（通信与信息系统专业论文）多媒体通信中多带uwb动态资源分配研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文中文摘要 摘要 随着科学技术的进步，人们进行e l 常通信的方式正在逐渐地从有线向无线过渡，而 传递信息的媒体也已经从简单的文本和语音发展到图像、视频等多种形式，类似d v d 播 放器、数字摄像机、数码相机、m p 3 播放器等家庭娱乐设施迅速进入家庭。多媒体信号 由于包含了大量的信息，在为人类带来方便的同时，也给无线通信技术领域带来了更多 的挑战：因为在传输过程中需要的带宽大幅增加，所以要求更高的带宽和传输速率。 作为无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a a r e an e t w o r k ，w p a n ) 中重要的一种物理层标 准提案，多带超宽带系统主要面向家庭和办公室等近距离高速无线多媒体应用，其传输 速率最高可以达至l j 4 8 0 m b s 。而在多媒体技术飞速发展的今天，这对于解决人们在带宽和 数据传输速率方面越来越高的需求无疑具有相当的吸引力。由于超宽带系统的功率和实 现复杂度被严格限制，所以研究如何有效地对其用户副载波( 子信道) 、功率和比特等 资源的分配具有尤为重要的意义。 本文结合了无线个域网高速环境下多用户多带超宽带系统的特点，对其资源分配和 优化问题展开了研究。论文的主要内容和创新之处包括： ( i ) 首先从技术发展的角度，回顾了前人在无线通信领域以及资源分配与优化方面所做 的工作，并总结探讨了当前研究所采用的方法以及会面临的问题，进而提出本论文 的主要研究内容。 ( 2 ) 结合多带超宽带系统所采用的跳频技术的特点，对时频码模型进行了改进，该时频 码模型把同一带组中的几个子带放入同一个帧中，用户的资源分配可以在同一个帧 的任意一个副载波上进行。 ( 3 ) 提出了一种两步的用户副载波和功率分配方案，可以把原始的联合副载波和功率分 配问题从一种混合整数非线性规划模型变为一种线性规划模型，从而把时间复杂度 从变量的指数函数降低为多项式函数。与现有的次优方案相比，可以在相同的复杂 度下取得更好的性能。同时在对线性规划求解的过程中，为了寻求一个更好的初 始b f s ，还提出了一种初始解搜索算法，可以提高算法的收敛速度。 ( 4 ) 分别提出了在多用户分簇系统模型下的联合副载波、功率分配方案和联合副载波、 功率、比特分配方案。与未分簇系统相比，所提出的方案在分簇系统模型上进行的 第i 页 多媒体通信中多带u w b 动态资源分配研究中文摘要 分配可以非常有效地降低算法复杂度，而且性能的损失也非常有限。与其它已有的 几种针对分簇系统的分配方法相比，所提出的方案具有比较明显的性能优势。 关键词：超宽带，多带，无线个域网，多用户，动态资源分配，多媒体 第l i 页 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p e o p l ea r em o r er e a d i l yt oc o m m u n i c a t ei naw i r e l e s sw a yi n s t e a do fat r a d i t i o n a lw i r e do n e m e a n w h i l e ，t h ec a r r i e r so f i n f o r m a t i o na r ea l s oe x p e r i e n c e dag r e a tc h a n g ef r o ms i m p l et e x ta n dv o i c ed a t at om u l t i p l e m e d i a ss u c ha si m a g ea n dv i d e oa sar e s u l t ，al a r g eq u a n t i t yo fc o n s u m e re l e c t r o n i cd e v i c e s s u c ha sd v d p l a y e r s ，d i g i t a lv i d e o s ，d i g i t a lc a m e r a s ，a n dm p 3p l a y e r sh a v er a p i d l ye n t e r e d p e r s o n a lh o m e sw h i l ep e o p l ee n j o yt h ew o n d e r f u ll i f et h a tm u l t i m e d i at e c h n o l o g yb r i n g st o u s m o r ec h a l l e n g e se m e r g et ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s w ew i l lh a v et os u p p l ym u c hm o r e b a n d w i d t ha n dd a t ar a t et h a ne v e rt om e e tt h en e