MIMO-OFDM系统的物理层技术及其PHY-MAC跨层设计
摘要:首先讨论了MIMO-OFDM无线通信系统的物理层技术原理,接着介绍了一种下行MIMO-OFDM系统中基于PHY-MAC跨层设计的保证不同类型(实时与非实时)用户服务质量(QoS)的动态资源分配(DRA)方案。该方案中系统能够根据不同的信道状态以及不同类型的QoS要求在PHY层和MAC层联合动态分配资源,相对传统的分层结构设计更为合理有效。
关键词:MIMO;OFDM;跨层设计;QoS;动态资源分配(DRA)
引言
下一代宽带无线系统必须能够为用户提供各种类型的实时(如音频P视频多媒体业务等)、非实时(如数据业务等)的服务。然而与有线信道相比无线信道的情况恶劣很多,由多径效应和多普勒频移效应而产生的频域和时域衰落在无线信道中普遍存在。因此,如何设计一种能够保证不同类型移动用户的服务质量的无线宽带系统成为一种巨大的挑战。
在众多物理(PHY)层技术中,正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)以其有效的抗衰落特性和高的频谱效率受到了人们广泛的关注。而在时变无线衰落信道中,将两者相结合构成的MIMO-OFDM系统能够获得空间、时间以及频率域的联合分集增益,从而能够有效提高无线网络对不同类型用户QoS的支持。因此,MIMO-OFDM成为了无线宽带系统最具希望的物理层解决方案之一,具有广阔的发展前景。
而在MIMO-OFDM系统的物理层技术被深入研究的同时,如何将各种物理层技术更加有效的结合以及如何使之与上层的算法或协议有效的交互———跨层设计也成为了新的热点。因此,着重讨论了MIMO-OFDM系统的物理层基本技术,并给出了一种下行MIMO-OFDM系统中基于PHY-MAC跨层设计思想的保证不同QoS的DRA方案。
MIMO-OFDM系统的物理层基本技术
OFDM是一种特殊的多载波调制方式,其基本原理是通过IFFT把高速数据流分成若干低速数据流并行地在相互正交的子载波上传输,多径衰落的时间弥散相对减少,频率选择性衰落信道转化成为若干平坦衰落子信道。同时循环前缀CP的引入,可以消除ISI和ICI的影响。因此,OFDM技术能够有效对抗多径与频率选择性衰落,并具有频谱利用率高、成本偏低等优点。
MIMO技术是现代通信的一个重要技术突破。其基本原理是在发送端和接收端配备多个天线单元形成天线矩阵,在接收端通过基带数字信号处理器,对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并,从而信号质量和系统容量都得到显著提高。MIMO系统有多种不同的应用方式,包括基于空间分集的空时编码(STC)、基于空间复用的分层空时码(BLAST)、波束成型、传输天线选择等,这几种方式各有侧重不同。MIMO技术可将多径传播这一传统的无线传输的不利条件转变为对用户有利的条件,打破了无线通信的容量瓶颈。
然而对于频率选择性深度衰落,MIMO系统的抗多径衰落特性依然是无能为力。特别地,作为MIMO系统关键技术的空时编码(STTC,STBC)最初的设计都是应用于窄带无线系统平坦衰落信道。而OFDM可将频率选择性衰落信道转换为独立并行平坦衰落子信道。因此,一种有效的设计方法就是将MIMO与OFDM相结合。事实上,由于移动通信中多普勒频移的存在,使得OFDM系统子载波之间的正交性较难得到保证,从而影响系统误比特性能。
而利用空时码不同天线、不同时刻发射序列之间的正交性可以帮助克服OFDM在快速移动条件下正交性受损的不利情况。可以看到,MIMO与OFDM在技术上相互补充、相得益彰,而两者有机相结合而成的MIMO-OFDM系统更是成为了未来无线通信系统的一种非常关键的技术。
MIMO-OFDM系统的PHY-MAC跨层DRA方案
传统分层结构的协议栈中,各个协议层互相独立并且按照一个非常严格的方式进行通信。因此,各层的设计都是基于最差条件而无法适应条件的改变。这就导致了频谱和能量的低效。而跨层设计思想正好与分层设计思想相反。其中心思想是自适应性,这种自适应性表现了网络协议及应用对于观察并响应信道条件变化的能力,因此对于无线系统来说跨层设计显得尤为重要。
系统模型
目前,MIMO-OFDM系统的物理层基本技术得到了比较深入的研究,同时其PHY-MAC跨层设计也得到了越来越多的关注。在本方案中,考虑单个基站、K个用户的TDMA下行无线系统,其中基站和用户的天线数分别为Nt和Nr,系统结构框图如图1所示。
系统在PHY层上联合运用传输天线选择(TAS)以及自适应调制(AM)技术为每个实时、非实时用户自适应地分配传输天线和调制级别,以提高频谱效率并且保证不同类型的差错率QoS要求。同时在PHY层的结构基础上,MAC层考虑到实时与非实时用户对于QoS要求的不同系统方案相应有所不同。
