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正交频分多址接入下行系统中的有限反馈技术研究
摘要 正交频分复用（OFDM）技术作为新一代的多信道调制技术，具有抗干扰能力强、频谱利用率高和运算复杂度低等性能。OFDM技术可以把总的信道带宽划分成多个相互正交的子信道，将高速的数据信号转化为并行的低速数据流。当常规的多址接入方式应用到多用户OFDM系统时，正交频分多址接入（OFDMA）得到了广泛的应用。
在OFDMA下行系统中，可以利用多用户分集对用户进行调度。基站需要知道各用户在各子信道上的信道信息，首先各用户可以通过信道估计技术得到自己在所有子信道上的信道信息，然后通过上行信道反馈给基站。当用户数量和子信道数量比较大时，全反馈时的反馈信息数量很大。因此，当反馈资源受限时，如何降低反馈量是OFDMA系统中的值得研究的问题。
门限反馈是OFDMA下行系统中的有限反馈技术之一，在该方法下，每个用户只反馈其信道增益大于特定门限的子信道的信道状态信息。具体做法如下，用户将自己在各个子信道上或者资源块上的信道增益与一个特定的门限值相比较，只有信道增益大于门限值，用户才会反馈该子信道或资源块上的信道状态信息。
最优反馈也是OFDMA系统降低反馈量的有效方法，其中，各用户仅仅反馈自己最好的几个子信道或资源块的信道状态信息。最优反馈的根本思路是，对一个用户而言，在其信道质量较差的那些子信道上，基站基本上不会调度该用户。所以，可以让用户只反馈自己最好的几个子信道的信道状态信息，从而降低反馈量。
本文首先介绍了移动通信信道的传输特性，之后介绍OFDM系统的原理并分析其优缺点，接着引入OFDMA系统的原理并介绍OFDMA系统中的一些技术方案。在此基础上，第三章和第四章研究并推导了OFDMA系统中门限反馈和最优反馈的系统容量、平均反馈量和资源块利用率。最后，通过MATLAB仿真验证了前面的理论分析结果。
关键词：正交频分多址接入 多用户分集 门限反馈 最优反馈
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景 1
1.2 课题国内外研究情况 1
1.3 论文的研究内容、工作内容和创新之处 2
1.3.1 论文的研究内容 2
1.3.2 论文的创新之处 3
第二章 OFDMA系统及反馈方案 4
2.1 移动通信信道的传输特性 4
2.1.1 多径衰落 4
2.1.2 多径衰落模型 4
2.2 OFDM系统原理 5
2.2.1 OFDM系统的原理 5
2.2.2 OFDM系统的优缺点 7
2.3 OFDMA系统的技术方案 9
2.3.1 OFDMA系统的原理 9
2.3.2 OFDMA系统中的有限反馈方案 10
第三章 OFDMA下行系统的门限反馈算法 12
3.1 引言 12
3.2 信道模型 12
3.3 门限反馈的调度方案简介 12
3.4 门限反馈的调度方案性能分析 13
3.4.1 系统平均容量 13
3.4.2 系统平均反馈量 15
3.4.3 资源块利用率 15
第四章OFDMA下行系统的最优反馈算法 17
4.1 引言 17
4.2 信道模型 17
4.3 最优反馈调度方案简介 17
4.4 最优反馈的调度方案性能分析 18
4.4.1 系统平均容量 18
4.4.2 系统总反馈量 19
4.4.3 资源块利用率 20
第五章 基于MATLAB平台的OFDMA下行系统仿真分析 21
5.1 MATLAB仿真软件的简介 21
5.2 MATLAB仿真软件的模型设置 21
5.3 MATLAB仿真结果及分析 21
5.3.1 门限反馈的仿真结果和性能分析 21
5.3.2 最优反馈的仿真结果和性能分析 24
第六章 论文总结 27
6.1 全文总结 27
6.2 进一步的研究工作 28
参考文献 29
致 谢 30
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景
随着社会的快速发展，信息技术（IT）革命席卷全球，无线移动通信技术作为信息技术产业的一次巨大革命获得了飞跃性的发展。在这个背景下，如何使用有限的无线频谱资源实现数据的高速传输是亟待解决的关键问题之一。解决这一问题的有效途径是利用能提高频谱效率的无线通信技术，比如媒体接入控制（ MAC）层的使用多用户分集调度方案以及物理层的正交频分复用（OFDM）技术[8]。第四代移动通信系统——4G是一个比其他通信系统更加复杂的移动通信系统，因此需要更多的新兴技术去支持。
