OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)中的資源復(fù)用策略

陳東,蘇莉萍

摘 要：OFDM與中繼技術(shù)是下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的重要候選方案。針對(duì)OFDM蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量與資源利用率，提出了一種集中式的小區(qū)內(nèi)資源復(fù)用方案。基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)中直傳用戶與中繼用戶的信干噪比分析，通過(guò)設(shè)定一個(gè)有效的滯后門(mén)限以及各節(jié)點(diǎn)的有限反饋，基站能預(yù)估直傳資源被復(fù)用后系統(tǒng)總?cè)萘康淖兓厔?shì)。仿真表明，該方法能提升后5%用戶的平均信干噪比，且能增強(qiáng)系統(tǒng)的總?cè)萘浚且环N良好的資源復(fù)用方案。

關(guān)鍵詞：OFDM中繼; 資源復(fù)用; 滯后門(mén)限; 有限反饋; 容量增強(qiáng)

中圖分類號(hào)：TN915-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0054-03

Reuse Strategy of Resources in OFDM Relay Networks

CHEN Dong1, SU Li-ping2

(1. Guangxi Teachers Education University, Nanning 530023, China;

2. Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nanning 530007, China)

Abstract： Orthogonal frequency division multiplex (OFDM) and relaying techniques are the important candidate schemes applied to the coming generation wireless communication systems. Taking the throughput enhancement and resource utilization improvement into account, a centralized intra-cell spectral reuse strategy is proposed for OFDM relaying networks. Based on the signal to interference and noise ratio (SINR) analysis for direct users and relay users, the base station can evaluate the variation trend of the system total capacity after the reuse through an effective hysteresis threshold and the limited feedback from different nodes. Simulation results show that the proposed scheme can improve the average SINR of last 5% users, enhance the total throughput, and is a good reuse strategy.

Keywords： OFDM relaying; resource reuse; hysteresis threshold; limited feedback; throughput enhancement

0 引 言

正交頻分復(fù)用(OFDM)是下一代無(wú)線通信系統(tǒng)中的候選技術(shù)，它能有效抵制無(wú)線空間中多徑因素帶來(lái)的影響，提高傳輸速率、傳輸質(zhì)量以及資源利用率［1］。隨著協(xié)同通信的發(fā)展，中繼節(jié)點(diǎn)(RN)通過(guò)兩跳傳輸能夠有效地提高傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，并擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍，增強(qiáng)系統(tǒng)性能［2］。因此，OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)［3］。

由于中繼節(jié)點(diǎn)具有半雙工特性，它會(huì)導(dǎo)致一定程度的頻譜效率損失，因此，需要設(shè)計(jì)資源復(fù)用方案以保證系統(tǒng)頻譜效率的提升。另一方面，中繼作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，使得原有蜂窩系統(tǒng)的干擾分布發(fā)生相應(yīng)變化，用戶將受到來(lái)自相鄰小區(qū)的基站與中繼節(jié)點(diǎn)的干擾，如果無(wú)法有效控制干擾，中繼系統(tǒng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)將逐步惡化。因此，融合干擾抑制思想的資源復(fù)用方法是亟待研究的課題。

針對(duì)宏蜂窩場(chǎng)景，文獻(xiàn)［4］提出了基于聯(lián)合路由的資源復(fù)用方案，為用戶選擇能夠最大程度提高小區(qū)吞吐量的復(fù)用資源。文獻(xiàn)［5］提出了一種頻率復(fù)用系數(shù)大于1的方案，主要思想是針對(duì)BS-RN，BS-UE，RN-UE三種不同的鏈路，采用正交的資源塊，且它們的復(fù)用度不同。文獻(xiàn)[5]中的方案容易實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜度低，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)小，在業(yè)務(wù)分布均勻時(shí)，可以很好地抑制干擾，提高系統(tǒng)性能，尤其是能夠最大限度的擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍；缺點(diǎn)是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)絕大多數(shù)時(shí)候的業(yè)務(wù)分布都不均勻，這種方案的適應(yīng)性差，會(huì)導(dǎo)致性能惡化。此外，文獻(xiàn)[6]提出了基于軟頻率的資源復(fù)用策略，主要目的在于躲避系統(tǒng)中的干擾。文獻(xiàn)[7]提出了一種蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)中的基于頻率劃分的資源復(fù)用策略。但是，絕大部分資源復(fù)用策略都是適合于中繼網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間的方案，對(duì)于小區(qū)內(nèi)BS與RN資源復(fù)用的研究不多，需要進(jìn)一步探討。

