（通信与信息系统专业论文）ofdma系统中无线资源管理研究.pdf

獭， 一 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文o f d m a 系统中无线资源管 理研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 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。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 。，弓日期： pii辟 j 0-熬嚼岔鼍 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 是未来无线通信网络最具竞争力的物理层解决方案。采 用正交频分多址( o f d m a ) 的无线网络不但能够利用多载波传输的时、频二维资源 分配来充分利用衰落信道的容量，还可通过用户间的资源调度来获取多用户分集增 益并满足用户的不同服务质量需求。论文首先介绍了o f d m 系统及无线资源管理的 相关知识，分析了o f d m a 系统信道模型，及多用户容量和多用户分集的关系。然后 论文分别设计了多用户o f d m a 系统中子载波及比特分配算法和基于权重值的 m a c - p h y 跨层资源管理方案，最后通过仿真验证了方案具有较好的容量性能和足够 的用户公平性能，为今后的具体实现提供了直接的理论参考依据。 关键词：正交频分多址，资源分配，调度，跨层设计 a b s t r a c t o f d mi st h em o s tp r o m i s i n gs o l u t i o nf o rt h ep h y s i c a ll a y e ro ff u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s o f d m aw i r e l e s sn e t w o r k sh a v et w oi m p o r t a n ta d v a n t a g e s ： t h em u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o ni n t r o d u c e st w o d i m e n s i o n a l ( t i m ea n df r e q u e n c y ) r e s o u r c e a l l o c a t i o n ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ye x p l o i tt h ea v a i l a b l ec a p a c i t yo ff a d i n gc h a n n e l s ； s c h e d u l i n gb e t w e e n u s e r sc a ne x p l o i tm u l t i u s e rd i v e r s i t yg a i na n ds a t i s f yd i f f e r e n tq o s r e q u i r e m e n t so fu s e r s t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h er e l e v a n tk n o w l e d g eo fo f d ma n d w i r l e s sr e s o u r c e sm a n a g e m e n t ，c h a n n e lm o d e lo fo f d m as y s t e m ，r e l a t i o n so f m u l t i - u s e rc a p a c i t ya n dm u l t i u s e rd i v e r s i t yw e r ea n a l y z e d s u b c a r r i e r - b i ta l l o c a t i o n a l g o r i t h m i nm u l t i u s e ro f d m as y s t e ma n dam a c p h yc r o s s l a y e r r e s o u r c e m a n a g e m e n ts c h e m ew i t hw e i g h t s a r ep r o p o s e d r e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o n r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e ds c h e m e sy i e l dg o o dc a p a c i t yp e r f o r m a n c e sa n da c c e p t a b l e f a i r n e s sp e r f o r m a n c e s ，t h ew