（通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)論文）基于公平性的mimo—ofdma動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究.pdf

基于公平性的m 1 m o o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 基于公平性的m i m o - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 專(zhuān)業(yè)：通信與信息系統(tǒng) 碩士生：陳金峰 指導(dǎo)教師：秦家銀教授 摘要 隨著無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展，人們對(duì)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更大的系統(tǒng)容量等 提出了一系列的要求。多天線(xiàn)發(fā)射多天線(xiàn)接收( m i m o ) 和正交頻分多址( o f d m ) 技術(shù)的相結(jié)合成為了當(dāng)今w i m a x 網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)4 g 網(wǎng)絡(luò)的主要物理層技術(shù)。應(yīng)用到 m 【m o o f d m a 系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配技術(shù)能夠根據(jù)各個(gè)用戶(hù)的信道狀態(tài)調(diào) 整相應(yīng)的子載波分配和功率分配等，適應(yīng)具有時(shí)間選擇性和頻率選擇性衰落特點(diǎn) 的無(wú)線(xiàn)信道，產(chǎn)生多用戶(hù)分集效應(yīng)，在有限條件下盡可能大的提高系統(tǒng)性能。 本文針對(duì)基于用戶(hù)公平性的最大化信道容量的問(wèn)題，從子載波分配、空間子 信道分配、功率分配和有限反饋等個(gè)方面進(jìn)行研究。 首先，在對(duì)m i m o o f d m a 自適應(yīng)資源分配基礎(chǔ)原理的介紹和研究現(xiàn)狀的 分析基礎(chǔ)上，對(duì)已有的w o n g 算法、x u 算法、盧小峰博士提出的算法進(jìn)行詳細(xì) 的分析，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 接著，本文把x u 算法和盧小峰博士的思想結(jié)合起來(lái)，并提出空間子信道選 擇的思想，包括多發(fā)兩收最優(yōu)分配的方案和多發(fā)多收門(mén)限選擇的方案。它們?cè)诒?證了系統(tǒng)用戶(hù)間公平性基礎(chǔ)上大大提高了系統(tǒng)的信道容量，而算法復(fù)雜度卻沒(méi)明 顯增加。 最后，從系統(tǒng)實(shí)用化的角度出發(fā)，把一種基于有限反饋的思想( 包括簇反饋 和最優(yōu)反饋) 運(yùn)用到m i m o o f d m 系統(tǒng)中。討論了簇大小和最優(yōu)反饋量的選 取范圍，適當(dāng)?shù)姆答伭坎粌H可以保證系統(tǒng)的用戶(hù)公平性和信道容量并且能夠大大 減少了信道狀態(tài)信息反饋量。 本文在理論研究基礎(chǔ)上，利用m a t l a b 仿真軟件進(jìn)行分析，驗(yàn)證了本文提出思 想和算法的有效性。 基于公平性的m i m o - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 關(guān)鍵詞：m i m o o f d m a ，子載波分配，功率分配，空間子信道，有限反饋 基于公平性的m i m o o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 s t u d yo nd y n a m i c r e s o u r c e sa l l o c a t i o na l g o r i t h m sw i t h f a i r n e s sf o rm i m o - - o f d m as y s t e m m a j o r ： c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ： j i n f e n gc h e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a y i nq i n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i tn e e d st oe n l a r g et h ed a t a r a t ea n ds y s t e mc a p a c i t y t h ec o m b i n a t i o no fm u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g ya n do 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 ) t e c h n o l o g yi s r e g a r d e d 髂t h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g yo ft h ew i m a x n e t w o r k n o w a d a ya n dt h ef o u r t hg 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 mi nt h ef u t u r e d y n a m i c r e s o u r g e sa l l o c a t i o nt h a ta p p l i e dt ot h em i m o - - o f d m as y s t e mc o u l da d j u s tt h e s u b c a r r i e ra n dp o w e ra l l o c a t i o n sa c c o r d i n gt ot h ec h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ( c s i ) o f e v e r yu s e r , w h i c hc a nm a k et h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma d a p tt ot h et i m es e l e c t i v e f a d i n ga n df r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l a sr e s u l t , t h es y s t e mc a no b t a i nt h e m u t i u s e rm u l t i p l e x i n gg a i na n di n p r o v et h ep e r f o r m a n c e 舔g r e a ta sp o s s i b l e i nt h i sp a p e r , o u ro b j e c t i v ei st om a x i m i z et h et o t a ls y s t e mc a p a c i t yt h a t s u b j e c t e dt ot h et o t a lp o w e ra n dp r o p o r t i o n a lr a t ec o n s t r a i n t so f e a c hu s e r w ed i s c u s s af e wq u e s t i o n sa sf o l l o w s ：t h es u b e a r r i e ra l l o c a t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o na n df e e d b a c k r e d u c t i o n f i r s t l y ，a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm i m o _ 。