LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)第4 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度

1、第第4章章 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度 信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度 本章小結(jié)本章小結(jié)第第4章章 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度 信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度 本章小結(jié)本章小結(jié)第第4章章 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度

2、鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度 信道狀態(tài)信息(csi)就是通信鏈路的信道屬性，在實(shí)際中有很多表示方法。 信道狀態(tài)信息可分為接收端信道狀態(tài)信息(csir)和發(fā)送端信道狀態(tài)信息(csit)。 從獲取時(shí)間來看，信道狀態(tài)信息可以分為瞬時(shí)信道狀態(tài)信息和平均信道狀態(tài)信息兩種。n瞬時(shí)信道狀態(tài)信息是指信道即時(shí)狀態(tài)，可視為數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)。它可以使發(fā)送端及時(shí)地調(diào)整發(fā)射信號(hào)。因此它可以取得低的誤碼率，并且在空間復(fù)用系統(tǒng)中，可能獲得最優(yōu)的接收信號(hào)。n平均信道狀態(tài)信息是指信道在一段時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特性。它包含了信道衰落的分布、平均信道增益以及空間相關(guān)性等。信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 在實(shí)際中，可以根據(jù)具體情況選擇使用信道狀態(tài)

3、信息實(shí)現(xiàn)鏈路自適應(yīng)。為了降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，在實(shí)際無線通信中把信噪比或接收信號(hào)強(qiáng)度當(dāng)做信道狀態(tài)信息，并將其應(yīng)用于鏈路自適應(yīng)技術(shù)中。 此外，誤包率(per，packet error rate)也常作為信道質(zhì)量好壞的指示，用來調(diào)整發(fā)射機(jī)的編碼、調(diào)制以及發(fā)射功率等參數(shù)。信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息基于信噪比的鏈路自適應(yīng)技術(shù) 基于信噪比的鏈路自適應(yīng)技術(shù)的主要思路是：接收端利用測量的信道狀態(tài)信息和誤比特率自適應(yīng)門限來選擇最佳傳輸模式，然后再將最佳傳輸模式反饋給發(fā)射端。 為了測量接收信噪比，首先要選擇一個(gè)觀測窗，該觀測窗應(yīng)足夠短以保持信道恒定無衰落，接收端在該觀測窗內(nèi)測量信噪比。利用高斯白噪聲信道中的信噪比和誤比

4、特率的關(guān)系式，把接收端的信噪比映射為每種候選傳輸模式的誤比特率。根據(jù)給定誤比特率要求，選出滿足要求的傳輸模式，再從中選擇能夠獲得最大吞吐量的傳輸模式作為最佳傳輸模式。最后接收機(jī)把選定的最優(yōu)傳輸模式反饋給發(fā)射機(jī)。信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 如果觀測窗內(nèi)存在信道衰落，測量的信噪比是隨機(jī)的，那么計(jì)算出的各候選傳輸模式的誤比特率也是隨機(jī)的。在這種情況下，接收機(jī)則需要計(jì)算觀測窗內(nèi)的平均誤比特率才能確定自適應(yīng)門限，這就必須要知道信噪比在該自適應(yīng)窗口上的概率密度函數(shù)。在實(shí)際信道中，接收端信噪比的概率密度函數(shù)受很多因素的影響，如時(shí)域中的信道相干時(shí)間、觀測時(shí)長；頻域中的信道相干帶寬、觀測窗

5、頻寬等，要通過簡單分析描述這些因素比較困難。因此，可通過測量信噪比的 階矩來獲取其密度函數(shù)的相關(guān)信息。例如，一階矩反映了接收機(jī)接收功率的平均值；二階矩反映了信道在自適應(yīng)窗口內(nèi)的時(shí)間、頻域或空間選擇性。更高階矩會(huì)提供更多概率密度信息，但運(yùn)算復(fù)雜度高。由于基于 階矩的鏈路自適應(yīng)門限是接收端信噪比的多個(gè)統(tǒng)計(jì)量的函數(shù)，與特定信道條件無關(guān)。信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 基于誤包率的鏈路自適應(yīng)通過跟蹤接收的數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤的概率來選擇最佳模式和參數(shù)。采用這種方式的發(fā)射機(jī)在所有候選模式下發(fā)送一定個(gè)數(shù)的訓(xùn)練分組，對(duì)于收到的所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)包，接收機(jī)先把它們存儲(chǔ)起來，訓(xùn)練過程結(jié)束，再計(jì)算每個(gè)候選模式的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的誤包率，然后在