o r kw i l lh e l pt ot h ei m p l e m e n to ff u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k s w a n gx i a o - k u n ( 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 ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f b a oh u i k e y w o r d s ：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 ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ， s c h e d u l i n g ，c r o s s - l a y e rd e s i g n ，0i一 ， l 卜 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 主要符号表 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2o f d m 的发展2 1 3o f d m 研究现状3 1 4 无线资源管理4 1 - 5 本文研究内容及章节安排5 第二章多用户o f d m a 系统基本原理6 2 1o f d m 系统6 2 1 1o f d m 系统原理6 2 1 2o f d m 系统中的关键技术7 2 1 3o f d m 系统中的多址方案9 2 2o f d m a 系统1 0 2 2 1 无线信道的衰落特性1 0 2 2 2 信道模型1 3 2 2 3 多用户容量与多用户分集1 5 2 3 本章小结1 6 第三章多用户o f d m a 系统的资源分配17 3 1 自适应调制1 7 3 2 自适应资源分配优化准则1 8 3 2 1 基于总发送功率最小化的m a 问题1 8 3 2 2 基于容量最大化的r a 问题2 0 3 2 3 基于效优函数问题2 2 3 3 多用户o f d m a 系统中子载波及比特分配算法2 2 3 3 1 功率最小化优化模型2 2 3 3 2 改进的算法2 5 3 3 3 仿真结果及分析2 6 3 4 本章小结2 9 第四章保证o o s 的o f d b a 跨层资源管理3 0 4 1 多用户分集分析3 0 4 1 1 调度与多用户分集3 l l 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 2 多用户分集增益3 2 4 2 资源分配系统优化模型与m a c 层调度策略分析3 4 1 8 4 3 资源分配最优化问题3 6 4 4 基于权重值的m a c - p h y 跨层资源管理方案3 8 4 4 1 功率分配算法设计3 9 4 4 2 调度算法设计4 0 4 4 3 子载波分配算法设计4 8 4 4 4 仿真结果及分析4 9 4 5 本章小结5 2 第五章结论5 3 5 1 总结：5 3 5 2 展望5 3 参考文献5 4 致谢。5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况6 0 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 无线通信自上世纪九十年代以来得到了空前的迅速发展，已走过百年历史。 1 9 0 1 年，马可尼成功地进行了跨越大西洋的远距离无线电报通讯，迎来了无线远距 离通信的新时代。而现代无线移动通信技术的发展始于上世纪2 0 年代，到目前为 止，大致经历了三代u 吲。 第一代以模拟蜂窝网为主要特征，2 0 世纪8 0 年代初开始商用化。其中最具代 表性的是北美的a m p s 、欧洲的t a c s 、北欧的n m t 及同本的h c m t s 系统等。第一代 移动通信系统是模拟调制方式，采用频分多址方式实现对用户的动态寻址功能，并 以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频复用，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数 量增长的需求。这种系统的主要缺点是频谱利用率低、移动设备复杂、业务种类受 限制以及通话容易被窃听等等。 第二代移动通信系统以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统。它 于2 0 世纪9 0 年代初正式走向商用。其中最具代表性的有欧洲采用时分多址( t d m a ) 方式的g s m 、f 1 本的p d c ，以及北美采用码分多址( c d m a ) 方式的c d m ao n e 系统等。 第二代移动通信系统从技术特色上看，它是以数字调制方式为基础，较全面地考虑 了信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。