在实时服务周期内系统按照TDM的模式为实时用户动态安排时隙以保证延时边界。在非实时服务周期内系统则按照FDM的模式为非实时用户动态分配子载波以最大化系统的吞吐量。显然,系统根据不同的信道状态以及QoS要求在PHY层和MAC层联合分配资源,相对传统的分层结构设计更为合理有效。
PHY层的DRA原理
①传输天线选择(TAS)
近年来发射分集技术已经得到了广泛研究。一般认为,空时编码技术对开环MIMO系统非常有效;而对于闭环MIMO系统波束成型技术是最优的。利用信道状态信息(CSI)的闭环系统显然比开环系统性能更好。但是波束成型技术的实现复杂度非常大,而TAS技术正好提供了复杂度和性能之间的一种折中。
TAS的基本思想是在CSI反馈的基础上从所有传输天线中选择性能最佳的一个天线进行传输,该天线能使接收端MRC输出信噪比最大。本系统中同一用户的不同子载波数据可以选择不同的传输天线。假设基站选择了传输天线ik,u以传输第k个用户的第u个子载波上的数据,那么该天线ik,u的选择必须满足ik,u=argmaxi∈{1,2,.,Nt}∑N(k)rj=1|hi,jk,u|2。接收机经过解调和MRC联合以后,该子载波的SNR为:
其中P表示基站的发射总功率,并假设所有移动用户具有相同的AWGN功率谱密度N0,Ik表示第k个用户的干扰功率,Ωk,u=maxi∈{1,2,.,Nt}∑N(k)rj=1|hi,jk,u|2表示有效信道增益。
②自适应调制(AM)
不失一般性,本文选择自适应正交QAM调制,并假设星座图连续。AWGN信道中的QAM调制的误比特率上界为:
其中γ和b分别为AWGN信道的SNR和每符号比特数。不同的用户具有不同的目标BER,这是由QoS,差错控制和信道编码等决定的。假设第k个用户具有目标BER为Γk,将(1)式代入(2)式可得,第k个用户的第u个子载波的每符号最大传输比特数为bk,u=log2(1+âγk,u),其中âγk,u=-1.5PΩk,ulog(5Γk)(Ik+N0W)表示第k个用户的有效SNR。
显然,通过PHY层联合运用TAS和AM可以提高系统的频谱利用率,同时保证不同用户的BER-QoS要求。
MAC层的DRA原理
①实时服务
实时用户MAC层结构包括了资源分配、接入控制、FIFO队列、调度、时隙分配等几个主要部分。如图2所示。由于本文主要讨论资源分配方案,所以调度算法可采用简单的轮询方法等。
第一,无线系统中的统计QoS保证
实时用户对延时边界非常敏感。但是对于时变衰落信道来说,固定的延时边界保证实现非常困难。本方案通过拓展有线网络中有效带宽理论以实现无线网络的统计QoS保证,也就是延时边界可允许较小概率违反。有效带宽理论的基本思想如下所示。假设基站为第k个实时用户分配了一个长为Bk的缓冲,该缓冲长度对应着延时边界QoS。且设最大缓冲溢出概率为εk,相应与QoS违反概率对应。因此需要的服务带宽即为:
其中Äsk表示该用户平均到达速率,而ρk=limt→∞1tvar(Ak[0,t]),其中Ak[a,b]表示在[a,b]时间范围内该实时用户所到达的流量。
在无线网络中时变衰落信道导致了第k个实时用户的服务速率Rrk为一随机变量。显然,只要满足RrkEEk(εk)即可保证统计延时边界。而无线信道只能在一定概率下保证RrkEEk(εk)。给定Rrk,通过求(3)式的反函数可得相关的QoS违反概率Θk(Rrk)
设服务速率Rrk的概率密度函数pdf为fk(r),那么由(4)可得第k个实时用户的平均QoS违反概率为:
在本方案中,系统可以通过分配不同的时隙数自适应的调整服务速率Rrk以使得äΘkFεk,从而保证了统计延时边界QoS。
第二,资源分配、接入控制与时隙分配
假设系统为第k个实时用户分配了l个时隙,那么(5)式中的fk(r)必然随l的变化而变化。所以äΘk为时隙数l的函数,记为äΘk(l)。那么为保证统计QoS,为该用户分配的时隙数即为:
显然,所有K个实时用户分配的时隙总数必须小于一帧周期内的总时隙数L,即:
当一个新用户需要被接入系统时,接入控制单元通过判断(7)式以进行接入控制。
受有限长队列的约束,实时用户所需要的分配的时隙通常比Lqosk小。例如当队列中没有数据需要传输时,系统就不必为该用户分配时隙。因此系统为第k个实时用户实际分配的时隙数应为:
其中Lquek表示传输队列中的数据所需分配的时隙。那么剩余的时隙资源就可以被其他高性能的用户所使用。
②非实时服务
非实时用户可分为延时敏感(A类)用户和非延时敏感(B类)用户,其中A类用户拥有较高优先级。系统相应地优先考虑A类用户动态子载波分配。图3所示为非实时用户子载波分配流程图,显然这种分配方法可以获得系统最大吞吐量。
总结
MIMO-OFDM是一种新兴的技术,随着研究的不断深入将日趋完善并得到广泛的应用。阐述了MIMO-OFDM系统物理层的基本原理,并给出了下行MIMO-OFDM系统中的一种基于PHY-MAC跨层设计的保证不同类型(实时与非实时)用户QoS的动态资源分配方案。