（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）mimoofdm下行系統(tǒng)中資源分配算法的研究.pdf

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文 摘要 摘要 在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。 正交頻分復(fù)用技術(shù)( 0 f d m ) 通過將串行高速數(shù)據(jù)信號先轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流， 再使用相互正交的一組子載波構(gòu)成的子信道來傳輸各個子數(shù)據(jù)流，因為所有子信道都是 窄帶的，可以認(rèn)為在每個子信道中都是平坦的，從而減小了多徑衰落的影響。而多輸入 多輸出( m i m o ) 技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就 有效的增加了系統(tǒng)的容量。即由m i m o 提供的空間復(fù)用技術(shù)能夠在不增加系統(tǒng)帶寬的 情況下增加系統(tǒng)容量從而達到了提高頻譜效率的目的。這樣，如果我們將0 f d m 和 m i m o 兩種技術(shù)相結(jié)合，就能達到兩種效果：一種是系統(tǒng)很高的傳輸速率，另一種是很 強的可靠性。而自適應(yīng)資源分配在發(fā)送端根據(jù)信道狀態(tài)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 ) 來調(diào)節(jié)每個用戶在不同子載波上的發(fā)送功率和傳輸速率，能進一步提高系統(tǒng)性能。 本文主要考慮基于迫零波束成型的m i m o o f d m 系統(tǒng)中的資源分配算法的研究。 本文首先介紹了o f d m 系統(tǒng)中常見的余量自適應(yīng)的經(jīng)典算法。然后簡要回顧了 m i m o 系統(tǒng)中的一些用戶調(diào)度算法，重點介紹了半正交用戶選擇( s u s ) 算法?；?m i m o 中的用戶調(diào)度算法和o f d m 系統(tǒng)中資源劃分和資源指派兩步走的策略，采用迫 零波束成型，本文提出了n u s 和s - n u s 算法來對m i m o 0 f d m 系統(tǒng)中的資源進行分 配。這兩種算法都采用了資源劃分和資源指派兩步走的策略，首先用基于s n r 的帶寬 分配算法( b a b s ) 進行資源劃分，確定每個用戶的子載波數(shù)目和功率，然后采用遍歷 法和s u s 算法來進行資源指派，確定具體的子載波分配和功率分配。 n u s 算法需要遍歷每個子載波上的所有用戶集合，計算復(fù)雜度大，而s - n u s 算法 的性能受制于用戶之間信道正交性門限的取值，因此本文提出了一種貪婪算法。該算法 是通過計算被選擇用戶集合的近似發(fā)送功率來貪婪的選擇用戶，并給出終止選擇用戶的 條件。該算法不依賴于任何門限參數(shù)，且計算復(fù)雜度低，較適用于靈活多變的通信環(huán)境。 本文所提出的3 種m i m o 。0 f d m 系統(tǒng)中的資源分配算法，各有他們的優(yōu)勢和缺點， 可以適應(yīng)于不同通信要求的無線通信環(huán)境。另外，本文所提算法都考慮了滿足用戶速率 要求等用戶的q o s 問題，具有較高的實際意義。 關(guān)鍵詞：m i m o o f d m ，余量自適應(yīng)，資源分配，迫零波束成型 第1 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文 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 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文 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 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行研究工作所取得的 成果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文申作 了明確的說明。 