第四代移动通信系统与第三代移动通信系统相比具有网络占用频谱更宽、智能性更好、通信速度更高和兼容性更好等诸多优点，逐渐成为人们研究的重点。4G采用的核心技术有以下几种：OFDM技术、智能天线技术、多输入多输出（MIMO）技术、软件无线电技术和基于IP的核心网技术。众所周知，无线通信信道的频率响应曲线大部分不是平坦的，然而正交频分复用技术的根本思路是将在频域内指定的信道划分成多个正交的子信道，然后，在各个信道上对一个子载波进行调制，而且各个子载波采用并行传输的技术。这样，就可以将宽带频率选择性衰落信道转化为并行的窄带平坦衰落子信道，完全消除码间干扰（ISI）[1]。
多用户的OFDM系统中，可以将不同的子载波分配给不同的用户以提供一种灵活的多址接入方式，即正交频分多址接入（OFDMA）。在OFDMA系统中，基站端为信道调度用户的条件是基站端提前知道各个用户的信道信息，用户的信道状态信息可以通过信道估计技术得到，然后经由上行信道反馈给基站端。
1.2 课题国内外研究情况
目前国内外对正交频分复用（OFDM）系统的研究主要集中在资源分配算法研究、系统容量与信道估计技术、OFDM 与其他技术的结合、信道反馈及预处理技术等方面。其中，对信道反馈的研究由全反馈逐渐转变成对有限反馈的研究，具有代表性的有：门限反馈、压缩反馈、最优反馈、混合反馈等。
在多用户OFDM系统中，通过给不同的用户分配不同的子载波，OFDMA技术可以提供天然的多址方式。因为用户之间的信道衰落相互独立，所以可以利用多用户分集增益以提高系统性能，从而达到服务质量（QOS）的要求。这里的多用户分集的概念是指在一个系统中，如果存在多个用户，那么从统计意义上来说，所有用户的信道状况都不好的概率很小，至少有一个用户的信道状况较好的概率很大。用户数越多，至少有一个用户的信道状况非常好的概率越大。如果通过调度这个用户，那么系统的性能与单用户系统相比大大提升。在OFDMA系统中，可以为每个子载波选择在该子载波上信道条件好的用户，从而得到了频率上的多用户的分集增益。
但是，在OFDMA下行系统中，为了调度用户可以利用多用户分集，需要让每个用户将自己在所有子载波上的信道状态信息反馈到基站端。如果用户和子载波数量很大时，反馈量也会很大。当反馈资源有限，如何减少反馈是一个值得研究的问题。
1.3 论文的研究内容、工作内容和创新之处
1.3.1论文的研究内容
如何减少OFDMA下行系统中用户的信道信息反馈是本文研究的主要问题。首先，在理论上运用概率论的知识和容量的概念分析门限反馈和最优反馈的平均容量、系统反馈量以及资源块利用率。然后结合系统模型利用MATLAB软件进行系统仿真，从而通过实验数据可以验证门限反馈和最优反馈在系统性能方面的可行性。本论文包括以下几个方面的内容：
第一章是绪论部分，介绍了课题的研究背景、国内外的研究情况以及对本论文的研究内容和创新之处。
第二章主要是介绍OFDMA技术的相关概念。首先介绍移动通信信道的传输特性，之后引入OFDM系统的原理还有优缺点，接着介绍OFDMA系统的原理以及OFDMA中的一些技术方案。
第三章和第四章是本文的重点章节，基于第二章，在理论上运用概率论的知识和容量的概念分析门限反馈和最优反馈的平均容量、系统反馈量以及资源块利用率，并给出了公式。
第五章也是本文的重点章节，根据第三章和第四章的公式推导，结合系统模型利用MATLAB软件进行系统仿真，得到的实验结果进一步支持了前面的验证。
第六章是对全文的总结，并对本文的进一步研究工作指出了可行的方向。
1.3.2论文的创新之处
本文的创新之处在于：
先从理论上分析OFDMA下行系统中门限反馈和最优反馈的平均容量、系统反馈量以及资源块利用率这3项指标，之后利用MATLAB软件进行系统的仿真，验证前面理论推导是否正确。仿真给出使用OFDMA下行系统中门限反馈和最优反馈时的平均容量、系统反馈量以及资源块利用率随用户数量变化的图表。
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