（通信与信息系统专业论文）mimoofdm下行系统中资源分配算法的研究.pdf

中国科学技术大学硕士论文 摘要 摘要 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。 正交频分复用技术( 0 f d m ) 通过将串行高速数据信号先转换成并行的低速子数据流， 再使用相互正交的一组子载波构成的子信道来传输各个子数据流，因为所有子信道都是 窄带的，可以认为在每个子信道中都是平坦的，从而减小了多径衰落的影响。而多输入 多输出( m i m o ) 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就 有效的增加了系统的容量。即由m i m o 提供的空间复用技术能够在不增加系统带宽的 情况下增加系统容量从而达到了提高频谱效率的目的。这样，如果我们将0 f d m 和 m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传输速率，另一种是很 强的可靠性。而自适应资源分配在发送端根据信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ： c s i ) 来调节每个用户在不同子载波上的发送功率和传输速率，能进一步提高系统性能。 本文主要考虑基于迫零波束成型的m i m o o f d m 系统中的资源分配算法的研究。 本文首先介绍了o f d m 系统中常见的余量自适应的经典算法。然后简要回顾了 m i m o 系统中的一些用户调度算法，重点介绍了半正交用户选择( s u s ) 算法。基于 m i m o 中的用户调度算法和o f d m 系统中资源划分和资源指派两步走的策略，采用迫 零波束成型，本文提出了n u s 和s - n u s 算法来对m i m o 0 f d m 系统中的资源进行分 配。这两种算法都采用了资源划分和资源指派两步走的策略，首先用基于s n r 的带宽 分配算法( b a b s ) 进行资源划分，确定每个用户的子载波数目和功率，然后采用遍历 法和s u s 算法来进行资源指派，确定具体的子载波分配和功率分配。 n u s 算法需要遍历每个子载波上的所有用户集合，计算复杂度大，而s - n u s 算法 的性能受制于用户之间信道正交性门限的取值，因此本文提出了一种贪婪算法。该算法 是通过计算被选择用户集合的近似发送功率来贪婪的选择用户，并给出终止选择用户的 条件。该算法不依赖于任何门限参数，且计算复杂度低，较适用于灵活多变的通信环境。 本文所提出的3 种m i m o 。0 f d m 系统中的资源分配算法，各有他们的优势和缺点， 可以适应于不同通信要求的无线通信环境。另外，本文所提算法都考虑了满足用户速率 要求等用户的q o s 问题，具有较高的实际意义。 关键词：m i m o o f d m ，余量自适应，资源分配，迫零波束成型 第1 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h ef u t u r eo fw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h e r ea r et w os e v e r e c h a l l e n g e s ：m u l t i p a t hf a d i n ga n d 行e q u e n c ye f f i c i e n c y 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 ) m a k et h eh i g hs p e e ds e r i a ld a t as t r e a m si n t ol o ws p e e dp a r a l l e ld a t a s t r e a m s ，a n dt r a n s m i tt h e mu s i n gt h eo r t h o g o n a ls u b c a r r i e r s ，b e c a u s et h es u b c h a n n e l sa r e n a r r o w - b a n d ，i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h es u b c h a n n e l sa r ef l a t ，h e n c e ，i tc a nr e d u c et h ei m p a c to f t h em u l t i - p a t hf a d i n g m u l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) c a i lg e n e r a t et h ei n d e p e n d e n t p a r a l l e ls u b c h a n n e l sa n dt r a n s m i tm u l t i p l ed a t as t r e a m s ，s ot h em i m oc a ni n c r e a s et h e c a p a c i t yo ft h es y s t e