o f d m aa n dt h e e v o l u t i o no ft h er e l a t e dr e s e a r c h e s ，w es t u d yt h ew o n ga l g o r i t h m ，x ua l g o r i t h ma n d t h ea l g o r i t h mo fl ux i a o f e n g ，a n dt h e na n a l y z et h e i rm e r i t sa n ds h o r t c o m i n g s s e c o n d l y , t h ea u t h o re m p l o y st h ex ua l g o r i t h mi n t od o c t o rl u st h o u g h ta n d p r o p o s et h es p a t i a ls u b c h a n n e ls e l e c t i o ns c h e m e s ( i n c l u d i n gt h eo p t i m a la l g o r i t h mf o r 2r e c e i v ea n t e n n a sa n dt h et h r e s h o l ds e l e c t i o na l g o r i t h mf o rm o r ea n t e n n a s ) ，w h i c h 1 1 1 基于公平性的m i m o - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 c a r l g u a r a n t e et h ef a i r n e s sb e t w e e nt h eu s e r sa n dm e a n w h i l ei n c r e a s et h ec h a n n e l c a p a c i t yw i t ht h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi n c r e a s i n gj u s ta l i t t l e f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，w ee m l o yt h ef e e d b a c kr e d u c t i o n a l g o r i t h m s ( i n c l u d i n gt h ec l u s t e rf e e d b a c ka n ds t r o n g e s tf e e d b a c k ) i n t ot h e m i m o o f d m as y s t e m ，a n dr e s e a r c ht h eq u a n t i t yo fc l u s t e r sa n df e e d b a c k w i t h a p p r o p r i a t eq u a n t i t yo ff e e d b a c k , t h es y s t e mc a nr e d u c et h ec s if e e d b a c kq u a n t i t y s i g n i f i c a n t l yw h i l em a i t a i n i n gi t sp e r f o r m a n c e b a s i n go nt h et h e o r e t i cs t u d y ，w ed ot h es i m u l a t i o n si nm a t l a bs o f t w a r et o p r o v et h ev a l i d i t yo ft h ei d e a sa n da l g o r i t h m sm e n t i o n e da b o v e k e yw o r d s ：m i m o - - o f d m a ，s u b c a r r i e ra l l o c a t i o n ，p o w e ra l l o c a t i o n ，s p a t i a l s u b c h a n n e l ，f e e d b a c kr e d u c t i o n i v 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究 工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名 f s ! f 金干 日期：加礦彥年歹月2 汨 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解中山大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 學(xué)位論文并向國(guó)家主管部門(mén)或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版，有權(quán)將學(xué) 位論文用于非贏(yíng)利目的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書(shū)館、院系資料室被查 閱，有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用復(fù)印、縮印或其 他方法保存學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名：鼢辛 日期：功礦孑年i 月2 婦 磊 ， 和彩仞7 v 日r 擴(kuò) 1屠年 名 警 咿 師 輒 聊 嗍 基于公平性的m 【m o - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 1 1 引言 第1 章緒論 隨著人們?cè)谕ㄐ艠I(yè)務(wù)范圍的不斷擴(kuò)展，越來(lái)越多的服務(wù)內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率 提出了更高的要求，目前的系統(tǒng)將很難滿(mǎn)足未來(lái)通信業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，迫使人們 探索新的技術(shù)以滿(mǎn)足市場(chǎng)需要。另外，頻譜資源嚴(yán)重不足已經(jīng)日益成為制約無(wú)線(xiàn) 通信事業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此，如何充分開(kāi)發(fā)利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用 率，成為當(dāng)今無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。 在提高頻譜利用率的同時(shí)，我們還要保證傳輸?shù)目煽啃?