（通信与信息系统专业论文）基于ieee80216的ofdma系统中的资源分配算法的研究.pdf

北京邮电大学硕士研究生论文 摘要 基于i e e e 8 0 2 1 6 的o f d m a 系统中的资源分配算法的研究 摘要 随着i n t e r n e t 的发展，数据通信业务增长迅速，而无线的数据通信更给人以全 新的感受。目前的无线通信系统如3 g 、w l a n 在数据速率、业务能力及成本、 覆盖范围、移动性等方面各有其应用的局限，因此，移动宽带无线接入( m b w a ， m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 越来越受到重视。 当前针对3 g 系统幂i b 3 g 系统设计的d s s s ( 直接序列扩频) 幂n t u r b o 编码已经 不能满足未来无线移动通信系统所预计的更高的数据的要求。为了支持5 0 - 1 0 0 m b w s ，甚至高达1 g b i t s 的传输速率，需要采用全新的更加高效的物理层技术。 由于实现如此高速的数据传输速率，因此与所占据的信道带宽相比，相干带宽就 非常小，从而要求更加复杂的多径处理技术，以解决更多可分解、但又是随机的 多径信号。 正交频分复用( 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 ) 技术 能在频谱效率、频率分集、低速并行数据处理和抗干扰、实现复杂度等方面占 有一定优势，使o f d m 技术受到广泛关注，并作为新一代移动通信系统的候选 方案。基于o f d m 技术的发射信号，经过移动通信信道时，将有频率选择性衰 落特点，同一用户的不同子载波有不同的衰落；同时，不同用户的衰落又可看 成是独立的。为了进一步发挥o f d m 技术的特点，利用信息论的注水原理，提 出了o f d m 的自适应编码调制与子载波功率分配算法。但是，要实现每个子带 上精确的功率控制，有较大的实现复杂度与算法的收敛性问题，在具体系统中 实现起来较困难。 由于正交频分多址( 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 ) 系统提供了时间与频率二维资源，可采用o f d m 的频分与时分的多 址技术即o f d m a 来实现系统的多址接入。美国高通公司的h d r ( h i g hd a t a r a t e ，h d r ) 通信标准采用了在基站按最大功率发射，移动台按接收功率的强 弱实现不同的编码调制方案，得到不同速率的数据通信，同时在分配时隙单元 上满足一定的公平性原则。这种方法在功率控制上较为简单，但对功率有一定 浪费。本文的算法将这种方法与o f d m 系统的特点相结合：在比例公平性原则 下，按用户数据速率与信道条件进行资源调度，通过对用户子载波组的平均信 道参数进行相应的自适应编码调制代替对每个子载波进行功率控制，在降低了 实现复杂度的同时，使系统的总的吞吐量为最大。本文通过o p n e t 仿真工具 北京邮电大学硕：匕研究生论文摘要 对几种算法的性能进行了仿真，包括公平性和吞吐量方面的比较验证。在此基 础上，分析了基于链路状态的调度算法对t c p 性能的影响，并指出了改进的方 向。 关键词：无线资源管理正交频分复用子载波分配 公平性 北京邮电大学硕：i 研究生论文 摘要 r e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i s m si nt h e o f d m as y s t e mb a s e do ni e e e8 0 2 16 s t a n d a r d s a b s t r a c t a st h er a p i dp r o g r e s so fi n t e m e t ，d a t as e r v i c e sh a v eg r o w nu pf a s t ，a n d a l lt h e s eh a v eb r o u g h tn e wt a s t eo ft h ew i r e l e s sn e t w o r k s b u tn o w a d a y s w i r e l e s ss y s t e m s ，s u c ha s3 g , w l a n ，h a v es o m ed e f e c t si nr e s p e c to f s p e e d ，c o s t ，r a n g ea n dm o b i l i t y s ot h em o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ( m b w a ) h a sg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h em o b i l i t yp r o v i d e db yt h et r a n s m i s s i o no fs p e e c ha n dd a t aw i t h o u tt h e n e e do fac a b l ec o n n e c t i o nh a s1 e a dt ot h ew i d ei