（通信与信息系统专业论文）ofdma无线多跳中继网络中基于能效的资源分配研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 移动通信事业的高速发展使得业务呈现多样化，并且对系统带宽和数据传输速率 提出了更高的要求，而传统蜂窝网已无法满足高速率高服务质量的需求。下一代无线 通信技术标准( l t e a 、w i m a x ) 则纷纷引入中继站( r e l a ys t a t i o n ，r s ) 来辅助基站( b a s e s t a t i o n ，b s ) 完成数据通信。r s 的引入能有效扩大小区覆盖范围、提高小区边缘用户 的服务质量、提高系统的吞吐率。同时正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n 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 ) 凭借其抗多径、能有效提高系统频谱利用率、资源分配灵活等优 点而被当做第四代移动通信标准的技术基础。本文则将以o f d m 为基础的o f d m a 多 址接入技术作为本文的研究基础。 论文首先对o f d m o f d m a 技术的基本原理、帧结构以及r s 的分类等基础概念 进行介绍，并就引入r s 后o f d m a 帧结构的改变及资源管理方面所遇到的新问题和 挑战进行详细分析；接着对传统o f d m a 蜂窝网中基于系统能耗最小的全局联合最优 分配算法以及各种次优化方案进行分析，并通过对信道模型、场景模型的搭建和仿真 对各种分配算法进行性能仿真评估；最后将o f d m a 两跳a f 中继系统的两跳链路虚 拟化为单跳链路并将传统o f d m a 蜂窝网中性能表现最好的全局资源分配算法引入到 中继系统中，并根据实际场景进行改进设计，仿真结果表明，改进后的全局资源分配 算法更加适用于中继系统的实际场景，且在有效提高系统能效和系统吞吐率的同时能 有效维持不同用户的公平性。 在o f d m a 两跳中继系统的分组调度研究中，本文首先对单个用户采用不同调制 编码方案时的能效以及其对频率资源、功率资源的占用情况进行分析，接着利用分析 结果提出一种基于能效的比例公平调度算法，该算法根据不同业务的最大时延等q o s 要求来设计调度优先级因子，且在进行资源分配时通过频率占用率以及功率占用率对 用户的传输速率进行评估，使得系统的资源得到合理地利用；该调度算法在系统资源 充足时通过牺牲频率资源以换取功率资源的节省，当系统资源紧张时通过平衡资源的 占用情况以最大化资源的利用价值；最后对该算法以及最大c i 调度算法和其他已提出 的节能分组调度算法进行仿真和性能对比；仿真结果表明，在系统负荷较低的情况下， 该算法能在完成所有用户数据传输的前提下使得系统的能量损耗最小；在系统负荷较 高的情况下，该算法在保证不同类型业务q o s 需求的同时，能有效地平衡系统不同类 型资源的使用情况，最终提高系统能效和系统吞吐率。 关键词：中继；能效；资源分配；分组调度；o f d m a a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nm a k e st h es e r v i c e sd i v e r s i f i e d a n di t d e m a n d sah i g h e l r e q u i r e m e n to nt h es y s t e mb a n d w i d t ha n dt h ed a t at r a n s f e rr a t e ，w h i l et h e t r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r kh a sb e e nu n a b l et om e e tt h en e e d so f t h eh i g hs p e e dr a t ea n dt h e h i g hq u a l i t yo fs e r v i c e t h en 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 nt e c h n o l o g ys t a n d a r d s ， s u c ha sl t e aa n dw i m a x h a v ei n t r o d u c e dt h er e l a ys t a t i o nt oa s s i s tt h eb a s es t a t i o nt o c o m p l e t et h ed a t ac o m m u n i c a t i o n i n t r o d u c i n gr e l a ys t a t i o nc a r le f f e c t i v e l ye x p a n dt h ee e l l c o v e r a g e i m p l o v et h eu s e r s q u a l i t yo f s e r v i c ei nt h ee e