（通信与信息系统专业论文）基于mimo+ofdm无线资源管理技术的研究.pdf

北京邮电人学博i 二学位论文 摘要 基于m im 00 f d m 无线资源管理技术的研究 摘要 第四代移动系统包含多种关键性的技术，其中多入多出 ( m i m o ) 和正交频分复用( o f d m ) 是最有前景的两项物理层技 术。m i m o 技术能够极大的提高系统容量，而o f d m 技术能够抵 抗多径干扰，因此m i m oo f d m 技术能够为未来移动通信网络提 供最强劲的空中接口支撑。然而，频谱资源的日趋紧张，使得运营 商提供无线多业务服务需要付出昂贵的频谱费用。因此，频谱效率 是决定采用一种技术的非常重要的因素，对b 3 g 系统也是如此。无 线资源管理的目标就是在满足用户q o s 需求的情况下，在有限的带 宽上最大限度地提高频谱效率和系统容量，同时避免网络拥塞的发 生。因此，本文主要研究基于m i m oo f d m 系统的无线资源管理 技术。 系统容量对于无线资源管理的研究具有指导意义，因此本文首 先研究了m i m oo f d m 系统的容量。利用m i m 00 f d m 信道在空 时频三维衰落的特性，提出了空时频三维注水算法，即在空时频三 维进行功率分配。因此，同空频注水算法和等功率分配算法相比， 该算法可以获得最大的各态历经信道容量。同时，相对于空频注水 算法来说，由于空时频注水水平的计算是基于信道的统计状态信 息，因此其需要反馈的信道状态信息量少，而且对于平坦衰落和频 率选择性衰落信道都适用。另外，由于不需要每个功率分配间隔都 计算注水水平，因此，空时频注水水平的计算复杂度也要低很多。 按照七层协议的定义标准，目前，m i m oo f d m 无线资源管理 技术的研究成果主要集中在物理层以及p h y - m a c 跨层分配上。本 文首先在物理层对m i m oo f d m 波束成型系统的无线资源管理技 术进行了研究。通过对几种m i m oo f d m 波束成型技术进行性能 分析，考虑到各种因素，本文采用直接共享的波束成型方式，其实 质上是选定了空分多址( s d m a ) 的方式。接下来，建立了 o f d m a s d m am i m oo f d m 波束成型系统无线资源管理的数学 模型。该模型不仅考虑了空间上的多用户分集，还考虑到每个子载 波的多个空间信道同时进行并行传输以最大限度的提高资源利用 率。在这里，每个子载波和它的空间子信道的组合被定义为一组空 北京邮l u 人学博i j 学位论文摘要 频子信道。比较遗憾的是，由于存在同信道干扰，该问题在数学上 是个n p - h a r d 的问题。为了解决这个问题，我们提出了次优的空频 子信道分配方案。该方案分为三个步骤：第一，假设不存在子载波 共享，经过推导，我们获得最佳的空频子信道分配方案；第二，基 于第一步的子载波分配结果，在空间相关性足够小的用户之间进行 子载波共享；第三步，逐个用户在所有的空频子信道上进行比特加 载和功率分配。为了使得空频子信道分配算法更为实用化，本文又 提出了一种实用的空频子信道分配算法。该算法对于每个子载波基 于次优算法中推导出的子载波分配表达式给出新的子载波分配因 子，利用该子载波分配因子进行子载波分配，简化了计算复杂度。 同时，结合自身的特点和反馈信息量降低的要求，又提出了一种插 值波束成型反馈方案，以使得实用化算法在限制反馈的信道条件下 也能使用。 跨层资源分配算法既考虑了上层的业务q o s 特性，又考虑底层 信道状态，成为无线通信系统中比较有效的资源调度方式。本文研 究了基于m i m oo f d m 技术的i e e e8 0 2 1 6 系统中的跨层资源调度 算法。跨层设计有两种理念：第一，自下而上，将下层信道信息传 递到上层，在上层进行资源调度；第二，自上而下，将上层业务的 q o s 要求映射到下层，在下层进行资源分配。在本文中，o o s 保证 的公平性算法属于自下而上的方式，即将等效信道增益映射到上层 来代表信道状态。然后综合考虑业务q o s 需求、调度器的状态、业 务的公平性以及信道状态，定义子信道分配因子，利用该子信道分 配因子进行资源块的分配，最后对每个连接进行比特加载和功率分 配。而q o s 保证的最优化调度算法则是基于自上而下的思想，即将 上层实时业务对时延的要求转换为物理层对实时业务的最低调度 速率的要求，从而将资源调度问题放到物理层来做。以最大化系统 容量为目标，通过在物理层求解，获得了最优化的子载波、比特和 功率分配方案。仿真结果表明，这两种方案，q o s 保证的公平性算 法的系统吞吐量要小于q o s 保证的最优化算法，但是前者的公平性 要好于后者。 关键词m i m oo f d m ，无线资源分配，空时频注水，空频子信道 分配，跨层资源分配 i i 北京邮电大学博士学位论文 a b s t m d r e s e a r c h e so nr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ti nm i m o0 f d m s y s t e m s a b s t r a c t t h e4 mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o p o s e dm a n vn o v e l t e c h n o l o g i e s ， t h em o s t i m p o r t a n t t w oo fw h i c ha r e m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ( m i m o ) a n do n 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 ) m i m oc a np r o v i d eah u g ea m o u n t0 ft h es y s t e mc a p a c i t y a n do f d mc a nw e ud e f e