智能优化算法及其在无线通信资源分配中的应用

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随着时代的快速发展,人们对语音、数据、视频等多媒体业务有更高速率的需求。因此,如何使用新的无线通信技术来满足通信系统更高容量要求也成为人们研究的热点领域。其中,OFDMA技术是未来移动通信的一项典型关键技术,它具有频谱效率高、对抗多径干扰、资源分配灵活及支持多个用户动态接入等特点。基于OFDMA的动态资源分配方式更是成为今后提高整个系统容量和保证服务质量的有效手段。无线通信中动态资源分配属于资源调度优化问题,如何给用户分配合理的无线资源,对提高整个通信系统性能起着至关重要的作用。因此,解决该类调度问题的资源分配算法便相继涌现,主要从凸优化、分布式和启发式等不同角度设计相应的算法。结合当前自适应资源分配算法,本文分别考虑了OFDMA系统中完备信道信息和不完备信道信息两类网络环境,将智能优化算法中的鱼群算法、遗传模拟退火算法及传统的对偶优化算法应用于资源分配中,进一步改善了OFDMA系统容量、功率、频谱利用率等性能。相关工作展开如下:(1)对完备信道信息下的多用户OFDMA系统容量最大化问题进行了研究,提出了一种基于鱼群算法的OFDMA自适应资源分配。先进行最优的子载波分配,然后将全局寻优能力强、易实现的鱼群算法应用于功率分配。在功率分配中,为了保证用户间的公平性,还给出了一种有效权衡用户公平性和系统容量的适应度函数。最后通过仿真表明,所提算法具有较好的性能。(2)对完备信道信息下的多用户OFDMA系统功率最小化问题进行了研究,提出了两种OFDMA自适应资源分配方案。一种是基于提出的能量有效准则的功率最小化OFDMA自适应资源分配方案,利用所提准则对算法中初始分配的子载波数、比特数进行最优调整,使得整个系统功率最小。仿真结果表明,与静态频分多址及经典分布式算法相比,所提方案中的算法具有较低复杂度,并能最小化系统功率。另一种是基于遗传模拟退火算法的资源分配方案,通过在遗传算法最优个体选择中加入模拟退火接受机制,并在种群初期加入优秀基因个体,使得算法快速收敛到最小功率值。仿真结果对所提方案的算法性能进行了有效验证。(3)对不完备信道信息下的多用户OFDMA系统遍历容量最大化问题进行了研究。针对实际系统中信道状态信息非完全反馈给基站,考虑获得的信道状态信息是由信道估计值加上一个扰动或误差情况,提出了一种基于对偶分解的不完备信道信息的OFDMA遍历容量最大化资源分配方案。为了降低资源分配算法的复杂度,该方案首先将信道分配因子松弛为时域共享因子,使原问题模型转化为主问题与子问题的求解过程;然后用变步长与固定步长相结合的迭代搜索算法,寻找原问题的最优解及多用户注水算法相应的近似最优拉格朗日算子值;最后通过近似最优的拉格朗日算子值并结合各用户的QOS需求进行容量最大化资源分配。理论分析及仿真结果表明,提出的方案不仅能有效的提高资源分配算法的执行效率,而且在兼顾用户的公平性同时实现了遍历容量最大化资源分配。
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