（通信与信息系统专业论文）多用户ofdm系统动态资源分配算法的研究及其应用.pdf

摘要 本文主要研究了多用户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 ， o f d m ) 系统的动态资源分配问题。首先介绍了正交频分复用的基本原理和认知 无线电技术。其次研究了自适应o f d m 系统的功率分配及自适应调制算法。在此 基础上，提出了一种新的多用户o f d m 系统动态资源分配策略，该算法根据用户 的实时信道状态和传输速率要求，合理的选择用户的接入时刻，从时频二维空间 去优化系统。仿真结果表明该算法在不增加算法复杂度的前提下，既保证了用户 的公平性又有效的提高了频谱效率。此外本文还研究了基于8 0 2 2 2 w r a n 的跨层 资源调度策略。根据i e e e8 0 2 2 2w r a n 协议草案物理层的相关定义和m a c 层 定义的q o s 机制，提出了一种基于w r a n 的跨层资源调度策略，该算法结合物 理层的实时信道状态和m a c 层的服务质量要求，进行自适应的跨层资源调度， 仿真结果表明该算法在保证用户服务质量的基础上，提高了系统容量。 关键字：认知无线电多用户o f d m 动态资源分配跨层调度 a b s t r a c t t h ed y n a m i cr 髓o u r c ca l l o c a t i o na l g o r i t h mi nm u l t i u s e ro 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 ) s y s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r i n i t i a l l y , f u n d a m e n t a l s o fo f d ma n dt c c h n o l o g i e so fc o g n i t i v er a d i oa l ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e a d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h ma n dm o d u l a t i o ns c h e m ef o ra d a p t i v eo f d m s y s t e m sa r es t u d i e ds u b s e q u e n t l y a f t e r w a r d s ，d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e s f o rm u l t i u s e ro f d ms y s t e m sa r es t u d i e di nd e p t h an o v e 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 mw h i c hc o n s i d e r st h es y s t e mc a p a c i t ya n df a i r n e s sj o i n t l yi sp r o p o s e di n t h i s p a p e r t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a r lo p t i m i z et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nb o t ht h et i m e a n df r e q u e n c yd o m a i n sb yc h o o s i n gt h ea c c e s st i m ef o re a c hu s e ra p p r o p r i a t e l yb a s e d o nt h er e a l t i m ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) a n dt h er e q u i r e m e n to fd a t ar a t e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a l ln o to n l yg u a r a n t e et h e f a i r n e s sa m o n gn s 6 l s ，b u ta l s oi m p r o v et h es p e c t r a le f f i c i e n c ye f f i c i e n t l yw i t h o u t i n c r e a s i n gt h ea l g o r i t h mc o m p l e x i t y i na d d i t i o n ，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 n s c h e m eb a s e do nw r