n t e g r a t i o no fm o b i l e t e l e p h o n e s a n dc o m p u t e r si n e v e r yd a y s l i f e w i t ht h ei n c r e a s ei n t r a n s m i s s i o n s p e e da n dq u a l i t y ，p r o v i d e db yt h e s et e c h n i q u e s n e w i n t e r e s t i n gs e r v i c e s e g v i d e ot e l e p h o n yo rt h eu b i q u i t o u su s a g eo ft h e i n t e r n e tc a nb ep r o v i d e dt ot h em o b i l eu s e r h o w e v e r ，t h eb e n e f i to f m o b i l i t ya d d sac e r t a i nc o s tt ot h es y s t e m u n l i k ec a b l ec o n n e c t i o n s ， w i r e l e s s s y s t e m ss u f f e rf r o mah i g hv a r i a n c eo ft h ed e l a ya n dt h e a t t e n u a t i o no ft h et r a n s m i t t e ds i g n a l s t h i se f f e c tv a r i e so v e rt i m ea n d f r e q u e n c ya n dr i s e sw i t ht h ed a t a r a t e i no r d e rt oa s s u r et h ef a u l t t o l e r a n t t r a n s m i s s i o n ，w h i l ep r o v i d i n g h i g hd a t ar a t e so 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 ) h a sb e e nd e v e l o p e d w i t ho f d mt h e s p e c t r u mi ss e p a r a t e di n t os m a l ls u b b a n d s ，t h es o c a l l e ds u b c a r r i e r s ， w h i c ha r ep l a c e di no r d e rt oa s s u r eah i g hu t i l i z a t i o no ft h e g i v e n b a n d w i d t h 0 f d mt e c h n o l o g yh a sg a i n e dm u c ha t t e n t i o nt h e s e y e a r sf o r i t s e x c e l l e n tb e h a v i o ri ns p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，p a r a l l e ld a t ap r o c e s s i n g ， a n t i i n t e r f e r e ，e t c a n d0 f d mh a sb e e nl i s t e da so n eo ft h ec a n d i d a t e t e c h n o l o g i e so ft h en e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h e nt h e s i g n a lb a s e do n0 f d mt r a n s m i t st h r o u g ht h ew i r e l e s s c h a n n e l ，i t u n d e r g o e st h ef r e q u e n c ys e l e c t i v el o s s ，a n dd i f f e r e n ts u b c a r r i e r so fo n e 北京邮电大学硕：| = = 研究生论文摘要 u s e rm a ye x h i b i td i f f e r e n tl o s s ；f u r t h e r t h el o s so fd i f f e r e n tu s e r sc a nb e s e e na si n d e p e n d e n t i no r d e rt oe x e r tt h ec h a r a c t e r so ft h e0 f d m t e c h n o l o g y ，w eh a v et h ea u t o m a t i cm o d u l a t i o na n dc o d i n ga l