（通信与信息系统专业论文）ofdma系统中具有qos保证的下行链路资源分配算法研究.pdf

0 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京 邮电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 ：也 思0 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：盔熊 日期：箜! 竺! ! ：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非 保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 垄戛起垫 导师签名：皇兰丝 日期：鱼! ：竺 日期： 2 1 2 丝厶& b p i ，一 l e q 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路 资源分配算法研究 摘要 在未来的宽带蜂窝系统中，如i e e e 8 0 2 1 6 系统或者第3 代合作伙伴计 划( 3 mg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ， l t e ) 等，正交频分多址( 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 ) 因能提供高的频谱利用率并能够获得多用户分集增益，而成为一 种热门的多址接入技术。然而，o f d m a 系统的性能很大程度上取决于频 率调度算法的灵活性和有效性。随着无线通信技术的发展，各种新的业务 如超文本传输协议( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，h t t p ) 网络浏览、文件 传送、视频流、i p 话音( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l ，v o i p ) 等相继出现， 这些业务对带宽、延迟、最小传输速率、丢包率及误比特率等参数的要求 都不同，因此如何保证各种业务的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 要 求成为了资源调度的关键。 本文针对实时语音业务、实时视频业务、非实时数据业务和尽力而为 四种不同的业务进行建模，根据基站侧用户队列缓存的状态及其申请的业 务，为每个用户计算一个称为调度优先级的参数，用于确定资源调度中各 个用户的优先级别，基于此提出了一种能够满足不同用户不同业务q o s 的资 源调度与映射算法，并通过m a t l a b 仿真验证了该算法的有效性。通过结 果分析，可以看出在合理的系统负载下，本文的算法可以满足用户的q o s 需求，同时可以获得较好的系统吞吐量。 此外，本文对现有o f d m a 系统中的有限反馈算法进行改进，提出了 根据用户请求业务的不同而反馈不同的c s i 的反馈思路，即请求实时业务 的用户，反馈参数m 值固定不变。申请时延不敏感业务的用户，其m 值 随系统负载的增大而逐渐减小。仿真结果表明，该子信道状态信息反馈策 略有较好的性能。 关键词：正交频分多址资源分配q o s 有限反馈 、气p 丫， k | ， r 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 aq o s a 衄r e s o u r c ea l l o c a j t o i n s c h e 卫讧ew i t hl d 讧i t e df e e d b a c k i nd o w n l i n ko f d 【as y s t e m s a b s t r a c t i nf u t u r eb r o a d b a n dc e l l u l a rs y s t e m s ，s u c ha si e e e 8 0 2 16s y s t e mo r3 g p p l o n g t e r m e v o l u t i o n ( l t e ) s y s t e m ，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 n m u l t i p l e x i n ga c c e s s ( o f d m a ) i sap r e f e r r e dm u l t i p l e a c c e s ss c h e m ef o r p r o v i d i n gh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n de x p l o i t i n gm u l t i u s e rd i v e r s i t y h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c eo fo f d m as y s t e m sl a r g e l yd e p e n d so nt h ef l e x i b i l i t ya n d e f f i c i e n c yo ft h ef r e q u e n c ys c h e d u l i n ga l g o r i t h m a st h ed e v e l o p m e n to f w 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 