OFDM系统资源分配.doc

毕业设计（论文）

OFDM系统资源分配技术仿真

白彬彬

燕山大学里仁学院

2014年 6月

毕业设计（论文）

OFDM系统资源分配技术仿真

学 院： 里仁学院
专 业： 电子信息工程
学生 姓名： 白彬彬
学 号： 101308061360
指导 教师： 肖丽萍
答辩 日期： 2014/6/21

燕山大学里仁学院毕业设计（论文）任务书
学院： 里仁学院 系级教学单位：电子与通信工程
学
号
101308061360
学生
姓名
白彬彬
专 业
班 级
2010级电子信息工程4班
题
目
题目名称
OFDM系统资源分配技术仿真
题目性质
1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（√ ）；
理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）
2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）
题目类型
1.毕业设计（ √ ） 2.论文（ ）
题目来源
科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ √ ）
主
要
内
容
搜集、查阅OFDM技术的资料，了解掌握OFDM的原理、存在的问题及现有的解决方法，了解OFDM资源分配的意义、种类及现有资源分配方法：自学仿真语言MATLAB：建立仿真模型并进行仿真：对仿真结果进行分析。

基
本
要
求
查阅关于OFDM技术的专著，并搜集查阅有关OFDM技术的资料，深入研究OFDM技术的基本理论及技术，了解OFDM资源分配的目的及现有的资源分配方法，并比较各自特点：掌握MATLAB语言，给出仿真模型并进行仿真：分析该分配方法的性能

参
考
资
料
1、 宽带无线通信OFDM技术（第二版）王文博、郑侃，人邮版社2007
2、 OFDM的同步技术
3、 OFDM移动通信技术原理与应用，佟学俭等，人邮版，2003
4、 现代通信系统（MATLAB版）（第二版），电子工业出版社

周 次
第1～4周
第5 ～8周
第9 ～12周
第13 ～16周
第17 ～18周
应
完
成
的
内
容
查资料，了解
OFDM原理、存在问题，了解现有资源分配方法的特点，并比较。
开题
给出OFDM资源分配的总体仿真方案，各模块设计编程，调试。

调试
仿真
中期考核
调试
仿真
分析
调试
仿真
写论文
答辩
指导教师：肖丽萍
职称： 副教授
2014年3月3 日
系级教学单位审批：胡正平

2014 年3月6日

摘要
摘要
正交频分复用（OFDM）作为一种多载波调制技术，具有频谱利用率高、抗频率选择性衰落、适合告诉数据传输的特点，使它被认为是第四代移动通信的核心技术。OFDM系统的自适应资源分配技术，即子载波、比特、功率分配技术，是根据各个子信道上实时的信道特性，动态地进行子信道、比特和功率分配，使得在有限的宽带上获得更高的频谱利用率，更好的系统性能。
其中动态资源分配是OFDM中的关键环节对提高频谱效率起着至关重要的作用。为此，为使得系统的频谱效率达到最优的原则探究OFDM系统动态资源分配算法，在维持目标误比特率的前提下，利用Chow算法，通过各个子信道的信道容量来分配比特，使系统的容量达到最大。该算法通过迭代过程，逐步分配比特，同时使系统的余量逐步增大，以保证算法的收敛速度。此算法省去了大量的排比运算，大大降低了算法的复杂度。通过MATLAB仿真给出了基于Chow算法的比特、功率分配曲线图以及误码率的仿真图和仿真结果。

关键词　Chow算法、OFDM、IFFT/FFT调制解调、循环前缀

I

燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), as a multi-carrier modulation technology, with high spectrum efficiency and robustness against frequency selective fading, tells the data suitable for the characteristics of transmission, it is considered to be the core of the fourth generation mobile communication technology. Adaptive resource allocation techniques for OFDM systems, namely, subcarrier, bit and power allocation techniques, each subchannel is based on channel characteristics in real time, dynamic sub-channel bit and power allocation, so that the higher the limited broadband spectrum efficiency, better system performance.
Dynamic resource allocation is one of the key aspects of OFDM to improve the spectrum efficiency plays a vital role. For this reason, in order to make optimal spectral efficiency of the system to explore the principles of OFDM system dynamic resource allocation algorithm, under the premise of maintaining the target bit error rate, using Chow algorithm to allocate the bit through the channel capacity of each subchannel, the system's The maximum capacity is reached. The algorithm is an iterative process, and gradually allocated bits, while gradually increasing the margin system in order to ensure the convergence rate. This method eliminates the need for large amounts of parallelism operation greatly reduces the complexity of the algorithm. By MATLAB simulation, the simulation diagram and simulation results based on a bit, and power distribution curves of BER Chow algorithm.