m n a ti st h es p a c em u l t i p l e x i n gp r o v i d e db ym i m oc a np r o m o t et h e 行e q u e n c ye f f i c i e n c yn o tn e e dt oi n c r e a s et h eb a n d t h e r e f o r e ，t h e r ea r et w og r e a tr e s u l t si fw e c o m b i n et h eo f d ma n dm i m o f i r s t l y ，t h et r a n s m i s s i o nr a t ei si n c r e a s e d s e c o n d l y ，t h e t r a n s m i s s i o nr e l i a b l ei sp r o m o t e d a s s u m i n gk n o w l e d g eo fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) i s a v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r ，t h ep e r f o r m a n c ec a nb ef u r t h e ri m p r o v e dt h r o u g ht h ea d a p t i v e r e s o u r c ea l l o c a t i o n t h er e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h m s b a s e do nt h ez e r o f o r c i n g b e a m f o r m i n g ( z f b f ) i nt h em i m o o f d ms y s t e m sa r ec o n s i d e r e di nt h i sp a p e r i nt h eb e g i n n i n g ，w ei n t r o d u c es o m em a r g i na d a p t i v ea l g o r i t h m sf o rt h eo f d m s y s t e m s t h e n ，t h eu s e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r er e v i e w e d ，w ee m p h a s i so nt h es e m i o r t h o g o n a lu s e r s e l e c t i o na l g o r i t h m ( s u s ) b a s e do nt h eu s e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nm i m os y s t e m sa n dt h e t w o - s t e ps t r a t e g y ( r e s o u r c ea l l o c a t i o n a n ds u b c a r r i e ra s s i g n m e n t ) i no f d ms y s t e m s ， e m p l o y i n gt h ez f b f ，t h en u s a n ds - n u sa l g o r i t h m sa r ep r o p o s e dt oa l l o c a t et h er e s o u r c ei n m i m o o f d ms y s t e m s 1 1 1 ep r o p o s e dt w oa l g o r i t h m sa r ee m p l o y e dt w o s t e ps t r a t e g y ，t h e b a n d w i d t ha s s i g n m e n tb a s e do ns n r ( b a b s ) a l g o r i t h mi su s e dt od e t e r m i n et h en u m b e ro f s u b c a r r i e r sf o re a c hu s e rf i r s t l y t h e n ，t h et r a v e r s i n ga n ds u sa l g o r i t h m sa r eu s e dt oa s s i g n t h es u b c a r r i e ra n dp o w e r i ti so b v i o u s l yt h a tt h ec a l c u l a t i o nc o m p l e x i t yo fn u s a l g o r i t h mi sl a r g e ，b e c a u s ei tn e e d t ot r a v e r s i n ga 1 1t h eu s e rs e t si ne a c hs