林 丹，潘沛生

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

OFDM雙向中繼協(xié)作系統(tǒng)的資源分配策略

林 丹，潘沛生

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

為了提高基于正交頻分復(fù)用(OFDM)雙向多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的能量效率，降低發(fā)射總功率，提出了一種低能耗的無線資源優(yōu)化分配方案。首先提出一種信道增益調(diào)和平均數(shù)排序算法完成子載波匹配與最優(yōu)中繼選擇，然后從固定的比特速率出發(fā)，在保證一定誤比特率的前提下，利用拉格朗日法和Fischer算法對各個(gè)子載波進(jìn)行比特優(yōu)化分配，進(jìn)一步提升系統(tǒng)能效。仿真結(jié)果表明，相比于現(xiàn)有的策略，所提出的資源分配方案明顯提升了系統(tǒng)的能量效率。

雙向中繼；資源分配；能量效率；正交頻分復(fù)用

協(xié)作中繼傳輸網(wǎng)絡(luò)在配備單天線時(shí)便可獲得空間分集增益，解決了用戶終端受限于體積和成本等因素而不宜配置多天線的問題，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜度以及傳輸能耗[1]。相比于傳統(tǒng)的單向中繼、雙向中繼系統(tǒng)能夠?qū)⑼ㄐ潘璧?個(gè)時(shí)隙減少到2個(gè)時(shí)隙，使得傳輸效率大大提高，成為無線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[2]。而正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)地分配子載波，在高效利用頻譜的同時(shí)還能有效消除多徑衰落和碼間串?dāng)_，它與雙向中繼的結(jié)合也受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[3]。近年來隨著“綠色通信”的提出，中繼網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能問題逐漸成為研究熱點(diǎn)。大量的研究以協(xié)作通信為模型考慮如何降低能耗，如資源管理和中繼節(jié)點(diǎn)分配等[4-5]。

在OFDM雙向中繼系統(tǒng)中，資源分配技術(shù)是提升其系統(tǒng)性能的關(guān)鍵研究內(nèi)容。文獻(xiàn)[6]集中于研究DF轉(zhuǎn)發(fā)模式下多跳OFDM通信系統(tǒng)功率分配的優(yōu)化，但僅限于單向中繼模型。文獻(xiàn)[7]完整地考慮了雙向中繼系統(tǒng)中3個(gè)節(jié)點(diǎn)的信噪比，提出一種最小化中斷概率的功率分配策略，但僅僅按位置選擇中繼，沒有考慮到信道系數(shù)的影響。文獻(xiàn)[8]為提升系統(tǒng)的吞吐量設(shè)計(jì)了一種資源分配策略，但未考慮子信道變化的影響，由于使用了近似計(jì)算，在信道條件足夠好的條件下才具有可行性。文獻(xiàn)[9]聯(lián)合考慮了兩條鏈路的性能進(jìn)行中繼選擇和功率分配，但僅僅分析了采用單個(gè)中繼協(xié)作的問題。文獻(xiàn)[10]從能量效率的角度出發(fā)提出了一種聯(lián)合資源分配方案，但是沒有考慮多載波的情形。文獻(xiàn)[11]提出了一種分步的資源分配策略來最小化系統(tǒng)的發(fā)射功率，但以最大差為準(zhǔn)則的中繼選擇策略并不能達(dá)到能效最優(yōu)，并且信道增益函數(shù)需要在各節(jié)點(diǎn)分配等功率的情況下獲得，較難實(shí)現(xiàn)。