，這就要求新的無(wú)線(xiàn) 通信技術(shù)能夠克服多徑衰落等各種不利因素的影響。下一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)將最大 限度地利用頻域、時(shí)域、碼域、空域等資源，于是多入多出( m i m o ) 和正交頻 分復(fù)用( o f d m ) 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 本章將首先回顧無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的發(fā)展歷史，展望未來(lái)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā) 展趨勢(shì)。然后簡(jiǎn)要地介紹第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，揭示現(xiàn)今無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通 信所存在的問(wèn)題和未來(lái)移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)，從而提出本課題研究的主要任務(wù) 和研究意義，并分析相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。本章最后給出本文的主要工作及章節(jié) 安排。 1 2 立題背景 1 2 14 g 網(wǎng)絡(luò) 目前我們正在使用的移動(dòng)通信系統(tǒng)和即將投入使用的系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)速率受 到限制，將不能適應(yīng)未來(lái)多媒體移動(dòng)通信的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求，因此在未來(lái)需要 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 4 g ) 來(lái)滿(mǎn)足這一發(fā)展要求，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)在技術(shù) 和應(yīng)用上較第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)將有質(zhì)的飛躍。 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)在業(yè)務(wù)上、功能上、頻帶上都將不同于第三代系統(tǒng)， 它可稱(chēng)為寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱(chēng)的超過(guò)2 m b p s 的數(shù)據(jù)傳輸能力。目 1 第1 章緒論 前，人們對(duì)于4 g 的具體技術(shù)和架構(gòu)還沒(méi)有統(tǒng)一的嚴(yán)格定義，但是在一些問(wèn)題 上已經(jīng)形成了普遍共識(shí)，未來(lái)的第四代移動(dòng)通信技術(shù)，將具備智能化，寬帶化， 個(gè)人化，移動(dòng)化的功能。那就剮1 1 1 2 1 3 1 1 4 1 5 】： ( 1 ) 4 g 系統(tǒng)要為用戶(hù)提供高頻譜效率、高可靠性的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音服務(wù)，其空 中接口應(yīng)該能支持1 0 0 m b p s 以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，頻譜利用率應(yīng)遠(yuǎn)大于3 g 系 統(tǒng)； ( 2 ) 4 g 系統(tǒng)應(yīng)該能有效支持全范圍的多速率業(yè)務(wù)，并能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)于服務(wù) 質(zhì)量的不同需求，可適用大動(dòng)態(tài)范圍的多種不同類(lèi)型的多媒體業(yè)務(wù)( 8 k b p s 一 2 0 m b p s ) ，并能夠保證各種業(yè)務(wù)所需的服務(wù)質(zhì)量； ( 3 ) 4 g 系統(tǒng)應(yīng)該能夠融合目前存在的多種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，是各種電信環(huán)境 的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的總和，如無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)、b l u e t o o t h 、3 g 蜂窩系統(tǒng)等， 使用戶(hù)的終端設(shè)備能夠在不同的制式之間透明地切換； ( 4 ) 發(fā)射功率低，將只有現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的十分之一到百分之一； ( 5 ) 4 g 是一種新型的移動(dòng)通信系統(tǒng)，以移動(dòng)數(shù)據(jù)為主，面向i n t e m e t 大范圍 覆蓋高速移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)與i p v 6 核心網(wǎng)互聯(lián)互通，符合全i p 的發(fā)展趨勢(shì)； 4 g 通信系統(tǒng)比3 g 通信系統(tǒng)具有更加優(yōu)良的性能，是一個(gè)遠(yuǎn)比3 g 復(fù)雜的通 信系統(tǒng)。它將要采用的關(guān)鍵技術(shù)主要有：正交頻分復(fù)用技術(shù)( o f d m ) 【6 1 ，自適 應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)，無(wú)線(xiàn)鏈路增強(qiáng)技術(shù)，智能天線(xiàn)技術(shù)，多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)，軟件 無(wú)線(xiàn)電技術(shù)以及基于全i p 的核心網(wǎng)等。 1 2 2 現(xiàn)代通信研究熱點(diǎn)技術(shù) 人們對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越大，要求的質(zhì)量也越來(lái)越高。但是實(shí)際 中有著很多的干擾制約著通信質(zhì)量，在寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，影響信道高速傳輸 的最主要的一類(lèi)干擾是由信道的多徑效應(yīng)所引起的頻率選擇性衰落。另外如何充 分提高無(wú)線(xiàn)資源的利用率也是很多研究者的關(guān)注重點(diǎn)。m i m o 和o f d m 技術(shù)結(jié)合 的提出成為了解決這些問(wèn)題的一個(gè)重大突破，將兩者相結(jié)合構(gòu)成的系統(tǒng)在技術(shù)上 相互補(bǔ)充，成為實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)信道高速數(shù)據(jù)傳輸最具希望的解決方案之一，具有非常 廣闊的研究和發(fā)展前景【引。 