（电路与系统专业论文）下一代移动通信中资源分配策略研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

j e 瘟鲣电盍堂盛堂位i 金奎 垴噩 摘要 第四代移动通信系统是目前的一个研究热点。由于o f d m 在高速传输和抵 抗多径衰落等方面具有很多优点，所以日前第四代的研究多以o f d m 作为无线 接入技术。而o f d m a 作为一种接入技术，得到了更多的关注。在o f d m a 基 础上的资源分配正在第四代移动通信系统研究的。个热点话题。资源分配算法既 要考虑无线信道的有效利用还要考虑q o s 要求和公平性问题。然而在o f d m a 系统中，满足这些要求并非易事。需要将物理层到网络层的信息都综合在一起， 才能得到较好的效果。本论文详细阐述了基于o f d m a 系统的资源分配的原理和 方法，并针对不同的环境提出了在保证q o s 的前提下进行资源分配的算法。 本论文以资源分配为主线，研究了单基站系统和多基站系统的资源分配策 略，在单基站系统中，针对于上行链路和下行链路的功率约束条件不同时资源分 配的策略。 归纳起来，本文研究的内容主要包括以下几个方面： 首先，阐明了下一代移动通信系统的资源管理需求，对当前资源分配的主流 方法进行了回顾。总结出了基于o f d m 系统的资源分配的系统模型和分析方法。 针对于o f d m 物理层不需要自适应调制的情况，提出了根据q o s 要求进行 o f d m 系统资源分配的方法，算法能够根据数据的排队延迟动态分配子载波， 使得多个用户之间能够很好利用有限的无线资源，同时满足各自的q o s 要求。 本文在研究单小区上行链路的资源分配策略的基础上，提出了一个根据q o s 调整发射功率的动态子载波分配算法一功率控制动态子波分析算法 ( p c d s a ) 。算法的基本思想是根据用户的获得的服务和期望的服务之间的差距 来调整资源的分配。根据上行链路的资源主要是受限于终端的最大发射功率这一 特性，算法通过动态调整终端的发射功率来提高传输速率和补偿信道的衰落。 本文提出一个单小区下行链路的资源分配算法延迟加权动态子载波分配 算法( d w d s a ) ，算法考虑了用户之间的资源的有效利用，并考虑了用户的排 队延迟和资源的利用效用。 j e 直蛆虫太堂熊土堂位监空拉噩 本文研究了o f d m a 系统单频网的多基站切换问题，对基于s s d t 分集方式 和基于s t t d 分集方式的切换的性能进行了比较分析。 本文研究了多基站的资源分配问题，并提出了多基站效用最大化资源分配算 法。算法在多基站的情况下，多个基站之问的资源可以动态分配给个用户，使 得所有的基站和所有的用户之间的资源分配能够达到最佳。 本文的最后给全文做出了总结，并指出了今后的发展和研究方向。 关键词：o f d m a ，p c d s a ，d w d s a ，分组调度，无线资源管理( r r m ) u j e 直鲤电盔堂避土堂位垃窑5 l 【a 主 a b s t r a c t t h e4 t h g e n e r a t i o n m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ni s ar e s e a r c h h o t - t o p i c i nt h e c o m m u n i t y a sm a n ya d v a n t a g e s ，o f d m i st h ew e l l d i s c u s s e da i ri n t e r f a c e t e c h n o l o g yf o rt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a sa na c c e s sm e c h a n i s m , o f d m ai sw e l ls t u d i e d a n dr e s o u r c e sa l l o c a t i o ni nt h eo f d m a s y s t e mi s a l s oa h o t - t o p i c t h er e s o u r c e sa l l o c a t i o na l g o r i t h ms h o u l dt a k et h eu t i l i t yo ft h ec h a n n e l ， q o sr e q u i r e m e n t sa n df a i r n e s si n t oa c c o u n t h o w e v e r , i nt h eo f d m a s y s t e m s ，i ti s n o te a s yt os a t i s f yt h o s er e q u i r e m e n t s ，t oa c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c e ，c r o s sl a y e r ，s a y f r o mp h y