上述文獻(xiàn)在研究資源分配的問題時(shí)，對于多個(gè)子載波與多個(gè)中繼的最優(yōu)匹配問題研究較少，而多是從額定功率出發(fā)以提高系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)，未考慮到系統(tǒng)能耗帶來的影響。而從固定的比特速率出發(fā)更能反映系統(tǒng)中各用戶的數(shù)據(jù)速率要求，因此在給定所要求誤比特率時(shí)最小化系統(tǒng)發(fā)射功率比較具有實(shí)用性。為了降低系統(tǒng)總發(fā)射功率，提高系統(tǒng)能效，本文提出一種能效最優(yōu)的中繼選擇與子載波聯(lián)合分配算法(Maximum Harmonic Average Sorting，MHAS)，并在此基礎(chǔ)上利用拉格朗日法結(jié)合Fischer算法進(jìn)一步優(yōu)化比特分配。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文的中繼選擇策略和比特分配算法的有效性。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，兩個(gè)用戶S1和S2之間分布著R1,R2,…,RK共計(jì)K個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)用于傳輸，轉(zhuǎn)發(fā)模式為放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)。用戶之間不考慮使用直接鏈路進(jìn)行通信，均配置單天線并以半雙工模式工作。該系統(tǒng)采用OFDM傳輸技術(shù)，信息交換發(fā)生在N個(gè)獨(dú)立正交的瑞利衰落子載波上。

圖1 OFDM雙向多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型

假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)已知信道狀態(tài)信息(CSI)，傳輸過程可分為如下2個(gè)時(shí)隙：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 能效最優(yōu)的無線資源分配策略

2.1 中繼選擇和子載波聯(lián)合分配算法

(7)

(8)

(9)

帶入優(yōu)化問題(7)中可以將原問題轉(zhuǎn)化為

(10)

(11)

則由結(jié)果可知

(12)

1)初始化MA階段和BC階段的子載波集:SMA={1,2,…,N},SBC={1,2,…,N}。

xk,i,j表示中繼與子載波的匹配集，考慮到文獻(xiàn)[11]中通過簡單的子載波排序與最大較差(BW)中繼選擇分步解決方法無法保證能效最優(yōu)，本文提出的MHAS算法充分考慮了信道狀態(tài)并兼顧了多載波與多中繼之間資源的充分利用，從直接降低發(fā)射功率的角度出發(fā)，使系統(tǒng)在能效方面的表現(xiàn)更好。

2.2 比特優(yōu)化分配

(13)

這樣系統(tǒng)所需最小總發(fā)射功率為

(14)

1)子問題1

(15)

2)子問題2

(16)

式中：R表示系統(tǒng)總比特速率。首先求解子問題1，這個(gè)約束優(yōu)化問題可通過拉格朗日法求得最優(yōu)解

(17)

(18)

(19)

(20)

求得閉式解為

(21)

利用同樣的方法可求解子問題2。對固定的比特速率進(jìn)行自適應(yīng)比特分配，即可在滿足誤比特率的QoS限制條件的同時(shí)使系統(tǒng)發(fā)射功率最小化，優(yōu)化系統(tǒng)的能效。總結(jié)上述的自適應(yīng)比特功率分配算法如下：

2)除去不可用的子載波，若b1,x≤0，x∈N，把第x個(gè)子載波從N中去除，N=N-1。然后轉(zhuǎn)到1)，繼續(xù)執(zhí)行直到所有的b1,i>0。

d是比特分配的步長，利用同樣的方法可以完成b2,i的分配。單用戶條件下通過改進(jìn)的Fischer算法能夠根據(jù)各個(gè)子信道的實(shí)際傳輸情況靈活地分配發(fā)送功率和信息比特，優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

3 仿真分析

如圖2所示，首先利用仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證最優(yōu)中繼選擇與子載波聯(lián)合分配算法(MHAS)在能效方面的性能。子載波數(shù)目為N=64,誤比特率限制Pe=10-4,且比特速率限制C=128bit/s。圖2比較了3種不同的中繼選擇算法在功率消耗方面的表現(xiàn)，可以看出在相同的傳輸速率限制下，MHAS算法相比較于文獻(xiàn)[11]中的最大較差算法以及文獻(xiàn)[8]的最大和算法在減少功率消耗的性能方面效果明顯，這是由于MHAS算法聯(lián)合考慮了多個(gè)子載波與多個(gè)中繼之間信道增益的能效最優(yōu)性，能夠更好地適應(yīng)信道系數(shù)的波動(dòng)，從而使得能量消耗更低。

