基于注水算法的蜂窝网络功率分配算法与仿真毕业论文Word格式文档下载.docx

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基于注水算法的蜂窝网络功率

分配算法与仿真

摘要

随着信息大爆炸时代的来临，信息输出的压力日益增大，无线通信行业正经历着窄带、电路交换系统到宽带、基于IP平台的重大变革。

在这个向宽带的演化中，一个共同的主题就是OFDM的使用和开放的网络架构及如何在有限的基站输出功率情况下产生最大的效率。

本文结合了先进的OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing），即正交频分复用技术。

OFDM的优点是，可以减少子信道之间的相互干扰ICI、每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽、每个子信道上的可以看成平坦性衰落、消除码间串扰。

本文以OFDM为多蜂窝系统功率分配模型，以功率注水算法为依托。

提出了改良版的注水算法，即在注水算法前加以价格参量，其目的是在信道状况好的时刻，多分配功率，信道差的时候，少分配功率，从而最大化传输速率。

并且在功率分配时特别在蜂窝间同频子载波干扰严重的情况下，相对于完全非合作博弈论的低效和合作博弈论的庞大开销，引入价格参量的注水算法而分配出来的功率应是每个子载波的最优解，从而可以很方便的实现功率效用的最大化。

关键词:

OFDM；

注水算法；

价格控制；

功率分配

ALLOCATIONALGORITHMANDSIMULATIONOFCELLULARNETWORKSBASEDONWATERPOWER

Abstract

Withtheadventofaneweraoftheinformationexplosion,thepressureofinformationoutputisincreasing,andthewirelesscommunicationsindustryisexperiencinganarrowband,circuits-switchedtobroadband,majorchangesinIP-basedplatform.Ithasbecomeincreasinglyseriousabouthowtogeneratemaximaleffectivenessinthelimitedbasestationsoutput.

ThisthesisintegrateswiththeadvancedOFDMsystem,OFDMistheorthogonalfrequencydivisionmultiplexing.ItcanreducethemutualinterferencebetweenICI（inter-carrierinterference）sub-channels.Signalislessthanthebandwidthofeachsub-channelcoherencebandwidthforthechannel;

eachsub-channelcanberegardedasflatfading,whichcaneliminateinter-symbolinterference.ThispapertakesOFDMasthepowerallocationofmulti-cellularsystemsmodel,relyingonWater-fillingalgorithm.Water-fillingalgorithmiscontrolledbytheresponsivenessofalinkadaptationanddynamicallyupdatedalongwithchannelcondition,thebetterChannelconditionsare,themorepowerdistributionwillget.Inthispaper,awater-fillingalgorithmthatisproposedtodynamicallyallocatetransmitpower,whichisreflectedbytheresourcepricefluctuationisadoptedtoallocateadaptively.Theimprovedmultiuserwater-fillingalgorithmwiththepriceisusedtodeterminethepowerallocation,realizingtothelowefficiencyofcompletelyNon-cooperativegametheoryandthehugecostofinefficientcooperativegametheory,whichisasignificantperformanceimprovementofthepowerallocation.Inthecaseofaninter-carrierinterferencebetweencellular,introductionofWater-fillingalgorithmbasedonthepriceparametersandthepowertobedispensedistheoptimalsolutionforeachsubcarrier,therefore,itcanbeveryconvenienttomaximizethepowerutility.

KeyWords:

OFDM;

Water-fillingalgorithm;

priceparameters;

powerallocation

摘要I

AbstractⅡ

1绪论1

1.1引言1

1.2OFDM技术简介1

1.3国内外研究现状4

1.4论文结构安排6

2多蜂窝OFDM系统资源分配的方法7

2.1OFDM功率分配方法7

2.2OFDM系统资源分配基于注水算法的分类8

2.2.1速率自适应9

2.2.2余量自适应10

2.3功率分配最优解11

2.4博弈论与无线通信资源优化的结合11

2.5本章小结11

3注水算法及基于价格的注水算法13

3.1迭代注水算法13

3.2基于定价机制的注水算法15

3.3系统模型16

3.4基于定价机制的注水算法描述18

3.5仿真模型及参数设置19

3.6结果论证19

3.7本章小结20

结论21

参考文献22

致谢25

1绪论

1.1引言

当信息的传递成为衡量一个时代发展快慢的标杆时，信息传递的方式、效用关系、分配情况等，也获得了越来越多的关注。

在当今快速发展的时代影响下，蜂窝网络通信已经展现出它的力不从心，随之而来的以OFDM[1]为技术支持的新型蜂窝通信可以说是对原蜂窝网络的福音。

然而正当我们对OFDM翘首以盼时，伴随着OFDM的发展，OFDM自身的问题也是逐一的暴露出来。

首先，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。

OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。

OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。

其次，OFDM系统的功率峰值与均值比[2]（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。

与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道时，功率就是均值功率的N倍，高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。

最终，OFDM系统的负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。

负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，增加不必要的开销，况且当终端移动速度每小时高于30公里时，自适应调制技术就不是很适合了。