u b c a r r i e r b u tt h ep e r f o r m a n c eo fs - n u sa l g o r i t h m d e p e n do nt h ev a l u eo ft h et h r e s h o l dw h i c hm e a s u r e st h eo r t h o g o n a lo ft h ec h a n n e l sf o ru s e r s ， h e n c e ，w ep r o p o s ean e wa l g o r i t h mc a l l e dt h eg r e e d ya l g o r i t h m t h eg r e e d ya l g o r i t h ms e l e c t au s e rt h r o u g hc a l c u l a t i n gt h ea p p r o x i m a t et r a n s m i tp o w e ro ft h eu s e rs e ta f t e ri n s e r tt h eu s e r , w ea l s og i v et h ee n d i n gc o n d i t i o nf o ru s e rs e l e c t i n g t h eg r e e d ya l g o r i t h mi sn o td e p e n do n a n yt h r e s h o l dv a l u ea n dh a st h el o wc o m p l e x i t y ，i sf i tf o rt h ee a s y c h a n g i n gc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t t h et h r e ea l g o r i t h m sp r o p o s e di n t h i sp a p e rh a v es o m ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i t s e l f , t h e mc a nb eu s e df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tw i t hd i f f e r e n td e m a n d b e s i d e s ，a l lt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sh a v ec o n s i d e r e dt h eq o so fu s e r s ，p l a yai m p o r t a n tr o l e f o rt h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o n 第m 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：m i m o - o f d m ，m a r g i na d a p t i v e ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，z f b f 第1 v 页共6 8 页 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文申作 了明确的说明。 作者躲鲻 签字r 期： 塑：! ：兰 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数掘库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 母公丌口保密( 年) 作者签名： 签字同期： j 经绎一 靼 导师签名： 签字r 期： 竺2 ：曼笙 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 o f d m 的思想早在2 0 世纪6 0 年代就由r w c h a n g t l 】已经提出，由于使用模拟滤 波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有被广泛采用。在2 0 世纪7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用离散傅里叶变换( d f t ) 来实现多载波调制，为o f d m 的实用化奠定 了基础【2 】；在8 0 年代，l j c i m i n i 首先分析了o f d m 在移动通信应用中存在的峰均比 过高、对频偏敏感等问题和解决方法【3 1 ，从此以后，o f d m 在移动通信中的应用得到了 迅猛的发展。 o f d m 的基本原理是将串行高速数据信号先转换成并行的低速子数据流，再使用相 互正交的一组子载波构成的子信道来传输各个子数据流，因为所有子信道都是窄带的， 可以认为在每个子信道中都是平坦的衰落。同时由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带 宽的一小部分，与串行系统相比，其接收的均衡也就变得简单了。 