正如上文所述，m i m o 技術(shù)和o f d m 技術(shù)在4 g 網(wǎng)絡(luò)中都被視為最重點(diǎn)的技 2 基于公平性的m i m o - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 術(shù)。它們把m i m o 技術(shù)與o f d m a 技術(shù)結(jié)合使用，可以大幅提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力， 使系統(tǒng)容量和用戶(hù)吞吐量倍增，從而大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護(hù)成本，有效建 立和維持贏(yíng)利的商業(yè)模式，會(huì)大大推動(dòng)了移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展。 同時(shí)我們知道，未來(lái)通信要求在有限資源條件下，通信系統(tǒng)要為用戶(hù)提供高 傳輸速率和好的服務(wù)質(zhì)量( q o s ) 。于是在m i m o o f d m a 系統(tǒng)中如何使有限 的資源能夠盡可能地發(fā)揮最佳效能成為亟須解決的問(wèn)題，這就需求推動(dòng)動(dòng)態(tài)資源 分配技術(shù)的發(fā)展。動(dòng)態(tài)自適應(yīng)資源分配技術(shù)可以在有限條件下盡可能大的提高系 統(tǒng)性能，適應(yīng)具有時(shí)間選擇性、頻率選擇性和空間選擇性衰落等特點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信道。 所以對(duì)本論文題目?jī)?nèi)容進(jìn)行研究有很大的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。 1 3 研究現(xiàn)狀 自從t e l a t a r 9 】推導(dǎo)出多天線(xiàn)高斯信道容量，人們對(duì)m i m o 技術(shù)就異常關(guān)注。 m i m o 的技術(shù)多種多樣，在這里我們關(guān)注它的預(yù)編碼技術(shù)。在m 【m o o f d m a 系統(tǒng)問(wèn)題上，qr a l e i g h 提出過(guò)m i m os t v c ( 空間向量編碼) 和m i m od m t ( 離 散多音) 系統(tǒng)的思想【1 0 】，它們利用多個(gè)空間子信道進(jìn)行傳輸，發(fā)揮m i m o 提高 系統(tǒng)容量的作用，其中m i m od m t 系統(tǒng)接近于現(xiàn)今流行的m i m o o f d m 系統(tǒng)， 它比m i m os t v c 系統(tǒng)需要更低的復(fù)雜度。k kw o n g ，z h e n p i n gh u 等人利用信 道矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為該系統(tǒng)的波束加權(quán)值，最大化接收s n r 來(lái)對(duì)系統(tǒng)誤碼率、發(fā)射功率進(jìn)行優(yōu)化【l l 】【12 1 。y ah a np a n 他文章中考慮了利用 多個(gè)空間子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行子信道分配，研究誤碼率性能。 動(dòng)態(tài)o f d m 子載波分配算法的研究大致可以根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)分為兩類(lèi)，一類(lèi) 是在滿(mǎn)足速率和誤碼率要求下盡可能減小總的發(fā)射功率，另一類(lèi)是在額定功率下 使傳輸速率最大化。 傳輸功率最小化方面最經(jīng)典的是c yw o n g 等研究的下行多用戶(hù)o f d m 系統(tǒng) 中最優(yōu)的子載波、比特和功率聯(lián)合分配算法。他先提出了聯(lián)合優(yōu)化算法，算法復(fù) 雜度非常高。為此，c yw o n g 又提出了一個(gè)次優(yōu)的兩步算法m a o ( m u l t i u s c r a d a p t i v eo f d m ) 算法【1 4 】。然而，文獻(xiàn)中提出的算法復(fù)雜度仍然比較高。于是， w o n g 等又在【1 5 】中提出了一種能夠應(yīng)用在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的子載波分配算法。這種實(shí) 時(shí)分配算法的復(fù)雜度有所減少。仿真結(jié)果表明，通過(guò)幾十次迭代就能接近于最優(yōu) 第1 章緒論 的分配算法獲得的性能。 從信道容量的角度而言，r h e e 在【1 6 】中提出將每個(gè)子載波只分配給一個(gè)用戶(hù)， 從而大大簡(jiǎn)化了分析和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。r h e e 首先通過(guò)求解凸優(yōu)化問(wèn)題得到子載波 和功率分配方案。接著又基于平均功率分配提出了一種簡(jiǎn)單的迭代子載波分配算 法。文獻(xiàn)【l 刀中j 鋤g 嚴(yán)格證明對(duì)于多用戶(hù)o f d m 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了使傳輸速率最大化， 就應(yīng)當(dāng)將每個(gè)子載波只分配給在其上信道狀況最好的用戶(hù)，然后在各個(gè)子載波上 按照注水模型來(lái)分配功率。而文獻(xiàn)【l8 】中則提出一種不需要迭代的以最大化信道 容量為目標(biāo)的子載波分配算法，先估計(jì)出所需要占用的子載波和功率，然后再利 用h u n g a r i a n 算法來(lái)決定子載波和比特的分配情況。i a nc w r o n g 在他的文獻(xiàn)【1 9 】中 提出了有效的o f d m a 基于用戶(hù)公平的子載波分配方案，并改進(jìn)t z u k a ys h e n 啪1 提出的功率分配算法。注水功率分配算法一直是最大化信道容量的研究重點(diǎn)， z u k a ys h e n 提出的是線(xiàn)性注水算法，比傳統(tǒng)的迭代注水算法來(lái)說(shuō)降低了算法復(fù)雜 度，在后文會(huì)有詳細(xì)分析。 由于在m i m o o f d m 結(jié)構(gòu)中，每個(gè)子載波上的信道響應(yīng)都是一個(gè)矩陣， 并且當(dāng)目標(biāo)函數(shù)不同時(shí)，可以用來(lái)描述這個(gè)矩陣信道狀況優(yōu)劣的參數(shù)也是不同 的。因此，對(duì)于特定的傳輸策略和設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們需要研究不同的子載波分配準(zhǔn) 則。在m i m o o f d m 系統(tǒng)中，這方面的研究成果還是比較少。z h a n g 等【2 1 】將 問(wèn)題拓展到了基于s v d 傳輸?shù)膐 f d m 上行鏈路，提出了以發(fā)射功率最小化為 目標(biāo)的子載波分配算法。j i a nx u 針對(duì)i a nc w o n g 的子載波分配算法作出改進(jìn)， 使之達(dá)到更佳的用戶(hù)公平性，并運(yùn)用到m i m o o f d m 系統(tǒng)中( 本文把他們的 分配算法作為重要參考算法和改進(jìn)對(duì)象) 【2 2 1 。