部分信道状态信息下的OFDMA系统资源分配理论和关键技术研究

Since the OFDMA systems divide the entire channel into multiple orthogonal narrowband flat fading subbands (subcarriers), how to adaptively allocate OFDMA resources to enable efficient use of limited spectrum, becomes a critical issue for the mobile broadband systems. In OFDMA systems, if the transmitter has perfect channel state information (CSI), it can exploit the CSI to optimize the system performance. However, due to CSI estimation error, delay, and limited feedback rate, the transmitter may only obtain imperfect CSI. In this case, if the transmitter can obtain the probability density function (pdf) of actual CSI conditioned on the obtained imperfect CSI, it can still optimize the system performance in the average sense. In this project, we first derive the pdf of actual CSI conditioned on the obtained imperfect CSI. Based on the derived conditional pdf, we study resource allocation schemes for OFDMA systems in several important scenarios with imperfect CSI. The proposed resource allocation schemes enable the OFDMA system to be robust against the CSI estimation error, delay, and limited feedback rate. The proposed schemes may provide theoretical and technical guidance to the practical OFDMA resource allocation issues.

在OFDMA 系统中，根据发端获得的信道状态信息（CSI）为各个不同用户合理分配共享的子载波和发送功率资源，对于优化系统性能至关重要。然而，在实际工作情况下，由于CSI 的获取存在噪声、检测误差、传输延迟和反馈传输速率受限等因素的影响，发端所获得的CSI 是不完全的部分CSI。针对部分CSI 下的OFDMA 系统资源分配问题，既往研究多依靠减小CSI误差或采用基于门限值的量化和反馈策略从各自关注的方面对系统性能作次优意义上的改善，尚不能形成统一的科学理论以指导实践。本项目根据真实的CSI 相对于发端所获得的部分CSI 的条件概率分布关系，提出OFDMA系统在多种重要应用场景下的资源分配最优策略和与最优性能接近的低复杂度技术方案。在统计平均意义下，该方案可以反映在给定CSI 限制情况下系统所能达到的最佳性能，因而可为实际OFDMA 系统最佳资源分配方案的选用提供理论和关键技术上的指导。

项目系统地研究了部分CSI条件下无线通信系统资源分配方案和性能评价的前沿问题，完成如下目标：1）提出基于率失真定理最小失真条件的部分CSI条件下OFDMA系统资源分配方法，该方法可在统计平均意义下获得OFDMA系统最优的子载波、功率、比特等资源的分配方案；2）提出了OFDMA系统真实的CSI相对于实际情况下部分CSI的关系模型，完成多种QoS需求应用场景下B4G/5G系统资源分配优化算法的分析与设计；3）建立了部分CSI条件下资源分配方案的建模仿真及性能评估系统。项目执行期间出版与项目研究内容密切相关的中文专著1本（机械工业出版社），已编辑完成待出版英文专著1本（Springer Nature）；发表SCI论文14篇、EI论文32篇，其中IEEE汇刊论文包括JSAC 1篇、TCOM 1篇、TGCN 1篇、IOT 1篇 (第一作者3篇)，发表在IEEE Intelligent Systems期刊的论文为ESI高引论文；会议包括IEEE GLOBECOM 2篇、IEEE VTC 7篇，IEEE ICC 1篇，IEEE ICNC 1篇，IEEE ICCS 1篇。申请人在项目执行期间获得IEEE GLOBECOM 2018最佳论文奖、IEEE ICNC 2017最佳论文奖、IEEE ICCS 2018最佳论文奖以及2018年第十四届北京青年优秀科技论文奖二等奖。项目研究成果建立了部分CSI条件下B4G/5G无线通信资源分配问题统一的分析框架和理论模型，所提出的资源分配算法可与大量B4G和5G新型应用技术结合，提升系统性能并建立最佳的指导实践的理论和方案。