a tt h ei i l t e r - s v m b o li n t e r f e r e n c e ( i s l l ，h e n c c t h ec o m b i n a t i o no fm i m oa n do f d mm u s tb et h es t r o n g e s ta i r i n t e r f a c et e c h n o l o g yf o r t h e4 mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r ，t h e f r e q u e n c yr e s o u r c ew i l lb e c o m em o r ea n dm o r ee m e r g e n t f o r g u a r a n t e e dq o sr e q u i r e m e n t so f v a r i o u ss e r v i c e s t h ef r e q u e n c y e f f i c i e n c ya l w a y sd e c i d e st h ec o m m e r c i a l i z a t i o no fat e c h n o l 0 2 y 觚d t h e4 mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns v s t e mi sn oe x p e c t a t i o n r a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) i s j u s tat e c h n o l o g yd e v o t i n gt oi m p r o v e t h ef 诧q u e n c ye m c i e n c ya n dp r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e sf o ra n ys e i c e h e n c e ，i ni h i sd i s s e r t a t i o n ，w em a i n l yf o c u so nr e s e a r c h e so ft h er a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n ti nm i m o 0 f d m s y s t e m s t h ec h a n n e lc a p a c i t yc a ng i v es o m ei n s i m m e n t st or r m h e n c e ， w ef i r s td i s c u s st h ee 唱o d i cc a p a c i t yo fm i m oo f d ms y s t e m s t h e s p a c e t i m e f t e q u e n c yw a t e r f i l l i n gs c h e m e( s t f w f )i sp r o p o s e dt o m a x i m i z et h ee 唱o d i cc a p a c i t yt h r o u g ha l l o c a t i n gp o w e ri nt h es p a c e ， t i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n s i t k e e p st h el o n g t e r mp o w e rc o n s t a n t a n da l l o w st h es h o r t t e r m p o w e rf l u c t u a t i n g c o m p a r e dw i t h s p a c e f r e q u e n c yw a t e r f i l l i n gs c h e m e ，s t f w fs c h e m eh a st h ef o l l o w i n g m e r i t s s i n c et h ew a t e r f i l l i n gl e v e li sc a l c u l a t e db a s e do nl o n g t e m c h a n n e li n f o r m a t i o ni nt h es t f 、fs c h e m e t h ec h a n n e ls t a t i s t i c i n f b r m a t i o ni so n l vn e e d e dw h i c hc a nr e d u c et h ef 色e d b a c ki n f b r m a t i o n a n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y f u n h e r m o r e ，i tc a ns u i tb o t hf l a ta n d f t e q u e n c vs e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l n i 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a d a tp r e s e n t ，r r ms c h e m e si i lm i m o0 f d ms y s t e m sa r em a i n l y f b c i l s e do np h yl a v e ra n dp h y ：m a cc r o s sl a y er w ef i r s tm a k e s o m er e s e a r c h e so nr r mi nm i m oo f d mb