a ni si n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt or e l a t e dd e f i n i t i o n so np h ya n d m a c l a y e ri nt h ew r a ne n v i r o n m e n t ac r o s s - l a y e rr e s o u r c es c h e d u l i n gs c h e m ei s p r o p o s e d s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a t t h ea l g o r i t h mc a ni m p r o v et h es y s t e m c a p a c i t yo nt h eb a s i so f r e q u i r e m e n t so f q o sa n du s e r s t r a n s m i s s i o nr a t e k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o m u l t i u s e ro f d md y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n c r o s s - l a y e rs c h e d u n n g 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：_ 三落f | 舀筮l 日期j 趋空t 皿 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期盎璺鲨：9 同期巡：厶万 第一章绪论 第一章绪论， 1 1 引言 进入2 l 世纪以来，无线通信技术【l 】的发展日新月异。蜂窝移动通信系统，宽 带无线接入系统等都呈现出如火如荼的发展态势。蜂窝移动通信从上世纪8 0 年代 出现到现在，已经发展到了第三代移动通信技术，目前业界正在研究面向未来第 四代移动通信的技术。与此同时，宽带无线接入技术也在全球不断升温，宽带无 线接入研究重点主要包括无线局域网( w l a n ) 、无线城域网( w m a n ) 以及最近 刚提出的无线区域网( w r a n ) 。 随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以 预计未来的无线通信技术将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利。 目前普遍的观点是，下一代无线通信网络将是基于统一的i p v 6 包交换方式，向用 户提供的峰值速率超过1 0 0 m b i t s ，并能支持用户在各种无线通信网络中无缝漫游 的全新网络。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的 无线通信中必须采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术。在当 前能够提供高速率传输的各种无线解决方案中，以正交频分复用【2 h 习( o r t h o g o n a l f r e n q e n e yd i v i s i o nm u l t i p l e ，o f d m ) 为代表的多载波调制技术是最有前途的方案 之一。 无线电通信频谱是一种宝贵的自然资源，一般由政府授权使用。由于通信行 业的迅速发展，频谱资源贫乏的问题日益严重。如何提高频谱利用率，在各地区 和各个时间段里有效地利用不同的空闲频道，成为人们非常关注的技术问题。 j o s e p hm i t o l a 在软件无线科6 】的基础上提出了认知无线电【7 】( c o g n i t i v er a d i o 简 称c r ) 的概念，为这个问题提供了解决方法和系统模型。2 0 0 4 年1 1 月，i e e e8 0 2 2 2 w r a n 工作组成立。该工作组的目标是：以认知无线电技术为基础，在不损害已 有电视设备服务的前提下，使用电视频带为非授权用户提供廉价的无线接入服务。 因此如何对o f d m 系统进行自适应的资源分配，如何利用多用户的分集增 益进行自适应的接入，并把自适应资源分配应用在认知无线电系统中，从而实现 最大限度的频谱资源利用率，提高系统传输效率，成为未来通信发展的一个热点。 多用户o f d m 系统动态资源分配算法的研究及其应用 1 2o f d m 技术的发展概况 正交频分复用( 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 ) 技术是 一种高速传输技术。它的基本原理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，这样使得每个o f d m 符号周期远远大 于信道的多径时延扩展，因此可以减轻由无线信道多径时延扩展对系统造成的影 响。