y ，av a r i e t yo fn e ws e r v i c e s ，s u c ha sh t t p ( h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) w e bb r o w s i n g ，f i l et r a n s f e r ，v i d e os t r e a m i n g s e r v i c ea n dv o i p ( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) e m e r g e d t h e s es e r v i c e s r e q u i r ed i f f e r e n tq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) p a r a m e t e r ss u c ha sb a n d w i d t h ，p a c k e t d e l a y ，m i n i m u mt r a n s m i s s i o nr a t e ，p a c k e tl o s sr a t e ，b i te r r o rr a t ea n ds oo n t h e r e f o r e ，h o wt og u a r a n t e et h eq o sr e q u i r e m e n t so fv a r i o u ss e r v i c e sh a s b e c o m eak e y p r o b l e mi nd e s i g n i n g r e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m i nt h i sp a p e r ，w em o d e l e df o u rd i f f e r e n tt y p e so fs e r v i c e sw h i c ha r er e a l t i m ev o i c es e r v i c e ，r e a lt i m ev i d e os e r v i c e ，n o nr e a lt i m ed a t as e r v i c ea n db e s t e f f o r ts e r v i c e a l s o ，a c c o r d i n gt ot h es t a t eo fq u e u e si nt h eb a s es t a t i o na n dt h e s e r v i c er e q u e s t e db yt h eu s e r ，w ed e f i n e dap a r a m e t e rn a m e da sp r i o r i t yv a l u e u s e df o rr e s o u r c es c h e d u l i n g b a s e do na l lo ft h e s ew o r k ，an e wr e s o u r c e a l l o c a t i o ns c h e m ew a sp r o p o s e dt og u a r a n t e et h eq o sr e q u i r e m e n t so fv a r i o u s s e r v i c e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e da l l o c a t i o na l g o r i t h mc a n f u l l ys u s t a i nu s e r sr e q u i r e m e n t su n d e rr e a s o n a b l et r a f f i cl o a d s m e a n w h i l ei n t e r m so fs y s t e mt h r o u g h p u t ，i tp e r f o r m e db e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a la l g o r i t h m b e s i d e s ，w ea l s o m o d i f i e dt h ef e e d b a c ka l g o r i t h mw h i c hi su s e di n o f d m as y s t e m sc u r r e n t l y an e wf e e d b a c ks c h e m ei sp r o p o s e dw h i c ha d a p t s t h eq u a n t i t yo ff e e d b a c kt ot h ek i n do fs e r v i c et h a tu s e r sr e q u e s t i fu s e rr e q u e s t s f o rr e a lt i m es e r v i c e ，t h ep a r a m e t e rmo ff e e d b a c ki sc o n s t a n t w h i l eu s e r i i i 北京邮电大学硕士学位论文 o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 