多用户OFDMA系统资源分配算法分析

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独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量学院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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国计量学院有关保留、使用学位论文的规定。特授权中国计量学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日 致谢在毕业论文完成之际，首先我要感谢我的导师李君老师。在研究生阶段，李老师给予我非常重要的科研学习指导，使我在课题的研究上受益匪浅。这些极其宝贵的建议我对以后学习方式的改进有着深刻意义。在科研任务遇到问题时，李老师都会在百忙之中抽出时间与我进行探讨。李老师对问题的思考方式和跳跃性思维使我对科研以及解决问题的方式上有了全新认识。同时李老师也悉心指导我在生活上一些困惑的选择和处理，并给与我以理性的分析和建议，对我的帮助极大。其次，我要感谢学校老师给予我的帮助，以及与同学们一起的美好校园生活。最后，我要感谢我的家人，谢谢你们给予的支持和力量。让我成长的路上有坚实的后盾，至关重要的指引和最真挚的关怀。吴明敏2015年6月 多用户OFDMA系统资源分配算法研究摘要：未来无线通信业务要求系统能具有高质量高速率的数据传输能力，而无线频谱资源却极为紧缺。系统要保证可靠高质的服务，频谱资源利用程度提高的必要性变得尤为突出。正交频分多址接入（OFDMA）一些特性使得它成为第四代通信系统的关键技术，如：在对抗频率选择性衰落上突出表现，在频谱利用率上较以往的系统有较大提高。OFDMA通过采用正交频分复用的方式，各个子载波相互间是正交互不干扰的，这使得OFDMA资源分配较以往的方式变得更为灵活。在资源分配上与以往静态的分配不同，在OFDMA系统中依据系统各个参数及要求，通过动态的资源分配，可以合理的分配系统资源使得系统在优化目标上的性能有较大的提升。多用户OFDMA系统的资源分配优化目标是提升频谱效率方面的性能，在限制条件方面有诸如总功率限制以及用户速率上的限制等。资源分配算法依据用户信道信息以及用户业务要求，将子载波资源分配给相应的用户并给子载波分配一定的功率资源。从而使得在系统约束条件保证的情况，提升系统在优化目标上的性能。本文针对OFDMA系统在频谱效率与用户公平性两个方面的性能进行资源分配的优化。通过改进以往考虑公平性约束条件资源分配算法的不足，并加入新颖的资源分配方案，提出了基于子载波权衡的资源分配算法与公平性阈值资源分配算法。两种算法的核心思想以及系统性能表述如下。在考虑用户速率限制条件的算法中，比例公平性算法通过引入比例公平性的约束，使得各个用户的速率要求能够得到充分的保证。在资源分配的过程中寻找当前公平性最差的用户，将其确定为此次需分配资源的用户，给其分配子载波。从而使得各个用户的速率比与系统给定约束条件趋于一致。然而，该分配方案在子载波被分给最差公平性用户时，此被分配的子载波可供选择的用户只有一个，并不能使其被分配给信道增益更高的用户。为使得上述的子载波能够得到更充分的利用，本文提出了基于子载波权衡的分配算法。在将子载波分给公平性最差用户时，进行子载波权衡。将本预备分配给公平性最差用户的子载波分配给权衡用户，并从已分配给权衡该用户的子载波中取一权衡子载波重分配给公平性最差用户。依据权衡前后的信道增益的变化情况确定子载波分配。仿真结果表明，系统在用户公平性方面的表现得到了保证，在此基础之上算法减小了约为36%频谱效率的损失。在迭代注水算法中，算法在每次子载波分配时，依据注水功率算法计算当前各个子载波所获得的功率。使得资源分配过程中，用户的公平性较比例公平性算I 法相比有了一定的提升。然而，迭代注水算法是针对信噪比较低情况下的资源分配，系统的频谱效率更为重要。因此如何平衡系统在频谱效率和用户公平性这两个方面上的性能变得尤为关键。针对这点本文提出公平性阈值算法，在进行子载波分配时对当前用户公平性进行计算。若当前用户公平性尚未达到阈值的要求，则进行优化用户公平性的资源分配。若当前用户公平性已达到阈值要求，则进行优化频谱效率的资源分配。仿真结果表明，算法通过在资源分配中设定公平性阈值，有效调整了资源分配在频谱利用率和用户公平性上的性能。关键词：OFDMA；资源分配；频谱效率；用户公平性分类号：TN911UDC621II TheResearchofMulti-userOFDMASystemResourceAllocationAlgorithmAbstract：Futurewirelesscommunicationservicesrequiresystemhascapabilityofhigh-qualityandhigh-speed,howeverradiospectrumresourceisextremelyscarce.Toprovidereliablequalityofservice,itisimportanttoeffectivelyimprovetheutilizationofspectrumresource.Orthogonalfrequencydivisionmultipleaccess（OFDMA）hashighspectralefficiencyandthecharacteristicofresistingtofrequencyselectivefading,whichmakesitbecomethekeytechnologyofthefourthgenerationofmobilecommunication.OFDMAadoptsorthogonalfrequencydivisionmultipleascoretechnology.Inthesystem,eachsubcarrierisorthogonaltoeachother.AndthismakesOFDMAresourceallocationsystemmoreflexible.DifferentfromthepaststaticresourceallocationinOFDMAsystems,throughdynamicresourceallocationalgorithm,itisreasonabletoallocatesystemresourcesothatthesystemperformancegreatlyimproves.Resourceallocationoptimizationofmulti-userOFDMAsystemistomaximizethesystemspectralefficiency.Furthermore,resourceoptimizationhasotherdifferentconstraints.Suchasthetotalpowerconstraintanduserfairnessconstraint.Basedonuserchannelinformationanduserbusinessrequirements,Resourceallocationalgorithmallocatessubcarrierstocorrespondingusersandassignscertainpowerresourcetothesubcarriers.Sothatalgorithmimprovessystemperformance,atthesametimealgorithmalsoguaranteessystemconstraints.ThispaperoptimizestheperformanceofspectralefficiencyanduserfairnessinOFDMAresourceallocation.Throughimprovingtheinadequatepartoftheoriginalresourceallocationalgorithms,andaddingnovelresourceallocationschemes,resourceallocationalgorithmbasedonsubcarriertradeoffandfairnessthresholdalgorithmareproposed.Thecoreideaofthetwoalgorithmsandsystemperformanceareexpressedasfollows.Inresourceallocationalgorithmofconsideringthefairness,proportionalfairnessalgorithmmakesuserfairnessbeguaranteedbyintroducinguserproportionalfairnessconstraint.Algorithmfindstheworstcurrentfairnessuser,andgiveshighallocationprioritytothisuser.Sothattheratioofeachuser’sratetendstosystemconstraint.However,whileallocatingsubcarriertotheworstfairnessuser,thesubcarriercannotIII getthebestsubcarrierallocation.Tosolvethisproblem,thispaperproposedaresourceallocationalgorithmbasedonsubcarriertradeoff.Whileallocatingsubcarriertotheworstfairnessuser,systemexecutedthesubcarriertradeoff.Thetradeoffusergotthesubcarrierwhichshouldbeallocatedtotheworstfairnessuser.Thentheworstfairnessusergotasubcarrierfromthetradeoffuser.Systemexecutedthesubcarrierallocationbasedonthechannelgainvariationaftersubcarriertradeoff.Thesimulationresultshowsthatthealgorithmensurestheuserfairness,whilereducingabout36percentresourceallocatedlossinspectralefficiency.Intheiterativewater-fillingalgorithm,duringeachsubcarrierallocation,algorithmcalculateseachsubcarrier’spowerbasedonwaterwater-fillingalgorithm.Andthismakesperformanceofuserfairnessbettercomparedtoproportionalfairnessalgorithm.However,theiterativewater-fillingalgorithmforresourceallocationisunderthesituationoflowsignaltonoiseratio,andinthisscenariothespectrumefficiencyofthesystembecomesmoreimportant.Therefore,thebalancebetweensystemperformanceinspectralefficiencyanduserfairnessbecomesparticularlycritical.Thispaperproposedfairnessthresholdalgorithm,systemcalculatedtheuserfairnessduringsubcarrierallocation.Ifthecurrentuserfairnesshadnotreachedthefairnessthreshold,systemwouldallocatesubcarrierstooptimizetheuserfairness.Ifthecurrentuserfairnesshadalreadyreachedthefairnessthreshold,systemwouldallocatesubcarrierstooptimizethespectralefficiency.Simulationresultsshowthatsystemeffectivelyadjustsresourceallocationperformanceofspectrumefficiencyanduserfairnessbysettingfairnessthreshold.Keywords：OFDMA;resourceallocation;spectrumefficiency;userfairnessClassification：TN911UDC621IV 