此外，g u a n g d i n gy u 提出了功率 比特分配的貪婪算法，更切合實(shí)際系統(tǒng)【2 3 1 。而華中科技大學(xué)盧小峰博士【2 4 】則提 出利用gr a l e i g h 的m i m o o f d m a 系統(tǒng)對(duì)子載波、功率資源進(jìn)行優(yōu)化，利用 空間子信道提高系統(tǒng)總?cè)萘?，但他沒(méi)有對(duì)用戶(hù)公平性進(jìn)行考慮( 本論文就在此基 礎(chǔ)上提出子空間信道的選擇方法和把用戶(hù)公平性考慮進(jìn)去進(jìn)行優(yōu)化) 。 由于b e a m f o r m i n g 技術(shù)和資源分配都依靠信道狀態(tài)信息( c s i ) ，對(duì)信道狀態(tài) 信息不理想的研究變得尤為重要。z h e n p i n gh u ，x u e j u nl i a n g 等人對(duì)非理想信道 反饋信息的進(jìn)行過(guò)研究，對(duì)誤碼率進(jìn)行了分析【2 5 】【2 6 】。在i s s a mt 0 u 訊的文獻(xiàn)【2 7 】 中，他提出了減少信道狀態(tài)信息內(nèi)容的方案，并對(duì)其信道容量進(jìn)行分析。 4 基于公平性的m i m o - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 梁曉雯博士在她的論文嘲3 中對(duì)0 f d m 的資源分配算法和信道信息的影響進(jìn)行 了研究，胡臻平博士在他的論文f 2 9 】中對(duì)多種m i m o - - o f d m 系統(tǒng)的自適應(yīng)算法 進(jìn)行了深入分析，這對(duì)本碩士論文都有一定的參考價(jià)值。 1 4 本文工作 ( 1 ) 本論文的m i m o o f d m a 系統(tǒng)采用預(yù)均衡技術(shù)( 有人稱(chēng)之為 b e a m f o r m i n g ) ，運(yùn)用該技術(shù)把m i m o o f d m a 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為s i s o - - o f d m a 系 統(tǒng)，于是傳統(tǒng)的基于用戶(hù)間公平的資源分配算法就能運(yùn)用到本系統(tǒng)上，并達(dá)到良 好的性能。 ( 2 ) 在上面系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)更多空域資源，改進(jìn)傳統(tǒng)分配算法，選擇多 個(gè)合適的空間子信道來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，達(dá)到性能上的提高。 ( 3 ) 把有限c s i 反饋的思想運(yùn)用到基于用戶(hù)公平最大容量的系統(tǒng)中，以最 大化信道容量和維持比例公平性為目標(biāo)，確定適合的簇大小和最優(yōu)反饋的量。 1 5 章節(jié)安排 本論文共分六章，各章內(nèi)容安排如下： 第一章簡(jiǎn)要回顧了無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了4 g 網(wǎng)絡(luò)的概況， 并帶出了多天線(xiàn)技術(shù)( m i m o ) 和正交頻分復(fù)用技術(shù)( o f d m ) 的研究現(xiàn)狀及重 點(diǎn)。 第二章介紹了瑞利通信信道的傳輸特性以及o f d m 和m i m o 系統(tǒng)的基本原 理，為后續(xù)章節(jié)資源分配算法的研究做了鋪墊。 第三章里面介紹了動(dòng)態(tài)資源分配算法的概況，并引出了本論文的目標(biāo)函數(shù)、 確立研究的系統(tǒng)。接著進(jìn)行基于用戶(hù)公平性的最大化信道容量動(dòng)態(tài)資源分配算法 的研究，分析了多種動(dòng)態(tài)資源分配算法，然后通過(guò)實(shí)際仿真加以比較證明它們的 優(yōu)缺點(diǎn)。 第四章提出選擇多個(gè)合適的子信道來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的思想。針對(duì)多發(fā)2 收和 多發(fā)多收的兩種情況進(jìn)行算法的改進(jìn)，從而開(kāi)發(fā)更多空域資源，通過(guò)仿真證明達(dá) 到性能上的提高。 第l 章緒論 第五章基于有限c s i 反饋的性能分析。本章首先把有限c s i 反饋的思想運(yùn) 用到基于用戶(hù)公平最大容量的系統(tǒng)中，分析分組數(shù)和最有反饋數(shù)對(duì)系統(tǒng)容量和公 平性的影響。然后對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到保證公平性基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高信道容 量的目的。 第六章對(duì)論文的全部工作進(jìn)行了總結(jié)，并討論了今后需要進(jìn)一步研究的方 向。 6 基于公平性的m i m m o h ) m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 第2 章川m o 一0 f d m 系統(tǒng) 2 1 r a l e i g h 衰落 2 1 1 r a l e i g h 衰落分布 我們知道，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道的時(shí)域沖激響應(yīng)可以表示為下式： l - ! h ( t ，f ) = h z ( t ) 6 ( r - r t ( t ) ) ( 2 1 ) 其中紅o ) = 舊o ) i p 塒o ，通常假設(shè)相位哆( ) 服從【一萬(wàn)，萬(wàn)】?jī)?nèi)的均勻分布。l 為 多徑的數(shù)量。而根據(jù)其幅度限p ) 1 分布的不同，稱(chēng)信道服從不同的衰落分布，其 q b r a y l e i g h 衰落分布、r i c i a n 衰落分布和n a k a g a m i 衰落分布是用的比較廣泛的。 下面重點(diǎn)介紹一下r a y l e i g h 衰落分布，因?yàn)檫@是本文仿真所采用的信道模 型。 r a y l e i g h 分布常用于描述平坦衰落信號(hào)或獨(dú)立多徑分量接收包絡(luò)統(tǒng)計(jì)時(shí)變 特性的一種分布類(lèi)型，很好地描述了非直視路徑( n l o s ) 的信道環(huán)境。i 島o ) l 服 從下面的分布： p ( 加云p 去，x o ( 2 2 ) q 是包絡(luò)檢波之前的接收信號(hào)包絡(luò)的時(shí)間平均功率，即 e ( | 吻( f ) 1 2 ) = 2 qm 。 2 1 2 具有多徑時(shí)延擴(kuò)展的衰落信道建模( 頻率選擇性衰落信道) 在這里我們通過(guò)單徑r a y l e i g h 衰落信道的生成來(lái)說(shuō)明仿真的信道統(tǒng)計(jì)模型。 仿真方法是用具有可變?cè)鲆婧蜁r(shí)延的r a y l e i g h 衰落仿真器實(shí)現(xiàn)。 首先，我們可利用同相和正交兩路g a u s s i a n 噪聲相加產(chǎn)生所需要的i 塒l e i 曲 7 第2 章v l i n i o - - o f d m 系統(tǒng) 包絡(luò)。參考圖2 - 1 。 圖2 1g a u s s i a n 噪聲頻譜成型濾波法【3 0 1 如果要確定平坦衰落對(duì)信號(hào)s ( t ) 的影響，只要將信號(hào)與衰落仿真器的輸出相 乘。