主要实现措施有：采用t d m a 或 c d m a 方式实现对用户的动态寻址功能，以数字式蜂窝网络结构和频率规划实现载频 的复用，从而扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。在对信道动态特性的 匹配上，采用抗干扰性能优良的数字式调制：g m s k ( g s m ) 、q p s k ( c d m ao n e ) ；性 能优良的抗干扰纠错编码：卷积码( g s m 、c d m ao n e ) 、级联码( g s m ) ；采用功率控 制技术抵抗慢衰落与远近效应，这对于c d m a 方式尤为重要；采用自适应均衡( g s m ) 和r a k e 接收( c d m ao n e ) 抗频率选择性衰落与多径干扰；采用信道交织编码对抗 时间选择性衰落；基站采用空间分集方式或极化分集方式抵抗空间选择性衰落。 第三代移动通信系统( 3 g ) 以多媒体业务为主要特征，它于本世纪初投入商业 化运营。其中，最具代表性的有北美的c d m a 2 0 0 0 、欧洲与日本的w c d m a 及我国提出 的t d s c d m a 三大系统。从技术上看，它是在2 g 系统适配信道与用户二重动态特性 的基础上又引入了业务的动态性，即在3 g 系统中，用户业务既可以是单一的语音、 数据或图像，也可以是多媒体业务，且用户选择业务可以是随机的。这一第三重动 态性的引入使系统大大复杂化，对系统的传输性能提出了更高的要求。所以第三代 移动通信系统是在第二代数字化基础上的、以业务多媒体化为主要目标，全面考患 华北电力大学硕士学位论文 信道、用户的二重动态特性匹配特性，并适当考虑到业务的动态性能，尽力采用相 应措施予以实现的技术。 在无线通信的发展中，除了物理层关键技术的不断发展外，在网络层其功能也 在逐步完善。然而随着通信技术的成熟和运营实践的成功，以及计算机技术的飞速 发展和迅速普及，人们对无线移动通信的业务功能又有了更高的要求，逐渐由以语 音服务为主的窄带通信向以多媒体服务为主的高速率、大容量宽带通信过渡。1 9 9 9 年1 2 月i t u - r ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n r a d i o c o m m u n i c a t i o n ss e c t o r ，国际电联无线电部门) 成立了w p 8 f 工作小组隋1 ，重点负 责未来移动通信系统的发展与规划，至此掀起了对下一代无线通信的研究热潮，如 欧洲电信标准组织( e t s i ) 的b r a n ( b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，宽带无线 接入网) 计划等。中国在“十五”、“十一五”计划中也投入也投入了大量资金研 究基于多天线和正交频分复用( o f d m ) 的第四代( 4 g ) 移动通信系统1 。可以预料， 在3 g 大规模商用以后，多媒体服务与应用将广泛使用起来。随之，3 g 在速率、服 务质量( o o s ) 、无缝传输等方面的局限性也将开益显现，势必需要带宽更宽的无线 系统。 与3 g 相比，到目前为止4 g 虽然还没有严格的定义，但无论在通信范阐、通信 质量、支持高速率多媒体业务能力等方面都将有许多超越之处。概括现有的研究成 果n “1 ，新的4 g 系统将以高效率的空中接口满足用户不断增长的数掘业务需求，实 现无线网络和i n t e r n e t 网络间高效的互融互通，构造以用户为中心的自由通信。 为了达到这些目标，4 g 系统必须具备高信息传输速率、高频谱利用率、高效灵活的 资源分配、广泛的覆盖面积和分层的服务区域等特点；同时它将采用简化的网络结 构，优化系统的性能和降低成本，提高系统容量和覆盖。 然而，无线频谱是不可再生的资源，且适合无线移动通信的频段已经越来越难 寻找。4 g 的用户峰值数据速率要求达到l o o m b p s , - - i g b p s ，占用的带宽将达到2 0 i o o m h z ，这就要求4 g 空中接口必须提供尽可能高的频谱效率，具有更高的安全性、 智能性和灵活性，更高的传输质量和服务质量。为了达到系统的设计目标，在未来 的无线通信系统中，将会采用多天线、智能天线、j 下交频分复用、高阶调制、联合 检测、软件无线电、自适应编码调制、i p 核心网等关键技术。 1 2o f d m 的发展 o f d m 技术的理论与实现经历了较长时间的发展。在通信发展史上很早就出现了 通过频分复用、多路并行传输来充分利用频谱资源、实现更高传输速率的思想，这 也是多载波调制技术的最初萌芽。最早的多载波系统“k i n e p l e x ( 意为“动态复 用一) 由g a d o e l z 等于1 9 5 7 年提出嘲，这是一种军用h f 频段数据传输系统，其 2 华北电力大学硕士学位论文 基本原理已与o f d m 相同，采用了正交的子载波和相邻子载波频谱重叠以提高频谱 利用率，但在实现上仍采用多个载波发生器、分路调制和解调的传统方式，系统复 杂度高，并未得到广泛应用。r w c h a n g 于1 9 6 6 年首先提出了采用基带信号处理 实现正交多载波传输的方案n 们，类似的还有b r s a l t z b e r g 于1 9 6 7 年的研究n 。 