l l e d g e ，a n di r e p r o v e t h e s y s t e mt h r o u g h p u t m e a n w h i l e b e c a u s eo ft h ea b i l i t yo fa n t i m u l t i p a t h t h ei m p r o v e m e n to f t h e s y s t e ms p e c t r a le 筠c i e n c y , a n dt h e f l e x i b l ea l l o c a t i o no fr e s o u r c e 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 gi st r e a t e da st h et e c h n i c a lb a s i so ft h ef o u r t h g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i nt h i st h e s i s o f d m aw h i c h i sb a s e do n o f d mi st h er e s e a r c hf o u n d a t i o n t i l i st h e s i s f i r s t l y i n t r o d u c e s t h eb a s i c p r i n c i p l e so f0 f d m o f d m a 。 t h ef r a m es t r u c t u r eo fo f d m a a n dt h ec l a s s i f i c a t i o no fr s 。t h e l li ta n l a y z e si nd e t a i lt h e n e wp r o b l e m sa n dc h a l l e n g e so nt h ee l a a n g i n go f0 f d m af r a m es t r u c t u r ea n dr e s o u r c e m a l l a g e m e n ta f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fr s s e c o n d l y , i ta n l a y z e st h eg l o b a lj o i n to p t i m u m a l l o c a t i o n a l g o r i t h mw h i c hi s b a e s do nt h em i n i m u ms y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o ni n t r a d i t i o n a l0 f d m ac e l l u l a rn e t w o r k a sw e l la sv a r i o u ss u b o p t i m i z a t i o ns c h e m e s a n dt h e p e r f o r m a n c eo fv a r i o u sa l l o c a t i o na l g o r i t h m sc a nb ee v a l u a t e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n f i n a l l y , t h et w o h o pl i n ki no f d m a a fr e l a ys y s t e mi sv i r t u a l i z e da sas i n g l e h o pl i n k a n d t h eo p t i m a lg l o b a lr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mi n 也et r a d i t i o n a lo f d m ac e l l u l a rn e t w o r k i si n t r o d u c e dt ot h er e l a ys y s t e m ，a n di tc a ni m p r o v et h ed e s i g na c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s c e n a r i o s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dg l o b a lr e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mi sm o r ea p p l i c a b l et ot h ea c t u a ls c e n eo ft h er e l a ys y s t e m 。