要確定一個(gè)以上分量的影響，必須用下圖所示的卷積。這樣，根據(jù)增益與時(shí) 延的不同設(shè)置，可進(jìn)行平坦性或頻率選擇性衰落條件下的仿真。參考圖2 2 。這 也是本文仿真的信道模型【3 0 】。 圖2 - 2 頻率選擇性衰落信道仿真器【3 0 】 2 2o f d m 基本原理 2 2 10 f d m 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 0 f d m 技術(shù)是一種多載波傳輸技術(shù)，它把高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的 基于公平性的m l v i o 0 f i ) m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 子載波上傳輸，從而使每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間大大加長(zhǎng)，因而o f d m 技術(shù)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展 有較強(qiáng)的抵抗力，降低了符號(hào)間干擾的影響。o f d m 技術(shù)相對(duì)其它多載波調(diào)制的最 大優(yōu)勢(shì)是它的各個(gè)子載波的頻譜部分重疊，只要滿(mǎn)足子載波間相互正交，則可以 從混疊的子載波中分離出我們需要的數(shù)據(jù)信息。o f d m 允許子載波頻譜混疊，頻譜 效率大大提高，因而是一種高效的調(diào)制方式。o f d m 技術(shù)對(duì)窄帶干擾也有很好的抵 抗力，因?yàn)檎瓗Ц蓴_只影響o f d m 子載波很少的一部分。0 f d m 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正如圖2 3 所示，o f d m 系統(tǒng)把輸入的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)串并變化成多個(gè)并行序列，每個(gè)并行序列被 調(diào)制到相應(yīng)的子載波上，然后經(jīng)過(guò)i f f t ( i d f t ) 變換后就能得到時(shí)域數(shù)據(jù)，在 插入循環(huán)前綴( 用于降低載波間干擾i c i ) 后被發(fā)射出去。接收機(jī)則對(duì)經(jīng)過(guò)信道 衰落的接收信號(hào)進(jìn)行相反的處理過(guò)程，從而恢復(fù)原始數(shù)據(jù)【3 3 1 。 圖2 - 3o f d m 系統(tǒng)【刪 2 2 2o f d m 基本參數(shù)的選擇i 弘l 通常來(lái)講，對(duì)于o f d m 的基本參數(shù)，我們要確定以下：帶寬、比特速率以 及循環(huán)前綴。為了最大限度地減小由于插入保護(hù)比特所帶來(lái)的信噪比損失，希望 o f d m 符號(hào)周期長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于循環(huán)前綴長(zhǎng)度，但是符號(hào)周期長(zhǎng)度又不可能任 意大，否則就意味著o f d m 系統(tǒng)中要包括更多的子載波，從而導(dǎo)致子載波間隔 相應(yīng)減少，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度增加，而且還加大了系統(tǒng)的峰值平均功率比，同時(shí) 使系統(tǒng)對(duì)頻率偏移更加敏感。因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般選擇符號(hào)周期長(zhǎng)度是循環(huán) 9 第2 章m i m o - - o f d m 系統(tǒng) 前綴長(zhǎng)度的5 倍，這樣由于插入循環(huán)前綴所造成的信噪比損失只有l(wèi) d b 左右。 在確定了符號(hào)周期和循環(huán)前綴之后，子載波的數(shù)量可以直接利用- - 3 d b 帶寬 除以子載波間隔得到?；蛘呖梢岳盟蟮谋忍厮俾食悦總€(gè)子信道的比特速 率來(lái)確定子載波的數(shù)量。每個(gè)子信道中所傳輸?shù)谋忍厮俾士梢杂烧{(diào)制類(lèi)型、編碼 速率和符號(hào)速率來(lái)確定1 3 4 。 2 2 3o f d m a 在多用戶(hù)環(huán)境下，通過(guò)指定每個(gè)用戶(hù)可以使用o f d m 所有子載波中的一個(gè) ( 或一組) ，我們就得到了一種新的多址方式o f d m a 。o f d m a 類(lèi)似于常規(guī) 的頻分復(fù)用( f d m a ) ，但它不需要f d m a 中必不可少的保護(hù)頻帶，從而避免了頻 帶的浪費(fèi)，提高系統(tǒng)容量。此外，o f d m a 的分配機(jī)制非常靈活，它可以根據(jù)用 戶(hù)業(yè)務(wù)量的大小動(dòng)態(tài)分配子載波的數(shù)量( 與t d m a 中動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙數(shù)相似) ，并 且可以在不同的子載波上使用不同的調(diào)制制式及發(fā)射功率，因而可以達(dá)到很高的 頻譜利用率。這種模式下系統(tǒng)具有更小的二維時(shí)頻資源分配粒度，基于不同用戶(hù) 的子載波響應(yīng)質(zhì)量獲取頻率上的多用戶(hù)分集增益( m u l t i u s e rd i v e r s i t y ) 來(lái)對(duì)抗時(shí) 間選擇性和頻率選擇性衰落，提高了信道的利用效率。o f d m o f d m a 技術(shù)作為 4 g 移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)得到業(yè)界普遍共識(shí)p 5 | 。 可匝 e 謄緩。荔翰 1 8 紅二；緩荔 繆jj 荔； 話(huà)j 簪 一 ：，緩i 圖2 - 4o f d m 多址技術(shù) 基于公平性的m r m o o h ) m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 2 3m i m o 技術(shù) 2 3 1m i m o 簡(jiǎn)介 一般來(lái)講，m i m o 空時(shí)處理技術(shù)可以大致分為以下三類(lèi)： 第一類(lèi)是空間分集。這種技術(shù)是通過(guò)最大化空間分集增益來(lái)提高功率效率 的。它包括發(fā)射分集和接收分集，它們利用發(fā)射或接收端的多根天線(xiàn)來(lái)傳輸相同 的數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，降低系統(tǒng)誤碼率。 第二類(lèi)是空間復(fù)用。這種技術(shù)在發(fā)射端，高速率的數(shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低 速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同的發(fā)射天線(xiàn)上發(fā)射出去。由于多了空域 的維度，接收機(jī)能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不需付出額外的資源?？