文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)02-0097-04
0 引言
正交頻分多址(OFDMA)中繼通信系統(tǒng)覆蓋域大、可擴(kuò)展性強(qiáng),相比傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)可以有效提高系統(tǒng)容量,是LTE網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。OFDMA 中繼系統(tǒng)能獲得更高的峰值數(shù)據(jù)速率、頻譜利用率、更好的小區(qū)邊緣用戶等性能, 是廣大研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。其通信系統(tǒng)中的資源分配問題也逐漸成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。
根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對接收信號處理方式的不同可以分為放大-轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward,AF)和解碼-轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward,DF)方式。AF方式是中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的信號進(jìn)行模擬處理,將信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn),這樣就存在放大噪聲傳遞的缺點(diǎn)。而DF方式,是中繼將接收到的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼(如果編碼)和判決,然后再將信號重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)給接收端。
關(guān)于OFDMA資源分配問題的研究目前也備受關(guān)注。文獻(xiàn)[3]在DF中繼模型下,研究了滿足QoS下的中繼選擇、功率分配與子載波分配的聯(lián)合優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[4]是在單中繼系統(tǒng)模型下,討論了總功率約束下的用戶間的公平性,并考慮了每個(gè)用戶均有各自的速率需求。文獻(xiàn)[5]是滿足每個(gè)用戶的子載波最小需求數(shù)目下獲得的公平性的提高。文獻(xiàn)[6]是在限定的總功率、誤碼率和速率比例下引入了均衡因子,對系統(tǒng)容量和用戶公平性之間的均衡進(jìn)行控制。
目前,現(xiàn)有的文獻(xiàn)中,在OFDMA中繼系統(tǒng)模型下考慮用戶公平性的情況,基本上是在給定的功率下,根據(jù)用戶的預(yù)定速率比調(diào)整子載波。未曾討論過提高公平性付出的代價(jià)導(dǎo)致了用戶的速率降低。文獻(xiàn)中也只是單純地從用戶角度考慮載波分配問題,未曾考慮過怎樣調(diào)整子載波使其速率損失降低最少,而后再去考慮功率優(yōu)化分配的問題。在本文中,研究了子載波分配與功率分配聯(lián)合優(yōu)化下用戶公平性的問題。且從不同角度考慮資源分配問題,并做了相互比較。算法一是使得用戶間的速率比盡可能達(dá)到預(yù)定速率比的同時(shí),也要保證其速率損失盡可能最小。算法二、算法三則體現(xiàn)了從不同角度進(jìn)行載波分配的情況。仿真結(jié)果表明,提出的三種算法中,公平性都得到了提高,但系統(tǒng)的平均吞吐量卻有所降低。且公平性達(dá)到越好,付出的速率損失代價(jià)就越大。
1 系統(tǒng)模型
本文為DF方式中繼模型下的OFDMA上行鏈路系統(tǒng),其中包含兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)S,兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D。這里要求每個(gè)用戶的信息均通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)給目的,即不存在S到D的直接鏈路。傳輸分為兩個(gè)時(shí)隙:第一時(shí)隙S向R發(fā)送信息,R接收信息并進(jìn)行解碼;第二時(shí)隙R將編碼后的信息轉(zhuǎn)發(fā)給D。
圖1中,S-R、R-D、S-D的子載波m的信道增益分別為
2 優(yōu)化問題與分析
在DF中繼方式下,總功率分別為源端和中繼端的功率。
要使速率最大,則:
a為等效信道增益:
等效速率為:
本文考慮每個(gè)用戶、每個(gè)中繼均有各自的功率限制,且每個(gè)用戶均有最小速率要求,在這些約束條件下,最大化系統(tǒng)容量。目標(biāo)函數(shù)如下:
其中式(7)、(8)是指對于一個(gè)子載波最多分配給一個(gè)用戶和一個(gè)中繼。式(9)、(10)分別為源端和中繼端各自的功率約束。式(11)為每個(gè)用戶的最小速率需求。
3 算法分析
3.1 算法一
算法一是通過對Lagrange對偶函數(shù)問題求解分析,根據(jù)所得代價(jià)函數(shù)H,再次調(diào)整子載波時(shí)將對于該用戶H值最小的子載波移給對方。這樣不僅考慮到用戶間的公平性,也保證了其速率損失盡可能最小。
式(6)的目標(biāo)函數(shù)為凸函數(shù),利用Lagrange對偶法[8]求解式(6)~(13),問題轉(zhuǎn)化為:
優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為:
根據(jù)文獻(xiàn)[4],對于每一個(gè)子載波m,可以分解為M個(gè)次優(yōu)問題,則:
根據(jù)Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件[8],最后可以得到子載波m的最優(yōu)功率:
帶入可得:
是K×N的矩陣,定義為代價(jià)函數(shù),是子載波m分別對應(yīng)用戶1、用戶2、中繼1、中繼2的能量功耗代價(jià)函數(shù)值,值越大,子載波m即分配給相應(yīng)的用戶和中繼。
可以表示為:
方案1分配子載波的流程如下:
(1)按照式(25)將所有的子載波分配給對應(yīng)的用戶和中繼。
(2)將用戶1、用戶2所分配到的子載波對應(yīng)的代價(jià)函數(shù)值H存儲在S1、S2中,按照函數(shù)值從大到小的順序排列。
(3)先分別計(jì)算出用戶1、用戶2已分得的子載波個(gè)數(shù)N1、N2。再根據(jù)預(yù)定速率比與總共的子載波數(shù)目,算出兩個(gè)用戶預(yù)定子載波個(gè)數(shù)N1?鄢、N2?鄢。若此時(shí)N1>N1?鄢,則將用戶1中S1的后(N1-N1?鄢)個(gè)子載波分配給用戶2,這樣保證了用戶1移走子載波后,對其速率影響不會太大;反之同理。這樣,按照子載波個(gè)數(shù)比等于預(yù)定速率比,初步完成了兩個(gè)用戶子載波的分配。
(4)最后再次計(jì)算用戶1和用戶2的實(shí)際速率比Q,若Q>Q?鄢(或Q<Q?鄢),則再次調(diào)整子載波,直到Q接近于預(yù)定速率比。
3.2 算法二
算法二的子載波分配方案是從子載波端出發(fā),按照3.1.1中介紹的,根據(jù)矩陣H中的取值,找出每個(gè)子載波對應(yīng)的最優(yōu)用戶與最優(yōu)中繼。分配過程中若其中某一用戶分配完所需的子載波,即停止對他的分配,將剩余的子載波全部分配給另一用戶。最后根據(jù)實(shí)際的速率比,再次對兩個(gè)用戶的子載波做相應(yīng)調(diào)整。此算法子載波分配的速度較快。
由于本文是速率最大化,即使兩個(gè)用戶按照預(yù)定比例速率分配子載波,但在利用注水算法分配功率時(shí)仍會按照用戶的最大功率限制分配完所有功率,即:即使一個(gè)用戶分配了少量的子載波,但每個(gè)子載波上的功率會很大(因?yàn)榇藭r(shí)相當(dāng)于水平面變高,衡量的標(biāo)準(zhǔn)不一)。這樣,比較兩個(gè)用戶的實(shí)際速率時(shí),無法體現(xiàn)出公平性。
本文在分配功率時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)。第一步,為兩個(gè)用戶分配預(yù)定的子載波,再進(jìn)行功率分配。第二步,根據(jù)兩個(gè)用戶的實(shí)際速率,再次調(diào)整子載波。這里假設(shè)用戶1將自己的一個(gè)子載波移給用戶2。調(diào)整完子載波后,再進(jìn)行功率的重新分配。這里重新分配功率時(shí),用戶1仍按照原先數(shù)量的子載波分配功率,而再次獲得子載波的用戶2卻按照現(xiàn)有的子載波分配功率。但分配完功率后,在計(jì)算實(shí)際速率時(shí),用戶1卻要去除分走的子載波及其上的功率,只計(jì)算調(diào)整后的子載波上的速率。用戶2則計(jì)算現(xiàn)有子載波速率即可。
3.3 算法三
算法三的子載波分配方法是從用戶端出發(fā),定義兩用戶最簡速率比Q1?鄢:Q2?鄢=Q?鄢,那么每次給用戶1、用戶2分配子載波時(shí)就按照子載波個(gè)數(shù)比等于速率比依次分配(n1:n2=Q1:Q2),直到分配完所有的子載波。
算法三的功率分配方案與算法二相同。
4 仿真分析
本節(jié)給出了上述幾種算法的仿真結(jié)果與分析。信道衰落為獨(dú)立同分布且均值為1的瑞利衰落。子載波數(shù)目為50。用戶端與中繼端允許的最大功率為1。
圖2給出了用戶1與用戶2的速率比例曲線,兩個(gè)用戶的最小速率分別為0.4 bps/Hz、0.6 bps/Hz。仿真圖中,最下邊的曲線為預(yù)定比例速率曲線??梢钥闯鰶]有考慮公平性時(shí),公平曲線偏離預(yù)定曲線最遠(yuǎn)。其次,離預(yù)定公平曲線最近的是算法一得到的曲線,依次往上的兩條曲線分別是算法二和算法三的仿真曲線。可以看出,算法三得到的公平性效果最好,算法二次之,算法一有相應(yīng)提高。
圖3中是對應(yīng)的用戶平均吞吐量曲線。其中算法一、算法二、算法三是已調(diào)整速率后的平均吞吐量曲線。當(dāng)然,從圖中可以看出,吞吐量達(dá)到最大的是不考慮公平性的算法,因?yàn)樗皇歉鶕?jù)信道增益的大小分配子載波。在本文提出的三種算法中,由于考慮了公平性需重新調(diào)整子載波,當(dāng)然分配的功率也有所變化,這樣最后得到的吞吐量比不考慮公平性的要降低一些。其中,算法一雖然公平性提高的不多,但吞吐量高于其余兩種算法。算法二與算法三的吞吐量依次減少??梢钥闯龉叫缘奶岣呤且运俾蕮p失為代價(jià)的。
圖4、圖5分別是兩個(gè)用戶最小速率為0.3 bps/Hz、0.7 bps/Hz時(shí)對應(yīng)的公平性和速率圖。從圖4中可以看出,此時(shí)用戶1、用戶2預(yù)定速率比為3/7,比圖2中低(預(yù)定速率比為4/6)。其對應(yīng)的三種算法得到的公平性曲線當(dāng)然也比圖2中低。其中算法三得到的公平性更接近于預(yù)定比例速率(3/7)。但它們都無法達(dá)到預(yù)定比例速率。從圖5中可以看到,這時(shí)付出的速率損失比圖3中的更多一些,并且算法三得到的系統(tǒng)容量降低更多。
5 結(jié)束語
本文針對OFDMA多中繼多用戶系統(tǒng)下,研究了用戶公平性的問題,并提出了三種算法。最后進(jìn)行了仿真分析與比較。仿真結(jié)果表明,用戶公平性的提高是以降低了系統(tǒng)吞吐量為代價(jià)的。提出的三種算法在某種程度上都提高了用戶的公平性,但公平性達(dá)到越好,速率損失也會相應(yīng)的有所增加。因此,怎樣更好地權(quán)衡公平性與速率損失是下一階段研究的重要問題。
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