一个重要的进展出现在1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了使用离散 傅立叶变换( d f t f f t ) 实现多载波系统基带调制和解调的方法n 羽，大大降低了系统 的复杂度，为多载波技术的实用扫清了障碍。在w e i n s t e i n 和e b e r t 的方案中还加 入了保护间隔( g p ：g u a r dp e r i o d ) 的概念。1 9 8 0 年a p e l e d 和a r u i z 进一步 提出使用循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 或循环后缀( c y c l i cp o s t f i x ) 取代空的 保护间隔，解决了在色散信道上保持子载波正交性的问题“引。至此o f d m 的基本理论 框架已经完整地建立起来，并很快进入实用阶段。 o f d m 最初的大规模应用是在x d s l 、h d t v 等有线通信系统和欧洲的数字音频和 视频广播( d a b d v b ) 中。在这些应用中，o f d m 的通用名称是d m t ( d is c r e t e m u ltit o n e ：离散多音) 。l j ci m jn i 1 、b in g h a m _ 训等学者较早地提出和分析了 o f d m 技术在无线通信中应用的可能性。诈是在进入无线领域的过程中，术语“o f d m ” 逐渐取代了“d m t ”。进入2 0 世纪9 0 年代，随着硬件技术的发展，o f d m 技术无线应 用的技术条件已经具备，然而由于当时受到业界的关注有限( 远不如c d m a 万众瞩 目的地位) 和标准研发尚不完善，在3 g 系统中o f d m 并没有获得重要地位。进入2 l 世纪以来，b 3 g 4 g 研究中o f d m 在物理层传输技术中的核心地位得到逐渐确立。 1 3o f d m 研究现状 目前，对o f d m 技术的研究在国内外受到了高度重视。2 0 0 1 年我国启动的“十 五 8 6 3 计划中面向未来无线通信的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g yf o ru n i v e r s a l r a d i o e n v i r o n m e n t ) 计划n 砌就已将o f d m 确定为基本物理层技术之一。2 0 0 6 年1 0 月底该计划已通过总体验收，并将在“十一五 中继续实施。在国际上，各种组织 提出的b 3 g 4 g 演进计划如3 g 合作伙伴项目( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ：3 g p p ) 的长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ：l t e ) 计划，3 g 合作伙伴项 目一2 ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 ：3 g p p 2 ) 的无线接口演进( a i r i n t e r f a c ee v o l u t i o n ：a i e ) 计划等也都将o f d m 作为不可或缺的空中接口实现技 术。在目前正在进行的国际电联( i t u ) b 3 g 计划“i m t - a d v a n c e d 的标准制定工作 中，o f d m 无疑将扮演重要角色。此外，o f d m 还在i e e e 8 0 2 系列宽带无线接入标准 中占据重要地位。 而在理论研究方面，o f d m 的各项关键技术都吸引了众多学者的关注。从近几年 i e e e 通信类期刊上发表的相关文献来看，研究的热点有o f d m 系统中的信道估计、 3 华北电力大学硕士学位论文 时频同步、信道编码、峰值平均功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ：p a p r ) 抑制、资源分配、跨层设计以及o f d m 与m i m o 、c d m a 等技术的结合等。可以预见， 未来相当长一段时间内，o f d m 及其相关领域将继续成为无线通信的一大研究领域。 从b 3 g 的核心技术o f d m a 来看，其面临很好的机遇，因为o f d m a 已经获得了许 多通信业界巨头的一致支持，其中包括朗讯、思科、飞利浦半导体和诺基亚。而且 在这些公司最近的宣传中，都列举了o f d m a 优越于c d m a 的种种特点，并显示了他 们对o f d m a 成为4 g 移动通信最终标准的强烈信心。思科公司获得了v o f d m ( 矢量正 交频分复用) 专利之后，对外界宣称，已经生产出了具有u - n h 波段和m m d s 架构的 设备，并作好了上市销售的准备。 作为o f d m a 的基础技术的o f d m 是一种多载波调制技术，在2 0 世纪五六十年代 o f d m 被提出以来。