臻g 復(fù)用技術(shù)在高信噪比條件下能夠大大提高系統(tǒng)信道容量，并且能夠在發(fā)射端無(wú)法 獲得信道信息的條件下使用。其中v - - b l a s t 是典型的空間復(fù)用技術(shù)。 第三類(lèi)預(yù)編碼技術(shù)。它利用信道信息，通過(guò)對(duì)信道矩陣進(jìn)行特征根分解得到 相互正交的若干并行子信道的空分復(fù)用技術(shù)。經(jīng)過(guò)預(yù)編碼( 預(yù)加權(quán)) 使得只有具 有特定信道的用戶(hù)才能接收信號(hào)，在接收端不需要額外的處理，就可以進(jìn)行解調(diào) 和解碼。這里，預(yù)編碼技術(shù)在提高信道容量的同時(shí)能降低接收端復(fù)雜度，適合用 于蜂窩基站的下行處理。本論文正是研究這種技術(shù)結(jié)合o f d m a 方案的性能。 通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素，然而對(duì)于m i m o 來(lái)說(shuō)，多 徑則被作為有利因素加以利用，m i m o 技術(shù)能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)性能中存在的多 徑衰落影響因素變成對(duì)用戶(hù)通信性能有利的增強(qiáng)因素，它能夠在不增加所占的信 號(hào)帶寬的前提下使無(wú)線(xiàn)通信的性能改善幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 m i m o 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：極高的頻譜效率、可靠性。但m i m o 技術(shù)實(shí)際 上是一種窄帶傳輸技術(shù)，僅靠m i m o 技術(shù)能支持的傳輸速率有限，要進(jìn)一步提 高傳輸速率，必須增加帶寬。但又要滿(mǎn)足m i m o 技術(shù)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展可忽略這一假 設(shè)，因此m i m o 技術(shù)必須結(jié)合其它技術(shù)，如o f d m 技術(shù)等【3 6 】。 m i m o 可以抗多徑衰落，但是對(duì)于頻率選擇性深衰落，m i m o 系統(tǒng)依然無(wú)能 為力。目前解決m i m o 系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落方案一般是利用均衡技術(shù)，還有 一種就是利用o f d m 。4 g 需要極高頻譜利用率的技術(shù)，而o f d m 提高頻譜利用率 的作用畢竟是有限的，在o f d m 的基礎(chǔ)上合理開(kāi)發(fā)空間資源，也就是m i m o - - o f d m ，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。多用戶(hù)m i m o o f d m 系統(tǒng)中，不同的 第2 章m i m o - - o f d m 系統(tǒng) 用戶(hù)所處位置不同，受到的信道衰落也不同，所以可采用頻分多址( f d m a ) 獲得 分集增益，稱(chēng)之為m i m o - - o f d m a 系統(tǒng)【2 9 1 。 2 3 2m i m o 信道模型1 3 8 l 考慮n m 的窄帶m i m o 系統(tǒng)，即發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)分別是n 和m 。在 非頻率選擇性( 平坦) 衰落情況下，m i m o 信道模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，各對(duì)天線(xiàn)間 的子信道可以等效成一個(gè)瑞利衰落的子信道。 此時(shí)，m i m o 信道模型中的各個(gè)子信道可以建立為： 紅。j ( r ，f ) = 均，j ( t ) 8 ( r t o ) 1 其中h ，( f ) l 服從瑞利分布。接收信號(hào)的離散時(shí)間等效模型為： y - 耿+ n ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中x 為n 1 維發(fā)射信號(hào)向量，假設(shè)其元素均值為0 ，方差為的獨(dú)立 高斯隨機(jī)變量；y 為m 1 維接收信號(hào)向量；n 為零均值的高斯白噪聲矩陣。h 為m x n 維的隨機(jī)信道矩陣， h = 矗?？福? j l 紅紅：紅 。： 若在頻率選擇性信道模型，m i m o 信道矩陣可以表示為： 工 日( f ) = h 7 8 ( r - r , ) ，= l 2 3 3 m i m o 信道容量 ( 2 5 ) 對(duì)于分別配有n 根發(fā)射天線(xiàn)和m 根接收天線(xiàn)的m i m o 信道，發(fā)射端在不知 道傳輸信道的狀態(tài)信息條件下，如果信道的幅度固定，則信道容量可以表示為： r = l 0 9 2 【d e t ( k + 壽別( 2 - 6 ) 其中，f = p t r 2 為每根接收天線(xiàn)上的信噪比，盯2 為接收天線(xiàn)上的噪聲功率，p 基于公平性的m i m o o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 煅射麟q - 鬻髫k 為m i i l ( n ，m ) 階的單位矩盹 對(duì)于m i m o - - o f d m a 系統(tǒng)，總的信道容量為各個(gè)子載波信道容量之和，所 以其系統(tǒng)容量為【3 8 】 貯童k = ln 。f l k 扣：c k + 擎， 協(xié)7 ， 其中致。為第n 個(gè)子載波對(duì)用戶(hù)k 的信道響應(yīng)，這是由于信號(hào)在發(fā)送前經(jīng) 寸了i f f t 蠻攙 2 4 本章小結(jié) 移動(dòng)無(wú)線(xiàn)信道的最大特征是信道的時(shí)變性。因此，本章首先從時(shí)域( 多徑傳 播) 和頻域( 多普勒影響) 兩個(gè)方面對(duì)無(wú)線(xiàn)信道的特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，分析衰落特 征，首先介紹了移動(dòng)無(wú)線(xiàn)信道的各種衰落( 慢衰落、快衰落、選擇性衰落等) ；然 后信道模型的搭建進(jìn)行了深入的分析。 接著本章詳細(xì)介紹了o f d m 系統(tǒng)的基本原理，主要包括o f d m 系統(tǒng)的基本 模型、串并變換、o f d m 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的i f f t f f t 實(shí)現(xiàn)、保護(hù)間隔和循環(huán)前綴、 和參數(shù)選擇，分析、研究了o f d m 系統(tǒng)能夠抵抗i s i 和i c i 的原由。接著，本章 介紹了o f d m 系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 由于m i m o 技術(shù)充分開(kāi)發(fā)空間資源，在不需要增加頻譜資源和天線(xiàn)發(fā)送功 率的情況下，可以成倍地提高信道容量，將二者m i m o 和o f d m 技術(shù)結(jié)合起來(lái) 可以成為新一代移動(dòng)通信核心技術(shù)的解決方案。最后本章詳細(xì)介紹了m i m o 系 統(tǒng)及該系統(tǒng)在各種情況下的信道容量理論公式，為下文的容量?jī)?yōu)化算法分析作鋪 墊。 