针对OFDM的上述问题，我们要做的就是扬长避短，而本文就是为了找出一个可以均衡的点。

1.2OFDM技术简介

移动通信系统主要包括蜂窝系统[3]、集群系统、AdHoc系统[4]、卫星通信系统、分组无线网、无绳电话系统和无线电传呼系统等。

蜂窝系统是目前采用最多的移动通信系统。

蜂窝通信发展经历了：

第一代模拟蜂窝网络系统（AMPS），第二代数字蜂窝网络系统（GSM），第三代（3G）系统和超3G（Beyond3G）蜂窝网络系统，以及以OFDM作为核心技术的第四代（4G）移动通信体系。

在蜂窝网中，将地理区域划分成类似蜂窝，每个蜂窝单元使用一组频段，邻近蜂窝之间使用不同的频率，较远（非邻近）蜂窝之间采用重复的传输频率。

如图1-1所示。

蜂窝网络或移动网络（Cellularnetwork）。

其六边形的设计一方面避免了蜂窝之间的强干扰，另一方面又使得频率复用，提高频带资源的利用率，增加了系统的容量。

蜂窝系统由移动台（手机）、子站和基站构成。

移动台的作用是将需要传的信息经过处理发送给基站，同时接收与自身相关的基站发送的信息并还原成用户可识别的用户信息（声音、文字、图片等）。

子站由电源系统、接收机、发射机组成，它在通信中起中继[5]的作用即负责移动台和基站，基站和基站之间的信息传输。

基站的作用是负责对移动台进行监测、管理、控制和服务。

第一代模拟移动通信都采用频分多址[6]（FDMA）接入方式。

第二代数字移动通信采用的主要有两种接入方式：

以欧洲大多数国家为代表的时分多址[7]（TDMA）以及以北美为代表的码分多址[8]（CDMA），最典型TDMA方式是GSM[9]体制。

第三代移动通信

技术标准包括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。

图1-1蜂窝网示意图

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术是多载波调制[10]（Multi-CarrierModulation，MCM）的一种，是第四代（4G）移动通信的关键技术。

这种技术是HPA联盟[11]（HomePlugPowerlineAlliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。

由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

它能够支持固定终端[12]和移动终端[13]接入无线城域网（WMANS）。

能同时分开多个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行。

正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”，使得OFDM技术深受欧洲通信运营商以及手机生产商的喜爱和欢迎。

OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，因为通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。

该技术可以自动地检测传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。

OFDM思想来自于频分复用[14]（FDM）的概念。

如图1-2在传统的FDM中，是一种将多路基带信号[15]调制到不同频率载波上再进行叠加形成一个复合信号的多路复用技术，不同信道的信号在频域上是相互独立的。

而基于FDM的OFDM系统的主要思想是：

将高速串行数据[15]变换成多路相对低速的并行数据[16]并对不同的载波进行调制。

这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。

传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。

同时，为了减小各个子载波间的相互串扰[17]，各子载波间必须保持足够的频率间隔[18]，这样会降低系统的频率利用率[19]。

而现代OFDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。

同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。

当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。

为解决这个问题，在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展得到的。

只要多径时延不超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。

但是复杂度大大增加，由于后来JohnTurkey提出了快速傅里叶变换及逆变换（即FFT和IFFT）的算法极大地减小

了OFDM实现的复杂度,从而使得这项技术被发展起来,并成为了4G和LTE的关键。

图1-2FDM和OFDM带宽利用率的比较

图1-3正交频分信号在时间上的示意图

图1-4正交频分复用信号的频谱示意图

1.3国内外研究现状

OFDM技术优点包括如下几个方面。

（1）抗衰落能力强。

OFDM把用户信息通过多个子载波传输，于是在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声[20]（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更强。

同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。

因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。

（2）频率利用率高。

OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。

（3）适合高速数据传输。

OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。

当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。

当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。

再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。

因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。

（4）抗码间干扰[21]（ISI）能力强。

码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。

造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。

OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。

OFDM技术的发展与应用，目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括：

非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。

正交频分多址技术可以视为一调制技术与多工技术的结合。

OFDM系统中的无线资源管理技术主要分为两大类：

一类是在链路级上改善频谱效率的技术，主要包括无线资源分配和分组调度；

另一类是在系统级提高容量的技术，主要包括呼叫接纳控制、拥塞控制和切换管理。

目前对OFDM系统无线资源管理的研究多集中在第一类，本设计主要研究OFDM系统以及OFDM系统的无线资源管理中的无线资源分配。

OFDM技术有两个显著的特征：

（1）频域上,频带分成若干子载波，子载波间呈正交性设计在时域上；

（2）时域上，通过并行处理延长了符号的时长。

OFDM技术的这两特点使无线资源的管理更加灵活，如果把OFDM调制技术与多址接入技术相结合，将会构成不同的多用户移动通信系统。

这样，由于OFDM对子载波的接入的可控性，使得OFDM在资源分配的算法上又更具灵活性。

而由于终端的移动特性以及非视距困的传输使得传输的信道受到像路损,阴影衰落和多径效应而导致的信道衰减，所以，针对信道产生的衰落,设计有效可靠的资源分配算法对于OFDM技术是必然的需要。

OFDM系统可分为：

上行链路、下行链路、中继系、多小区干扰抑制等等研究模型。

资源分配问题在某种程度下可以起到改造信道的功能，这样也可以寻找到系统的容量的上限。

多用户OFDM系统里涉及到的通信资源的相关技术如表1-1所示。

表1-1通信资源的相关技术

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