e d st ot r a n s m i ts i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d i n f o r m a t i o nc a r r i e db yt h en e wm e d i a s o n eo ft h eu l t r aw i d e b a n d ( u w b ) s y s t e m s ，m u l t i b a n do f d m ( m b - o f d m ) ，e m e r g e d a sap r o p o s a lf o rt h eh i g hd a t ar a t ep h y s i c a ll a y e rs t a n d a r do fw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( w p a n ) r e c e n t l y i th a st h ea b i l i t yt os u p p o r td a t ar a t eu pt o4 8 0 b l b sa n dn 0d o u b ti sa d e s i r e ds o l u t i o nf o rt h es h o r tr a n g eh i g hd a t ar a t ew i r e l e s sa p p l i c a t i o n si nh o m e sa n do f f i c e s b e c a u s et h ep o w e ra n dt h ec o m p l e x i t yo fu w bd e v i c e sa r es t r i c t l yc o n f i n e db yf e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o no fu s ，i tw i l lb ev e r ym e a n i n g f u lt oc o n d u c tr e s e a r c ho n e f f e c t i v e l ya l l o c a t i n gs y s t e mr e s o u r c e s a sp o w e r ，s u b - c h a n n e l sa n db i t s t h ed i s s e r t a t i o na i m st or e s e a r c ho nt h et o p i co fm u l t i u s e rr e s o u r c ea l l o c a t i o na n d o p t i m i z a t i o nf o rm b o f d ms y s t e m s i t sm a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o nc a nb ed e s c r i b e d a sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s tr e v i e w e dc u r r e n tw o r k si n t h ef i e l d o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dr e s o u r c e a l l o c a t i o n ，t h e nd i s c u s s e dt h em a i nm e t h o da n dc h a l l e n g e so ft h e m ，a n dt h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o nw a si n t r o d u c e db a s e do nt h ed i s c u s s i o n ( 2 ) i m p r o v e dat i m e - f r e q u e n c yc o d e dm o d e lb yc o n s i d e r i n gt h ef r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n o l o g yu t i l i z e db ym b o f d ms y s t e m s i nt h em o d e l ，s u b b a n d si nab a n dg r o u pa r e f o u p e di n t oaf r a m e a n d t h ea l l o c a t i o nc a nb ep e r f o r m e di na l l ys u b c a r r i e ro faf l a m e ( 3 ) p r o p o s e dat w o s t e ps u b c a r r i e ra n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m ，w