a n dc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c ya n dt h es y s t e mt h r o u g h p u tw h i l em a i n t a i n i n gt h ef a i r n e s so f t h ed i f f e r e n tu s e r s f o rt h ep a c k e ts c h e d u l i n gi n0 f d m at w o h o pr e l a ys y s t e m ，t h i st h e s i sf i r s t l ya n l a y z e s t h ee n e r g ye 衔c i e n c yo fd i f f e r e n tm o d u l a t i o n sa n dc o d i n gs c h e m e sf o ras i n g l eu s e ra n dt h e o c c u p a n c yo ff r e q u e n c yr e s o u r c e sa n dp o w e rr e s o u r c e sf o ras i n g l eu s e r , t h e l li t u s e st h e a n a l y s i sr e s u l t s t op r o p o s eap r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do ne n e r g y e m c i e n c y t 1 1 i sa l g o r i t h mc o n s i d e r st h es c h e d u l i n gp r i o r i t yf a c t o rt h r o u g ht h em a x i m u m d e l a yo ft h ed i f f e r e n ts e r v i c e sd u r i n gt h ea l l o c a t i o no fr e s o u r c e s ，t h eu s e r st r a n s m i s s i o nr a t e i se v a l u a t e db yt h ef r e q u e n c yo c c u p a n c yr a t ea n dt h ep o w e ro c c u p a n c yr a t e t h i ss c h e d u l i n g a l g o r i t h mw i l lu s em o r ef r e q u e n c yr e s o u r c e st os a v et h ep o w e rr e s o u r c e sw h e nt h es y s t e m r e s o u r c e sa r es u 伍c i e n t m e l lt h es y s t e mr e s o u r c e sa r et i g h t t h ev a l u eo ft h er e s o u r c e si s m a x i m i z e db yb a l a n c i n gt h eo c c u p a n c yo ft h er e s o u r c e s 。f i n a l l y , t h ea l g o r i t h mp r o p o s e di n t h i st h e s i s t h em a x i m u mc is c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n do t h e rp r o p o s e de n e r g y - s a v i n g p a c k e ts e h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r es i m u l a t e da n dt 1 1 e i rp e r f o r m a n c e sa r ec o m p a r e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti nt h ec a s eo fl o ws y s t e m1 c a d t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a ng e t t h es m a l l e s ts y s t e me n e r g yl o s su n d e rt h ep r e m i s eo fc o m p l e t i n ga l lu s e r s d a t at r a n s m i s s i o n a n di nt h ec a s eo fh i g hs y s t e ml o a d ，t h i sa l g o r i t h mc a l le f f e c t i v e l yb a l a n c