文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)04-0095-03
未來的無線和移動通信系統(tǒng)將在有限的頻譜資源和時(shí)變信道環(huán)境下,,支持大量的用戶,,支持用戶的QoS需求,提供更高的數(shù)據(jù)率,。OFDMA技術(shù)不僅具有OFDM抗擊符號間干擾和頻率選擇性的特點(diǎn),,同時(shí)還提供了多用戶分集等增益,是未來移動通信的核心技術(shù),。
OFDMA技術(shù)具有高頻譜利用效率和靈活的資源分配特征,在下一代無線網(wǎng)絡(luò)中,,是一種較理想的用戶接入方式,。與其他多用戶接入方式相比,例如TDMA,,OFDMA更適合高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[1],。正是OFDMA這種調(diào)制和接入技術(shù)的靈活性,激發(fā)了在資源分配方面的大量研究活動,。為了提高帶寬效率和增強(qiáng)系統(tǒng)性能,,子載波、功率,、數(shù)據(jù)率等可在不同用戶或者子載波間進(jìn)行分配,,稱為基于信道的自適應(yīng)傳輸。為了更好地適應(yīng)信道,,發(fā)送端需要知道精確的信道信息[2],在實(shí)際無線通信中,,由于反饋延遲,信道估計(jì)誤差等因素,,僅僅只有不完美信道信息能夠獲取,。
OFDMA系統(tǒng)中的資源分配[3-6]涉及子載波、功率,、自適應(yīng)調(diào)制,、比特等,幾種資源的聯(lián)合優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜度極高的問題,。常見的優(yōu)化算法分為兩大類:一是基于用戶數(shù)據(jù)率或誤碼率的約束,,最小化總的發(fā)送功率;另一類[7]是給定總的發(fā)送功率約束,,最大化每個(gè)用戶的系統(tǒng)容量,?;诓煌恼{(diào)度目標(biāo)函數(shù),可以形成不同的分配算法,。以往的很多分配算法通常是假設(shè)發(fā)射端具有理想信道信息,,根據(jù)名義上的理想信道信息分配的數(shù)據(jù)率不被真實(shí)的信道支持,會造成傳輸?shù)闹袛嗍录?。針對OFDMA下行鏈路發(fā)送端只能獲得部分信道信息的情況,,提出了一種基于部分信道信息的資源分配算法。本文重點(diǎn)考慮了單蜂窩系統(tǒng)的下行鏈路,,假定發(fā)送端具有部分信道信息,。研究了功率和子載波的分配問題,采用分步優(yōu)化的方法:先考慮子載波的分配,,再考慮功率的分配,。
1系統(tǒng)模型
通常,典型的OFDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。信道狀態(tài)信息通過反饋信道,,由移動用戶反饋到基站,提供給子載波/功率分配算法模塊使用,??紤]下行鏈路,假設(shè)共有K個(gè)用戶和N個(gè)子載波,基站和移動用戶均配備單天線,。假定符號間干擾被OFDM技術(shù)完全消除,,也就是說,在每個(gè)子載波內(nèi),,頻率響應(yīng)是平坦的,。系統(tǒng)總的發(fā)射功率被約束為P,零均值獨(dú)立同分布的高斯噪聲加在接收機(jī)端?;靖鶕?jù)信道條件動態(tài)分配功率和子載波,,令Ci代表分配給用戶i的子載波集合。假設(shè)每個(gè)子載波最多被一個(gè)用戶使用,,也就是說,,對于i≠j,滿足Ci∩Cj=Φ,?;緸榱藵M足資源分配的目標(biāo),必須要為每個(gè)用戶確定Ci和分配功率,。
理想情況下,,應(yīng)對子載波和功率聯(lián)合進(jìn)行分配,以獲得最優(yōu)解,。然而,,這種方法復(fù)雜度非常高,,也很難對變化的信道做出及時(shí)響應(yīng)。本文采用次優(yōu)化的分步優(yōu)化算法,,降低算法的復(fù)雜度,。pi,j代表分配給用戶i在子載波j上的功率,γi,j代表用戶i在子載波j上的單位發(fā)送功率下的接收信噪比,。為了得到優(yōu)化算法,,總功率約束條件下的用戶吞吐量最大化為目標(biāo)的資源分配優(yōu)化問題,可做如下描述:
2 分配算法描述
為了獲取最優(yōu)的資源分配,對于目標(biāo)函數(shù),,采用拉格朗日優(yōu)化方法,,等價(jià)于優(yōu)化如下的代價(jià)函數(shù):
