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OFDMA系统中资源分配算法的研究

作　者: 余雪芬
导　师: 吕铁军
学　校: 北京邮电大学
专　业: 信息与信号处理
关键词: 正交频分复用多址接入资源分配小区间干扰信干比吞吐量算法复杂度算法失效率
分类号: TN929.531
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

正交频分复用(OFDM)技术将系统频带分成许多正交子载波,高速数据信号转换成并行的低速子数据流并调制到每个子载波上进行传输,具有良好的抗多径干扰能力。而正交频分复用接入(OFDMA)系统可以在多用户环境中灵活地根据需求及反馈的信道信息将子载波分配给不同的用户,从而提高系统的频谱效率,也因此成为LTE主要的候选多址方式。在采用OFDMA技术的蜂窝系统中,小区内用户使用的子载波正交并不存在干扰,因此小区间干扰成为系统的主要干扰考虑因素。而随着系统频率复用率的进一步提高,小区间干扰也逐渐成为制约系统性能的瓶颈。本文主要研究了OFDMA系统内的资源分配方案以及基于干扰相消和抑制的资源分配方案。论文首先对OFDMA系统中的资源分配问题做了总结,也就是,对当前OFDMA系统中资源分配算法的研究方向和研究进展做了阐述。OFDMA资源分配算法主要是在获取用户信道状态信息以及用户的接入速率请求和最低可忍受时延要求的前提下,根据系统可提供的资源(包括时隙、子载波、功率、可提供的调制方式等等),把独立的资源块分别分配给合适的用户,用最小的资源开销获得最好的用户接入网络满意度。在这个基础之上,OFDMA系统的资源分配算法需要考虑关键点有很多,主要考虑的因素有信道影响、不完美信道反馈的影响、小区间干扰影响、中继网络模型、多输入多输出模型等等。在现有OFDMA系统的资源分配方案中,有一类是基于整数建模和整数规划的资源分配算法。本文深入研究了OFDMA资源分配的整数建模方案,提出了结合整数规划算法中的分支定界法和隐数算法来实现更低复杂度的最优解决方案。除此之外,还提出了结合隐数算法和预分配重分配算法的次优解决方案。在此之上,本文提出了最优用户选择方案和复杂度最低用户选择方案,使得结合这两种方案的分支定界资源分配算法在不损失的客观的吞吐量性能前提下的复杂度更低。接下来,本文着重考虑小区间同频干扰的问题,结合通信系统中数据业务的特点,研究给定小区的比特载入对相邻小区比特载入的影响,并对考虑相邻小区同频干扰的情况进行了建模,证明在装载比特受限的前提下,考虑相邻小区同频干扰的最优比特载入问题是一个凸问题。在这个基础上,本文提出了相邻小区OFDMA系统的基于小区间干扰的最优比特载入算法,并在家庭小区的仿真场景下,验证了相邻小区的最优比特载入算法同时具有高吞吐量和低失效率的性能。在其后,本文针对多小区多扇区蜂窝网络系统,考虑了多小区之间的干扰,提出了基于预分配和重分配算法的干扰相消与抑制的算法,预分配和重分配算法在单小区中拥有最低的复杂度而同时拥有很好的吞吐量性能。基于预分配和重分配算法的干扰相消与抑制算法就是利用预分配和重分配算法复杂度低的突出优点,考虑了多小区之间的同频干扰,提出了主要干扰均衡算法和干扰比特避免算法来降低小区间的同频干扰。其中,主要干扰均衡是在频率复用构架上调整用户和使用同频的主要干扰源在子载波上的装载比特数目；干扰比特避免算法是利用预分配和重分配获得的资源分配和信道估计得到各个子载波上的信干比预估计,从而避免在不符合质量要求的链路上装载干扰强的比特或减小其装载的比特数目。最后,本文考虑了一个全网的资源分配弥散算法,这个算法只是一个构思,旨在用低复杂度的资源分配算法在全局网络进行资源分配,每个小区的资源分配问题考虑的干扰或是信干比估计都是在不失时效性的前提下进行的。在结束章节,本文对当前OFDMA资源分配算法的研究前景作了展望。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章引言  11-17
  1.1 正交频分复用接入技术方案及背景  12-15
    1.1.1 正交频分复用的功率自适应问题  14