s i c a l l a y e rt on e t w o r kl a y e r , s h o u l db ec o n s i d e r e ds i m u l t a n e o u s l y i nt h i s p a p e r ，t h ep r i n c i p l e sa n ds t r a t e g i e sa r ew e l ld i s c u s s e d ，a n ds e v e r a lr e s o t l r c e sa l l o c a t i o n a l g o r i t h ma r ep r o p o s e df o rd i f f e r e n ts i t u a t i o n a sac u ei nt h i sp a p e r ，t h er e s o u r c e sa l l o c a t i o n s t r a t e g i e sf o rs i n g l e b a s e s t a t i o u a n dm u l t i p l eb a s e s t a t i o n sa r es t u d i e d a n di nt h es i n g l eb a s e s t a t i o ns y s t e ms i t u a t i o n ， s t r a t e g i e s a r e p r o p o s e d f o r u p l i n ka n dd o w n l i n ka c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp o w e r c o n s t r a i n t s t os u m m a r y ，t h ec o n t e n t so ft h ep a p e ri n c l u d e sf o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y ，t h er e q u i r e m e n t so ft h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sr e s o u r c e sm a n a g e m e n t s a r ei n t r o d u c e da n ds e v e r a lm a i nm e t h o d sa r er e v i e w e d b a s e do nt h eo f d m s y s t e m t h es y s t e mm o d e la n da n a l y s i sm e t h o da r ea c h i e v e d o nt h ec a s eo fo f d mp h y s i c a l l a y e rt h a t n e e dn o t a d a p t i v em o d u l a t i o n ，a n a l g o r i t h m i s p r o p o s e d t oa l l o c a t er e s o u r c e st ot h ed i f f e r e n tu s e r s t h ep r o p o s e d a l g o r i t h ma l l o c a t e ss u b c a r r i e r sa c c o r d i n gt ot h ed a t aq u e u i n gd e l a y 幻w e l lu t i l i z et h e r e s o u r c e sa m o n gt h eu s e r sa n da tt h es a m et i m es a t i s f yt h eu s e r sq o s r e q u i r e m e n t w h e no n eb a s e s t a t i o ni s c o n s i d e r e d ，a n a l g o r i t h m n a m e d p o w e rc o n t r o l d y n a m i cs u b c a r r i e ra l l o c a t i o n - p c d s a ”i sp r o p o s e d t h ei d e ao ft h er e s o u r c e s a l l o c a t i o ni sb a s e do nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es e r v i c e sa c h i e v e da n dt h es e r v i c e s e x p e c t e d s i n c e t h em a i nc o n s t r a i n to nt h e u p l i n k i st h et e r m i n a l sm a