Keywords：Chow algorithm、OFDM、IFFT/FFT modulation and demodulation、
Cyclic Prefix

I

目 录

摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2国内外发展状况 2
1.3 OFDM系统资源分配的优缺点 3
1.4论文的主要内容及安排 4
第2章 OFDM的基本原理及仿真 5
2.1 OFDM基本模型 5
2.2 IFFT/FFT 7
2.3 OFDM系统的保护间隔与循环前缀 9
2.4 基于QAM的OFDM仿真 12
2.4.1单径高斯白噪声信道下系统的仿真流程 12
2.5 OFDM技术的优缺点 15
2.6本章小结 16
第3章 OFDM系统资源分配 17
3.1 资源分配分类 17
3.2自适应技术 18
3.2.1 自适应技术的实现及性能分析 18
3.2.2 chow自适应算法的原理 19
3.3 Chow算法的matlab仿真 21
3.6本章小结 24
结论 25
参考文献 26
致谢 28
附录1 29
附录2 34
附录3 40
附录4 46

I

第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求越来越高。理想的目标是能在任何时候、任何地方、与任何人都能及时的沟通联系、交流信息。显然没有移动通信，这种愿望是没有办法实现的。
在实际移动通信系统中，特别是在高层建筑密集的城市，多径衰落的影响比较严重，引起频率选择性衰落。另外，移动通信系统还会受到高速移动物体所引起的多普勒效应，造成时间选择性衰落。而且移动通信系统的频谱资源是有限的。以上种种不利因素限制了移动通信系统的传输质量和传输速率。而OFDM技术的诸多优点，使其成为解决上述问题的最佳选择。
OFDM技术就是将实际信道划分为若干个相互正交的子信道，把高速的数据流通过串并转换，分配到这些传输速率相对较低的子信道中传输[1]。OFDM系统可以采用IFFT/FFT实现调制与解调[2]。OFDM系统的子信道是相互正交且相互重叠的，频谱效率提高，而且子信道的频带较窄，在子信道内可以认为是平坦衰落。在OFDM符号间插入CP还可以克服多径传输和定时误差引起的ICI和ISI[3]。
目前，OFDM技术已经被众多无线传输标准采纳，比如数字音频广播（DAB)，数字视频广播（DVB)，无线局域网（WLAN)IEEE802.11a/g[4]，无线城域网(WMAN)IEEE802.16a/d/e[5]标准。此外，OFDM也是未来移动通信系统的关键技术之一。可以预见，OFDM技术具有广阔的发展前景。
OFDM系统的各个子载波可以采用不同的调制方式，也可以随意分配给不同的用户实现多址接入，具有很高的灵活性。由于无线移动通信具有频率选择性和时间选择性的特点，各个子载波的衰落情况是不一样的，并且是时变的。对所有子载波都是用固定调制方案的OFDM系统来说，衰落严重的子载波就会产生较大的误比特率，从而导致了整个系统的误比特率较高，而信道好的子载波却没有得到充分利用，从而降低了系统的频谱利用率。而动态资源分配是指根据信道状况、用户需求，对系统资源进行优化配置，从而达到充分利用资源调高系统性能的目的。因此，如果将OFDM系统的比特、功率及子载波进行动态分配，对于提高频谱资源利用率和系统容量具有极其重要的意义。
1.2国内外发展状况
人们已经十分清楚的认识到无线移动通信网络的发展，其中最重要的资源就是无线频谱资源，知道了它是构成无线通信系统必须具备的条件之一，无线频谱资源的分配是一项十分值得研究的重要课题。作为移动通信系统的领军技术，OFDM在应用的时候也必须考虑到如何让有效的进行资源的合理分配。当然，对于OFDM系统资源分配的问题，国内外专家学者对此做出了广泛的研究。下面可以对OFDM系统资源分配的历程归纳如下：
1999年C. Y.Wong，Roger s.Cheng[6]等人提出了一种最小化功率的算法，此算法的主要特点是将子载波分配和比特分配联合起来运用。这种算法的使用使得系统的性能得到了提高但是计算复杂度却比较高，因此无法应用于现实的系统中。
之后，C．Y Wong[7] 等人将资源分配分为两个阶段，第一阶段考虑到了用户在子载波上的增益进行子载波的分配；第二阶段是功率的分配。