h i c ht r a n s f o r m st h e o r i g i n a lj o i n ts u b c a r r i e ra n dp o w e ra l l o c a t i o np r o b l e mf r o mam i x e di n t e g e rn o n l i n e a r 第i i i 页 兰型型呈墼耋塞堑兰坠坌兰呈塾查望窒坠坌矍矍窒坠：一 苎茎塑墨 p r o g r a m m i n gm o d e lt oal i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e l ，8 0t h a tr e d u c e st h et i m ee o m p l e x i t yf r o ma ne x p o n e n t i a lf u n c t i o no fv a r i a b l e st oap o l y n o m i a lo n e c o m p a r e dw i t h c u r r e n ts u b o p t i m a la l l o c a t i o ns c h e m e s ，t h ep r o p o s e do n ec a na c h i e v eb e t t e rp e r f o r - m a l i c ew i t ht h es a l t l ec o m p l e x i t y f m t h e r m o r e ，t of i n dab e t t e ri n i t i a lb f s ，p r o p o s e d a ni n i t i a lb f ss e a r c h i n ga l g o r i t h mi ns o l v i n gt h el i n e a rp r o g r a m m i n gp r o b l e mt of u r t h e rr e d u c et h et i m ec o m p l e x i t y ( 4 ) p r o p o s e daj o i n tp o w e ra n ds n b c a r r i e r sa l l o c a t i o ns c h e m ea n daj o i n tp o w e r b i t s a n ds u b c a r r i e r sa l l o c a t i o ns c h e m ei nc l u s t e r e ds y s t e mm o d e l s c o m p a r e dw i t ht h o s e o fan o n c l u s t e r e ds y s t e m ，t h e i rc o m p l e x i t yc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e di na l l o c a t i n g s u b c a r r i e r s ，b i t sa n dp o w e rw h i l et h ep e r f o r m a n c eo n l yh a sv e r yl i m i t e dl o s s t h e p r o p o s e ds c h e m ea l s oo u t p e r f o r m so t h e rs c h e m e sf o rc l u s t e r e ds y s t e mm o d e l s k e yw o r d s ：u l t r aw i d e b a n d ；m u l t i b a n do f d m ；w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ；m u l t i u s e r ；d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n ；m u l t i m e d i a 第i v 页 中国科学技术大学博士学位论文插图目录 插图目录 1 - 1i r 系统的频谱利用率 1 - 2m b o f d m 系统的频谱利用率 1 - 3m b o f d mb a n dg r o u p 鞋1 2 - 1 包含动态资源分配模块的o f d m 系统框图 2 2w a t e rf i l l i n g 算法示意图 3 - 1 只包含b a n dg r o u p 器1 的t f cm b o f d m 系统示意图 3 - 2 当自变量取值范围大于3 d b 对q 函数的上边界函数 3 - 3 所提算法与直接通过单个副载波c s l 分配的性能比较 3 _ 4 任意初始b f s 与更好的初始b f s 对算法运算性能的影响 4 - 1 分簇m b o f d m 系统，其中共有q 个子带， 每个子带中有l 个簇，而每个簇中又有m 个副载波 4 - 2 多用户分簇m b o f d m 系统示意图 4 - 3 不同的簇大小对算法运算复杂度的影响 4 - 4 