g o r i t h ma n d s u b c a r r i e rp o w e ra s s i g n m e n ta l g o r i t h mb a s e do nt h ei n f o r m a t i o nt h e o r y h o w e v e r ，i ti st o oc o m p l i c a t e dt or e a l i z et h ea c c u r a t ep o w e rc o n t r o lo n e a c hs u b c h a n n e l ，a n dt h e r em a yb es o m ec o n v e r g e n c ep r o b l e m s s oi ti s d i f f i c u l tt os o m ee x t e n tt oi m p l e m e n ti nt h er e a ls y s t e m t h e r ea r et w ok i n d so fr e s o u r c e si nt h eo f d m a s y s t e m t i m es l o ta n d t h ef r e q u e n c y , s ow ec a nu s ef r e q u e n c yd i v i s i o na n dt i m ed i v i s i o na st h e m u l t i p l ea c c e s st e c h n i q u e t h eh d rs t a n d a r do fq u a l c o m ma d o p t st h e m e t h o do fm a x i m u mt r a n s m i s s i o np o w e ri nt h eb a s es t a t i o n ，m o b i l e s t a t i o nr e a l i z e sd i f f e r e n ts c h e m e so fa u t o m a t i cm o d u l a t i o na n dc o d i n g a c c o r d i n g t ot h e i rr e c e i v e d p o w e r , d i f f e r e n ts p e e d o fd a t a c o m m u n i c a t i o n ，m e a n w h i l e ，m e e tt h ef a i r n e s sr e q u i r e m e n t si nt h es l o t a s s i g n m e n t n i sm e t h o di ss i m p l ea tt h ep o w e rc o n t r o lp h a s e ，b u tt h e r e i ss o m ep o w e rw a s t e i nt h i sp a p e gw ec o m b i n et h i sm e t h o da n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e0 f d ms y s t e mt o g e t h e r , p r o p o s e dad y n a m i c r e s o u r c ea s s i g n m e n ta l g o r i t h m u n d e rt h ep r o p o r t i o n a lf a i m e s sr u l e s ， s c h e d u l et h er e s o u r c ea c c o r d i n gt oe a c hu s e r sd a t ar a t ea n dc h a n n e l c o n d i t i o n 。既u s ea u t o m a t i cm o d u l a t i o na n dc o d i n gi ns t e a do fp o w e r c o n t r o lf o re a c hs u b c a r r i e r a n dl o w e rc o m p l e x i t yc a nb ea c h i e v e da s w e l la sm a x i m u mt o t a lt h r o u g h p u to ft h es y s t e m k e y w o r d s ：r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n to f d ms u b c a r r i e r a l l o c a t i o nf a i r n e s s 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， 本人签名：薹曲 本人承担一切相关责任。 日期： 猃! 查：鉴 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： 墅凶 导师签名： 日期： 日期： b 弓! 