et h eu s a g eo f d i f f e r e n tt y p e so fr e s o u r c ei nas y s t e mw h i l eg u a r a n t e e i n gt h eq o sr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n t t y p e so fs e r v i c e ，a n du l t i m a t e l yi ti m p r o v e st h ee n e r g ye f f i c i e n c ya n d t h es y s t e mt h r o u g h p u t k e yw o r d s ：r e l a y ；e n e r g y - e f f i c i e n t ；r e s o u r c ea l l o c a t i o n ；o f d m a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 弗一早珀1 = 匕 1 1 论文研究的背景和意义 自2 0 世纪9 0 年代中期以来，蜂窝移动通信一直处于爆炸式的增长过程中【lj 。截止 2 0 1 1 年，全球移动通信用户数已经突破5 0 亿大关，移动终端类型也随之丰富多彩，同 时也带动了移动数据业务的多样化发展。不同的业务具有不同带宽需求以及数据包延 时等限制，进而对移动通信系统的系统容量和数据速率提出了更高的要求。 目前无线通信系统正在从3 g 往4 g 过渡，l t e a d v a n c e d 和i e e e s 0 2 1 6 m 标准是 最受国际各大研究机构和通信设备制造商重视和积极参与的下代无线通信技术标 准。在这些标准中均采用了o f d m a 等先进的无线传输技术，支持超过2 0 0 m b i t s 的峰 值速率以及更短的传输延时，是一项重大革新1 2 j 。但随着使用频率的上升，无线信号势 必会经历更加严重的信道衰落和路径损耗，尤其是小区边缘的用户会得到更差的服务 质量，同时城市环境中随机的频率选择性衰落以及障碍物会导致小区中某些区域内的 信号非常差甚至还会形成信号覆盖的盲区，如果为了弥补这些缺陷而盲目地增加基站 b s ( b a s es t a t i o n ) 数目或者提高b s 的发射功率势必会增加运营商的成本并带来严重的 小区间干扰。 为了满足4 g 系统的数据传输速率要求，同时又为了节约通信基础设备的建设、运 营和维护成本，中继站r s ( r e l a ys t a t i o n ) 进入了人们的视线，其在增强小区边缘用户接 受信号强度以及弥补小区信号盲点方面起到至关重要的作用；但是随着中继的引入也 会带来一系列新的问题：在传统单跳蜂窝网中，b s 与移动用户m s ( m o b i l es t a t i o n ) 只需 要经历b s m s 一跳即可完成通信，然而加入r s 后b s 与中继用户则需要经历b s r s 、 r s m s 两跳才能完成一次通信p 叫，所以系统需要付出大量额外的频率资源供r s m s 链路使用。众所周知，在无线通信系统中，频率是非常宝贵的资源且其分配方式决定 了系统的容量和频谱利用率等系统性能，同时由于r s 向m s 发送信息时会给系统带来 干扰，所以人们在前期的工作主要专注于如何设计出能有效提高无线多跳中继通信系 统的系统容量、频谱利用率的资源复用和资源分配方案，并且取得了颇为丰富的研究 成果。 但是伴随着移动通信事业的发展，整个通信行业消耗的能源急剧增加。仅2 0 11 年 电费支出几乎占据了中国移动和中国联通两家移动运营商2 5 以上的运维费用且部分 运营商的耗电增长率甚至已经超过了其利润增长率。过高的能耗不仅给运营商带来了 较大的运营成本，同时也给生态环境带来了污染。在构建和谐社会、保护生态环境、 可持续发展的目标下，建设绿色健康的移动通信网络已经逐渐成为整个通信产业的共 识，很多通信运营商甚至已将节能减排列入到企业的k p i 张e yp e r f o r m a n c ei n d i c a t i o n ) 考核体系中，以鼓励通过技术创新和方案创新实践通信领域的绿色运动。在时下竞争 激烈的通信市场中，利润越来越低、投入越来越大，研究下一代通信系统的节能技术， 不仅能为运营商带来好处，也响应了国家建设资源节约型企业、构建环境友好型社会 的号召，并且有利于当前节能减排的实施，同时也缓解了环境压力。所以降低能耗符 合各方利益，在下一代无线通信系统研究中必将有其一席之地，是大有可为的方向。 为了降低整个无线通信系统的能量损耗进而提高能效，需要考虑整个接入网中存 在功率损耗的部件，包括射频信号发生器、数字和模拟信号处理、回程链路、a d 功 率转换和机器冷却设备等。在资源分配调度方面的研究中我们可控的主要是b s 或者 r s 的发射功率( 即射频部分) ，通过图1 1 1 5 j 可知射频功耗在终端总耗电中占有相当大的 比例，所以我们可以通过对资源分配调度方案进行设计使得在传输相同比特数据时所 消耗的功耗最小，最终达到系统总能耗的节省。 