多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的載波分割復(fù)用的功率控制算法

趙全軍，張媛媛，楊成福(四川文理學(xué)院.智能制造學(xué)院；.圖書館；.建筑工程學(xué)院，四川達(dá)州65000)

多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的載波分割復(fù)用的功率控制算法

趙全軍1，張媛媛2，楊成福3
(四川文理學(xué)院1.智能制造學(xué)院；2.圖書館；3.建筑工程學(xué)院，四川達(dá)州635000)

無線寬帶網(wǎng)絡(luò)中，正交頻分調(diào)制是一種有效的調(diào)制策略.在多用戶的OFDMA系統(tǒng)中，合理的子載波分配、比特率分配、功率控制能有效的改善系統(tǒng)的整體性能.在傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)頻率復(fù)用分割技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合注水功率分配算法，研究了一種基于802.16e標(biāo)準(zhǔn)的多小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型的子載波額外傳輸功率收集算法，通過數(shù)值仿真表明功率收集分配算法能改善系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)用戶的信干比和提高系統(tǒng)的資源利用率.

多小區(qū)；正交頻分多址復(fù)用；子載波；功率控制

0 引言

隨著第四代移動通信系統(tǒng)的運(yùn)營以及移動多媒體業(yè)務(wù)的推出，為了提高系統(tǒng)帶寬的利用率和降低用戶間干擾，無線資源的分配和用戶的功率的分配就來越顯得尤為重要了.在標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16e中規(guī)定移動WIMAXI的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢圆捎命c(diǎn)對多點(diǎn)拓樸結(jié)構(gòu)(PMP)，即為蜂窩模型結(jié)構(gòu)的多小區(qū)OFDMA無線通信系統(tǒng).在改模型下，研究人員提出了大量的OFDMA的資源分配方法，其中就從優(yōu)化多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)資源的角度研究了資源分配問題.[1]在多用戶的OFDMA系統(tǒng)中，合理的子載波分配、比特率分配、功率控制能有效的改善系統(tǒng)的整體性能.當(dāng)為用戶完成了子載波和比特率分配以后，系統(tǒng)進(jìn)一步為用戶分配功率.文獻(xiàn)分別采用了注水算法以及改進(jìn)的注水算法為系統(tǒng)用戶分配功率.[2-3]為了提高系統(tǒng)的頻率利用率，系統(tǒng)在分配子載波時往往根據(jù)系統(tǒng)用戶所處在的位置、用戶無線信道的狀態(tài)以及多小區(qū)間用戶的干擾情況等動態(tài)的分配子載波.在這種情況下，文獻(xiàn)采用了一種分布式啟發(fā)功率分配算法，[4]該算法主要針對用戶所在信道的信號干擾噪聲比相對較弱用戶的子載波實行迭代式注水算法.在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的頻率利用率，研究提出了大量的頻率復(fù)用技術(shù).[5-6]通過該技術(shù)，系統(tǒng)在為用戶分配載波時，系統(tǒng)會將小區(qū)劃分為兩個同心圓，處于不同區(qū)域的用戶分配的載波方式不同，這樣可以實現(xiàn)小區(qū)中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的頻率分割.本文在注水算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合頻率分割技術(shù)，把小區(qū)內(nèi)的所用用戶按在通信所在位置區(qū)域分成兩個部分，不同的區(qū)域用戶給予不同的SINR閾值，然后系統(tǒng)通過用戶接收平均SINR與參考門限SINR比較將實際功率超過閾值的用戶剩余功率收回，用于補(bǔ)償信道質(zhì)量不好的用戶.

1 多小區(qū)OFMDA系統(tǒng)信道分配模型

圖1 多小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)

我們規(guī)定整個網(wǎng)絡(luò)中所有信道是由若干的子信道組成，每個子信道具有不同的頻率復(fù)用因子，位于小區(qū)中心小圓區(qū)域內(nèi)的子信道的復(fù)用因子為1，小區(qū)邊緣圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的子信道復(fù)用因子為3.對于復(fù)用因子為1的子信道包含系統(tǒng)中所有N個OFDM子載波中的，系統(tǒng)內(nèi)所有小區(qū)內(nèi)部小圓區(qū)域的用戶可以使用N0個子載波的任意一個空閑子載波信道；而邊緣圓環(huán)區(qū)域子信道復(fù)因子為3的子信道則由N-N0個子載波組成，對于單獨(dú)一個小區(qū)的外部圓環(huán)來說，則只能應(yīng)用整個復(fù)用因子為3的子信道中的1/3個子載波，既((N-N0)/3)，且三個相鄰小區(qū)所使用的子載波范圍不能重疊.

