介绍了o f d m a 系统中的关键技术，如o f d m 的基本原 第一章绪论 理，无线信道的特性，并且给出了o f d m a 系统下行链路的系统模型。 在第三章中，研究了o f d m a 系统中资源分配的算法，对子载波算法和功率 分配算法进行了深入的研究。对子载波分配算法中的贪婪算法、m a x m i n 算法、 渐近公平算法的原理进行了推导和性能的分析。在功率分配算法中，重点研究了 非合作博弈的分配思想，对博弈模型中的代价函数、效用函数、以及帕类托最优 解的存在性和唯一性进行了推导和证明。 在第四章中，通过对第三章中算法的分析研究，根据各算法的优缺点，以及 原算法在分配中存在的问题，进而提出了改进的算法。本章主要对新的算法进行 了分析研究，对它的提出进行了充分的理论证明，最后通过仿真验证了新算法的 有效性，并与其他算法对比，证明了新算法的优越性。 最后对文章内容进行了全面的总结，并对后续的研究工作进行了展望。 6 o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 第二章o f d m a 系统及无线信道 7 第二章o f d m a 系统及无线信道 o f d m a 是基于o f d m 技术的多址接入技术，与o f d m 是一样的系统调制方 案，因此有必要先了解o f d m 的原理，了解无线信道特点以及o f d m a 系统中下 行链路的信道模型，本章是研究o f d m a 系统中资源分配算法的基础。 2 1o f d m 系统的基本原理 本节主要对o f d m 系统的原理框图，o f d m 系统的d f t 实现以及o f d m 技 术的特点进行了详细的阐述。 2 1 1o f d m 技术的原理框图 正交频分复用的基本原理是将高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对 较低的若干个子信道中进行传输。在接收端，用同样数量的载波进行相干解调， 获得低速率数据流，再经过并串变换形成高速数据流。在o f d m 调制中，数据传 输速率降低了，符号周期相对就增加了，因而对时延扩展有较强的抵抗力，可以 减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。通常在 o f d m 符号之间插入保护间隔，以最大限度地消除由多径所带来的符号间干扰 ( i s i ) ，同时为避免由多径所带来的子信道间干扰( i c i ) ，一般都采用循环前缀作为 保护间隔。图2 1 给出了o f d m 系统的原理框副m j 。 串 并变 换 叫解调h 娶目篙警 i f f t 的变 换 f f t 的变 换 并 串变 化 插入 循环 前缀 加噪 串ll 去掉 并变h 循环 换ii 前缀 信道 图2 1o f d m 系统的原理框图 在发射端，首先把调制后的高速串行数据流进行串并转换，使其变成低速的 8 o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 并行数据流，然后把此并行数据进行傅立叶逆变换i f f t 变换到时域，再把数据流 并串转换后插入保护间隔，一般采用循环前缀( c p ) 之后，把数据送入信道。在接 收端先去掉循环前缀，然后进行一系列发送端的逆过程。 2 1 2o f d m 原理的数学推导及d f t 实现 1 o f d m 原理的数学推导 一个o f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 的子载波。其中，表示子载波的个数，r 表示o f d m 符号的持续时间( 周期) ， 墨( f = o ，l ，n - i ) 是分配给每个子信道的数据符号，r e c t ( t ) = l ，l t i t 2 ，z 是 第f 个子载波的载波频率，若z 表示零个子载波的载波频率，则有z = z + ( r ) 。 从f = ，。开始的o f d m 符号可以表示为： fr ，- l、 x o ) ： r e i 善s 阳c f o 一一丁7 2 ) e x p _ ，2 万z ( f 一气) 1 f + r ( 2 1 ) 1 0 t 丁+ 通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，如下： r n - ! 