同时，由于它在每个o f d m 符号之前插入了保护间隔，只要使得保护间隔大 于信道的最大时延扩展，这样就可以对抗由多径引起的符号间干扰( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。因此o f d m 技术能够同时满足高速和抗干扰两方面的要求【副啦j 。 o f d m 技术主要有以下特点【3 】【4 1 ，就优点来说主要有：1 ) 可以有效地对抗信 号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输；2 ) 在o f d m 技术 中，可通过插入循环前缀( 只要使循环前缀持续长度大于最大信号延迟) ，就可以 很好地克服i s i 和i c i ：3 ) 由于o f d m 各子载波相互正交，允许各子载波有1 2 重 叠，因此可以大大提高频谱利用率；4 ) 各个子载波上可采用独立的调制编码方式， 来优化系统的性能；5 ) 通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。与单载 波系统相比，若衰落不是特别严重，可以不加信道均衡器，减小了系统的复杂度： 6 ) o f d m 技术抗脉冲及窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的 子信道；7 ) 若采用差分调制，无需信道估计；8 ) 与单载波系统相比，对采样定时 偏移不敏感；9 ) 采用f f t 技术实现调制和解调功能，使得计算更加有效。其缺陷 主要有：1 ) 由于要求各子载波正交，使得其对频率偏移和相位噪声很敏感；2 ) 由 于各子载波相互独立，使峰值与均值功率比相对较大，且峰平比随着载波数目的增 加而增加，高峰平比信号通过功放时，为了避免信号的非线性失真和带外频谱再 生，需要功放具有大的线性范围，使得功放有较大的回退，导致射频放大器的功 率效率降低；3 ) 加载算法和自适应调制会增加系统复杂度。 通过近些年来对o f d m 技术的广泛研究，o f d m 系统的频偏估计、信道估 计、峰平比抑制等问题已经很好的解决。随着数字信号处理( d s p ) 和超大规模 集成电路( v l s i ) 技术的发展，在小型移动设备上实现高性能的o f d m 调制成 为可能。由于o f d m 本身的性能优越，基于o f d m 技术的通信系统标准也如雨 后春笋般地不断涌现，如用于提高铜双绞电缆通信能力的对称数字用户链路 ( a d s l ) ，应用于无线局域网的i e e e 8 0 2 1 1 和欧洲电信标准协会( e t s i ) 推出 h i p e r l a n 2 标准，适用于无线城域网的i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 标准等。在广播方 式的音频和视频传输中o f d m 技术也同样得到广泛应用，如欧洲的数字音频广播 ( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 以及日本的综合业务数字广播( i s d b ) 等。o f d m 第一章绪论 与多输入多输出( m 1 m o ) 以及智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 一起成为第四代移动 通信系统物理层的关键技术。 1 3o f d m 系统中的自适应技术 在实际的无线传输过程中，无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性。 时变特性是由终端、反射体、散射体之间的相对运动或者仅仅是由于传输媒介的 细微变化引起的。因此，无线信道的信道容量也是一个时变的随机变量，要最大 限度地利用信道容量，只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是使 编码调制方式具有自适应特性。但是在传统的无线数字通信系统中，都是以最差 情况时的信道为目标设计编码和调制等技术，系统中包含了很多用来克服最差条 件的开销，即使是在信道条件较好的时候，这些开销也依然存在。目前的无线通 信系统，通常都是选择使用一种简单的调制外加复杂的纠错编码来实现。但是这 种方式很明显对频谱资源的利用度不高。 自适应技术可以根据无线传输环境的变化自动的改变调制方式、编码速率、 传输功率、传输信道等等的参数，以便最大限度的传输有效信息，从而提高频谱 资源的利用率。自适应传输的思想是6 0 年代末提出的，但由于受当时硬件条件的 限制一直未得到重视。9 0 年代随着计算机技术和数字信号处理技术的高速发展和 人们对多媒体通信业务的需求，自适应调制受到越来越广泛地关注，g o l ds m i t ha j 等提出的自适应功率控制，u e t 等提出的变符号率传输 8 】，w e b b w t 等提出的 动态地改变星座点大小【9 】，m a t s u o k ah 等提出的可调编码速率或者是这些方案的 结合【9 】都正在研究中。很多实际的通信系统，例如u m t sh s d p a 高速下行分组接 入以及c d m a 2 0 0 0 1 x e v d o d v 都将自适应调制技术作为关键技术之一。 o f d m 作为一种频分复用技术，本身就具有适合自适应传输的特点。对于无 线信道，多径传输带来的频率选择性衰落对通信系统的影响是非常严重的。