o f d m 系统收发机的典型框图【4 】如图1 - 1 所示。图中上半部分对应于发射机链路， 下半部分对应于接收机链路。在发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的 映射，并进行离散傅里叶反变换( i d f t ) 将数据的频谱表达式变到时域上，一般用f f t 来实现。接收端进行发送端相反的操作，将射频( r f ，r a d i of r e q u e n c y ) 信号与基带信 号进行混频处理，并用f f t 变化分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转 换回数字信号。i f f t 和f f t 互为反变换，选择适当的变换将信号接收或发送。当信号 独立于系统时，f f t 变换和i f f t 变换可以被交替使用。 r ft x 卜叫d a c 竺竺h 竺h ：重! h 兰垒三h ：笙h - 厂二= h 兰：! f f r r l i f f t l 图1 - 1o f d m 收发机框图 第1 页共6 8 页 插入循 环前缀 和加窗 去除循 环前缀 定时和 频率同 步 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 多天线无线系统是指那些具有多根发射和或接收天线的系统，通常也被称为多输入 多输出( m i m o ) 系统。由于多天线无线系统可以获得可观的随着天线数线性增长的频 谱效率【5 】【6 】【7 1 ，对其理论通信性能极限和实现方法的研究在学术界和工业界都获得了广 泛的关注。m i m o 系统在数据速率上的增益来源于在发射和接收天线组之间创造了多个 并行的、可能不相关的空间信道。 众所周知，在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道 和带宽效率。正交频分复用技术( o f d m ) 通过将串行高速数据信号先转换成并行的低 速子数据流，再使用相互正交的一组子载波构成的子信道来传输各个子数据流，因为所 有子信道都是窄带的，可以认为在每个子信道中都是平坦的，从而减小了多径衰落的影 响。而多输入多输出( m i m o ) 技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数 据流，这样就有效的增加了系统的容量，即由m e m o 提供的空间复用技术能够在不增 加系统带宽的情况下增加系统容量从而达到了提高频谱效率的目的。这样，如果我们将 o f d m 和m i m o 两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是系统很高的传输速率， 另一种是很强的可靠性。同时，在多输入多输出正交频分复用( m i m o o f d m ) 系统中 加入合适的数字信号处理的算法能更好的增强系统的稳定性。m i m o - o f d m 系统模型如图 卜2 所示。 图1 - 2m i m o - o f d m 简单系统模型 相比如传统的f d m a 、t d m a 和c d m a 系统，o f d m 系统为无线资源分配带来了更大的灵 活性。传统的f d 淞、t d m a 和c d r a 系统，都仅可以利用时间分集、频域分集和多用户分 集中的一种或多种，而o f d m 系统则可以利用这三种分集效用以提高系统的性能。3 g p p 第2 页共6 8 页 中田科学拉术大学研论文第l 章嫱论 的l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 即采用了最新的m i e o - o f d m 技术。下面以一个l t e 的 o f d m 子帧为例子来说明这一点。图卜3 所示为l t e ( t d d ) 下行的一个子帧结构叫该 于帧由频域上的若干子信道和时域上的若干时隙组成( o f i ) m 符号) 的= 维资源池。开 始的第1 个时隙主要包含p c f i c h 和p h i c h 信道，其中p c f i c h 信道主要指示p i ) c c h 信号 所占的时隙数。p h i c h 主要是用来指示上行数据的a c k n a c k 。前两个时隙剩下的予信道 用来发送p d c c h ，指示下行数据发送的赞源的配置方式。这一子帧剩下的时隙都用来传 输p d s c h ，为用户共享信道。这种二维的无线资源结构，可以使基站灵活地将用户在频 域和时域上进行分配，以充分利用频域分集、时域分集和多用户分集。另一方面，o f d m 调制方式的特点使得我们很容易地将功率在各子载波上自适应的分配，并且可以在不同 子载波上采用不同阶数的调制方式以匹配链路的状态，提高传输效率。 p c f i c h e p h i c h ：p d c c i ：圈p d s c h ：匿 卜毒卜| | _卜j 一卜 t -卜 | 卜1 】 “ r ；l j 。卜 r j ) i ， l ，* ，+ r j j 。坤。 ， _ 1_ rj 一 卜。： 1， j j 。，0 ，。_ 1 b ， ，。、j i ，_ | ， ：j ? _ 一 一j ：_ ? 、兰 _ 1 ，- 二 j 二v ； 羔 _ _ = i 。 