基于上述分析，針對(duì)OFDM中繼系統(tǒng)，本文提出了一種集中式的小區(qū)內(nèi)資源復(fù)用方案，通過(guò)滯后門(mén)限值的設(shè)定，基站能預(yù)估直傳資源被中繼用戶復(fù)用后，系統(tǒng)吞吐量的變化趨勢(shì)，以進(jìn)一步提升中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型如圖1所示。基站BS放置在每個(gè)小區(qū)中心，小區(qū)由三個(gè)扇區(qū)構(gòu)成，每扇區(qū)部署一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，且RN部署在2/3小區(qū)半徑的位置。假設(shè)系統(tǒng)總帶寬為B，包含了N(n=1,2,…,N)個(gè)正交的子載波。系統(tǒng)采用TDD半雙工的模式，第一時(shí)隙,由BS向RN和直傳用戶廣播數(shù)據(jù);在第二時(shí)隙，BS向直傳用戶(dUE)發(fā)送數(shù)據(jù)，RN向中繼用戶(rUE)發(fā)送數(shù)據(jù)［8］，如圖2所示。

圖1 蜂窩中繼系統(tǒng)示意圖(三扇區(qū))

圖2 直傳與中繼用戶的時(shí)隙資源分配

假設(shè)每個(gè)小區(qū)均勻分布K(k=1,2,…,K)個(gè)用戶，基站在第n號(hào)子載波上的發(fā)射功率為PBS,n;中繼節(jié)點(diǎn)在第n號(hào)子載波上的發(fā)射功率為PRN,n;h0,n，h1,n，h2,n分別代表了第n號(hào)子載波在BS-UE，BS-RN，RN-UE三條鏈路的信道增益;σ2是高斯白噪聲功率。假設(shè)子載波n分配給了用戶k，若采用直傳鏈路，用戶k的接收容量為:

Ckd,n=BNlog(1+γkd,n)

(1)

γkd,n=PBS,nh20,n∑inter(PBS,nh20,n+PRN,nh22,n)+σ2

(2)

式中:γkd,n是直傳用戶kd的信干噪比(SINR)。同理，若用戶k采用中繼鏈路傳輸，則容量為［9］:

Ckr,n=B2Nmin{log(1+γkr,n,1),log(1+γkr,n,2)}

(3)

γkr,n,1=PBS,nh21,n∑interPBS,nh21,n+σ2

(4)

γkr,n,2=PRN,nh22,n∑inter(PBS,nh20,n+PRN,nh22,n)+σ2

(5)

式中:γkr,n,1和γkr,n,2分別是中繼用戶kr在BS-RN鏈路和RN-UE鏈路的SINR?；谑?1)~式(5)，OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化目標(biāo)是最大化系統(tǒng)的吞吐量，該目標(biāo)可以表示為：max∑Nn=1(Ckd,n+Ckr,n)。

2 資源復(fù)用策略

2.1 資源復(fù)用分析

在OFDM中繼網(wǎng)絡(luò)中，一般是基于鏈路的傳輸速率，即直傳鏈路和中繼第二跳鏈路的質(zhì)量來(lái)給用戶選擇接入的節(jié)點(diǎn)類型。內(nèi)環(huán)用戶由于直傳鏈路質(zhì)量較好，絕大部分都會(huì)選擇基站BS作為接入節(jié)點(diǎn)，而外環(huán)及小區(qū)邊緣的用戶由于直傳鏈路的下降和受到較強(qiáng)的臨區(qū)干擾，絕大部分會(huì)選擇中繼RN作為接入節(jié)點(diǎn)。但是，即使通過(guò)中繼傳輸，小區(qū)邊緣也有一些用戶的SINR較差，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)總吞吐量。因此，可采用資源復(fù)用的方式來(lái)提升這部分用戶的性能。

