【正文】 畢 業(yè) 設 計(論文)題 目 基于注水算法的蜂窩網絡功率 分配算法與仿真系 別信息工程系專業(yè)班級通信專業(yè)10K1班學生姓名董小蕾指導教師李保罡二○一四年六月華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）基于注水算法的蜂窩網絡功率分配算法與仿真摘 要隨著信息大爆炸時代的來臨，信息輸出的壓力日益增大，無線通信行業(yè)正經歷著窄帶、電路交換系統(tǒng)到寬帶、基于IP平臺的重大變革。在這個向寬帶的演化中，一個共同的主題就是OFDM的使用和開放的網絡架構及如何在有限的基站輸出功率情況下產生最大的效率。本文結合了先進的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ，即正交頻分復用技術。OFDM的優(yōu)點是，可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 、每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬、每個子信道上的可以看成平坦性衰落、消除碼間串擾。本文以OFDM為多蜂窩系統(tǒng)功率分配模型，以功率注水算法為依托。提出了改良版的注水算法，即在注水算法前加以價格參量，其目的是在信道狀況好的時刻，多分配功率，信道差的時候，少分配功率，從而最大化傳輸速率。并且在功率分配時特別在蜂窩間同頻子載波干擾嚴重的情況下，相對于完全非合作博弈論的低效和合作博弈論的龐大開銷，引入價格參量的注水算法而分配出來的功率應是每個子載波的最優(yōu)解，從而可以很方便的實現功率效用的最大化。關鍵詞: OFDM；注水算法；價格控制；功率分配 IALLOCATION ALGORITHM AND SIMULATION 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 munications industry is experiencing a narrowband, circuitsswitched to broadband, major changes in IPbased platform. It has bee 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 (intercarrier interference) subchannels. Signal is less than the bandwidth of each subchannel coherence bandwidth for the channel。 each subchannel can be regarded as flat fading, which can eliminate intersymbol interference. This paper takes OFDM as the power allocation of multicellular systems model, relying on Waterfilling algorithm. Waterfilling 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 waterfilling algorithm that is proposed to dynamically allocate transmit power, which is reflected by the resource price fluctuation is adopted to allocate adaptively. The improved multiuser waterfilling algorithm with the price is used to determine the power allocation, realizing to the low efficiency of pletely Noncooperative game theory and the huge cost of inefficient cooperative game theory, which is a significant performance improvement of the power allocation. In the case of an intercarrier interference between cellular, introduction of Waterfilling algorithm based on the price parameters and the power to be dispensed is the optimal solution for each subcarrier, therefore, it can be very convenient to maximize the power utility.Key Words: OFDM。 Waterfilling algorithm。 price parameters。 power allocationII目 錄 摘要 IAbstract Ⅱ 1 緒論 1 引言 1 OFDM技術簡介 1 國內外研究現狀 4 論文結構安排 62 多蜂窩OFDM系統(tǒng)資源分配的方法 7 OFDM功率分配方法 7 OFDM系統(tǒng)資源分配基于注水算法的分類 8 速率自適應 9 余量自適應 10 功率分配最優(yōu)解 11 博弈論與無線通信資源優(yōu)化的結合 11 本章小結 113 注水算法及基于價格的注水算法 13 迭代注水算法 13 基于定價機制的注水算法 15 系統(tǒng)模型 16 基于定價機制的注水算法描述 18 仿真模型及參數設置 19 結果論證 19 本章小結 20結論 21參考文獻 22致 謝 25 1 緒 論 引言 當信息的傳遞成為衡量一個時代發(fā)展快慢的標桿時，信息傳遞的方式、效用關系、分配情況等，也獲得了越來越多的關注。在當今快速發(fā)展的時代影響下，蜂窩網絡通信已經展現出它的力不從心，隨之而來的以OFDM[1]為技術支持的新型蜂窩通信可以說是對原蜂窩網絡的福音。然而正當我們對OFDM翹首以盼時，伴隨著OFDM的發(fā)展，OFDM自身的問題也是逐一的暴露出來。首先，OFDM系統(tǒng)對頻偏和相位噪聲比較敏感。OFDM系統(tǒng)對頻偏和相位噪聲比較敏感。OFDM技術區(qū)分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交性。