t 卜 jj ft ，| ? 【 p 誓z 、 “； ， 0 _ 。 n 、 。t l 。1 1 - r 一 卜_ 一 一r ，纠 “ f i ik + 2 k + 3 ”4k 5 k 6k + 7 0 f d m 符号 图1 - 3l t e 子帻结构以及盎源分配示意图 第3 再共鹋 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 1 2 研究背景 链路级自适应技术的基本思想就是自适应调节信号传输的参数来充分地利用当前 信道环境。可以调节的基本参数包括调制方式、编码方式、发射功率、扩频增益和信令 带宽等。通过自适应技术得到的系统的信道容量的增益是非常明显的。这种自适应技术 已经被广泛地认为是无线通信系统中有效地提高频谱利用率的重要手段之一，并且已在 包括c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 和l t e 等移动通信标准中使用。 种理想的链路自适应算法能够根据当前的信道状态环境来调节各种各样的信号 传输参数。移动信道不同于有线信道，它的随机性非常强，因此其对应的概率统计模型 也是针对不同的环境。信道的传播模型一般来说根据变化的尺度可分为两大类【4 】： 大尺度变化，包括路径损耗及其在均值附近的方差等。 小尺度变化，反映了接收到的信号在很短的距离或时间内由于多径衰落引起的 快速变化的特性。对于宽带信号来说，这些快速变化的特性对应的是频率选择 性衰落信道。 在一个多径传播环境中，几个经过不同时间偏移和加权的发射信号一起到达了接收 机端。当所有的时延信号，在一个相对于调制符号持续时间来说很小的时间范围内都能 到达时，各路信道是非频率选择性的或是平坦的。在宽带传输中，多径时延相对调制符 号的持续时间变得无法忽略，所以产生了频率选择性衰落。在这类信道中，可以同时从 时间和频率二维上进行处理，以得到更好的接收信号质量。 自适应策略的基本原则是： 定义一个信道质量指示变量，或称为状态信息，它提供相关信道的一些特征。 根据时间、频率或空间上的信道状态信息，来调整一些信号传输的参数。 人们对于o f d m 系统中的链路自适应策略已经进行了大量的研究，并提出了一系 列的链路自适应算法，通常我们称之为资源分配算法。在这些算法中，最基本的算法就 是基于注水原理的功率分配算法，很多的算法都起源于此【9 1 。 o f d m 系统资源分配的最直观的目标是最大化系统的吞吐量，仅以最大化吞吐量为 优化目标的问题，我们称之为最大化和速率( m a x i m i z es u mo f r a t e ，m s r ) 问题。但在 m s r 问题中，信道较差的用户仅可分得很少的资源，这使得m s r 问题的解不适合用户 具有q o s 需求的实际系统。更有实际意义的问题是速率自适应( r a t ea d a p t i v e ，r a ) 问 题和余量自适应( m a r g i na d a p t i v e ，m a ) 问题。它们比较简单，易于进行理论分析，但 又是对实际o f d m 系统的较好抽象。r a 和m a 问题研究的o f d m 系统具有如下设定： 该系统中拥有n 个子载波，k 个用户，不允许一个以上的用户共享同一个子载波，无 线资源分配算法负责将每个o f d m 符号中所包含的n 个子载波以及功率分配给k 个用 户，以达到某种优化目标。 第4 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文 第1 章绪论 r a 问题的优化目标是在总发射功率不超过最大功率，同时满足每个用户的最小数 据速率需求的情况下，最大化总吞吐量。该问题可以用如下公式描述： m k a i k x l 丐墨- b | , s u b j e c tt o ：岛l 蚵，a n d 岛 o ，1 ) ，v i ， 岛勺( ) 弓 i = l 户1 ， 岛吃剧l a i n ，v i = l b ；b 式中b 为最大发射功率，肛，为子载波分配指示，当用户i 占用子载波j 时，岛= 1 ；否 则岛= 0 。6 ，为第j 个子载波上所承载的数据量。( 6 ，) 为当第f 个用户在第，个子载波 上需要传输b ，数据量时，为保证一定的传输可靠性而需要的发射功率。函数吃( ) 与用 户i 可用的调制编码方式，以及用户i 在子载波，上的信道状况有关。妒为用户i 的最 小数据速率需求。条件b ；b 限制用户仅能在可用的传输速率集b 中取值，譬如若用户 仅可采用q p s k 、8 q a m 和1 6 q a m 的调制方式，则b = 2 ，3 ，4 。若不考虑实际的调制 编码方式，则认为b ，可以取到所有的非负实数。 m a 问题的优化目标是在满足每个用户最小数据速率需求的情况下，最小化发射功 率。该问题可以用如下公式描述： 赃4 j i = l j = l 岛勺( 6 i ) s u b j e c tt o ：岛x , v j ，a n d 乃( o ，1 ) ，v i ，歹 j | v 岛q 刊r a i n ，v i j = l 0 b ( 1 2 ) 对比公式( 1 1 ) 和( 1 2 ) ，可以发现r a 和m a 问题都是非线性整数规划问题，而且两 者形式比较近似，因此经常只需要讨论它们其中的一种即可。