1 2 国内外研究现状 图1 1 无线接入技术的典型功耗分布图 在无线多跳中继网络中，为了最大限度的提高系统的频谱、时间和功率等资源的 使用效率并最小化用户间的干扰，对基站以及中继站的频谱、功率等资源进行合理的 分配则显得尤为重要。国内外前期的相关研究工作主要集中于在中继系统中如何提高 系统的吞吐率或频谱利用率，近期部分研究开始转向在保证用户q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的前提下如何降低系统的功率损耗上。特别是近年来，鉴于新一代无线网络均采用了 o f d m a 技术，进而基于o f d m a o f d m a 的多跳中继协作网络的资源分配优化问题 受到越来越多的关注。文献 6 】研究了在解码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ，o a f ) 方式下系 统的功率次优分配方法，并基于匈牙利算法对此进行求解，并在此基础上采用功率注 水算法实现了配对子载波上功率的最优分配。文献 7 】基于k a r u s h k u h n - t u c k e r 条件， 提出了一种d a f 中继方式下的两跳功率联合优化方法。文献【8 】则以最大化端到端的信 息速率为优化准则，针对放大转发( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a a f ) 中继方式，研究了基于 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! 亟 o f d m 的两跳中继系统的功率和带宽的联合优化问题，并给出了两跳次优带宽分配策 略和相应的功率分配注水算法；同时还基于免疫遗传算法提出了两跳链路子载波配对 算法，与传统的平均资源分配相比，所提出的算法可以显著提升系统容量且功率优化 的作用强于带宽优化。文献【9 介绍了一种实现全局能耗最小化的匈牙利分配问题，利 用匈牙利分配子载波实现全局能耗最小化。文献 1 0 】在传统o f d m a 无线通信系统中建 立了基于功率约束的优化问题模型，然后通过对约束条件的松弛将资源分配的联合整 形规划问题转化成凸空间的凸函数最优化问题，进而使用拉格朗日乘子法得到资源分 配的最优结果，但是联合优化算法的复杂度很高，而且最后的结果对于实际的通信系 统意义不大，只是为我们提供了最小化发射功率的底限值。文献 1 1 n 针对文献【1 0 的 问题提出了一种算法复杂度低且更切合实际的传统o f d m a 系统资源分配算法，首先 假设用户在每个子载波上传输的比特数一致，进而将联合优化问题转化为低维数的整 形规划问题，当求解到每个用户分配到的资源后，根据该用户在其分配到的每个子载 波上的信道增益情况，结合自适应调制编码技术( a m c ) n 用整形规划得到该用户在每 个子载波上传输的比特数，最后对每个用户进行贪婪比特分配，使得每个比特分配到 增加系统发射功率最小的子载波上。文献 1 2 贝l j 根据某个特定区域( 例如：高速路) 实地 测得的数据结果，得到该区域不同地点的信号强度和用户运动轨迹经验值，接着在移 动终端信号强度最强的时候传输尽可能多的数据，在移动终端信号强度最弱的时候进 入休眠状态，进而达到节省移动终端电池电量的目的，同时也减少了信号在传输过程 中的能量损耗和传输时间，但是该方案会增加额外的通信辅助设备作为信号强度经验 值的缓存器，所以会造成网络部署成本的增加，而且该方案只适用于高速公路等移动 终端运动轨迹基本固定的场景中，不具备一般性效果。文献【1 3 针对w i m a x 移动通信 系统中单个移动用户的通信过程进行研究，在用户业务q o s 最大时延要求的约束下， 结合用户业务数据的泊松到达模型，设计出一种使得移动用户终端耗电最少的休眠时 间模型。文献 1 4 1 介绍了一种交换带宽的协作通信机制，因为根据香农公式可以发现， 带宽和容量之间呈现线性关系，为了得到容量的提升，增加带宽比增加信号发射功率 得到的效果更好。 近些年对无线资源分配问题的研究逐渐从如何提高系统吞吐率渐渐转向如何在保 证系统用户q o s 需求的前提下尽可能地提高系统的能效：文献 1 5 1 提出了一种两跳自 适应功率分配算法，保证o f d m a 再生中继系统中两跳链路之间速率的均衡，算法的 主要目标是优化传输节点的能效问题，b s 或r s 按第一跳链路数据速率和第二跳链路 数据速率的差异自适应地调节节点发射功率，使各链路的传输功率保持一致，进而使 得两跳链路的传输速率得到匹配的同时功率也得到合理地控制。文献【1 6 1 贝l j 关注o f d m 线性中继网络中端到端速率的最小化问题，其目标是寻找到最优功率和时间适应性策 略。文献 1 7 】引入了伪信道增益的概念，将协作中继传输转化为虚拟直传，通过采用伪 西南交通大学硕士研究生学位论文一 篁垒夏 信道增益，可以将协作o f d m a 中继网络资源分配问题简化为一个传统蜂窝网的资源 分配问题。文献 1 8 贝j j 在协作中继通信的环境中，基于信息接收方的q o s 要求，在一 个数据传输周期丁期间内进行基于能耗最少的资源分配调度算法研究，通过对时间和 功率的联合优化得到系统能量损耗最少的次优解。