x i m u m t r a n s m i t t i n gp o w e r ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h ma d j u s t st h eu s e rt r a n s m i t t i n gp o w e rt o i n c r e a s et h ed a t ar a t ea n dc o m p e n s a t et h ec h a n n e l f a d i n g j 峦邮电盘坐涟坐位论奎 一一幽扛墼l a na 1 2 0 r i t h m f o r s i n g l e c e l ld o w n l i n kr e s o u r c e sa l l o c a t i o n ，c a l l e d “d e l a y w e i g h t e dd y n a m i c s u b c a r r i e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m i s p r o p o s e d t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mt a k e st h er e s o u r c e su t i l i t ya m o n g u s e r si n t oa c c o u n t a n dt h eq u e u i n gd e l a y i sa l s oc o n s i d e r e d t h ei s s l i e so fh a n d o v e ra r es t u d i e df o rt h em u l t i p l eb a s e s t a t i o ns i n g l e f r e q u e n c y o f d m an e t w o r k t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n b e t w e e ns s d ta n ds t t dd i v e r s i t i e s i sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r t h ei s s u e so nt h em u l t i p l eb a s e s t a t i o nr e s o u r c e sa l l o c a t i o na r es t u d i e d an o v e l a l g o r i t h mi sp r o p o s e d t om a x i m i z et h er e s o u r c e su t i l i t y ac o n c l u s i o ni so b t a i n e da tt h ee n do f t h ep a p e r ，a n dt h ef u t u r es t u d yd i r e c t i o n sa r e p o i n t e d o u t k e y w o r d s ：o f d m a ，p c d s a ，d w d s a ，p a c k e ts c h e d u l i n g ，r a d i or e s o u r c e s m a n a g e m e n t ( r r m ) 1 1 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，沦文中不 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 何贡献均己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 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 导师签名： i a 么 一肾 日期：兰! 弓 日期： 第一部分o f d m 资源分配技术概述 第一章绪论 第二章0 f d m 资源分配算法的研究方 第一章绪论 移动通信用户的增长远远超过了人们的预期，其业务也从面向语音通信转变 为面向多媒体数据通信。人们期望未来的无线便携终端数量会超过目前计算机联 网的数量。第四代移动通信( 4 g ) 或者称为后3 g ( b 3 g ) 就是面向多媒体无线 通信的重要一步。国际电信联盟( i t u ) 规划了第四代移动通信的开发进度，预 计在2 0 1 0 年能够商用。按照i t u r 的设想，从当前存在的无线接入网平稳、平 滑地演进是4 g 的一个主要特征。i t u r 进一步期望能够开发出新的无线接入技 术，具有自适应接口能力的高速数据传输无线接口。这两个方面使得用户不必关 心在某一个位置和时间所采用的技术，但是能够得到最好的服务。概括讲，第四 代移动通信系统的开发包括两个方面：一个是对现存无线网的集成和融合，另一 个是开发新的无线接口技术。 