目次摘要...............................................................................................................................I目次..............................................................................................................................V图和附表清单...........................................................................................................VII1绪论.........................................................................................................................11.1研究背景...........................................................................................................11.2研究现状...........................................................................................................31.2.1OFDMA技术的发展..................................................................................31.2.2OFDMA系统的资源分配...........................................................................41.2.3OFDMA系统资源分配现状.......................................................................51.3本文主要工作与内容安排...............................................................................62OFDMA系统的基本原理......................................................................................82.1无线信道模型...................................................................................................82.1.1大尺度衰落.................................................................................................82.1.2小尺度衰落.................................................................................................92.2OFDM技术......................................................................................................102.2.1正交频分复用...........................................................................................102.2.2循环前缀...................................................................................................112.2.3OFDM系统模型......................................................................................122.2.4OFDM系统特性......................................................................................132.3OFDMA系统...................................................................................................142.3.1多址接入技术...........................................................................................142.3.2OFDMA系统模型...................................................................................162.3.3OFDMA系统特点...................................................................................172.4本章小结.........................................................................................................183多用户OFDMA系统资源分配...........................................................................193.1多用户OFDMA系统资源分配问题.............................................................193.1.1速率自适应优化.......................................................................................193.1.2余量自适应优化.......................................................................................203.2注水功率分配.................................................................................................213.3常见的多用户OFDMA系统资源分配算法.................................................233.3.1频谱效率最大化资源分配.......................................................................24V 3.3.2用户公平性资源分配...............................................................................283.3.3迭代注水资源分配...................................................................................323.4本章小结.........................................................................................................354基于子载波权衡的资源分配算法.......................................................................364.1算法基本思路.................................................................................................364.2子载波权衡算法实例.....................................................................................384.3复杂度分析.....................................................................................................394.4仿真结果与分析.............................................................................................394.5本章小结.........................................................................................................435公平性阈值资源分配算法...................................................................................445.1算法基本思路.................................................................................................445.2算法分配过程.................................................................................................445.3仿真结果与分析.............................................................................................465.4本章小结.........................................................................................................486总结与展望...........................................................................................................49参考文献....................................................................................................................51作者简历.....................................................................................................................55VI 图清单图2.1正交频分复用示意图...................................................................................11图2.2添加循环前缀的OFDM符号......................................................................11图2.3OFDM发送端调制模块...............................................................................12图2.4OFDM接收端模型.......................................................................................13图2.5OFDM收发机框图.......................................................................................13图2.6OFDMA资源分配模型................................................................................17图3.1注水功率分配示意图...................................................................................22图3.2各个子载波对于用户的噪信比...................................................................23图3.3确定分配后的子载波噪信比与功率分配...................................................23图3.4平均功率与实际功率分配示意图...............................................................30图3.5低信噪比时平均功率示意图.......................................................................32图3.6低信噪比时注水功率示意图.......................................................................32图4.1子载波权衡示意图.......................................................................................36−2图4.2系统总功率为Ptotal=10，算法在频谱效率上的性能................................41−2图4.3系统总功率为Ptotal=10，算法在公平性上的性能....................................41-3图4.4系统总功率为Ptotal=10，算法在频谱效率上的性能...............................42-3图4.5系统总功率为Ptotal=10，算法在公平性上的性能...................................42图5.1算法在频谱效上的性能比较.......................................................................46图5.2算法在公平性上的性能比较.......................................................................47表清单表3.1类贪婪算法子载波分配示例.......................................................................25表3.2最差用户优先分配算法子载波分配示例...................................................26表3.3最差子载波优先分配子载波分配示例.......................................................27表4.1子载波权衡示例...........................................................................................39VII 中国计量学院硕士学位论文1绪论1.1研究背景自20世纪70年代初现蜂窝式移动电话系统出现以后，近几十年以来，无线通信的发展日新月异。与最初模拟通信的面貌相比，如今的通信以智能高速为特征。以往笨重的只能用于通话的大哥大，早已被现在能够高清在线视频的智能移动终端所代替。通信技术在经过多年的发展后，逐步迈向更成熟的阶段，通信系统的功能与性能都在日益完善。在最早的第一代的通信系统中，采用的是模拟技术以及蜂窝通信的方式。如应用于北美的AMPS（AdvantageMobilePhoneSystem）系统以及北欧的NMT（NordicMobileTelephony）系统。虽然通过采用蜂窝技术使得通信系统在解决频谱资源匮乏上有了很大的突破，但只能满足限制条件较高的区域性的语音通话，而且系统在总体的容量、设备间的相互兼容性和提供漫游的服务上有很大缺陷。第一代通信技术采用的多址的方式是频分多址技术，系统把整个的频段有间隔的分开来给系统中各个用户使用。各个用户之间在频段上不能有重复，而且为了避免相邻频段之间的干扰，系统加入了一定的频率间隔。