渔：生：丝 北京邮电大学硕士研究生论文第1 页 第1 章绪论 随着i n t e r n e t 的发展，数据通信业务增长迅速，而无线的数据通信更给人以全 新的感受。目前的无线通信系统! z h 3 a 、w l a n 在数据速率、业务能力及成本、 覆盖范围、移动性等方面各有其应用的局限，因此，移动宽带无线接入( m b w a ， m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 越来越受到重视。 1 1 课题的背景及意义 1 1 13 g 网络的发展现状及其向i p 演化的进程 移动通信可以说从无线电发明之日就产生了。人类采用无线方式进行通信的 历史可以追溯到十九世纪末。二十世纪六十年代贝尔实验室提出了蜂窝的概念， 使无线通信摆脱了传统的大区制结构，为无线通信的大规模商用奠定了基础。七 十年代具有高可靠性的固态微型射频硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。从二 十世纪七十年代末到现在的二十多年时间里，无线通信系统从以模拟技术、频分 多址为特征的第一代发展到以数字技术、时分多址为特征的第二代，直至目前正 在逐渐开始商用的以宽带码分多址为核心的第三代。 同 移 砌 性中 低 1 01 0 0 速率( m b i t s ) 图1 - 1 不同无线系统在覆盖范围和数据速率的差别 除了蜂窝移动通信系统，还有其他一些无线通信技术也在不断涌现，包括以 i e e e8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 2 为代表的无线局域网、以i e e e8 0 2 1 6 为代表的无线 城域网( 本地无线宽带接入) 、以蓝牙( b l u e t o o t h ) 为代表的无线个人域网以及 北京邮电大学硕士研究生论文第2 页 以数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 为代表的新一代数字广播技术 等。图1 - 1 给出了不同无线系统在覆盖范围和数据速率上的差别。 虽然3 g 网络目前已经逐渐成熟起来，但是3 g 是十多年前开发设计的，当时 互联网还没有商业化，其设计的基本思路是在话音业务基础上增加多媒体数据业 务。3 g 强调从2 g 的过渡，保护运营商在2 g 的已经有的投资，为此与2 g 一样，3 g 仍然是一个面向连接提供端到端的专门时分复用( t d m ) 信道的系统。互联网出现 后，第3 代移动通信合作计划( 3 g p p ) _ ；f 1 1 3 g p p 2 都开始了口化的演化进程。3 g p p 已 经布设了提供商业服务的采用电路交换的r 9 9 ，发表了软交换部分i p 化的r 4 、核 心网口化有i p 多媒体子系统( i m s ) 的r 5 ，即将推出r 6 ，进一步还有增强型3 g 。问 题是如果仍然继续保持面向连接的结构，其支持突发式互联网数据业务时频谱效 率必然很低。3 g 可以支持话音和低速率数据，但是其容量实际上不能支持多个 高速数据用户。没有高速下行分组接, x ( h s d p a ) ，3 g 用户的使用感受实际上和 2 5 g 是差不多的。 3 g p p 和3 g p p 2 都认识到支持高速数据用户的问题，试图在原来的体系框架 内，在下行链路中采用分组多址技术，大幅度提高i p 数据下载和流媒体速率。 3 g p p 在r 5 以后的系统中引入了h s d p a ，h s d p a 使用自适应调制编码( a m c ) 、混 合自动重传( h a r q ) 和快速调度等技术进一步提高数据速率。在w c d m ar 5 中引 入h s d p a 技术后，u t r a n 部分的结构基本不变，通过增加插卡，新增了高速媒 体访问控匍j ( m a c h s ) 功能块，并在物理层新增了3 种新的物理信道。3 g p p 对多输 入多输出( m i m 0 ) 与高阶调制等技术正在进行研究，希望可以进一步提高下行链 路的数据速率。目前h s d p a 标称速率为1 0m b s ，实际速率：宏蜂窝为1 1 5 m b s ，微蜂窝为4 - - 6m b s ，甚小蜂窝为大于8m b s 。h s d p a 的速率与3 gw c d m a 的3 8 4k b s 相比有了大幅度提高，被称为3 5 g 系统。3 g p p 2 则发展了c d m a 2 0 0 01 x e v d v 。h s d p a 和c d m a 2 0 0 0 1 xe v d v 的思路及采用的技术是很相近的，发 展演化后它们最终目标的差别将很可能仅仅是带宽不同。h s d p a 和c d m a 2 0 0 0 l xe v d v 是在3 g p p ( 3 g p p 2 ) 框架中发展的，在考虑与原系统核心网络的兼容后， 性能会受些影响。虽然h s p d a 和c d m a 2 0 0 0l xe v d v 对于3 g 满足移动宽带无线 接入需求来说是非常重要的一步，3 g p p 也经过多个版本演化；但是它的全i p 网 仍然不是真正意义上的全i p 网，因此作为移动宽带无线接入还不够理想，需要进 一步向p 演化。 