o f d m 技术通过将高速数据码流并行分配到多个并行的子信道上，虽然在整个o f d m 带 宽范围中存在频率选择性衰落，但是对每个子信道来说，衰落程度都是基本相同 的，通过o f d m 的信道估计以及信噪比估计技术，可以检测或预测出o f d m 各 个子信道上的衰落程度以及噪声功率，这样就能根据每个子载波上不同的信道条 件，自适应的改变各载波上的调制制式以及相应的发送功率，实现同时对信道在 频域以及时域自适应传输的目的。 更进一步，在多用户o f d m l l 0 接入( 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 a c c e s s ，o f d m a ) 系统中，由于不同的用户所在的位置不同，信道的传输条件也 可能不同，因此可以进行子载波的自适应分配，即根据各个用户在各个子载波上 的实际的传输情况灵活的为每个用户分配所需要的子载波，从而更加公平有效。 4 多用户o f d m 系统动态资源分配算法的研究及其应用 将无线资源分配给共享无线媒质的多个用户。因此对于自适应o f d m 来说动 态资源分配技术的研究将拥有广泛的应用前景。 1 4 基于认知无线电的i e e e8 0 2 2 2 协议草案 在i e e e 8 0 2 涉及的无线接入领域中，目前主要的四类无线接入技术( w p a n 、 w l a n 、w m a n 、w w a n ) 已取得了空前的发展。在此基础之上，为了解决频 谱资源日益匮乏的问题，实现频谱的再利用，i e e e 8 0 2 2 2 工作组成立，规定了以 认知无线电为基础的无线区域网w r a n 协议草案。 由于通信行业的迅速发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，尤其是在频率需 求非常紧张的数百m h z 。3 g h z 无线频带中，一些频带大部分时间内并没有用户使 用，另有一些偶尔才被占用，其他频带使用竞争则相对很激烈。怎样才能提高频 谱利用率，在各地区和各个时间段里有效地利用不同的空闲频道，成为人们非常 关注的技术问题。m i t r e 公司的j o s e p h m i t o l a 在软件无线电1 6 】( s o f t w a r e d e f i n e d r a d i o 。s d r ) 的基础上，提出了认知无电( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念，为这个 问题提供了解决方法【“。 以软件无线电为扩展平台的认知无线电是一种新的智能无线通信技术，它可 以感知到周围的无线环境特征，采用构建理解的方法进行学习，通过无线电知识 描述语言与通信网络进行智能交流，实时调整传输参数，使系统的无线规则与输 入的无线电激励的变化相适应，以达到无论何时何地通信系统的高可靠性和频谱 利用的高效性。其基本的认知周期如图1 1 所示。 图1 1 认知无线电的基本认知周期 8 0 2 2 2 协议草案2 6 1 是第一个以认知无线电为基础的i e e e 8 0 2 协议，它定义了 一种点到多点的无线空中接口，该系统中b s ( 基站b a s es t a t i o n ) 管理自己小区 第一章绪论 内的c p e s ( 消费为目的设备c o n s u m e r p r e m i s e e q u i p m e n t s ) 。b s 控制蜂窝小区中 的媒体接入，通过下行链路向c p e s 传输数据，c p e s 通过上行链路向b s 做出应 答。为了保护电视业务，所有的c p e s 设备只有通过b s 的授权后，方能进行通信 传输，并且各c p e s 采用的传输模式( 包括调制制式、编码、传输频段等) 也都 由b s 控制。8 0 2 2 2 协议并不仅仅适合偏远地区的要求，事实上，8 0 2 2 2 w r a n 网络的主要市场还包括单家庭住宅、多户住宅、s o h 0 、小型商行、校园等。8 0 2 2 2 系统被定义成一种能够满足一切可能应用的系统。它能够提供数据、语音和带q o s 要求的语音视频等业务。 1 5 本文主要工作及章节安排 本文来源于认知无线电技术研究项目，目的是研究自适应o f d m 系统的 动态资源分配问题以及在基于认知无线电的w r a n 场景下的应用。出于上述目 的，本文的主要工作如下： 1 研究了自适应o f d m 系统、自适应功率分配的理论基础注水定理以 及各种自适应功率分配及比特加载算法。 2 深入研究了多用户o f d m 系统的动态资源分配问题。分别在m a r g i n a d a p t i v e ( m a ) 优化和r a t e a d a p t i v e ( r a ) 优化两种优化方式下，研究了多用户的动 态资源分配算法，提出了一种基于r a 优化的多用户o f d m 系统动态资源分配策 略，为基于8 0 2 2 2 w r a n 的跨层资源调度的研究做好铺垫。 3 研究了基于i e e e 8 0 2 2 2 协议草案的跨物理层和m a c 层的资源调度问题。 4 为课题组基于认知无线电的软件仿真平台提供自适应子信道和功率分配方 案。 