础) ：j 善渺砸一刁) e x p u 2 万事。训 俾 ( 2 - 2 ) l 0 f 丁+ 其中x ( f ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际系统中 可以分别和对应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号合成的 o f d m 符号【15 1 。 o f d m 系统调制解调的基本原理框图如图2 2 所示。在接收端，将接收到的同 相和正交矢量映射到数据信息，完成子载波解调。 且= 区卜叫墼坌卜 串并鹾 +望送卜 正并悼 妊 e - j 2 硝“ 一6 f 丽恤 图2 2o f d m 系统基本模型框图 图2 3 给出了一个o f d m 符号内包含3 个子载波的实际例子。在此例中，所 有子载波具有相同的幅值和相位，而在实际应用中，根据数据符号调制方式的不 第二章o f d m a 系统及无线信道 9 同，每个子载波的幅值和相位可能是不同的。图中每个子载波在一个o f d m 符号 周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期，即各个子 载波信号之间满足正交性【2 8 】。 o f d m 子载波 图2 3o f d m 包括3 个子载波的波形 一个o f d m 符号周期内的每个子载波都包含着整数倍个周期而且各个相邻的 子载波之间相差1 个周期。这一特性可以用来解释予载波之间的正交行，即： ；h ( j w o f ) - e x p ( j w m 归= 托：三： ( 2 - 3 ) 对式( 2 3 ) 中的第歹个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分则： 毫= 专r + r e x p ( 一，2 万- 乒。一，) 篓ze x p ( ，2 万事( ，一) ) 衍 = - ；z 篓4 ! ”e 冲( 伽孚( ) 户= _ c 2 川 由式( 2 - 4 ) 可知，对第_ ，个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对其他载波来说， 由于在积分间隔内，频率差别( f 一) r 可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。 2 o f d m 信号的d f t 实现 对于n 比较大的系统来说，式( 2 2 ) 中的o f d m 复等效基带信号可以采用离散 傅立叶逆变换( i d f t ) 方法来实现。这里，可令式( 2 2 ) 中的t s o ，且忽略矩形函数， 对于信号x ( f ) 以r n 的速率进行抽样，即令f = k r n ( 七= o ，l ，n - 1 ) ，则得到： 1 0 o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 x ( 后) = x ( 七叫) = 篓i e x p ( 1 2 r , ：f k i ) 。七一l ( 2 5 ) 可以看出x ( 七) 等效为对其进行离散逆傅立叶变换( i d f t ) 。所以在接收端，为 了恢复出原始的数据符号，对x ( 七) 进行d f t 变换得到： =艺娴exp(一等)0娜-1k=o ( 2 - 6 ) = x ( 七) 一等) f ( 2 6 v 根据以上的分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t 与d f t 来代替。通过点的i d f t 运算，把频域数据符号s i 尽变换为时域数据符号x ( 七) ， 经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每个i d f t 输出的数据符号缸码都 是由所有子载波符号经过叠加而生成的， 加信号进行抽样得到的。在实际运用中， 换( i f f t 和f f t ) 来实现调制和解调【2 9 1 。 