这些频分设置浪费了频谱的资源，导致通信速率只能保证传统的语音通话业务。与最早一代的通信系统不同，第二代通信系统在许多方面有了飞跃的改进。随着硬件技术的发展，集成电路方面有了很大的进步，第二带通信系统通过采用数字通信的方式，从而使系统在通信安全问题、通信标准的程度等方面较之前的通信系统相比有了很大的提升。第二代通信技术采用的多址方式有时分多址[1][2]（TDMA）以及码分多址（CDMA）技术。时分多址技术对应的是广泛推广的GSM系统，在指定的时隙对用户的数据进行传输。码分多址技术对应的是IS-95系统，各个用户通过独有地址码来传输信息数据。与上一代的通信系统相比，在数据速率方面的性能有显著增加。然而面对各种高数据速率业务突飞猛进的发展，第二代通信系统的数据传输速率仍需要进一步的提升来保证高质量的数据传输。第三代的通信系统以演进的码分多址技术为基础，主要的标准有全球覆盖率[3][4][5]最高的WCDMA，其次是CDMA2000以及TD-SCDMA。第三代通信系统较以往相比在许多方面有了很大的提升，可以满足业务更多样的数据传输的服务。但是由于各个标准之间相互兼容的问题，使得第三代通信系统没有统一的标准，导致移动网络的融合有很大的阻碍。另外随着无线通信业务的发展，高清晰1 中国计量学院硕士学位论文度视频业务以及高速移动实时业务急速增加，使得第三代通信系统需要进一步的提升这些方面的性能来提供更好的服务。为进一步提升通信质量以保证更高更快更复杂的服务，第四代通信系统被作为实现该任务的方案。随着高级国际系统IMT-Advanced（InternationalMobileTelecommunications-Advanced）各个方案的提出以及国际电联ITU（InternationalTelecommunicationUnion）在相关频谱划分工作的完成，在ITU-RWP5D会议[6][7][8]上，LTE-AdvancedFDD、802.16m以及中国的TD-LTE-Advanced下一代通信方案成为第四代移动通信技术。与上一代的通信系统相比，第四代通信系统在多个方面有了很大的进展，在通信业务上也相应的有了极大的变化。在业务方面，可以满足较第三代系统速率高出数十倍的高数据速率业务。数据速率可以达到100Mbps，与第三代移动通信2Mbps速度相比有了极大的突破，这也是4G系统满足当前通信需求的重要前提。此外，系统完全改变了以往单一的通信方式，通过以高速率的数据传统作为基础，使得多种业务可以随时随地接入到无线网络之中。从用户的使用环境角度上来看，4G系统可以实现用户从步行速度的无线数据传输到车速的高质量数据传输。在兼容性方面，4G系统是在以往的通信技术的基础上加入技术的创新与更新，从而使得系统的建设可以建立在当前已有的各种通信设施上，这在系统的商业推广上起到了极大的促进作用。在多种网络融合的角度上来看，系统提供的通信服务不受平台间的约束，可以为固定的以及移动的平台提供有效的通信服务。相比于上一代通信技术的兼容性极差的问题，有着很好的表现，可以让不同的网络相互之间进行联接。从通信智能化方面，通过自适应调整的体系，在与当前迅速发展的智能移动通信终端相结合下，使得与通信相关的业务较以往能更好的与人们进行互动交流。根据用户的业务需求来动态改变相应的系统要求，从而保证用户对于通信业务的体验较以往系统有了极大的改进。系统通过采用全数字全ip的技术，使得[9]用户的服务质量（QualityofService）有了保证。采用的ipv6技术较以往技术相比，系统有了更大的寻址的空间，改善了以往寻址资源紧缺的困境。得益于这种网络架构，用户将获得在多种网络间无缝漫游的数据业务体验。此外，系统在安全性方面也有了很大的改进，在通信安全这一方面进一步提升了系统的性能。虽然随着通信技术的不断的改进与发展，通信系统的各个系统性能，与以往的单一低端的情况相比，有了极大的进步。但是如今各种智能移动终端的普及且正在迅速发展，无线通信系统中用户的业务需求也相应的呈现爆炸性增长的趋势。以往用户的通信需求，往往是对通信服务质量要求较低的语音通话以及一些低速率的数据业务。在迈入无线宽带通信的大环境下，用户业务主要转向高数据2 中国计量学院硕士学位论文速率要求的多媒体业务，如移动视频会话，移动在线高清视频浏览下载等。虽然第四代通信系统可以实现何时何地进行数据的传输，但是要获得不同环境下高质量的数据业务服务，较多的约束条件对系统要求仍然十分苛刻。此外，不同于以往形式和内容的单一，这些用户业务较以往相比，具有多样性以及高数据速率要求的特点，对通信系统有较高的服务质量要求。然而，面对不断急剧增长的业务要求，保证数据传输速率的相应迅速增长却尤为困难。系统要获得更高的数据传输速率来保证不断发展的业务速率要求，需要从优化资源分配方案以提高无线频谱资源利用率这一方面着手。然而，无线频谱资源是非常稀缺的，不会随着数据业务要求的发展而有所改善。因此，如何有效的利用无线频谱资源以提升系统的性能，从而进一步的满足急剧增长业务的需求，显得尤为重要。1.2研究现状1.2.1OFDMA技术的发展OFDMA（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess）以其特有的优势成为了第四代移动通信系统中的核心技术。它是以正交频分复用（OFDM）为基础并结合多址接入的一种技术。由于无线通信的特殊性，不同于以往的有线信道传输，无线信道中存在着多径效应以及信道衰落，这对于通信系统中可靠的业务质量是有极大负面作用的。面对这一情况，有效的利用现有的无线资源尤为重要，OFDMA技术可以根据用户需求以及当前的通信环境进行自适应的资源分配，这使得它可以成为有效改进系统在资源分配方面性能的关键技术，从而成为了4G系统中的关键部分。OFDM技术是一种多载波的调制技术，核心思路是将信道分成多个子信道进行数据的传输，从而提高了系统传输速率。其实这一个想法早在上个世纪60年代就已经被提出来了，当时该项技术的主要应用是为了解决高频系统中的调制问[10,11]题。然而由于硬件方面技术的约束，以及实现系统相应的复杂度极高，导致了进一步进行OFDM技术在硬件上发展尤为困难。随着近来硬件设备技术的迅速发展，以及OFDM技术在复杂度上的优化，正交频分复用技术的硬件实现的可行性得到了保证。这也使得OFDM技术运用在通信系统中复杂度方面的障碍有了极大的突破。1971年，采用离散傅立叶变化DFT方法思想的提出使得在硬[12]件上的突破得以实现。Ebert等人提出的这一思路使得OFDM技术从理论到实际应用的前景与以往受到制约的情况相比，变得十分广泛。然而，在另外一个方面技术上的阻碍仍然制约着OFDM技术发展的进一步3 中国计量学院硕士学位论文前进。这就是在多个子载波之间以及各个符号之间的干扰对系统性能产生了较为不良的影响。1980年，循环前缀这一思想的提出使得前一问题得以很好的解决，[13]Peled和Rui的这一方法有效的解决了对系统产生极大影响的干扰问题。另一方面数字信号处理逐渐成熟，而且大规模集成电路也有了一定发展。快速傅立叶变换FFT在硬件上的应用不再像以往那么繁琐复杂，即使在子载波达到上千多个的情况下，仍能保证技术在硬件上的有效实施，这也更进一步的促进了OFDM技术的发展，为这一核心的技术往后在通信这一领域更为广阔的应用奠定了非常扎实的基础。[14]随着基于OFDM技术的多址接入这一思路的提出，OFDMA以OFDM较高频谱利用率以及自身的可以有效的资源分配调整的优势，使得这一具有独特优势的技术就成为了众多研究者的热门的方向。如何去进一步挖掘对频谱资源的利用、进一步有效的进行资源的合理分配，从而保证系统拥有更好的服务质量，成为当前的热点。1.2.2OFDMA系统的资源分配OFDMA中的资源分配是有效的进一步利用已经极为匮乏的频谱资源的方法。通过从香农公式所得到的信息可以分析出，要使系统可以相比于以前有着更高的容量从而达到更高的业务速率要求，可以选择从两个方面来进行一定程度的提高，即通过增加当前系统的带宽或者提高说传输信号的信噪比。然而在无线通信这种信道环境非常复杂以及绿色通信的大环境要求下，通过没有节制的提高信号功率来增加信号的信噪比可以说是非常不现实的。而带宽在无线通信则是非常宝贵的资源之一，因此充分把当前仅有的稀缺带宽资源利用起来是非常关键的一项任务。在OFDMA的系统中，资源分配的目标总体来讲是为了达到系统所要求的一定的服务质量要求，并且需要在系统所能承受的约束条件下进行。比如：系统在各个业务速率方面的要求，即当前系统需要达到的容量值；保证在该系统中的所有用户都能得到自己需要的速率，或者尽可能的满足系统中每一个用户的各种要求；满足系统所给定的对于功率的约束条件，即前面所讲述的系统所能承受的条件。在保证这些约束的同时，资源分配对系统整体的性能不能有特别大的影响，以至于系统整体的性能参数处于非常不理想的状态。OFDMA系统的资源分配方法从分配方式来看有以下两类：1.静态资源分配所谓静态资源分配是指OFDMA系统中的资源分配的处置已经预先设定好了，在资源分配的过程中，资源的分配将按预先给定的方案有序的进行，不根据4 中国计量学院硕士学位论文[15,16]信道情况的波动改变而进行针对性的改动或调整。如OFDM-TDMA中采用的即是静态资源分配方案，每个用户被允许在特定的时隙中获得相应的资源。由于资源分配方案是预先设定的，即使在该时隙下用户的信道增益极差，仍将资源[17]分配给非当前最佳选择的用户。此外，在OFMA-FDMA系统中资源分配同样采取的是静态资源分配，用户所能获得的子载波已经由系统分别予以相应的确定。无论信道状态变化导致用户信道增益有任何的改变，用户所获得的子载波资源将依然保持不变。以上的这两种资源分配的情况都未能利用无线信道的特性，从而不能对系统的资源进行高效的分配。2.动态资源分配动态资源分配与上述的对资源静态处理的方式则截然不同，该资源分配的一大改进就是根据信道的特性进行对资源的充分利用。用户所获得的资源不再以静态资源分配中早已固定的方式，而是以动态分配的算法为准则，根据信道当前的信道增益确定当前的子载波资源分配。动态的资源分配充分利用了多用户分集的这一特点以实现系统在性能上的更好表现。静态资源分配的算法虽然在实现上没有动态资源分配的复杂度高，但是由于在利用无线信道特性上没有动态资源分配科学合理，因此近来关于OFDMA的资源分配的研究往往侧重于动态资源分配这一方面。通过动态的资源分配将在不[18]同程度对使系统在速率以及其它方面的性能有提升。此外，随着现在通信终端较以往相比日益智能化，用户业务的需求越来越高也越来越趋向于多样化。如高速移动环境下的通信，在该环境下用户的信道增益会有着较大的变化。用户不同的时段对业务的要求也不一致，如数据速率要求较小的网页浏览需求以及数据速率要求较大的高清视频业务。这些业务需求的变化都促使无线资源需根据实时的情况进行针对性的高效的分配。1.2.3OFDMA系统资源分配现状无线通通信系统中，频谱资源的极为紧缺促使如何有效利用这些资源变得非常紧迫。因此，系统频谱效率是OFDMA资源分配中的重要优化目标。为优化系统的频谱效率，文献[19]提出了贪婪算法，将各个子载波分配给相应的信道增益最大的用户。在功率分配中，依据注水功率算法给子载波予以功率分配。贪婪算法在系统频谱利用率上有较好的表现，但随着系统子载波的增多，算法的复杂度也将随之有较大的提升。针对因系统子载波过多导致资源分配变得庞杂的问题，文献[20][21]通过基于块的分配算法优化了在复杂度方面的性能。根据相邻位置上的子载波对于用户有较为一致的信道增益，将一定数量较为接近的子载波组成块，并将其看作待分配的资源。资源分配以块进行，大大简化了资源分配的5 中国计量学院硕士学位论文过程，在系统性能上仍与贪婪算法基本保持一致。然而上述两种算法并未对系统中各个用户速率的需求以及限制进行考虑，文献[22]通过采用凸优化问题最优解的方法并提出最大化最小用户速率算法。算法首先按照子载波被分给衰落最小用户的原则分配子载波，若有多余的待分配资源，则将残余资源分配给速率最小的用户以保证其获得更大的速率。为有效保证系统中信道情况较差用户的速率，文献[23]提出了用户最小速率限制算法，子载波的分配首先保证各个用户达到所要求的最小速率，余下的子载波分配将按照提升速率方面性能的原则进行。上述两种算法虽然使得系统中最小用户速率有所提升，但不能有效的对系统中各个用户的速率进行针对性的调整。对于某些在速率要求及约束更高的用户的需求，算法并不能予以相应资源上的保证。为有效保证系统中各个用户的速率，在文献[24]中比例公平性算法被用来解决用户速率的需求。算法通过引入比例公平性约束，优先给公平性最差用户分配相应的衰落较小的子载波，使资源分配过程中各个用户速率成一定比例，保证了用户的公平性。为了适应当前迅速发展的业务要求，文献[25]将业务分为实时业务与非实时业务，使资源分配可以根据业务要求的不同进行相应的调整。此外，对于复杂通信环境下的资源分配，文献[26]针对高速移动中的通信，提出了基于双队列排列的算法。根据数据不同的服务质量要求，将数据分为高服务质量和低服务质量两个队列。对高服务质量队列将予以分配系统中信道增益较大的子载波，而其它剩余的子载波将被分给低服务质量队列。算法相比于单队列的资源分配在保证服务质量的同时，降低了所消耗的功率。然而，该算法并未考虑不能知晓信道条件的恶劣情形。文献[27]针对不完整信道信息的情况，提出了随机逼近算法。通过采用凸优化方法以及随机逼近的方式进行相应的资源分配。算法的在收敛性方面的表现与以往算法相比有明显的改善，并且保证了系统总速率方面的性能。在OFDMA系统的资源分配中，算法优化的目的主要是最大化系统在总速率方面的性能。根据系统不同要求，资源分配将会加以相应的限制条件，如总功率上限的要求、最小速率的限制以及用户比例公平性要求等。算法根据不同的约束条件以及系统的参数进行相应的资源分配调整，使得系统在系统总速率等性能上有所提升。1.3本文主要工作与内容安排本文主要研究多用户OFDMA系统的资源分配，论文具体结构如下：第一章绪论。首先介绍了通信发展的历程以及现在通信的环境背景，OFDMA技术的发展和进步以及当前OFDMA系统资源分配研究的现状及热点。第二章OFDMA系统的基本原理。首先概述了无线信道中的基本概念，然6 中国计量学院硕士学位论文后介绍了OFDM的核心思想及各个模块的功能。最后介绍了OFDMA的结构和相应的特点。第三章多用户OFDMA系统资源分配。首先介绍了多用户OFDMA系统中速率以及余量自适应两种分配方案。再介绍了资源分配过程中的注水的功率分配方案。在此基础上介绍了频谱效率最大化、比例公平性以及迭代注水算法。第四章基于子载波权衡的分配算法。首先分析了在比例公平性算法中对最差用户进行资源分配的不足，并相应提出权衡的思想。通过子载波权衡，使得子载波尽可能地被分给相应增益较高的用户。在保证用户在公平性方面性能的同时，降低了频谱效率上的损失。第五章公平性阈值资源分配算法。首先分析了在迭代注水方案中，由于为了保证用户的公平性，引起系统在总速率方面上一定的损失。通过引入公平性阈值，使得资源分配过程中在公平性保证的情况下，将更多的资源使用在系统总速率的优化上。第六章总结与展望。首先总结本文的主要内容，并对OFMDA系统资源分配未来的研究方向以及热点进行展望。7 中国计量学院硕士学位论文2OFDMA系统的基本原理2.1无线信道模型无线通信中信道具有独有的特性，使得通信系统方案必须针对这些特性来进行构建和改进优化。可见的有线信道的特征即稳定又方便于测试，然而，与之不同的无线信道非常突出的特点即是随机的特性。