1 1 2i e e e8 0 2 1 6w m a n 标准 i e e e8 0 2 1 6 最初被设计用于固定无线视距通信，提供点到点的连接，采用 t d m a t d d f d d 体制，使用l l 6 6 g h z 频段，速率最高可以达至1 1 5 5m b s 。i e e e 北京邮电大学硕士研究生论文第3 页 8 0 2 1 6 标准于2 0 0 1 年1 2 月发布，2 0 0 2 年1 2 月发布了i e e e8 0 2 1 6 互用性标准。从图 1 2 中可以看出，i e e e 8 0 2 1 6 作为无线城域网标准保证了无线网络的互操作性。 图1 2 无线标准结构图 为了满足固定宽带无线接入的需求，需要提供点到多点的非视距通信能力， 为此，i e e e 进一步发展了i e e e 8 0 2 1 6 a 标准。i e e e8 0 2 1 6 a 使用2 - - - l l g h z 频段， 占用2 0 m h z 带宽时速率可达7 5 m b s ，采用s c 2 o f d m o f d m a o f d m a 2 物理层 体制；点对多点大蜂窝工作时主要采用o f d m o f d m a 体制。i e e e8 0 2 1 6 a 是按 照支持互联网业务需求设计的，采用快速调度、自适应编码调制和自动重发技术 实现无线链路的分组化。 目前i e e e 8 0 2 1 6 * n i e e e 8 0 2 1 6 a 经过修订统一命名为i e e e e 8 0 2 1 6 d 。在市场 对移动宽带无线接入需求的推动下，2 0 0 2 年i e e e 8 0 2 设立了固定移动宽带无线接 ) k ( f m b w a ) 研究组，在i e e e 8 0 2 ：1 6 a 的基础上增加移动能力将b w a 变为 f m b w a ，形成了i e e e 8 0 2 1 6 e 。i e e e 8 0 2 1 6 e 使用2 - - - 一6 0 h z 频段，采用与i e e e 8 0 2 1 6 a 同样的工作体制，在占用5 m h z 带宽时上、下行链路最高速率都可以达到 1 5 m b s ，频谱效率为3 b p s h z ，支持本地和地区的移动性，支持漫游和切换，移 动速度可以达至1 1 5 0k m h 。i e e e8 0 2 1 6 e 的主要问题是切换问题，要求尽量少改 变i e e e 8 0 2 1 6 a 的物理媒体访问控制层标准。2 0 0 3 年9 月推出了i e e e 8 0 2 1 6 e 草案 第一稿。 i e e e 8 0 2 1 6 a 宽带无线接入系统可以服务于居民区，如图1 - 3 矛h 图1 4 所示，有 3 种应用方式：一是用于数字用户线( d s l ) 的补充，宽带无线接入( b w a ) 系统的工 作距离远于d s l ，但可以提供同样的业务；二是相互竞争的运营商可以用b w a 在别的运营商拥有市话网的地区提供宽带接入业务；三是用于干线，连接蜂窝基 站。b w a 与固定宽带网相比经济优势明显( 价格在2 万美元以下的无线基站，可 以同时为6 0 个客户提供1 5 m b s 速率的连接) 。 北京邮电大学硕士研究生论文第4 页 图1 - 3i e e e 8 0 2 1 6 宽带无线接入系统的应用 图1 4i e e e 8 0 2 1 鼹供的视距应用及非视距点到多点连接 正e e8 0 2 i 6 网络结构如图1 5 所示，规定了多业务点对多点宽带无线接入系 统的空中接口，包括m a c 层和物理层。m a c 层能够支持多种物理层，这些物理 层已经被优化以满足多个应用频带。还包括一个特殊的物理层实现方案，该方案 可以广泛应用于1 0 - 6 6 g h z 之间的各种系统。8 0 2 。1 6m a c 层的特点综述如下： 点对多点；针对城域网、无线环境；面向连接；支持t d d 和f d d ；支持不同的 用户环境：高带宽、每信道有数百个用户；连续的和突发的业务量；频率利用率 高；满足不同的q o s 要求：c b r 、r t v b r 、n r t v b r 、b e ；支持多个8 0 2 1 6 物理层。 北京邮电大学硕士研究生论文第5 页 c u s t o m e r p f e m i s e e q u i p m e n t b a s e s t a t o n e d a e j c o r e ? t r a m c。c e n t r a l0 角c e a 9 9 r 净t o n ；n e t w o r k , m a n a g e m e n t l v o i ps e r v e r e t c 图1 5 网络结构图 1 1 3 网络现状对无线资源管理的要求 移动通信技术面临用户数量急剧增加，移动业务逐步走向多元化，用户对服 务质量的要求不断提高，如果更有效地管理和使用无线资源己成为运营商最为关 心的问题之一。在3 g 中，无线资源管理作为一个关键技术提出，成为衡量一个 标准是否可行，系统服务质量优劣，是否被运营商所接纳的重要性能指标。随着 i n t e r n e t 的迅速发展以及i p 与移动通信标准的结合，未来移动通信将是一个全i p 的网络系统。移动通信已经提出了面向q o s 的无线资源管理系统。