本文的章节安排如下： 第二章主要介绍o f d m 技术的基本理论以及o f d m 系统的自适应功率分配； 第三章研究了多用户o f d m 系统的动态资源分配问题，首先介绍了固定的多用户 接入方案；其次分别在m a 和r a 两种优化方式下，深入研究了多用户的动态资 源分配算法，提出了一种基于r a 优化的多用户o f d m 系统动态资源分配策略， 仿真结果表明该算法在保证用户公平性的基础上，有效的提高了频谱效率：第四 章主要研究了基于8 0 2 2 2 w r a n 的跨层资源调度策略；首先介绍了i e e e8 0 2 2 2 w r a n 协议草案物理层的相关定义和m a c 层定义的q o s 机制，在此基础上提出 了一种基于w r a n 的跨层资源调度策略。仿真结果表明该策略在保证用户服务 质量要求基础上，提高了系统容量。 第二章o f d m 基本理论以及自适应功率分配 7 第二章o f d m 基本理论以及自适应功率分配 2 1o f d m 基本原理 正交频分复( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它既可以被看作一种 调制技术，也可以被看作一种复用技术。它由于抗频率选择性衰落能力强、频谱 利用率高、便于与其他接入方式结合使用、可以使用高效的i f f t f f t 来实现等 优点使它成为最有发展前途的多载波调制技术2 】4 5 1 。 2 1 1o f d m 的基本原理 1 o f d m 的基本原理模型 o f d m 的基本原理就是把串行的数据流分解成若干个数据速率低得多的并 行子数据流，每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波，最后把各个子载波 上的信号叠加合成一起输出。 o f d m 系统的基本原理如图2 1 所示： 妒 十一z 出 + 并 乌。l 扩m - 变 换 丑。一 发送端 信 道 芦 出 1 p 恒p 变 换 毒葚刮鼢恤 接收端 图2 1o f d m 系统基本原理模型 从上图可以看出：o f d m 的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换 成n 路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。 而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换便输出 原始数据。 2 o f d m 信号的表达式及其正交性 从上面对o f d m 基本原理的论述可以看出：其实现的根本思想是通过串并变 换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，实现的关键点是保证各个子载波 多用户o f d m 系统动态资源分配算法的研究及其应用 之间的正交性。串并变换是很容易实现的，而正交性是如何实现的呢? 下面先看 看o f d m 信号的表达式。 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波信号都可以进行相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 。如果n 表示子信道 的个数，r 表示一个o f d m 符号的时间宽度，矾一= d ，j ，一n - d 为每个子信道的数 据符号，工是第零个子载波的载波频率，则f = 珞开始的一个已经调制的o f d m 符 号可表示为： 占( f ) = d i p 口州正+ 抄t ，t t ，+ t ( 2 1 ) 然而在多数的文献中，通常采用复等效基带信号来表示o f d m 的输出信号， 如式( 2 2 ) 所示。其中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 际中可以分别与相应的子载波的c 0 8 分量和s i n 分量相乘，再叠加成o f d m 信号。 s ( f ) = d t p 业砷“叫t ，tst ，+ t ( 2 2 ) 从式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 都可以看出，o f d m 信号相邻子载波间的间隔为o f d m 的 码元速率即厅，这样就有： l 丁如f r e j , , , t e # d 疵= r e 口。争e 口。出 ：吾”孚。也 ( 2 - 3 ) f 1h = m 2 0 ”所 式( 2 3 ) 说明了只要使各个子载波之间的间隔为j 厅就保证了各个子载波之间 的正交性。正是这种正交性使频谱互相重叠的各个子载波信号能够被正确的分离 出来。比如要解调第，个子载波，根据图2 1 以及式( 2 3 ) 有： d ；= l 。i 。t + t , s ( f 弦一7 2 8 ；。d f = = 亭r + 篓d t e 2 口； f ) e 一，2 z ；“1 疵 。：4 ， = j 1n 斟- 1 * t i 铲* d l = d j 这种正交性在时域的表现就是每个子载波在一个o f d m 符号周期内包含整 数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。