这使得要精确描述其特性成为一项非常复杂的工作。在无线信道中，有着如下的一些因素的影响。非视距传输的问题，由于障碍物的阻挡使得通信中的两端不能直接看到彼此；多径衰落的问题，由于在无线信道中存在各式各样的障碍物，高楼建筑、树林等的影响使得信号在[28]传输的过程中经历了次数较多的反射、散射以及绕射；信号经过复杂环境多变的信道后会表现出一定的衰落，相应的是信号功率在无线信道下表现出不断下降的趋势。无线信道总体上来讲，可以分成为大尺度衰落和小尺度衰落两种传输的模型。无线信道的传输特性是这两种模型共同作用的结果。2.1.1大尺度衰落大尺度衰落形成的主要的原因有以下两个方面，一个是在传输过程中的路径损耗，另一个是在传输过程中的阴影衰落。总体的表现是信号在就近基站的地方可以有较强的功率，而随着距离的不断增长，信号的功率将不断减小。大尺度衰落的模型是针对信号所能达到界限内平均信号的强度进行估算。1.路径损耗模型路径损耗是指在无线电波在无线信道传播过程中出现的损耗，体现了接收信号电平随着与发射端距离的增加而总体上呈现下降的趋势。在信号传输情况理想的条件下，即不把自然地理环境等因素的影响纳入考虑[28]范围。Friis自由空间方程可以表示如下：2PGGttrPd()（2-1）r22(4)dL式中：P表示信号发射时的功率，Pd()表示在距离发射点d处信号的功率，tr为信号的波长，L表示系统引起的损耗，G表示发射天线增益，相应的G表tr示接收天线增益。通过这一自由空间方程可以估算离发射场较远距离的信号功率。基于该自由空间方程公式，并且暂不将系统的损耗和天线增益的影响进行考虑，即LGG1，那么可以得到系统在自由空间上的路径损耗，如下：tr8 中国计量学院硕士学位论文2P⎡λ⎤tPLd()10lg==−10lg⎢⎥（2-2）22Pdr⎣(4)π⎦上述的路径损耗表达式是在将环境以及系统的因素进行简化的情况下得出的。在实际的无线信道中，要获得精准的损耗路径，不仅要考虑式中的参数，还需将一些诸如天线高度、收发端之间的建筑以及地形等要素加入进来。通过在理论上以及实践中的测试，大尺度衰落的模型表现为以下的特征，即信号的平均接[29]收功率的大小，是随着与发射端距离的增加而呈现指数衰减的趋势。这种路径对数损耗可以表示为：dPLd()=+PLd()10lg()α（2-3）0d0式中，α表示路径损耗系数；d表示近发射端的参考距离，根据不同的通信0系统，参考距离可以从约100m到1km不等。2.阴影衰落引起阴影衰落的主要因素，是在信号传输的过程中，存在对信号传输影响较大的障碍物，比如现代高楼建筑、树林等。信号或被这些障碍物所阻挡，或绕过这些障碍物进行传输，或者发生衍射来进行传输。阴影衰落由于障碍物的随机性，[30]一般通过统计模型来进行描述，通常采用对数正态阴影衰落模型，且衰落表[31]现出统计相关性。受到阴影衰落因素的影响，处于接收位置获得的信号将在上述的路径损耗上进一步衰落。表示如下：PLddB()=PLd()+X（2-4）σ式中，X表示零均值服从高斯分布的随机变量。σ2.1.2小尺度衰落引起小尺度衰落的因素有多径效应和收发端间的位移。表现为在较短的距离内，或者短期内信号的迅速变化。由于信号变化的时间短，从而该衰落也被叫做快衰落。要克服小尺度衰落对系统的影响，不能够从提升信号功率的角度来进行。因此要减小这种衰落带来的负面的影响，会使得整个系统较之前相比变得复杂。[32]小尺度衰落呈随机性，根据统计特征，有以下几类：Rayliegh分布、Ricean[33][34]分布以及Nakagam-m分布。其中Rayliegh分布表示的是指在多个传播途径里，不含有直射传播这类信号的包络统计特性。如果各个路径的幅度服从于高斯分布，而且相位处于0~2π的范围内分布均匀，那么该信号分布的特性就服从Rayliegh分布，其分布的概率密度可以表示如下：9 中国计量学院硕士学位论文2rr−2pr()=e2σr>0（2-5）2σ2式中，r表示信号的幅度；σ表示信号的均方根值，σ表示信号的平均功率，这两个参数都是在包络检测之前的信号的数据。多径效应对小尺度衰落的形成有着极大的作用。信号经过各种障碍物后，在接受端所收到的信号已经是经过多条路径合成的。无线信道的错综复杂，导致了这些信号在接收时几乎不可能处于同一时间或者同一相位。这些不同相位的信号互相叠加，在接收端体现为相位同相相位叠加的增强与反向相位叠加的减弱。从时间的角度，由于接收端或者接收端周围引起多径效应障碍物的移动，从而引起了频域上的多普勒扩展，信号表现为包络不定。伴随着移动速度方面的不断上升，衰落方面的影响也表现出加强的趋势。对于高速移动的接收端，这种时间选择上的衰落变得极为突出。从频率的角度，则具体的表现为对于在不同频率上的信道，衰落的严重程度将不相同，即频率选择性衰落。而在时域上具体的负面作用表现为时延扩展。从空间的角度，由于接收端所处的位置所接收的，是来自不同方向上经过反射、折射后的信号。这些导致了波束角度的扩展，以及接受端的入射角的分布不[35]同。2.2OFDM技术2.2.1正交频分复用在以往传统的传输机制里，符号在依次传输的过程中将会使用整个带宽。由于数据速率较高，要保证系统无符号间干扰，使得符号占用的带宽也相应的较大。此外，要保证受到多径效应影响的程度尽可能减小，系统必须将频率选择性衰落这一负面影响降到最低的程度。因此，必须在均衡器这一方面复出更大的代价。系统需要抽头数更多的滤波器以及更为高效的自适应算法，从而导致系统的复杂度大大提升。[36]OFDM属于多载波方案，实现方法是把原来是通过串行来传输的高速率数据进行转化，使之成为许多个并行传输的速率大大减小的数据流，然后使用相应的多个子载波来调制这些数据。通过多个并行传输的机制，使得子载波上的符号在速率方面较以往相比大大的降低了。以往的频分复用由于为了避免相互间的干扰，不得不保留出一部分频率的间隔。然而与以往的频分复用技术不同，在OFDM中这些子载波相互之间是相互正交的，使得子载波可以在频谱上允许有一定程度10 中国计量学院硕士学位论文的叠加，如图2.1所示。系统仍能在这些有频谱重叠的子载波中进行数据的提取，因此在频谱的利用效率上可以有很大的提升。图2.1正交频分复用示意图2.2.2循环前缀通过正交频分复用，每个子信道中的符号的周期与单个串行符号相比有了一定程度的增加，这也使得系统可以减少由于时延扩展引起的时间弥散性影响。为使得时延扩展导致的负面影响再进一步缩小，保护间隔（GuardInterval）这一方[37]案被引入来解决这个问题，这种保护间隔的一种是空白的空信号。但是若加入的是上述的保护间隔，那么由于系统中存在的同步问题的困扰，将会引起符号相互之间出现干扰。因此保护间隔被更有技术优势的循环前缀（CyclicPrefix）[38]方案所取代，如图2.2所示。循环前缀的添加，使得在FFT的周期内符号时延副本中的波形也具有整数个周期。此外对于小于循环前缀的那些时延信号，同时也避免了载波间相互的影响。Tm−1mm+1TTcpcp图2.2添加循环前缀的OFDM符号通过使加入的循环前缀产长度超过信道的时延扩展，达到降低系统中符号间相互干扰（ISI）的效果。然而，循环前缀对于系统需传输的信息来说是一个不带信息的信号，需要占用频谱以及功率等系统资源。系统因加入了循环前缀而导致在功率方面的耗损如下式所示：11 中国计量学院硕士学位论文TT+Tcpcpn==10lg10lg(1+)（2-6）cpTT由公式可知，若循环前缀占符号的20%，则信号的功率因此会损失小于1dB的值，同时数据速率也因此降低了20%。但与这些损失相比，循环前缀的加入可以大大提升系统在对抗符号间干扰的能力。因此，循环前缀的加入仍是值得的。2.2.3OFDM系统模型在每一个OFDM符号中都拥有一定个数的子载波，这些子载波受到的调制可以是正交幅度（QAM）或者相移键控（PSK）调制，符号的通带信号表示如下式：⎧N⎫−1⎪⎪2⎡⎛⎞i+⎤0.5s()Retd=−⎨⎬∑Ncexp2⎢jπ⎜⎟ft⎥tT∈[0,]（2-7）⎪⎪Ni+2⎣⎝⎠T⎦i=−⎩2⎭式中，T表示符号周期，N为符号中子载波个数，f表示载波的中心频率，cd表示第i路的基带复数信号。为了表达上的简便OFDM的输出信号一般用基带i信号所表示：N−12ix()tdjt=∑Nexp(2π)tT∈[0,]（2-8）Ni+Ti=−22式中，实数部分的含义是符号里相位相同的信号分量，虚数部分的含义是符号里相位正交的信号分量，在调制中分别与余弦分量、正弦分量相乘，然后通过相加器生成所传输的OFDM符号。OFDM发送端的调制模块如图2.3所示。将串行比特流以给定方式进行数据编码后，形成一个总的数据流。经过QAM或PSK调制后得到频域序列dnan()=+()jbn()。在经过串并变换以及IFFT变换后，原来的频域信号将转变为时域信号。此时的信号是N个时域信号的采样，为解决符号间干扰问题，将循环前缀加入，形成了一个OFDM符号，在经过并串处理后发送。dnan()=+()jbn()cos(2πft)exp(jwt0)0d0d0sin(2πft)0∑cos(2πft)N−1sin(2πft)N−1图2.3OFDM发送端调制模块12 中国计量学院硕士学位论文OFDM接收端的调制模块如图2.4所示。在接收到信号后，首先经过FFT变换以及串并变换然后进行去CP的处理，因为符号间的干扰仅仅影响CP所在的长度内，因此将CP去除后就解决了ISI的干扰问题。exp(−jwt)0cos(2πft)0a(0)∫dtdnan()=()+jbn()b(0)∫dt−sin(2πft)0cos(2πft)N−1aN(1−)∫dtbN(1−)∫dt−sin(2πft)N−1图2.4OFDM接收端模型在OFDM的收发机中，由于IFFT与FFT的原理类似，使得可以使用同一设[39]备来实现发送以及接收所需的工作。这在一定程度上降低了通信系统所需的成本，从经济方面进一步促进了OFDM的发展。OFDM的收发机框图如下所示：图2.5OFDM收发机框图2.2.4OFDM系统特性OFDM系统通过采用正交频分复用这一技术可以非常有效的解决多径效应引起干扰的问题。由于原来一个高速数据流被分到一定个数的并行传输子信道中，使得系统在面对频率选择性衰落这一问题，可以表现出与以往相比更佳的鲁棒性。在单载波调制技术中，若信号中的一处频段处于深度衰落的状态，那么会导致系统整体的误码率有较大的增加。而OFDM作为多载波调制技术的一种，若某处频段处于深度衰落的状态，将只影响处于该处频段的子信道。此外，子信13 中国计量学院硕士学位论文道的数据速率相对于以前的单子载波系统有了较大的降低，这使得OFDM在误码率上的表现有较大的提升。OFDM系统在频谱效率这一方面的表现有极大进步。通过正交频分复用，使得OFDM系统对频谱的利用与以往传统频分复用相比有了很大的进步。各个子载波的频谱在频带上可以进行叠加，与以往频分复用技术中需要预留一段频谱间隔相比，利用率大大提高。此外，OFDM的资源分配的方案较以往技术相比，更为灵活。通过有针对性的科学的资源分配方案，可以在业务需求都被保证的情况下，使得系统优化目标方面的性能有进一步的更好的表现。OFDM系统在一些方面也存在着缺点：OFDM中存在峰均值功率比过高的问题。OFDM信号的波形是由系统中许多个子载波相互叠加构成的，若在一个时间点上许多子载波正好处于峰值的状态，2那么将会使得这一时刻信号的功率骤然增高。信号x()t的功率为Pt()=st()，则信号的峰均比可以表示如下：max[()]PtPAPR=（2-9）EPt[()]这使得信号的峰均值功率比会变得非常高，那么相应的信号进入放大器将使其工作与于非线性区域，从而使得系统在线性放大这一方面的表现下降。因此，峰均比高这一问题将极大提升系统对放大器线性性能的苛刻程度。OFDM系统对定时和频率偏移这两个方面的要求非常严格。在收发的过程里，振荡器的没有匹配和多普勒频移会引起信号在频率上一定程度的偏移，这将极大的影响各个子载波间的正交性。由于各个子载波在频带上是有一定叠加的，因此正交性的破坏将对系统的性能有严重的影响。此外，定时不精准也同样会引起子载波间不再有预期的相互正交的特性。2.3OFDMA系统2.3.1多址接入技术无线通信的资源可以被看作是多个维度的。无线通信的资源可以从时间、频率、空间分别进行划分，也可以进行多维相结合的资源划分。通过多址接入技术，可以使得多个用户共同使用系统中的无线资源。目前，多址接入技术有如下的几种方案：时分多址、频分多址、码分多址以及正交频分多址。a.时分多址（TDMA）时分多址是以时间资源的角度进行资源的划分，把时间分成一个个相互之间不重叠的时帧，再将这些时段分成多个时隙。同样，各个时隙相互之间也是不重14 中国计量学院硕士学位论文叠的。用户可以在系统给定的时隙里传送自身的数据。在接收端通过在指定的时隙内进行信号的解调，可以获得相应的用户数据。由于有信号的时延问题，因此若各个时隙之间紧密连接，将会导致不同时隙之间发生重叠，从而引起接收端不能有效获取用户数据。因此，在各个时隙间保留一定的保护区间，以保证各个时隙之间是不相互干扰的。时分多址的优势在于对时隙的处理以及时隙的分配上比较简易。但是由于各个时隙之间可能产生的相互干扰，因此，时分多址多系统对同步要求较高。b.频分多址（FDMA）频分多址是以频率资源的角度进行资源的划分，将频段中的不同部分划分给相应的用户。为了避免相邻的频段之间产生干扰，频段之间会保留一部分频率的间隔作为保护频带。在接收方面通过滤波器处理接收的信号来获取用户所需的数据。频分多址的优势在于成熟的技术，然而由于信号中的多个频率会导致互调干扰，对系统性能产生不利的影响。c.码分多址（CDMA）码分多址通过编码序列上以区别传输给多个用户的数据。通过使用扩频序列调制这一技术方案，使得信号带宽远远的高于原始的信号。对于不同的用户所使用的扩频序列是不相一致的，在接收端通过使用相应的扩频序列获取用户数据。由于码分多址是在扩频这一调制方式上进行展开的，因此码分多址继承了它的特性。扩频技术将原来的窄带信号带宽转变为相对于原信息信号几十、几百甚至几千倍，依据香农定理带宽的扩展使得信号在抗干扰的容限上大大提升，信号即使已经被湮没在噪声里也能够被有效准确的获取。多个用户对一带宽的共享可以提高频带的利用率，且系统在通信质量方面仅有轻微的下降。然而，在码分多址中存在着多址干扰较为严重的问题，系统因需要对干扰进行处理而变得复杂。d.正交频分多址（OFDMA）正交频分多址是在OFDM的基础上与TDMA、FDMA或CDMA这些各有优势的多址方案相融合的多址接入方式。在OFDM-TDMA中，资源以OFDM的一个符号为单位进行划分，一个用户被允许可以获得给定的在OFDM符号里的所有子载波资源。由于在技术上与TDMA没有实质性的区别，因此系统仍存在TDMA中频带利用率不高这一缺点。在OFDM-FDMA中，各个用户可以依据信道的情况以及其他的限制条件来获得系统中部分相应的子载波。根据子载波分配方案的不同，用户所获得的子载波可以是连续或非连续的。如在连续的分配方案中，一定个数相近的子载波构成一个小组，多个这些小组分得系统的带宽，用户根据自身业务的需求获得不定个数的子载波组；在交织分配方案中，用户得到的子载波组并不是由相邻子载波构成的，而是依据信道的特性以交织的方式处于系15 中国计量学院硕士学位论文统带宽上的特定的位置。这种方式子载波的分配是根据其与相应用户的信道增益来决定的，这使得子载波分配过程里充分考虑了资源的充分发觉和利用这一重要方面。通过自适应资源分配技术可以使得系统在资源利用的性能上有很大提升。在OFDM-CDMA中，用户使用系统资源的方式与上述方案不同，系统通过采取特定的扩频码字的方式来共享OFDM符号，但是系统受到多用户干扰这一问题的负面影响。