基于注水算法的蜂窝网络功率分配算法与仿真毕业论文.docx

1、基于注水算法的蜂窝网络功率分配算法与仿真毕业论文毕 业 设 计(论文)题 目 基于注水算法的蜂窝网络功率 分配算法与仿真毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕

2、业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月

3、 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结

4、论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有

5、程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订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(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ，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

6、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 ALLOCATION ALGORITHM AND SI

7、MULATION OF CELLULAR NETWORKS BASED ON WATER POWERAbstractWith the advent of a new era of the information explosion, the pressure of information output is increasing, and the wireless communications industry is experiencing a narrowband, circuits-switched to broadband, major changes in IP-based plat

8、form. It has become increasingly serious about how to generate maximal effectiveness in the limited base stations output. This thesis integrates with the advanced OFDM system, OFDM is the orthogonal frequency division multiplexing. It can reduce the mutual interference between ICI (inter-carrier int

9、erference) sub-channels. Signal is less than the bandwidth of each sub-channel coherence bandwidth for the channel; each sub-channel can be regarded as flat fading, which can eliminate inter-symbol interference. This paper takes OFDM as the power allocation of multi-cellular systems model, relying o

10、n Water-filling algorithm. Water-filling algorithm is controlled by the responsiveness of a link adaptation and dynamically updated along with channel condition, the better Channel conditions are, the more power distribution will get. In this paper, a water-filling algorithm that is proposed to dyna

11、mically allocate transmit power, which is reflected by the resource price fluctuation is adopted to allocate adaptively. The improved multiuser water-filling algorithm with the price is used to determine the power allocation, realizing to the low efficiency of completely Non-cooperative game theory

12、and the huge cost of inefficient cooperative game theory, which is a significant performance improvement of the power allocation. In the case of an inter-carrier interference between cellular, introduction of Water-filling algorithm based on the price parameters and the power to be dispensed is the

13、optimal solution for each subcarrier, therefore, it can be very convenient to maximize the power utility.Key Words: OFDM; Water-filling algorithm; price parameters; power allocation目 录 摘要 IAbstract 1 绪论 11.1 引言 11.2 OFDM技术简介 11.3 国内外研究现状 41.4 论文结构安排 62 多蜂窝OFDM系统资源分配的方法 72.1 OFDM功率分配方法 72.2 OFDM系统资源分

14、配基于注水算法的分类 82.2.1 速率自适应 92.2.2 余量自适应 102.3 功率分配最优解 112.4 博弈论与无线通信资源优化的结合 112.5 本章小结 113 注水算法及基于价格的注水算法 133.1 迭代注水算法 133.2 基于定价机制的注水算法 153.3 系统模型 16 3.4 基于定价机制的注水算法描述 183.5 仿真模型及参数设置 193.6 结果论证 193.7 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

15、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OFDM1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

16、，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。1.2 OFDM技术简介移动通信系统主要包括蜂窝系统3、集群系统、Ad Hoc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

17、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（Cellular network）。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

18、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GSM9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

19、图OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术是多载波调制10（Multi-Carrier Modulation，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（Home Plug Power line Alliance）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(WM

20、ANS)。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

21、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

22、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John Turkey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

23、和LTE的关键。图1-2 FDM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（Impulse Noise）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

24、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

25、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

26、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

27、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资源相关技术时隙（times lot）分组调度带宽(band width)子载波分配功率（transmit power）发送功率的控制信号空间(signal space size)比特加载，自适应调度天线(antenna)天线选择基站(base station)宏分集，小区选择编码(cod

28、ing)卷积码的编码速率的选择码字(code)CDMA中的码字匹配 OFDM系统的资源分配策略主要针对功率(power)、子载波/子信道(subcarrier/sub-channel)、比特(bit)、带宽(bandwidth)等资源。资源优化的目标分别有最大化传输速率、最小化传输功率、满足用户某种QoS需求等。提出了一个基于OFDM系统移动速率的子载波和比特分配周期22(SBAP)。通过找出每个用户的最优SBAP使系统总吞吐量最大化。研究OFDM下行链路的调度和资源分配问题包括用户子集的选择、决定现有子载波如何分配给已选择用户以及考虑每个子载波的传输功率、编码和调制方案，并针对该问题提出了最

29、优和次优的算法解决。多用户OFDM系统(即OFDMA系统)中，同一个子载波对应不同用户的信道增益不同，适当的功率分配与子信道分配策略能使系统获得多用户分集增益。倪知丰曾对针对多用户OFDM系统提出了联合子载波和功率分配的算法。该算法以最大化总速率为优化目标，在总功率限制下兼顾部分用户公平性。结果表明了该算法均优于之前的相关算法。正交频分复用技术（OFDM）的应用已有近40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括：非对称的数字用户

30、环路（ADSL）、ETSI标准的音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）等。1999年 IEEE802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为它的物理层标准。ETSI的宽带射频接入网（BRAN）的局域 网标准也把OFDM定为它的调制标准技术。1999年12月，包括Ericsson、Nokia和WiLAN在内的7家公司发起了国际OFDM论坛，致力于策划一个基于OFDM技术的全球性单一标准。现在OFDM论坛的成员已增加到46个会员，其中15个为主要会员。我国的信息产业部也已参加了OFDM 论坛，可见OFDM在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。2000年11月，

31、OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE802.16.3的无线城域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE802.16.3城域网的物理层（PHY）标准。随着IEEE80211a和 BRANHyperlan/2(宽带射频接入标准)两个标准在局域网的普及应用，OFDM技术进一步在无线数据本地环路的广域网领域作出重大贡献。频谱效率以及功率效率是贯穿整个移动通信发展历史的两个重要指标，但是高频谱利用率必然导致较低的功率效率，高功率效率必然导致低频谱效率。因此，寻找两个指标的平衡点就是整个移动通信技术的发展的关键。OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。而本文的出发点是利用循环迭代的办法求出在所需条件下的最优解。本文主要研究多小区OFDM系统的资源优化问题，主要针对功率和子信道这两种资源的分配以及两者的联合优化，资源优化问题将贯穿全文结构的各个点。1.4 论文结构安排第一章首先简要介绍了蜂窝网络的发展历程OFDM技术的基本原理，OFDM与FDM的比较，为研究基于OFDM系统资源分配问题提供理论基础，然后阐述了本课题研究的背景和意义。第二章首先介绍自适应功率分配的理论基础，由于本文主要思想是基