不同的簇大小对系统性能的影响 4 - 5 不同的用户个数对系统性能的影响 4 - 6 与等簇s n r 分配方案的系统性能比较 5 一1 分簇大小对系统性能的影响 5 - 2 与l i a n g 所提出的分配方案的性能比较 第v i i 页 5 5 6 博如 凹蛇鸲 们盯乱眈甜 蔼” 多媒体通信中多带u w b 剥s 态资源分配研究表格目录 表格目录 1 - 1u w b 室内和手持设备通信应用应满足的p s d 1 - 2m b o f d m 系统各频带频率参数 1 - 3m b o f d m 系统不同速率下主要设计参数 1 - 4 四种u w b 信道模型的参数( 采样间隔为1 6 7 p s ) 3 - 1 所提算法解与g a m s 所求的解之间的比较 4 - 1 几种典型情况下的算法运行时间 第v i i i 页 3 7 8 1 0 4 1 6 1 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 近年来，超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 技术由于可以在功耗很低的情况下，产 生极宽带宽的信号，已经吸引了人们越来越多的注意力。特别是在美国联邦通信委员会 ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 把u w b 信号的定义从大于1 5 c h z 更改 为5 0 0 m h z ，并且把31 g h z 至1 0 6 g h z 这一频段作为u w b 信号的无执照( u n l i c e n s e d ) 频 段之后，u w b 技术已经成为了目前无线通信领域中一个非常热门的研究课题。 1 1 研究背景与意义 尽管u l t r aw i d e b a n d 这一名词于1 9 8 9 年由美国国防部发明，用于定义那些在工作 时1 0 d b 带宽至少为15 g h z ，或者分数带宽超过2 5 的设备，但是u w b 实际上并不是 一个全新的技术，它的演变和发展与人们对通信的带宽、质量等方面的需求密不可 分。u w b 信号的历史最早可以追溯到1 9 世纪末2 0 世纪初，那时人们对于如何通过无线 电波进行通信有着极大的好奇心。1 8 8 7 年，德国科学家h e i n r i c hh e r t z 通过实验发现了电 磁波，并且于1 8 9 3 年发明了第一台振荡器和共鸣器。1 8 9 4 年，意大利科学家g u g l i e l m o m a r c o n i 年l j 用h e r t z 的发现，发明了采用天线收发信号的无线电发射机，并分别子1 8 9 8 年 和1 9 0 1 年将无线电波成功地跨越了英吉利海峡和大西洋。在m a r c o n i 的实验中，所用的 信号形式就是冲激无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) ，即直接用无任何调制的信号进行信息传 输。尽管形式简单，却迈出了人类通信史上重要的一步。 随着无线电应用的目益增多，人们对无线通信的需求从简单的可以进行通信，逐渐 加入了对可靠性的要求。半导体技术的进步为满足这种需求提供了可能性，人们逐渐采 用了更为可靠的载波传输技术来进行通信。而i r 由于还具有功率谱密度( p o w e rs p e c t r a l d e n s i t y ，p s d ) 低和精确定位的特点，开始更多地用于军事领域中的监控和测距等方 面。特别是进入2 0 世纪6 0 年代之后，i r 开始作为一种主要的技术应用于军事雷达【2 “i ，时 至今日，超宽带雷达仍然在广泛应用中。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，随着数字技术的进一步发展，人类进入信息时代，传递 信息的媒体也已经从简单的文本和语音发展到图像、视频等多种形式，类 n d v d 播放 器、数字摄像机、数码相机、m p 3 播放器等娱乐设施迅速进入家庭。多媒体信号由于包 含了大量的信息，在为人类带来更多方便的同时，也给无线通信技术领域带来了更多的 第1 页 多媒体通信中多带u w b 动态资源分配研究51 2 国内外研究现状 挑战：因为在传输过程中需要的带宽大幅增加 资源分配、信号检测、接收等带来了更多问题。 宽带无线通信的可能性。 所以要求更高的带宽和传输速率，也为 这时，有人开始重新考虑把u w b 应用于 1 9 9 3 年，美国南加州大学的r o b e r tas c h o l t z 教授发表了一篇用时间跳变 ( t i m eh o p p i n g ，t h ) 冲激无线电实现多用户接入的会议论文”7 ，为实现这种可 能性迈出了第一步。但是，由于频谱资源是有限的，且大部分可用频段已经 被g p s 、w l a n 、g s m 、c d m a 等商业通信系统所占用，贸然布署u w b 系统极有可 能会对现有系统产生于扰。为了更有效地利用频谱资源，并且减少对现有系统所产生的 干扰，f c c 专门划分了测试频段，供科研机构、公司以及军方进行u w b 在商业或者军 事应用方面的测试。