r e q u e s t sf o rn o nr e a lt i m es e r v i c eo rb e s te f f o r ts e r v i c e ，i t sp a r a m e t e rmo f f e e d b a c kd e c r e a s e sa st h es y s t e ml o a di n c r e a s e w ee v a l u a t e dt h ep e r f o r m a n c e o ft h i ss c h e m eb ys i m u l a t i o n a n dt h er e s u l t sp r o v e dt h a ti th a sm u c hb e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a lt o p - m s c h e m e k e yw o r d s ：o f d m ar e s o u r c ea l l o c a t i o n q o s l i m i t e df e e d b a c k i v 。哼 妇 r 1 - t l 北京邮电大学硕士学位论文 o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 目录 摘j l l 罢i a b s l r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 论文研究背景3 1 3 论文选题和结构4 第二章o f d m a 系统及其动态资源分配介绍6 2 1o f d m 简介6 2 1 1o f d m 基本原理7 2 1 2o f d m 关键技术9 2 2o f d m a 技术方案1 0 2 2 1o f d m 中的多址方案简介。1 0 2 2 2o f d m a 系统模型1 l 2 2 3o f d m a 帧结构介绍13 2 3o f d m a 系统的资源分配及其数学模型1 4 2 4 本章小结1 6 第三章o f d m a 中的资源分配算法1 7 3 1 无线资源调度1 7 3 1 1 分组调度原理概述1 7 3 1 2 常用的分组调度算法1 8 3 2 业务模型2 0 3 2 1v o i p 业务2 0 3 2 2 视频流业务2 0 3 2 3h r r p 业务2 l 3 2 4f t p 业务2 2 3 3 已有保证多业务q o s 的算法2 3 3 3 1m l w d f p f 算法2 3 3 3 2t g p s 算法2 4 3 3 3u e p s 算法2 4 3 4 本文算法2 6 3 4 1 用户优先级的定义及计算2 8 3 4 2 算法描述2 9 v 大学硕士学位论文 o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 3 4 3 仿真参数及仿真环境说明3 0 3 4 4 性能评估及分析。3 3 本章小结3 6 信道状态的有限反馈3 9 有限反馈的引入3 9 现有有限反馈算法一3 9 4 2 1t o p m 反馈算法4 0 4 2 2 自适应t o p m 反馈算法4 0 改进算法4 1 性能评估与分析4 3 本章小结4 8 论文总结，4 9 本论文的主要工作4 9 后续工作4 9 献! ；1 ! ；z i 士学位期间取得的研究成果5 5 v i q p ， 1 | 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 1 1 引言 第一章绪论 近年来，移动通信的飞速发展已经使得它成为现代通信领域中的一大支柱产业。就 未来通信而言，发展方向是个人通信，即在全球范围内逐步实现全球统一的网络结构， 每人一个身份号码，在任何时间、任何地点以任何通信方式与任何对象进行任何业务的 无缝隙、不间断通信。随着移动通信用户数量的快速增长和用户对高数据速率和高q o s 需求的与日剧增，为用户提供以分组交换i p 数据为主的综合业务和多种丰富的多媒体业 务成为移动通信发展的方向。2 0 0 9 年1 月7 日，我国政府分别向中国电信、中国移动、 中国联通颁发了3 g ( t h e3 mg e n e r a t i o n ) 牌照，意味着我国全面进入3 g 时代。 2 0 0 4 年底，全球微波接入互操作( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ， w i m a x ) 技术迅猛崛起，一时间宽带无线接a ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 技术 和移动通信技术的关系成为了大家最关心的问题。“w i m a x 和3 g 究竟是竞争关系还是 互补关系 、“w i m a x 会不会取代主流3 g 标准”成为了业界讨论的热点。w i m a x 于 2 0 0 7 年10 月21 日被国际电信联盟( 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 nu n i o n ，r r u ) 正式批 准为i t u 移动无线标准，成为与w c d m a ( w i d e b a n dc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、 c d m a 2 0 0 0 ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 ) 以及我国的t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc d m a ) 并列的第四种3 g 标准。