针对4 g 的网络特征，无线资源管理包括两个方面，一个是面向集成和融合 不同接入技术的综合无线接入网络的资源管理，如异质网络之间切换等；另一个 是面向新型无线接口的资源管理。无线资源管理涉及到很多方面，如：资源分配、 接入控制、移动性管理、分组调度、资源分配、拥塞控制等等。 作为无线资源管理的一个重要组成部分，资源分配算法是本文的研究重点。 本文研究了单小区下多用户资源分配算法和多小区、多用户情况下的资源分配算 法。因为在下一代移动通信的研究中，o f d m 技术是比较好的选择，所以本文 的研究基于o f d m 系统。 1 1 面向4 g 的无线资源管理概述 1 1 14 g 的无线接入技术 第四代移动通信新的空中接口的工作频点一般在5 g h z 这个频段。为了达到 比较高的吞吐率，无线接口的信号频率宽度在2 0 m h z 1 0 0 m h z 。在这样的带宽 j e 立虹电太堂簋坐焦逾毫 绮 j 金 中，其衰落特性是在频率和时间上都有衰落的二维衰落信道。所以在4 g 的研究 中，首先关注的是无线信道的特征。 在4 g 的研究中，很多研究人员都在重点研究新的无线接口技术，其中采用 o f d m 技术的无线接口得到了广泛的重视。o f d m 技术将频带划分成若干个子 波，对每个子波可以进行独立的调制和解调。由于每个子波带宽很窄，其符号周 期较长。同时在调制中增加循环前缀，能够消除由于多径等原因引起的延迟扩展， 因此o f d m 适合于高速数据通信。o f d m 很容易和频分、时分和码分复用方式 相结合，产生不同的多址方式和资源划分方法。图1 1 给出了o f d m 的在不同 复用方式中的资源结构。不同于以前的接入系统，o f d m 系统的资源划分是一 个多维结构( 时间、频率、码字等) 。无线资源的划分的灵活性能够使系统可以 根据用户的位置和状态信息进行最佳的资源分配。 图1 1o f d m 系统的资源分配 1 1 2o f d m 系统的无线资源管理 o f d m 系统的资源管理是目前学术界研究的热点话题。图1 2 给出了不同的 层面下资源管理的目标和相关的因素。如果在资源管理过程中将不同层面的因素 考虑在一起，就是所谓“跨层自适应资源管理”。 网络结构的动态特性，业务的变化，不同网络的共存需要重新审视无线资源 管理在系统中的位置。这包括对所有的网络元素，从调制解调到m a c 和路由的 管理，从信源编码和调制到信源压缩的管理以及从链路级资源分配到网络层资源 分配的管理。这需要资源管理能够充分利用各个层面的信息，使网络工作在最优 状态。例如，在无线网络的网页的浏览应用中，在感知物理层的传输质量较差时， 可以通知应用层改变数据请求的数据量，从而避免从网络获取大量的数据而引起 网络拥塞。另一方面，如果一个应用能够通知底层在最近一段时间内期望的通信 量，网络就可以根据这个要求重新配置资源，或者合理地为该应用分配更多的资 源或者将剩余资源转移给其它有资源需求应用，从而达到资源的最佳利用。跨层 自适应资源管理目标在于提高通信网络的可用性和改善q o s 的支持能力，从而 更关注于无线资源对应用和物理传输信道的“自适应”能力。具体体现在对不同 的无线信道和不同的传输系统的资源调度上。 资源分配算法对应用的适应能 应用层 力，如：根据m p e g 视频的特点 决定传输能力。 跨 层 网络层 数据的传播延迟 自 适 丢包率 应 无 f 篓l 链路控制层 缓冲队列的深度： 线 i 荟 m a c p = - 各个业务流之间公平性； 资 数据的吞吐量 源 分 频谱效率 配 物理层 功率的消耗， 数据的误码率等 图1 2 分层模型与跨层自适应无线资源管理 在通信网络中的跨层自适应资源管理有几种形式。其中对无线信道自适应和 q o s 自适应是网络自适应管理的两个重要方面。通过信道自适应调度，使得网络 具有对根据传播环境的变化、业务条件和网络结构的变化具有适应能力。传统上， 采用了很多高级的信号处理技术来适应信道估计和信道状态跟踪。然而这技术只 用在物理层。在自适应无线资源管理中，高层应用可以与物理层一起共享这些信 息，从而提高链路的利用率和质量。q o s 自适应管理是指网络在多媒体通信中响 应不同的q o s 需求的能力，如对语音、数据、图像和网页等的业务的响应。提 供端到端的q o s 保证要求在所有网络层面考察q o s 自适应性。 1 2o f d m 系统的无线资源分配 o f d m 系统的与传统的无线接口技术相比较，o f d m 系统的资源划分的粒度 比较细，其资源的分配比较灵活。其资源在时间、频率和功率三个维度进行分配。 1 2 1 单用户o f d m 子载波和功率分配 这种子载波的分配算法最早用于x d s l 系统下的资源分配，其特点是在一个 传输信道中只有一个用户，通过对功率和子载波的合理分配使得系统的吞吐率最 大。 注水算法 1 2 【1 3 】 1 4 【1 - 5 】的基本思想是给信道条件好的子载波多分配 发射功率和数据比特，而对信道条件较差的子载波少分配或者根本不分配发射功 率和数据比特。注水算法是通过拉格朗日最优化算法得到的，它是最优的o f d m 或者多载波系统链路自适应算法，它能够使系统的频谱效率逼近s h a n n o n 界。 