MIMO-OFDM系统无线资源分配研究
1引言
多输入多输出（MIMO）技术在基站和终端布署多根天线来抑制信道衰落，从而大幅度地提高信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。MIMO技术包括发射分集（Transmit Diversity）和空间复用（Spatial Multiplexing）两种技术。正交频分复用（OFDM）技术与MIMO技术的有效结合，为无线通信系统寻求更高的频谱效率及数据传输可靠性提供了基础。
与单输入单输出（SISO）系统相比，MIMO系统同样需要经受无线信道时变
特性和频率选择性衰落的影响。此外，由于不同的用户可以占用相同的时频资源，MIMO系统还可能存在同信道干扰（CCI）。在时域和频域具有快速多变特性且可能存在同信道干扰的无线信道中，如何有效地分配无线资源，使系统性能达到最优，是业界研究的热点问题。因此，研究MIMO-OFDM系统的无线资源分配具有重要意义。
2问题的提出与发展
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。
OFDM(正交频分复用)技术实际上是MCM(Multi-Carrier Modulation，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。
在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响。而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。这样，将OFDM和MIMO两种技术相结合，就能达到两种效果：一种是实现很高的传输速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性。同时，在MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地增强系统的稳定性。
近来种种迹象表明，“无线＋宽带”已成为未来无线通信的重要卖点。MIMO-OFDM技术通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，利用时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。
MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，4G需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。
3国内外目前研究现状
3.1 PHY研究现状
当前，对MIMO-OFDM系统无线资源分配问题的研究，相当大一部分集中于物理（PHY）层。PHY无线资源分配的优化目标主要包括两种类型：
（1）比特速率最大化问题，即在额定的功率和比特误码率（Bit Error Rate，BER）范围内，如何最大化数据速率；
（2）功率最小化问题，即在额定的数据速率和BER范围内，如何最小化所有子载波上分配的功率总和。
在PHY层，无线资源分配的研究主要集中于解决子载波功率总和最小或者比特速率最大的问题，考虑的用户QoS参数较少，主要是保证用户的最小发送数据速率。这就导致系统在达到功率和比特速率优化的同时，可能使一部分数据发送时延等QoS参数以及用户公平性没有得到满足。另一方面，考虑的QoS参数单一，将导致资源分配机制无法满足多用户多业务类型多QoS参数的需求。因此，仅仅局限于PHY层无线资源分配无法很好地达到频谱高效利用和兼顾用户QoS需求的目标。
3.2 MAC研究现状
由于MIMO技术与其他PHY层技术紧密联系，目前，仅有非常少量单纯在媒体接入控制（MAC，Media Access Control）层针对MIMO系统的无线资源分配研究。在MAC层研究MIMO无线资源分配，可以充分将数据包的到达情况和各用户各连接的QoS参数等因素纳入考虑范围，使MIMO系统在提高系统吞吐率的同时，更好地满足用户QoS需求和达到用户公平性，而这恰恰是当前MIMO无线资源分配研究较为欠缺之处。传统的MAC无线资源分配机制主要针对SISO系统，关注的焦点放在数据队列整形、系统吞吐率以及用户QoS调度，较少关注物理信道的实时变化。
3.3 MAC-PHY跨层研究现状
单纯从PHY层或者MAC层考虑无线资源分配机制都很难使MIMO系统达到最优的整体系统性能，因为在无线通信系统中，不同协议栈层次的动态特性是相互关联的。例如，在PHY层提高多用户分集可以增加系统的总体容量，但是，这
很可能是在牺牲MAC层用户公平性和某些连接发送时延等QoS参数的基础上获得的。
近年来，针对MIMO系统的MAC-PHY跨层无线资源分配机制的研究正处于起步阶段。跨层无线资源分配的基本思想是在各协议栈之间联合自适应带宽分配、功率，以及安排传输策略，使资源利用率得到显著提升，同时确保连接的QoS参数。通用的研究思路是将MAC层的QoS需求（例如：吞吐率、时延等）与PHY层关注的因素（例如：信道衰落状况和调制编码方式等）联合起来考虑。
3.4研究现状分析
综合以上三方面研究现状可知，根据优化侧重点的不同，MIMO-OFDM系统无线资源分配主要包括以下优化目标：
（1）系统吞吐率最大；
（2）功率总和最小；
（3）QoS满足；
（4）用户公平性。
针对该问题，现有研究分别在PHY、MAC和MAC-PHY跨层三个层面取得了一些研究成果，但还存在以下问题：
（1）在PHY层，MIMO-OFDM系统的无线资源分配研究集中于解决子载波功率总和最小或者比特速率最大的问题，考虑的用户QoS参数较少，仅仅局限于PHY层无线资源分配无法很好地达到频谱高效利用和兼顾用户QoS需求的目标。
（2）目前只有非常少量单纯在MAC层针对MIMO-OFDM系统的无线资源分配研究。传统的MAC层无线资源分配机制更多偏向于SISO系统，关注的焦点在于数据队列整形、系统吞吐率以及用户QoS调度，较少关注物理信道的实时变化。
（3）MAC-PHY跨层无线资源分配将MAC层QoS需求与PHY层信道信息联合起来考虑，与前两种非跨层机制相比，更容易达到优化的系统整体性能。
（4）由于跨层无线资源分配机制涉及的优化问题非常复杂，要达到优化目的需要耗费很高的计算代价。
4 MIMO-OFDM无线资源分配关键技术
与SISO系统相比，MIMO系统调度需要考虑更多因素，主要包括：信道质量信息（CQI）和信道状态信心（CSI）；QoS需求；HARQ反馈等。在考虑这些因素的基础上，MIMO-OFDM无线资源分配涉及的关键技术主要包括：多天线的协作关系、多用户干扰管理、MIMO模式和预编码选择等。
5论文的创新性、可行性
本文从PHY、MAC和MAC-PHY跨层三个层面，介绍了MIMO-OFDM系统无线资源分配问题的研究现状，并分析了现有研究的存在问题。同时，简单阐述了对MIMO-OFDM无线资源分配构成影响的因素以及几种关键技术。在本文中有以下创新性及可行性：
（1）在对PHY、MAC和MAC-PHY跨层研究时，具体分析了各个层的特点和其所集中解决的问题，如在PHY层，无线资源分配的研究主要集中于解决子载波功率总和最小或者比特速率最大的问题；传统的MAC无线资源分配机制关注的焦点放在数据队列整形、系统吞吐率以及用户QoS调度上；MAC-PHY跨层虽然处于研究的初步状态，但却充分结合了以上两层的优点。
（2）阐述了三个层所存在的问题，相互结合使得无线资源分配达到最优。PHY层考虑的用户QoS参数较少；传统的MAC层无线资源分配机制较少关注物理信道的实时变化；MAC-PHY跨层无线资源分配结合上两者的优点，更容易达到优化的系统整体性能。
6心得体会
在做这篇开题论文的过程中，通过翻阅一些相关书籍，查阅相关材料，对MIMO-OFDM无线资源分配技术的研究有了更加充分的了解。以前只是想当然的认为这项技术是脑海中所认识的那样，做完这篇论文才认识到以前的认知和现在的相差很远。可见，平常还是自己翻阅资料太少，没有达到不明白即查的习惯。在对学科专业的认识中，知识是永远探求不尽的。所以在以后的学习当中，遇到不明白的一定要认真对待，通过查阅资料或向老师请教，知道弄清楚为止。