w i m a x 将与t d s c d m a 共同占有时分双 工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 频段，这一技术在国际上引起了热烈的反响，对传统 移动通信产业产生了冲击。 一方面为了应对来自w i m a x 标准的市场竞争，另一方面，基于通信产业对于“移 动通信宽带化”的认识，3 g p p 开始了通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，u m t s ) 技术的l t e 项目。这项技术被称为“演进型3 g ” ( e v o l v e d3 g ，e 3 g ) 。为了能和可以支持2 0 m h z 带宽的w i m a x 技术相抗衡，l t e 也必 须将最大系统带宽从5 m h z 扩展到2 0 m h z 。而3 g p p 长期采用的码分多址技术在实现 5 m h z 以上带宽时复杂度过高，因此3 g p p 不得不放弃c d m a 而选用新的核心传输技术， 即正交频分复用技术( 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 ) i j j 。 宽带无线接入技术最初的定位是为了替代有线宽带接入技术，其发展经历了固定局 域接入、游牧城域接入、广域移动接入三个阶段，体现了明显的“宽带接入移动化的 趋势，为以因特网为代表的信息技术产业向移动通信领域渗透带来了新的机遇，同时也 对传统移动通信产业形成了竞争和挑战。与此同时，移动通信技术也向能够提供更高的 数据率发展，3 g p p 标准在坚持蜂窝移动能力的同时，日益重视低速局域场景下的接入 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 能力。这种“移动通信宽带化的趋势，为蜂窝移动通信产业从传统话音业务拓展到宽 带数据业务领域带来了契机。 具体说来，“宽带接入移动化趋势表现为：由大带宽向支持小带宽演变；由固定 网络向支持中低速移动演变；由热点覆盖向带切换的大规模组网演变；由数据业务向支 表1 - 1i e e e8 0 2 1 6 e 和3 g p pl t e 的性能指标比较 技术指标 e e8 0 2 1 6 e3 g p pl m 现有2 g 、3 g 及扩展频段 频段 6 g h z 以下许可和非许可频段 ( 9 0 0 m h z 、2 g h z 、2 6 g h z 等) 基本传输和多 o f d m 或o f d m a 下行o f d m a ，上行 址技术单载波频分多址 频分双工( f r e q u e n c yd i v i s i o n 双工方式 d u p l e x ，f d d ) 、t d d 、 f d d 、t d d 、半双工f d d 半双工f d d 支持带宽 1 2 5 2 0 m h z1 4 2 0 a 王z 子载波间隔 1 0 9 5 k h z 1 5 k h z 子信道大小为2 4 或4 8 个子载 物理资源块大小为1 2 个子载波 资源分配 ( 18 0 k h z ) ，下行支持集中和分 波，支持集中和分散分配 散分配，上行只支持集中分配 峰值频谱效率 3 5 b i t s h z 上行5 b i t s h z ，下行2 5 b i t s h z 数公里，支持大规模组网对小于5 k m h 优化，支持最大 覆盖和热点非视距覆盖，支持覆盖1 0 0 k m ，支持大规模组网 宏基站和微基站或热点覆盖 游牧、便携，简单移动( 6 0 对小于1 5 k m h 优化，对小于 移动性1 2 0 k m h ) ，高速移动1 2 0 k m h 实现较高性能，在3 5 0 k m h ( 1 2 0 k m h 以上)- - - 5 0 0 k m h 下保持连接 i - i t t p 网络浏览、文件传送、 数据业务为主， 视频流、v o l p 。取消电路交换 业务类型 ( c k e t f i ts w 矗c h i n g ，c s ) 域， 也可以提供话音业务 c s 域业务在分组交换( p a c k e ：t s w i t h e i t l g ，p s ) 域实现 对不同用户或对每个业务流 增强的端到端q o s ， q o s 采用不同q o s 等级增加竞争接入，无专用信道 采用外部时钟保持网络同步， 同步 小区间同步或异步 但短期内同步丢失仍可工作 全i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) ， 支持i p 多媒体子系统全i p ，增强的i m s ， 网络架构 ( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ， 简化结构，减少接口数量 i m s ) 2 0 q p r _ p 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 持语音业务演变。“移动通信宽带化 表现为：由5 m h z 以下带宽向2 0 m h z 带宽演变； 由注重高速性能向注重低速性能演变；由电路交换分组并重向全分组域演变；由蜂窝网 络向兼顾热点覆盖演变【2 j 。 