然而它的实现复杂度相当高，正因为这一点它一般很少被考虑用于无线高速数据 传输中。而且，注水算法默认每个子载波上所分配的比特数目为非整数，而相应 的调制方式是不可能存在的。 h u g h e s h a r t o g s 算法f 1 6 】是一种适用于o f d m 或者多载波系统的实用自 适应比特和功率分配算法，它最早被用在x d s l 有线系统的下行高速数据传输 中，近来也有研究人员尝试着将它用于无线通信系统。h u g h e s h a r t o g s 算法 是一种典型的基于迭代的连续比特和功率分配算法。它的优化准则是在保证目标 误码率的前提下，用给定的发射功率优化自适应系统的频谱效率。在该算法的每 一次迭代中，它仅仅只分配个比特，该比特分配给只需增加最少的发射功率就 能维持目标误码率的子载波。迭代式的分配过程往复循环进行，直至所有的发射 功率被分配完毕。h u g h e s h a r t o g s 算法的最大缺点是如果应用于在载波数较多 的o f d m 系统中，其实现复杂度高，实时性差。其高复杂度主要是来自于每次 迭代中所必须进行的比较操作，这种比较在所有子载波间进行。而且算法迭代的 数目等于所需分配的总比特数，这也造成了该算法实时性较差。对于高速无线通 信系统，h u g h e s - h a r t o g s 算法不经修改是无法使用的。 而且，h u g h e s h a r t o g s 算法无法事先决定自适应系统所采用的调制方式的 个数和种类，只有等到每个子载波上所分配的比特数被确定以后，才能决定这些 参数。这就造成了自适应o f d m 系统设计的灵活性较差。 为了减少自适应比特和功率分配算法中的迭代次数和每次迭代中复杂的t 4 序操作，c h o w 提出了一种新的链路自适应算法【1 8 】。c h o w 算法的复杂度较传 统的连续比特和功率分配算法有较大程度的降低。它的优化准则是在维持目标误 码率的前提下使系统的频谱效率达到最优。 与注水算法和h u g h e s h a r t o g s 算法相比，c h o w 算法的实现复杂度显著降 低，因为它不要求复杂的迭代运算和比较操作。而其性能与最优的注水相i ：l - i p 相 差无几【1 - 8 】。 f i s c h e r 算法【1 9 】目前被人们认为是最适合用在高速无线数据传输中的一 种基于o f d m 系统的自适应比特和功率分配算法。它的复杂度较c h o w 算法有 了进一步的降低，而且它的优化准则是在维持恒定传输速率和使用给定总发射功 率的前提下使系统的误码率性能达到最优。这一点是很大一部分无线通信系统所 期望的。f i s c h e r 算法给出了比特分配和功率分配的闭式解，所以f i s c h e r 算法 是目前己知的自适应比特和功率分配算法中复杂度最小，最适合无线高速数据传 输的一种实用算法。而且它的性能不但不差于c h o w 算法，在某些情况下性能还 更优。 1 2 2 多用户o f d m 子载波和功率分配 多用户注水算法【1 1 0 】的思想是利用多用户分集的优势。对于一个用户处于 深度衰落的信道，对于其他用户，这个信道可能并不是处于深度衰落。事实上， 对于所有用户都处于深度衰落的可能性很小，这是因为不同用户的信道参数是互 相独立的。因此多用户注水算法的思想是根据瞬时的信道信息，将子载波分配给 不同的用户。因为一个子载波只有当所有用户都处于衰落的情况下才会被丢弃不 用，所以这种算法可以保证所有的子载波都能够得到有效的利用。但是与单用户 注水算法相同，这种算法还需要比较复杂的迭代运算，所以复杂度比较高。多用 户注水算法先根据信道状况将各个子载波分配给用户，然后再象单用户注水算法 一样进行数据和功率的分配。 尽管后来很多人对多用户注水算法进行了优化，如【1 1 1 1 1 2 】【1 1 3 】，但是不 可否认的是，多用户注水算法是比较“短视”的。这是因为多用户注水算法虽然 充分利用了信道的分集特性，使得频谱利用率最高，但是它忽略了一个重要的因 素用户之间的公平性。也就是当用户处于小区中不同的位置时，距离基站比 较近的用户可能会独占所有的无线资源，而距离基站比较远的用户则无法得到服 务。 为了解决这一问题，【1 - 1 4 】分析了当缓冲区深度受限情况下的资源分配策略， 并提出了一个分配算法。算法的思想是根据排队模型进行优化资源的分配。算法 分为两个步骤：首先根据用户希望的q o s ( 分组丢失率) 要求、业务特征以及 所有信道的平均s n r 确定每个用户的业务信道的数量，然后通过针对吞吐率的 最大化贪婪算法确定具体的业务信道的分配。 【1 1 5 】提出了一个基于g p s ( g e n e r a lp r o c e s s o rs h a r i n g ) 的o f d m 子载 波分配算法动态g p s 调度算法( d g p s ) 。d g p s 算法同样利用o f d m 的 多用户分集增益，在保证所需要的误符号率的情况下，在异质业务之间保持公平 性，同时满足总发射功率受限的限制。 与上述算法不同，【1 - 1 6 提出一个基于效用函数最大化的资源分配算法。