如图2 2 所示。 第二章o f d m 基本理论以及自适应功率分配 9 图2 2o f d m 信号正交性的时域表现 这种正交性也可以从频域得到更直观的体现。因为每个o f d m 符号包含了多 个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与各个子载 波的脉冲响应函数8 ( 0 的卷积，图2 - 3 显示了o f d m 信号频谱中各个子信道频谱 的情况，其中每个子信道的频谱为s i n c ( m 州函数，它在中心频率处有最大值，在 j 厅的整数倍频率上的值为零。这样，在每个子载波的频谱最大值处所有其他子 载波为零，在解调时，需要计算各个子载波频谱的最大值，只要保证各个子载波 的频率没有偏移，就可以准确的解调出每个子信道上的数据而不受其他子信道的 影响。 ； 、 x 、，j 争 i 十一 一，- 一，一 a众 攀澄鼙 一、i 一 一 装攀 一。r r 一 图2 3 从各个子信道看o f d m 信号的频谱 旷i i i i 1、i i ! h 图2 4f d m 和o f d m 频带占用示意图 1 0 多用户o f d m 系统动态资源分配算法的研究及其应用 从图2 4 所示的频带占用示意图可以看出：在o f d m 信号频谱中，由于各个 子信道频谱相互重叠，o f d m 信号的带宽是进行一般频分复用信号带宽的一半， 即频谱利用率提高了一倍。这是o f d m 给我们带来的最大好处之一。 2 1 2o f d m 的i f f t f f t 实现 图2 1 只是从理论上说明了o f d m 系统的基本原理，按图2 1 来实现o f d m 系统是非常的困难和不可取的。因为当子载波数目多，子载波间隔非常小时，难 以实现这么高的频率分辨率，而且解调时每一路子载波都要进行积分，导致系统 结构庞大，非常的浪费资源，因此需要寻找一种易于实现的方案。 在式( 2 2 ) 中，令岛= d ，对信号s ( o 以t a v 的速率进行采样，即令t = k t n 陆= d ，2 “ n - ，可以得到： sk ：艺1 d ，p j 2 x 争0 k n 一1 ( 2 - 5 ) 可以看到& 可以看作对函进行离散傅立叶反变换i d f t 运算。同样在接收端， 为了恢复出原始的数据符号破，对& 进行反变换，即进行离散傅立叶变换d f t 得 到： d ，：n - is 。p - j 2f 争 o f 一l ( 2 - 6 ) 根据以上的分析可以看出，o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 完成。通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号反变成时域数据符号& ，经过射频 载波调制之后，发送到无线信道中。其中，每一个i d f t 输出的数据符号都是 由所有子载波信号经过叠加而生成，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信 号进行抽样得到的。这样通过d f t 的方法来实现o f d m 有很大的好处，它大大 简化了调制解调器的设计，使用i d f t d f t 便可完成了多路子载波的调制和解调， 而且i d f t d f t 早就有了成熟的快速算法i f f t f f t ，它可以方便的在d s p 芯片 中实现。使用i f f t f f t 的o f d m 系统基本原理如图2 5 所示。 调制解调 图2 5o f d m 基本原理的i f f t ，f 】盯实现 第二章o f d m 基本理论以及自适应功率分配 1 1 2 1 3 添加循环前缀 o f d m 的一个最主要优点是它可以有效的对抗多径时延扩展。通过串并变化 把输入数据转换到个并行的子信道中，使每个子信道信号的符号周期扩展为原 来的倍，时延扩展与符号周期的比值也就降低了倍，大大提高了系统的抗码 间干扰( i s i ) f l e 力，这是多载波调制也是o f d m 的一个明显好处。为了最大程度的 消除码间串扰，还可以在每个o f d m 符号的之间插入保护间隔。保护间隔的长度 乃一般要大于最大时延扩展。在保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空 闲传输时段，但是由于多径传播的影响，会产生信道间干扰0 c i ) ，即子载波间的 正交性遭到破坏，子载波之间产生干扰。这种情况如图2 6 所示。 图2 6 插入空保护间隔时多径时延带来i c i 综上所述，单纯的插入空的保护间隔时多径时延会带来i c i 。为了消除i c i ， 需要改变保护间隔的插入方法。研究表明，在保护间隔中插入循环前缀( c y c l i c p r e f i x ，c p ) 可以解决这个问题，因为插入循环前缀后，只要多径时延小于c p 的长 度，在f f t 的计算时间内各个子载波的包含周期数是整数，也就是说各个子载波 之间保持正交，没有i c i 。c p 的插入方法如图2 7 所示，也就是把每个o f d m 符 号的后疋时间的样点复制到o f d m 符号的前面，形成前缀。此时o f d m 的符号 周期为：正= 7 + 足。 椰 。