表1 1 给出了i e e e8 0 2 1 6 e 和3 g p pl t e 的性能指标比较，可以看出，以i e e e8 0 2 1 6 e 的移动型w i m a x 技术为代表的b w a 和以3 g 演进型( e v o l v e d3 g ，e 3 g ) 为代表的宽带移 动通信( b r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，b m c ) 技术，无论在性能指标还是核心技 术方面，都已经不存在明显的差异，这意味着b w a 技术和b m c 技术未来融合是可能的。 我们知道，无线通信系统的资源是非常有限的，那么如何利用有限的系统资源满足 日益增长的用户需求，是无限资源管理所要解决的问题。只有采用有效的无线资源管理， 先进的传输技术才能充分发挥其优势。无线资源管理主要包括切换控制、功率控制、接 入控制、负荷控制以及分组调度等方面的内容。本论文中将主要研究资源映射与分组调 度方面的内容。 由表1 1 可知，“宽带接入移动化”和“移动通信宽带化”中的多址方式均采用了 o f d m a 。o f d m a 的资源映射与调度与基于c d m a 的系统有很大的不同，系统的资源分 配和调度可以在时域、频域和码域进行，因而更加灵活，也更加依赖于频域调度算法的 高效性。如果不能充分利用无线信道的特性进行灵活有效的调度，或者为实现高效的调 度而过分增大了系统的信令开销，都会使得o f d m a 系统的性能受到严重的影响。因此， o f d m a 系统中的资源映射与调度算法的设计目前已经成为研究的热点。o f d m a 系统为 多载波传输系统，在多用户的环境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，即在某个子载波上，某些用户可能经历深衰落，但是另外 一些用户却有着很好的信道增益。基于这一特性，根据子载波对不同用户的不同的信道 增益动态地将系统资源分配给经历较好信道增益的用户从而避免资源的浪费，从而大大 提高系统的资源利用率与吞吐量。 1 2 论文研究背景 l t e 中将下行多址方式改为o f d m a ，使得资源调度的灵活性大大增加，可以进行 时域、频域和码域的资源分配与调度。具体表现为：在l t e 系统中不再为特定用户长时 间的保留固定的资源，而是使用“共享信道”传送数据，即将用户的数据都分割成小“块”， 依赖高效的调度机制将来自多个用户的数据复用在一个共享的大的数据信道中。 近年来，资源映射与分组调度算法已经成为 o f d m a 研究领域的热点【3 】【4 j 。常用的 分组调度算法包括轮询( r o u n dr o b i n ，r r ) 算法、最大c i 算法( m a xc i ) 和正比公 平( p r o p o r t i o n a lf a i r ，p f ) 算法。通常r r 调度算法的结果被作为时间公平性的上界， 而最大载干比算法获得的系统吞吐量是最大的，可以作为其它调度算法的上界；p f 算法 是一种折衷的算法，进行调度时同时考虑了用户的信道质量和过去一段时间获得的吞吐 3 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 量。这三种算法只考虑了系统吞吐量和服务公平性。但随着无线通信技术的发展，各种 新的业务如h t t p 网络浏览、文件传送、视频流、v o i p 等相继出现，这些业务对带宽、 延迟、最小传输速率、丢包率及误比特率等参数的要求都不同，若还使用以上三种算法， 就会导致资源分配无效和不公平的情况。因此满足不同用户不同业务q o s 的需求成为未 来无线通信系统的首要目标。在进行资源分配算法的设计时，一般要将业务的q o s 要求 等因素考虑在内，从而获得更高的系统吞吐量和频谱利用率。 另方面，o f d m a 系统中现有的资源分配算法是建立在完整的信道状态信息 ( c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ，c s i ) 在发端已知的基础上。如果系统采用t d d ，则可以通 过信道互易的方法来获取c s i 。而如果系统采用f d d ，则只能通过收端反馈的方式获取 c s i 。而在很多实际o f d m a 系统中，子载波数目比较大，如果每个用户在每个子载波上 的c s i 都反馈到发端，则必然导致反馈量和反馈时延特别大。由此可见，在实际中发送 端获得完整的c s i 这个条件是很难满足的，尤其是在用户数目多并且是移动的情况下， 因为这时需要一个大容量的可靠性高的反馈信道来向发送端提供c s i ，系统开销很大。 因此研究基于有限反馈的o f d m a 系统的资源分配算法具有很强的现实意义。 1 3 论文选题和结构 本论文的主要工作分为以下两个部分： ( 1 ) 研究o f d m a 系统中的资源映射与调度算法。本文中，针对实时语音业务、实 时视频业务、非实时数据业务和尽力而为业务四种模型进行建模，将每种业务的不同q o s 要求抽象成为一个用户资源调度的优先级别，从而提出了一种能够满足不同用户不同业 务q o s 的资源调度与映射算法，并通过m a t l a b 算法仿真验证了算法的有效性。 ( 2 ) 对现有o f d m a 系统中的有限反馈算法进行改进，提出了根据用户请求业务的 不同而反馈不同的c s i 的反馈思路。仿真结果表明，该子信道状态信息反馈策略有较好 的性能。 论文的结构安排如下： 第二章简要讨论了o f d m 及其关键技术、o f d m a 技术方案及其资源分配的原理和 数学模型。这些内容是后续研究o f d m a 系统中资源映射与调度算法的基础。 