2.3.2OFDMA系统模型OFDMA系统中，各个用户获得系统中的部分子载波以达到多址接入，对于频率选择性衰落的影响表现出极强的抗干扰能力。基于正交频分复用，各个子载波相互之间有正交的关系，相互之间不会产生影响和干扰，是相互独立的。因此，系统可在调制的过程中可以对不同子载波使用不同的方案。与传统的频分复用相比，不需要为避免相邻频带间的干扰而增加保护频带，各个相邻的子载波间可以进行一定重叠，提升了系统的频带利用率。根据各个业务需求的不同，依据子载波在信道增益上的情况，系统可以将一组或多组子载波分配给相应的用户，进而提升系统的性能。由于信道的频率选择性衰落这一特点，所有子载波对于一个用户的信道增益将会有不同的表现。具体体现为部分子载波信道增益较高，部分子载波处于信道增益较低的恶劣处境。然而，系统中存在多个用户，某一子载波对部分用户的信道增益处于恶劣处境时，在对于某些用户可能有完全不同的表现，可能会有着较高的信道增益。因此，系统中的子载波对于所有用户的信道增益一般不会出现全部处于深度衰落的情况。根据这一特性，系统通过科学合理的子载波分配，可以使得用户在资源获取过程中得到对于自身信道增益较好的子载波。图2.6是多户用OFDMA资源分配的结构。各个用户的数据被储存至预定的分组队列缓存器里。发送端需获得当前信道的情况，反馈信道负责这一任务将收集到的情况传给发送端。根据缓存器中用户的数据、反馈信道返回的信息和不同业务的限制，发送端进行子载波和功率这些资源的分配。同时，通过广播信道使用户获得自身所需资源的分配信息。在接收端，用户根据已获得的资源分配信息在带有自身所需数据的子载波上进行解码、解调，进而获得最终数据。16 中国计量学院硕士学位论文图2.6OFDMA资源分配模型2.3.3OFDMA系统特点抗频率选择性衰落。频谱选择性衰落导致的部分子载波对于用户的信道增益处于极低的水平。而OFDMA通过正交频分复用这一方式，把最初的信道转换成相互之间有极为重要关系，即正交特性的子信道。子信道上数据的传输不再像最初信道是宽带传输，这些信道上数据的传输具有窄带的特点。因此，由于频率选择衰落导致的信道情况不平坦的问题得到了解决，各个子信道上的信号衰落是平坦的。高频谱利用率。通过正交频分复用这一技术，使得相邻子载波可以有一定的重叠。相邻子载波间互不干扰的特性，使得不再需要保留一段频率间隔的方式来保证传输质量，从而系统在频谱利用效率方面与之前相比有较好的表现。多用户分集特性。对于无线信道，系统中每个用户都有着与其他用户不同的独立的信道增益情况。对于系统中部分用户处于信道情况较为恶劣的子载波，在其余部分用户的信道情况可能会有着较好的表现。OFDMA系统可以充分利用这一特性，通过合理的资源方式，将信道条件较好的信道分配给相应的用户，从而使得系统获益于多用户分集的特性，提升了系统性能。17 中国计量学院硕士学位论文2.4本章小结本章介绍了无线信道的模型以及其中的大尺度衰落和小尺度衰落。OFDMA是基于OFDM的多址接入技术，本章首先介绍了OFDM的核心思想和技术，包括正交频分复用、循环前缀。然后，介绍了OFDM基本框架及特性。最后介绍了多址接入技术以及OFDMA系统模型和特点。18 中国计量学院硕士学位论文3多用户OFDMA系统资源分配多用户OFDMA系统中，由于子载波之间的正交以及相互独立的特性，系统可以根据特定的业务需求并且依据当前信道情况来分配资源。相对于单载波的系统，可以对资源进行更为充分的利用。依据有针对性的科学的资源分配算法，可以使多用户OFDMA系统在所需优化目标上的表现有相应提升。在多用户OFDMA系统中，资源分配是以一个时隙里的子载波为单元来进行的。根据用户信道信息、用户的业务要求、总功率限制等约束条件，把子载波资源分配给所需要的用户。根据最终确定的子载波分配的情况，把功率资源分配给各个子载波。自适应资源分配高效灵活的特性使它成为多用户OFDMA系统目标性能优化有效手段之一。3.1多用户OFDMA系统资源分配问题多用户OFDMA资源分配，从目的的角度上，可以大致分为以下两种方案。一类是速率自适应优化，在系统约束的条件下保证系统的速率最大化；另一类是余量自适应优化，在系统各个限制条件都达到的情况下，尽可能地减小总功率。3.1.1速率自适应优化在速率自适应优化中，资源分配的目标是最大化系统的速率，同时资源分配算法需要保证满足系统约束条件的限制。系统约束条件有总功率限制、子载波不能被共享等。定义子载波分配标志如下：⎧1子载波分配给用户nk;αkn,=⎨（3-1）⎩0子载波不分配给用户nk;则速率自适应优化问题可以表示如下：KNmax∑∑αknkn,,Rαkn,,,pknkn==11s..tαkn,∈{0,1}∀kn,（a）K∑αkn,=1∀n（b）（3-2）k=1KN∑∑Pkn,≤Pt（c）kn==11P≥0∀kn,（d）kn,19 中国计量学院硕士学位论文式中，（a）（b）表示单个子载波不允许被多个用户一起使用。（c）表示系统的总功率约束；（d）表示功率必须为非负值。Rkn,表示用户k获得的子载波n的速率，表示如下：RB=log(1+Pg)（3-3）kn,02,knkn,式中，B0表示各个子信道的带宽，Pkn,表示用户k得到的子载波n所获得的功率，g表示用户k在子载波n上的信噪比。kn,上述的资源分配问题是表示在子载波不允许被共享和系统功率有一定要求的限制下，提升系统在总速率上的表现。在上述的各个约束条件都达到的前提下，[40]通过将子载波分配给相应的信道增益最大的用户，系统的速率将达到最大值。[41]多用户OFDMA系统中资源分配问题，通常采取分步方式进行，即首先完成子载波资源的分配，然后再进行系统在功率方面的资源分配。为了获得最佳的系统性能，通常通过贪婪算法完成用户子载波的分配过程中，然后完成在功率上的分配。但系统往往存在一些其它方面的限制，如用户公平性的约束。这时的资源分配的方案需要根据这些约束条件进行相应的调整，如在公平性约束中，优先对信道增益较差的用户进行子载波的分配，以保证这个用户最终的速率能满足其速率限制的条件。3.1.2余量自适应优化余量自适应优化，是在用户最小速率以及其它相关的约束条件已经满足的情况下，尽可能地减小所消耗的功率。余量自适应优化问题可以表示如下：KNmin∑∑αknkn,,pαkn,,,pknkn==11s..tαkn,∈{0,1}∀kn,（a）K∑αkn,=1∀n（b）（3-4）k=1N∑RRkn,m≥in∀k（c）n=1P≥0∀kn,（d）kn,式中，P表示用户k得到的子载波n所获得的功率；（a）（b）表示单个子载kn,波不允许被多个用户一起使用；（c）表示各个用户的在速率方面最小值的约束，须不小于给定的最小速率R；（d）表示功率必须为非负值。min由式（3-3）得子载波速率与功率存在非线性的关系，上述问题为非线性整数混合优化问题。随着限制条件的增多以及苛刻性的增强，上述资源分配问题的解20 中国计量学院硕士学位论文决将会变得异常复杂。通过约束条件的松弛，使得在求解上述问题的过程变得简单化。文献[42]通过将α的约束条件松弛并采用迭代搜索算法进行最优解的寻kn,找，然而由于迭代次数过多导致算法在复杂度上没有较好的表现。为了保证该算法的复杂度有实用性，通常算法会求解对系统性能极小的次优解。为降低算法的复杂度，文献[43]首先依据用户的所有信道增益情况的平均值来估算其所需的子载波数，并根据这一结果进行接下来的资源分配。3.2注水功率分配在多用户OFDMA资源分配中，在子载波分配完成时，子载波的信道增益将被确定为相对应的用户的信道增益。依据各个子载波的信道增益情况，通过采用注水的功率分配方案，可以使得在给定的功率下最大化系统的速率。注水功率分配的原则为：信道情况相对较好的子载波将可以获得更多的功率资源，相反，信道情况较差或者极其恶劣的子载波将获得较少的功率，甚至不获得功率。据上述分配原则，系统在速率方面的性能可以得到提升。注水功率分配的目的是使系统在速率方面的性能得到提升，其约束条件是待分配功率上限的约束。其优化问题表示如下：NmaxB02∑log(1+Pgii)i=1（3-5）Ns..t∑PPit≤i=1式中，B表示子信道的带宽；P表示分配给子载波i的功率；P为系统的总0it功率限制阈值；g表示子载波i的信噪比。i在总功率约束条件满足的情况下，要使得系统在速率方面的性能得到有效的提升，可以利用拉格朗日乘数法，构建目标函数：NNF=+∑∑log(12Pgii)+σ(Pt−Pi)（3-6）ii==11式中，σ是表示拉格朗日乘子。目标函数对P进行求一阶偏导可以得到：i∂F1gi=i−=σ0（3-7）∂+PPln21giii将系统总功率上界限制条件代入上式得：−1，iN=1,2,...,P=−λg（3-8）ii21 中国计量学院硕士学位论文式中，λ为注水水面。分配的功率必须是非负值，因此若通过上式求解所得的功率分配值为负值时，那么该子载波获得的功率将置为零。最终各个子载波所获得的功率如下：−1P=−max{0,λg}iN=1,2,...,（3-9）ii，若一子载波因信道情况较为恶劣而系统未给予功率分配，则删除该子载波。重复进行上述功率分配过程，一直到未被删除的子载波都获得一定的功率。随着信道情况较差子载波的删除，注水水面也将相应提高。'定义最终获得功率的子载波的集合为Μ，最终获得功率的子载波个数为N，最终各个子载波所获得的功率之和为系统总功率P，即：t−1'−1PPti==−=−∑∑()λλgiN∑gi（3-10）ii∈Μ∈Μi∈Μ由上式可得，注水水面为：1−1λ=+'()Pti∑g（3-11）Ni∈Μ最终注水功率分配如图3.1所示。对于信道情况极其恶劣的子载波，系统没有进行功率分配。在获得功率的子载波中，各个子载波获得的功率与噪信比之和−1相等，在图中构成一个水平面。水面的高度λ即子载波所得功率Pi与噪信比gi之−1和。噪信比g高出水面的子载波被删除，相应获得的功率为零。注水功率算法i将更多的功率资源分配在信道情况更好的子载波上。从而使得系统避免在处于深度衰落上的信道上浪费过多的资源，提升了系统的性能。λPi−1gi图3.1注水功率分配示意图对于单用户的OFDMA系统，注水功率分配中各个子载波的信噪比即系统中所有子载波对于该用户的信噪比，不需要考虑子载波分配。通过注水形式的功率分配，系统舍去了那些信道情况较差的子载波，从而为剩余的子载波提供更多的资源。而在多用户OFDMA系统中，则先根据资源分配目标进行有针对性的子载波分配。由于存在多用户分集，系统中对于部分用户信道情况较差的子载波，在对于剩余其他用户的信道情况上可能有着较好的表现。依据分配算法在约束条22 中国计量学院硕士学位论文件都已满足的前提下，将子载波尽量分配给信道情况更好的用户。在下一步的注水功率分配中，子载波已确定的信道增益情况较之前相比，整体上有了一定的提升。从而使得在给定的功率限制下系统速率方面的性能有了改进。假设多用户OFDMA系统中总共存在6个子载波与2个用户。用户对于各个子载波的噪信比如图3.2所示：−1−1ggii图3.2各个子载波对于用户的噪信比为保证系统更高的速率，子载波将被分给那些相应的信道情况较好的用户。根据上图中各个子载波对于用户的噪信比情况，子载波集合A={2,5,6}将分配给用户k，子载波集合B={1,3,4}将分配给用户k。子载波分配完成后各个子载波12确定的噪信比如图3.3（a）所示。多用户注水功率算法在根据上述确定后的子载波噪信比情况进行功率资源的分配。在系统总功率的约束下，给确定分配后的信道情况较好的子载波，即噪信比较小的子载波予以更多的功率资源。相反，给信道情况较差的子载波，即噪信比的子载波予以较少的功率资源或者不分配功率。如图3.3（b）所示，阴影部分表示所分配的功率资源。−1−1ggii图3.3确定分配后的子载波噪信比与功率分配3.3常见的多用户OFDMA系统资源分配算法多用户OFDMA系统允许用户可以获取OFDM符号中的一定个数的子载波进行数据的传输。各个子载波之间相互正交具有相互独立的特性，每个子载波对23 中国计量学院硕士学位论文于用户有着不同的信道增益，子载波以及相应的功率分配将对系统的性能有直接的影响。在多用户OFDMA系统中，这些资源如何分配的目的是最大化系统的速率。为达到这一目标，子载波将会按照信道情况更好用户优先的原则被分给相应的用户。依据将更多功率分配给信道增益较高的子载波可以获得更高的系统速率这一原则，功率分配算法往往采用注水功率算法。然而，系统中的各个用户有自身的业务服务质量需求，仅仅最大化系统总速率的算法不能保证系统中部分用户的速率。因此，在满足其他限制的条件下，还需针对这些用户不同的速率方面的需求进行考虑。常见的多用户OFDMA资源分配方案频谱效率最大化算法，比例公平性算法，迭代注水算法。3.3.1频谱效率最大化资源分配在频谱效率最大化资源分配中，最主要的目的是系统总速率性能的提高，资源优化的约束是系统总功率约束。定义分配给用户k的子载波n的速率为：BR=+log(1Pg)（3-12）kn,2knkn,,N式中，B为系统总带宽；N为系统中子载波个数；P为用户k得到的子载kn,波n获得的功率；g为用户k得到的子载波n的信噪比。频谱效率最大化的问题kn,具体可以描述如下：KN资源优化目标函数为：max∑∑αknkn,,Rαknkn,,,Pkn==11约束条件为：Ck1:α∈{0,1},∀,jkn,KCn2:∑k=1αkn,=1,∀（3-13）KNCP3:∑kn==11∑kn,≤PtotalCP4:≥∀0,kn,kn,目标函数为各个子载波速率之和，即系统总体上的速率。约束条件中，C1表示是否进行相应的子载波分配的标志，α若为1则表示用户k分得子载波n，kn,反之则不分配；C2表示一个子载波不能被多个用户一起使用。C3表示各个子载波获得的功率之和不能超过系统最大功率限制P。C4表示分配的功率必须为total非负值。a.类贪婪算法对于频谱效率最大化的资源分配，文献[44]提出了一种类贪婪算法来提升系统总速率方面的性能。依据多用户分集思想，在子载波资源的分配过程中，将24 中国计量学院硕士学位论文OFDM符号中信道情况更好的子载波分给相对应的用户，系统在速率方面的性能可以得到很好的改善。贪婪算法即将各个子载波分给相应的信道情况好的用户，从而改善系统在频谱效率这方面的性能。类贪婪算法依据贪婪算法的原理，分配中同样依据将子载波分配给信道增益更大的用户这一准则，其分配算法如下：依据每个用户信道情况的好坏将其从优到劣进行排列，各个用户依次获得给定个数的子载波。用户获得的子载波为当前剩余子载波中信道情况相对较好的。假设多用户OFDMA系统中有3个用户以及6个子载波，类贪婪算法子载波资源的分配过程如表3.1所示。表3.1类贪婪算法子载波分配示例子载波123456用户11.13890.70350.53460.76040.22490.5498用户20.35870.70391.11280.03861.69801.7031用户30.45230.72430.30240.04120.46170.9580(a)信道原始矩阵子载波123456用户1100100用户2000011用户3011000(b)子载波分配情况依据类贪婪算法，首先依据各个用户的信道情况的优劣进行从高到低的排列。排序情况如下：用户k为{1,4,2,6,3,5}，用户k为{6,5,3,2,1,4}，用户k为123{6,2,5,1,3,4}。各个用户一次可以得到给定个数的子载波，此处为2个子载波。用户k获得当前可分配子载波中信道增益最大的两个子载波{1,4}。对于用户k，12剩余的可分配子载波里，依据信道情况得到最大的两个子载波为{6,5}，进行相应的分配。