e a m f o 咖i n gs y s t e m sa t p h y l a y e l a n e rd o i n gs o m ep e f f o n n a n c ea n a l y s e so ns e v e r a lk i n d s o fb e a m f o 姗i n gt e c h n o l o g i e s ，t h es u b c a r r i e rs h a r e d d i r e c t l y o n ei s c h o s e nt op r o v i d es d m aa m o n gm u l t i u s e r t h e n ，t h er r m m a t h e m a t i c a lm o d u l ei ss e tu pi no f d m a s d m am i m 0o f d m s y s t e m s i ti sd i 疵r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lo n e sb yc o n s i d e r i n g b o t hs p a c em u l t i u s e rd i v e r s i t ya n da ut h es p a c es u b c h a n n e l sf b re a c h s u b c a 玎i e l h e n c e ，i ti m p r o v e st h ef r e q u e n c ye f f i c i e n c yt 0t h el a 唱e s t e x t e n t h e r e ，e a c hs u b c a 玎i e ra n di t ss p a c es u b c h a n n e l sa r ed e f i n e d 弱 a g r o u p o f s p a c e - f k q u e n c y s u b c h a n n e l s u n f o r t u n a t e l y ， i ti sa n p - h a r dp r o b l e mf r o mm a t h e m a t i c a lv i e w p o i n t h e n c e ， t h e s u b o p t i m a ls p a c e f e q u e n c y s u b c h a n n e la l l o c a t i o na n d a d a p t i v e m o d u l a t i o n ( s s f s a ji sp r o p o s e dw h i c hd i v i d e st h er r mp r o b l e mi n t o t h r e es t e p s f i r s t ，s u b c a r r i e r sa r en o ts h a r e da m o n gu s e r sa n dt h e o p t i m a ls p a c e f | e q u e n c ys u b c h a n n e la l l o c a t i o no u t c o m ei so b t a i n e db y m a t h e m a t i c a ld e d u c t i o n t h e n b a s e do nt h es u b c a r r i e ra u o c a t i o ni n t h ef i r s t s t e p ，t h e s u b c a r r i e r ss h a r i n gs c h e m ei s p r i ) p o s e d t os h a r e s u b c a r r i e r sa m o n2u s e r sw i t hl o ws p a t i a lc o r r e l a t i o na tt h ep r e m i s et h a t n e g l i g i b l ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e sa r e i n t r o d u c e d b i tl o a d i n ga n d p o w e ra j l o c a t i o na r em a d ea tt h et h i r ds t e pf b re a c hu s e ro ni t s a l l s p a c e f k q u e n c ys u b c h a n n e l s c o n s i d e r i n g t h e c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t vo fs s f s aa n df e e d b a c ki n f o r m a t i o nr e d u c t i o n ，ap r a c t i c a l s p a c e f r e q u e n c vs u b c h a n n e la l l o c a t i o na n da d a p t i v em o d u l a t i o n ( p s f s a ji sa l s op r o p o s e d t h i ss c h e m ed e f i n e sa ni n i t i a ls u b c a r r i e r a l l o c a t i o nf a c t o rb a s e do nt h ef i r s ts t e ps u b c a r r i e ra l l o c a t i o no u t c o m eo f s s f s a i lc a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l