6、滿足條件的候選模式中選擇吞吐量最大的傳輸模式反饋給發(fā)射機(jī)。這種鏈路自適應(yīng)的方法運(yùn)用了訓(xùn)練數(shù)據(jù)包，直接獲得候選模式的鏈路質(zhì)量狀況，不依賴?yán)碚撋系腷er曲線。但為了得到比較可靠的誤包率的估計(jì)，必須發(fā)送一定數(shù)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)包，這樣會(huì)使自適應(yīng)的速度減慢。因此，這種方式比較適合慢變信道?；谡`包率的鏈路自適應(yīng)技術(shù) 信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度 本章小結(jié)本章小結(jié)第第4章章 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度自適應(yīng)編碼調(diào)制自

7、適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)框圖自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制qam星座圖qpsk16qam自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制64qam自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 由于自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)是以接收端的瞬時(shí)信噪比為判斷信道條件好壞的依據(jù)，因此需根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)誤比特率的要求將信道平均接收信噪比的范圍劃分為n個(gè)互補(bǔ)相交的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一種傳輸模式，這樣根據(jù)當(dāng)前信道質(zhì)量，即可進(jìn)行傳輸模式之間的切換了。在接收端選擇最佳調(diào)制方式后，就可以反饋給發(fā)送端并重新配置解調(diào)譯碼器。 固定的信道編碼方式在信道條件惡化時(shí)無法保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在信道條件改善時(shí)又會(huì)產(chǎn)生冗余，造成頻譜資源的浪費(fèi)。自適應(yīng)信道編碼將信道的變化情況離散

8、為有限狀態(tài)(如有限狀態(tài)馬爾可夫信道模型)，對(duì)每一種信道狀態(tài)采用不同的信道編碼方式，因此可以較好地兼顧傳輸可靠性和頻譜效率。自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 對(duì)于給定的調(diào)制方案，可以根據(jù)無線鏈路條件選擇的碼速率。在信道質(zhì)量較差的情況下使用較低的編碼率，提高無線傳輸?shù)目煽啃?；傳輸在信道質(zhì)量好時(shí)采用較高編碼率，提高無線傳輸效率。自適應(yīng)編解碼可以通過速率匹配鑿孔turbo碼來實(shí)現(xiàn)。 turbo碼編碼器通常由分量編碼器、交織器以及刪余處理和復(fù)接器組成。turbo碼編碼自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制由兩個(gè)分量碼編碼器組成的turbo碼的編碼框圖自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制輸入信息序列和兩個(gè)編碼器的輸出自適應(yīng)編碼

9、調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 下圖給出了一種3/4碼率turbo碼的生成方法，其基本思路是一次讀入三個(gè)信息位，然后交替地在兩個(gè)編碼器輸出中選擇校驗(yàn)位。這樣，復(fù)接后的序列是由每三個(gè)信息位和一個(gè)校驗(yàn)位排列組成，這樣就能實(shí)現(xiàn)3/4的碼率。自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 用類似的方法，可以通過下圖所示的方法得到2/3碼率turbo碼。自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 在實(shí)際應(yīng)用中，不同的編碼和調(diào)制方式組合成若干種“調(diào)制編碼方案(mcs，modulaton and coding system)”供無線通信系統(tǒng)根據(jù)信道情況進(jìn)行選擇。擁有高質(zhì)量的信道條件，將被分配級(jí)別較高的調(diào)制編碼方案(例如16qam，3/4 turbo碼

10、)，這種調(diào)制編碼方案的抗干擾性能和糾錯(cuò)能力較差，對(duì)信道質(zhì)量的要求較高，但是能夠贏得較高的數(shù)據(jù)速率，提高鏈路的平均數(shù)據(jù)吞吐量。相反。信道衰落嚴(yán)重或存在嚴(yán)重干擾的噪聲，將被分配的級(jí)別較低，具有較強(qiáng)糾錯(cuò)能力，抗噪聲干擾性能較好的調(diào)制編碼方案(例如qpsk，1/2碼率的turbo碼)，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 當(dāng)信號(hào)質(zhì)量比較高(如用戶靠近基站或存在視距鏈路)時(shí)，基站和用戶可以采用高階調(diào)制和高速率的信道編碼方式通信，例如：64qam和5/6編碼，可以得到高的峰值速率；而當(dāng)信號(hào)質(zhì)量比較差(如用戶位于小區(qū)邊緣或者信道深衰落)時(shí)，基站和用戶則選取低階調(diào)制方式和低速率的信道編碼方案，例

11、如：qpsk和1/4編碼速率，來保證通信質(zhì)量。 信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度 本章小結(jié)本章小結(jié)第第4章章 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 無線鏈路質(zhì)量波動(dòng)可能導(dǎo)致傳輸出錯(cuò)，這類傳輸錯(cuò)誤在一定程度上可通過自適應(yīng)編碼調(diào)制予以解決。然而，接收機(jī)噪聲以及不期望的干擾波動(dòng)帶來的影響是無法完全消除的。由于接收機(jī)噪聲所產(chǎn)生錯(cuò)誤的具有隨機(jī)性，因此在無線通信中，用于控制隨機(jī)錯(cuò)誤的混合