作者躲鯔 簽字r 期： 塑：! ：蘭 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 作為申請學(xué)位的條件之一，學(xué)位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機構(gòu) 送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入有 關(guān)數(shù)掘庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論 文。本人提交的電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 母公丌口保密( 年) 作者簽名： 簽字同期： j 經(jīng)繹一 靼 導(dǎo)師簽名： 簽字r 期： 竺2 ：曼笙 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 引言 o f d m 的思想早在2 0 世紀(jì)6 0 年代就由r w c h a n g t l 】已經(jīng)提出，由于使用模擬濾 波器實現(xiàn)起來的系統(tǒng)復(fù)雜度較高，所以一直沒有被廣泛采用。在2 0 世紀(jì)7 0 年代，s b w e i n s t e i n 提出用離散傅里葉變換( d f t ) 來實現(xiàn)多載波調(diào)制，為o f d m 的實用化奠定 了基礎(chǔ)【2 】；在8 0 年代，l j c i m i n i 首先分析了o f d m 在移動通信應(yīng)用中存在的峰均比 過高、對頻偏敏感等問題和解決方法【3 1 ，從此以后，o f d m 在移動通信中的應(yīng)用得到了 迅猛的發(fā)展。 o f d m 的基本原理是將串行高速數(shù)據(jù)信號先轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，再使用相 互正交的一組子載波構(gòu)成的子信道來傳輸各個子數(shù)據(jù)流，因為所有子信道都是窄帶的， 可以認(rèn)為在每個子信道中都是平坦的衰落。同時由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶 寬的一小部分，與串行系統(tǒng)相比，其接收的均衡也就變得簡單了。 o f d m 系統(tǒng)收發(fā)機的典型框圖【4 】如圖1 - 1 所示。圖中上半部分對應(yīng)于發(fā)射機鏈路， 下半部分對應(yīng)于接收機鏈路。在發(fā)送端將被傳輸?shù)臄?shù)字信號轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的 映射，并進行離散傅里葉反變換( i d f t ) 將數(shù)據(jù)的頻譜表達式變到時域上，一般用f f t 來實現(xiàn)。接收端進行發(fā)送端相反的操作，將射頻( r f ，r a d i of r e q u e n c y ) 信號與基帶信 號進行混頻處理，并用f f t 變化分解頻域信號，子載波的幅度和相位被采集出來并轉(zhuǎn) 換回數(shù)字信號。i f f t 和f f t 互為反變換，選擇適當(dāng)?shù)淖儞Q將信號接收或發(fā)送。當(dāng)信號 獨立于系統(tǒng)時，f f t 變換和i f f t 變換可以被交替使用。 r ft x 卜叫d a c 竺竺h 竺h ：重! h 蘭壘三h ：笙h - 廠二= h 蘭：! f f r r l i f f t l 圖1 - 1o f d m 收發(fā)機框圖 第1 頁共6 8 頁 插入循 環(huán)前綴 和加窗 去除循 環(huán)前綴 定時和 頻率同 步 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第1 章緒論 多天線無線系統(tǒng)是指那些具有多根發(fā)射和或接收天線的系統(tǒng)，通常也被稱為多輸入 多輸出( m i m o ) 系統(tǒng)。由于多天線無線系統(tǒng)可以獲得可觀的隨著天線數(shù)線性增長的頻 譜效率【5 】【6 】【7 1 ，對其理論通信性能極限和實現(xiàn)方法的研究在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都獲得了廣 泛的關(guān)注。m i m o 系統(tǒng)在數(shù)據(jù)速率上的增益來源于在發(fā)射和接收天線組之間創(chuàng)造了多個 并行的、可能不相關(guān)的空間信道。 眾所周知，在未來的寬帶無線通信系統(tǒng)中，存在兩個最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道 和帶寬效率。