文献 1 9 】在高斯白噪声中继信道环境 下，通过最小功率方法最大化单位能量携带的数据比特数即最大化能效。 由此可见，目前对于无线多跳中继网络无线资源分配相关问题的研究侧重于针对 不同资源类型的特定优化解决方案，对于能效问题的研究也主要针对功率的最优分配， 但在现实中，能量是功率和时间的乘积，传输功率的大小不能直观地反映出能量损耗 的大小，如果把时间维度再考虑进去，优化问题将会遇到更多的挑战，因此需要对这 个问题进行更深层次地研究。 1 3 论文主要工作和内容安排 本文主要从节能即最大化系统能效的角度出发，将资源分配调度问题分为全局资 源分配和分组调度两个方面分别进行深入研究。全局资源分配问题主要应用于满队列 业务( f u l lb u f f e r ) 场景下即简化了用户的到达、服务以及用户队列中数据包的到达和处理 过程，在全局资源分配问题的研究中忽略了时间对能量的影响即主要从功率损耗来评 估方案的能效性能；分组调度则主要应用于非满队列的场景下，该场景更加接近于实 际的通信系统，在对分组调度算法的研究中会同时考虑功率和时间对系统能量损耗的 影响。 本文的主要内容安排如下： 第二章主要介绍了o f d m a 无线多跳中继系统的相关技术及其原理，包括多跳中 继技术、o f d m a 的信息承载方式以及其在多跳系统中的帧结构，为后面的资源分配 和分组调度研究打下理论基础； 第三章首先针对传统蜂窝网中的节能全局资源分配算法进行了分析比较和仿真； 接着在此基础上为降低控制复杂性将中继系统两跳链路虚拟化为单跳链路并提出了一 种适应中继系统特殊场景的技能全局资源分配算法，最后针对无线多跳中继网络进行 仿真平台的搭建，包括站点参数、无线信道模型、系统模型等并对该算法进行了仿真 和评估。 第四章首先对传统蜂窝网的分组调度算法、用户能效、资源占用率等进行介绍和 分析以寻求不同调制编码方案与用户能量损耗以及资源占用率之间的关系，接着在此 基础上提出了一种能保证业务q o s 需求、有效降低系统能量损耗的的o f d m a 无线多 跳中继多业务跨层分组调度算法，最后通过仿真分析从吞吐率、能效、系统丢包率、 系统时延等多维度对该调度算法进行了评估。 最后为本文的结论和对未来工作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文篁三亟 第二章o f d m a 无线多跳中继系统相关技术 通信事业的发展所带来的业务多样化趋势对数据传输速率提出了更高的要求，在 下一代无线通信技术标准 ( l t e a 和i e e e8 0 2 1 6 m ) 均采用了o f d m a 多址接入方式 以及对多跳中继结构的支持【2 0 】。中继的引入可以在提高系统吞吐率以及扩大小区覆盖 范围的同时，降低运营商对相应设备的部署和维护成本。本章主要介绍了引入中继后 的系统拓扑结构，并对o f d m a 技术及其帧结构、中继系统的o f d m a 帧结构及对应 的资源分配问题进行了分析，为后面章节针对o f d m a 无线多跳中继系统的资源分配 和分组调度算法的研究奠定基础。 2 i o f d m a 相关技术介绍 对于移动无线数据通信来说，选择适当的调制和多址技术对是否达到良好的系统 性能至关重要。典型的移动无线信道往往是离散和时变的，所以使得人们对多载波调 制的应用产生浓厚兴趣。在新一代宽带无线通信系统中，o f d m a 技术逐步得到人们 的认可而成为主流的多址接入技术；宽带无线接入系统i e e e8 0 2 1 l g a 、8 0 2 1 6 d e 纷纷 将其作为技术基础，3 g p p 和w i m a x 在下一代无线通信系统传输技术中也均采用了 o f d m a 及其相关技术。 2 1 10 f d m 0 f d m a 基本原理 多载波方案通常将系统的信道总带宽划分为多个子信道，每个子信道呈现非频率 选择性。o f d m ( 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 ，正交频分复用) 是一种在实 现中极具吸引力的多载波传输技术。在o f d m 系统中，频率选择性宽带信道被划分为 重叠但正交的非频率选择性窄带信道，如图2 1 所示，该划分方法能有效地避免因为 添加保护带宽而带来的频率资源浪费，进而提高了o f d m 系统的频谱利用率。o f d m 系统中子信道能够在接收机中得到完全的分离进而降低了接收机实现的复杂度，正因 如此使得o f d m 技术对于l t e a 等需提供高速率移动数据传输的通信系统而言更具 吸引力。近几年，数字信号处理技术f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s l a t e ，快速傅立叶变换) 的 发展使f d m 技术有了革命性的变化，其允许f d m 的各个子载波重叠排列并保持子载 波之间的正交性进而有效地避免了子载波之间的干扰。 o f d m 系统中，发射机的结构如图2 2 所示。信道编码所产生的比特数据，经过 串并变换( s p ) 和调制星座映射后转变为频域信号，接着将调制符号映射到m 个子载波 西南交通大学硕士研究生学位论文篁鱼夏 上，同时通过快速傅立叶反变换( i f f t ) 将这肘个并行子载波上的频域信号转换为时域 信号，其具有个采样点( 为i f f t 长度，n m ) o f d m 即o f d m 符号。