相比于r a 问题，m a 问 题具有更少的限制条件，所以易于进行理论分析，对o f d m 系统中最优资源分配的理 第5 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文第l 章绪论 论分析最早就是从m a 问题着手的【l i 】。因此本文主要考虑m i m o o f d m 系统中资源分 配的m a 问题。o f d m 系统中的m a 问题一般是使得发送功率最小化，根据所有用户 瞬时衰落特性来为用户分配子载波和确定每一个子载波上传输的比特数和传输功率。研 究一般使多用户子载波、比特和功率的分配问题公式化，一旦子载波的分配问题确定下 来，比特和功率的分配算法便能应用在每个用户分配的子载波上了。 2 0 0 0 年，c h e o n gy u iw o n g 提出了基于拉格朗日的最优方法来最小化系统发送功率 【1 1 1 。由于该算法同时考虑子载波和功率的动态分配，子载波的分配和功率的分配会相互 影响，则其复杂度太大，在实际中很难应用【l l 】。为了进行简化，绝大部分研究工作采用 分步的方法进行资源分配。文献 1 2 】- 1 5 】等考虑将资源分配分为资源划分和资源指派两 步，在资源划分中确定每个用户的子载波数目和功率，在资源指派中，确定具体的子载 波分配和功率分配。k i v a n c ( 2 0 0 0 ) 采用该思想提出了一种针对m a 问题的低复杂度算 法，首先根据各用户的平均信噪比，使用b a b s ( b a n d w i d t ha s s i g n m e n tb a s e do ns n r ) 算法计算出每个用户应分得的子载波数目，然后使用a c g ( a m p l i t u d e - c r a v i n gg r e e d y ) 算法进行具体的子载波分配。在a c g 算法中，按照子载波序号升序的顺序对其依次进 行分配，将每个子载波分配给在其上信道条件最好的用户，直到该用户所需的子载波数 得到满足【1 2 】。这种方法在子载波的使用上并不是很优化，我们可以考虑一个简单的例子， 假设一个2 用户、2 个子载波的系统中，用户a 的信道增益分别为 1 ，2 ) ，用户b 的信 道增益分别为 2 ，5 ，两个用户都只需要一个子载波。那么在a c g 算法中，会将子载波 1 分配给用户b ，子载波2 分配给用户a ，这显然没有相反的分配方案更优化。l iz h e n ( 2 0 0 3 ) 对a c g 算法进行了改进，提出一种i a c g ( i m p r o v e da c g ) 算法引。i a c g 算法不是按照子载波的顺序进行分配，而是将所有用户在所有子载波上信道增益g i ，( i 为用户序号，歹为子载波序号) 组成一个矩阵g = g o 置埔，首先从矩阵g 中选出最大的 元素g ，将子载波，分配给用户i ，并将该行和该列在矩阵g 中删除。重复上面的分 j 配过程直到所有用户需要的子载波数都得到满足。z h a n gl i l i ( 2 0 0 6 ) 【1 4 j 进一步对a c g 和i a c g 算法的缺点进行了改进，提出了一种基于比率的分配算法，首先将每个子载波 上最大的信道增益和次大的信道增益相除，得出一个比率，将所有子载波按照比率降序 进行排序，对排序后的子载波逐个依次进行分配。此外，由于文献 1 2 中算法给用户计 算子载波数是基于该用户的所有子载波上的平均信道增益的，这样误差会比较大。h o s e o kk i m 提出应该根据已经分配给用户的子载波的平均信道增益来进行子载波的分 配，这样会使系统性能得到较大的提高【2 7 】。 m i m o 技术在不增加带宽的情况下能成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。而 将m i m o 和o f d m 技术相结合就既能通过分集提高传输的可靠性，又能提高传输速率。 近年来，m i m o o f d m 技术中资源分配算法的研究已经成为热点。y i n gj u nz h a n g 瞄w 第6 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 提出了基于s v d 分解的资源分配算法，但是其通过选择最大的奇异值来选择用户，每 个子载波上只会选择一个用户。针对o f d m s d m a 系统的上下行，s t h o e n 【2 6 】采用 m m s e 预编码和检测方式提出了一种比特分配算法，其每个子载波每次只能有一个用 户传输数据，且采用r o u n d r o b i n 的方式来个用户分配子载波，这大大影响了系统性能。 对于采用迫零波束成型的o f d m s d m a 系统，在发射功率一定的情况下，y u im i n g t s a n g 2 1 1 提出了最优的拉格朗日迭代算法来最大化系统吞吐量。由于最优的拉格朗日迭 代算法复杂度太大，p e t e rw c c h a i l 【2 2 】提出了一种贪婪的简化算法。文献 2 1 【2 2 】都没 有考虑用户的q o s ，如用户的速率要求等。在考虑用户速率要求的情况下，采用资源划 分和资源指派两步法，y o u n g i ls h i n 2 4 】提出了一种半正交用户选择算法( s u s ) ，通过 分别确定用户的子载波数和分配子载波给用户这两步，大大降低了复杂度，且性能损失 很少。