非理想信道狀態(tài)信息下OFDMA系統(tǒng)自適應資源分配技術(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期演進（Long Term Evolution，LTE）系統(tǒng)的發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)所提供業(yè)務的服務質(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)務的同時最大化系統(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可實現(xiàn)高效靈活的資源分配，并具有頻譜效率高的優(yōu)點，特別適合對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預編碼的普通OFDMA，其峰均功率比遠低于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對自適應資源分配是非常重要的。在實際系統(tǒng)中，由于導頻開銷限制等原因，使得必然存在信道估計誤差；從信道估計時刻到發(fā)送端采用基于CSI確定的資源分配方案進行傳輸有一定延時，稱此延時為CSI延時，CSI延時期間的信道變化會導致CSI不準確；在FDD系統(tǒng)中，用戶將 CSI進行

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總是不準確的，本文將基站得到的用戶子信道信噪比估計值，稱為非理想信道狀態(tài)信息（Imperfect Channel State Information，ICSI）。在實際系統(tǒng)中，在假設(shè)CSI準確的情況下進行資源分配，會導致系統(tǒng)性能的下降。ICSI估計精度對系統(tǒng)性能有很大影響，研究如何設(shè)計能自適應 ICSI估計精度變化的資源分配算法在保證用戶服務質(zhì)量

5、的同時最大化系統(tǒng)頻譜效率是非常必要的。
　　針對上述問題，本文以無線信道衰落統(tǒng)計特性為切入點，分別在OFDMA-TDD系統(tǒng)下行、OFDMA-FDD系統(tǒng)下行以及OFDMA系統(tǒng)上行鏈路三種場景下，對基于ICSI的針對非實時業(yè)務的資源分配問題進行研究，并得到了一些具有實際應用價值的方法。本文主要研究如下三個問題：
　　第一，對于TDD系統(tǒng)下行鏈路，針對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)此推導出了關(guān)于信道估計誤差和CSI延時的用戶平均誤比特率表達式，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ICSI估計精度的變化，給出與之對應的最優(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式，該算法無需迭代，可方便地應用到實際TDD系統(tǒng)中。
　　第二，對于 FDD系統(tǒng)下行鏈路，針對資源分配問題（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)此推導出了關(guān)于信道估計誤差、CSI延時、量化比特數(shù)和反饋信道BER的用戶平均誤比特率

8、表達式。根據(jù)該表達式，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)化兩個問題。針對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ICSI估計精度的變化，給出與之對應的最優(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估計精度參數(shù)的用戶平均誤比特率表達式，該算法可方便

9、地應用到實際FDD系統(tǒng)中。
　　第三，對于上行鏈路，F(xiàn)DD和TDD系統(tǒng)獲取ICSI的方式相同，所提算法對兩種系統(tǒng)都適用。針對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)于信道估計誤差和CSI延時的用戶吞吐量表達式，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ICSI估計精度的變化，給出與之對應的最優(yōu)的速率分配方案，最大化用戶吞吐量。因獲得了關(guān)于信道估計誤