12、自動(dòng)重傳請(qǐng)求(harq，hybrid automatic repeat request)技術(shù)就變得非常重要了。harq可以看做一種數(shù)據(jù)傳輸后控制瞬時(shí)無線鏈路質(zhì)量波動(dòng)影響的機(jī)制，為自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)提供補(bǔ)償。 傳統(tǒng)的自動(dòng)重傳請(qǐng)求(arq，automatic repeat request)采用丟棄出錯(cuò)接收包并請(qǐng)求重傳的方式。然而，盡管這些數(shù)據(jù)包不能被正確解碼，但其中仍包含了信息，而這些信息會(huì)通過丟棄出錯(cuò)包而丟失。這一缺陷可以通過帶有軟合并的harq方式來進(jìn)行彌補(bǔ)。harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 在帶有軟合并的harq中，出錯(cuò)接收包被存于緩沖器內(nèi)存中并與之后的重傳包進(jìn)行合并，從而獲得比其分

13、組單獨(dú)解碼更為可靠的單一的合并數(shù)據(jù)包。對(duì)該合并信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)碼的解碼操作，如果解碼失敗則申請(qǐng)重傳。 帶有軟合并的harq通?？煞譃楦櫤喜?cc，chasing combining)與增量冗余(ir，incremental redundancy)兩種方式harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求跟蹤合并(cc，chasing combining) 跟蹤合并每次重傳為原始傳輸?shù)南嗤北荆看沃貍骱?，接收機(jī)采用最大比合并原則對(duì)每次接收的信道比特與相同比特之間的所有傳輸進(jìn)行合并，并將合并信號(hào)發(fā)送到解碼器。由于每次重傳為原始傳輸?shù)南嗤北?，跟蹤合并的重傳可以被視為附加重?fù)編碼。由于沒有傳輸新冗余，因此跟蹤

14、合并除了在每次重傳中增加累積接收信噪比外，不能提供任何額外的編碼增益。跟蹤合并的過程如圖所示。harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求跟蹤合并過程harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求增量冗余(ir，incremental redundancy) 增量冗余(ir)方案中，每次重傳并不需要帶有與原始傳輸完全相同的內(nèi)容。相反，將會(huì)產(chǎn)生多個(gè)編碼比特的集合，每個(gè)都代表同一集合的信息比特，無論何時(shí)需要進(jìn)行重傳，通常采用與之前傳輸不同的編碼比特集合。此外，每次重傳并非必須包含與原始傳輸相同數(shù)目的編碼比特，通常也可以在不同重傳中采用不同調(diào)制方式。因此，增量冗余也可以被視為跟蹤合并的擴(kuò)展。通常，增量冗余基于

15、低速率碼以及通過對(duì)編碼器的輸出進(jìn)行打孔而實(shí)現(xiàn)不同的冗余版本。首次傳輸只發(fā)送有限編碼比特，從而導(dǎo)致采用高速率碼。重傳中發(fā)送額外的編碼比特。harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 增量冗余(ir)方案如圖所示，假設(shè)基本的1/4速率碼。將1/4碼率的基本碼劃分成3個(gè)冗余版本，首次傳輸只發(fā)送第一個(gè)冗余版本，從而得到3/4編碼速率。一旦出現(xiàn)解碼錯(cuò)誤并請(qǐng)求重傳時(shí)則發(fā)送額外的比特，即第二個(gè)冗余版本，得到3/8編碼速率。如果還不能正確解碼，則第二次重傳將發(fā)送剩余的比特(第三個(gè)冗余版本)，則經(jīng)過三次接收合并后的編碼速率為1/4。在這種方案中，除累積信噪比外，增量冗余的每次重傳還會(huì)帶來編碼增益。與跟蹤合并相比，

16、增量冗余方案在初始編碼速率較高時(shí)會(huì)帶來更大的增益。harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求增量冗余的實(shí)例harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 采用增量冗余方案時(shí)，首次傳輸所用編碼需要在其單獨(dú)使用時(shí)以及與第二次傳輸編碼合并時(shí)都能夠提供良好性能，該要求在后續(xù)重傳時(shí)也同樣需要保持。由于不同冗余版本通常是通過對(duì)低速率母碼進(jìn)行鑿孔來產(chǎn)生的，因此刪余矩陣的設(shè)計(jì)需要滿足：高速率編碼也可作為任何低速率編碼的一部分。 無論采用跟蹤合并還是增量冗余，帶有軟合并的harq都將通過重傳間接地降低誤碼率，因此被視為間接的鏈路自適應(yīng)技術(shù)。 信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)