如圖3所示，當(dāng)在某個(gè)時(shí)隙資源的第二時(shí)隙，BS-dUE和RN-rUE的資源在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)是完全正交的。通過(guò)圖3陰影部分的子載波復(fù)用，可以讓一部分較好的直傳資源為較差的中繼用戶復(fù)用。假設(shè)子載波n原來(lái)分配給直傳用戶kd使用，現(xiàn)在又同時(shí)讓中繼用戶kr使用，則直傳用戶此時(shí)的SINR可表示為:

γ′kd,n

=PBS,nh20,n∑inter(IBS,n+IRN,n)+∑interIRN,n+σ2

(6)

中繼用戶kr在子載波n上的SINR為:

Δ

γ′kr,n,2

=PRN,nh22,n∑inter(IBS,n+IRN,n)+∑interIBS,n+σ2

(7)

式中:IBS,n和IRN,n為用戶在子載波n上的干擾;IBS,n=PBS,nh20,n;IRN,n=PRN,nh22,n?；赟INR的分析，下面討論資源復(fù)用的準(zhǔn)則及算法。

圖3 中繼用戶資源復(fù)用示意圖

2.2 小區(qū)內(nèi)資源復(fù)用方法

假設(shè)當(dāng)用于直傳用戶kd的子載波n被中繼用戶kr復(fù)用，基于式(1)~式(7)，資源復(fù)用前，kd的容量為Ckd,n，如式(1)所示；復(fù)用之后，kd的容量可表示為：

C′kd,n

=BNlog(1+

γ′kd,n)

(8)

式中:γ′kd,n為直傳用戶資源被復(fù)用后的SINR，如式(6)所示。對(duì)于中繼用戶kr，它能帶來(lái)的容量增益為：

Δ

C′kr,n

=B2Nlog(1+Δ

γ′kr,n,2)

(9)

式中:Δ

γ′kr,n,2

是中繼用戶資源復(fù)用后的SINR。中繼節(jié)點(diǎn)將用戶kr在子載波n上的信道信息反饋給BS，而直傳用戶kd可測(cè)得它到RN之間的鏈路情況，同樣反饋給BS。BS可以通過(guò)集中的方式進(jìn)行資源復(fù)用前后的判斷。若滿足：

C′kd,n

+Δ

C′kr,n,2

>Ckd,n

(10)

且證明資源復(fù)用之后能帶來(lái)容量增益，則執(zhí)行直傳資源的小區(qū)內(nèi)復(fù)用。但僅僅提高本小區(qū)的系統(tǒng)吞吐量，可能會(huì)由于資源復(fù)用帶來(lái)的干擾更多，從而會(huì)降低其他小區(qū)的性能，于是考慮設(shè)定滯后門(mén)限Qoffset，則判斷是否復(fù)用的條件可改寫(xiě)為：

10log

C′kd,n

+Δ

C′kr,n,2

Ckd,n>Qoffset

(11)

如果Qoffset=0 dB，則式(10)同式(11)是完全等價(jià)的。一般假定直傳資源被復(fù)用之后，至少需要帶來(lái)5%的容量增益，即滿足：

C′kd,n

+Δ

C′kr,n,2

>(1+5%)Ckd,n

(12)

此時(shí)，Qoffset=10log(1.05)≈0.2 dB。通過(guò)滯后門(mén)限Qoffset的引入，復(fù)用判別條件式(11)能有效地提高本小區(qū)的容量，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)槊つ看罅康馁Y源復(fù)用而導(dǎo)致對(duì)其他小區(qū)的干擾。