2 1 3o f d m 中循环前缀( c p ) 技术的介绍 即对连续的多个经过调制的子载波的叠 可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变 采用o f d m 的一个重要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。在o f d m 系 统中，为了最大限度地消除符号间干扰，可以在每个o f d m 符号之间插入保护间 隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) ，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩 展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内， 可以不插入任何信号。即是一段空白的传输时段。不过在这种情况下，由于多径 传播的影响，还会产生子载波间干扰( i c i ) ，即子载波间的正交性遭到破坏，产生 不同子载波间的相互干扰 为了消除i c i 可以将o f d m 符号在保护间隔中进行循环扩展即加循环前缀c p 如图2 4 所示。多径延迟小于保护间隔就可以保证o f d m 符号在数据窗内表现为 周期循环，可以保证子载波的正交。 黝黝 1r1r 门 图2 4o f d m 系统中的循环前缀示意图 在i f f t 变换以后，复制本o f d m 符号时域信号中最后长度为g 的波形，并 加到本符号时域信号的前面，形成循环前缀。在接收端，首先将接收符号开始的 第二章o f d m a 系统及无线信道 长度为g 的部分丢弃，然后再对剩余的长度为n 的部分进行f f t 变换。通过在 o f d m 系统中加入循环前缀，可以保证在一个f f t 周期内，o f d m 符号的时延副 本所包含的波形的周期个数也是整数，这样时延小于保护间隔g 的时延信号就不 会在解调过程中产生i c i 。 循环前缀的插入在一定程度上提高了o f d m 系统的性能，但是同时也降低了 o f d m 系统的频谱效率和功率利用率。因此在设计o f d m 系统时，在性能允许的 情况下应尽量缩短循环前缀的长。 2 1 4o f d m 技术的特点 1 o f d m 技术的优点1 1 5 】 1 ) 频谱利用率高 由于o f d m 技术改变了传统传输技术，因此频谱利用率有了大幅度提高。这 也就提高了无线系统的系统容量。频谱利用率可接近奈奎斯特速率，并且可根据 信道条件进行自适应的比特和功率分配，以充分利用信道容量。 2 ) 良好的抗干扰能力 o f d m 是典型的多载波调制方式，符号时宽远大于信道的均方根延迟扩散因 而有较强的抗衰落和多径的能力。而且通过增加保护时间间隔或循环段前缀来消 除码间干扰。 2 o f d m 技术的缺点【1 5 】 1 ) 对系统中的非线性问题敏感 在基于d f t 的o f d m 系统中，所有调制器的输出都自动地联合加在一起，然 后，这个合并后的信号被放大。这与原始的o f d m 系统不同，在最初的o f d m 系 统中，是先对m o d e m 的输出进行放大，再将各个放大后的信号合并在一起，这 就使得基于d f t 的o f d m 系统对放大器的非线性敏感，因此为合并后的信号具有 类似于高斯噪声的幅度特性。 2 ) 对频率偏移敏感 减少频偏对o f d m 尤为重要，因为如果做不到这一点，o f d m 的正交性将无 法保证，就必然引起各子载波之间的相互干扰及符号间干扰。在移动通信中，当 移动台相对于基台运动时，收到的电波将发生频率的变化，此变化称为多普勒频 移。 1 2 o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 2 2 无线信道特性及分析 在理想的条件下，接收信号是由沿唯一路径传播的发射信号得到的。但在实 际的无线通信环境中，电磁波传播的机理是多种多样的，信号往往要经历多种衰 落，沿不同路径传播之后在接收端相互叠加。另外由于移动台的运动，无线信道 还会呈现出时变特性。 在复杂的移动无线通信环境中，电磁波传播的机理是多种多样的，但总体上 可以归结为散射、反射和绕射。