17、求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度 本章小結(jié)本章小結(jié)第第4章章 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)注水算法及功率分配( )h f 平坦衰落信道的香農(nóng)容量可以通過調(diào)整發(fā)送速率和功率來獲得，從信息論的角度出發(fā)，“注水”算法是最優(yōu)的功率分配方法，其描述如下： 在ofdm系統(tǒng)中，假設(shè)每個(gè)子信道的傳輸特性近似理想， 表示帶寬為 的信道傳輸函數(shù)，信道內(nèi)存在功率譜密度為 的加性高斯白噪聲。因此可以把帶寬為 的信道分為 個(gè)子信道，其中 表示子信道的帶寬，而且應(yīng)該滿足如下條

18、件即 在子信道頻段內(nèi)近似恒定。而且信道的發(fā)射功率滿足： ，其中 表示發(fā)射機(jī)的平均發(fā)射功率。w( )n fw/nwff2( ) /( )h fn f( )avwp f dfpavpofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 在awgn(高斯白噪聲)信道中，信道容量可以表示為： 。其中 表示信道容量(bps)， 表示信道帶寬內(nèi)的加性高斯白噪聲的功率， 表示平均發(fā)送功率注意，這里的 沒有考慮信道對(duì)功率的衰減。20log (1)avpcwwnc0wnavpavp在多載波系統(tǒng)中，如果 足夠小，則子信道的容量可以表示為：f22()()log (1)()iiiifp fh fcffn f因此總的信道容量可以表示為

19、：ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)2211()()log (1)()nniiiiiifp fh fccffn f 如果 ，則可以利用積分來代替上述的求和： 0f 22( )( )log (1)( )wp fh fcdfn f實(shí)現(xiàn)信道容量的最大化，利用變分法將其轉(zhuǎn)換為：22( )( )(log (1)( )max( )wp fh fp f dfn fofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)其中， 為拉格朗日乘子，經(jīng)過變換可以得到：2( )( )( )n fkh fp ffwfw0其中， 為常數(shù)，將上式代入功率的約束條件中，則可解出 的值。kk 如果我們將上式中的 看成是等效噪聲，那么其基本物理意

20、義為：對(duì)于信道中等效噪聲 較小處，所分配的功率就較大，傳輸?shù)男畔⑤^多；對(duì)于信道中等效噪聲 較大處，所分配的功率就較小，傳輸?shù)男畔⑤^少。特別是等效噪聲達(dá)到一定程度時(shí)，由于信道傳輸特性十分惡劣，所分配的功率為0，那么在該位置上就不會(huì)傳輸任何信息。如果將 解釋為單位深度的碗的底部，將容量為 的水注入碗中，則水在碗中流動(dòng)以達(dá)到容量。ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)2( )( )n fh f2( )( )n fh f2( )( )n fh f2( )( )n fh favp最優(yōu)注水功率分配示意圖ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 如果 較小，就不能保證 在w范圍

21、內(nèi)處處成立，如下圖所示。此時(shí)，最優(yōu)的功率分配就是在可能的頻譜范圍內(nèi)保證成立，而在其他地方使 。avp2( )( )( )n fkh fp ffwfw0( )0p fofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 較小時(shí)，最優(yōu)注水功率分配示意圖avp 盡管從理論上來說，按“注水”原理分配功率和信息比特得到的性能最佳，但這種方法實(shí)際中并不可行。首先，它的計(jì)算復(fù)雜度較高；其次，“注水”原理中每個(gè)子載波攜帶的信息比特?cái)?shù)是一個(gè)任意分?jǐn)?shù)，但由于受調(diào)制星座的限制，實(shí)際信道比特?cái)?shù)和理論分配數(shù)不能吻合，因此在實(shí)際系統(tǒng)中還需要根據(jù)信道狀況不斷的調(diào)整子載波比特分配，從而使功率分布盡量逼近最佳輸入功率分布。ofdm鏈路自適應(yīng)技

22、術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 值得注意的是，當(dāng) ，信道 為常數(shù)時(shí)，所獲得的信道容量最小。在這種情況下，信號(hào)發(fā)射功率 將保持恒定。也就是說，如果信道頻率響應(yīng)是理想的，即對(duì) 時(shí)，從信道容量最大化的角度來講，最壞的噪聲功率分布就是高斯白噪聲分布。fw 2( )( )h fn f( )p f,fw ( )1h fofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)ofdm自適應(yīng)調(diào)制 ofdm系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)制的主要思想是首先對(duì)每個(gè)子載波進(jìn)行功率分配和比特加載，然后每個(gè)子載波上分配比特映射到調(diào)制信號(hào)的星座上。ofdm自適應(yīng)調(diào)制算法很多，比較經(jīng)典的算法包括：hughes-hartogs梯度分配算法、p. s. chow算法(簡稱chow