用户k获得剩余的子载波{2,3}。3在类贪婪算法中，首先进行子载波分配的用户可以获得更多子载波的选择权，有更大的机会获取系统中信道增益较大的子载波。而对于优先级较低的用户，进行子载波分配时，子载波选择的空间相对于先前的用户显得非常狭小。导致这些优先级较低的用户易获得与其对应的信道情况较为恶劣的子载波。在上述的简单实例中，用户k获得的子载波n信道情况则相对较为恶劣。33b.最差用户优先分配算法在类贪婪算法中，由于在子载波分配过程中部分用户的优先情况，导致这些可以先行选择子载波的用户相对于其他优先级级较低用户有了更大的选择空间。因此，为了避免选择优先权较低的用户得到的子载波情况特别恶劣，文献[45]提25 中国计量学院硕士学位论文出了最差用户优先分配的算法。在最差用户优先分配算法中，用户分配的优先级按照用户的信道增益情况进行排序，然后依次进行子载波分配。在对用户分配子载波资源的过程里，依据多用户分集的原则尽可能使用户获得相应的信道情况较好的子载波。算法分配过程如下：首先根据各个用户的信道情况计算其相应的信道增益均值，用户优先级按这一均值进行升序排列。然后，依次给用户分配一定个数当前可分配资源中的信道情况最大的子载波。假设多用户OFDMA系统中有3个用户以及6个子载波，其贪婪算法的子载波分配过程如表3.2所示。表3.2最差用户优先分配算法子载波分配示例子载波123456用户11.13890.70350.53460.76040.22490.5498用户20.35870.70391.11280.03861.69801.7031用户30.45230.72430.30240.04120.46170.9580(a)信道原始矩阵用户平均信道增益用户30.4900用户10.6520用户20.9359(b)用户平均信道增益子载波123456用户1100100用户2001010用户3010001(c)子载波分配情况依据最差用户优先分配的算法，首先依据各个用户的信道情况将相应的均值计算出来。依据获得的均值的大小将相应的用户进行升序排列，如表3.2b所示。用户k的平均信道增益为0.4900，即用户k为最差用户，则首先把一定的子载33波资源分给该用户。根据用户k对应的各个子载波的信道情况，系统把相对较好3的资源{2,6}分给用户k。在剩余待分配用户中，对信道增益均值较小的用户k进31行子载波资源的分配，将当前剩余可分配子载波中信道增益相对较大的分配给用户k，即子载波{1,4}。最后，完成用户k的子载波分配任务，用户k获得的子122载波为{3,5}。最差用户优先分配算法，在分配过程中给信道增益均值较小的用户先分配子载波资源。这些用户在子载波的选择过程中，有更多的机会选择相应的信道情况较好的子载波，以避免获得信道情况较为恶劣的子载波资源。然而，用户的信道增益的均值，并不能充分体现该用户各个子载波的信道情况上具体的优劣信息。26 中国计量学院硕士学位论文最差用户优先分配算法，并不能很好的改善较差子载波分配给相应用户这一情况。c.最差子载波优先分配在上述两种子载波分配算法中，子载波分配没有将各个子载波具体的信道情况优劣进行深入的分析，从而导致部分用户获得了对应的信道情况极为恶劣的子载波资源。为避免子载波分配给信道增益较差的用户，进一步充分利用多用户分集的特性，文献[46]提出了最差子载波优先分配算法。在最差子载波优先分配算法中，子载波的分配先后顺序是依据子载波对于所有用户中最差的信道增益来确定的。对于用户信道情况最为恶劣的子载波将拥有最高的优先级。算法分配过程如下：首先依据子载波对于各个用户最恶劣的信道增益的值进行从小到大的排列；在当前剩余可分配子载波中将拥有最恶劣信道情况的子载波优先进行分配，将该子载波分配给对应的信道增益最大的用户；剩余的子载波依次按上述分配方式进行分配，直到系统中所有的子载波资源都已经分配完毕。假设多用户OFDMA系统中有3个用户以及6个子载波，其在子载波方面的具体分配过程如表3.3所示。表3.3最差子载波优先分配子载波分配示例子载波123456用户11.13890.70350.53460.76040.22490.5498用户20.35870.70391.11280.03861.69801.7031用户30.45230.72430.30240.04120.46170.9580(a)信道原始矩阵子载波453162用户10.76040.22490.53461.13890.54980.7035用户20.03861.69801.11280.35871.70310.7039用户30.04120.46170.30240.45230.95800.7243(b)子载波按最差信道增益排序子载波123456用户1100100用户2001011用户3010000(c)子载波分配情况依据最差子载波优先分配算法，首先依据各个子载波对所有用户的最差信道情况进行从小到达的排序，表3.3b中加粗标记。如子载波n对于用户k的信道42增益0.0386，是该子载波对于所有用户中的信道情况最为恶劣的一个；子载波n5对于用户k的信道增益0.2249，是该子载波对于用户的最差信道增益。根据最差127 中国计量学院硕士学位论文信道增益从小到大进行排列的结果为{4,5,3,1,6,2}，在接下来的子载波资源分配过程中，则按照这一升序排列产生的优先级进行。首先进行子载波n的分配，子4载波n对应的信道情况最佳的用户即为用户k，即表3.3b中下划线标记部分。41将子载波n分配给用户k，对应的表3.3c中子载波分配标志为1。剩余的子载波41依次按照升序排列优先级进行上述的分配。最差子载波优先分配，在分配的过程中依据子载波对于所有用户信道增益最小值进行从小到大的排序，以确定子载波分配的前后顺序。通过赋予信道子载波更高的优先级，将这些子载波分配给相应的拥有信道情况最高的用户，避免了最终部分子载波的分配出现被分给相应信道情况极为恶劣的用户。然而，在最差子载波优先的资源分配算法中，仅考虑了子载波资源是否能够被分给相应的信道情况更好的用户。对于各个用户因业务不同而对速率要求不一致，最差子载波优先分配算法并不能有效满足用户需求。3.3.2用户公平性资源分配在资源分配的过程中，若依据多用户分集把信道情况相对良好的子载波分给相应的用户，系统在总速率方面的性能将有较大的改善。然而，按照该资源分配方案并不能保证系统中各个用户不同的速率需求。系统中信道情况相对较为恶劣的用户，由于不能获得足够的子载波以及功率资源，最终的速率与信道情况整体及相对较好的用户相比将表现出较大的差距。此外，对于在速率方面需求更高的用户，资源分配中应给予更多的资源。但在频谱效率最大化资源分配算法中，仅依据各个用户的信道增益进行资源分配，并不能针对用户速率要求给这些用户分配更多资源。因此，为保证各个用户的速率，资源分配过程中还需依据各个用户的速率要求进行相应的资源分配调整。在资源分配算法中，为了在提高系统总速率的同时保证各个用户不同的速率需求，比例公平性资源算法引入了比例公平性限制。在资源分配过程中通过给定的比例公平性的限制，使得各个用户获得速率保持一定比例，从而避免用户速率出现过高或过低的情况。比例公平性算法中资源分配具体的优化问题表示如下：KN资源优化目标函数为：max∑∑αknkn,,Rαknkn,,,Pkn==11约束条件为：Ck1:α∈{0,1},∀,jkn,KCn2:∑k=1αkn,=1,∀（3-14）KNCP3:∑kn==11∑kn,≤Ptotal28 中国计量学院硕士学位论文CP4:≥∀0,kn,kn,CRR5:::……:R=θ:θθ::12K12K式中，分配目标与频谱效率最大化算法一致，两种算法的资源分配的目的都是最大化系统速率。在约束情况上CC14−同样与频谱效率最大化算法一致。约束条件C5即用户比例公平性约束，表示用户获得的速率的比值需要达到系统给定的比例要求θ::θθ…:。12K3.3.2.1比例公平性资源分配算法在用户公平性算法中，资源分配的仍是以充分提升系统在速率方面的性能为目的进行的。但在约束条件方面，资源分配在总功率以及子载波不被多个用户共享的约束基础上，还需要满足各个用户速率比的约束。为最大化系统总速率，资源分配算法可以依据多用户分集的原则，将系统中子载波分给信道情况相对较好的用户。然而，为保证各个用户速率满足比例要求，资源分配算法需在此基础上加以调整。资源分配过程中，需根据当前各个用户获得速率的情况，来确定下一个获得子载波的用户。在对给定用户进行子载波资源分配的过程里，为最大化系统速率，将剩余的可分配子载波中相应的信道情况较好的子载波分配给该用户。为得到资源分配过程中各个用户获得的速率的比值，首先需要计算用户获得的速率。系统中用户当前速率为该用户当前获得的各个子载波速率之和。为获得用户当前速率，文献[47]采用了平均功率的方式来估算。在用户速率计算时，假设将所有的功率被子载波平分。系统的总功率为P，子载波个数为N，那么total在用户速率计算中，各个子载波的功率表示如下：PtotalP=（3-15）iN平均功率算法中各个子载波获得的功率资源与实际子载波获得的功率资源如图3.4（a）所示。平均功率算法在子载波分配过程中，对于子载波获得速率的估算采取的是平均功率的方式，假设各个子载波获得的功率都相同。在实际对各个子载波进行功率分配如图3.4（b）所示，各个子载波获得的功率依据注水功率分配算法，表示如下：N−11−PPi=+()total∑gNgi/−i（3-16）i=1在信噪比较高的情况下，平均功率算法在计算各个子载波的速率时，所采用的功率与实际子载波获得的功率的误差较小。在信噪比较高的情况下，各个子载波所获得的功率从整体来看区别并不明显，可以看作为各个子载波获得相同功率。29 中国计量学院硕士学位论文Pg−1total−1igiNKK(a)平均功率(b)实际子载波功率图3.4平均功率与实际功率分配示意图通过采用平均功率估算各个用户速率，使得在资源分配过程中，算法可以得到各个用户当前的速率比。从而保证在子载波资源分配里能保证用户速率比达到约束要求。其具体分配过程如下：1.Initialization`={1,2,...,}N，Ω={1,2,...,}K`=φ，R=0，∀∈kK{1,2,...,}kk2.fork=1toK*ng=argmaxkn,n∈`**``=∪{}n，``={}nkkBPtotalR=+log(1g)kk2,nNNend3.while`>0Rkk=argmin，k∈Ωminθkng=argmax，n∈`nextkmin,nn∈`****kk=min，nn=next，``kk**=∪{}n，``={}nBPtotalRRkk**=+log(12+gk*,n*)NNend4.fork=1toK30 中国计量学院硕士学位论文N**PPkn,,=+()total∑gNkn/−gkn,，∀n∈`ki=1BRkk=+∑log(12,Pngk,n)n∈`Nkend步骤1：资源分配的初始化。`表示当前可供分配的子载波，Ω表示系统中的用户。`表示用户k获得的子载波的集合，R表示用户k获得的速率，初始kk速率为0。步骤2：初始分配。系统中的用户依次获得一个子载波。子载波选择的依据是把信道情况最佳的子载波分配给相应的用户，给用户k分配当前信道情况最好*的子载波n。与此同时将该子载波添加到用户k已获得的子载波集合`里，并k从剩余的可分配子载波`中将该子载波删去。依据平均功率计算子载波的速率，用户k在初次获得子载波后速率即为该子载波速率。步骤3：比例公平性分配。为了使各个用户获得的速率和系统给定要求的比值趋于一致，需要将子载波资源分给当前公平性上最差的用户。当前公平性最差的用户k为目前用户获得的速率R与系统给定速率比限制θ比值最低的用户。minkk在确定当前最差公平性用户后，同样在剩余可分配子载波中将信道情况最佳的子*载波资源分给该用户。在完成此次子载波资源的分配后，更新用户k当前获得的*速率，即为用户k已获得的子载波速率之和加上此次分配所获得子载波的速率。*在完成用户k的速率更新后，将步骤3上述分配过程进行循环直至没有子载波资源可供用户选择。步骤4：功率分配。子载波被分给相应的用户之后，各个子载波便有了自身确定的一个信道增益值。依据注水功率分配算法，把系统中的功率资源分给这些子载波。各个用户最终得到的速率即是所有分给用户的子载波速率之和。比例公平性算法在分配子载波资源的过程里，通过计算已分配子载波的速率得到各个用户当前的速率。依据系统约束给定的各个用户速率比，确定当前公平性最差用户。在下一个子载波资源分配的过程中，将子载波资源分给该公平性最差用户。从而使得在整个子载波资源分配过程中，各个用户在速率上始终保持与系统给定的限制条件一致。在给公平性最差的用户分配子载波时，依据将信道增益较高的子载波分配给相应的用户能获得更高的系统速率，将当前可分配子载波中相应的信道情况最好的子载波分配给该用户。从而使得资源分配的算法在用户公平性得以充分保证的情况下，资源分配仍能够进行系统总速率方面的优化。31 中国计量学院硕士学位论文3.3.3迭代注水资源分配在比例公平性算法中，通过引入用户公平性的约束，使得资源分配在最大化系统速率的同时，保证了各个用户的速率需求。然而，在资源分配过程中，计算各个用户的速率时，算法假设功率资源被平均分给了各个子载波。各个子载波的速率是在相同功率条件下进行计算的，进一步得到各个用户当前获得的速率。在比例公平性算法中，为保证资资源分配不偏离系统给定的用户速率比要求，需准确计算各个用户在分配过程中当前的速率。在信噪比较高的情况下，以平均功率计算各个子载波的速率，与最终功率分配时各个子载波所获得的速率误差较小，这在上一小节中已进行说明。但在信噪比较低的情况下，采用平均功率进行子载波计算，将与实际各个子载波所获得的功率有较大差异，如图3.5与图3.6所示。在低信噪比情况下，子载波由于各自对于用户的信道增益不同，加之所获得功率与噪信比较为接近。因此，以平均功率进行子载波速率计算，所得的速率将会有偏差，进一步导致所得的用户速率与实际用户速率有偏差。从而资源分配不能精准确定最差公平性用户，使得资源分配偏离系统给定的用户速率比约束。−1giPtotalNK图3.5低信噪比时平均功率示意图−1giK图3.6低信噪比时注水功率示意图为解决用户速率计算有偏差的问题，以进一步优化资源分配中的用户公平性。迭代注水算法，通过在每次子载波分配后进行功率注水来计算子载波所获得32 中国计量学院硕士学位论文的功率，各个子载波的速率在每次子载波分配后都能得到更新，使得各个用户获得的速率能够得到修正。从而保证在最差公平性用户选择的精确性，使得资源分配过程中用户公平性得到进一步的保证。在迭代注水算法中，为估算子载波在分配过程中得到的功率，需得到它们确定的信道增益的值。然而，在子载波还没有分给系统中某个用户时，它的最终的信道增益是不能够确定的。在资源分配中，为最大化系统速率，子载波往往被分给相应的拥有更好信道情况的用户。因此，对于尚未分配的子载波，以该子载波对于用户的最高信道增益进行功率注水，将不会有较大偏差。且随着子载波分配的进行，系统中子载波信道增益逐一确定，通过功率注水所得到子载波功率将会与子载波实际所得功率趋向一致。因此，以子载波对于所有用户里最高信道增益的值来替代未分配子载波的信道增益值，可以有效准确地进行子载波速率的计算。