a e x i t yt oi n i ts u b c a r r i e r a l l o c a t i o na c c o r d i n gt ot h ef a c t o r a ni m p r o v e di n t e r p o l a t i o n b a s e d b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m i sa l s o p r o p o s e d t or e d u c et h ef e e d b a c k i n f o 咖a t i o ni np s f s a s i n c ec o n s i d e r i n gb o t ht h eq o sc h a r a c t e r i s t i c sa tt h eu p p e rl a y e r a n dt h ec h a n n e li n f b r m a t i o na tt h ep h yl a v e r c r o s sl a v e rr r mi sa n e f l f i c i e n tm e t h o dt om a n a g er e s o u r c e si nw i r e l e s sn e t w o r k s w 色m a k e i v 北京邮电大学博士学位论文abstnct s o m er e s e a r c h e so nc r o s sl a v e rr r mi ni e e e8 0 2 。1 6m i m 0o f d m s y s t e m s t h e r ea r et w ow a y st or e a l i z ec r o s sl a y e rr r m t h ef ! i r s t o n ei sm a p p i n gc h a n n e li n f b n n a t i o nf b mp h y l a y e rt ou p p e rl a y e ra n d e x e c u t i n gr r ma tt h eu p p e rl a y e r 7 i h eo c h e ro n ei sm a p p i n gq o s p a r a m e t e r st op h yl a y e ra n da u o c a t er e s o u r c e sa tt h ep h yl a y e lt h e p r o p o s e dq o s g u a r a n t e e df a i m e s ss c h e m ei s t h ef i r s t t y p ew h i c h m a p p i n gt h e c h a n n e l f a d i n gi n f o r m a t i o nt o t h em a cl a y e r t h e s u b c h a n n e la l l o c a t i o nu n t i l i t yf u n c t i o ni sd e f i n e dc o n s i d e r i n gq o s r e q u i r e m e n t so fd i 虢r e n ts e n r i c e s ，t h es t a t u so fs c h e d u l e r t h ef a i m e s s a m o n gc o n n e c t i o n sa n dt h ec h a n n e lf a d i n gs t a t u s t h es u b c h a n n e li s a l l o c a t e dt ot h ec 0 n n e c t i o nw i t ht h el a r g e s ts u b c h a n n e la l l o c a t i o nu n i l i t y a n dt h e nb i ta n dp o w e ra 1 1 0 c a i i o n sa r em a d ef o re a c hc o n n e c t i o n w h i l et h eo p t i m a lq o s g u a r a n t e e dr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m eb e l o n g s t ot h es e c o n do n ew h i c hm a p st h eu p p e rn p sd e l a yr e q u i r e m e n t st o s c h e d u l i n g r a e r e q u i r e m e a t s a n dt h e n ， t h e c a p a c i t y m a x i m i z e d r e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e mw i t hs c h e d u l i n ga n dp o w e rc o n s t r a i n t si s s o l v e db ym a t h e m a t i c a ld e d u c t i o n f r o mt h es i m u l a t i o n 化s u l t si n m a t l a b ，t h es y s t e mt h r o u g h p u to fq o s - g u a r a n t e e df a i m e s ss c h e m ei s l e s st h a nt h a to ft h eo p t i m a lq o s g u a r a n c e e dr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e ， w h i l et h ef a i m e s so ft h ef o m e ri sb e i t e rt h a nt h el a t e r 1 哑yw o r d s ：m i m o o f d m ， r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t ， s p a c e - n m e f r e q u e n c yw a t e r f i l l i n g ， s p a c e f r e q u e n c y s u b c h a n n e l l o c a t i o n ，c r o s sl a y e rr r m v 声明 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：日期： 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) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：节目亚把擘 日期： 导师签名：日期： 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人们对移动通信系统的各种需求与日俱增，目前投入商用的2 g 、2 5 g 系统和部分投入商用的3 g 系统已经不能满足日益增长的高速多媒体数据业务 需求1 1 1 。虽然3 g 标准比当前主流的移动通信技术更强大，但它存在难以提供 动态范围多速率业务，难以实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游等一系 列局限性1 2 3 郎1 ，这使得全世界通信业的专家们将目光投向了第四代移动通信， 以期通过第四代移动通信系统来解决3 g 无法解决的问题，最终实现商业无线 网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容，真正实现 “任何人在任何地点以任何形式接入网络的梦想。 4 g 时代，将是个人移动通信发展的成熟期。移动通信有可能成为2 1 世纪 信息社会的细胞核，各种基于移动通信细胞核的信息社会细胞和信息社会组织 结构将相继诞生，进而形成2 1 世纪信息社会的完整有机体。可以毫不夸张地 说，4 g 将是整个移动通信发展的归宿，是人类信息社会发展的基石。 究竟什么是4 g ，目前尚未有明确的定义。一种普遍认可的观点将4 g 称为 广带接入和分御网络，具有非对称的超过2 m b i t s 的数据传输能力及不同速率 间的自动切换能力，是多功能集成的宽带移动通信系统、宽带接入l p 系统， 包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络， 集成不同模式的无线通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标 准。而有的学者将4 g 称为超高速无线网络，认为4 g 是一种不需要电缆的信 息超级高速公路，该网络可使电话用户以无线形式实现全方位虚拟连接。还有 人将4 g 称为“多媒体移动通信( m u l t j m o b i l ec o m m u n i c a t i 伽) ”。也有学者认 为采用了0 f d m 和m l m o 技术的h s o p a 就可作为4 g 的标准。同时，有一部 分专家认为4 g 就是超3 g ( 又称后3 g 、b 3 g 或b e y o n dl m t 2 0 0 0 ，这个超3 g 的概念涵盖了现有的3 g 、3 g 增强技术，以及新的移动接入和游牧本地接入系 统) 。 尽管4 g 暂处在研究的初级阶段，而国际电信联盟( 1 t u ) 、无线世界研究论 坛( w w r f ) 和3 g p p 已开始研究4 g 系统及其标准化工作。目前正在构思中的 4 g 移动通信系统将具有如下特征( 也就是对未来4 g 的需求) ： 高速率，高容量：对于大范围高速移动用户( 2 5 0 k m h ) ，数据速率为2 m b i t s ； 对于中速移动用户( 6 0 k m h ) ，数据速率为2 0 m b i t s ：对于低速移动用户( 室内或 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 步行者) ，数据速率为1 0 0 m b i 帕；其容量至少应是3 g 系统容量的1 0 倍以上。 网络频带更宽：每个4 g 信道将占有1 0 0 m h z 频谱，相当于w c d m a3 g 网络的2 0 倍。 兼容性更加平滑：4 g 应该接口开放、能够跟多种网络互联，并且具备很强 的对2 g 、3 g 手机的兼容性，以完成对多种用户的融合。在不同系统间无缝切 换，传送高速多媒体业务数据。 灵活性更强：4 g 拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。采用智能信 号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收发。 用户共存性：能根据网络的状况和信道条件进行自适应处理，使低、高速 用户和各种用户设备能够并存与互通，从而满足多类型用户的需求。 为了实现这一目标，i t u r 帅8 f 【6 】也对4 g 技术的趋势进行了研究，提出 了4 g 系统中比较有前景的关键技术。其中得到一致认同的物理层关键技术就 包括m i m o 和o f d m 技术。 0 f d m 技术：o f d m 本质上是一种多载波数字调制技术，其基本原理就 是把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正交子信 道中进行传输，从而消除时间弥散信道( 频率选择性信道) 上严重的符号间干 扰i s i ( i i l t e r - s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e ) 。