在将此时 域信号调制到载波上之前，为了在多径环境下保持各子载波间的正交性，系统将在 o f d m 符号前面逐个插入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 。最终经过并串转换将多个子载 波的时域信号进行叠加继而形成o f d m 发送信号。 nn 厂、nnn 频警 o f d m 多载波调制技术 图2 1 传统f d m 和o f d m 频谱利用率比较图 o f d m 接收机的核心部分也是f f t 处理。由于多径分量主要落在c p 范围内，其 可作为发射信号经过一定位移的循环复本，所以f f t 可以在保证子载波正交性的同时 将这些多径分量进行自然合并。经过f f t 处理后，o f d m 符号转换为频域信号，即还 原了每个子载波上的发送信号。 o f d m 发射机框图 ? ；垄塑微圈一亟圃一恒圈一咽 一 ，一j o f d m 接收机框图 _ 一一_ _ 一一一。- 。- - 一- _ - - - 一_ - 一- - - - 一- - 。- 一一- - - 一- - - _ - - - - - 。一- 一一一一- - - - - - - - ；警咚勉数提目一匦日回一母卜 i 一一一一一一一一。一一一一一一一一一一一一一一一一一一jl - _ 一- 一一一- - - - - 一一- - - - - - - - - - 一- 一一- - 一一。- 一- j 图2 - 2o f d m 发射机和接受机模型 o f d m a ( 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 ，正交频分多址) 是将 o f d m 扩展到多用户通信系统的一种多址接入方式。o f d m a 在同一时间将子载波分 配给不同的用户，因此可使得多个用户同时接受数据。为简便起见并减少子载波分配 结果的信令开销，子载波上会分配一组连续数据，它是基于多载波f d m a ( 频分多址) 西南交通大学硕士研究生学位论文箜王亟 技术【2 1 1 ，o f d m a 使o f d m 获得多用户增益，其根据来自每个用户反馈的频率选择性 信道的信道条件，采用自适应方式对用户进行子载波分配，与单用户系统相比，大大 提高了系统的整体频谱利用率。 o f d m 一般结合t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u t i p l ea c c e s s ，时分多址) 一起使用旧j ，如 图2 3 所示，横坐标表示时域，纵坐标表示频域，分别由多个子载波和时隙组成，使 得资源可在时频平面上进行划分。在l t e a 中，这样的时频块被称为r b ( r e s o u r c e b l o c k ，资源块) ，每个用户可以占用不同的r b 来进行数据的传输，从而使得子载波资 源以及对应发射功率分配时更具灵活性，同时达到资源利用的优化。 囫用户le 田用户2 圜用户3 田田用户4 图2 3o f d m t d m a 混合系统的资源分配图例 2 1 2o f d m a 帧结构介绍 下一代无线通信系统( 以l t e a 为例) 的下行链路主要负责传输来自协议栈中高层 用户平面和控制平面的数据，o f d m a 为下行链路中不同数据的复用提供了方便即将 下行链路信号进行分割并放入多个时频单元块内进行并行传输。 在l t e a 中，下行链路传输资源具有时间、频率和空间三个维度。空间维度通过 多天线技术来实现，系统按照时间和频率两个维度对传输资源进行划分，最大的时间 单位为1 0 m s 持续时间的无线帧，其被分为1 0 个l m s 的子帧，每个子帧由两个0 5 m s 的时隙组成。若小区上配置的是常规循环前缀则每个时隙由7 个o f d m 符号组成；若 小区上配置的是扩展循环前缀则每个时隙由6 个o f d m 符号组成。在频域上，每1 2 个子载波组成一个资源单位( 总共带宽为1 8 0 k h z ) ，频域上的一个资源单元和时域上的 一个持续时隙资源构成一个资源块( r b ) 。资源的最小单元为r e ( r e s o u r c ee l e m e n t ，资 源元素) ，其由频域上的一个子载波和时域上的一个o f d m 符号组成。因此，对常规循 环前缀长度而言，每个r b 由8 4 个r e 组成，对扩展循环前缀长度而言，每个r b 则 西南交通大学硕士研究生学位论文第壁夏 由7 2 个r e 组成【2 3 】。针对f d d 和t d d 两种模式，e u t r a n 定义了两种不同的帧结 构。 1 帧结构类型1 帧结构类型1 主要应用于f d d 半双工和全双工模式，其结构如图2 4 所示，每个 无线帧时域长度为1 0 m s ，由2 0 个时间长度为0 5 m s 的时隙组成，相邻的两个时隙构 成一个子帧。 图2 - 4 帧结构类型1 示意图 对于f d d 模式而言，每个帧周期内，1 0 个子帧只能用于下行链路传输或者上行链 路传输，下行链路和上行链路通过频域进行划分。