在城市的蜂窝无线环境中，由于周围高大建筑物 的遮挡，从发射机和接收机之间很少有可视路径传播信号，到达接收机的信号都 经历了各种障碍物的绕射、反射和散射。因此，接收信号是由各种散射、反射和 绕射信号组成，由于各个信号的传播路径和传播时间不同，它t f j n 达接收机的时 间、幅度和相位也各不相同，这些信号的相互作用造成了瞬时接收信号相位和幅 度的随机波动，这也就是通常所说的多径衰落。图2 5 对移动无线信道的衰落特性 进行了概括描谢3 0 】。 2 2 1 大尺度衰落 图2 5 移动无线信道的特性 对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测，和特定 位置附近场强的变化。对于预测平均场强，并用估计无线覆盖范围的传播模型，由 于它们描述的是发射机和接收机之间长距离( 几百米或几千米) 上的场强变化， 所以被称为大尺度传播模型。 大尺度衰落不仅与时间有关，还与收发距离、载波频率等因素有关。基于理 论和测试的传播模型指出，无论是室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离 第二章o f d m a 系统及无线信道 的对数衰减。对于任意的收发距离，大尺度路径损耗表示为： 瓦( d ) ( 导) ” ( 2 7 ) 口0 其中刀为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率，其与频率、天线高度以 及传播环境有关，在自由空间传播时，刀为2 ，当存在障碍物时，玎的值大于2 ；哦 为近地参考距离，由测试决定；选择自由空间参考距离非常重要【3 0 】。 2 2 2 阴影衰落 电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面 会产生电磁场的阴影，引起信号中尺度变化，从而引起信号衰减，称为阴影衰落。 如果把路径损耗和阴影变化结合起来，在离基站距离d 处的几十个波长间隔上 的平均接收功率给出为： p = p o + 1 0 1 0 9 ( 导) + k ( 2 8 ) 口0 式中以为零均值的高斯分布随机变量，且和位置有关，单位为d b ，标准偏差为仃， 单位也是d b 。 2 2 3 小尺度衰落 小尺度衰落是由于在发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化，而导致 信号幅度和相位较大的变化的现象。小尺度衰落有两种机理，一种是信号时延扩 展，另一种是信道时变特性。时延扩展机理在时域描述成多径时延散布，在频域 中描述为信道相干带宽。时变机理在时域描述成信道相干时间，在频域描述成信 道衰落速率或者多普勒扩展。 对于无线移动系统，因为发射机与接收机之间的相对运动造成传播路径变化， 所以信道是时变的，这些传播特性的变化率决定了信号的衰落速率。小尺度衰落 包含几种衰落模式，当反射路径很多并且没有可视路径时，如果各路径信号的幅 值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号的包络服从瑞 利分布，我们称这种衰落为瑞利衰落。如果发射机和接收机之问的多径传播一个 主要的静态信号分量，而且还存在视距传播路径，则接收信号的包络服从莱斯分 布，我们称这种小尺度衰落为莱斯衰落p 。 1 4o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 2 2 4 移动信道分类 不同多径参数与信号经历的衰落类型之间的关系如表2 1 。应该强调的是，快 慢衰落涉及的是信道的时间变化率与发送信号的时间变化率之间的关系，而不是 传播路径损耗模型。由上面的讨论可以看出，根据信道的频率选择性，可以把信 道分为平坦衰落信道和频率选择性衰落信道：根据信道的时间选择性，可以把信道 分为快衰落信道和慢衰落道。表2 1 列出了无线多径衰落信道的分类【3 0 】，表中b 。表 示信号带宽，z 为信号的周期，盯，是信道的时延扩展，毋表示多普勒扩展，乃为 相干时间，厦表示相关带宽。 表2 1 多径衰落信道的分类 基本参数衰落信道分类 满足条件 平坦衰落信道 皿 q 时延扩展 o r 频率选择性衰落信道鼠 皿且i 乃地 饬 多普勒扩展 b d 慢衰落信道 i 易 2 3o f d m a 系统下行链路模型 所i 胃o f d m a ，就是o f d m 在多用户环境下的应用。