懈加 kj 州剐八八删 ：“二 ! i “一- v 堑，： ，： c p t 加c p 前的0 f 蹦符号 t 2 图2 7 循环前缀的添加 多用户o f d m 系统动态资源分配算法的研究及其应用 从图2 7 也可以看到，在循环前缀和o f d m 符号主体交界处t l ，信号相位是 连续的。这是因为在每个符号周期内都包含整数倍个子载波周期，也就是说对每 个子载波来说其相位在t 卜幻时刻是相同，所以它们叠加合成的信号在t 卜t 2 时刻 相位也相同，因此循环前缀和o f d m 符号主体交界处，信号相位是连续的。 这样，添加c p 之后通过i f f t f f t 实现的基带o f d m 系统模型如图2 8 所示。 数据流经过串并变换实现了把串行数据流变换成个并行数据流( 为o f d m 系 统的子载波个数) 后，进行点的i f f t 变换，从而在基带上实现把n 个并行数 据调制到n 个并行的正交子载波上，为了最大程度的消除码间串扰( i s i ) 和信道 间干扰( i c i ) ，在每个o f d m 数据符号前面添加了长度为垠的循环前缀( c p ) ， 最后经过并串变换和d a 变换发送到信道中。 图2 8 基带o f d m 系统模型 2 2o f d m 系统中的自适应功率分配 自适应技术基本思想就是白适应的调节信号传输的参数来充分利用当前的信 道环境。可以调节的基本参数包括调制当时、编码方式、发射功率等【1 1 1 4 1 2 】。通过 自适应技术得到的系统信道容量的增益是非常明显的。这种自适应技术已经被广 泛的认为是无线通信系统中有效的提高频谱利用率的重要手段之一，并且已经在 包括c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 的第三代移动通信标准中使用。 一般o f d m 系统中各子载波上均匀地使用相同的发送功率和调制方式，系统 的误比特率性能主要由那些处于深衰落的子载波决定。因此在频率选择性衰落信 道中，随着平均信噪比的增加，o f d m 系统的错误概率下降也是非常缓慢的。为 提高o f d m 系统整体误比特率性能而在衰落较小的子载波上使用相同的发送功 率是对系统发送功率的一种浪费；另一方面各子载波上使用相同的调制方式限制 了系统可以达到的数据吞吐量。这些问题可以通过o f d m 的自适应技术来解决。 由于o f d m 系统在频域传输数据，整个频带划分为若干个子载波，o f d m 符号 传输时间大于信道的时延扩展，因此可以有效的对抗多径衰落。同时，o f d m 传 输系统在每个子载波上传输的数据可以是任意复数，这样就可以根据各个子信道 第二章o f d m 基本理论以及自适应功率分配 1 3 的实际传输情况灵活的为各个子载波上分配发送功率以及调制的信息比特数，以 最大程度的适应传输环境的要求。 2 2 1 自适应功率分配的理论基础注水定理 在多载波系统中，通过把可用的信道带宽划分为若干个较窄的子信道，使得 在每个子信道上传输特性近似理想。假设h 6 9 表示带宽为形的信道的传输函数， 信道内存在有功率谱密度为n 0 9 的加性高斯噪声。我们把总传输带宽划分为 n = w a f 个子信道，其中4 厂表示子信道带宽，而且应该满足如下的条件：即 1 日i 细钐在子信道内保持近似的恒定，而且信号的发射功率应该满足： j ，p ( 厂) 矽匕 ( 2 - 7 ) 这里的只，表示发射机的平均发射功率。 在a w g n 信道e p ，信道容量可以表示为： c = w l 0 9 2 ( 1 + 最( 2 - 8 ) 其中c 表示信道容量( b i t s ) ，w n 0 表示信道带宽内的加性高斯噪声的功率。 在多载波系统中，如果4 厂足够小，则子信道的容量可以表示成为： c 删0 9 2 【1 + 等】 ( 2 9 ) 因此总信道容量可以表示为： = 善nq = ，驴n c： 1 + 鬻j 】 = q = ，1 0 9 ： 1 + 竺篙苫兴丛】 ( 2 - 1 0 ) l o ，j7、l， 如果v - 0 ，则可以利用积分代替上述的求和： c = 挑 1 + 等铲髟 ( 2 - 1 1 ) 考虑式( 2 7 ) 中的功率限制，实现信道容量的最大化，利用变分法将其变换成： 胁： 1 + 等告产m ( 埘一m a x ( 2 - 1 2 ) 其中九为拉格朗日乘子，其取值应该满足式( 2 7 ) 的限制。经过变换，上式可 以得到： 1 4 多用户o f d m 系统动态资源分配算法的研究及其应用 附十册二i 孑 以力2 1 l 掣2 描 ( 2 1 3 ) 上式的基本物理意义为：当信噪比1 日i 幼坳较大的时候，信道的对应功率也 应该较大，采用高阶调制；而当信噪比较低的时候，信号的功率也应该较低，采 用低阶调制。图2 9 中给出了这种信号发射功率分配的示意图。从图中可以看到， 其中实曲线表示信道带宽内，不同频率对应的信噪比的倒数，实现信道容量最大 化的方法类似于把水( 阴影部分，即平均发射功率只，) 倒入实曲线所表示的碗中， 这样得到的p ( 厂) 就可以实现信道容量的最大化，这就是所谓的“注水”【l2 】分配 方法。 通过“注水”定理，我们知道各子信道上的功率分配应该遵循“优质信道多 传输，较差信道少传输，劣质信道不传输”的原则。