一种一种一种一种一种一种一种多用户mimoofdm下行链路的资源分配机制

一种一种一种一种一种一种一种多用户mimoofdm下行链路的资源分配机制

1频率选择性信道传输算法日益增长的业务需求需要高速数据速度。第四代移动通信系统需要在高速移动环境下运行gbit/s，并在低速移动环境下达到1gbit/s。如此高的速率面临着两大瓶颈:频谱资源的匮乏和无线信道衰落。多天线多载波技术被认为是解决该瓶颈问题的关键技术,前者可获得高的频谱效率,后者将频率选择性信道转化为平坦衰落信道,减轻了多径的影响,避免了复杂的均衡技术。在单天线下行系统,获取最大和容量的传输策略是TDMA多址接入方式(例如,只允许最高信噪比用户传输),然而在MIMO下行系统中只传输一个用户并不能获得性能优化本文参考文献[4],将线性预编码机制应用到频率选择性信道,完全消除用户间干扰,从而在每个子载波上支持多个用户。不同于文献[4]基于香农容量的优化方案,本文以系统总速率最大化为目标,在发射功率和用户QoS限制下,提出自适应的功率、比特分配算法。由于最优遍历算法的复杂性,提出了两种简化算法。标识说明:矩阵和向量用粗体字表示。(·)2天线端用户信道独立分布多用户MIMO/OFDM系统如图1所示。考虑单小区下行链路,基站M根发送天线,系统中K个用户,每用户单根接收天线,每个OFDM符号包含N个子载波。假设每用户能够利用导频获得正确的信道信息,且能够将信道信息无错误、无时延地反馈给基站端,各用户经历的信道是相互独立同分布的。如图1,基站首先对各用户进行子载波、功率、比特分配,线性预编码处理,然后经过IFFT变换、添加CP后送至天线发送,接收端进行逆向处理接收数据。采用零均值循环对称高斯信道(ZMCSCG)模型,用户k在第n个子载波上接收的符号表示为式中x式中第2部分为用户间干扰,此时受OFDM符号功率限制:由于优化w定义H将3率、比特分配机制在这一节,在总发射功率和用户QoS参数限制下,以获取系统最大总速率为目标,提出自适应的功率、比特分配机制。考虑用户比特差错概率(BER)作为用户QoS参数,假定采用QAM调制,则在加性白高斯信道(AWGN)下,BER近似表示为以系统总速率最大化为目标,提出以下的目标函数:式中r若不考虑r利用拉格朗日优化算法,则用户k在子载波n上的功率限制为因此,若考虑r3.1用户调费功率之差的确定该算法的基本思想是:在每个子载波上,比特分配过程从各个用户未分配比特开始,选择要求递增功率最小的用户,使其分配比特增加一个步长,直到达到最大星座图尺寸或传输功率达到限定值。值得注意的是,由于系统的预编码矩阵W将用户k在子载波n上的信噪比γ因此,用户k增加调制阶数时,其耗费的功率之差表示为式中S定义为还未分配比特或分配比特为0的用户集合,S定义为已经分配比特的用户集合,r初始化:(1)根据调制方式不同,设定集合Q取值范围,且Q不包括零。对每个子载波重复以下步骤。令集合S={1,…,K}包含所有的用户,集合(2)假定系统中只有一个用户,根据信道矩阵H(3)对集合S中所有用户,设定r(4)根据式(11),选择用户迭代过程:(5)对集合若3.2比特加载算法该算法的基本思想是:在每个子载波上,比特分配过程从各个用户都分配最大的星座图尺寸开始,选择要求递减功率最大的用户,使其分配比特减少步长,直到各个用户分配的比特数都为0或传输功率满足限定值。值得注意的是,当某个用户分配的比特数为0时,同比特加载算法一样,需要重新计算各个用户的||w式中S定义为系统分配比特不为零的用户集合,r初始化:(1)根据调制方式不同,设定Q取值范围,注意集合Q不包括零,集合S={1,…,K},对每个子载波重复以下步骤。(2)根据信道矩阵H(3)对集合S中所有用户,设定r(4)根据式(10)计算T(5)若P(6)对集合S中所有用户,根据式(12)计算值得指出的是,比特加载算法为每用户从零比特开始分配,当信噪比相对较小时,其迭代次数较少。反之,比特去除算法从星座图最大尺寸开始分配,当信噪比相对较大时,其迭代次数较少。因此,根据信噪比相对大小,可选取相应的比特分配算法。此外,当系统中存在的用户数超过系统所能承载的用户数时,需要在每个子载波上进行用户调度,即从K个用户中选择最多M用户进行调度,然后,应用本节的功率、比特分配进行自适应传输。本算法可很容易的推广到K>M的情况,限于篇幅限制,不再赘述。4信号传递效率为了分析算法的性能,本文进行了蒙特卡罗仿真。由于算法是在每个子载波基础上提出,因此仿真没有考虑子载波个数的影响,主要分析对子载波总速率的影响。定义每个子载波上发射信噪比为SNR=P/(Nσ图2给出了子载波总速率与发送信噪比关系图。可以看出,不管是6根发送天线6用户系统,还是2根发送天线2用户系统,比特去除和比特加载算法非常接近遍历算法的性能,该两种算法却极大降低了复杂度。为了对比,图2还画出了仅发送一个最优用户时子载波的总速率,比如发送天线数6用户数6时,仅发送速率最大的用户,并进行自适应的比特遍历算法。可以看出,基站应用空分多址接入支持多个用户的总速率明显高于仅发送一个最优用户的总速率。比如,6根发送天线时,最优用户发送在信噪比20dB时就达到了最大速率8bit/s/Hz,而此时遍历算法超过18bit/s/Hz。图3给出了在不同用户数下发送天线数为6时子载波的总速率。可以看出,不管发送信噪比是20dB还是40dB,随着每个子载波上承载的用户增加,子载波总速率随之增大,多用户分集增益越明显。同时,比特加载和去除算法的总速率同样非常接近遍历算法的总速率,却极大降低了复杂度。5特征参数的处理本文以最大化MIMO/O