為了得到用戶i在子載波j上的功率分配,需要先求出分配給用戶i的總功率Pi,,然后按上述公式在用戶i的子載波間進(jìn)行分配,。關(guān)于Pi的計(jì)算,可以參考文獻(xiàn)[7],但運(yùn)算復(fù)雜度較高,。具體算法步驟如下:
B1:子載波在用戶間的分配,。初始時(shí),假設(shè)每個(gè)用戶分配的子載波數(shù)為零,。然后對每個(gè)用戶,依次分配對此用戶而言信道條件最好的子載波,。分配完后,,如果還有剩余的子載波,則尋找信道容量最小的用戶,,對此用戶分配信道條件最好的子載波,。如果還有子載波,繼續(xù)重復(fù)這一過程,,直到所有的子載波被分配完,。
B2:決定分配給某個(gè)用戶的功率Pi,然后根據(jù)(7)式?jīng)Q定某用戶功率在子載波間的分配,。
3 簡化算法和實(shí)際考慮
由于算法復(fù)雜度太高,,下面進(jìn)一步研究在實(shí)際應(yīng)用中考慮的問題,并進(jìn)行簡化,。第2節(jié)的討論是基于理想的信道信息實(shí)現(xiàn)的資源分配算法,,這在實(shí)際中是不可行的。現(xiàn)考慮下行鏈路的發(fā)送端擁有部分(不完美)的信道信息,,在TDD雙工模式下,,信道估計(jì)通過反饋信道送到發(fā)送端。由于信道估計(jì)誤差,、反饋延遲,、量化等因素,,發(fā)送端只能獲得不完美信道信息,或稱為名義上的信道信息,,如果根據(jù)不完美信道信息為用戶分配子載波,、數(shù)據(jù)率、功率等是不可靠的,,因?yàn)樗惴ǚ峙涞馁Y源很可能不被真實(shí)的信道條件支持,,從而造成傳輸中斷事件的發(fā)生,浪費(fèi)了系統(tǒng)資源,。因此研究資源分配算法時(shí)應(yīng)該考慮傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/中斷概率" title="中斷概率" target="_blank">中斷概率或者成功發(fā)送的實(shí)際吞吐量,,更符合實(shí)際情況。假設(shè)第i個(gè)用戶的第j個(gè)子載波信道增益為:
4 仿真結(jié)果
根據(jù)上述討論,,對本文的資源分配算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,,以驗(yàn)證算法的合理性。仿真主要針對單小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸,,用戶數(shù)考慮從2個(gè)到10個(gè),。在仿真中,無線信道[9]被建模為頻率選擇性的多徑信道,,包含6條獨(dú)立瑞利衰落的多徑信道,。假設(shè)功率延遲分布服從指數(shù)分布,系統(tǒng)帶寬為1 MHz,,劃分為64個(gè)子載波,。時(shí)延擴(kuò)展為5 ?滋s,最大多普勒頻率為30 Hz,。在仿真中比較了基于理想容量的資源分配和基于一定中斷概率下實(shí)際吞吐量的資源分配算法,。具體仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2顯示了OFDMA下行鏈路中的實(shí)際吞吐量與用戶的對應(yīng)圖形,。從圖中可以看出,,采用自適應(yīng)資源分配算法獲得了較大容量的增益;對于自適應(yīng)資源分配算法,隨著用戶數(shù)目的增加,,系統(tǒng)將獲得更高的吞吐量[10],。這主要是采用了鏈路自適應(yīng)技術(shù),隨著用戶的增加,,可以獲取多用戶分集增益,。也就是說,一個(gè)子載波對于所有用戶而言,,它都處于深衰的概率大大降低,。此外,本文的算法比基于理想容量優(yōu)化的資源分配算法所獲得的goodput(實(shí)際吞吐量)要高,,這是因?yàn)榛诶硐肴萘糠峙涞乃惴?,認(rèn)為所獲得的信道條件是理想的,。由此分配的數(shù)據(jù)率、子載波等資源不被真實(shí)的信道所支持,,具有較大的中斷概率,,因此算法的實(shí)際吞吐量比較低。
本文研究了OFDMA系統(tǒng)中的資源分配問題,,所給出的算法基于鏈路自適應(yīng)技術(shù),,根據(jù)信道條件來決定分配算法。與其他算法相比,,考慮了信道估計(jì)的誤差和傳輸中斷概率,,采用基于在一定中斷概率條件下的實(shí)際吞吐量優(yōu)化算法,更加符合實(shí)際情況,。仿真結(jié)果表明,,該方法獲得了較好的多用戶分集增益和實(shí)際吞吐量性能。在適當(dāng)條件下,,比如高信噪比條件下,,算法可以進(jìn)一步大大降低運(yùn)算復(fù)雜度。
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