2002 年，Slawomir Pietrzyk[8] 等人提出了一种基于用户公平性的子载波分配方法，这种分配方法是在 C．Y Wong 等人的研究成果基础上完成的。
2003 年，Yuanrun Teng 等人[9]提出了分群自适应调制策略，在此策略中，将载波进行了分块，但是所有的载波选择的是同一种调制方式，并且调制方式的选择是由载波块中增益最差的那个来决定。
Zukang Shen 等人[10]也提出了一种基于比例公平的分配方法，在实际的系统中因为每个用户的需求是不一样的，因此，这种算法的提出具有现实意义。然而，这种方法存在的缺陷是必须进行非线性方程的求解并且要进行大量的迭代运算，因此算法比较复杂。
2004 年余官定等人[11-12]通过定义两个关于用户对比特和载波需求的函数，提出了快速分配子载波的方法。这种方法能够得到比较好的系统性能，并且计算复杂度也不高。
Guodong Zhang[13]提出了解决冲突子载波的载波分配策略，在这其中他假设了所有的子载波都可以被所有用户使用，而不是一个载波只能分配给一个用户，之后解决冲突载波的分配。这种分配方案使得系统的功率得到了最大化。
2006 年在 Ian C．Wong 等人[14]的研究基础上卢光跃等人提出了具有一定比例约束的整数比特分配方案，这种方案是为了最大化系统的吞吐量。
在 2008 年余官定等人对与用户的公平性进行了研究，最重要的贡献是对比例公平算法进行了改进，为以后的资源分配中用户的公平性问题提供了很大的启发；与此同时，张冬梅等人对最小容量最大化问题进行了优化和改进。
在2011年的无线和光学通讯会议H. Gu，S. Wang 和B.Li[15]就OFDM系统多用户容量最大化问题发表了论文。
至今，OFDM系统资源分配问题都是学者和专家的研究热点。通过以上的描述，可以知道资源分配问题的方法研究已经趋于成熟，但是，一些算法仍存在复杂度高或性能不够好等缺陷。因此，对于此问题的解决还有很大的研究空间。
1.3 OFDM系统资源分配的优缺点
OFDM把实际信道划分为若干个子信道，其中一个好处就是能够根据各个子信道的实际传输情况灵活地分配发送功率和信息比特。而且由于无线信道的频率选择性和时变性，也需要实时地对信道状况进行监测，更加有效地利用无线资源。香农已经指出：理论上讲，只要实际传输速率低于信道容量，在该信道中就可以以任意小的误码率来传输信息。因此信道容量是实现可靠通信的最大数据传输极限。
众多文献的研究表明，如果发射端能够实时获取所有用户的信道状态信息，在OFDM系统上采用动态的资源调度和分配可以获得巨大的性能改善，具体而言就是信道增益较大的子载波采用较高阶调制方式以传输更多的比特，而处于深衰落的那些子载波传输较少的比特甚至不传，在不同的衰落条件下不同的子载波传输不同的比特数，相应的传输功率也要改变。采用动态资源分配的多用户OFDM系统可以更有效的使用子载波，因为一个子载波有可能对某个用户而言是深衰落的，但对另一个用户则不是。一个子载波对所有的用户都是深衰落的概率是很小的，如果能合理的在多用户间分配子载波和发射功率就可以有效的提高系统容量，并降低误码率。
1.4论文的主要内容及安排
本文对 OFDM 系统进行了基本原理的介绍，分析了资源进行分配的策略，并且对传统算法进行了研究以及仿真实验。在此基础上介绍了Chow算法，并在此基础上，用MATLAB做出了基于16QAM的OFDM资源分配的仿真。本文对Chow算法进行了详细的描述，并且在仿真实验中发现了一些优缺点。Chow算法实则是对给定的总比特数和总功率根据子信道状况来做一个比特和功率的最优分布，适用于固定速率的业务。
第一章通过进行课题背景的研究阐述了研究本课题的目的和意义进而给出了OFDM 系统资源分配的国内外研究的现状及模式，同时总结了本论文的主
要内容。
第二章对OFDM 历史、模型、以及其他的一些主要特性做了一定的介绍，全面的了解 OFDM 系统的基本原理，为课题的研究奠定了基础。
第三章主要写了OFDM的资源分配的分类以及自适应技术，写了自适应技术的性能分析，为以后的Chow算法仿真做准备。还介绍了Chow算法的原理以及利用MATLAB来实现Chow算法的仿真。
第四章是对全文进行了总结。