关于o f d m 中系统的同步，p a p r ( 载波峰均比) 、信道估计，等问 题的研究经过几十年尤其是近十年的研究，已经取得了相当多的研究成果，使o f d m 系统已经可以达到实用化的要求。 基于o f d m 的多接入方案o f d m a 由m f a t t o u c h e 于1 9 9 5 年申请了专利一。而针 对o f d m a 的关键技术的研究近年来也取得了丰富的研究成果，无论足在o f d m a 中的 同步，自适应资源配置，或是在其它的关键技术。根据研究的成果充分显示了o f d m a 的优越性。因此，o f d m a 被预计是第四代移动通信的主要技术之一，也是未来无线 通信系统的主要竞争者。2 0 0 3 年8 月，信息产业部无线电管理局批准中国网通公司 进行o f d m a 固定无线接入网络系统试验以来，网通公司对该试验做了大量的工作， 目前试验系统己经开通，并进行了必要的测试和业务演示。由于o f d m a 技术的子载 波自适应调整等性能，使该系统与目前比较成熟的各种无线接入等技术相比具有很 大优势。 1 4 无线资源管理 无线资源管理是提高无线网络容量的一项重要技术。无线资源管理就是对移动 通信系统的空中接口资源的规划和调度。之所以要研究无线资源管理就是希望在有 限的无线资源情况下，在保证一定的规划覆盖和服务质量要求的情况下，接入尽可 能多的用户。如果没有良好的无线资源管理技术，即使再好的无线传输技术也无法 发挥它的优势，极端的情况甚至会导致系统无法正常运转。无线资源管理的目标包 括两个方面。一个是从网络提供商的角度出发，提高无线资源的利用率和无线网络 的容量；二是从用户和业务的角度出发，保证系统所接纳多媒体业务的服务质量要 求。其基本的出发点在于用户多样性的服务质量要求以及无线信道因衰落和干扰引 起的信道质量随时间随机变化。无线资源管理的方法和手段非常多，主要包括以下 技术：信道分配、分组调度、功率控制和速率控制、接入控制、负载控制( 拥塞控 4 华北电力大学硕士学位论文 制) 、切换控制技术等。 本论文的无线网络资源管理研究主要集中在分组调度技术和动态信道分配技 术两个方面。 1 5 本文研究内容及章节安排 本文以o f d m a 通信系统中的资源管理为研究对象，论文的主要工作如下： 第一章为绪论，主要介绍了o f d m 的背景及其研究现状，并介绍了无线资源管 理的基础知识。 第二章阐述了o f d m 系统的基本原理、关键技术及多址方案，并分析了无线信 道的衰落特性、信道模型及多用户容量与多用户分集。 第三章首先分析了自适应调制及自适应资源分配优化准则，然后给出了一种多 用户o f d m a 系统中子载波及比特分配算法，通过仿真验证算法的合理性。 第四章首先分析了多用户分集与调度的关系，然后给出一种基于权重值的 m a c p h y 跨层资源管理方案，通过仿真验证方案的合理性。 第血章对全文主要研究内容和已取得研究成果进行了总结，并对未来研究方向 进行了展望。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章多用户o f d m a 系统基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是第四代移动通信中多载波传输方案的主要实现方式之 一，在此基础上发展起来的正交频分多址接入，也是目前4 g 中重点关注的多址方 式之一。 o f d m 技术把要传输的高速串行数据分解成若干个较低速率的并行子数据流，然 后再把它们调制到相互正交的子载频上，最后合成传输到接收端。由于这些子载波 是相互正交的，之间没有保护间隔并且频谱重叠，因此可以节省频谱资源，提高频 谱利用率。另外，信号分解后并行子数据流的码元周期变长，只要时延扩展与码元 周期之比小于一定数值，系统就不会受多径干扰引起的的码间干扰( i s i ) 的影响。 2 1o f d m 系统 2 1 1 o f d m 系统的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 的基本原理就是将高速的数据流通过串并变换，分配到传 输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道的符号周期会展宽， 因此可以减轻山无线信道的多径时延扩展所引起的时间弥散性对系统产生的影响。 f 交信号通过接收端采用相关技术分丌，可以在一定条件下减少子信道之间的相互 干扰码间干扰( i c i ：i n t e rc h i pi n t e r f e r e n c e ，) 。每个子信道上的信号带宽小于 信道的相关带宽，因此每个子信道可看作平衰落信道，从而消除了码间串扰( i s i ： i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的- 4 , 部 分，信道均衡变得相对容易。 fy ywl 。 f f f 。 o姗啪 图2 o f d 系统中子信道符号的频谱6 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形脉冲成型得到的符号的s i n c 函 数频谱。在每一个子载波频率的最大值处所有其它子信道的频谱值恰好为零。