该 算法的思想是给定一个效用函数，分配资源使得效用函数最大。实际上，当效用 函数是对数时，算法是比例公平调度算法在多信道环境下的扩展。此时能够解决 用户的信道条件差别较大的时候的资源的调度问题，有效防止系统中信道质量比 较好的用户完全占用信道，而信道质量比较差的用户会处于“饥饿”状态。由于 这个算法在吞吐率和公平性之间做了较好的折衷，因此本文以这个算法为基础， 进行扩展增强。 本论文提出了几个新的资源分配算法，在保证高层应用的服务质量的基础上 兼顾资源的利用效用，使资源的分配更具有公平性，同时对不同服务质量要求的 应用具有更好的适应性。在多用户o f d m a 资源分配方面，本文提出的算法包括： 一固定调制o f d m a 系统资源分配算法； 一o f d m a 上行链路的功率控制动态子载波分配算法： 一o f d m a 下行链路的延迟加权动态子载波分配算法。 1 2 3 多小区网络的无线资源分配策略 多小区情况下的资源分配策略目前还没有比较理想的解决方法。针对于4 g 系统，可行的切换策略有两种：一种是利用基站选择性发射分集技术的无线切换 策略8 1 。这种策略利用多个基站共同为一个用户服务，但是在某一个时刻，只 有一个基站发射信号。这种策略的优点是基站之间的干扰较4 、；缺点是需要基站 的发射功率较高，系统的覆盖性能不如多基站同时发射、终端同时接收的切换方 式。另一种切换策略是基于多基站的同时发射的空时发射分集的无线切换策略 1 - 1 9 ，这种策略所有基站同时向某个用户发射信号，用户终端对所连接基站发射 的信号进行合并。这种方式需要相关基站协同工作，能够获得分集增益，但是， 由于多个基站同时发射信号，提高了整个系统的干扰，从而降低了系统的容量。 本文对o f d m a 系统在这两种切换方式下的性能进行了分析和比较。 由于基站以及用户之间干扰和冲突的存在，给多小区的基站资源分配带来很 多问题，如何在避免用户之间的干扰的同时提高系统的效用或者吞吐率是一个重 要的课题。这个课题也是本文的一个研究重点。本文提出了一个o f d m a 多小区 资源分配算法。 1 3 宽带无线传播环境 1 3 1 宽带无线通信信道特征 第四代移动通信的目标传输速率是几十m b p s ，甚至超过1 0 0 m b p s ：传输信 号带宽是1 0 m h z ，乃至上百m h z i 信号的载波频率也在高频段，其信号衰落较 大。因此传统的平坦衰落信道模型已经不能描述第四代移动通信的信道环境，需 要引入一种宽带非平坦信道模型。 在宽带非平坦信道中，常用广义平稳非相干散射( w s s u s ) 1 - 2 1 1 2 2 1 来描述 信道的传播特征。在w s s u s 信道中，信号的传播路径相互独立，其散射也是不 相关的，并且每个径具有独立的多普勒频移。按照m o n t ec a r l o 的w s s u s 无线 信道的描述方法，有，条径的无线信道在时间r 到t f 时刻输入信号的响应可以 表示为： 砸一：去芝c j ，r e j 2 t c d j e j t o p e j 2 c o , t 6 ( 一，) ( 1 刊 以) = 方萎 卜( 刊 其中，为经路径p 的信号的初始相位，岛为信号经路径p 的多普勒频移，r 。 为路径p 的延迟。 将时变冲击响应h ( t ，f ) 对f 做傅立叶变换，得到信道的传递函数： 毗厂) ：- - 石l 甚一2 哪p 叩一，。( 卜2 ) p2 f e 乒7 ( f ，厂) = 。；萎。2 4 7 唧p 一。2 ”7 7 9 ( 1 2 ) 其中传递函数的初始相角的分布符合【o ，2 厅) 的均匀分布；传播延迟的分布符 合负指数分布；多普勒频移的分布符合j a k e s 概率分布模型。 图1 - 3 和图1 - 4 分别给出了低速运动和高速运动时的信道响应图。 当随机信号比较多的时，根据中心极限定理，在n l o s 环境中，其幅度值为 瑞利分布： p ( 1 日1 ) ：i 尝e - 赫( 卜3 ) 图i - 3 慢速移动情况下的信道响应 ( 频率5 3 g h z ，移动速度为3 k m h ，延迟扩展8 0 0 n s ，时隙周期l m s ) 。 9 图1 - 4 快速移动情况下的信道响应 ( 频率5 3 g h z ，移动速度为5 0 k m h ，延迟扩展4 u s ，时隙周期l m s ) 。 1 3 2 宽带无线信道的大尺度衰落 在传播环境的研究中，有很多文献介绍宽带信道的信道特征，本文采用f 1 2 4 】 的5 3 g h z 室外衰落模型。该模型是通过( 1 - - 4 ) 来拟合的曲线。 p l ( a b ) = b + 1 0 n l o g l o d ( 1 - 4 ) 其中，参考距离d 。为1 米，h 为衰落指数，b 是半对数坐标的截断点，d 为发射 机和接收机之间的传播距离，单位为“米”。 表l 一1 给出了在城市环境中，有直射径( l o s ) 和无直射径( n l o s ) 的信 道参数，可以看出天线高度不同，其传播特性也不同。表1 2 给出了在郊区和远 郊的衰落参数。表1 - 3 给出了在不同环境下的延迟扩展情况。 