0 f d m 的概念是c h a n g 在1 9 6 6 年提出的 【7 】，1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 用i d 兀d f t 【8 j 实现了o f d m 的调制与解调， 但是因为系统的实现比较复杂，该技术一直没有得到广泛应用。随着d s p 和 r f 技术的进步，到了二十世纪九十年代，0 f d m 技术开始应用到一些标准的 系统中，比如d a b 、d v b 、h l p e r l 气n 和i e e e 8 0 2 1 1 1 9 ，1 0 1 。与传统的串行调 制方案相比【1 2 j ，o f d m 不但实现简单，而且具有频谱效率高，抗多径干扰能力 强等优点。当然，o f d m 也带来了新的问题。这些问题包括：较高的峰值平均 功率比( 非线性放大问题) ；时频同步困难( 特别是上行链路的子载波同步问 题) ：对频率偏移比较敏感等。随着研究的深入和技术的广泛应用，这些问题 正在被解决。 m l m o ( m u l t i p l e 1 n p u tm u l t j p l eo u t p u t ) 技术：m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，在无线通信系统的发送端和接收端安装多幅天线，就能构 成m i m o 系统。在m l m 0 系统中，利用波束成型( 在每个天线上发送相同的 符号，然后在接收天线处执行相关合并) 可以实现空间分集增益。( 注：波束 成型在m l m o 系统和智能天线系统中的含义是不同的，在智能天线系统中， 波束成型的作用是调整发射天线和接收天线的方向性1 1 3 】；在m l m o 系统中， 波束成型的作用是提供一套复标量加权因子，把相同的符号发送到每个天线 上，从而得到协方差矩阵的秩为1 的输入信掣1 4 j 。) 分集增益改善了用户的通 2 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 信质量，提高了系统的可靠性1 1 5 j 。此外，利用奇异值分解，把m i m o 信道分 解为空间上并行独立的子信道，并且在每个子信道上发送不同的数据流可以得 到空间复用增益。复用增益极大地提高了系统的有效性，在富散射的环境中， m i m o 系统的链路容量随着天线数的增加正比例增长【1 6 ，1 7 j 。 通过上面的分析可以看到，o f d m 和m i m o 技术将成为4 g 通信中的主流 技术。为了增强空中接口的能力，通常将m i m o 与o f d m 技术相结合。这是 因为在无线信道中进行高速数据传输时，往往受到频率选择性衰落的影响，而 m i m o 技术只有在平坦衰落的信道上才具有大容量的特性1 1 6 j 。o f d m 技术恰 恰是将频率选择性的宽带衰落信道转换为窄带平坦衰落信道。因此，m i m o o f d m 就成了4 g 系统中最有潜力的通信空中接口技术i 埔l 。 随着移动通信技术和i i l t e m e t 技术的不断发展和结合，下一代移动通信系 统和i n t e m e t 网将会逐渐融合为一体。下一代移动通信系统将是多功能集成的 宽带移动通信系统，在下一代移动通信系统中，用户将能够使用各种各样的移 动设备接入其中，移动网络服务趋于多样化。而频谱资源的日趋紧张，使得无 线业务提供者为了能够提供多业务的服务需要付出昂贵的频谱费用。频谱效率 是决定采用一种技术的非常重要的因素，对b 3 g 系统也是如此。无线资源管 理的目标就是在满足用户q o s 需求的情况下，在有限的带宽上最大限度地提高 频谱效率和系统容量，同时避免网络拥塞的发生。在网络业务分布不均匀，无 线信道环境比较复杂的情况下，通过对网络内可用无线资源的合理使用，可以 最大程度地提高无线频谱利用率1 1 8 。2 。 这些研究成果表明，开展基于m i m oo f d m 的b 3 g 蜂窝移动通信系统的 研究，特别是基于m i m oo f d m 的蜂窝移动通信系统无线资源管理技术的研 究具有重要意义，这将会推动b 3 g 系统的实用化进程。 1 2m i m oo f d m 无线资源管理技术的研究现状 按照七层协议的定义标准，目前，对于m i m oo f d m 无线资源管理技术的 研究成果主要集中在物理层、m a c 层以及p h y m a c 跨层上。 1 2 1m i m oo f d m 物理层无线资源管理 当前，对m l m 0o f d m 系统无线资源分配问题的研究，相当大一部分集中 于物理层。根据适用的系统类型，可以分为单用户m l m oo f d m 无线资源分 配和多用户m l m oo f d m 无线资源分配。 物理层资源分配算法通常可以归结为在一定的约束条件下，利用拉格朗日 3 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 方程求解对于某一种代价函数而言的最优化问题，从而确定最优化的传输方 案。约束条件通常包含功率、误码率、速率等，代价函数通常为信道容量、功 率、频谱效率等。 1 2 1 1 单用户m i m oo f d m 物理层资源分配算法 单用户m l m oo f d m 资源分配算法研究信道状态信息( c h a n n e ls i d e l n f 0 衄a t i o n ，c s l ) 在发送端已知的情况下( 通常都是基于子信道的信噪比) ，使 得系统整体性能最佳。目前，关于单用户m i m o0 f d m 系统物理层的资源分 配算法已有很多文献报道。根据不同的优化准则，m i m oo f d m 系统中的最优 子载波分配和比特承载问题大体上可以划分为三类： 1 ，速率自适应( r ar a t ea d a p l i v c ) 在速率自适应算法中，大家感兴趣的是在总功率的限制条件下，如何使总 数据传输速率最大化，当然还要满足一定的误码率要求。