o f d m 系统的自适应技术就 是通过对无线信道的实时检测与估计，根据信道状况不断地调整子载波与子载波 上比特分布从而使功率分布尽量逼近最佳输入功率分布。 图2 9 注水功率分配示意图 第二章o f d m 基本理论以及自适应功率分配 1 5 2 2 2 自适应o f d m 系统及实现 图2 1 0 自适应单用户o f d m 系统框图 图2 1 0 为自适应调制o f d m 系统的框图。发送端首先需要获取各个子载波 的信道状态信息，方法是由接收端作信道估计，并通过反馈信道通知发送端，或 者在t d d 方式下，根据信道的互异性认为发送信道与接收信道特性一致。然后， 发送端根据一定的算法确定各个子载波分配的e e 特数( 即调制方式) ，并将数据比 特进行相应的星座点映射，再进行i f f t 变换、并串变换( p s ) 和添加循环前缀 ( c p ) 。同时各个子载波调制方式作为信令信息也同时发送。接收端去掉c p 、串 并变化( s p ) 和f f t ，然后根据信道估计得到的信道状态信息和自适应调制的信 令信息，对各个子载波作相应的解调，得到数据比特，同时将信道估计的结果通 过反馈信道发送到发送端。下面将详细介绍o f d m 系统子载波上的功率分配及比 特加载算法。 2 2 3o f d m 系统自适应功率分配的优化目标 采用自适应调制和自适应功率分配的o f d m 系统，根据各个子载波上的频域 信道增益，为每个子载波选择相应的发送功率和调制方式，来优化o f d m 系统的 性能。假设系统中有个子载波，第f 子载波上的信道增益为l h , 1 2 ，仃2 为噪声功率， 。；。为目标误码率。 目前，o f d m 系统的自适应技术研究的内容主要是从以下两个优化角度【4 】出发 的： ( 1 ) 速率自适应( r a t e a d a p t i v e ，r a ) ：在发送功率和系统传输性能( 差错概率) 一定的前提下，实现信息传输速率的最大化。这种优化方式主要针对的可变数据 速率的业务。其优化目标函数为： 1 6 多用户o f d m 系统动态资源分配算法的研究及其应用 c = m a x 艺”1 0 9 2 ( g i m1 + 警) c = o ：( 1 + 掣 ) 1u p t = p i 0 r 2 1 4 ) f 2 1 5 ) 只s 乞，。 ( 2 - 1 6 ) r 是信噪比差额( s n rg a p ) ，表示某种调制、编码方法所能达到的实际传输速 率，即对信噪比的实际利用能力，相当于信噪比在损失了一个因子r 后的信道容量。 对于实际的某种调制、编码方法和特定的误码率，在不同的传输速率下的信噪比 差额几乎都是常数。例如，对于无纠错码的q a m 或p a m 调制，当误码率为p e = 1 0 - 6 时，r 为常数8 8 d b ；如果只= 1 0 _ 7 ，则r 递增为9 5 d b 。从信息论的角度出发，在 功率受限的条件下，实现信息传输最大化( 逼近信道容量) 的通用方法就是上面介绍 的注水定理在功率分配和比特加载上的实际应用。 ( 2 ) 裕量自适应( m a r g i na d a p t i v e ，m a ) ：在信息速率和传输性能( 差错概率) 一定的前提下，使得发送功率最小化。这种优化方式主要针对固定数据速率的业 务。其优化的目标函数为： 弓- - n 血z ，i 静 p 弓 掣 ( 2 _ 1 7 r = 白 ( 2 1 8 只只。 ( 2 - 1 9 ) r 为给定的信息传输速率，f ( c ) 表示在信道增益等于1 时，一个子载波内实 现可靠接收c 个比特所需要的接收功率。不同的调制编码方式对应的f ( c ) 是不同 的，并t f lf ( c ) 还应该满足如下的条件： 1 f ( o ) = 0 ，即没有比特发送时，所需要的发射功率应该为零； 2 根据最优化理论的要求，应该保证在v c d ，f ( c ) 为下凸函数，即 f ( c + 1 ) 一f ( c ) 需要随着c 的增加而增加，而且一般所采用的编码方法和调制方法 都可以满足这一点； 3 f ( c 1 一般应该由所选择调制方法中星座点之间的最小距离以及星座点的 规模来决定，即f ( c ) 是d 。和2 。的函数。 下面就给出两种常用的调制方式下的f ( c ) ： 一矩形m q a m 调制 第二章o f d m 基本理论以及自适应功率分配 1 7 矩形m q a m 调制的具有容易产生的独特优点，即通过在两个相位正交的载波 上施加两个p a m 信号来产生。并且m q a m 的频谱利用率高，非常适合作为o f d m 子载波的调制方式使用。矩形q a m 星座包括4 q a m 、1 6 q a m 以及6 4 q a m 等等。 因此每个星座分别对应的比特数量为2 、4 和6 等等。采用这种调制方式的粒度必 须为2 。 o a m 信号是由两个p a m 信号生成，因此可以在给定星座点最小距离的前提 下，得到m 进制矩形q a m 星座所需要的平均能量： f 窘“= ( m 1 ) d 2 6 ( 2 2 0 ) 由此可以利用a w g n 信道中误比特率的紧上界作为误比特率的表达式，可以 得到： 心q 跞 = 4 q ( 厩) ( 2 - 2 1 ) 由此可以得到给定误比特率只的情况下，发送c 个比特所需要的功率： 弛) =