3

第2章 OFDM的基本原理及仿真

第2章 OFDM的基本原理及仿真
2.1 OFDM基本模型
正交频分复用系统是一种特殊多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。多载波传输把数据流分解成多个子比特流，这样每个子数据流具有低很多的比特速率，用这样低比特率形成的低速率符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的通信系统。正交频分复用是对多载波调制（Multi-Carrier Modulation）的一种改进。它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小子载波间的相互干扰，还大大提高频谱利用率。选择OFDM系统一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。在单载波系统中，一次干扰或者衰落就可以导致链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分子信道会受到深衰落影响。
使高速的信息数据流转变成传播速率较低的信息数据流并且能够保证这些转变后的信息数据流可以在多个并行的子信道中传输[16]是正交频分复用技术的基本思想。通过将每个子信道的符号周期都延长可以有效的减小由无线信道引起的时间弥散而产生的符号间干扰(ISI)[17]。
现将 OFDM 符号的传输波形用 表示，设定符号传输时间为T ，载波总数为 N 个，第k 个载波传输的符号表示为 X ( k )，此子载波上的频率用来表示，那么可以给出一般的 OFDM 符号式子：

采用正交频分复用的方式进行信号的传输可以保证每一个子载波之间都是相互正交的，这样传输的好处是无论子载波之间怎样重叠都不会在它们之中引起任何的干扰。一般的多载波传输都会造成系统的带宽资源的浪费，这是因为在此传输中会在各个载波之间加入保护频带从而达到减小载波间
I

干扰的目的。相比较而言，正交频分复用的传输系统就不会有这种情况的发生，它可以充分的利用系统的频带资源，最大限度的减少频带的浪费。
基于以上分析，可以知道，在T（符号传输时间）内这些载波存在着一定的正交关系，如下：

当的情况下，这些载波满足上式的正交关系，此时的载波之间的间隔和符号持续的时间恰为倒数。
在不考虑信道的影响下，对发射信号在接受端使用由多个载波解调器组成的解调器组进行解调，那么接收信号可以表示为：

如下图2-1假如ts=0，接收端第k路子载波信号解调过程为：将接收信号与第k路的解调载波相乘，然后将得到结果在OFDM符号持续时间T内积分，即可获得相应发送信号，实际上，式（2-2）定义的OFDM复等效基带信号可以用离散逆傅立叶变换（IDFT）来实现的。令式中（2-2）中的ts=0,t=KT/N(K=0,1,,,,N-1),可得到：

式（2-4）中，sk即为di的IDFT运算。在接收端，为了恢复出原始数据符号di，可以对sk进行DFT 变换得到下式：

由上述分析可以看出，OFDM 系统可通过N 点IDFT运算，把频域数据符号di变换为时域数据符号sk。经过载波调制之后，发送到信道中；在接收端，将接收信号进行相干解调。然后将基带信号进行N 点DFT运算，就可获得发送的数据符号di。在实际应用中，可用快速傅里叶变换（FFT/IFFT）来实现OFDM的调制和解调。N 点IDFT运算需要实施N2次的复数乘法，而IFFT 可很好地降低运算复杂度。常用的基2IFFT 算法，其复数乘法的次数为。