使用各种无 线资源管理方法对复杂的无线物理信道网络资源进行合理配置，完善i p 协议兼 容性及保障不同特性业务的传输质量等方面的研究正在进行中，提出面向语音业 务，多媒体业务的高效资源管理算法迫在眉睫。 未来无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提 供业务质量保证。基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰落 和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资 源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络阻塞和保持尽可能小的信令负荷。 未来移动通信系统的主要特征是存在大量的非实时性的分组数据业务，因为 不同用户有不同速率要求，同时不同的用户会有不同的业务要求，必须保证用户 的公平性和业务的q o s 要求，因此在无线资源管理模块中必须要有适宜的无线 资源管理算法。分组调度算法根据用户的o o s 要求，判断该业务的类型以便分 配最佳的资源给不同的用户。 有线网络中的分组调度算法已有很多的研究，但是由于无线环境中其带宽有 限、用户移动性和信道的易错和误码的突发性，使得有线网络的分组调度算法不 浮 p 一佗一h 一 彘一 慧 北京邮电大学硕士研究生论文 第6 页 再适用，所以必须提出适合无线信道的高效和经典的分组调度算法，以便更好的 分配无线资源给非实时业务。 1 2 论文的主要工作及结构 本文研究了基于i e e e 8 0 2 1 6 的o f d m a 系统中的资源调度算法，并对m c p f 算法及m l w d f 等算法进行了分析和比较，其中m l w d f 算法在提高系统总的 吞吐量的同时，更好的保证了实时业务的时延要求。此外，还对子载波和时隙的 二维资源的排序方法进行了分析，进一步提高了系统的吞吐量。在此基础上，分 析了基于链路状态的调度算法对t c p 形能的影响，以及改进措施。 本文的组织结构如下： 第一章是绪论部分，主要介绍课题的研究背景及意义，及网络现状对无线资 源管理的要求；第二章主要介绍o f d m 正交频分复用技术基本原理、无线环境 下资源调度的主要问题、o f d m a 系统的结构、无线资源的划分及资源调度方法； 第三章对几种o f d m a 系统中的资源调度算法进行阐述和分析，包括功率分配算 法和子载波分配算法。第四章对前面所述的几种算法进行了仿真及性能的分析，： 给出了简单的结论并对调度算法对t c p 性能的影响进行了分析并指出了改进的 方法。最后提出了还需解决的问题；第五章是论文的总结及展望，提出了下一步 研究的方向。! 北京i 叫电凡学士q 巍生谤文第7 页 第2 章o f d m a 系统结构及其资源调度机制 正交频分复用接八o f d m a 是建立存正交频分复用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亲实现多用户接入， 自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 已经在数字音频广播( d a b ) 、数字视频 广播( d v b ) 、基于i e e e8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网( w l a n ) 以及a d s l 等技术中得到了应用。1 9 9 8 年7 月，i e e e 8 0 21 1 标准组选择o f d m 作为w e a n 的物理层接入方案，这是o f d m 第一次被用于分组业务通信当中，此后，e t s i 、 b r a n 以及m m a c 也纷纷采用o f d m 作为其物理层的标准， 2 1o f d m 技术基本原理 正交频分复_ ； j ( o f d m ) 的幕本原理就是把高速的数据流通过串井变换，分 配剑传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由丁每个子信道中的符号周 期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多静h 、f 延扩展所产斗的时问弥散性对 系统造成的影响。并且还可以在o f d m 符号之问插入保护问隔，令保护间隔大 于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号 间t 扰( i s i ) 。而且，一般都采用循环前缀作为保护问隔，从而叮以避免由多径 带来的信道问干扰( i c i ) 。 o f d m 系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调， 从而可以大大简化系统实现的复杂度。本节将简述其原理。 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，其中每个了载 波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( o a m ) 符号的调制。