23、算法)、fischer算法。ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)hughes-hartogs算法 hughes-hartogs算法是一種基于迭代的連續(xù)比特和功率分配算法，它的優(yōu)化原則是在保證目標(biāo)誤比特率的前提下，用給定的發(fā)射功率使系統(tǒng)吞吐量最大化。在每次迭代中，它只分配1比特，該比特分配給只需要增加最少發(fā)射功率就能維持目標(biāo)誤比特率的子載波。迭代過程進(jìn)行到所有的比特分配完畢為止。hughes-hartogs算法中的功率分配過程如下：ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)在接收端測量等效噪聲并乘以傳輸損耗因子，以計(jì)算發(fā)送端每一個(gè)載波的系統(tǒng)噪聲分量。這里，等效噪聲和傳輸損耗因子的測量是通過發(fā)送端和接收

24、端之間發(fā)送特定訓(xùn)練序列來確定的。對(duì)每一個(gè)載波頻率，計(jì)算發(fā)送不同調(diào)制星座圖所需的功率(這里調(diào)制星座圖的復(fù)雜度分別為0，2，4和6比特)。這一步的計(jì)算是用等效噪聲乘以信噪比，這些信噪比是在給定的ber(例如10-3)下，發(fā)送不同星座圖的數(shù)據(jù)分量所需的信噪比?？偟腷er是所有已調(diào)載波的ber總和。這些信噪比有標(biāo)準(zhǔn)參考值可以使用。由上一步計(jì)算得到的所需發(fā)送功率，可以確定增加星座圖復(fù)雜度所需的差額功率增量。這里差額功率增量定義為相鄰星座圖復(fù)雜度所需發(fā)送功率之差除以相鄰星座圖復(fù)雜度的比特?cái)?shù)之差。ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)為每個(gè)信道建立一個(gè)兩列的表格，分別列出所需差額功率增量和相鄰星座圖復(fù)雜度的比

25、特?cái)?shù)之差，它們的單位分別使用瓦特(watts)和比特(bits)。稱該表為差額功率增量列表。根據(jù)增加的差額功率，利用第步的表來構(gòu)造一個(gè)直方圖。先對(duì)差額功率增量列表進(jìn)行搜索并劃分等級(jí)，然后對(duì)處于不同等級(jí)的子載波個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到一個(gè)統(tǒng)計(jì)直方圖。這一步中有舍入操作，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但可以減少計(jì)算量。在總發(fā)送功率 受限的情況下，對(duì)差額功率等級(jí)按從小到大進(jìn)行功率分配，并計(jì)算可以分配的最大等級(jí)的差額功率增量。按照差額功率增量從小到大的順序，將可用的發(fā)送功率和數(shù)據(jù)比特分配給相應(yīng)的子載波，直到可用的發(fā)送功率全部分配完為止。一個(gè)子載波上分配的功率是這個(gè)子載波上所有小于等于最大等級(jí)的差額功率增量之和。avp

26、p. s. chow提出了一種實(shí)用的自適應(yīng)比特分配算法，該算法根據(jù)各個(gè)子信道的信道容量來分配比特，它的優(yōu)化準(zhǔn)則是在維持目標(biāo)誤比特率的前提下使系統(tǒng)的頻譜效率達(dá)到最優(yōu)，是近似注水算法的次最優(yōu)裕量最大化加載算法。算法中所謂的“性能裕量”是指支持所需的最小比特率時(shí)系統(tǒng)可以忍受的附加干擾噪聲數(shù)值。chow算法能夠?qū)τ邢蘖６鹊谋忍丶虞d，摒棄了大量的搜索和排序，降低了算法復(fù)雜度。該算法的不足之處在于其信號(hào)功率分配和支持的傳輸速率是直接相關(guān)的，沒有優(yōu)化的余地；另外，算法采用的標(biāo)準(zhǔn)是信道容量最大化，而實(shí)際的通信系統(tǒng)更關(guān)注如何以受限的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)所需速率的傳輸，同時(shí)保證可接受的最小誤比特率。ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)

27、鏈路自適應(yīng)技術(shù)chow算法chow算法的主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)( ), ( ),( )b i b i diff i2arg( )( )log (1)(db)minsnr ib ir計(jì)算各個(gè)子信道的信噪比 ，假設(shè)所有子載波上的信號(hào)能量都是歸一化的；令初始信噪比裕量 ，迭代次數(shù)counter=0，已使用的子載波數(shù)初始化為 ，其中 為可用的子載波的最大數(shù)目；依次計(jì)算各個(gè)子信道的信道容量 和使用的子載波數(shù)：若 ，則 。( ),snr iiarg0(db)minrnn( )( ( )b iround b i( )( )( )diff ib ib i( )0b i 1nno

28、fdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)計(jì)算 ，若 ，則信道質(zhì)量太差，完全不能使用。 按下式計(jì)算新的 ： counter=counter+1；若 ，令已使用的子載波數(shù)為 ，轉(zhuǎn)到步驟，否則轉(zhuǎn)到步驟。 若 ，在 中找最小值，相應(yīng)的 減1， 加1，重復(fù)此步驟直至 。 若 ，在 中找出最大值，相應(yīng)的 加1， 減1，重復(fù)此步驟直至 。1( )ntotalibb i0totalbargminrargarg1010log (2)totaltotalbbminminrrargtotaltetbbnargtotaltetbb( )diff i( )b i( )diff iargtotaltetbbargtotalte