由于 在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每一个子载波频率 的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号， 而不会受到其它子信道的干扰。 从图2 1 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信 道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中。因此这种一个子信道频谱的最 大值对应于其它子信道频谱的零点可以避免子信道间干扰( i c i ) 的出现。 o f d m 系统模型如图2 - 2 所示。输入的二元数字序列首先进行串并转换和编码映 射，然后经过逆快速傅立叶变换( i f f t ) 对编码后的星座点进行基带调制，再经并串 变换、d a 转换及低通滤波后上变频送到信道。接收端的处理过程与发送端相反， 信道出来的信号先经过下变频、低通滤波、a d 转换及串并变换后，再进行快速傅 立叶变换( f f t ) ，然后对所得数据进行均衡以校正信道失真，最终进行译码判决和 并串转换，恢复出原始的二元数字序列。 图2 - 2o f d m 系统基本模型 2 1 2o f d m 系统中的关键技术 l - 同步技术 目前根据是否使用辅助的导频或者训练符号，同步可分为利用导频或训练符号 的同步和基于循环前缀的盲同步两大类，两种方法各有优缺点，利用训练符号进行 同步性能较好，但会造成带宽和功率的损失，降低了传输的有效性；利用循环前缀 的相关特性进行的盲同步简单、易实现，但同步范围较小。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 降低峰值平均功率比技术 降低峰值平均功率比( p a p r ：p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a d i o ) 是o f d m 的一项重 要技术。由于o f d m 信号在时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当n 个信号 恰好均以峰值相加时，o f d m 信号会产生最大峰值，该峰值是平均功率的n 倍。而高 的峰值平均功率比会使o f d m 系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用，所以降 低峰值平均功率比具有实际意义。 3 信道估计 与同步方法相类似，信道估计也可分为基于辅助信息的导频或训练序列信道估 计和盲信道估计两大类。而基于辅助信息的信道估计方法又可分为：基于导频信道 的估计和基于导频符号的估计。前者是利用一个专用导频信道来进行信道估计；后 者是在发送端信号的某些固定位置插入一些己知的符号或序列，在接收端利用这些 导频符号或序列按照某些算法来进行信道估计。许多通信系统使用的都是基于导频 符号的估计方法。单载波系统中，导频符号或序列都只能在时间轴方向插入，而在 o f d m 系统中，由于其具有时频二维结构，故可以同时在时间轴和频率轴两个方向插 入导频符号，使得估计更加灵活。 4 信道编码与交织 信道编码是数字通信系统中常用的一种提高系统性能的方法。信道编码常用于 应对衰落信道中的随机错误。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等。使用卷 积码的时候，接收端采用v e t e r b i 译码，其效果要比分组码好一些，但相应的会提 高接收端的复杂性。 交织技术常用于解决衰落信道中的突发性错误。衰落信道是会产生数据突发性 错误的信道，对抗此类信道的一种有效的方法就是在编码后对数据进行交织使会产 生突发性错误的信道变换为错误独立的信道。发射端编码后的数据经过交织器重新 排序后再进行映射，接收端在反映射后由去交织器恢复原始顺序再进行解码。由于 采用了交织去交织，突发错误在时域扩展分散开来，这样就使得每个码字内的错 误看起来是独立的。在实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整 个系统的性能。 5 资源分配 为了充分利用信噪比较高的子载波信道，使资源的利用更加合理，o f d m 系统通 常要进行子载波和比特分配。因为无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波 都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子载波分配 的方法提高系统的性能。特别对于多用户系统来说，对一个用户不适用的子载波对 其他用户来说，可能是性能比较好的子载波，因此除非一个子载波对所有用户来说 8 华北电力大学硕士学位论文 都不适用，该子载波才会被关闭，但发生这种情况的概率非常小。 在采用o f d m a 技术的系统中，如何在单小区中合理的分配子载波资源、功率资 源，提高资源利用率，满足用户q o s 需求，正是本论文研究的中心问题。 2 1 3o f d m 系统中的多址接入方案 o f d m 本质上是一种调制技术，它需要与多址技术结合才能构成多用户移动通信 系统。