图 2-1 OFDM 的传输系统框图

2.2 IFFT/FFT

上面讲了OFDM的系统构架和调制解调，在此节中进行OFDM系统 IFFT/FFT的实现，从而知道进行怎样的传输机制才能够使 OFDM 符号传输简单化。设定子载波的总个数为N，在符号周期T 内以采样间隔 T /N 对 OFDM 信号进行采样，所得到的 OFDM 符号周期T 内的 N 个采样值可以表示成为：

从上式可以得知N个时域的采样值正好是这N个子载波上的调制符号的离散傅里叶逆变换(Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT)。于是想到若干个载波的分离和解调可以令接收端使用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)[18]进行。

采用IFFT和FFT的OFDM系统结构如图 2-3所示。在实际传输中 OFDM 系统的基带信号必须要经过射频载波的调制然后再发送到无线信道中，在接收端载波再经过变频，之后在基带OFDM信号通过DFT变换实现信号的解调。这里所讲述的DFT/IDFT是实现的基带传输，依上所述可以知道用DFT来实现OFDM系统的基带传输方式可以大大降低OFDM系统传输的复杂度，因为DFT/IDFT变换可以运用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)和快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transformation,IFFT)。而通常情况下，为了方便起见，发射端和接收端表示如下[19]:

以上两式是接收端和发射端通过 IFFT 和 FFT 变换后再使之归一化，这样就可以令时域信号和频域信号的功率相等，便于研究与计算。

图 2-2 IFFT/FFT 实现 OFDM
2.3 OFDM系统的保护间隔与循环前缀
应用正交频分复用系统的一个重要原因在于它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入数据流串并变换到N个并行子信道中，使得每个调制的子载波数据周期可扩大为原始符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期数值比也同时降低N倍。为了最大限度消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔（Guard Interval）,而且该保护间隔长度Tg一般要大于无线信道中最大时延扩展，这样一个符号多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内可不插任何信号，即是一段空白传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播影响，则会产生子载波间干扰, 即子载波之间正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。这种效应可见图 2-4。由于每个OFDM符号中都包括所有非零子载波信号，而且也可同时出现该OFDM符号时延信号，图 2-4给出了第一子载波和第二子载波时延信号[参考文献2]。从图中可看到，由于在FFT运算时间长度内，第一子载波和第二子载波之间周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一个子载波的信号进行解调，第二子载波会对第一子载波造成干扰。同样，当接收机对第二子载波的信号进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。

图 2-3多径情况下，空闲保护间隔在子载波间造成的干扰

在数据传输速率和系统带宽都给定的情况下，OFDM信号符号速率将远低于单载波传输模式。比如在单载波BPSK调制模式下，符号速率就相当于传输比特速率，而在OFDM中，系统带宽被N个子载波所占用，符号速率则N倍低于单载波传输模式。正是因为这种低符号速率使OFDM系统可很好地抵抗多径传播导致的符号间干扰，另外，通过在每个符号起始位置增加保护间隔可进一步抵制符号间干扰ISI，还可以减少在接收端定时偏移的错误。这种保护间隔是一种循环复制的，增加了符号的波形长度，在符号数据部分，每一个子载波内有一个整数倍的循环，这种符号复制产生了一个循环信号，即将每个OFDM符号的后Tg时间中的样点复制到OFDM符号前
面，形成前缀，在交接点没有间断。因此将一个符号的尾端复制并补充到起始点增加了符号时间长度，图 2-5显示了保护间隔插入。

图 2-4 插入保护间隔过程
符号的总长度为,其中为OFDM符号总长度，为采样保护间隔长度，为FFT变换产生无保护间隔OFDM符号长度，则在接收端
采样开始时刻Tx应满足下式