在美国国家电讯信息管理局( n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o na d m i n i s t r a t i o n ，n t i a ) 以及一些公司对u w b 信号的干扰特性进行了大量实 地测试之后”j ，f c c 综合考虑了各方面的因素，于2 0 0 2 年发布f i r s tr e p o r t & o r d e r ( 1 s t r & o ) ”1 ，定义了u w b 的无执照工作频段、信号特征以及发射p s d 。这让通信专家们 不再只把u w b 简单的视为i r ，而是将它看作一种可以应用各种无线技术、有标准可遵 守的可用频段，并且引发了对低功耗高速无线应用的空前研究热情。在这种情况下， 对u w b 的相关技术展开研究，对于把握无线通信领域的新动向，以及促进国民经济的发 展，都将具有重要的意义。 1 2 国r x j 、研究现状 在f c c 发布1 s tr & o 之前，以及刚发布之后不久的一段时间，针对u w b 无线通信的 研究主要集中于i r 。这期间，r o b e r tas c h o l t z 和他的学生对i r 进行了大量的研究工作， 包括建立理论模型，提出多用户接入的方案，提取室内信道模型特征，进行信号同步， 以及实际测量等9 。其它的一些大学、研究所和公司等机构也先后研究t i r 对其它已有 商业系统的干扰，信号波形的设计，用户码的设计，低功耗发射器的设计等4 。3 。i e e e j o u r n a lo ns e l e c t e da r e a si nc o m m u n i c a t i o n s 于2 0 0 2 年1 2 月出版了一期专刊，用于刊登当 时u w b 最新的研究成果。 国内对u w b 研究的起步较晚，但目前已经有清华大学、东南大学、中国科学技术 大学、北京邮电大学等多家单位开展了研究9 ”1 ，研究内容也多集中于i r 相关的技术问 题。 尽管i r 形式简单，并且成功地应用于中低速率系统( 目前已经与c h i r ps p r e a d 第2 页 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 s p e c t r u m 信号共同成为i e e e8 0 21 54 a 的两个物理层标准”) ，但是因为信号本身限 制，难以用于高速率系统”。而目前在个人设备中应用广泛的u s b 2 0 标准，其接口速 率为4 8 0 m b s ，若u w b 系统要实现成功布署，就很难不考虑支持相应的无线设备。此 外，i r - f 言- 号对于频谱的利用率不高，这也阻止了它进一步获得广泛应用。 而在f c c 发布了1 s tr & o 之后，对u w b 信号的限制大为放宽，u w b 信号的定义从分 数带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 不小于02 5 或者1 0 d b 带宽不小于15 g h z 改为分数带宽不 小于02 或者一1 0 d b 带宽不小于5 0 0 m h z 。u w b 信号的分数带宽的定义为 u h 一| 心 吣h + l ) 2 其中，厶一 为信号的带宽，( 局+ 几) 2 为信号的中心频率。f c c 还定义t u w b 在几种 可能应用中应该满足的p s d ，其中室内无线通信和手持设备应用的定义如表1 。1 所示。符 合这一定义的u w b 信号，因为p s d 已经足够低，所以很难对其它现有商业服务系统产生 干扰。例如，蜂窝移动通信系统的发射p s d 通常会高达3 0 d b m ，这比u w b 设备允许的最 高发射功率足足高了1 0 7 倍。 表1 - 1u w b 室内和手持设备通信应用应满足的p s d 频段( m h z )室内应用( d b m )手持设各应用( d b m ) 一4 13 7 53 6 3 3 6 1 3 4 1 3 6 1 3 6 1 3 6 1 3 1 s tr & o 的发布，使u w b 信号也可以采用i r 之外的其它形式，并且使u w b 可以在无 线通信、网络、雷达成像以及定位系统等领域中获得更多的应用”。在众多应用中，针 对近距离高速通信的无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 9 尤为引 人注目。 如前所述，目前多媒体技术的发展使家庭娱乐网络成为很有潜力的一个研究方 向。而w p a n 这一概念就是i e e e 考虑到无线多媒体信息传输的需求大部分集中于家 庭、办公室等近距离范围之后所提出的，它重点解决的问题是实现m p 3 播放器、打 印机、p c 机、d v d 播放机等消费电子和通信设备之间的近距离无线连接和高速通 第3 页 3 3 3 3 3 3 3 3 ：寻舶彤埘m埘埘埘赫悉瓮 多媒体通信中多带u w b 动态资源分配研究1 2 国内外研究现状 信。i e e e 还为之成立了专门的8 0 21 5 2 1 2 作组( w o r k i n gg r o u p ) ，用于解决w p a n 实现中 的一些具体技术问题，以及制订相应的标准。