常用的多址方式有频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ， 近几年，随着数字信号处理技术和射频技术的进步，空分多址( s d m a ) 也开始得到应 用。 基于o f d m 的多址接入方案主要有o f d m - t d m a ，o f d m c d m a 和o f d m f d m a ( 即o f d m a ) 三种接入方案，此外还有既能够提供空间复用增益又能够提供空间分集增益的 m i m o o f d m 了解这些系统的不同特点有利于无线资源管理技术的研究，因此本节 对它们的结构进行简单介绍。 1 o f d m t d m a o f d m t d m a 系统中，信息传送在时域卜按帧进行，1 个o i ：d m 符号占用一个时隙， 用户按自己需求占用1 个或多个o f d m 符号，每个用户在信息传送期间，占用所有 的系统带宽。对于o f d m t d m a 系统来说，在任意一个时隙的连续时间内，所有的子 载波都只能分给同一个用户，也就是晚o f d m - t d m a 多址方式是按照时隙为单位进行 用户分配。这种接入方式类似于单载波系统，i e e e8 0 2 1 1a 以及h i p e r l a n 2 等就 是采用这种接入方式。o f d m - t d m a 的优点之一是减小了接收机的功率消耗，因为每 台接收机仅需要在某一特定时隙内处理发给它的有用信息。此外，由于某一特定时 隙内某一特定用户可以使用所有的子载波，可以充分利用正交多载波带来的频率分 集效果，提高信号接收质量。 2 o f d m - c d m a o f d m 与c d m a 相结合的方法可分为两类：频域扩频和时域扩频。频域扩频通常 称为m u l t i c a r r i e rc d m a ( m c c d m a ) ；时域扩频有两种不同的构成方法：分别称 为m u l t i c a r r i e l d s c d m a ( m c d s c d m a ) 和m u l t i t o n ec d m a ( m tc d m a ) ，其区 别是扩频的位置不同。 3 o f d m - f d m a o f d m f d m a ，也被简称为o f d m a 正交频分复用接入o f d m a 是建立在正交频分复 用o f d m 基础上的一种接入技术。与传统的频分复用f d m a 很类似，它也是通过为每 个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入，也就是为每个用户分配一个 o f d m 中的一个子载波或者是一组子载波，以子载波频率来区分用户。与传统的f d m a 不同之处在于，o f d m a 方法不需要在各个用户频率之间采用保护频段来区分不同的 q 华北电力大学硕士学位论文 用户，这一点大大提高了系统的频谱利用率。有很多方法来给用户分配子载波，使 用最广泛的是两种：连续分组子载波( g r o u p e ds u b c a r r i e r s ) 和间隔扩展子载波 ( c o m bs p r e a ds u b c a r r i e r s ) 。连续分组子载波是最简单的一种分配方式，每个用 户分配一组相邻的子载波；而间隔扩展子载波分配方式中，每个用户得到的子载波 则是分散的，也就是用户所使用的子载波将扩展到整个系统的带宽。 4 o f d m a 与其它o f d m 多址方式的区别 与传统o f d m 的不同之处在于o f d m a 方法不需要在各个用户频率之间采用保护 - 频段去区分不同的用户。其优点是很容易就可以引入跳频，这样就可以为小区内的 多个用户设计正交跳频图样，从而可以较容易地消除小区内干扰。 ，t o f d m a 与m c c d m a 之问的主要区别在于，对于前者，一个小区内的不同用户使 用不同的子载波组合，而后者所有用户同时使用所有子载波。为了区分不同用户， m c c d m a 使用了不同的正交扩频码。然而由于多径信道的影响，即使在单小区的上 行链路也会失去码字的正交性。这就决定了m c - c d m a 需要复杂的均衡机制，从而抵 消了o f d m 系统均衡简单的优点。相比之下，o f d m a 在频域、时域偏移较小的情况下， 子载波之i j 的谁交性基本不受影l 嘲，这是o f d m a 相比m c - c d m a 的优越性。 与o f d m t d m a 多址接入方式相比，o f d m - t d m a 的资源分配方式是在一个时隙内 将所有子载拨分配给一个用户；而o f d m a 则是以时频资源块分配给用户。这样两者 相比，前者就显示出了对呵变速率数据传输缺乏灵活性的缺点，特别是当数据率低 的时候，造成子载波的浪费，资源利用率不高。而后者的资源分配很灵活，可以根 据数据率和资源使用情况灵活分配资源，若再与动态资源分配结合，可以进一步提 高资源利用率。 2 2o f d m a 系统 在b 3 g 系统中应用o f d m 技术的一个重要原因是它能够有效地对抗多径传播引 起的符号间干扰。