正交頻分復(fù)用技術(shù)( o f d m ) 通過將串行高速數(shù)據(jù)信號先轉(zhuǎn)換成并行的低 速子數(shù)據(jù)流，再使用相互正交的一組子載波構(gòu)成的子信道來傳輸各個子數(shù)據(jù)流，因為所 有子信道都是窄帶的，可以認(rèn)為在每個子信道中都是平坦的，從而減小了多徑衰落的影 響。而多輸入多輸出( m i m o ) 技術(shù)能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道同時傳輸多路數(shù) 據(jù)流，這樣就有效的增加了系統(tǒng)的容量，即由m e m o 提供的空間復(fù)用技術(shù)能夠在不增 加系統(tǒng)帶寬的情況下增加系統(tǒng)容量從而達到了提高頻譜效率的目的。這樣，如果我們將 o f d m 和m i m o 兩種技術(shù)相結(jié)合，就能達到兩種效果：一種是系統(tǒng)很高的傳輸速率， 另一種是很強的可靠性。同時，在多輸入多輸出正交頻分復(fù)用( m i m o o f d m ) 系統(tǒng)中 加入合適的數(shù)字信號處理的算法能更好的增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。m i m o - o f d m 系統(tǒng)模型如圖 卜2 所示。 圖1 - 2m i m o - o f d m 簡單系統(tǒng)模型 相比如傳統(tǒng)的f d m a 、t d m a 和c d m a 系統(tǒng)，o f d m 系統(tǒng)為無線資源分配帶來了更大的靈 活性。傳統(tǒng)的f d 淞、t d m a 和c d r a 系統(tǒng)，都僅可以利用時間分集、頻域分集和多用戶分 集中的一種或多種，而o f d m 系統(tǒng)則可以利用這三種分集效用以提高系統(tǒng)的性能。3 g p p 第2 頁共6 8 頁 中田科學(xué)拉術(shù)大學(xué)研論文第l 章嬙論 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 技術(shù)。下面以一個l t e 的 o f d m 子幀為例子來說明這一點。圖卜3 所示為l t e ( t d d ) 下行的一個子幀結(jié)構(gòu)叫該 于幀由頻域上的若干子信道和時域上的若干時隙組成( o f i ) m 符號) 的= 維資源池。開 始的第1 個時隙主要包含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 信號 所占的時隙數(shù)。p h i c h 主要是用來指示上行數(shù)據(jù)的a c k n a c k 。前兩個時隙剩下的予信道 用來發(fā)送p d c c h ，指示下行數(shù)據(jù)發(fā)送的贊源的配置方式。這一子幀剩下的時隙都用來傳 輸p d s c h ，為用戶共享信道。這種二維的無線資源結(jié)構(gòu)，可以使基站靈活地將用戶在頻 域和時域上進行分配，以充分利用頻域分集、時域分集和多用戶分集。另一方面，o f d m 調(diào)制方式的特點使得我們很容易地將功率在各子載波上自適應(yīng)的分配，并且可以在不同 子載波上采用不同階數(shù)的調(diào)制方式以匹配鏈路的狀態(tài)，提高傳輸效率。 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 ：_ ? 、蘭 _ 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 ，糾 “ f i ik + 2 k + 3 ”4k 5 k 6k + 7 0 f d m 符號 圖1 - 3l t e 子幘結(jié)構(gòu)以及盎源分配示意圖 第3 再共鹋 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第1 章緒論 1 2 研究背景 鏈路級自適應(yīng)技術(shù)的基本思想就是自適應(yīng)調(diào)節(jié)信號傳輸?shù)膮?shù)來充分地利用當(dāng)前 信道環(huán)境?？梢哉{(diào)節(jié)的基本參數(shù)包括調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)射功率、擴頻增益和信令 帶寬等。通過自適應(yīng)技術(shù)得到的系統(tǒng)的信道容量的增益是非常明顯的。