迭代注水算法通过在每次子载波分配后，进行功率注水计算子载波所得功率，以此功率进行子载波以及用户速率的计算，其分配过程如下：1.Initialization`={1,2,...,}N，Ω={1,2,...,}K`=φ，R=0，∀∈kK{1,2,...,}kkforn=1toN*gg=argmaxnk,nk∈Ωend2.fork=1toK*ng=argmaxkn,n∈`***``kk=∪{}n，``={}n，ggnk**=,nendforn=1toNN**PPn=+()total∑gNgn/−ni=1endRkn=∑Rn∈`k33 中国计量学院硕士学位论文3.while`>0Rkk=argmin，k∈Ωminθkng=argmax，n∈`nextkmin,nn∈`*****kk=min，nn=next，``kk**=∪{}n，``={}n，ggnk**=,n*forn=1toNN**PPn=+()total∑gNgn/−ni=1endRkn=∑Rn∈`kendfork=1toK4.N**PPkn,,=+()total∑gNkn/−gkn,，∀n∈`ki=1BRkk=+∑log(12,Pngk,n)n∈`Nkend步骤1：资源分配的初始化。`为剩余可分配的子载波资源，Ω表示系统中的用户。`表示用户k获得的子载波集合，R表示用户k获得的速率，初始速kk*率为0。确定各个子载波的最高信噪比g以对子载波进行注水方式的功率资源分n配。步骤2：初始分配。各个用户依次获得一个当前可分配子载波资源中信道情况最好的子载波，并相应的更新用户所获得的子载波集合`、可分配子载波集k*合`以及相应的子载波信噪比g*。依据当前子载波的信道增益进行以注水方式n的功率资源分配，得到各个子载波获得的功率P。然后依据各个用户的已获得子n载波集合，得到用户当前的速率R。k步骤3：依据迭代注水的子载波分配。依据上一步中得到的各个用户当前获得的速率以及系统给定的用户速率限制条件，确定当前公平性最差的用户k。min并将当前可分配子载波中信道情况最佳的子载波资源n分给该用户。更新用户next*已获得的子载波`k、剩余可分配的子载波`以及子载波信噪比gn*。依据当前子34 中国计量学院硕士学位论文载波的信道增益情况对其进行注水方式的功率资源分配，重新计算各个子载波获得的功率资源P。根据各个用户所获得子载波的情况，更新用户当前获得的速率nR。重复步骤3直至没有可供用户获取的子载波资源。k步骤4：功率分配。在上述的子载波资源分配结束后，各个子载波已经有了相应的信道增益值。此时，通过功率注水的方式对子载波进行功率资源的分配。根据各个用户获得子载波的情况，得到用户最终的速率。迭代注水算法，在子载波资源被分给用户的同时，更新子载波最终确定的信道增益值。通过功率注水计算分给子载波的功率资源，进一步得到相应用户当前的速率。在信噪比较低的情况下，相对于比例公平性算法中采用平均功率的方式，对分配过程中用户速率的计算更为准确。使得资源分配过程中，各个用户实时的速率情况能够被系统更准确的把握。通过对当前最差公平性用户精准的确定，使得资源分配的用户公平性得以提升。3.4本章小结本章主要介绍了多用户OFDMA系统中有关资源分配算法的研究。根据资源分配的目的不同，资源分配分为速率自适应优化和余量自适应优化。注水功率算法将更多功率资源分给信道情况相对较好的子载波，使得系统获得更高频谱效率。在介绍常见的资源分配算法部分，首先介绍了以提升系统速率方面性能的资源分配。这些算法在系统总速率上有一定的表现，然而在用户公平性这一方面没有进行分配的优化。用户比例公平性算法，通过引入用户比例公平限制条件，使得各个用户速率上的需求能够得到有效的保证。迭代注水算法在比例公平性的基础上，进一步对当前用户速率的计算进行修正，使得在信噪比较低的情况下用户公平性得到保证。35 中国计量学院硕士学位论文4基于子载波权衡的资源分配算法4.1算法基本思路在多用户OFDMA系统中，子载波对于部分用户的信道情况较为恶劣时，对于其他用户的信道情况可能有较好的表现。在资源分配过程中，充分利用上述这一子载波的特性，将子载波分给相应信道情况较好的用户，可以使得系统在速率方面的性能有一定的改进。系统的子载波在被分配给用户时有了多种选择，从而有更大机会去避免分给信道情况较差的子载波。在上一节提到的比例公平性资源分配中，算法为确保公平性方面性能最差用户的速率需求，率先将子载波资源分给该用户。然而，在该次子载波被分给用户的过程中，剩余可用子载波资源可供选择用户的范围仅有公平性最差用户。部分被分配给最差用户的子载波对于其它用户可能有着更高的信道增益，导致了这些子载波资源未能被充分利用。本节提出基于子载波权衡的资源分配算法，在将子载波资源分给公平性最差用户kmin时，若将待分配子载波资源nnext分配给其它信道情况相对更佳的权衡用户kt，系统可以获得更高的速率。然而，若将待分配子载波资源分给了权衡用户，那么公平性最差用户仍未获得所需的子载波资源以提高其获得的速率。因此，子载波权衡资源分配算法从已分配给用户kt的子载波中，选取一个权衡子载波nt重分配给最差公平性用户kmin，如图4.1所示。上述分配称为权衡分配。ktn1ntn`knnextkminhkn,hknmin,thkn,hknmin,nextmin1min`kkthknt,1hkntt,hknt,`khknt,next图4.1子载波权衡示意图进行权衡分配判定的依据是，在权衡分配后待分配子载波以及权衡子载波的信道增益之和（图中实线椭圆标注），较权衡之前（图中虚线椭圆标注）否有增加，即：36 中国计量学院硕士学位论文hhhh+>+（4-1）knt,,,,nextknmintknminnextkntt其中，权衡用户k取信道增益之和较权衡前增加最多的用户，相应的子载波t为信道增益之和较权衡前增加最多的子载波，即：{,}argmaxkn=Δh（4-2）tt其中，Δh为权衡前后的信道增益变化之差，具体的计算过程为：Δ=hh()+h−()h+h（4-3）knt,,,,nextkminntkminnnextkntt若进行权衡分配后，存在使信道增益值增加的选择，则进行权衡后的资源分配。若进行权衡分配后信道增益较之前没有增加，那么仍进行权衡前的分配。子载波权衡算法具体的资源分配过程如下：步骤1：初始分配。在当前可分配的子载波资源中，依次给系统中的用户分配一个信道增益最高的子载波，即：*ng=argmaxkn,（4-4）n∈`依据平均功率分配的方式计算各个用户当前获得的速率：BPtotalR=+log(1g)（4-5）kk2,nNN步骤2：确定公平性最差用户k。依据步骤1中所得的各个用户当前速率R，mink以及系统给定的用户比例公平性约束RR:::……R=θ::θθ:，得12K12K到当前公平性最差用户，判定依据如下：Rkk=argmin（4-6）minθk步骤3：子载波权衡分配。依据步骤2中所得到的公平性最差用户k，找到相min应的待分配子载波n，即当前可分配的子载波中对于公平性最差用户next信道增益最高的子载波，判定依据如下：nhnext=argmaxkmin,n（4-7）n∈`进行子载波权衡，若权衡后信道增益之和较之前有增加，则取信道增益增加最大的权衡分配方式。若无增加，则资源分配仍以比例公平性算法进行。实现过程如下：Δ=hh()+h−()h+hkntn,,,,extknmintknminnextknttifΔ>h0{,}argmaxkn=Δhttnk→，nk→tminnextt37 中国计量学院硕士学位论文elsenk→nextminend步骤4：重复步骤2与步骤3，直至所有子载波资源都已分给相应用户。步骤5：功率分配。在子载波资源分配工作完成后，依据注水功率分配的方式将功率资源分给子载波，如下式所示：N**PPkn,,=+()total∑gNkn/−gkn,（4-8）i=1根据用户已获得的子载波资源得到各个用户的速率：BRPkk=+∑log(12,ngk,n)（4-9）n∈`kN4.2子载波权衡算法实例假设多用户OMFDA系统中存在3个用户，6个子载波。表4.1给出了基于子载波权衡资源分配算法中子载波权衡的一个简单实例。用户速率比约束为RRR::=1:1:1。表4.1（a）为子载波对于系统中所有用户的信道增益情况。123步骤1：初始分配。每个用户分得一个当前剩余子载波中信道情况最佳的子载波资源。子载波资源的分配情况为nk→，nk→，nk→，在表4.1（b）116223中由黑色方框标注。步骤2：确定公平性最差用户k以及当前待分配的子载波n。在用户已minnext经被分到的子载波资源里，用户k得到的子载波n信道增益最小，为0.7243。用32户速率比约束为1:1:1，因此用户k被确定是公平性最差的用户。在可分配的子3载波{3,4,5}中，子载波n为对应的信道情况最佳的子载波，因此n即为待分配55子载波。步骤3：进行子载波权衡。表4.1（c）中实线椭圆标注的为子载波权衡前的分配情况，即nk→，nk→。进行子载波权衡工作，把待分配的子载波资源5362n分给信道情况更好的权衡用户k。并从权衡用户k已获得的子载波中取一个522权衡子载波k重新分给公平性最差用户k。权衡后的分配情况由表4.1c中虚线63椭圆标注，为nk→，nk→。进行子载波权衡后，待分配子载波与权衡子载5263波信道增益之和变化的差值为：(0.95801.6980)(1.70310.4617)+−+=>0.49120若把待分配的子载波资源n分给权衡用户k，把权衡用户k已获得的子载波511n重新分给用户k。进行子载波权衡后，待分配子载波与权衡子载波信道增益之13和变化的差值为：(0.22490.4523)(0.46171.1389)+−+=−<0.92340。38 中国计量学院硕士学位论文因此，进行子载波权衡后的分配为nk→，nk→。5263表4.1子载波权衡示例子载波123456用户11.13890.70350.53460.76040.22490.5498用户20.35870.70391.11280.03861.69801.7031用户30.45230.72430.30240.04120.46170.9580(a)信道原始矩阵子载波123456用户11.13890.70350.53460.76040.22490.5498用户20.35870.70391.11280.03861.69801.7031用户30.45230.72430.30240.04120.46170.9580(b)初始分配子载波123456用户11.13890.70350.53460.76040.22490.5498用户20.35870.70391.11280.03861.69801.7031用户30.45230.72430.30240.04120.46170.9580(c)子载波权衡分配4.3复杂度分析假设系统中子载波资源的个数是N，用户的个数是K。在用户比例公平性资源分配的方案里，资源分配在确定当前公平性最差用户中，需进行NK次运算。2在确定待分配子载波资源的过程中，需12*NN+12*次运算。因此，比例公平性算法复杂度为()2O12*NK++(12)*N。基于子载波权衡资源分配算法中，在确定最差公平性用户以及相应的待分配2子载波的基础上，还需进行子载波权衡。需额外进行12*NN+12*次运算，因此基于子载波权衡资源分配算法的复杂度为(2)ONK++(1)N，算法的复杂度与用户比例公平性算法处于同一个量级上。4.4仿真结果与分析6仿真采用的参数设置如下：系统总带宽为B=10MHz，子载波总个数为N=64，噪声功率谱密度为−8N=10，无线信道采用瑞利衰落信道且系统能获得0完整信道信息。仿真取1000个采样点，最终的仿真结果为这些采样结果的均值。仿真中对于用户公平性的度量采用文献[48]提出的公平性度量准则，其公平性表示如下：39 中国计量学院硕士学位论文FR=−θ（4-10）kk式中F为k维空间里两点的欧式距离。R=(,,,)RR…R的含义为各个用户kK12所得的归一化速率，θ=(,,...,)θθθ的含义为系统给定的公平性限制条件的归一kK12化速率。资源分配中，若用户公平性得到充分的保证，那么用户的归一化速率与约束条件趋于一致。资源分配中用户公平性性能越好，这两点的距离将趋于0，即公平性度量准则趋向于0。相反的如果公平性方面的性能较差，那么资源分配得到的结果将与给定的限制有较大的偏差。资源分配中用户公平性性能越好，这两点的距离将趋于∞，即公平性度量准则趋向于∞。−2图4.2为系统总功率为P=10时，贪婪算法、比例公平性算法和基于子载total波权衡算法在频谱效率方面的性能。系统的频谱效率即为所有用户速率的相加值。其中的贪婪算法是将各个子载波资源分给相应的信道情况最佳的用户。图−24.3为系统总功率为P=10时，贪婪算法、比例公平性算法和基于子载波权衡total算法在公平性方面的性能。图4.4与图4.5分别为系统总功率为−3P=10时，贪total婪算法、比例公平性算法和基于子载波权衡算法在系统频谱效率和公平性上的性能。40 中国计量学院硕士学位论文480460440(bit/s/hz)420400频谱效率贪婪算法比例公平性算法380基于子载波权衡算法360246810121416用户数（个）−2图4.2系统总功率为P=10，算法在频谱效率上的性能total0.25贪婪算法比例公平性算法0.2基于子载波权衡算法0.15公平度0.10.050246810121416用户数（个）−2图4.3系统总功率为P=10，算法在公平性上的性能total41 中国计量学院硕士学位论文270250230(bit/s/hz)210贪婪算法频谱效率比例公平性算法190基于子载波权衡算法170246810121416用户数（个）-3图4.4系统总功率为P=10，算法在频谱效率上的性能total0.25贪婪算法比例公平性算法0.2基于子载波权衡算法0.15公平度0.10.050246810121416用户数（个）-3图4.5系统总功率为P=10，算法在公平性上的性能total从图4.2与图4.4可以看出，基于子载波权衡算法在频谱效率方面的性能，较比例公平性算法有较大的改进。如在图4.2系统总功率为−2P=10中用户数为total8时，贪婪算法系统的频谱效率为445，比例公平性算法的频谱效率为434，基42 中国计量学院硕士学位论文于子载波权衡算法的频谱效率为438。比例公平性算法与贪婪算法相比损失了44543411−=的频谱效率上性能。基于子载波权衡算法与贪婪算法相比损失了445438−=7。可以得出基于子载波权衡算法在频谱效率上的损失减少为(117)/1136.4%−=。在其他用户数以及系统总功率下，基于子载波权衡算法在频谱利用率上的损失减少均约为36%左右。图4.3与图4.5可以看出基于子载波权衡算法在用户公平性上的性能，与比例公平性算法保持一致。因此，基于子载波权衡算法在保证用户公平性的同时，提升了系统在频谱利用率上的性能，与比例公平性算法相比，减少了36%的损失。比例公平性算法由于在资源分配过程中，需要考虑用户公平性方面的性能。在资源能分配过程中，在尽可能将子载波分配给相应信道增益较高的用户的同时，需优先为当前最差公平性用户进行资源分配。因此，在系统频谱效率上的性能有一定的损失。基于子载波权衡的资源分配算法，通过子载波权衡使得子载波有了更多的用户选择，从而可以分配给相应信道增益较高的用户。因此，与比例公平性算法相比，频谱效率的损失减小了。4.5本章小结本章首先分析比例公平性算法中，因对公平性最差用户进行子载波分配时，待分配子载波可选择的用户只有公平性最差用户。这导致待分配子载波不能分配给其它信道增益更高的用户，使得系统在频谱利用率上的性能下降。资源分配中将信道增益较高的子载波分配给相应的用户，可以使得最终获得更高的频谱效率。依据这一原则，为更充分利用系统资源，本章提出了基于子载波权衡资源分配算法，在把子载波资源分给最差公平性用户时，首先进行子载波权衡。将待分配子载波资源分给权衡用户，同时从权衡用户已得到的子载波中选取一个权衡子载波重新分给公平性最差用户。