非理想信道狀態(tài)信息下OFDMA系統(tǒng)自適應(yīng)資源分配技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)從第一代到現(xiàn)在部分投入商用的長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）系統(tǒng)的發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)所提供業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求也不斷增加。如何在有限的頻譜資源上，為用戶提供更多高質(zhì)量業(yè)務(wù)的同時(shí)最大化系統(tǒng)頻譜效率，是未來無線寬帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)將面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。
　　OFDMA可實(shí)現(xiàn)高效靈活的資源分配，并具有頻譜效率高的優(yōu)點(diǎn)，特別適合對(duì)峰均功率比要求不高的下行鏈路傳輸，全球微波互聯(lián)接入系統(tǒng)和LTE系統(tǒng)選擇OFDMA

2、作為物理層下行傳輸方案。單載波頻分多址（Single Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA），可被視為帶有DFT預(yù)編碼的普通OFDMA，其峰均功率比遠(yuǎn)低于OFDMA，SC-FDMA特別適合上行鏈路傳輸，LTE將 SC-FDMA作為其物理層上行傳輸方案。本文將下行采用 OFDMA傳輸方案和上行采用 SC-FDMA傳輸方案的單小區(qū)、單輸入、單輸出蜂窩系統(tǒng)稱為OFDMA系統(tǒng)，本文

3、研究工作均基于該系統(tǒng)架構(gòu)展開。
　　將子信道瞬時(shí)信噪比做為信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）來指示子信道信道狀態(tài)。精確的CSI對(duì)自適應(yīng)資源分配是非常重要的。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于導(dǎo)頻開銷限制等原因，使得必然存在信道估計(jì)誤差；從信道估計(jì)時(shí)刻到發(fā)送端采用基于CSI確定的資源分配方案進(jìn)行傳輸有一定延時(shí)，稱此延時(shí)為CSI延時(shí)，CSI延時(shí)期間的信道變化會(huì)導(dǎo)致CSI不準(zhǔn)確；在FDD系統(tǒng)中，用戶將 CSI進(jìn)行

4、數(shù)字化后通過反饋信道發(fā)送到基站，因此存在量化誤差和CSI反饋誤碼。綜上所述，基站得到的CSI總是不準(zhǔn)確的，本文將基站得到的用戶子信道信噪比估計(jì)值，稱為非理想信道狀態(tài)信息（Imperfect Channel State Information，ICSI）。在實(shí)際系統(tǒng)中，在假設(shè)CSI準(zhǔn)確的情況下進(jìn)行資源分配，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。ICSI估計(jì)精度對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響，研究如何設(shè)計(jì)能自適應(yīng) ICSI估計(jì)精度變化的資源分配算法在保證用戶服務(wù)質(zhì)量

5、的同時(shí)最大化系統(tǒng)頻譜效率是非常必要的。
　　針對(duì)上述問題，本文以無線信道衰落統(tǒng)計(jì)特性為切入點(diǎn)，分別在OFDMA-TDD系統(tǒng)下行、OFDMA-FDD系統(tǒng)下行以及OFDMA系統(tǒng)上行鏈路三種場(chǎng)景下，對(duì)基于ICSI的針對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的資源分配問題進(jìn)行研究，并得到了一些具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的方法。本文主要研究如下三個(gè)問題：
　　第一，對(duì)于TDD系統(tǒng)下行鏈路，針對(duì)在滿足用戶帶寬需求和平均誤比特率上限要求條件下最大化鏈路頻譜效率問題，提出了基于

6、用戶帶寬需求的TDD下行資源分配算法。引入用戶權(quán)值，提出了滿足用戶帶寬需求的子信道分配策略，據(jù)此推導(dǎo)出了關(guān)于信道估計(jì)誤差和CSI延時(shí)的用戶平均誤比特率表達(dá)式，將上述問題分解為子信道分配和平均誤比特率約束下調(diào)制方式切換閾值最優(yōu)化兩個(gè)問題。利用拉格朗日乘數(shù)法將此J1維的調(diào)制方式切換閾值最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一維優(yōu)化問題，證明了最優(yōu)解必在平均誤比特率約束條件的邊界上取得，從而得到了該問題的最優(yōu)解。該算法不僅可滿足用戶不同的帶寬接入需求，還能在滿足用

7、戶平均誤比特率上限要求條件下，自適應(yīng)ICSI估計(jì)精度的變化，給出與之對(duì)應(yīng)的最優(yōu)調(diào)制方式切換閾值，最大化鏈路頻譜效率。因給出了用戶平均誤比特率表達(dá)式，該算法無需迭代，可方便地應(yīng)用到實(shí)際TDD系統(tǒng)中。
　　第二，對(duì)于 FDD系統(tǒng)下行鏈路，針對(duì)資源分配問題（同上），提出了基于用戶帶寬需求的FDD下行資源分配算法。提出了滿足用戶帶寬需求的子信道分配策略，據(jù)此推導(dǎo)出了關(guān)于信道估計(jì)誤差、CSI延時(shí)、量化比特?cái)?shù)和反饋信道BER的用戶平均誤比特率

8、表達(dá)式。根據(jù)該表達(dá)式，將上述問題分解為子信道分配和平均誤比特率約束下調(diào)制方案最優(yōu)化兩個(gè)問題。針對(duì)平均誤比特率約束下調(diào)制方案最優(yōu)化問題，提出了最優(yōu)調(diào)制方案可行搜索算法。提出的基于用戶帶寬需求的FDD下行資源分配算法不僅可滿足用戶不同帶寬需求，還能在滿足用戶平均誤比特率上限要求條件下自適應(yīng)ICSI估計(jì)精度的變化，給出與之對(duì)應(yīng)的最優(yōu)調(diào)制方案，最大化鏈路頻譜效率。此外，由于同樣獲得了關(guān)于ICSI估計(jì)精度參數(shù)的用戶平均誤比特率表達(dá)式，該算法可方便

9、地應(yīng)用到實(shí)際FDD系統(tǒng)中。
　　第三，對(duì)于上行鏈路，F(xiàn)DD和TDD系統(tǒng)獲取ICSI的方式相同，所提算法對(duì)兩種系統(tǒng)都適用。針對(duì)最大化用戶吞吐量問題，提出一種子信道速率分配算法。推導(dǎo)出了用戶占用子信道信噪比平均值的條件概率密度函數(shù)，據(jù)此給出了關(guān)于信道估計(jì)誤差和CSI延時(shí)的用戶吞吐量表達(dá)式，從而得到了最優(yōu)的子信道速率分配方案。該算法能自適應(yīng)ICSI估計(jì)精度的變化，給出與之對(duì)應(yīng)的最優(yōu)的速率分配方案，最大化用戶吞吐量。因獲得了關(guān)于信道估計(jì)誤