    1.1.2 正交频分复用的速率自适应问题  14-15
  1.2 OFDMA资源分配方法的研究  15-17
    1.2.1 凸优化理论  15-16
    1.2.2 整数规划理论  16-17
第二章 OFDMA系统中资源分配的算法与方案  17-23
  2.1 在OFDMA小区内进行资源分配的问题  17-19
  2.2 在联合OFDMA和MIMO系统中的用户接入和资源分配问题  19
  2.3 在OFDMA中继网络中的资源分配问题  19-21
  2.4 考虑小区间干扰的多小区OFDMA系统的资源分配问题  21
  2.5 考虑不完美信道信息的OFDMA资源分配问题  21
  2.6 在OFDMA中继网络中考虑了不完美信道信息的资源分配问题  21-22
  2.7 在OFDMA系统中进行资源分配的资源浪费问题  22-23
第三章基于整数规划的OFDMA资源分配算法的研究  23-40
  3.1 整数0-1规划算法  23-27
    3.1.1 分支定界整数规划算法  23-25
    3.1.2 0-1规划隐数算法  25-27
  3.2 0-1整数规划算法在OFDMA资源分配中的应用  27-38
    3.2.1 OFDMA的资源分配问题的建模  27-29
    3.2.2 基于分支定界的OFDMA资源分配算法  29-32
    3.2.3 基于0-1隐数法的OFDMA资源分配算法  32-33
    3.2.4 结合预分配和0-1隐数的OFDMA资源分配算法  33-35
    3.2.5 结合用户权重和分支定界的OFDMA资源分配算法  35-38
  3.3 儿种资源分配方法的仿真比较  38-40
第四章相邻小区的OFDMA系统资源分配问题的研究  40-50
  4.1 算法的研究背景和研究目的  40
  4.2 相邻小区的OFDMA系统资源分配的系统模型  40-42
  4.3 相邻小区的OFDMA系统资源分配的最优比特载入方法  42-46
    4.3.1 采用子载波独占策略的最优比特载入界限的研究  42
    4.3.2 采用子载波共享策略的最优比特载入界限的研究  42-44
    4.3.3 采用子载波独占策略,子载波共享策略和混合子载波独占和共享策略的最优  44
    比特载入  44-46
  4.4 仿真实验和比较  46-49
    4.4.1 仿真环境与参数  46
    3.4.2 仿真结果与讨论  46-49
  4.5 本章小结  49-50
第五章基于干扰相消的多小区OFDMA系统资源分配算法的研究  50-68
  5.1 算法的研究背景和研究目的  50-51
  5.2 多小区多扇区的OFDMA系统的模型  51-54
    5.2.1 OFDMA网络的资源分配问题  51-53
    5.2.2 对于OFDMA网络的软频率复用构架  53-54
  5.3 单小区的预分配和重分配算法  54-56
  5.4 基于预分配和匝分配算法的多小区资源分配和干扰相消算法  56-60
    5.4.1 主要干扰均衡(PIB)算法  56-58
    5.4.2 干扰比特装载避免(IBLA)算法  58-60
  5.5 仿真实验和比较  60-64
    5.5.1 仿真环境和参数  60-61
    5.5.2 仿真结果与讨论  61-64
  5.6 多小区资源分配算法研究前景展望和多小区资源分配弥散算法  64-67
    5.6.1 当前结合资源分配的干扰相消方案  64-65
    5.6.2 研究的前景展望和资源分配弥展算法  65-67
  5.7 本章小结  67-68
第六章结束语  68-70
附录  70-74
  引理1 的证明  70
  命题1 的证明  70-71
  定理1  71-74
参考文献  74-79
致谢  79-80
作者攻读学位期间发表的学术论文以及专利目录  80

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