为了分析o f d m a 系统无线信道，建立准确有效的o f d m a 系统信道 模型，本节简单回顾一下无线信道的衰落特性及其相关的参数。 2 2 1 无线信道的衰落特性 无线通信是借助电磁波在空间的传播来实现信息传输的，电磁波传播的机理多 种多样，但总体上可以归结为反射、绕射和散射。反射、绕射和散射路径的存在使 得收发信号之间存在很大的差异，接收信号表现出明显的随机衰落特性。此外，在 移动通信系统中，发射机和接收机之间的相对运动会引起信道特性随时间变化，并 造成接收信号的严重失真。 无线移动信道所呈现出的这种随机时变性通常可以用大尺度衰落和小尺度衰 1 0 华北电力大学硕士学位论文 落共同描述。 1 大尺度衰落 大尺度衰落指的是接收信号距离发射机较远处( 几百米或几千米) 的场强变化， 是由路径损耗和阴影效应引起的。路径损耗表示接收信号因距离引起的衰减，定义 为有效发射功率和接收功率的差值，单位为d b 。 2 小尺度衰落 小尺度衰落表现为接收信号强度在短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 范围内 的快速变化。由于多径传播的影响和收发信机的相对运动，无线信道具有明显的小 尺度衰落特征。 无线信道可以用多径时延扩展、多普勒频移、相干带宽e 和相干时间z 描述， 下面讨论这些参数的关系。 ( 1 ) 时延扩展：反射和散射引起信号的多径传播，产生时间色散现象。通常 采用平均附加时延z ( 附加时延指多径分量相对于第一个径的时延) 和均方根时延扩 展对多径信道的时问色散特性进行量化。 ( 2 ) 相干带宽毋：相f j 特宽表示信道被认为近似半坦的频率范围。平坦信道 具有下面的特征：所有的频谱通过信道时具有近似相等的信道增益和线性相位。换 句话说，相关带宽毋是指频率分量有很强的相关性的特定频率范围，频率间隔大于 矽的两个正弦信号受信道的影响大不相同。 ( 3 ) 时延扩展和相干带宽的关系：相干带宽可以用均方根时延扩展近似表 示。 1 如果把频率的相关函数值超过0 9 认为相关，则b ，一l 5 0 z r = ， 1 如果把频率的相关函数值超过0 5 认为相关，则b 。一了二一 ) z r 雕s ( 4 ) 多普勒频移：收发信机间的相对运动以及传播环境中物体的随机移动产 生了多普勒效应，即接收信号在频率上发生了扩散。当发送频率为厂的正弦信号时， 接收信号谱即多普勒谱在厂一厶至厂+ 兀范围内存在分量，其中尼是多普勒频移。 ，一- c 。s 一 ( 2 - 1 ) 公式( 2 1 ) 中，a 为载波波长，y 为移动台运动速度，口是移动台运动方向与入 射波的夹角。 ( 5 ) 相干时间i ：相干时间表示信道的脉冲响应保持不变的时间间隔。在相干 l l 华北电力大学硕士学位论文 时间内，两个到达信号有很强的幅度相关性。 ( 6 ) 多普勒频移与相干时间的关系：相干时间是多普勒频移在时域的表示， 它们都可以描述信道的频率色散特性。现代数字通信中，相干时间和多普勒频移的 关系通常表示为 印丘磊一半 ( 2 2 ) 公式( 2 - 2 ) 中，厶是最大多普勒频移，。一。 一 信道参数( e 和厶t ) 和传输信号参数( 信号的带宽b 和符号周期丁) 决定 了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。多径时延扩展引起的时间色散和多普勒 效应引起的频率色散是两种彼此独立的传播机制，它们可能产生两种显著的效应， 即平坦衰落频率选择性衰落和慢衰落快衰落。 由多径时延扩展引起的小尺度衰落主要分为平坦衰落和频率选择性衰落： ( 1 ) 平坦衰落：当信号带宽远小于信道相干带宽时，产生平坦衰落。从时域 的角度看，此时符号周期远大于时延扩展。换句话说，如果移动无线信道在一个宽 于传输信号带宽的带宽上有固定的增益和线性的相位响应，则接收信号经历平坦衰 落。经历平坦衰落的条件可概括为b b 。或t f ，。 在平坦衰落中，信道的多径结构使传输信号的频谱特性在接收端能够保持完 整，不发生畸变。然而，由于多径引起的信道增益的起伏会使接收信号的幅度随时 间变化。平坦衰落信道也被称作幅变信道或窄带信道。一般的平坦衰落信道会引起 深度衰落，这需要2 0 d b 、3 0 d b 或更多的发送信号功率以获得低的误比特率。瞬时 平坦衰落信道会引起接收信号的幅度按照瑞利( r a y l e i g h ) 分布随时间变化。瑞利 分布的概率密度函数( p d f ) 为 7 p ( ，) 一专唧( - 告) 0 ( 0s 厂s ) ( 2 3 ) ( ，s0 ) 公式( 2 - 3 ) 中，是信号的幅度，2 0 2 是信号的平均功率。 ( 2 ) 频率选择性衰落：与平坦衰落相对，当信号带宽大于信道相干带宽时， 频域中不同的频率必然获得不同的增益，这就是频率选择性衰落。从时域的角度看， 华北电力大学硕士学位论文 此时符号周期小于时延扩展。因为接收信号包含了多个具有不同幅度衰减和相位时 延的多径波，因此产生了失真，引起了符号间干扰( i s i ) 。频率选择性衰落信道也 称为宽带信道，信号产生频率选择性衰落的条件可以概括为b b ，或b 厂。 需要注意的是：一个信道是否为快衰落或慢衰落信道与该信道是否为平坦衰落 或频率选择性衰落信道没有关系。比如平坦衰落信道既可以是快