表1 - 1 城市环境的路径损耗 表1 - 2 郊区和乡村的路径损耗 r 1 1 1 8 ls u b u r b a n m o d e l s i xh e ：i g h t ：5 5m l o s ：f r xh e i g h t ：5 呦，n l o s ： f t x h e i z h t1 2 m ) j ， lb f d b ls t d ( d b )nb ( d b )s t d ( d b ) l o s 3 3l2 1 8 3 72 5 3 8 0 4 9 n l o s5 9l - 2 7 81 9 3 42 5 6 2 8 表1 3 平均延迟扩展和均方延迟扩展 3 8( 4 ) m e t ne x c i d c l a yl o s4 2 f 1 2 ) 3 6 ( 5 ) 2 9 ( 5 5 ) ( n 幻 1 0 2f 翰 n l o s7 0 f 4 l 6 8n 2 1 4 4 ( 4 ) m e a nl 0 s4 l 0 2 )2 5( 5 ) 2 2 ( 5 5 ) 8 8( 4 5 1 n l o s “ “16 6( 1 舢 2 5( 4 ) p i n sd e l a y 卅o r e a d m e d i a n l o s 31(12)1 3( 5 ) 1 5( 5 5 ) ( n 曲 8 6 “5 ) n l 0 s 3 7 “)6 3f 1 2 ) 9 3( 4 ) c d fl o s6 4 1 2 ) 5 7( 5 ) 4 4 ( 5 5 ) 9 0 1 2 0 “5 l n l o s6 3 f 4 ) 1 0 5 f 1 2 ) 1 4o f d m 技术基本概念 在第四代移动通信系统的研究中，提出了诸多的物理层结构。进行无线资源 管理的研究时，需要有物理层的支撑。未来的无线通信系统的资源管理愈发复杂， 一般需要将物理层和m a c 层以至于更高层结合在一起进行综合考虑。这一部分 介绍o f d m 技术的基本原理，包括基于o f d m 物理层的调制和解调方法、双工 以及无线信道资源。 1 4 1o f d m 原理 正交频分复用( o f d m ) 是一种并行传输机制，这种机制将高速串行数据流 分成多个低速子流，每个子流单独调制到不同的子载波上( s u b c a r r i e r ) ，因此 每个子载波的带宽相对于信道的相干带宽是很小的。在传输中，可以认为每个子 载波的衰落都是平坦的。也就是说，每个子载波的符号周期远远长于无线信道的 延迟扩展。由于每个子载波频率是重叠的，所以选择合适的正交载波频率，可以 达到很高的频谱利用率，同时可以避免子载波之间的互相影响。为了提高子载波 的正交性，在符号之间加入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) ，可以在弥散信道中保持正 交性。 在数据的调制和解调中分别采用离散傅立叶逆变换( i d f t l 和离散傅立叶变 换( d f t ) ，这种信号处理算法能够代替调制器和解调器组。每个子载波信号的 调制方法可以是任何一种p s k 或者是q a m ，采用何种调制方式依照信源和信道 状况而定。i d f t 的时域输出采样点形成正交载波的个采样点。为了计算方便， 一般为2 的整数次幂，这样可以在调制和解调中使用高效的的快速傅立叶交换 算法( i f f t ；f f t ) 。 为了减小符号间干扰( i s i ) 和信遵间的干扰( i c i ) ，在两个调制符号之间 添加循环前缀做为保护间隔( g u a r di n t e r v a l ( g i ) ) ，保护间隔的长度要大于多径 传播信道的最大时延扩展。通过使用循环扩展，时间弥散多径信道就等效于循环 卷积。根据循环卷积的特性，多径信道的影响一定是发射的调制信号和信道传递 函数( 信道的冲激响应的傅立叶变换) 的逐点相乘，也就是说子载波具有正交性。 增加保护间隔的缺点是有效功率的损失，这是因为必须要为发射循环前缀增大发 射功率。由于无线信道存在频率选择性，部分载波会因为衰落导致信道质量变坏， 这可以通过动态子载波分配来克服。 o f d m 系统很容易和其他多种接入方式结合使用来构成o f d m a 系统，这些 接入方式包括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及o f d m t d m a 等。 o f d m 主要有两个缺点：一方面是易受频率偏差的影响，对多普勒频移比较 敏感，频率偏差会导致信道间正交性的破坏；另一方面，o f d m 信号的峰均比 比较大，对发射机的线性度要求比较高。 2 2 2o f d m 子载波调制和自适应调制 o f d m 的每个子载波可以独立选择调制方式，可以根据信道状况的不同选择 合适的调制方式：信道条件较好的情况下可以选择高阶调制，从而提高频谱利用 扯壶韭虫太堂熊堂焦论塞 绪监 率；在信道条件较差的时候可以选择低阶调制。 在频率选择性无线信道中，每个o f d m 子载波的衰落特性相互独立。因此 子载波之间的误码率特性是不同的：一些子载波严重失真因此产生较高的误码 率；而其他子载波有足够好的信道质量，能够采用高阶调制方法。