第三章首先简要说明了三种常用无线资源调度算法叫r 算法、最大c i 算法和p f 算法，并对这三种算法进行了详细地比较。随后对目前已提出的能在一定程度上保证多 业务q o s 的算法进行了描述。最后，详细的阐述了本人提出的算法，并通过仿真验证了 该算法的性能。 第四章对当前o f d m a 系统中的反馈策略进行了研究。在对现有反馈算法进行研究 的基础上，结合本文中考虑的多业务场景，提出了一种新的反馈思路，即根据用户请求 业务的不同而反馈不同的信道状态信息，并通过仿真证明了该算法可以得到很好的性 4 q p p 蚶 h 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 能。 第五章对本论文的主要工作和研究成果进行总结，并提出值得进一步研究的问题及 方向。 5 北京邮电大学硕士学位论文 o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 第二章o f d m a 系统及其动态资源分配介绍 数据业务的快速发展，要求无线通信技术支持越来越高的数据速率。本章首先主要 介绍无线通信在有限的无线频段内传送高速率、宽频带的多媒体业务的关键技术 o f d m 技术。接下来详细地介绍基于o f d m 的多址接入技术o f d m a 。o f d m a 是建 立在o f d m 基础上的一种接入技术，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。o f d m a 能有效地对抗非视距传输条件下严重的多径干扰。 2 1o f d m 简介 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 ( t h e4 n 1g e n e r a t i o n ) 中重点关注的多址方式 之一。 随着数据速率的不断提高，来自于无线信道时延扩展特性导致的码间干扰大大影响 着高速数据通信系统的性能。这种码间干扰主要是由于发射机和接收机之间存在多条时 延不同的无线传播路径造成的。多径效应造成接收机接收到的信号是由多个时延、幅度 和相位各不相同的发送信号的叠加，使得发送符号所经历的时延扩展可以与其周期相比 拟，甚至大于其周期，此时将引入严重的码间干扰，导致系统性能的急剧下降。一般而 言，只要能满足时延扩展远远小于发送符号的周期，则码间干扰造成的影响可以基本忽 略。所以，为了实现高数据速率传输，必须采取措施对抗码间干扰。经典的抗码间干扰 技术是信道均衡，但是如果数据速率非常高，往往要设计几十甚至上百个抽头的均衡器， 这在实际系统中几乎是不可能的。o f d m 是一种可以对抗码间干扰且实现复杂度低的 技术，它可以保证发送符号周期远远大于多径时延，与此同时支持高速的数据业务【5 1 。 正交频分复用技术己有近4 0 年的发展历史，其概念最早出现于2 0 世纪5 0 年代中 期，主要用于军用的无线高频通信系统。7 0 年代，w e i n s t e m 提出了将离散傅立叶变换 ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 引入并行传输系统来实现多载波调制的方法【5 1 。这 样在实际应用中就可以依靠更为方便的快速反快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t i f f t ) 来完成o f d m 系统的调制和解调 功能，无需再使用梳状滤波器，简化了系统结构，使得o f d m 技术更趋实用化。但是 由于当时受到实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性等相关技 术条件的限制，o f d m 技术没有得到广泛的应用。到了9 0 年代，数字信号处理技术和 超大规模集成电路的飞速发展，又为o f d m 技术的实现扫除了障碍。此时，o f d m 技 术终于登上了通信的舞台。由于o f d m 技术具有频谱利用率高、抗多径衰落能力强等 6 v v - 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 优点，己经被广泛应用于广播式的音频和视频等民用通信系统中，主要包括：数字音视 频广播，高清晰度电视，高速无线局域网系统等。欧洲己将o f d m 技术作为发展地面 数字电视的基础，我国也研制出了整套高清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ，h d t v ) 设科6 】。随着i e e e 8 0 2 1 1 协议、i e e e 8 0 2 1 6 协议和多媒体应用的引入，o f d m 技术在 无线通信领域也得到了广泛的应用。 2 1 1o f d m 基本原理 o f d m 的基本原理【7 1 是将信道分成若干正交子信道，将高速的数据流分解为多路并 行的低速数据流，调制到每个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于 符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个o f d m 符号中插入一定的 保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。 本文不对o f d m 调制的数学原理进行详细的介绍，具体过程请参考文献f 7 1 。图2 - 1 给出o f d m 发射机和接收机结构。 