在小區(qū)內(nèi)，當(dāng)用戶申請接入系統(tǒng)時，如果它處在基站附近的小圓地區(qū)，用戶可以應(yīng)用系統(tǒng)中復(fù)用因子為1的所有空閑子信道中的其中一個；而當(dāng)用戶處于小區(qū)邊緣地帶時，系統(tǒng)只能在被分配給自身所在小區(qū)內(nèi)的(N-N0)/3個子載波中選取其中的空閑信道.

2 功率控制算法

系統(tǒng)在進(jìn)行了子載波分配以后，由于小區(qū)內(nèi)不同地點(diǎn)的用戶距離小區(qū)中心位置天線的距離不同，不同用戶為獲得足夠的信道質(zhì)量所需要的發(fā)射功率也不盡相同，離小區(qū)中心越近的小圓環(huán)區(qū)域所需發(fā)射功率較小，相反在小區(qū)邊緣的用戶所需功率相對較大，若只為用戶分配滿足其通信所需的最低的功率，不同位置用戶所產(chǎn)生的干擾也就不同.因此在系統(tǒng)為用戶分配功率過程中可以考慮用戶所在區(qū)域的不同分配不同的功率大小，從而優(yōu)化系統(tǒng)為用戶分配的傳輸功率.

圖2 額外傳輸功率收集算法流程圖

3 性能分析

為了考察功率收集分配算法對系統(tǒng)性能的好壞，接下來我們分析在多小區(qū)環(huán)境下，系統(tǒng)中用戶的平均接收到的信干比(SINRk)和系統(tǒng)的子載波利用率.

(1)為考察小區(qū)中離基站不同距離的用戶的平均接收到的信干比(SINRk)，我們只考慮與標(biāo)記小區(qū)直接相鄰的第一層小區(qū)中同頻信道用戶對標(biāo)記小區(qū)中用戶的干擾，第二層中的同信道干擾小區(qū)產(chǎn)生的同信道干擾很小，忽略不計.有文獻(xiàn)可得標(biāo)記小區(qū)中用戶k的信干比SINRk表示為：[7]

(1)

上式(2)中，Wk為用戶k在小區(qū)m中所接收到的總功率，Ik為相鄰小區(qū)同信道用戶對k總干擾.Pk為基站為用戶k所提供的總的發(fā)射功率.Pr(d)為Hata擴(kuò)展信道模型下的傳輸接收路徑函數(shù)，其中函數(shù)中的d為基站到移動終端的距離.其中τn是使用子載波的小區(qū)的數(shù)目，就是子載波n在整個系統(tǒng)被利用的次數(shù).Ik,n表示用戶k在子載波n上所受到的干擾.將式(1)轉(zhuǎn)化為上式(2)形式可以得出標(biāo)記小區(qū)中用戶對k信干比為：

上式(3)中，Pr,n(d)為Hata擴(kuò)展信道模型下小區(qū)內(nèi)圓中子載波n傳輸接收路徑功率基站到移動終端的距離d變化關(guān)系.

為了考察離基站同一距離的用戶的平均接收信干比，則取多個相同距離用戶的SINR然后取其平均值.

(2)子載波的平均利用率.在系統(tǒng)完成子載波分配算法以后，各個小區(qū)中的子載波利用次數(shù)與系統(tǒng)中子載波可利用的最大次數(shù)的比率.這里我們定義為：

其中M為系統(tǒng)所有小區(qū)個數(shù)，N為系統(tǒng)中所有OFDM子載波個數(shù).

4 仿真結(jié)果分析

仿真中，我們假定系統(tǒng)基站信號的最大覆蓋范圍半徑為1km，信道模型為擴(kuò)展Hata路徑衰落模型.[8]其中信道的陰影衰落為6db；在頻率部分復(fù)用的情況下，小區(qū)中的每位用戶在與小區(qū)中心的基站通信之前，應(yīng)通過相應(yīng)的消息通知基站自己所處的位置，也就是說基站隨時應(yīng)該了解用戶處于小區(qū)的邊緣圓環(huán)還是中心小圓位置.在這里我們設(shè)定消息的發(fā)送為一個超長數(shù)據(jù)幀，間斷時間的時間選擇OFDM符號的周期為4.8μs，每個用戶的請求速率為13.3Mbit/s.為了考察功率分配算法對系統(tǒng)性能的影響，我們考察小區(qū)中心小圓半徑r=700m時，有功率分配與無功率分配用戶接收平均信干比之間的區(qū)別.分析小區(qū)小圓半徑分別為(r=700m和r=550m)時，功率分配對在載波利用情況的影響.