因此o f d m 系统对每个载波独立调制会使b e r 性能有所改善。 图1 6 给出了o f d m 系统的调制和解调框图 l 唯f 肼罕 一意一 e ： 悱卧雕目汁鹫杀 图1 6 0 f d m 调制与解调 2 2 3o f d m a 多址技术 o f d m 除了可以作为一种调制方法外还可以很容易地与多种多址技术相结 合，为多个用户提供接入服务。图1 1 给出了o f d m 组合的资源结构图。一般 常用的接入方法包括多载波c d m a 方案和o f d m a 方案。 在o f d m a 方案中，采用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，这就等同于传统的f d m a 方法。图1 7 给出了o f d m a 系统的资源分 配图。0 f d m a 系统的每一个载波上的一个符号可以分配给任何一个用户，但是 一个符号只能分配给一个用户。 对于o f d m a 系统的分配，目前有两种主要的方法：一种方法是按照矩形方 式在时间和频率两个维度上进行划分，每个连接分配一个k x n 的矩形块，即每 个连接分配k 个连续的子载波，在每个子载波上分配n 个连续的符号。根据业 务的需求不同，子载波和符号的数量也不相同。最终的分配结果是在平面上划分 出多个大大j j , 4 , 的矩形。新近通过的i e e e 8 0 2 1 6 系统就是采用这种方法。另一 种方法是将资源在时间上和频率上进行等分，形成若干个资源单位( 称其为“子 信道”) ，再将这些单位分配给不同的用户。在衰落信道中，每个子信道可以单独 选择编码和调制方式。图1 7 给出了这种信道划分方法的示意图。在本论文中， 主要研究这种资源分配方法。 1 5 论文结构 图1 - - 7o f d m a 系统的资源划分 论文的选题主要来自于国家自然科学基金项目“新一代无线网络多媒体系 统、理论及其应用”( 课题编号；6 0 1 3 2 0 1 0 ) 。全文分为三个部分，第一部分介绍 o f d m 相关的基本概念和基本技术。分为三章：第一章是绪论；第二章介绍 o f d m a 资源分配算法的研究方法。 第二部分介绍单基站情况下的资源分配策略。分为三章：第三章介绍固定调 制方式下的保证延迟的子载波分配算法；第四章介绍功率控制动态子载波分配算 法；第五章介绍下行链路的时隙和功率分配算法。 第三部分介绍多基站网络的时隙和功率的分配算法。分为两章：第六章介绍 4 o f d m a 系统的切换机制以及各种机制的性能分析；第七章介绍在多小区环境中 的资源分配算法。 最后，对该领域的进一步研究进行了展望。 本章参考文献 【1 1 】b e r e z d i v i n r ：b r e i n i g r ：t o p p ，r ；“n e x t - g e n e r a t i o n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s c o n c e p t s a n d t e c h n o l o g i e s ”：i e e e c o m m u n i c a t i o n s m a g a z i n e v o l u m e ：4 0 ，i s s u e ：3 ，m a r c h2 0 0 2p a g e s ：1 0 8 - 116 【1 2 】c z e n g 。l m c h o oa n dj m c i o 衔，“o p t i m a lw a t e r - f i l l i n ga l g o r i t h m s f o rag a u s s i a nm u l t i a c c e s sc h a n n e lw i t h i n t e r s y m b o i i n t e r f e r e n c e ”i n p r o c e e d i n g so fl e e ei n t e r f e r e n c ec o n f e r e n c eo nc o m m u n i c a t i o n s i c c 2 0 0 1 v 0 1 8 ，p p 2 4 2 1 2 4 2 7 【1 3 】pv i s w a n a t h d n c t s ea n d 、，a n a n t h a r a m ， a s y m p t o t i c a l l yo p t i m a l w a t e r - f i l l i n g j nv e c t o rm u l t i p l e a c c e s sc h a n n e l s ”l e e et r a n s a c t i o n so n i n f o r m a t i o nt h e o r y , v 0 1 4 7 ，i s s u e ：1 ，p p 2 4 1 - 2 6 7 ，j a n 2 0 0 1 1 1 4 1r s c h e n ga n ds v e r d u ，“g a u s s i a nm u l t i a c c e s sc