在f d d 半双工操作模式下，移动用 户不能同时进行数据的发送和接受。 2 帧结构类型2 帧结构类型2 主要应用于t d d 模式，其结构如图2 5 所示，每个无线帧被分为两 个相同大小的半帧，每个半帧由8 个时间长度为0 5 m s 的时隙以及下行导频时隙 ( d w p t s ) 、上行导频时隙( u p p t s ) 、保护间隔( g p ) - - - 个特殊的时隙组成。d w p t s 主要用 于下行链路同步和小区搜索；g p 主要用于确保用户传输u p p t s 时不会对相邻用户接 受d w p t s 造成干扰；u p p t s 主要用于基站决策用户侧的接受功率和接受时间。 一个无线帧，露3 0 7 2 0 0 r , 2 1 0 m s d p 1 r sg p u p l w r $ i ) w p t $ g p u p p t $ 图2 5 帧结构类型2 示意图 2 1 3o f d m o f d m a 的优势 o f d m a 相对于传统的单载波有些优势是显而易见的，而有些优势的存在则依赖 于具体的假设条件；有些优势能带来相当大的系统性能提升，然而有些优势则不能带 来显著的系统性能提升，本小结主要通过其与c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 码分多址接入) 的对比来介绍o f d m a 的技术优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 频谱效率高。由于f f t 的处理使得各个子载波可以部分重叠，理论上接近奈奎 斯特极限且各子载波之间正交，所以可以在相同系统带宽的限制下传输更多的数据进 而提高系统频谱效率。但是完全依赖f d m a 正交来区分不同小区的无线资源可能比采 用c d m a 实现小区间多址更复杂化。 2 带宽扩展性强。由于o f d m 系统的信号带宽主要由所使用的子载波数量大小 决定，因此o f d m 系统具有很好的带宽扩展性。f f t 尺寸带来的系统复杂度增加相对 并不明显，这个特点非常有利于实现未来移动通信所需的更大带宽，也更便于使用2 g 系统退出市场后遗留下的小片频谱。因此，针对向宽带化发展的趋势f 系统带宽由小于 等于5 m h z 增加到最大2 0 m h z 甚至更高) ，o f d m 系统对大带宽的有效支持成为其相 对于单载波技术( c d m a ) i 拘关键优势1 2 4 j 。 3 抗多径衰落。由于信道的频率选择性，单载波传输会受到多径衰落的影响，通 常认为多径衰落在系统带宽增加到5 m h z 以上时候会变得相当严重【2 5 1 。o f d m 系统将 宽带传输转化为多个正交子载波上的窄带传输，因此可将每个子载波的信道近似看做 平坦衰落信道，同时由于循环前缀( c p ) 的插入可以采用简单的单抽头均衡( f d e ) 纠正信 道失真，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度，而单载波信号多径均衡的复杂度随 着带宽的增大会急剧增加，很难支撑比较大的带宽。 4 频域调度和自适应。o f d m 子载波可按照集中式( l o c a l i z e d ) 和分布式 ( d i s t r i b u t e d ) 两种方式构成子信道，如图2 - 6 所示。 用户1 用户2 用户 用户1用户2 用户3 一一- - i 一呻_ 一呻二。- - e - 一 l jit 。 十t t 。、t 。 l 年今 llli ：i i i l i ：i i i i i ! i ! li i ii i ( a ) 集中式子载波分配( b ) 分布式子载波分配 图2 - 6 两种子载波排列方式 集中式将若干连续的子载波分配给一个用户，系统在进行时域调度的同时还能通 过频域调度选择信道条件较优的用户进行传输并以此来获得多分集增益( 如图2 - 6 ( a ) ) ； 但在有些情况下，比如信道质量指示( c q i ) 反馈无法跟上信道的变化速度或用户信干噪 比( & 凇) 很低时则系统无法有效地进行频域调度；而分布式0 f d m a 系统分配给各个 用户的各个子载波交替排列即使得子载波集合分散到整个带宽上，从而可得到与 c d m a 系统接近的频率分集增益( 如图2 - 6 ( b ) ) 。同时o f d m a 系统可在不同子载波上采 用不的调制编码方式，结合a m c ( a d a p t i v em o d u l a t ec o d e ，自适应调制编码) 技术使用 t i it-0 t i十i f i l。 t；titt；t； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 则可以更好的适应信道的频率选择性，此种结合方式是本文研究资源分配和分组调度 的技术基础。 2 2 无线多跳中继网络及资源分配相关技术 2 2 1 多跳中继网络介绍 传统蜂窝网中，移动用户( m s ) 与系统进行通信只需经历单跳的过程即b s m s ；然 而b s 的最大发射功率有限，因此其覆盖的小区范围也会受到限制。由于无线信号在传 输的过程中会经历小区环境