OFDM雙向中繼協作系統的資源分配策略

林 丹，潘沛生

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

OFDM雙向中繼協作系統的資源分配策略

林 丹，潘沛生

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

為了提高基于正交頻分復用(OFDM)雙向多中繼協作通信系統的能量效率，降低發射總功率，提出了一種低能耗的無線資源優化分配方案。首先提出一種信道增益調和平均數排序算法完成子載波匹配與最優中繼選擇，然后從固定的比特速率出發，在保證一定誤比特率的前提下，利用拉格朗日法和Fischer算法對各個子載波進行比特優化分配，進一步提升系統能效。仿真結果表明，相比于現有的策略，所提出的資源分配方案明顯提升了系統的能量效率。

雙向中繼；資源分配；能量效率；正交頻分復用

協作中繼傳輸網絡在配備單天線時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，從而降低了系統復雜度以及傳輸能耗[1]。相比于傳統的單向中繼、雙向中繼系統能夠將通信所需的4個時隙減少到2個時隙，使得傳輸效率大大提高，成為無線通信領域研究的熱點之一[2]。而正交頻分復用(OFDM)技術能夠動態地分配子載波，在高效利用頻譜的同時還能有效消除多徑衰落和碼間串擾，它與雙向中繼的結合也受到了學術界的廣泛關注[3]。近年來隨著“綠色通信”的提出，中繼網絡的節能問題逐漸成為研究熱點。大量的研究以協作通信為模型考慮如何降低能耗，如資源管理和中繼節點分配等[4-5]。

在OFDM雙向中繼系統中，資源分配技術是提升其系統性能的關鍵研究內容。文獻[6]集中于研究DF轉發模式下多跳OFDM通信系統功率分配的優化，但僅限于單向中繼模型。文獻[7]完整地考慮了雙向中繼系統中3個節點的信噪比，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的影響。文獻[8]為提升系統的吞吐量設計了一種資源分配策略，但未考慮子信道變化的影響，由于使用了近似計算，在信道條件足夠好的條件下才具有可行性。文獻[9]聯合考慮了兩條鏈路的性能進行中繼選擇和功率分配，但僅僅分析了采用單個中繼協作的問題。文獻[10]從能量效率的角度出發提出了一種聯合資源分配方案，但是沒有考慮多載波的情形。文獻[11]提出了一種分步的資源分配策略來最小化系統的發射功率，但以最大差為準則的中繼選擇策略并不能達到能效最優，并且信道增益函數需要在各節點分配等功率的情況下獲得，較難實現。

上述文獻在研究資源分配的問題時，對于多個子載波與多個中繼的最優匹配問題研究較少，而多是從額定功率出發以提高系統吞吐量為目標，未考慮到系統能耗帶來的影響。而從固定的比特速率出發更能反映系統中各用戶的數據速率要求，因此在給定所要求誤比特率時最小化系統發射功率比較具有實用性。為了降低系統總發射功率，提高系統能效，本文提出一種能效最優的中繼選擇與子載波聯合分配算法(Maximum Harmonic Average Sorting，MHAS)，并在此基礎上利用拉格朗日法結合Fischer算法進一步優化比特分配。仿真結果驗證了本文的中繼選擇策略和比特分配算法的有效性。

1 系統模型

如圖1所示，兩個用戶S1和S2之間分布著R1,R2,…,RK共計K個中繼節點用于傳輸，轉發模式為放大轉發(AF)。用戶之間不考慮使用直接鏈路進行通信，均配置單天線并以半雙工模式工作。該系統采用OFDM傳輸技術，信息交換發生在N個獨立正交的瑞利衰落子載波上。

圖1 OFDM雙向多中繼協作通信系統模型

假設每個節點已知信道狀態信息(CSI)，傳輸過程可分為如下2個時隙：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 能效最優的無線資源分配策略

2.1 中繼選擇和子載波聯合分配算法

(7)

(8)

(9)

帶入優化問題(7)中可以將原問題轉化為

(10)

(11)

則由結果可知

(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[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，本文提出的MHAS算法充分考慮了信道狀態并兼顧了多載波與多中繼之間資源的充分利用，從直接降低發射功率的角度出發，使系統在能效方面的表現更好。

2.2 比特優化分配

(13)

這樣系統所需最小總發射功率為

(14)

1)子問題1

(15)

2)子問題2

(16)

式中：R表示系統總比特速率。首先求解子問題1，這個約束優化問題可通過拉格朗日法求得最優解

(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行自適應比特分配，即可在滿足誤比特率的QoS限制條件的同時使系統發射功率最小化，優化系統的能效。總結上述的自適應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個子載波從N中去除，N=N-1。然后轉到1)，繼續執行直到所有的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的Fischer算法能夠根據各個子信道的實際傳輸情況靈活地分配發送功率和信息比特，優化系統的性能。

3 仿真分析

如圖2所示，首先利用仿真數據驗證最優中繼選擇與子載波聯合分配算法(MHAS)在能效方面的性能。子載波數目為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，可以看出在相同的傳輸速率限制下，MHAS算法相比較于文獻[11]中的最大較差算法以及文獻[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算法聯合考慮了多個子載波與多個中繼之間信道增益的能效最優性，能夠更好地適應信道系數的波動，從而使得能量消耗更低。

圖3顯示中繼節點與用戶對的相對位置對系統中斷概率的影響，由圖3可知，無論采用本文的算法還是文獻[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距離相等時中斷概率總是最低。在采用比特優化分配之后，系統的中斷概率比ERA方案的性能表現更佳，并且中繼越分散性能表現越好。

圖3 中繼節點位置與系統中斷概率之間的關系

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，誤比特率和系統能效之間的關系。本仿真中考慮有5個中繼的情形，子載波數目為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，本文的中繼選擇算法(MHAS)相對于傳統的隨機選擇方案(RRS)以及文獻[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，結合比特優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。隨著子載波數目N的增大，系統可以獲得更多分集增益，因而在能效性能的表現上越來越好。可以看出比特優化分配時，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分配的方案；并且在聯合MHAS中繼選擇策略時，比特優化分配的方案所體現出的性能也高于比特平均分配(ERA)的性能。因此，同時采用MHAS和比特優化分配的方案可以使得系統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誤比特率與能效的關系

圖5 子載波數目不同時幾種策略能效性能的比較

4 結束語

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

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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

南京郵電大學自然科學基金項目(NY211083)；南京郵電大學攀登計劃項目(NY208036)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.05.028

2014-08-05

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

林 丹(1989— )，碩士生，主研協作通信中的資源分配；

潘沛生(1966— )，博士，副教授，碩士生導師，主研新一代無線通信網絡中先進智能信號處理技術。

責任編輯：薛 京