下圖3中綠色的柱圖表示用戶子載波只在采用注水算法功率，沒有采用本文提到的功率分配算法，二灰色柱圖表示用戶的功率分配采用本文提出的這種算法.通過仿真得出處于小區(qū)內(nèi)部不同位置區(qū)域的用戶的平均接收信干比隨著離基站發(fā)生的變化情況，從上圖可以看出，當(dāng)用戶距離基站300m以內(nèi)和距離基站700m到900m之間的這個范圍內(nèi)時，系統(tǒng)中未進(jìn)行功率優(yōu)化的子載波分配算法的平均每用戶的SINR比進(jìn)行了功率優(yōu)化后的信道分配算法的SINR要越高一些.而當(dāng)用戶在300m到700m范圍內(nèi)和900m以后，在有功率分配的情況下平均每用戶所接收到的SINR要比沒有功率分配算法情況下高.這是由于在本文的功率分配算法中采用了額外功率收集法，即系統(tǒng)分別將小區(qū)內(nèi)中心小圓區(qū)域和外部圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的用戶同中超出參考調(diào)制編碼所需的那部分功率收回去補(bǔ)償了位于中心小圓邊緣和小區(qū)邊緣那些信道質(zhì)量不好用戶去了.

圖3 帶功率分配下每用戶的平均接收信干比

下圖為了小圓半徑分別為(r=700m和r=550m)時，有功率分配算法的和無功率分配算法的對系統(tǒng)的子載波利用率性能比較.

從上圖4中可以看出，無論是在小區(qū)中心小圓半徑為r=700m或r=550m，系統(tǒng)中的子載波利用率比沒有功率分配時的性能要好.這說明功率分配與增益因子的結(jié)合可以較好地抑制共道干擾.

圖4 功率分配后的子載波利用率

5 總結(jié)

本文結(jié)合蜂窩小區(qū)頻率分割技術(shù)研究多用戶下的移動WiMAX系統(tǒng)的多用戶功率收集分配算法，給出了算法的流程圖，并對系統(tǒng)吞吐量和子載波利用率的系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行了分析，并加以數(shù)值仿真.我們分析可以得出，本文設(shè)計的 額外傳輸功率收集算法對改善多蜂窩的802.16e系統(tǒng)中小區(qū)用戶的干擾，提高系統(tǒng)的載波利用率，改善小區(qū)邊緣用戶的信干比都有一定的幫助.

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[責(zé)任編輯 范 藻]

Power Control Algorithm of Frequency Reuse Partitioning in Multi-Cell OFDMA Systems

ZHAO Quanjun1, ZHANG Yuanyuan2, YANG Chengfu3.

(1.Intelligent Manufacturing School; 2.Library; 3. Architectural Engineering School, Sichuan University of Arts and Sciences, Dazhou Sichuan 635000, China)

Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM) is a promising modulation scheme for wireless broadband networks. In multi-user OFDM system, the overall performance of system can be greatly improved by reasonably performing sub-carrier assignment, rate allocation, and power control for different users. Based on the traditional cellular Frequency Reuse Partitioning technology and the water filling power allocation algorithm, this paper studies a subcarrier transmission power collection algorithm based on 802.16e standard in the multi-cell cellular network model and designs a cell Frequency Reuse Partitioning power allocation algorithm. We evaluate the effectiveness of our algorithm, and simulation results demonstrate that signal-to-noise ratio (SNR) of cell users and resource utilization ratio of system can be well improved through our algorithm.

Multi-Cell; Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA); Sub-carrier; Power Control.

2016-12-21

四川省教育廳一般科研項目 (12ZB119)；四川省教育廳自然科學(xué)基金(14ZB0314)； 四川文理學(xué)院校級項目(2014Z004Y)

趙全軍(1981—)，男，四川大竹人.講師，碩士，主要從事OFDM、無線資源管理與WIMAX網(wǎng)絡(luò)研究.

TN929.5

A

1674-5248(2017)02-0037-05