在发射端，二进制数据流经过前向信道纠错编码和调制星座映射之后，按照一定的 规律插入相应的导频，经过串并转换后的信号可以看作是频域信号。然后将这些调制符 号映射到各个子载波上( 假设子载波个数为m ) ，并通过i f f t 将并行子载波上的频域 丫 一一二l i f f t 旧墨尸 (a)l_j ( a ) o f d m 发射机：( b ) o f d m 接收机 图2 - 1o f d m 收发机框图 信号转换到时域，i f f t 输出的o f d m 符号为有个采样点的时域信号( n 为i f f t 长 度，n m ) ，随后，经过并串转换并在每个o f d m 符号之前插入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ， c p ) ，以保证在多径衰落环境下的子载波之间的正交性。插入c p 就是将每个o f d m 符 7 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 号结尾处的若干个采样点复制到此o f d m 符号之前，c p 长度必须大于主要多径分量的 时延扩展。最后将各个子载波上的时域信号进行叠加，并通过射频电路发送出去。 o f d m 接收机的处理大致为发射机的逆过程，首先经过射频接收，将模拟信号转 化为数字信号，然后通过符号定时，频率校正等操作排除发送端和接收端不同步带来的 影响。之后去除循环前缀并进行串并变换。接下来是接收端处理的核心部分，即f f t 处理。由于主要的多径分量都落在c p 长度内，因此是发射信号经过一定位移的循环复 本，所以f f t 可以自然地将这些多径分量合并，同时保证子载波之间的正交性。经过 f f t 处理后，时域的o f d m 符号被还原到频域，即得到了每个子载波上的发送信号。 最后，通过信道校正补偿信号在传输空间中受到的影响，并进行数字解调、解交织、解 码等，获得发端所发送的数据。 o f d m 技术有很多优点，这些优点使得它已经广泛应用于广播式的音频、视频领 域和民用通信系统。具体如下： ( 1 ) 频谱利用率很高。与传统的频分复用( f 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 ，f d m ) 技术相比，o f d m 的频谱利用率很高。f d m 技术是将较宽的频带分成若干较窄的子带 进行并行发送，为了避免各个子带之间的干扰，需要在相邻的子带之间保留较大的间隔， 大大降低了频谱效率。而o f d m 采用f f t 处理使得相邻子载波可以相互重叠，理论上 可以接近n y q u i s t 极限。以o f d m 为基础的多址技术o f d m a 可以实现小区内各个用 户之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。 ( 2 ) 带宽扩展性强【l 】。c d m a 技术需要依靠提高码片速率或采用多载波c d m a 技 术的方式支持更大的带宽，从而造成接收机实现复杂度大幅上升。而o f d m 系统的信 道带宽取决于使用的子载波的数量，带宽增大带来的系统复杂度增加相对不很明显，因 此o f d m 具有很好的带宽扩展性，这一特点非常有利于实现未来宽带移动通信所需的 更大带宽。 ( 3 ) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于o f d m 系统将高速数据信号转换 成并行的低速子数据流，调制到在每个子载波上进行传输，大大降低了各子载波的符号 速率，从而每个子载波上的信道可以看作平坦性衰落信道，减弱了多径干扰和频率选择 性衰落的影响。若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号 间干扰。 ( 4 ) 实现复杂度低。o f d m 可以采用i f f t 和f f t 来实现调制和解调，易用d s p 实现。 ( 5 ) 易于与多入多出( 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 ) 技术结合。m i m o 技术的关键是如何有效地避免天线之问的干扰，从而区分多个并行数据流。m i m o 接收 在平坦衰落信道中实现更加简单，而o f d m 又可以将频率选择性衰落信道转换为多个 平坦衰落信道，因此将o f d m 与m i m o 结合是下一代移动通信技术发展的一个必然趋 势。 l r 、 ￥ ， l 产 北京邮电大学硕士学位论文o f d m a 系统中具有q o s 保证的下行链路资源分配算法研究 2 1 2o f d m 关键技术 由2 1 1 节的内容，可以看出o f d m 有着很多的优势，显然，它已经成为新一代无 线通信中最有竞争力的技术。但是，o f d m 也有其内在的局限性，其优势一定程度上 依赖于以下关键技术是否能够得到很好的解决【8 】。 2 1 2 1 同步技术 一般而言，在o f d m 系统中存在以下几个方面的同步要求 9 1 1 0 】【1 1 】： ( 1 ) 载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相； ( 2 ) 样值同步：接收端与发送端的抽样频率一致； ( 3 ) 符号同步：i f f t 和f f t 的起止时刻一致。 o f d m 的一个主要的缺点是受同步误差的影响较大，尤其是载波频率同步误差。 在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的衰减和相位旋转，通过均 衡等方法可以克