29、tbb( )diff i( )b i( )diff iargtotaltetbbofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)根據(jù)給定的比特分配調(diào)整輸入功率分配，使得 。對(duì)所有的子載波乘上一個(gè)尺度因子，使得 ，該尺度因子等于在特定ber下的系統(tǒng)性能裕量。arg( )eetetp ipargtotaltet 與chow算法不同，fischer算法不是以信道容量為依據(jù)進(jìn)行比特分配，它的優(yōu)化準(zhǔn)則是在系統(tǒng)總傳輸速率和發(fā)射功率確定的前提下，使系統(tǒng)的誤比特率性能達(dá)到最優(yōu)。由于系統(tǒng)的誤比特率由最大的一個(gè)子載波誤比特率決定，因此需要保證各子載波的誤符號(hào)率相同，且同時(shí)達(dá)到最小值。fischer算法的計(jì)算量和復(fù)雜度均較低，

30、適合于高速的數(shù)據(jù)傳輸，多用于離散多音調(diào)制(dmt)系統(tǒng)，但是該算法在速率適配過程中的迭代過程屏蔽了子載波信噪比的變化對(duì)于比特分配的激勵(lì)作用，犧牲了一部分系統(tǒng)性能以減小算法復(fù)雜度，因此仍然是一種次優(yōu)算法。ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)fischer算法ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) 假定目標(biāo)比特速率為 ，各個(gè)子載波上的最大速率為 ，目標(biāo)發(fā)送功率為 。此外，假定可以通過估計(jì)算法得到各個(gè)子載波上的噪聲方差 ， ，其中 為子載波數(shù)。trmaxrts2i1,2,.,innfischer算法具體步驟如下：初始化：令已使用的子載波數(shù) ，激活的子載波集合計(jì)算 中各個(gè)子載波可分配的比特?cái)?shù)目 ，有nn

31、1,2,.,nir2222log/ log1,2,.,itiilrrnin，ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù)由于激活子載波上所分配的比特?cái)?shù)一般情況下都不是整數(shù)，將 按照四舍五入的規(guī)則量化 ；量化誤差為 ； 如果 ，則轉(zhuǎn)到第步；否則轉(zhuǎn)到第步，對(duì)量化后的比特?cái)?shù)目進(jìn)行調(diào)整；在如果實(shí)際比特速率大于目標(biāo)比特速率，即 ，找到最小的 ， ， ，轉(zhuǎn)到第步；計(jì)算每個(gè)激活的子載波上分配的發(fā)射功率 ： 根據(jù)上述方法，就可以根據(jù)各子信道情況先為各子載波分配比特?cái)?shù)，然后再進(jìn)行相應(yīng)功率分配，從而實(shí)現(xiàn)在滿足一定速率和發(fā)送功率要求下最小化誤比特率。irqiriiqirrrqitirrqirqitirrir1qiqirr+

32、1iirris22qiqirtiirlis nsn 信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度 本章小結(jié)本章小結(jié)第第4章章 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度 在mimo系統(tǒng)中引入自適應(yīng)調(diào)制能夠提高頻譜效率以及系統(tǒng)性能。mimo自適應(yīng)調(diào)制算法的目標(biāo)是在恒定速率或固定的誤碼率條件下，追求最小的發(fā)射功率，或者在一定發(fā)射功率和誤碼率要求的情況下，最大化數(shù)據(jù)速率。這里考慮固定發(fā)射功率和誤碼率的前提下，通過分配發(fā)射功率達(dá)到最大化數(shù)據(jù)

33、速率。 最常見的mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)是在svd平行信道等效基礎(chǔ)上，在每個(gè)平行子信道上進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制算法。mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 當(dāng)采用qam調(diào)制方式且信噪比(這里用 來表示)在030db范圍內(nèi)時(shí)，誤碼率( )存在一個(gè)誤差小于1db的上界此時(shí)ber和snr的關(guān)系可以近似為：于是有 mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)berp1.6 /(21)0.2mberpe21,(1,2,4,6.)mm1.6/ln(5)berp 2log (1)iim21log (1)mwiicmimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)其中 為第 根天線分配的比特?cái)?shù)， 是歸一化的信道容量，也即最大數(shù)據(jù)速率。而該數(shù)據(jù)