最初采用蓝牙技术进行传输，但目前蓝 牙的传输速率只有7 2 3 2 k b p s ”“，即使是将来做出一些改进，也远远不能满足多媒体应用 的需求。如果单纯从速率的角度来讲，同一时期出现的众多i e e e8 0 21 l 系列w l a n 标 准，如8 0 2 1 l a 、8 0 21 l b 、8 0 2 1 1 9 等，最高速率也可以达到5 5 m b p s 。但是，作为个人消 费电子器件来讲，除了速率之外，还有低功耗和低成本的要求，而w l a n 标准中的技术 主要面向于更远距离的无线网络，而且相应的设备并未把功耗和成本作为必要的考虑 因素。此外，在机场、会场、讲堂等这些对带宽需求量很大的地方，w l a n 的空间容 量( s p a t i a lc a p a c i t y ) 显得捉襟见肘”。因此后来又成立了8 0 21 53 a 9 3 】和8 0 21 5 4 a “7 1 工作 组，分别致力于更高速和中低速率的应用解决方案。 针对i e e e8 0 2 1 53 a 所提出的要求，多家公司和科研机构很快提出了两类候选方案 ( m e r g e dp r o p o s m 拌1 和m e r g e dp r o p o s a l 群2 ) ，分别基于o f d 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 nm u l t i p l e x i n g )( 以s t a c c a t oc o m m u n i c a t i o n s 公司和t e x a si n s t r u m e n t s 公司为代 表) 和d i r e c ts e q u e n c e 技术( 以x t r e m es p e c t r u m 公司为代表，现已被m o t o r o l a 公司收 购) ，但均根据u w b 系统的特点做了改进，称为m u l t i b a n do f d m ( m b o f d m ，即 多带u w b ) ”5 j 和d s u w b 9 。按照i e e e8 0 2 1 5 3 a 最初的设想，最终只有一种提案能够 被保留下来，不过由于受到商业利益等诸多因素的影响，使标准制订的进度一拖再 拖，支持m b o f d m 的一方更是成立了一个联盟组织m b o a ( m b o f d ma l l i a n c e ) 。 在前几轮投票中，m b o a 一方均取得领先，但是根据i e e e 制订标准的d o w ns e l e c t i o n p r o c e d u r e ，领先的优势还不足以淘汰另方。2 0 0 3 年i 1 月，提出d s u w b 提案的x t r e m e s p e c t r u m 公司被m o t o r o l a 收购之后，情况发生了一些改变，在2 0 0 4 年7 月的投票中首次 以微弱的优势取得领先。期间，d s u w b 一方也试图提出一种让两种提案共存的解决 方案，即通用信令模式( c o m m o ns i g n a l i n gm o d e ，c s m j ”“，但m b o a 一方并没有接 受。由于双方各执已见，且难以调和、取舍，i e e e8 0 21 53 a 工作组进入非活动状态， 让两种方案继续共存。目前该工作组还没有新的计划。 尽管m b o f d m 作为一种标准的提案被提出，但是目前已经吸引了不少研究者的注 意力，这主要是由于在多媒体应用中m b o f d m 系统相对i r 系统拥有以下几个明显的优 点： 比i r 信号的频谱利用率更高。目前i r 中采用最多的信号形式是高斯脉冲或者其一、 二阶导数，然而在整个u w b 无执照频段中，任何一种形式的信号形式频谱利用率都 比较低。而m b o f d m 系统在整个频段范围内的发射功率都差不多。从图1 1 和图1 - 2 第4 页 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 ( 来自文献 5 7 】) 可以很明显地看出两种系统的频谱利用率的差异，其中横坐标代表 频率( g h z ) ，纵坐标代表归一化后的功率幅度值。 图i - 1i r 系统的频谱利用率 图1 - 2m b o f d m 系统的频谱利用率 在高度色散( d i s p e r s i v e ) 的信道中，与同样带宽的i r 设备相比，基于o f d m 的收发 设备可以更有效地捕获多径( m u l t i p a t h ) 。 在频谱使用和规划方面具有更好的灵活性。这点在目前来讲是非常重要的，因 为u w b 的频谱规划尚未完全定型，而m b o f d m 系统可以通过有选择性地使用部分 频带来有效避免对8 0 2 1 l 等某些特定频段的干扰。 在m b o f d m 系统中，信息处理可以在比整个频段小的多的范围内( 最t j 、5 0 0 m h z 多 一点) 进行，这能够有效地减少相应器件的功耗，以及降低成本。 