o f d m 可以与传统的静态 多址接入方式，j t i f d m a ，t d m a 等结合形成o f d m f d m a ，o f d m t d m a 等静 态的多用户资源分配方式。 在这些静态分配方式中，每个用户将分配到一个特定的频带或时隙来传输数 据。在频率选择性衰落信道中传输数据时，若采用自适应的调制方式，即根据子 载波瞬时信道状态的好坏动态的决定装载的比特数，可以避免固定调制方式下由 于深衰落的影响所带来的系统性能严重下降，但同时由于在特定频带或时隙下用 户所分配到的某些子载波可能并没有分配相应的比特，造成了频谱的利用率不高。 为了更有效的利用频谱资源，我们考虑自适应的多用户子载波分配方式，即利用 每个用户信道的瞬时状态信息来动念分配子载波和比特。这主要是基于不同用户 在无线链路中的衰落参数是彼此独立的，在一个用户处经历深衰落的子载波不可 能同时在所有的用户处都经历深衰落这一思想【l7 1 。o f d m a 系统下行链路发送端和 接收端框图分别如图2 6 弄e 1 2 7 所荆1 7 】。图中假设有k 个用户，个子载波，每个子 第二章o f d m a 系统及无线信道 载波的信道带宽小于信道的相干带宽，以克服多径环境下的i s | 。 图2 6 自适应下行链路o f d m a 发送端框图 图2 7 自适应f 行链路o f d m a 接收端框图 由图2 6 基站的发送端框图可知，基站通过一条反馈的信道获取分布在不同地 理位置的用户的瞬时信道状态信息，系统所采用的子载波，位及功率分配算法利 用这一信息动态的为k 个用户分配子载波、位及功率资源，然后依据在每个子载 波上装载的比特数采用自适应调制，信道状态较好的子载波可以采用高阶调制， 可以在满足一定误码率的基础上传输更多的比特，而信道状态相对较差的子载波 传输较少的比特或者不进行比特的传输。每个用户的数据信息被动态的分配到了 不同的予载波后，采用与o f d m 相同的结构框架进行处理，也同样经过i f f t 进行 调制，并串转换，在每个o f d m 符号后添加循环前缀，在此确保循环前缀的长度应 大于信道最大的时延扩展，数模变换以后更高的射频进行调制后发送到无线信道。 图2 7 显示的是用户k 的接收端框图， 向每个用户传输子载波和位装载的信息。 图中发送端通过一条专有链路来实时的 接收端采用与发送端相反的步骤对所接 1 6 o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 收到的信号进行处理，首先进行a d 变换，然后移除循环前缀，以排除i s i 的影响， 第k 个用户在时问域上的采样通过f f t 变换以后转化为调制的符号，接收端利用接 收到的比特装载信息采用合适的解调方式对调制的符号进行解调，之后用户k 利用 接收到的子载波分配信息从解调得来的比特中挑选出发送给自己的比特数据。 这里假设在一个o f d m 符号时间内信道的变化是缓慢或者是不变的，基站可以 完全获知各个用户的信道信息。 2 4 本章小结 本章主要介绍了o f d m 的基本原理和特点，对无线信道的特性进行了全面的 分析，同时介绍了o f d m a 系统中下行链路的基本模型。本章是研究o f d m a 系 统中资源分配算法的基础。 第三章o f d m a 系统巾资源分配算法研究 1 7 第三章o f d m a 系统中资源分配算法的研究 如第二章所述，o f d m a 系统为多载波传输系统，在多用户存在的情况下呈现 出多样性的特点，即多个子载波上的信道增益对于多个用户来说是不同的。即某 些用户可能在某个子载波上经历深度衰落，但是对于另外一些用户却显示出很好 的信道增益，这样根据不同用户对不同子载波表现出的特性进行子载波分配，有 效的提高了子载波的分配效率。 基于o f d m a 系统的资源分配主要考虑的是系统的吞吐量，系统的公平性等 主要的性能指标。现有的研究主要对资源分配的最优化问题进行了次优化处理， 把子载波和功率分配分开完成，这样提高了系统的资源利用率，并且简化了算法 的复杂度。 本章主要从o f d m a 系统资源分配的原理，资源的帧结构入手，研究了经典 的子载波和功率分配算法，对算法进行了详细的阐述和论证。 