34、速率是連續(xù)的,而在實(shí)際的傳輸中,由于實(shí)際調(diào)制方式的限制,某一時(shí)刻實(shí)際的數(shù)據(jù)速率是離散的,，因此需要對(duì) 進(jìn)行量化，而量化后的數(shù)據(jù)速率為：在特定ber條件下，容量最大化等價(jià)于數(shù)據(jù)速率的最大化。imiwcim21(log (1)miirround 如果接收端和發(fā)射端都能夠獲取信道狀態(tài)信息，就可以利用注水算法進(jìn)行功率分配，并將數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)制后從天線發(fā)射出去，通過對(duì)不同的信道狀況分配不同的功率使得數(shù)據(jù)速率最大化?；谧⑺墓β史峙浜捅忍丶虞d算法描述如下：mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)1( )( )riip kp k初始化，設(shè)第 個(gè)時(shí)刻的總功率為 ；根據(jù)svd分解和注水定理得到每根天線上分配的功率

35、，且有對(duì)式 進(jìn)行量化可得出每根天線分配到的比特 ；根據(jù)式 計(jì)算數(shù)據(jù)速率； ，跳轉(zhuǎn)至第步。k( )1,1p kk( )ip k22( )log (1)iiip km( )ir k21(log (1)miirround1, ( )1kkp k 與等功率分配算法相比，注水算法能夠根據(jù)信道狀況動(dòng)態(tài)分配功率，尤其是在低信噪比時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)有很大的改善。但是由于量化的存在，每根天線都會(huì)有一定的剩余功率，利用這部分剩余功率進(jìn)行重分配，可以進(jìn)一步提高傳輸速率?；谑Ｓ喙β手胤峙涞谋忍丶虞d算法描述如下：mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)1( )( )riip kp k初始化，設(shè)第 個(gè)時(shí)刻定總功率為 ；根據(jù)sv

36、d分解和注水定理得到每根天線上分配的功率 ，且有對(duì)式 進(jìn)行量化可得出每根天線分配到的比特 ；計(jì)算剩余功率 ；對(duì) 由小到大排序， 是第 跟天線上提高一個(gè)調(diào)制階數(shù)所需要的功率k( )1,1p kk( )ip k22( )log (1)iiip km( )ir k( )p k( )ip k( )ip kimimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)如果 ，跳轉(zhuǎn)第步，否則，跳轉(zhuǎn)第步；如果 ，跳轉(zhuǎn)第步；否則，跳轉(zhuǎn)第步； ，跳轉(zhuǎn)至第步( )( ),( )( )( ),1iip kp kp kp kp k ii in1kk 基于剩余功率重分配的比特加載算法引入了功率重分配使得浪費(fèi)掉的功率變得很小，因此，它能夠充分利

37、用發(fā)送功率從而大大提高了系統(tǒng)性能。mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 為了驗(yàn)證和比較以上幾種算法在系統(tǒng)容量方面的性能，我們進(jìn)行matlab仿真，仿真結(jié)果如下圖所示。對(duì)系統(tǒng)作如下假定：n4，m8；調(diào)制方式集合由bpsk、qpsk、16qam、64qam組成，即每符號(hào)分別代表1、2、4、6比特。目標(biāo)誤比特率為 。接收端采用mmse算法，目標(biāo)誤比特率下的數(shù)據(jù)速率理論上限由 得到31022211(log (1() )miir mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)0510152025300510152025303540cnr dbraterate plot comparation with diffe

38、rent allocations理 論改 進(jìn) 注 水等 功 率注 水平 均 功 率不同功率分配和比特下載算法的數(shù)據(jù)速率 信道狀態(tài)信息信道狀態(tài)信息 自適應(yīng)編碼調(diào)制自適應(yīng)編碼調(diào)制 harq混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 ofdm鏈路自適應(yīng)技術(shù)鏈路自適應(yīng)技術(shù) mimo自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù) 多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度 本章小結(jié)本章小結(jié)第第4章章 鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度鏈路自適應(yīng)及無線資源調(diào)度 多用戶調(diào)度算法，也稱為分組調(diào)度算法(ps，packet scheduling)，它的功能就是判決在什么時(shí)間為哪些用戶分配無線資源以完成通信。 這種調(diào)度算法都是以保證多用戶之間的公平性為前提的，同時(shí)需

39、要確保不同類別的業(yè)務(wù)達(dá)到必須的服務(wù)質(zhì)量(qos，quality of service)，而最終目標(biāo)是近似達(dá)到小區(qū)最大吞吐量。 常用的調(diào)度算法包括最大載干比(max c/i)算法、輪詢調(diào)度(rr)算法、比例公平(pf)算法、最大加權(quán)時(shí)延優(yōu)先和公平吞吐量算法。多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度常用多用戶資源調(diào)度算法多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度最大載干比算法 最大載干比算法的基本思想是基站根據(jù)用戶反饋的信道狀態(tài)信息，依據(jù)用戶的接收信號(hào)瞬時(shí)載干比值進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，并按該優(yōu)先級(jí)順序選擇用戶，保證在任意時(shí)刻總是瞬時(shí)載干比值最好的用戶得到服務(wù)。如果在某一時(shí)隙t內(nèi)有k個(gè)用戶需要進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)，用戶n的載干比值為 。那