其中是信道的最大多径时延扩展，当采样满足该式时，由于前一个符号的干扰只会在存在于[0,]，当子载波个数比较大时，OFDM的符号周期Ts相对于信道的脉冲响应长度则符号间干扰（ISI）的影响很小，将会没有符号间干扰（ISI）；而如果相邻OFDM符号间的保护间隔满足
的要求，则可以完全克服ISI的影响。同时，由于OFDM延时副本内所包含的子载波的周期个数也为整数，时延信号就不会在解调过程中产生子载波间干扰。OFDM系统加入保护间隔后，会带来功率和信息速率损失，其中功率损失可定义为：

从上式可看到，当保护间隔占到20％时，功率损失也不到1dB。但是带来信息速率损失达到20％。而在传统单载波系统中，由于升余弦滤波也会带来信息速率（带宽）损失，这个损失与滚降系数有关。但是由于插入保护间隔可消除ISI和多径所造成的子载波干扰影响，因此这个代价是值得的。
2.4 基于QAM的OFDM仿真

图2-5基于QAM的OFDM仿真原理

OFDM参数设置：
子载波数：carrier_count=200;
IFFT点数：IFFT_bin_length=512;
每个子载波符号代表的比特数：bits_per_symbol=4;
每个子载波使用的符号数：symbols_per_carrier=12;
总的传输比特数：bit_total=symbols_per_carrier∗carrier_count ∗bits_per_symbol=9600；

2.4.1单径高斯白噪声信道下系统的仿真流程
当信道信噪比SNR=15dB，没有加多径信道，只加高斯白噪声信道时的仿真结果如下。此时误比特率为0.0019。

图2-5 OFDM载波频谱幅度

图2-6 OFDM载波相位

图2-7 16QAM调制星座图

图2-8极坐标下接收信号的星座图

图2-5、图2-6是比特序列调制成QAM复数信号后加载到IFFT上的幅度情况和相位情况，在IFFT上频点28到227加载的是原调制信号，而在IFFT上频点285到484加载的是原调制信号的复数共轭信号。因为我要传输的是实数信号，所以做IFFT变换的离散序列必须满足：
(N是序列的长度），只有满足这一条件，经过IFFT变换后的数据才是实数信号。
图2-7为信源经过串并变换后，子载波采用16QAM调制后的星座图。
图2-8为去除循环前缀并做FFT变换后的接收信号的星座图 。
2.5 OFDM技术的优缺点
首先，抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。 
其次，频率利用率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。 
再者，适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。 
此外，抗码间干扰（ISI）能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。
OFDM技术缺点：
（1） 对频率偏移和相位噪声很敏感。
（2） 峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。
2.6本章小结
现在的无线通信系统中，OFDM技术的应用使得频率利用率、速率都得到了很大的提高，是一种很有发展前途的多载波技术。在本章中讲解了 OFDM系统的发展历程以及基本原理；当然，OFDM也是存在一定缺陷的，但因为它有着显著的优点，因此得到了广泛的应用。

31

第3章 OFDM系统资源分配

第3章 OFDM系统资源分配
3.1 资源分配分类
在OFDM系统中，根据其特性，各个子信道经历着不同的平坦衰落。若采用相同的功率和比特分配。各个子信道呈现出来的误码率就不一样。处于深衰落的子信道误码率很大，这就会严重的影响了整个系统的误码率性能。从而影响到系统的容量，因此优化各个子信道之间的功率和比特率就十分必要。
一般来说，在多载波系统中，动态资源分配可以包括子载波分配、比特分配和功率分配。这些动态分配可以使用一个联合算法来实现也可以采用分步的算法分别来完成。
动态子载波分配是根据用户数据流量的速率和接收端该用户所观察到的各个子载波信道状况来决定该用户能使用的子载波数量以及使用哪些子载波，以便达到高效地利用子载波的目的。
动态波特分配实在子载波分配的基础上，将用户的数据比特按照各个可用子载波的质量分配到各个子载波上面去，这里，自载波的质量用子载波在用户上的信道增益来衡量。信道增益较高的子载波被分配给较多的比特。并映射到一个大的信号星座上面，以便充分利用高质量的子载波，提高总体数据传输速率；而信道增益较差的子载波则被分配给少量的比特甚至不被分配比特。
动态比特分配和动态自载波分配有着密切的联系。不同的子载波发送不同数量的比特，其发送功率也会相应的变化。对于被分配了较多比特数的高质量子载波来说，较大的信号星座意味着较多发射功率的投入，可以保证接收端打到一定的信噪比。此外，在实际的系统实现中，对每个数据符号来说，信号星座都只能对整数数量的比特进行编码和映射，这就对每个信道上的功率分配提出严格的限制条件。从本质上来说，这是一个整数规划的问题，并且已知是非常难于求解的，需要极大的运算量，因此一般在实际中都是用复杂度较低的算法。