其次，OFDM系統(tǒng)的功率峰值與均值比[2]（PAPR）大，導致射頻放大器的功率效率較低。與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM信號是由多個獨立的經過調制的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的峰值均值功率比，對于包含N個子信道的OFDM系統(tǒng)來說，當N個子信道時，功率就是均值功率的N倍，高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導致射頻信號放大器的功率效率降低。最終，OFDM系統(tǒng)的負載算法和自適應調制技術會增加系統(tǒng)復雜度。負載算法和自適應調制技術的使用會增加發(fā)射機和接收機的復雜度，增加不必要的開銷，況且當終端移動速度每小時高于30公里時，自適應調制技術就不是很適合了。針對OFDM的上述問題，我們要做的就是揚長避短，而本文就是為了找出一個可以均衡的點。 OFDM技術簡介移動通信系統(tǒng)主要包括蜂窩系統(tǒng)[3]、集群系統(tǒng)、Ad Hoc系統(tǒng)[4]、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、分組無線網、無繩電話系統(tǒng)和無線電傳呼系統(tǒng)等。蜂窩系統(tǒng)是目前采用最多的移動通信系統(tǒng)。蜂窩通信發(fā)展經歷了：第一代模擬蜂窩網絡系統(tǒng)(AMPS)，第二代數字蜂窩網絡系統(tǒng)(GSM)，第三代(3G)系統(tǒng)和超3G(Beyond3G)蜂窩網絡系統(tǒng)，以及以OFDM作為核心技術的第四代(4G)移動通信體系。在蜂窩網中，將地理區(qū)域劃分成類似蜂窩，每個蜂窩單元使用一組頻段，鄰近蜂窩之間使用不同的頻率，較遠(非鄰近)蜂窩之間采用重復的傳輸頻率。如圖11所示。 蜂窩網絡或移動網絡（Cellular network）。其六邊形的設計一方面避免了蜂窩之間的強干擾，另一方面又使得頻率復用，提高頻帶資源的利用率，增加了系統(tǒng)的容量。蜂窩系統(tǒng)由移動臺(手機)、子站和基站構成。移動臺的作用是將需要傳的信息經過處理發(fā)送給基站，同時接收與自身相關的基站發(fā)送的信息并還原成用戶可識別的用戶信息(聲音、文字、圖片等)。子站由電源系統(tǒng)、接收機、發(fā)射機組成，它在通信中起中繼[5]的作用即負責移動臺和基站，基站和基站之間的信息傳輸?；镜淖饔檬秦撠煂σ苿优_進行監(jiān)測、管理、控制和服務。第一代模擬移動通信都采用頻分多址[6](FDMA)接入方式。第二代數字移動通信采用的主要有兩種接入方式：以歐洲大多數國家為代表的時分多址[7](TDMA)以及以北美為代表的碼分多址[8](CDMA)，最典型TDMA方式是GSM[9]體制。第三代移動通信技術標準包括WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA。 圖11 蜂窩網示意圖OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術是多載波調制[10]（MultiCarrier Modulation，MCM）的一種，是第四代(4G)移動通信的關鍵技術。這種技術是 HPA 聯盟[11]（Home Plug Power line Alliance）工業(yè)規(guī)范的基礎，它采用一種不連續(xù)的多音調技術，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。它能夠支持固定終端[12]和移動終端[13]接入無線城域網(WMANS)。能同時分開多個數字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行。正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”，使得OFDM技術深受歐洲通信運營商以及手機生產商的喜愛和歡迎。OFDM技術能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質上通信特性的突然變化，因為通信路徑傳送數據的能力會隨時間發(fā)生變化，OFDM能動態(tài)地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續(xù)地進行成功的通信。該技術可以自動地檢測傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信。OFDM思想來自于頻分復用[14](FDM)的概念。如圖12在傳統(tǒng)的FDM中，是一種將多路基帶信號[15]調制到不同頻率載波上再進行疊加形成一個復合信號的多路復用技術，不同信道的信號在頻域上是相互獨立的。而基于FDM的OFDM系統(tǒng)的主要思想是：將高速串行數據[15]變換成多路相對低速的并行數據[16]并對不同的載波進行調制。這種并行傳輸體制大大擴展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。傳統(tǒng)的頻分復用方法中各個子載波的頻譜是互不重疊的，需要使用大量的發(fā)送濾波器和接受濾波器，這樣就大大增加了系統(tǒng)的復雜度和成本。同時，為了減小各個子載波間的相互串擾[17]，各子載波間必須保持足夠的頻率間隔[18]，這樣會降低系統(tǒng)的頻率利用率[19]。 而現代OFDM 系統(tǒng)采用數字信號處理技術，各子載波的產生和接收都由數字信號處理算法完成，極大地簡化了系統(tǒng)的結構。同時為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊，但這些頻譜在整個符號周期內滿足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復原信號。當傳輸信道中出現多徑傳播時，接收子載波間的正交性就會被破壞，使得每個子載波上的前后傳輸符號間以及各個子載波間發(fā)生相互干擾。為解決這個問題，在每個OFDM 傳輸信號前面插入一個保護間隔，它是由OFDM信號進行周期擴展得到的。只要多徑時延不超過保護間隔，子載波間的正交性就不會被破壞。但是復雜度大大增加，由于后來John Turkey提出了快速傅里葉變換及逆變換(即FFT和IFFT)的算法極大地減小了OFDM實現的復雜度,從而使得這項技術被發(fā)展