即是在一定的误码率 及性能容限下，调整功率分配，使得系统的比特率最大，称之为最大比特率准 则，或是称为信道容量最大化准则。在带宽有限信道上实现理论信道容量的最 佳输入功率分布，应该满足“注水 分布，也就是信道增益大的子载波可以获 得较高的发射功率，因为信道条件好的子载波能有效传输更多信息。但这种方 法计算难度较大，需要假设星座规模量化精度无限小，在实际应用中不可能实 现。文献【2 2 】中j a n g 提出一种迭代注水线搜索法，首先用注水法则算出注水线， 然后将各个子载波上的比特数舍入成整数，并且计算取整之后需要的总功率， 如果总功率大于功率上限，则按照一定迭代步长降低注水线并且重新注水，直 到总功率小于功率上限，算法性能和计算复杂度取决于迭代步长。文献【2 3 】中 浙江大学余官定等人研究o f d m 系统在总功率和误比特率限定下最大化传输 速率的问题，并且考虑实际系统中整数比特的限制，提出基于注水法则的改进 的贪婪算法和对分注水线搜索法。文献【2 4 ，2 5 】提出基于s n r 门限的比特分配 算法，算法预先设定采用不同调制方案所需的s n r 门限，再根据实际子载波 的s n r 来选择调制方案，进而确定比特数。 2 ，余量自适应i 强3 5 j ( m a ，m a r g i na d a p t i v e ) 余量自适应算法是在一定的传输速率( 比特率) 受限条件下，根据子信道 的增益对子信道上加载的比特数进行自适应分配，在满足一定误码率( b e r ) 性能要求下调整各子信道比特率和功率，提高传输性能，使得发射功率最小化， 也称为功率最小化准则。比较经典的算法就是h u g l l c s h a n o g s - 梯度分配算法， 该算法也被称为g r e e d y 算法，即比较各个子载波上增加一个发送比特需要额 4 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 外增加的发射功率，即( 发送功率比特) 梯度，选取梯度最小的子载波，每次在 选定子载波上增加一个发送比特。由于一个子载波上传输特定数量比特所需要 的功率独立于其它子载波上传输的比特数，可以证明贪婪算法是最佳的比特分 配方法【3 5 l 。然而h u g l l e s 算法需要进行大量的排序和搜索运算，运算复杂度较 高，对于实时性要求较高的数据传输不适合。文献【3 6 】针对m i m o o f d m 系统 速率一定条件下最小化功率问题，基于统计方法提出一种按所有子载波特征值 排序的固定比特、功率分配算法。 3 ，误码率最小化l 卯j 根据已有学者提出的算法，在系统发射功率和传输速率都保持定的情况 下，通过自适应分配使系统的误码率最小化，达到系统性能的提高，典型算法 如f i s c h e r 【3 7 】算法。f i s h e f 算法根据差错率最小化的原则分配速率和功率，因为 要避免大量的排序和搜索运算，所以需要预先给定最优的速率分配，该算法给 出了比特分配和功率分配的封闭形式解，算法复杂度小，适合高速率无线数据 传输。本文暂且将此种算法归纳为误比特率性能最优化的准则。 除此之外可以以其它的一些参数为准则，通过动态的功率分配，使其达到 最优值。其中主要的有最大化子载波平均信噪比准则、最小均方误差准则、最 大化极小信噪比准则等等i 强删。 1 2 1 2 多用户m i m oo f d m 物理层无线资源管理 在多用户m l m oo f d m 系统中，由于不同用户所处位置的随机性，大多数 用户所经历的信道衰落往往是独立的，使得某些用户在某信道上处于深度衰落 不适于传输数据，而与此同时，很可能会有另一部分用户在该信道的状况比较 好【2 7 ，因此，可以结合自适应资源分配将资源合理地分配给适宜传输数据的用 户，从而在频率维、空间维同时获取“多用户分集增益”1 4 。多用户分集与传 统的分集技术( 如时间、空间分集等) 不同，不是把衰落当作一种有害的效应 去消除，而是将衰落当作种有益的资源，利用由它带来的随机性进行自适应 资源分配。多用户自适应资源分配的核心问题是如何设计资源分配算法，在满 足用户q o s 需求的同时获得多用户分集增益，从而改善系统性能1 4 2 1 。 按设计目标分为速率及误码率一定时最小化总发射功率1 4 3 4 4 1 ，额定功率下 使传输速率最大化1 4 5 舶j 。 文献1 4 7 】提出了一种基于d p c o f d m 的子载波和功率分配算法，与传统算 法相比具有较高的功率效率和频谱利用率；文献【4 8 】提出一种低复杂度的比特 和功率自适应算法，但是该算法是以牺牲系统的部分性能为代价的。 5 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 文献【4 9 】基于贪婪算法提出了一种适用于多用户系统的贪婪速率分配算 法，在载波分配完成后，根据拉格朗日方法求解最优的分配，但是由于所得结 果是实数，而不能够直接应用，因此作者又提出了一种次优的方式，通过把分 配结果进行圆整，得到近似最优的分配。和文献【2 6 1 算法相比复杂度明显降低。 z l l 卸一5 0 】等研究了基于s v d 传输的o f i ) m 上行链路，在保证各个用户q o s 需求的情况下，提出了以发射功率最小化为目标的子载波分配算法。然而，对 基于其它各种传输策略的多用户m i m oo f d m 系统，尚没有比较系统的研究。 文献【5 1 】提出一种基于用户服务质量要求的子载波分配算法。该方法通过 h u n g 耐a n 【5 1 】算法求得最优解和次优解。但是在子载波和用户数目比较多的情 况下，h u n g a r i 锄算法的复杂度是相当大的。文献f 5 2 1 介绍了一种多用户m i m o o f d m 系统中的h u n g a r i 柚子载波分配算法，针对h u n g a r i 锄算法复杂度过高 的缺陷提出一种局部最优的子载波分配算法。 此外，还有大部分文献在o f d m 系统基础上，从不同角度研究了m i m o o f d m 系统的自适应资源分配1 5 3 5 9 l 。 在实际的资源分配算法