基于公平性的m i m o - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 第3 章 mim o - - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配 3 1 引言 m i m o 與o f d m 技術(shù)結(jié)合也被視為4 g 技術(shù)的核心，它要求在有限資源條 件下，為用戶(hù)提供高傳輸速率和好的服務(wù)質(zhì)量( q o s ) ，這需求推動(dòng)自適應(yīng)資源 分配技術(shù)的發(fā)展，最大限度利用系統(tǒng)潛在資源。 一般來(lái)說(shuō)，資源分配有兩個(gè)主要的目標(biāo)：最大化信道容量和最小化發(fā)射功率， 最大化信道容量就在功率恒定時(shí)最大化接收s n r ，而最小化發(fā)射功率就是滿(mǎn)足一 定的b e r 時(shí)盡量用最小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)相同的接收s n r ，現(xiàn)有的大多文獻(xiàn)都是以 這兩個(gè)目標(biāo)為代價(jià)函數(shù)的 3 。 本章主要討論基于用戶(hù)公平性最大化信道容量的目標(biāo)函數(shù)及其相關(guān)的資源 分配算法。 3 2 m i m o - - b e a m f o r m i n g ( m i m o 波束成型) 技術(shù) 前文已經(jīng)介紹過(guò)m i m op r e c o d i n g 是m i m o 的一項(xiàng)主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。m i m o - - b e a m f o r m i n g 技術(shù)正是m i m ol i n e a rp r o c o d i n g 的一種特殊形式。 l i n e a rp r o c o d i n g 可以看成是m i m o 中的一種預(yù)均衡技術(shù)，它根據(jù)信道狀態(tài) 信息( c s i ) ，在發(fā)送端對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行空間的編碼( 有人把它當(dāng)作是空間擴(kuò)頻，但 接收端不需要解擴(kuò)) ，將多路數(shù)據(jù)并行發(fā)送出去，在接收端不需要額外處理，就 可以進(jìn)行解調(diào)和解碼，直接接收到空間復(fù)用信道的信號(hào)。 m i m o - - b e a m f o r m i n g 技術(shù)根據(jù)c s i 對(duì)發(fā)射信號(hào)需要進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，將所有 能量集中在發(fā)送協(xié)方差矩陣特征值最大的向量上進(jìn)行發(fā)送。接收端利用一定的準(zhǔn) 則接收，從而提高接收端信噪比為目的，即提高了系統(tǒng)可靠性。在多用戶(hù)的情況 下，b e a m f o r m i n g 可以在接收端只接收感興趣用戶(hù)的信息，即此時(shí)的用戶(hù)的信號(hào) 功率要比其非感興趣的用戶(hù)功率和都大很多，或稱(chēng)作此時(shí)波束對(duì)準(zhǔn)了這個(gè)用戶(hù)。 作為一種優(yōu)化系統(tǒng)性能的傳輸策略，b e a m f o r m i n g 從信噪比角度而言是最優(yōu) 第3 章m i m o - - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配 的，因?yàn)樗诎l(fā)射端利用了信道信息，通過(guò)線(xiàn)性處理使所有傳輸功率對(duì)準(zhǔn)一個(gè)方 向而獲得了陣列增益，接收端經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理就可以保證輸出信噪比最大。在文 獻(xiàn)【1 1 】中，k kw o n g 就提出了m 【m o b e 鋤f o r n l i n g 的系統(tǒng)并導(dǎo)出最優(yōu)加權(quán)向量。 文獻(xiàn)【加p l i 4 1 】把該系統(tǒng)擴(kuò)展到多用戶(hù)模式，本章正是基于k kw o n g 的m i m o - - b e a m f o r m i n g 系統(tǒng)進(jìn)行研究。m i m o - - o f d m a - - b e a m f o r m i n g 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖3 - 1m i m o - - 0 f d m a - - b e a m f o r m i n g 系統(tǒng) 多用戶(hù)m i m o o f d m a 系統(tǒng)上圖所示，基站端有m 根發(fā)射天線(xiàn)，每個(gè)用 戶(hù)端有m 根接收天線(xiàn)，o f d m 子載波數(shù)為n ，每個(gè)子載波只分配給一個(gè)用戶(hù)。 假設(shè)系統(tǒng)中有k 個(gè)用戶(hù)，并且用戶(hù)是均勻分布在小區(qū)中的，這樣各個(gè)用戶(hù)所經(jīng) 歷的信道可以看作是相互獨(dú)立。 定義mxm 維矩陣磁鞏。為用戶(hù)k 在子載波i 上的信道增益矩陣( 即上 文提到的信道響應(yīng)矩陣) ，矩陣元素 研 蹦表示第q 根發(fā)射天線(xiàn)到第p 根接收天 線(xiàn)之間的信道響應(yīng)。通過(guò)配置合適的天線(xiàn)加權(quán)系數(shù)，通過(guò)可以根據(jù)信道矩陣來(lái)構(gòu) 1 6 基于公平性的m i m o - o f d m a 動(dòng)態(tài)資源分配算法的研究 建一組并行信道( 即空間子信道) 。 在本節(jié)中，我們將首先分析單用戶(hù)系統(tǒng)中子載波i 上發(fā)射端波束成型向量q 和接收端合并向量諺的選取，進(jìn)而得出多用戶(hù)環(huán)境中的子載波分配準(zhǔn)則。 對(duì)于一個(gè)單用戶(hù)m i m o - - o f d m a 系統(tǒng)，接收端第i 個(gè)子載波上的接收符號(hào) 可以表示為： 影= e q 五+ 惕( 3 - 1 ) 其中，是n xl 的復(fù)高斯噪聲向量，它的每個(gè)元素的都是均值為0 、方差 為d 的復(fù)高斯隨機(jī)變量。在接收端，使接收信噪比最大化的方式是最大比合并， 對(duì)于式( 3 - 1 ) ，相應(yīng)的最大比合并向量為： 4 = ( 只q ) 日 ( 3 2 ) 因此，對(duì)( 3 1 ) f l q 接收信號(hào)進(jìn)行最大比合并處理后所得的信號(hào)刁可以表示為： 刁= ( 耳c f ) 日( 耳q ) 薯+ ( 耳q ) 日珥 ( 3 3 ) 于是經(jīng)過(guò)最大比合并后接收端第i 個(gè)子載波上的接收信噪比為： s n r = 可e 4 h 麗t h c 礦x 1 2 = 每r 群耳q ( 3 4 ) e 時(shí)h ? n 弋、 n q ll 廣 其中e 代表均值運(yùn)算符，e 代表子載波i 上調(diào)制符號(hào)的能量，當(dāng)采用自適 應(yīng)功率加載時(shí)，它是一個(gè)可變的量。我們己經(jīng)假設(shè)系統(tǒng)采用功率平均分配的方式， 可以認(rèn)為它是不變的