从而最终子载波可以尽可能的分配给相应的信道增益更高的用户。基于子载波权衡的资源分配算法较比例公平性算法的复杂度处于同一数量级上。在系统性能方面，仿真结果表明，与比例公平性算法相比，基于子载波权衡的资源分配算法减少了约36%的频谱效率损失，同时算法保证了系统在用户公平性上的性能。43 中国计量学院硕士学位论文5公平性阈值资源分配算法5.1算法基本思路在第三章中提到的迭代注水算法中，在每次子载波分配过程中，通过注水功率算法对各个子载波所获得的功率进行估算，使得资源分配过程中当前用户获得速率的计算得到了精确。从而使得算法在公平性方面得到了更好的改进。然而迭代注水算法，算法为了保证资源分配的用户公平性上，损失了较多在系统总速率上的性能。在迭代注水算法中，资源分配依据给当前公平性最差用户分配子载波来保证资源分配的公平性，不能在系统总速率和用户公平性之间进行调整。迭代注水算法中信噪比处于较低的水平，而在这种信道情况较为恶劣的情况下，系统总速率的提升也尤为重要。因此，调整好资源分配在系统总速率与用户公平性这两个方面的平衡显得非常关键。本章提出了公平性阈值算法，根据当前用户公平性采用不同的子载波资源分配准则，使得资源分配可以在系统总速率与用户公平性这两个方面进行调整。在比例公平性算法中，为保证资源分配的用户公平性，资源分配中给当前公平性最差的用户进行子载波分配。资源分配未对当前用户公平性已经达到情况进行考虑。因此，在公平性达到一定要求后，比例公平性算法的资源分配不能将资源往尽可能优化频谱效率的方向进行。公平性阈值算法通过引入公平性阈值，在子载波分配过程中，首先判定当前用户公平性是否达到阈值。若当前用户公平性尚未达到所设定的公平性阈值，则给当前公平性最差用户分配子载波以保证用户公平性。若当前用户公平性已达到所设定的公平性阈值，则依据将信道增益较高的子载波分配给相应用户能获得更高的系统速率，把当前可分配子载波中信道情况最佳的子载波资源分配给相应的用户，从而使得资源分配过程中总速率方面的表现有进一步的改进。5.2算法分配过程在迭代注水算法的基础上，在每次的子载波资源分配过程中，将以往给最差公平性用户分配子载波的步骤进行改进。通过引入公平性阈值的判定，使得资源分配能依据当前用户公平性的情况进行调整。算法具体分配过程如下：步骤1：初始分配。系统在当前可分配的子载波资源中取一个信道情况最佳的分给相应的用户，依据如下：44 中国计量学院硕士学位论文*ng=argmaxkn,（5-1）n∈`确定各个子载波最高的信道增益值：*gg=argmax（5-2）nk,nk∈Ω步骤2：计算当前用户公平性。依据注水方式的功率分配，计算子载波所获得的功率：N**PPn=()total+−∑gNgn/n（5-3）i=1根据当前用户已获得的子载波情况`，计算当前用户已获得的速率：kRkn=∑R（5-4）n∈`k根据公平程度量准则以及比例公平性限制条件，计算当前资源分配的用户公平性：FR=−θ（5-5）kk步骤3：进行公平性阈值分配。若当前用户公平性未达到公平性阈值，即FF>，则给当前公平性最差用户分配子载波。最差公平性用户判定依据如下：0Rkk=argmin（5-6）minθk给最差公平性用户分以子载波资源的判定依据为：ng=argmaxnextkmin,n（5-7）n∈`若当前用户公平性已达到公平性阈值，即FF≤，则在当前可分配的子载波0中，选取信道增益最高的子载波分配给相应的用户，即：*ng=argmaxkn,（5-8）n∈`*kg=argmaxkn,（5-9）n∈`步骤4：重复步骤2与步骤3，直至所有子载波分配完成。步骤5：进行功率分配。在子载波分配完成后，根据各个子载波的分配结果以及注水公平算法给子载波进行功率分配，各个子载波所获得的功率如下：N**PPkn,,=+()total∑gNkn/−gkn,（5-10）i=1依据用户所获得的子载波，计算各个用户的速率如下：45 中国计量学院硕士学位论文BRkk=+∑log(12,Pngk,n)（5-11）n∈`Nk5.3仿真结果与分析6仿真采用的参数设置如下：系统的总带宽是B=10MHz，总共子载波的个数−8−5是N=1000，噪声功率谱密度为N=10，系统总功率为P=10。无线信道采0total−2用瑞利衰落信道模型且系统能获得完整信道情况信息。公平性阈值设置为10。仿真取1000个采样点，最终的仿真结果为这些采样结果的均值。1.31.2(bit/s/hz)1.11比例公平性算法频谱效率迭代注水算法公平性阀值算法0.90.8246810121416用户数（个）图5.1算法在频谱效率上的性能比较46 中国计量学院硕士学位论文0.120.10.08比例公平性算法迭代注水算法0.06公平性阀值算法公平度0.040.020246810121416用户数（个）图5.2算法在公平性上的性能比较图5.1为比例公平性算法、迭代注水算法以及公平性阈值算法在频谱效率上的性能，图5.2为相应的在公平性上的性能。由仿真结果可得，公平性阈值算法通过公平性阈值的设定，使得资源分配在公平性得到一定改善后，将更多的资源分配使用在系统频谱效率的提升上。在设置公平性阈值为0.01时，公平性阈值算法减小了资源分配在频谱效率上的损失。在用户数为16时，公平性阈值算法频谱效率为1.374，频谱效率损失为1.3811.374=0.007−。比例公平性算法频谱效率为1.366，频谱效率损失为1.3811.366=0.015−。因此在频谱效率上减小了(0.015-0.007)/0.015=53.3%。相比迭代注水算法是优化信噪比较低情况下的用户公平性，而在信噪比较低时系统频谱利用率显得更为重要。因此进行频谱利用利用率和用户公平之间的平衡的要求显得尤为突出。然而迭代注水算法，在公平性方面采用的是使资源分配充分保证公平性，在每一次的子载波分配过程中，尽可能的将子载波分配给提升公平性和频谱效率更高的用户。这导致在公平性达到一定要求后，资源分配将为获得更好的公平性而损失了系统在频谱效率上的性能，仿真结果表明系统在获得较高的用户公平性时损失了一定的频谱效率上的性能。在公平性阈值算法中通过在每次子载波分配中判定当前用户公平性程度，对子载波资源的分配进行调整。从而使得用户公平性得到保证后，系统可以有效的平衡资源分配在频谱利用率和用户公平性上的性能。仿真结果表明，公平性阈值算法在系统达到阈值后，系统将资源分配调整至优化频谱效率的方向上。47 中国计量学院硕士学位论文5.4本章小结本章首先分析了在迭代注水算法中，资源分配在系统频谱效率和用户公平性上的不足，本章通过基于公平性阈值的分配算法解决这一问题。在资源分配过程中，通过引入用户公平性阈值，使得系统可以根据当前用户公平性的情况使资源分配往优化频谱效的方向进行。在每次的子载波分配过程中，通过公平性阈值判定当前公平性的情况。若当前用户公平性未达到所要求的阈值，则资源分配以优化用户公平性进行。若当前用户公平性已达到所要求的阈值，则资源分配以优化系统频谱效率进行。仿真结果显示，通过公平性阈值算法，可以有效调整资源分配在系统频谱效率和用户公平性这两个方面的性能。48 中国计量学院硕士学位论文6总结与展望随着移动通信脚步不断的前进，要求更广层次更高的业务对系统在速率方面的苛刻性也急剧增加。而在另一方面是无线频谱资源极为有限的现状。这些加剧了无线通信系统更高效的去使用频谱资源的紧迫性。OFDMA是基于正交频分复用的多址接入技术，相邻的子载波之间可以有一定的频率重叠，这使得OFDMA系统的频谱利用率有了一定的提升。此外，OFDMA系统可以采用自适应的方式进行资源分配，保证了宝贵的频谱资源能够得到充分利用。因此如何科学合理的进行资源分配是OFDMA研究的一个热门方向。本文首先讲述了OFDMA系统的基本原理，并在此基础上分析了当前常见的资源分配算法。本文主要从事研究的内容是多用户OFDMA系统中优化频谱效率和用户公平性的资源分配算法，在对以往资源分配算法分析的基础上，提出了基于子载波权衡的资源分配算法和公平性阈值资源分配算法。在比例公平性资源分配算法中，用户比例约束条件的引入，使得资源的分配能够保证各个用户在速率上的需求。但算法在给最差公平性用户分配子载波的过程中，由于可选用户范围减小，子载波并不能被分配给相应的信道增益较高的用户。为了提升子载波在分配中资源利用的高效性，本文通过基于子载波权衡的资源分配算法，在给最差公平性用户的子载波分配时采取子载波权衡。依据权衡前后子载波信道增益的差值来调整子载波分配的方案，从而使得在给最差用户分配子载波时，子载波的分配有更大的选择空间。进而使得权衡后的分配较权衡之前，子载波被分给了信道增益更高的用户。仿真结果表明基于子载波权衡的资源分配算法较比例公平性算法，提升了系统的总速率。与此同时，系统在用户公平性上的性能得到了有效的保证。在迭代注水算法中，通过采用注水功率算法，对每次子载波分配后子载波获得的功率进行计算，使得资源分配的公平性得到进一步的提升。然而，在低信噪比的情况下，系统总速率的性能尤为宝贵，如何在系统总速率与用户公平性之间进行平衡尤为重要。本文提出了基于公平性阈值的算法，在子载波分配过程中，若用户公平性达到给定阈值则进行速率最大化的分配，否则仍进行保证用户公平性的资源分配。仿真结果表明，算法通过公平性阈值的设置，使得资源分配在系统总速率与用户公平性可以进行合理的调整。本文中对多用户OFDMA资源分配研究的优化目标是系统总速率。随着近来绿色通信的兴起以及通信系统中能效问题的日趋严重，如何提高资源分配中系统在能源效率上性能的重要性正逐渐显现。能效方面的改进与以往的资源分配目的49 中国计量学院硕士学位论文相结合将成为OFDMA中研究的热点。目前大多数资源分配对用户的业务多样性考虑较少，资源分配算法往往在用户业务单一的情况下进行优化。然而，不同业务对系统有着不同的要求。资源分配过程中根据业务的多样性，针对性地进行资源分配。可以保证系统将分配的资源与各个业务的特点与要求相契合，使系统在资源分配的高效性进一步得以提升。此外，当前资源分配算法大多在信道信息能够被完整获取的情况下进行。实际通信中由于通信环境的复杂多变，信道状态信息存在获取不完整的情况，这对资源分配将产生一定的影响。提高在复杂信道环境下的通信质量，对通信系统服务质量的提升有较大帮助。这使得如何在不完整信道信息情况下科学地进行分配资源有着极大的价值。50 中国计量学院硕士学位论文参考文献[1]SampathA,KaufmanJS,KodialamMS,etal.PerformanceanalysisofcallassignmentandcarrierpackingschemesforTDMAsystems[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2003,52(6):1540-1557.[2]VardhanK,MohammedSK,ChockalingamA,etal.Alow-complexitydetectorforlargeMIMOsystemsandmulticarrierCDMAsystems[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2008,26(3):473-485.[3]XUL,SHENXM,MarkJW.DynamicbandwidthallocationwithfairschedulingforWCDMAsystems[J].IEEEWirelessCommunications,2002,9(2):26-32.[4]SarkarS,ButlerBK,TiedemannEG.Phonestandbytimeincdma2000:thequickpagingchannelinsofthandoff[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2001,50(5):1240-1249.[5]WUZY,HUANGAP,CHENHH.ScramblingcodeplanninginTD-SCDMAcellularsystems[J].IEEETransactionsonvehiculartechnology,2014,63(1):484-489.[6]BulakciO,RedanaS,RaafB,etal.ImpactofpowercontroloptimizationonthesystemperformanceofrelaybasedLTE-Advancedheterogeneousnetworks[J].JournalofCommunicationsandNetworks,2011,13(4):345-359.[7]ZHUK,NiyatoD,WANGP.DynamicserviceselectionandbandwidthallocationinIEEE802.16mmobilerelaynetworks[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2012,30(9):1798-1805.[8]CHENSZ,WANGYM,MAWG,etal.Technicalinnovationspromotingstandardevolution:fromTD-SCDMAtoTD-LTEandbeyond[J].IEEEWirelessCommunications,2012,19(1):60-66.[9]BernaschiM,CacaceF,IannelloG,etal.SeamlessinternetworkingofWLANsandcellularnetworks:architectureandperformanceissuesinamobileIPv6scenario.IEEEWirelessCommunications,2005,12(3):73-80.[10]DoelzML,HealdET,MartinDL.Binarydatatransmissiontechniquesforlinearsystems[J].ProceedingsoftheIRE,1957,45(4):656-661.[11]ChangRW.Synthesisofband-limitedorthogonalsignalsformultichanneldatatransmission[J].TheBellSystemTechnicalJournal,1966,45(10):1775-1796.[12]WeinsteinS,EbertP.Datatransmissionbyfrequency-divisionmultiplexingusingthedis-creteFouriertransform[J].IEEETransactionsonCommunicationTechnology,1971,19(5):628-634.[13]PeledA,RuizA.Frequencydomaindatatransmissionusingreducedcomputationalcomplexityalgorithms[A].IEEEInternationalConferenceonICASSP[C].Denver,Colorado:IEEE,1980.964-967.[14]NarasimhanR.Finite-SNRdiversitymultiplexingtradeoffforcorrelatedrayleighandricianMIMOchannels[J].IEEETransactionsonInformationTheory,2006,52(9):3965-3979.51