OFDM無線網(wǎng)絡(luò)資源分配技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和多媒體業(yè)務(wù)需求的日益增長，有限的頻譜資源和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)要求不斷增長之間的矛盾日益尖銳。為了緩解這一矛盾，無線網(wǎng)絡(luò)資源分配技術(shù)成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域研究的熱點，并且正交頻分復(fù)用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing, OFDM)技術(shù)的獨特優(yōu)勢為資源分配提供了靈活的自由度。因此，OFDM無線網(wǎng)絡(luò)中的資源分配問題在近幾年得到

2、了廣泛的關(guān)注。本文研究了OFDM無線網(wǎng)絡(luò)中的資源分配算法，重點研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，對前人工作進(jìn)行了改進(jìn)，主要工作如下:
　　針對上行多用戶多輸入多輸出正交頻分復(fù)用(Multi-Input Multi-Output Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing, MIMO-OFDM)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題，在考慮各用戶最小傳輸速率需

3、求和TCM編碼的情況下，以最小化蜂窩網(wǎng)絡(luò)平均消耗總功率為目標(biāo)提出了一個基于有限反饋的資源分配算法。該算法首先根據(jù)拉格朗日乘子法和凸優(yōu)化理論中Karush-Kuhn-Tucher條件設(shè)計發(fā)射速率碼本、發(fā)射功率碼本和等效信道量化門限碼本，然后基站根據(jù)各用戶當(dāng)前的信道狀態(tài)信息分配子載波并對等效信道增益量化，最后基站廣播資源分配結(jié)果。該算法不僅有效降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)平均消耗總功率，而且具有有限反饋的特點。
　　針對上行多用戶MIMO-OFDM蜂

4、窩網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題，在考慮盡力而為業(yè)務(wù)和TCM編碼的情況下，以最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量為目標(biāo)提出了一個基于有限反饋的資源分配算法。該算法首先根據(jù)發(fā)射模式碼本和用戶的誤比特率需求定義各用戶當(dāng)前時刻的有效發(fā)射模式集合，其次根據(jù)拉格朗日對偶法和凸優(yōu)化理論中的Karush-Kuhn-Tucher條件推導(dǎo)了各用戶鏈路質(zhì)量指示函數(shù);最后，根據(jù)次梯度迭代的方法更新拉格朗日乘子。該算法在不僅能提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，而且具有有限反饋的特點。
　　針對單用

5、戶MIMO-OFDM蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題，在考慮延時信道狀態(tài)信息和信道編碼情況下，以最大化吞吐量為目標(biāo)提出了一個低復(fù)雜度的資源分配算法。該算法首先利用延時信道狀態(tài)信息推導(dǎo)了考慮編碼增益的保證用戶誤比特率需求的星座距離表達(dá)式;然后證明了該優(yōu)化問題是凸優(yōu)化問題，并根據(jù)拉格朗日乘子法和凸優(yōu)化理論中Karush-Kuhn-Tucher條件推導(dǎo)了最優(yōu)比特和功率加載的封閉形式解;最后通過加載的比特取整和功率調(diào)整得到最終的資源分配解。該算法不僅能有

6、效逼近單用戶整數(shù)比特加載時的最優(yōu)吞吐量，而且具有計算復(fù)雜度低的特點。
　　針對下行多用戶MIMO-OFDM蜂窩網(wǎng)絡(luò)的比例公平資源分配問題，在考慮延時信道狀態(tài)信息和用戶比例速率權(quán)重的情況下，以最大化應(yīng)用時間窗內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量為目標(biāo)提出了一個基于應(yīng)用時間窗的比例公平算法。該算法首先把基站總功率在各子載波上等功率分配，并且把網(wǎng)絡(luò)中的每個用戶按照其比例速率權(quán)重映射為相應(yīng)數(shù)目的虛擬用戶;然后根據(jù)運籌學(xué)中影子價格(Shadow Price)的概

7、念定義虛擬用戶在子載波上接入時間分配準(zhǔn)則;最后根據(jù)子載波接入時間分配準(zhǔn)則和分類的影子價格得到最終的子載波接入時間百分比。該算法不僅能保證用戶的公平性，而且能有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　　針對上行多用戶MIMO-OFDM無線局域網(wǎng)的跨層資源分配問題，在考慮多包接收和用戶數(shù)據(jù)包長度的情況下，以最小化傳輸時間為目標(biāo)提出了低復(fù)雜度的基于多包接收跨層資源分配算法和改進(jìn)的基于多包接收跨層資源分配算法。首先，研究了在物理層采用基于波束形成的MIMO

8、-OFDM傳輸技術(shù)和在媒體接入控制(Media Access Control，MAC)層采用基于多包接收的分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function，DCF)協(xié)議;然后，根據(jù)Huang文獻(xiàn)的無線局域網(wǎng)基于多包接收的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型提山了一個低復(fù)雜度的跨層資源分配算法，該算法在網(wǎng)絡(luò)性能和計算復(fù)雜度之間取得良好的折中;最后，針對Huang文獻(xiàn)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型不足進(jìn)行了修改，即把網(wǎng)絡(luò)的總功率限制用各個用戶的最

9、大功率限制替代，并在此基礎(chǔ)上提出了一個改進(jìn)的基于多包接收跨層資源分配算法，該算法不僅能有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而且能降低平均包延時。
　　針對基于OFDM技術(shù)的多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)資源分配問題，在各鏈路最大發(fā)射功率限制和滿足各鏈路實時業(yè)務(wù)傳輸速率需求的情況下，以最大化網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)為目標(biāo)提出了一個聯(lián)合考慮功率、時隙和子載波的資源分配算法。該算法首先根據(jù)語音業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)的特點為各鏈路的實時業(yè)務(wù)分配時隙-子載波對，并且為各鏈路語音業(yè)務(wù)和視