圖3顯示中繼節(jié)點(diǎn)與用戶對的相對位置對系統(tǒng)中斷概率的影響，由圖3可知，無論采用本文的算法還是文獻(xiàn)[11]的

圖2 不同資源分配策略的功率消耗比較

比特平均分配(ERA)方案，中繼與用戶S1和S2距離相等時(shí)中斷概率總是最低。在采用比特優(yōu)化分配之后，系統(tǒng)的中斷概率比ERA方案的性能表現(xiàn)更佳，并且中繼越分散性能表現(xiàn)越好。

圖3 中繼節(jié)點(diǎn)位置與系統(tǒng)中斷概率之間的關(guān)系

圖4則比較了在不同的子載波與中繼選擇策略以及比特分配算法下，誤比特率和系統(tǒng)能效之間的關(guān)系。本仿真中考慮有5個(gè)中繼的情形，子載波數(shù)目為N=64，且比特速率限制C=128 bit/s。由圖4可知，在誤比特率限制級較高時(shí)，本文的中繼選擇算法(MHAS)相對于傳統(tǒng)的隨機(jī)選擇方案(RRS)以及文獻(xiàn)[11]的最大較差(BW)方案在能效性能上有顯著的提升。并且中繼選擇方案相同的情況下，結(jié)合比特優(yōu)化分配的方案也比比特平均分配(ERA)的方案的能量效率更高。

圖5中K=5,比特速率C=128 bit/s，誤比特率Pe=10-4。隨著子載波數(shù)目N的增大，系統(tǒng)可以獲得更多分集增益，因而在能效性能的表現(xiàn)上越來越好?？梢钥闯霰忍貎?yōu)化分配時(shí)，使用MHAS的方案所獲得的能量效率要明顯高于子載波和中繼隨機(jī)分配的方案；并且在聯(lián)合MHAS中繼選擇策略時(shí)，比特優(yōu)化分配的方案所體現(xiàn)出的性能也高于比特平均分配(ERA)的性能。因此，同時(shí)采用MHAS和比特優(yōu)化分配的方案可以使得系統(tǒng)的能量效率性能得到明顯的提升。

圖4 不同資源分配策略下系統(tǒng)誤比特率與能效的關(guān)系

圖5 子載波數(shù)目不同時(shí)幾種策略能效性能的比較

4 結(jié)束語

本文主要研究了協(xié)作通信中OFDM雙向多中繼系統(tǒng)的無線資源分配問題，給出了一種最大化系統(tǒng)能效的最優(yōu)中繼選擇與子載波聯(lián)合分配算法，然后在滿足系統(tǒng)誤比特率的條件下，對系統(tǒng)的比特率與功率進(jìn)行優(yōu)化分配，從而達(dá)到提高系統(tǒng)能效的目的。仿真結(jié)果顯示通過聯(lián)合的資源分配算法可以在滿足系統(tǒng)QoS條件限制下，有效提高系統(tǒng)的能效。

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Strategy of Resource Allocation in OFDM-based Two-way Relay Cooperative System

LIN Dan, PAN Peisheng

(CollegeofCommunicationandInformationTechnology,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)

In order to improve the energy-efficient of OFDM-based two-way relay cooperative system and minimize the total transmitting power, a joint resource allocation strategy is proposed in this paper. A best relay selection scheme based on Maximize Harmonic Average sorting is proposed at first, then a power allocation and bit loading strategy is presented to maximize the energy-efficient on the constraints of the sum-rate and bit error rate. Numerical analysis shows that the proposed resource allocation strategy can reduce the transmitted power and improve the energy-efficient impactful.

two-way relay; resource allocation; energy-efficient; OFDM

南京郵電大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NY211083)；南京郵電大學(xué)攀登計(jì)劃項(xiàng)目(NY208036)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.05.028

2014-08-05

【本文獻(xiàn)信息】林丹，潘沛生.OFDM雙向中繼協(xié)作系統(tǒng)的資源分配策略[J].電視技術(shù),2015，39(5).

林 丹(1989— )，碩士生，主研協(xié)作通信中的資源分配；

潘沛生(1966— )，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主研新一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中先進(jìn)智能信號處理技術(shù)。

責(zé)任編輯：薛 京