但在 2 4 】中由于每个子载波上都同时传输最大发送天线数的用户，没有进行用户 的去除，用户间的正交性并不能得到很好的保证。我们就有必要提出新的算法来根据用 户的信道状态灵活的选择子载波上的用户数，来进一步提高系统性能。 1 3 论文结构与贡献 本文所做研究主要针对m i m o o f d m 下行系统中发送端完全知道信道状态信息情 况下的资源分配问题( m a 问题) 。采用迫零波束成型技术，在满足用户最小速率要求 的情况下，联合m i m o 系统中的用户调度和o f d m 系统中的子载波分配算法，目标是 使系统总的发送功率最小。本文的结构和贡献如下： 第一章：绪论部分，主要简单介绍了o f d m 和m i m o 系统，并对o f d m 和 m i m o o f d m 系统中的资源分配的基本问题做了回顾，介绍了其研究现状。 我们在第2 章中给出了一些o f d m 系统中经典的资源分配算法。主要是介绍了 o f d m 系统中解决余量自适应( m a ) 最优的l r 算法以及次优的b a b s + a c g 算法。 在第3 章，我们对基于迫零波束成型的m i m o o f d m 系统中的资源分配算法进行 了研究，并给出了两种性能比较好的次优算法，分别是n u s ( n o r m a l i z e du s e rs e l e c t i o n ) 算法及其简化算法( s i m p l i f i e d - n u s ：s - n u s ) 。n u s 算法是将子载波上的每个用户集 合看作一个虚拟用户，将用户集合中的用户数进行归一化，用o f d m a 系统中的算法来 进行资源分配。n u s 算法要遍历每个子载波上的所有用户集合，当用户很多时，计算复 杂度就比较大。为进一步减少复杂度，提出了简化的s - n u s 算法。在每一个子载波上， 先选定一个所需发送功率最小的用户，然后再选择其它信道增益大的用户来与被选定的 用户组成一个用户集合。在选择其它用户时会计算其它用户与被选择用户之间的信道正 交性，当某个用户与已经选择用户的信道归一化内积高于一个门限值时，这个用户就不 会参与到该子载波的分配。在用户数很大时，s - n u s 算法可以大大的减少计算复杂度。 第7 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 在第4 章，我们对m i m o o f d m 系统中的资源分配算法做出了进一步的研究，提 出了一种基于贪婪算法的新的用户调度算法。并给出了一些算法的对比和分析。由于 n u s 算法需要遍历子载波上的所有用户，而且对每一个用户集合还需要通过矩阵求逆来 计算等效信道增益，这显然计算复杂度过大，尤其是在用户数目比较大的情况下。而 s n u s 算法虽然计算复杂度大大降低，但是该算法的性能决定于口的选择，只有在口选 择合适的情况下，系统性能才能得到保证。本章介绍了一种新的用户调度算法，我们首 先选择一个信道增益最大的用户，然后选择在其信道矢量上做的投影模值最大的用户， 这样每次选择在已选择用户的信道矢量上做投影模值最大的用户来加入到用户集合。所 提算法在每次增加一个新的用户时，会计算候选用户与已选择的用户组成用户集合的近 似总发送功率，若新增加的用户加入到已选择的用户集合，使总发送功率增加，就停止 选择用户，该子载波的用户选择过程完成。所提算法在保证每个用户的速率要求的情况 下，通过贪婪的准则来选择每个子载波上的用户集合，最小化系统的发送功率，达到很 好的系统性能。 第5 章，我们对本文提出的3 种算法以及文献 2 4 】中的s u s 算法在算法思想，仿真 性能以及计算复杂度方面做了综合比较分析。 最后，我们在第6 章给出了本文的结论和可能的扩展研究。 1 4 符号说明 在本文中，所有的矢量和矩阵都用黑体的字母表示，如h 表示信道矩阵。求绝对值 和矩阵行列式的操作用i i 表示，二阶范数和f 范数的操作分别用i i ：和1 1 ，表示。复数的转 置、共轭转置、求逆和伪逆分别用( ) 7 、( ) ( - i 和( ) 表示。矩阵的迹、秩分别表示为护( ) 和r a n k ( ) 。随机事件用黑体字母表示，某一随机事件的概率用p r 表示。此外，用 c n ( o ，n o i ) 表示均值为0 ，相关矩阵为“i 的复高斯分布。l o g ( ) 表示底为e 的对数函数。 m n 维的复空间表示为c 肌，复空间中的元素用h c 肌表示。 