基于上述推導(dǎo)和分析，小區(qū)內(nèi)的資源復(fù)用方案可描述為：

(1) BS在直傳資源中，挑選出鏈路質(zhì)量較好的子載波資源，通過(guò)廣播信息，通知到RN和直傳用戶；

(2) RN針對(duì)小區(qū)的邊緣用戶SINR進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合BS廣播的可復(fù)用資源信息，對(duì)應(yīng)挑選出需要復(fù)用的中繼用戶；

(3) RN將需要復(fù)用資源的中繼用戶第二跳CSI反饋至BS節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的直傳用戶將它同RN的鏈路質(zhì)量反饋至RN節(jié)點(diǎn)；

(4) 結(jié)合RN與直傳用戶反饋，系統(tǒng)之前存儲(chǔ)的各用戶直傳鏈路信息，以及上一時(shí)隙的干擾，BS進(jìn)行資源復(fù)用準(zhǔn)則判斷；

(5) 若滿足條件式(11)，則執(zhí)行資源復(fù)用。

3 仿真與分析

搭建一個(gè)19小區(qū)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)扇區(qū)部署一個(gè)RN。BS的最大發(fā)射功率為49 dBm，中繼節(jié)點(diǎn)RN的最大發(fā)射功率為30 dBm，每個(gè)小區(qū)用戶數(shù)為60，系統(tǒng)帶寬為20 MHz，小區(qū)半徑為500 m，滯后門(mén)限Qoffset分別取0 dB和0.2 dB。其他仿真參數(shù)參照文獻(xiàn)［10］。

圖4給出了采樣直傳用戶與中繼用戶在資源復(fù)用前后的平均SINR對(duì)比。對(duì)資源被復(fù)用的直傳用戶來(lái)講，復(fù)用前的平均SINR為12.2 dB，復(fù)用后由于受到小區(qū)內(nèi)RN的同頻干擾，當(dāng)Qoffset=0 dB時(shí)，SINR下降106%;當(dāng)Qoffset=0.2dB時(shí),SINR下降4.9%。對(duì)于中繼用戶來(lái)講，復(fù)用之后邊緣的SINR有所提升?？梢钥闯?當(dāng)Qoffset=0.2dB時(shí),SINR提升是非常明顯的，相對(duì)于無(wú)復(fù)用時(shí)SINR提升了1倍多，平均SINR能達(dá)到5 dB左右。因此，資源復(fù)用方案是犧牲了直傳用戶的SINR性能，來(lái)?yè)Q取后5%中繼用戶的SINR性能的提升。

圖4 采樣直傳用戶與中繼用戶的平均SINR對(duì)比

圖5給出了無(wú)復(fù)用策略，小區(qū)內(nèi)復(fù)用策略1(Qoffset=0 dB)和小區(qū)內(nèi)復(fù)用策略2(Qoffset=0.2dB)的系統(tǒng)吞吐量對(duì)比。從總的吞吐量上看，Qoffset=0 dB的策略能獲得最好的性能，但是它所對(duì)應(yīng)的直傳性能最差，優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在中繼用戶的性能上。而相比之下，Qoffset=0.2dB的策略雖然總在吞吐量上有所損失，但直傳和中繼用戶的性能更為平均，且考慮到后5%的SINR，Qoffset=0.2dB是能達(dá)到吞吐量和后5%用戶SINR的折中策略。

圖5 OFDM中繼系統(tǒng)總吞吐量的對(duì)比

4 結(jié) 論

針對(duì)OFDM中繼系統(tǒng)，本文提出了一種集中式的小區(qū)內(nèi)的資源復(fù)用方案，通過(guò)滯后門(mén)限值的設(shè)定和資源復(fù)用判斷準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)吞吐量。仿真表明，當(dāng)Qoffset=0 dB時(shí)，該方案能獲得最高的系統(tǒng)吞吐量;當(dāng)Qoffset=0.2dB時(shí)，該方案不僅能提升總的系統(tǒng)吞吐量，還能有效改善小區(qū)邊緣用戶的平均SINR。集中式的小區(qū)內(nèi)資源復(fù)用方案是一種可運(yùn)用于LTE-A網(wǎng)絡(luò)的良好資源分配策略。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文