這種自適應(yīng)技術(shù) 已經(jīng)被廣泛地認(rèn)為是無線通信系統(tǒng)中有效地提高頻譜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 等移動通信標(biāo)準(zhǔn)中使用。 種理想的鏈路自適應(yīng)算法能夠根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)環(huán)境來調(diào)節(jié)各種各樣的信號 傳輸參數(shù)。移動信道不同于有線信道，它的隨機性非常強，因此其對應(yīng)的概率統(tǒng)計模型 也是針對不同的環(huán)境。信道的傳播模型一般來說根據(jù)變化的尺度可分為兩大類【4 】： 大尺度變化，包括路徑損耗及其在均值附近的方差等。 小尺度變化，反映了接收到的信號在很短的距離或時間內(nèi)由于多徑衰落引起的 快速變化的特性。對于寬帶信號來說，這些快速變化的特性對應(yīng)的是頻率選擇 性衰落信道。 在一個多徑傳播環(huán)境中，幾個經(jīng)過不同時間偏移和加權(quán)的發(fā)射信號一起到達了接收 機端。當(dāng)所有的時延信號，在一個相對于調(diào)制符號持續(xù)時間來說很小的時間范圍內(nèi)都能 到達時，各路信道是非頻率選擇性的或是平坦的。在寬帶傳輸中，多徑時延相對調(diào)制符 號的持續(xù)時間變得無法忽略，所以產(chǎn)生了頻率選擇性衰落。在這類信道中，可以同時從 時間和頻率二維上進行處理，以得到更好的接收信號質(zhì)量。 自適應(yīng)策略的基本原則是： 定義一個信道質(zhì)量指示變量，或稱為狀態(tài)信息，它提供相關(guān)信道的一些特征。 根據(jù)時間、頻率或空間上的信道狀態(tài)信息，來調(diào)整一些信號傳輸?shù)膮?shù)。 人們對于o f d m 系統(tǒng)中的鏈路自適應(yīng)策略已經(jīng)進行了大量的研究，并提出了一系 列的鏈路自適應(yīng)算法，通常我們稱之為資源分配算法。在這些算法中，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 系統(tǒng)資源分配的最直觀的目標(biāo)是最大化系統(tǒng)的吞吐量，僅以最大化吞吐量為 優(yōu)化目標(biāo)的問題，我們稱之為最大化和速率( m a x i m i z es u mo f r a t e ，m s r ) 問題。但在 m s r 問題中，信道較差的用戶僅可分得很少的資源，這使得m s r 問題的解不適合用戶 具有q o s 需求的實際系統(tǒng)。更有實際意義的問題是速率自適應(yīng)( r a t ea d a p t i v e ，r a ) 問 題和余量自適應(yīng)( m a r g i na d a p t i v e ，m a ) 問題。它們比較簡單，易于進行理論分析，但 又是對實際o f d m 系統(tǒng)的較好抽象。r a 和m a 問題研究的o f d m 系統(tǒng)具有如下設(shè)定： 該系統(tǒng)中擁有n 個子載波，k 個用戶，不允許一個以上的用戶共享同一個子載波，無 線資源分配算法負(fù)責(zé)將每個o f d m 符號中所包含的n 個子載波以及功率分配給k 個用 戶，以達到某種優(yōu)化目標(biāo)。 第4 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文 第1 章緒論 r a 問題的優(yōu)化目標(biāo)是在總發(fā)射功率不超過最大功率，同時滿足每個用戶的最小數(shù) 據(jù)速率需求的情況下，最大化總吞吐量。該問題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 ：島l 蚵，a n d 島 o ，1 ) ，v i ， 島勺( ) 弓 i = l 戶1 ， 島吃劇l a i n ，v i = l b ；b 式中b 為最大發(fā)射功率，肛，為子載波分配指示，當(dāng)用戶i 占用子載波j 時，島= 1 ；否 則島= 0 。6 ，為第j 個子載波上所承載的數(shù)據(jù)量。( 6 ，) 為當(dāng)?shù)趂 個用戶在第，個子載波 上需要傳輸b ，數(shù)據(jù)量時，為保證一定的傳輸可靠性而需要的發(fā)射功率。函數(shù)吃( ) 與用 戶i 可用的調(diào)制編碼方式，以及用戶i 在子載波，上的信道狀況有關(guān)。妒為用戶i 的最 小數(shù)據(jù)速率需求。條件b ；b 限制用戶僅能在可用的傳輸速率集b 中取值，譬如若用戶 僅可采用q p s k 、8 q a m 和1 6 q a m 的調(diào)制方式，則b = 2 ，3 ，4 。