3 1o f d m a 系统资源分配的原理 o f d m a 系统的时频二维资源如图3 1 所示。图中，在纵轴上，资源被分为若 干的子信道，每个子信道对应一组子载波或者单个子载波，一个信道对应的是一 个子载波；在横轴上，资源被分为一个个时隙，每个时隙对应若干个o f d m 符号。 由图可知o f d m a 系统中分配的基本单元是时频格( 即一个o f d m 符号中的一个 子信道) 。 匦圆圈磷 用户1 用p 2用户3 图3 1o f d m a 系统资源帧结构 18 o f d m a 系统中下行链路资源分配算法研究 由图3 1 口- - - j 知，o f d m a 系统资源的时频二维性，所以对分配时具有很大的灵活 性，动态的资源分配，可以产生时频分集增益。另外，对于相同的子信道，用户 的移动造成每个用户在其上经历的衰落是独立的。假如有一个用户在此子信道上 经历深度衰落，那么其他用户则很有可能在这个子信道上增益较好，这样若合理 的分配资源，还可以产生多用户分集效果。 o f d m a 系统中的资源分配，主要是根据当前小区内各个用户的信道状况，实 现对功率、子载波等资源的联合最优分配。在o f d m a 系统中，子载波的分配对于 系统的性能具有非常重要的影响，合理地分配子载波能够降低系统的误比特率和 所需的发射功率，提高频谱利用率，增加系统容量或总的数据传输速率。因而，对 资源分配方式的研究对于多用户通信系统来说具有重要的意义。目前关于子载波、 功率分配方法的研究都是基于自适应机制的，即自适应o f d m ，通过采用联合分配 的方法达到资源的最优分配。根据不同优化目标，目前的研究可大概分为两类， 第一类的目标是在传输功率最大值限定的条件下，通过子载波的最优分配使系统 吞吐量达到最大；第二类的目标是在通过子载波的最优分配使总的传输功率最小。 它们采用的算法主要有，基于效用函数的分层最优化白适应资源分配算法、注水 算法和一些降低复杂度的次最优算法等。 资源的联合优化是一种复杂度极高的问题。已有的研究中，主要采用分步优 化的方法：第一步，分配子载波；第二步，确定各子载波上的功率，其中子载波 分配是o f d m a 资源分配的基础，功率分配是在子载波分配的基础上进行分配的。 3 2 子载波分配算法 一旦用户所需的子载波个数确定，下一步就是确定每个用户具体使用哪几个 子载波。j j a n g 和k b l e e 在小区用户速率和功率受限的情况，将贪婪思想引入 到系统的子载波分配上，提出了一种能最大化系统吞吐量算法，简称贪婪算法。h y i n 和h l i u 提出了一种能最大化用户最小速率的算法，也叫m a x m i n 算法， r i a s o u l i h 和a n p a l a g a n a 在上述算法的基础上提出了渐近公平调度算法。下面对 这三种子载波分配算法进行了介绍。 3 2 1 贪婪算法 该子载波分配算法将贪婪思想引入到资源分配中，由于o f d m a 系统中各用 户在每个信道上的信道增益不同，调度器每次选择信道条件好的用户进行调度。 该算法具体的调度流程图如图3 2 所示。 第三章o f d m a 系统中资源分配算法研究 1 9 图3 2 贪婪算法的分配流程图 1 贪婪算法实现的具体步骤 步骤一：初始化参数，口埘，。= 0 ，v m ，刀，疋= 0 ，v n ，a = l ，2 ，m ，。表 示小区用户r 占有子载波m 的情况，r 表示用户刀的速率，么表示小区内子载波 的集合。 步骤- - 对于v m a ，依据该式选择用户，= a r g m a x 。 ，k n 表示该小 区用户集合，。= l ，更新用户的速率b = 砖+ b x l 0 9 2 ( 1 + 。) m ，。表示用户 疗在子载波m 上的信道增益，。表示用户n 在子载波m 上的信干噪比。 2 贪婪算法的优点 ( 1 ) 该算法的实现步骤简单，分配思想比较简单。 ( 2 ) 该算法的系统吞吐量较大。 3 贪婪算法的缺点 该算法只考虑到了信道质量好的用户，每次调度都是信道质量好的用户进行 通信，这样信道质量差的用户得不到服务。所以该算法的系统公平性较差。 3 2 2m a x m i n 算法 h y i n 和h