如果n 表示子信道的个数，t 表不o f d m 符号的宽度，d ( i = 0 ，1 ，n 一1 ) 是分配 给每个子信道的数据符号，f 是第0 个子载波的载波频率，e 酣( f ) = - ，i t = t 2 ， 则从t = r 。开始的o f d m 符号可以表示为： 一l甲i s p ) = r e 罗d i r e c t ( t f ，一 ) e x p 2 ( l + - t 。) t r t + z 式2 - 1 御 s = 0t q ，a t m ；+ t 然而在多数文献中，通常采剧复等效基带信号柬描述o f d m 的输出信号，见 式2 2 。其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同柏和正交分量，在实际中可 以分别与相应_ 了载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 北京邮电大学硕士研究生论文 第8 页 o f d m , j 守号, 。i n 2 3 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，其中正= 正+ 群。 旦晶 ， d l ；d 1 圆 s ，p 。一”n 山。蝎 。 “- 丽胡 圈2 - to f d m 系统基本模型框图 图2 2 中给出了一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。其中所有的子载波 部具有相同的幅值和相位，但在实际系统中，根据数据符号的调制方式，每个子 载波的幅值和相位都可能是不同的。从图可以看出，每个子载波在一个o f d m 符 号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。这一特 性可以用来解释子载波之间的正交性，即： x e x 町删e x p ( - 肼肛e 三 例如对式2 2 中的第j 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分，即： 。，= ；，“e x p ( 一j 打事( r t ) ) 萋吐“p ( 皿z ；( ，一t ) = 亭j ：, t 唧t ，一了i - j 渺 船， = d ， 根据上式可以看到，对第j 个子载波进行解调可以恢复出期望符号d 。而对 于其他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别a j ；嘭可以产生整数倍个周期， 所以其积分结果为零。 这种正交性还可以从频域角度来理解。根据式2 1 ，每个o f d m 符号在其周 期t 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频 谱与一组位于各个子载波频率上的函数的6 卷积。矩形脉冲的频谱幅值为 + 一 一 f o 酣 m ( 吐 ，善o = = 啪 啪 北京邮电大学硕士研究生论文 第9 页 s i n c ( f i r ) 函数，这种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上。 归一化搿号周期 图2 - 2o f d m 符号内包含4 个子载波的实例 这种现象可以参见图2 3 ，其中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形 成型得到的符号的s i n c 函数频谱。在每一个子载波频率的最大值处，所有其他子 信道的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些 点上所对应的每一个子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符 号频谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。 图2 - 3o f d m 系统中，子信道符号的频谱( 经过矩形脉冲成型) 从图2 3 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个 子信道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中的。因此这种一个子信道 频谱的最大值对应于其他子信道频谱的零点可以避免信道之间干扰( i c i ) 的出 现。 2 2o f d m 系统中的多址方案 o f d m 本身是一种调制技术，但它可以很容易地与多种多址接入技术相结 北京邮电大学硕士研究生论文 第1 0 页 合，为多个用户同时提供接入服务。常用的多址接入方式有三种，分别是时分多 址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，o f d m 都可以与它们 结合，分别构成o f d m t d m a 、o f d m f d m a 和o f d m c d m a 技术。 2 2 1o f d m t d m a 在o f d m t d m a 系统中，信息的传送是按时域上的帧来进行的，每个时间 帧包含多个时隙，每个时隙的宽度等于一个o f d m 符号的时间长度，有信息要 传送的用户根据各自的需求可以占用一个或多个o f d m 符号。