量子智能算法及在OFDM系统资源分配中的应用 第6页
第3章 量子遗传算法在OFDM资源分配中的应用
3.1 OFDM系统概述
3.1.1 OFDM技术简介
OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样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，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高系统性能。
在上个世纪60年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970年，美国发明和申请了一个专利，其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖，用于抵制冲激噪声和多径失真，而能充分利用带宽。这项技术最初主要用于军事通信系统。但在以后相当长的一段时间，OFDM理论迈向实践的脚步放缓了，在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素部成为OFDM技术实现的制约条件。直到二十世纪80年代，随着DSP芯片技术的发展，傅里叶变换/反变换，128/256QAM的技术，软判决技术，信道自适应技术，插入保护时段等成熟技术的引入，人们开始集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计3G以后移动通信的主流技术将是OFDM技术。
3.1.2 OFDM系统优缺点
OFDM技术具有以下优点：
把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效地将少由于无线信道的时间弥散所带来的ISI[18]，减少接收机的复杂度。
由于OFDM系统各子载波间存在正交性，允许各子信道的频谱互相重叠，因此，与常规频分复用系统相比，可以更大限度的利用频谱资源[19]。
OFDM可以使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路的不同的传输速率，满足无线数据业务的非对称性。
但OFDM技术也存在诸如较高的峰值平均功率比，易受频率偏移影响等问题。
OFDM系统框架如下图所示 图3.1 OFDM系统框架图示
3.2 多用户联合自适应比特，调制和功率分配
以下介绍在多用户环境下的联合自适应比特，调制和功率分配技术，优化整体的性能。
在单用户环境下，贪婪算法是一种最优的分配算法，它使得全部传输功率最小。但在多用户环境下，由于多个用户不能共享同一个子载波，对一个子载波的分配将严重影响和妨碍其他用户与对此子载波的使用。同时，在一个用户中呈现出深衰落的子载波不一定在其他用户中也处于深衰落，因此，需要考虑一种根据瞬时信道特性来为每一个用户分配子载波的自适应多用户子载波分配方法，使得所有的子载波都能更有效的被利用。
3.2.1 系统模型
多用户自适应OFDM系统结构如下图所示：
图3.2 多用户自适应OFDM系统结构如下图
如上图所示，假设OFDM系统有 个用户，第 个用户的数据速率为 比特/OFDM符号。系统中共有 个子载波。则可设 为用户 在子载波 上的功率， 为每个OFDM符号需要的总的功率， 为用户 在子载波 上的信道衰落， 为用户 在子载波 上的比特数，则优化目标为最小发射功率的动态子载波，比特分配问题可如下描述[18]：
其中（3.2）式表示每个用户传送的比特约束，（3.3）式规定了每个用户的误比特率上限，(3.4)式表示了信道增益为1时，为保证用户 在子载波 上每个调制符号可靠传输 比特所需的最小功率。使用QAM调制方式时，可以使用如下公式代替：
（3.5）
3.2.2 静态多用户子载波和比特分配算法
静态分配算法即每个用户使用固定的子载波进行比特传输，常用的有OFDM-TDMA算法、OFDM-FDMA算法和OFDM interleaved-FDMA算法。
OFDM-TDMA算法：为每个用户分配一个固定的时隙，在其专用时隙中可以使用全部的子载波。
OFDM-FDMA算法：每个用户分配一个预定的固定的子载波频带，而且只能在每个OFDM符号中使用其专用的子载波。
图3.3 OFDM-TDMA算法示意图
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