3.2自适应技术
自适应技术可以使得信息最大限度的发送，它是通过根据信道的瞬时变化自适应的改变一些参数，例如：发送的功率、星座点数即调制方式等来实现信息传送的。当信道的条件比较好时，就会自适应的采用高阶的调制方式；反之，当信道的条件不是很好时，就会选择使用低阶调制的方式。简而言之，自适应调制技术就是根据信道条件的不同调整每一个子载波的调制的方式。这种技术的应用可以更加有效地提高频谱的利用效率，因此也就得到了广泛的关注以及应用。
3.2.1 自适应技术的实现及性能分析
在 OFDM 系统中自适应技术的实现要经过下面的一些步骤：首先是必须对瞬时变化的信道进行质量的估计，得到信道的状态信息(CSI)，例如：信道的传输函数、信噪比、误比特率、均方误差、以及误帧率等。这样自适应技术就可以根据瞬时信道的变化合理的改变下一个时隙的发送参数。在实际中，短时的信道状态信息用信道的传输函数和信噪比来表示，而长时的信道状态信息可以用误比特率和误帧率来表示，这两种信道信息状态通常是联合使用的。之后是对一些参数的选择，子载波数、分配比特数还有发送功率等都是OFDM系统中在运用自适应技术时可以改变的参数。自适应技术的核心就是在得到信道的状态信息后适当的改变这些参数，得到较好的传输性能。这种参数选择的过程就是最优化目标函数，当然必须有一定的限定条件。最后就需要用这些参数传输一些信令。OFDM系统中参数信令传输的主要方式一共有三种：开环式、闭环式以及盲检测。开环式是根据信息接收的情况，接收端估计信道的特质，使用信令通知发送端。闭环式是在接收端估计过信道后进行参数的选定，然后再使用信令通知发送端。盲检测顾名思义就是在没有信令传送的情况下，根据接收的信号，发送端选择参数，接收端通过盲检测传输这些参数。在OFDM系统中有一些因素影响自适应技术运用时的性能，这些因素包括频率间隔、信道估计误差、信道时延等。在实际的 OFDM系统中，子载波个数越多需要的信令信息越多，同时分配算法也就越复杂。在频域中，相邻的子载波间的频率响应差别很小，将相邻的若干个子载波作为一组，调制时进行分组调制。用Bc表示信道相干带宽， 表示子载波的带宽，n为分组载波的个数；这时只要满足的条件为：n<Bc即可。
自适应调制技术适合应用于以帧为单位，这一点与频域的分组很类似。这时OFDM符号时间T 和一帧中OFDM符号的个数m与信道的相干时间Tc之间的关系必须满足：。对一些参数进行自适应的调整是依赖于信道状态信息的，而这些信道的状态信息必须通过信道估计，在实际的系统中，信道估计往往会产生一些误差，从而使得自适应调制不能完美的匹配实际的信道于是它们之间就会存在一些偏差，我们定义信道误差为：,当然，这些偏差的存在会影响系统的性能。接收端要进行信道估计并且把信令反馈到发送端这之间会产生时延，就会使进行参数选择时所参考的信道状态信息与真正发送的OFDM符号信息的信道状态有一定的偏差，这种信道的时延现象会影响系统的传输性能。

3.2.2 chow自适应算法的原理
Chow算法是根据各个子信道的信道容量来分配比特的。它的优化准则是在维持目标误比特率的前提下使系统的频谱效率达到最优。此算法由三个步骤完成，首先要确定使系统性能达到最优的门限，