若不考慮實際的調(diào)制 編碼方式，則認(rèn)為b ，可以取到所有的非負(fù)實數(shù)。 m a 問題的優(yōu)化目標(biāo)是在滿足每個用戶最小數(shù)據(jù)速率需求的情況下，最小化發(fā)射功 率。該問題可以用如下公式描述： 贓4 j i = l j = l 島勺( 6 i ) s u b j e c tt o ：島x , v j ，a n d 乃( o ，1 ) ，v i ，歹 j | v 島q 刊r a i n ，v i j = l 0 b ( 1 2 ) 對比公式( 1 1 ) 和( 1 2 ) ，可以發(fā)現(xiàn)r a 和m a 問題都是非線性整數(shù)規(guī)劃問題，而且兩 者形式比較近似，因此經(jīng)常只需要討論它們其中的一種即可。相比于r a 問題，m a 問 題具有更少的限制條件，所以易于進行理論分析，對o f d m 系統(tǒng)中最優(yōu)資源分配的理 第5 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第l 章緒論 論分析最早就是從m a 問題著手的【l i 】。因此本文主要考慮m i m o o f d m 系統(tǒng)中資源分 配的m a 問題。o f d m 系統(tǒng)中的m a 問題一般是使得發(fā)送功率最小化，根據(jù)所有用戶 瞬時衰落特性來為用戶分配子載波和確定每一個子載波上傳輸?shù)谋忍財?shù)和傳輸功率。研 究一般使多用戶子載波、比特和功率的分配問題公式化，一旦子載波的分配問題確定下 來，比特和功率的分配算法便能應(yīng)用在每個用戶分配的子載波上了。 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優(yōu)方法來最小化系統(tǒng)發(fā)送功率 【1 1 1 。由于該算法同時考慮子載波和功率的動態(tài)分配，子載波的分配和功率的分配會相互 影響，則其復(fù)雜度太大，在實際中很難應(yīng)用【l l 】。為了進行簡化，絕大部分研究工作采用 分步的方法進行資源分配。文獻 1 2 】- 1 5 】等考慮將資源分配分為資源劃分和資源指派兩 步，在資源劃分中確定每個用戶的子載波數(shù)目和功率，在資源指派中，確定具體的子載 波分配和功率分配。k i v a n c ( 2 0 0 0 ) 采用該思想提出了一種針對m a 問題的低復(fù)雜度算 法，首先根據(jù)各用戶的平均信噪比，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 ) 算法計算出每個用戶應(yīng)分得的子載波數(shù)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 ) 算法進行具體的子載波分配。在a c g 算法中，按照子載波序號升序的順序?qū)ζ湟来芜M 行分配，將每個子載波分配給在其上信道條件最好的用戶，直到該用戶所需的子載波數(shù) 得到滿足【1 2 】。這種方法在子載波的使用上并不是很優(yōu)化，我們可以考慮一個簡單的例子， 假設(shè)一個2 用戶、2 個子載波的系統(tǒng)中，用戶a 的信道增益分別為 1 ，2 ) ，用戶b 的信 道增益分別為 2 ，5 ，兩個用戶都只需要一個子載波。那么在a c g 算法中，會將子載波 1 分配給用戶b ，子載波2 分配給用戶a ，這顯然沒有相反的分配方案更優(yōu)化。l iz h e n ( 2 0 0 3 ) 對a c g 算法進行了改進，提出一種i a c g ( i m p r o v e da c g ) 算法引。i a c g 算法不是按照子載波的順序進行分配，而是將所有用戶在所有子載波上信道增益g i ，( i 為用戶序號，歹為子載波序號) 組成一個矩陣g = g o 置埔，首先從矩陣g 中選出最大的 元素g ，將子載波，分配給用戶i ，并將該行和該列在矩陣g 中刪除。重復(fù)上面的分 j 配過程直到所有用戶需要的子載波數(shù)都得到滿足。z h a n gl i l i ( 2 0 0 6 ) 【1 4 j 進一步對a c g 和i a c g 算法的缺點進行了改進，提出了一種基于比率的分配算法，首先將每個子載波 上最大的信道增益和次大的信道增益相除，得出一個比率，將所有子載波按照比率降序 進行排序，對排序后的子載波逐個依次進行分配。此外，由于文獻 1 2 中算法給用戶計 算子載波數(shù)是基于該用戶的所有子載波上的平均信道增益的，這樣誤差會比較大。