就目前来看，为了把u w b 技术推向实用，研发过程中需要解决一系列限制系统容 量、吞吐量、b e r ( b i te r r o rr a t e ) 等性能的关键问题，这些问题主要包括| 5 “”1 ： 时间、频率与相位的同步； 在严重的频率选择性信道中实现可靠的传输； 实现多用户接入，同时满足低复杂度的限制； 最小化对已有系统的干扰，以及对其它u w b 系统的干扰。 为了解决这些问题，需要在载波频偏( c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t ，c f o ) 估计、信道估 计与均衡、多用户检测、高速低功耗器件实现、干扰抵消、动态资源分配等方面开展 工作。其中，u w b 信道模型已经于2 0 0 3 年n i e e e8 0 21 5s g 3 a ( s t u d yg r o u p ) 确立了标 准，本文将在本章后续节( 1 3 2 ) 进行介绍。而针对m b o f d m 其它方面的一些研究工 作也已经开展”“”1 。 第5 页 一縻溺蘸一蘸豳縻麟戮圈蘸一隧麟黼銎匿縻蒸麟圈麓圜囊围幽渤蒸_|蘸壤隧慧 雕一 戮黼 多媒体通信中多带u w b 动态资源分配研究 1 3m b - o f d m 系统基础 本文将重点对m b o f d m 系统的资源分配与优化问题展开研究。尽管针对传 统o f d m 系统的资源分配与优化问题已经有了比较多的研究，但现有的讨论多集中 在低速系统，而且对发射功率的考虑并不是非常严格。而m b o f d m 系统在速率和功率 方面均做了比较严格的限制，在这个前提下，非常有必要对如何进行高效、复杂度较低 的资源分配进行研究。在对本文主要工作进行论述之前，先介绍一下m b o f d m 系统的 基本理论，并在下一章介绍目前为止针对传统o f d m 系统所进行的资源分配。 1 3 m b o f d m 系统基础 1 3 1 m b o f d m 系统模型 m b o f d m 系统是在传统o f d m 系统基础上提出的，它先把1 2 8 个副载波( s u b c a r r i e r ) 通过q p s k 调制为一个带宽为5 2 8 m h z 的频带( f r e q u e n c yb a n d ，又称为子带) ， 然后通过时频码( t i m e f r e q u e n c yc o d e ，t f c ) 把三个不同频带的数据进行交织( 这 样的三个频带也称为一个b a n dg r o u p ) 。在这1 2 8 个副载波中，只有1 2 2 个副载波是有数 据的，另外6 个用于补齐，使总的副载波个数为2 的整数 次方，以便于用f f t 实现( 实际上是用i f f t 实现的) 。 在这1 2 2 个副载波中，1 0 0 个用于数据，1 2 个用于导频 ( p i l o tt o n e ) ，其余的用于保护音频( g u a r dt o n e ) 。 整个系统共有4 个包含3 个频带的b a n dg r o u p 和i 个包含2 个频带的b a n dg r o u p ，它们的频率参数如表l 一2 所示。其 图1 - 3 ：m 8 一o f d m6 3 “。g r o u p 社1 b a n dg r o u p 群l ( 即最低的3 个频段) 如图1 - 3 所示。现阶段开发的设备必须支持b a n d g r o u p 券l ，其它的几个b a n dg r o u p 可以在以后阶段再进行扩展。 m b o f d m 射频发射信号可以通过一个复基带信号来表示： r 。，c t ，= r e 蓑r tc t m 7 j r m ) e x p ( j 2 ，r f k t ) ) ( t ) = 靠( t 一瓦r ik = 0j 其中r e ( ) 代表复变量的实部，t k ( t ) 是第女个o f d m 码元的复基带信号，并且在。至孔，。范 围内是非零的，是o f d m 码元的个数，b y m 是码元间隔， 是第k 个子带的中心频率。 第6 页 表1 - 2m b o f d m 系统各频带频率参数 b a n dg r o u p频带标识最低频率( m h z ) 中心频率( m h z j最高频率( m h z ) 13 1 6 83 4 3 23 6 9 6 123 6 9 63 9 6 04 2 2 4 3 4 2 2 44 4 8 84 7 5 2 44 7 5 25 0 2 65 2 8 0 255 2 8 05 5 4 45 8 0 8 6 5 8 0 86 0 7 26 3 3 6 76 3 3 6 6 6 0 06 8 6 4 38 6 8 6 47 1 2 87 3 9 2 97 3 9 27 6 5 67 9 2 0 1 07 9 2 08 1 8 48 4 4 8 41 18 4 4 8 8 7 1 28 9 7 6 1 2 8 9 7 69 2 4 09 5 0 4 1 39 5 0 4 9 7 6 81 0 0 3 2 5 1 41 0 0 3 21 0 2 9 61 0 5 6 0 州归卜铀专m 卜驯川耳豢t 篡 o , t o p 怕。 多媒体通信中多带u w b 动态资源分配研究5 1 3m b - o f d m 系统基础 码元( s y m b 0 1 ) 长度：3 1 25 n s 。 