通信系統中自適應資源分配算法研究范文

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摘要：筆者主要研究了MU-OFDM系統中子信道-比特-功率的分配算法，在系統傳輸速率R、系統誤比特率BER一定的情況下，改進了算法以優化系統的發送功率P的分配，使之達到最小，并兼顧用戶間的公平性。還對此算法進行MATLAB仿真，通過對結果的對比分析，證實此算法既能保證OFDM的系統性能，又能兼顧用戶間的公平性。

關鍵詞：多用戶OFDM；自適應；資源分配；功率分配；比特分配

1引言

OFDM技術在頻域把信道分成許多個正交的子信道，每個子信道之間相互獨立。因為各子信道經歷的衰落不同，故而表現出不同的信道特性。利用這一特性，就可以根據各子信道的實際傳輸情況靈活地分配信息比特及發射功率。如對深衰落的信道可以采用低階調制方式，對衰落相對較小的子信道則采取高階調制方式，可以有效提高傳輸效率。在MU-OFDM系統中，自適應分配技術包括兩方面的內容，一是整個系統按照某種原則將子信道分配給所有用戶；二是每一個用戶對所分配到的子信道繼續進行比特和功率分配。本文通過研究已有算法，對已有算法進行了改進，在系統傳輸速率R、系統誤比特率BER一定的情況下，使系統的總發送功率P最小，并兼顧用戶間的公平性。

2系統模型

先設定系統中的任何用戶可以隨時發射信號，然后分析系統中這些用戶在不同子信道上的衰落狀況，逐步確定子信道承載的比特數和發射功率，及對每個用戶的分配情況。系統模型如圖1所示。通過對此結構框圖的分析，首先利用多用戶的信道估計器獲取各個用戶所對應的子信道的狀態信息。其次，就是要為各個用戶分配待定子信道，即利用子信道-比特-功率自適應分配器，根據前面獲得的狀態信息，按照算法規則，為每個用戶分配可以使用的子信道。一般系統會建立一個專用信道，實時傳送這些分配信息給各個用戶。獲取子信道后，每一個用戶再為分配給自己的子信道分配不同數目的比特數，這樣這些子信道就完成了承載的比特數和發射功率的分配。發送端的串/并變換器按照這些分配信息將每個用戶的比特分配給相應的用戶。每個用戶的調制器對各個子信道的數據完成基帶調制，然后依次執行IFFT、添加循環前綴操作，最后通過傳輸信道到達接收端。接收端執行與之相反的操作，對收到的信號依次執行去循環前綴和FFT操作，每個用戶的解調器按照前面的分配信息，對屬于自己的子信道上的數據執行基帶解調，即可得到自己的信息。可以看出，在整個的系統框圖中，最關鍵的部分包括兩個方面：多用戶的信道估計和子信道、比特、功率的分配。由于子信道-比特-功率自適應分配器的工作有賴于多用戶信道估計器，其充分發揮作用的前提是多用戶信道估計器能夠保證信道狀態的估計準確。所以，多用戶信道估計器實際上處于基礎地位，它的工作狀況發揮決定性作用。基于這一點考慮，本文首先假設多用戶信道估計器處于理想的工作狀態下，即發射端可以實時準確地獲取子信道的狀態信息，重點研究子信道-比特-功率自適應分配算法。

3自適應資源分配算法目前研究

OFDM子信道-比特-功率自適應分配算法的比較多，主要有以下幾種。一是最優WONG算法。該算法通過對MA準則下的最優化問題求解，得到一個最優的子信道及比特聯合分配方案。二是Zhang算法。此算法不同于最優WONG算法的是，首先要設定系統中所有用戶權限，使之可以使用任何子信道，然后再分配每個用戶的比特功率，完成這一步驟后，通過對可能出現的子信道沖突問題進行分析與處理，得到最終的分配方案。對于這些沖突的子信道，把其分配給某一個用戶，在操作中因為其他用戶原本分配給本子信道上的比特會被分配到其所有的其他子信道上，這必然導致總發射功率提高。Zhang算法處理有沖突的子信道，是選擇把此子信道分配給產生發射功率增加量最小的用戶，如此處理便可以產生最終方案。上述多用戶的子信道分配策略，是一種理想化的分配策略。這種策略沒有考慮各個用戶能否公平地選擇子信道，只是將子信道分配給在子信道上性能最好的用戶，這種策略考慮的只是如何優化整個系統性能。但在實際的運用中，這種情況并非如此簡單。當然，這種策略實際上也符合統計學原理，比如，假定在理想狀況下，各用戶經歷的信道狀況是獨立分布的，依據性能最優者得到子信道的準則，可以保證各個用戶平等地獲得子信道的數量。因為在較長的一段時間內，每個用戶最終分配到的子信道，在數量上應是近似相等的。但是，如果再考慮路徑損耗等其他因素，一般離基站較近的用戶，平均的接收信噪比遠高于其他用戶。在這種情況下，如果單純從性能的角度進行分配，現實中就會分配的“不公平”。比如，占據相當大資源的只是一部分離基站近的用戶，那些在小區邊緣的用戶則被排擠在外。為避免此類狀況發生，借鑒參考文獻[4]的思路，可以考慮修正子信道分配準則。這種算法的優化目標，是達到系統的發送功率最小化，又能保證用戶間的公平性。

4系統仿真與性能分析

對以上算法進行MATLAB仿真，以比較改進算法和原有算法的性能差異。首先，設定仿真參數：假定子信道數N為64，采用MQAM的調制方式，每個子信道上最大可以承載8個比特。圖2、3為仿真結果。在仿真圖中，Optimal算法就是文獻[2]中的Wong算法，Proposed算法為本文所采用的算法。用Proportion來表示每個用戶的比特傳輸速率在總的比特傳輸速率中所占的比例η1,η2,…ηK。根據圖2和圖3，在用戶的公平性上，本文提出的算法與原來的算法相比有了比較大的改善，但所能達到的系統性能與前者非常接近。

5結語

本文提出一種改進的子信道-比特-功率分配算法。在分配過程中，最大限度保證每個用戶在各個子信道分配過程中的“公平性”。這種算法借鑒了傳統“兩步走”的思想，將子信道分配與比特分配分步進行。同時本文還對算法進行了仿真。仿真的結果表明，在保證一定的系統性能的前提下，本文改進的子信道-比特-功率自適應分配算法能夠有效兼顧用戶間的公平性。

參考文獻

[1]佟學儉.OFDM移動通信技術原理與應用[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[5]李兆玉.移動通信[M].北京:電子工業出版社,2017.[6]真才基.OFDM/MIMO系統資源分配與調度[M].北京:人民郵電出版社,2016.

作者：張莉 單位：南京大學金陵學院