h o s e o kk i m 提出應(yīng)該根據(jù)已經(jīng)分配給用戶的子載波的平均信道增益來進行子載波的分 配，這樣會使系統(tǒng)性能得到較大的提高【2 7 】。 m i m o 技術(shù)在不增加帶寬的情況下能成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。而 將m i m o 和o f d m 技術(shù)相結(jié)合就既能通過分集提高傳輸?shù)目煽啃?，又能提高傳輸速率?近年來，m i m o o f d m 技術(shù)中資源分配算法的研究已經(jīng)成為熱點。y i n gj u nz h a n g 瞄w 第6 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第1 章緒論 提出了基于s v d 分解的資源分配算法，但是其通過選擇最大的奇異值來選擇用戶，每 個子載波上只會選擇一個用戶。針對o f d m s d m a 系統(tǒng)的上下行，s t h o e n 【2 6 】采用 m m s e 預(yù)編碼和檢測方式提出了一種比特分配算法，其每個子載波每次只能有一個用 戶傳輸數(shù)據(jù)，且采用r o u n d r o b i n 的方式來個用戶分配子載波，這大大影響了系統(tǒng)性能。 對于采用迫零波束成型的o f d m s d m a 系統(tǒng)，在發(fā)射功率一定的情況下，y u im i n g t s a n g 2 1 1 提出了最優(yōu)的拉格朗日迭代算法來最大化系統(tǒng)吞吐量。由于最優(yōu)的拉格朗日迭 代算法復(fù)雜度太大，p e t e rw c c h a i l 【2 2 】提出了一種貪婪的簡化算法。文獻 2 1 【2 2 】都沒 有考慮用戶的q o s ，如用戶的速率要求等。在考慮用戶速率要求的情況下，采用資源劃 分和資源指派兩步法，y o u n g i ls h i n 2 4 】提出了一種半正交用戶選擇算法( s u s ) ，通過 分別確定用戶的子載波數(shù)和分配子載波給用戶這兩步，大大降低了復(fù)雜度，且性能損失 很少。但在 2 4 】中由于每個子載波上都同時傳輸最大發(fā)送天線數(shù)的用戶，沒有進行用戶 的去除，用戶間的正交性并不能得到很好的保證。我們就有必要提出新的算法來根據(jù)用 戶的信道狀態(tài)靈活的選擇子載波上的用戶數(shù)，來進一步提高系統(tǒng)性能。 1 3 論文結(jié)構(gòu)與貢獻 本文所做研究主要針對m i m o o f d m 下行系統(tǒng)中發(fā)送端完全知道信道狀態(tài)信息情 況下的資源分配問題( m a 問題) 。采用迫零波束成型技術(shù)，在滿足用戶最小速率要求 的情況下，聯(lián)合m i m o 系統(tǒng)中的用戶調(diào)度和o f d m 系統(tǒng)中的子載波分配算法，目標(biāo)是 使系統(tǒng)總的發(fā)送功率最小。本文的結(jié)構(gòu)和貢獻如下： 第一章：緒論部分，主要簡單介紹了o f d m 和m i m o 系統(tǒng)，并對o f d m 和 m i m o o f d m 系統(tǒng)中的資源分配的基本問題做了回顧，介紹了其研究現(xiàn)狀。 我們在第2 章中給出了一些o f d m 系統(tǒng)中經(jīng)典的資源分配算法。主要是介紹了 o f d m 系統(tǒng)中解決余量自適應(yīng)( m a ) 最優(yōu)的l r 算法以及次優(yōu)的b a b s + a c g 算法。 在第3 章，我們對基于迫零波束成型的m i m o o f d m 系統(tǒng)中的資源分配算法進行 了研究，并給出了兩種性能比較好的次優(yōu)算法，分別是n u s ( n o r m a l i z e du s e rs e l e c t i o n ) 算法及其簡化算法( s i m p l i f i e d - n u s ：s - n u s ) 。n u s 算法是將子載波上的每個用戶集 合看作一個虛擬用戶，將用戶集合中的用戶數(shù)進行歸一化，用o f d m a 系統(tǒng)中的算法來 進行資源分配。n u s 算法要遍歷每個子載波上的所有用戶集合，當(dāng)用戶很多時，計算復(fù) 雜度就比較大。為進一步減少復(fù)雜度，提出了簡化的s - n u s 算法。在每一個子載波上， 先選定一個所需發(fā)送功率最小的用戶，然后再選擇其它信道增益大的用戶來與被選定的 用戶組成一個用戶集合。在選擇其它用戶時會計算其它用戶與被選擇用戶之間的信道正 交性，當(dāng)某個用戶與已經(jīng)選擇用戶的信道歸一化內(nèi)積高于一個門限值時，這個用戶就不 會參與到該子載波的分配。