因此，m b o f d m 系统在信道中的传输速率( 无编码速率) 为 1 砸赢2 。6 4 0 m 8 其中2 代表q p s k 方式下每个码元的信息量为2 比特。m b o f d m 系统对不同速率的支持 是通过改变码率( c o d i n gr a t e ) 、时域扩展因子和频域扩展因子来实现的。不同速率所 需要的码率是通过对一种标准卷积码进行打孔( p u n c t u r i n g ) 获得”“，该标准卷积码的 码率为1 3 ，约束长度为7 ，生成多项式的八进制形式为( 1 3 3 ，1 4 5 ，1 7 5 ) 。时域扩展即把包 含相同信息的码元在相邻的时间间隔内重复传送。而频域扩展对输入数据进行i f f t 变 换时，使一半的数据成为另一半数据的共轭，这样可以保证i f f t 的输出数据总是实 的。几种与速率相关的系统设计参数如表1 3 所示，其中k 代表约束长度，频域扩展或 时域扩展因子为1 时代表未采用相应的扩展。而针对不同的传输速率，链路预算( 1 i n k b u d g e t ) 和理想的最大传输距离也不相同。对于工作在1 1 0 m b s 的u w b 设备来讲，其理 想的最大传输距离是l o m ，链路预算为6 d b ；而2 0 0 m b s 和4 8 0 m b s 情况下对应的值分别 为4 m 、1 0 7 d b 和2 m 、1 2 2 d b 。 表1 - 3m b o f d m 系统不同速率下主要设计参数 数据速率( m b s ) 5 58 01 1 01 6 02 0 03 2 04 8 0 码率( k = 7 ) 1 1 3 21 21 1 3 21 25 81 2 3 4 频域扩展 1 21 2 1l111 时域扩展 1 2 l 2 1 2 1 2 1 2 11 为了对u w b 系统及其相应的算法进行设计和实验，需要对u w b 系统的信道模型进 行一些了解。 1 3 2m b o f d m 系统信道模型 u w b 的信道模型是在s a l e h v a l e n z u e l a n g 内模型”2 i 的基础上经少许修改而得到的。 与一般的无线信道模型不同，该模型对多径增益的幅度采用了对数正态分布而不 是r a y l e i g h 分布，所有的多径信号被分为c l u s t e r n r a y ，其中一个c l u s t e r c i 包含了多 个r a y ，每个r a y 就是一条实际的单径分量。因此，多径模型由下列离散时间冲激响 应组成 lk h 。( t ) = 五a ：，。5 ( t 一耳一吒，。) j = 0k = 0 第8 页 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 其中( q ；j 是多径增益系数， 刁) 是第z 个c l u s t e r 的延时， 1 0 p ( 亿，f1 1 k 1 ) ，f ) = ae x p 【_ a ( n ，f 一1 一1 ) ，f ) 】，k 0 ，f = 仇f 6 风，f 2 0 l o gl o ( 6 风，f ) o fn o r m a l ( # “，盯：+ 口；) e 1 z 玩。i2 = q 。e 一丑7 r e “- 1 7 7 其中，n 。是第1 个c l u s t e r 的第l 径的平均能量，仇，t 等概率取+ 1 - l ，用于表示由于反射而g 起的信号反相。m 。由下式定义 1 0l n ( f 2 。) 一i o t , f 一1 0 7 ，f 7 m 厂 面可一 堕垡2 堕! ! 1 2 0 6 反映了与第f 个c l u s t e r 相关的衰减，凤，l 对应于第f 个c l u s t e r 的第个r a y 的衰减。 经过实地测量，u w b 信道可以分为四种不同的类型： c m l ( c h a n n e lm o d e l1 ) ：对应于o - 4 米的l o s 信道； c m 2 ：对应于o _ 4 米的n l o s 信道； c m 3 ：对应于4 一i o 米的n l o s 信道： c m 4 ：对应于r m sd e l a ys p r e a d 为2 5 n s 的信道，该信道是n l o s 多径信道中的极端隋 况。 第9 页 多媒体通信中多带u w b 动态资源分配研究1 4 论文组织结构 表1 - 4 四种u w b 信道模型的参数( 采样间隔为1 6 7 p s ) t a r g e tc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s c m lc m 2c m 3c m 4 m e a ne x c e s sd e l a y ( n s ) ( ) 5 0 51 0 3 81 4 1 8 r m sd e l a y ( n s ) ( t t )52 880 31 4 2 82 25 n u m e ro fp a t h ( n p l o d s )3 5 n p ( 8 5 ) 2 43 616 1 5 4 m o d e lp a r a m e t e r s a ( 1 n s l o 0 2 3 30 4o0 6 6 7o0 6 6 7 a ( 1 n s 、 2 50