OFDMA系统小区间干扰消除与资源分配算法研究

【摘要】：无线网络期望能够支持更为广泛的通信服务,如语音,视频和多媒体服务等。然而,无线通信环境中,信道的时变性和无线资源的匮乏,如功率和宽带,对可靠通信提出了挑战。解决无线通信瓶颈问题的关键是提高无线频谱资源利用的有效性,即在满足服务质量的前提下,最大限度地提高频谱效率及系统容量。随着宽带蜂窝系统的发展,全球微波互联接入(WiMAX, Worldwide interoperability for Microwave Access)系统和第三代合作伙伴计划(3GPP, 3rd Generation Partnership Project)的长期演进(LTE, Long Term Evolution)系统,都选择了OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)作为其物理层接入技术,为多用户系统提供高频谱效率。但是,对有限的无线资源进行有效地分配来满足用户的多样化服务要求面临很多技术挑战,其中首要的就是资源分配问题。一方面,多小区的OFDMA系统相比于码分多址(CDMA, Code Division Multiple Access)系统,小区间干扰更为严重。另一方面,由于OFDMA系统的自身特点又使得该系统的资源分配需要特殊的考虑。因此,研究OFDMA系统的小区间干扰消除和高效的资源分配算法,提高系统频谱效率是一项重要的研究课题。 目前,对于OFDMA系统资源分配的研究主要集中在单小区以及下行链路上。然而,现有的资源分配算法往往无法从单小区简单地扩展到多小区,同时,单小区的资源分配的各种算法在用户的公平性上仍然有许多需要改进的地方。在分析国内外文献的基础上,本文对OFDMA系统的资源分配方法进行了深入研究。从研究多小区子载波分配碰撞入手,着重研究了减少小区间干扰的算法,以提高无线资源的频谱效率,同时解决了OFDMA系统的资源分配问题。这些工作提高了OFDMA系统的资源有效利用率,对未来的无线通信系统的资源分配,保证用户之间的公平性,同时降低复杂度具有积极意义和参考价值。本文针对OFDMA系统多小区的资源分配问题,主要研究了以下四个方面: 第一,对OFDMA系统多小区之间干扰消除的研究。考虑到近年来OFDMA系统资源分配的研究多集中于单小区,而对于多小区资源分配的研究较少这一情况,针对多小区的特点,研究了多小区之间的子载波分配带来的碰撞引起的干扰。进而,在多小区子载波分配的干扰碰撞概率分析的基础上,研究了多小区之间干扰消除的方法,并通过仿真对小区间干扰消除进行了验证。此外,分析了软频率复用对消除小区间干扰,以及小区边缘和小区中心用户的功率分配对相应用户容量的影响,为后文针对这些影响提出的改善算法奠定了理论基础。 第二,动态小区间干扰消除算法的研究。针对OFDMA系统普遍存在的多小区间干扰对网络性能产生的不利影响,考虑到其它小区间干扰消除算法的不足,提出了基于软频率复用的最大比合并消除小区间干扰算法。首先提出了基站合作的建立过程,为实现最大比合并提供了可行性。然后,相邻小区边缘用户使用相同的子载波,在小区负载低的情况下,采用软频率复用技术,减少小区间干扰,在负载高的情况下,利用最大比合并技术改善小区边缘用户的性能。所提基于软频率复用的最大比合并算法,不仅算法的复杂度低,而且利用了小区间的干扰,通过改善小区边缘用户的性能,来提高整个系统频谱效率。 第三,低复杂度的OFDMA资源分配算法的研究。鉴于现有的子载波和功率分配算法复杂高、公平性较差的情况,提出了低复杂度的资源分配算法。在子载波分配过程中考虑用户的公平性,每个用户首先选择一个具有最大信道增益的子载波,直到所有的用户选择完第一个子载波后才进行下一个子载波的选取。基于上面的子载波分配,提出一种混合功率分配算法(HPD, Hybrid Power Distribution),在小区边缘使用注水功率分配,由于信道增益的降序排列,减少迭代次数;而在小区中心使用等功率分配,无需迭代运算。该算法与整个小区采用注水算法相比,有效地降低了复杂度,与等功率分配相比,尤其是对于小区边缘的用户,容量得到了提高。 第四,减少上行信道质量信息(CQI, Channel Quality Information)反馈算法的研究。针对目前上行信道信息的反馈量大和公平性欠佳的问题,提出了减少上行反馈的资源分配算法。该算法在高信噪比下,小区中心的用户不需要反馈CQI,而在低信噪比的小区边缘,当用户量小时,采用1bit反馈,当用户量大时,采用基于门限的Best-M反馈方案。同时,根据Best-M反馈方案,提出了对第一个用户优先选择方案。所提算法,在保证资源分配必要的反馈信息的前提下,对复杂度和性能之间进了折中,同时满足了用户之间资源分配的公平性。