在用戶數(shù)很大時，s - n u s 算法可以大大的減少計算復(fù)雜度。 第7 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第1 章緒論 在第4 章，我們對m i m o o f d m 系統(tǒng)中的資源分配算法做出了進一步的研究，提 出了一種基于貪婪算法的新的用戶調(diào)度算法。并給出了一些算法的對比和分析。由于 n u s 算法需要遍歷子載波上的所有用戶，而且對每一個用戶集合還需要通過矩陣求逆來 計算等效信道增益，這顯然計算復(fù)雜度過大，尤其是在用戶數(shù)目比較大的情況下。而 s n u s 算法雖然計算復(fù)雜度大大降低，但是該算法的性能決定于口的選擇，只有在口選 擇合適的情況下，系統(tǒng)性能才能得到保證。本章介紹了一種新的用戶調(diào)度算法，我們首 先選擇一個信道增益最大的用戶，然后選擇在其信道矢量上做的投影模值最大的用戶， 這樣每次選擇在已選擇用戶的信道矢量上做投影模值最大的用戶來加入到用戶集合。所 提算法在每次增加一個新的用戶時，會計算候選用戶與已選擇的用戶組成用戶集合的近 似總發(fā)送功率，若新增加的用戶加入到已選擇的用戶集合，使總發(fā)送功率增加，就停止 選擇用戶，該子載波的用戶選擇過程完成。所提算法在保證每個用戶的速率要求的情況 下，通過貪婪的準(zhǔn)則來選擇每個子載波上的用戶集合，最小化系統(tǒng)的發(fā)送功率，達到很 好的系統(tǒng)性能。 第5 章，我們對本文提出的3 種算法以及文獻 2 4 】中的s u s 算法在算法思想，仿真 性能以及計算復(fù)雜度方面做了綜合比較分析。 最后，我們在第6 章給出了本文的結(jié)論和可能的擴展研究。 1 4 符號說明 在本文中，所有的矢量和矩陣都用黑體的字母表示，如h 表示信道矩陣。求絕對值 和矩陣行列式的操作用i i 表示，二階范數(shù)和f 范數(shù)的操作分別用i i ：和1 1 ，表示。復(fù)數(shù)的轉(zhuǎn) 置、共軛轉(zhuǎn)置、求逆和偽逆分別用( ) 7 、( ) ( - i 和( ) 表示。矩陣的跡、秩分別表示為護( ) 和r a n k ( ) 。隨機事件用黑體字母表示，某一隨機事件的概率用p r 表示。此外，用 c n ( o ，n o i ) 表示均值為0 ，相關(guān)矩陣為“i 的復(fù)高斯分布。l o g ( ) 表示底為e 的對數(shù)函數(shù)。 m n 維的復(fù)空間表示為c 肌，復(fù)空間中的元素用h c 肌表示。 表格1 1 本文使用的縮寫與其英文全稱和中文名字 英文縮寫( 全稱)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 ) 加性高斯白噪聲 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 ) 多輸入多輸出 b c ( b r o a d c a s tc h a n n e l )廣播信道 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 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文第1 章緒論 d p c ( d i r t yp a p e rc o d i n g ) 臟紙編碼 c s i ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 信道狀態(tài)信息 m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee n d r )最小均方誤差 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 )空分復(fù)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 ) 隨機波束成型 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 )奇異值分解 t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g )時分雙工 第9 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文 第2 章o f d m 系統(tǒng)中的經(jīng)典資源分配算法 第2 章o f d m 系統(tǒng)中的經(jīng)典資源分配算法 考慮頻率選擇性衰落環(huán)境中的多用戶系統(tǒng)，使用靜態(tài)時分復(fù)用( t d m a ) 或者頻分 復(fù)用( f d m a ) 作為多址接入技術(shù)。