40、么被服務(wù)的用戶n*為： 。 n *=1,2,=arg maxnknn 這種調(diào)度方法可以有效利用系統(tǒng)資源，提升系統(tǒng)吞吐量，且實(shí)現(xiàn)方法簡單。缺點(diǎn)是沒有考慮系統(tǒng)各用戶間的公平性。在實(shí)際系統(tǒng)中使用這種調(diào)度算法時(shí)某些信道條件較差的用戶一直無法獲得調(diào)度機(jī)會(huì)，造成用戶“餓死”現(xiàn)象。 輪詢調(diào)度算法基本思想是按某種確定的順序循環(huán)調(diào)度待服務(wù)用戶，使得用戶循環(huán)等時(shí)間占用系統(tǒng)無線資源。輪詢調(diào)度算法以每個(gè)用戶的服務(wù)優(yōu)先級(jí)相等為調(diào)度基礎(chǔ)，這種調(diào)度方式，可以實(shí)現(xiàn)用戶間的最佳公平機(jī)制既可以保證用戶間的長期公平性，也可以保證用戶間的短期公平性。 但是由于算法不考慮用戶的無線信道情況，對(duì)信道條件很差的用戶和信道條件好的用戶同等對(duì)

41、待，這樣很容易造成導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的降低。一般認(rèn)為輪詢調(diào)度算法是系統(tǒng)性能較差的一種調(diào)度方式，以犧牲系統(tǒng)容量換取系統(tǒng)最大公平性能，這種算法適用于信道條件較為一致的系統(tǒng)中。多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度輪詢調(diào)度(rr)算法多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度比例公平算法 比例公平(pf)算法折中考慮了系統(tǒng)容量和用戶調(diào)度的公平性，其基本思路是以用戶瞬時(shí)傳輸速率和平均傳輸速率的比值為優(yōu)先級(jí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)的大小進(jìn)行用戶的調(diào)度。這種優(yōu)先級(jí)計(jì)算的方法使信道條件越好的用戶優(yōu)先級(jí)越高，而在本次調(diào)度之前吞吐量越高的用戶優(yōu)先級(jí)越低。形成了信道條件和累計(jì)吞吐量之間的平衡，可以在提升系統(tǒng)容量的同時(shí)保證用戶之間的公平性同樣的如果在某一

42、時(shí)隙t內(nèi)有k個(gè)用戶需要進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)。那么用戶n服務(wù)優(yōu)先級(jí)(比例公平因子)可以由公式 計(jì)算得到，其中 為用戶的瞬時(shí)速率， 為用戶平均速率。nr( )nnrpf nrnr 在比例公平算法中，對(duì)于一個(gè)長時(shí)間進(jìn)行服務(wù)的用戶，即使其瞬時(shí)速率仍然較大，但隨著其吞吐量的提高，該用戶的比例公平因子也會(huì)逐漸降低，服務(wù)優(yōu)先級(jí)也會(huì)相應(yīng)降低。而相對(duì)信道條件較差，瞬時(shí)速率較低的用戶則可以獲得被服務(wù)的機(jī)會(huì)。因此比例公平算法有效的調(diào)節(jié)了資源利用率和用戶公平性之間的矛盾，在實(shí)際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度比例公平調(diào)度算法 最大加權(quán)時(shí)延優(yōu)先(m-lwdf，modified largest weighte

43、d delay first)算法是針對(duì)高速率業(yè)務(wù)流而提出的。該算法的主要思想是綜合考慮分組數(shù)據(jù)包的時(shí)延和信道質(zhì)量信息，其用戶優(yōu)先級(jí)的計(jì)算不僅和用戶當(dāng)前的信道質(zhì)量有關(guān)，還和數(shù)據(jù)包的隊(duì)列時(shí)延有關(guān)。其優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式是在比例公平算法的優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式中加入對(duì)隊(duì)列分組時(shí)延的考慮。多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度最大加權(quán)時(shí)延優(yōu)先算法 公平吞吐量調(diào)度算法就是依據(jù)用戶的吞吐量來確定用戶優(yōu)先級(jí)，進(jìn)而決定當(dāng)前應(yīng)該調(diào)度的用戶。這樣用戶的優(yōu)先級(jí)就和吞吐量成反比，從而保證了吞吐量低的用戶優(yōu)先級(jí)高，可以優(yōu)先調(diào)度，使得用戶之間吞吐量平衡。公平吞吐量算法的目的是為所有用戶提供相同的吞吐量，不用顧慮用戶的位置，用戶的信道質(zhì)量以及用戶的服務(wù)質(zhì)量要求，即用戶在基站附近和用戶在小區(qū)邊緣都可得到相同的吞吐量。多用戶資源調(diào)度多用戶資源調(diào)度公平吞吐量算法 ofdm