每个用户在信息 传送期间，将占用所有的系统带宽，即该用户的信息可以在o f d m 的所有子载 波上进行分配。o f d m 系统中的t d m a 接入方式与在单载波系统中相似，o f d m 只是作为一种调制技术。i e e e8 0 2 1 l a 以及h i p e r l a n 2 等就是采用这种方式。 2 2 2o f d m c d m a 多载波调制与扩频技术结合的方法可分为两类：频域扩频和时域扩频。 频域扩频通常称为m c c d m a ，图2 4 给出了m c c d m a 的原理图。 m c c d m a 系统中，一个原始数据符号，通过扩频后，成为多个码片，每个码 片在一个子载波上传输。这样一个符号的信息就在多个子载波中并行传输。 g u c = n 。 图2 - 4 m c c d m a 原理图 时域扩频有两种不同的构成方法：m cd s c d m a 和m t - c d m a 。两者的基 本原理相似。地址码将数据符号在时间上进行扩展，每个子载波上传送的是一个 直接序列扩频信号。两者的差别在于m cd s c d m a 最后实际形成的是正交多载 波时间扩展信号，而m t - c d m a 的子载波之间则是非正交的。 需要注意的是，当扩频系数s f = 1 时，m c c d m a 就变成o f d m ，而m c d s c d m a 则变成d s c d m a ，从这里也可以看出频域扩频和时域扩频之间本质 北京邮电人学硕二匕研究生论文 第页 的区别。 2 2 3o f d m f d m a o f d m f d m a ，也被简称为o f d m a ，正交频分复用接入o f d m a 是建立在 正交频分复用o f d m 基础上的一种接入技术。与传统的频分复用( f d m a ) 很 类似，它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，也就是 每个用户分配一个o f d m 符号中的一个子载波或一组子载波，以子载波频率来 区分用户。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。在 i e e e 8 0 2 1 6 a 宽带无线接入标准中也采用o f d m a 作为物理层技术。与传统 f d m a 的不同之处在于，o f d m a 方法不需要在各个用户频率之间采用保护频段 去区分不同的用户，大大提高了系统的频率利用率。 有很多方法来给用户分配子载波，使用最广泛的有两种f 4 】 5 】：连续分组子载 波( g r o u p e ds u b c a r r i e r s ) 和间隔扩展子载波( c o m bs p r e a ds u b c a r r i e r s ) 。连续分 组子载波是最简单的一种分配方式，每个用户分配一组相邻的子载波；而间隔扩 展子载波分配方式中，每个用户分配到的子载波是间隔的，也就是用户所使用的 子载波扩展到整个的系统带宽。图6 1 给出了这两种方法的示意图。 在o f d m a 的基础上，很容易结合跳频构成f h o f d m a ，从而利用干扰平 均来提高性能。i e e e8 0 2 1 6 a 中定义了三种工作模式：单载波、o f d m t d m a 和o f d m a ，其中的o f d m a 方式采用了间隔扩展方式，并使用了跳频技术【6 。 在很多情况下，也常将o f d m a 与o f d m t d m a 相结合，以时频块来区分用户， 从而获得更大的灵活性【7 】。 霞霾霾蓁冀冀霞 ( a ) 连续分组子载波方式 囫u s e r1 囱u s e r2 圈u s e r 3 一 囵u s e r n ( b ) 间隔扩展子载波方式 图2 5o f d m a 子载波分配方式 o f d m a 系统结构如图2 - 6 所示。在o f d m a 系统中，来自不同用户的数据 流首先进入队列缓存，然后根据一定的子载波分配算法被分配到不同的子载波 北京邮电大学硕士研究生论文第1 2 页 上。由于无线信道的时变特性，算法要依据从各个用户反馈回来的信道状态进行 资源分配，同时也确定了每个子载波的调制编码方式。然后进入i f f t 单元，实 现o f d m 调制。在接收机一侧，用户对数据进行相反的操作。 目户jlj | 广一号 。l ，、。，。j m ，e n j t w 予疆被2 州户2 j 一； 1、 。t 。 + j ， ， ； 髑制编码 ： l 一：工； l f f t ； 予载被“ 用户。r 丁1 b ； 7 f ，1 ： 队，u 状蠡倍思l 爿 符个m 户厦能的信道习于我渡分配算法 信息 尉2 6o f d m a 系统结构框图 o f d m a 方案中可以很容易地引入跳频技术，即在每个时隙中，可以根据跳 频图样来选择每个用户所使用的子载波频率，这样允许每个用户使用不同的跳频 图样进行跳频，从而可以利用跳频的优点为o f d m 系统带来好处。 r 与直扩c d m a 或者m c c d m a 相比，跳频o f d m a 系统的最大好处在于为 小区内的多个用户设计正交跳频图样，从而可以相对容易地消除小区内的干扰。 2 3o f d m a 系统中的无线资源调度 随着无线网络技术的发展，通信业务也从单一的话音业务发展到话音，尽力 而为的数据业务，实时的多媒