由于每一個用戶都將采用自適應(yīng)調(diào)制的o f d m 應(yīng)用 在預(yù)定的時隙或頻帶中，則會存在著一些典型的子載波，它們處于深衰落且沒有足夠的 功率來承載任何信息比特，結(jié)果，這些在某一個用戶被分配的時隙或頻帶中沒有使用的 子載波( 由于自適應(yīng)調(diào)制) 會被浪費，而且其他用戶也沒用使用這些子載波。然而，在 一個用戶中呈現(xiàn)出深衰落的子載波不一定在其他的用戶中也處于深衰落。事實上，一個 子載波在所有的用戶中都處于深衰落幾乎是不可能的，因為不同用戶的衰落參數(shù)是完全 獨立。這就使得我們?nèi)タ紤]一種根據(jù)瞬時信道特性來為每一個用戶分配子載波的自適應(yīng) 多用戶子載波分配的方法。這種方法使得所有的子載波都能更有效得被利用，因為一個 子載波只有當(dāng)它在所有的用戶中都處于深衰落時才會被丟棄不用。 在這章中，我們考慮所有用戶在全部的時隙中都傳送數(shù)據(jù)的情況下的多用戶子載 波、比特和功率的分配方法。我們的目標(biāo)是使總的發(fā)送功率最小，根據(jù)所有用戶瞬時衰 落特性來為用戶分配子載波和確定每一個子載波上傳輸?shù)谋忍財?shù)和發(fā)送功率( m a 問 題) 。我們使用多用戶子載波、比特和功率的分配問題公式化。一旦子載波的分配確定 下來，比特和功率的分配算法便能應(yīng)用在每個用戶分配的子載波上了。 2 1 系統(tǒng)模型 在圖2 1 中給出的是多用戶自適應(yīng)o f d m 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。我們假設(shè)系統(tǒng)有k 個用戶， 第k 個用戶的數(shù)據(jù)速率為r 比特o f d m 符號。在發(fā)送端，從k 個用戶輸出的串行數(shù)據(jù) 進入子載波和比特分配模塊，該模塊是將比特從不同的用戶數(shù)據(jù)分配到不同的子載波 上，我們假設(shè)每一個子載波的帶寬遠(yuǎn)小于信道的相關(guān)帶寬，而且所有用戶的全部子載波 的瞬時信道增益對于發(fā)送端來說已知的。利用這些信道信息，發(fā)送端就可以使用聯(lián)合子 載波、比特和功率分配算法來對不同的用戶分配不同的子載波，而其還可以根據(jù)這種算 法來分配每個子載波上傳輸?shù)谋忍豲 f d m 符號的數(shù)目。根據(jù)每個子載波上得到的比特 數(shù)，自適應(yīng)調(diào)制器會使用相應(yīng)的調(diào)制方式，傳輸功率也會根據(jù)聯(lián)合子載波、比特和功率 分配算法做相應(yīng)的調(diào)整。我們定義c 。為第k 個用戶在第以個子載波上傳輸?shù)谋忍財?shù)。由 于不允許多個用戶共同使用一個子載波，且對每一個r l 都適用，所以如果c 如0 ，則對 所有的k k 有c 七。= 0 。我們再假設(shè)自適應(yīng)調(diào)制器允許c 七，在集合d = 1 ，2 ，m ) 中取 值，其中m 是每一個子載波上能夠傳送的最大比特o f d m 符號數(shù)。 第1 1 頁共6 8 頁 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文 第2 章o f d m 系統(tǒng)中的經(jīng)典資源分配算法 在頻率選擇性信道中，不同的子載波會獲得不同的信道增益，我們指定。為第七個 用戶在第，1 個子載波上的信道增益( 假設(shè)相關(guān)接收) ，且假定對單邊帶噪聲的功率譜密 度( p s d ) o 進行歸一化( 0 = 1 ) 所適用的值對于所有的子載波和所有的用戶都是相 同的。另外，指定石( c ) 和露有關(guān)，而且它允許不同的用戶有不同的服務(wù)質(zhì)量( q o s ) 要 求及不同的編碼和調(diào)制方法。為了在接收端保證所需的q o s ，對第七個用戶第，1 個子載 ，、 波分配的傳輸功率必須等于：丑。：塵芏型。使用這個傳輸功率，接收端便能在f f t 的 a ；。 輸出端解調(diào)出調(diào)制符號，并能使所有的用戶達到所需的q o s 。 圖2 1 有子載波、比特和功率分配的多用戶o f d m 系統(tǒng)框圖 聯(lián)合子載波、比特和功率分配算法的主要目的是尋找一種對q 。最佳的分配方式， 使得全部傳輸功率即所有的子載波上最。的和，在給定的每個用戶的傳輸速率和根據(jù) 第1