表格1 1 本文使用的缩写与其英文全称和中文名字 英文缩写( 全称)中文名字 a w g n ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 加性高斯白噪声 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 多输入多输出 b c ( b r o a d c a s tc h a n n e l )广播信道 m a c ( m u l t i p l ea c c e s sc h a n n e l )多址接入信道 第8 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文第1 章绪论 d p c ( d i r t yp a p e rc o d i n g ) 脏纸编码 c s i ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 信道状态信息 m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee n d r )最小均方误差 b f ( b e a m f o r m i n g )波束成型 s d m a ( s p a c e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s )空分复用 z f b f ( z e r o - f o r c i n gb e a m f o r m i n g )迫零波束成型 m m s e - b f ( m m s eb e a m f o r m i n g )m m s e 波束成型 r b f ( r a n d o mb e a m f o r m i n g ) 随机波束成型 s v d ( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n )奇异值分解 t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g )时分双工 第9 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文 第2 章o f d m 系统中的经典资源分配算法 第2 章o f d m 系统中的经典资源分配算法 考虑频率选择性衰落环境中的多用户系统，使用静态时分复用( t d m a ) 或者频分 复用( f d m a ) 作为多址接入技术。由于每一个用户都将采用自适应调制的o f d m 应用 在预定的时隙或频带中，则会存在着一些典型的子载波，它们处于深衰落且没有足够的 功率来承载任何信息比特，结果，这些在某一个用户被分配的时隙或频带中没有使用的 子载波( 由于自适应调制) 会被浪费，而且其他用户也没用使用这些子载波。然而，在 一个用户中呈现出深衰落的子载波不一定在其他的用户中也处于深衰落。事实上，一个 子载波在所有的用户中都处于深衰落几乎是不可能的，因为不同用户的衰落参数是完全 独立。这就使得我们去考虑一种根据瞬时信道特性来为每一个用户分配子载波的自适应 多用户子载波分配的方法。这种方法使得所有的子载波都能更有效得被利用，因为一个 子载波只有当它在所有的用户中都处于深衰落时才会被丢弃不用。 在这章中，我们考虑所有用户在全部的时隙中都传送数据的情况下的多用户子载 波、比特和功率的分配方法。我们的目标是使总的发送功率最小，根据所有用户瞬时衰 落特性来为用户分配子载波和确定每一个子载波上传输的比特数和发送功率( m a 问 题) 。我们使用多用户子载波、比特和功率的分配问题公式化。一旦子载波的分配确定 下来，比特和功率的分配算法便能应用在每个用户分配的子载波上了。 2 1 系统模型 在图2 1 中给出的是多用户自适应o f d m 系统的结构图。我们假设系统有k 个用户， 第k 个用户的数据速率为r 比特o f d m 符号。在发送端，从k 个用户输出的串行数据 进入子载波和比特分配模块，该模块是将比特从不同的用户数据分配到不同的子载波 上，我们假设每一个子载波的带宽远小于信道的相关带宽，而且所有用户的全部子载波 的瞬时信道增益对于发送端来说已知的。利用这些信道信息，发送端就可以使用联合子 载波、比特和功率分配算法来对不同的用户分配不同的子载波，而其还可以根据这种算 法来分配每个子载波上传输的比特o f d m 符号的数目。根据每个子载波上得到的比特 数，自适应调制器会使用相应的调制方式，传输功率也会根据联合子载波、比特和功率 分配算法做相应的调整。我们定义c 。为第k 个用户在第以个子载波上传输的比特数。由 于不允许多个用户共同使用一个子载波，且对每一个r l 都适用，所以如果c 如0 ，则对 所有的k k 有c 七。= 0 。我们再假设自适应调制器允许c 七，在集合d = 1 ，2 ，m ) 中取 值，其中m 是每一个子载波上能够传送的最大比特o f d m 符号数。 第1 1 页共6 8 页 中国科学技术大学硕士论文 第2 章o f d m 系统中的经典资源分配算法 在频率选择性信道中，不同的子载波会获得不同的信道增益，我们指定。为第七个 用户在第，1 个子载波上的信道增益( 假设相关接收) ，且假定对单边带噪声的功率谱密 度( p s d ) o 进行归一化( 0 = 1 ) 所适用的值对于所有的子载波和所有的用户都是相 同的。另外，指定石( c ) 和露有关，而且它允许不同的用户有不同的服务质量( q o s ) 要 求及不同的编码和调制方法。为了在接收端保证所需的q o s ，对第七个用户第，1 个子载 ，、 波分配的传输功率必须等于：丑。：尘芏型。使用这个传输功率，接收端便能在f f t 的 a ；。 输出端解调出调制符号，并能使所有的用户达到所需的q o s 。 图2 1 有子载波、比特和功率分配的多用户o f d m 系统框图 联合子载波、比特和功率分配算法的主要目的是寻找一种对q 。最佳的分配方式， 使得全部传输功率即所有的子载波上最。的和，在给定的每个用户的传输速率和根据 第1