OFDM系統(tǒng)中的子載波分配策略

郭 凱,張 碧,陳培彬,陳 衛(wèi)

(解放軍炮兵學院,合肥安徽230031)

0 引言

未來移動通信系統(tǒng)要求高速率和高頻譜利用率的傳輸并且能夠服務(wù)同時具有多個業(yè)務(wù)的多個用戶。因為無線資源是有限的,所以自適應(yīng)的資源分配策略變得越來越重要。此外,為了改善系統(tǒng)的性能,在自適應(yīng)資源分配過程中,必須考慮不同用戶的服務(wù)質(zhì)量需求(QoS)。

OFDM技術(shù)用在室內(nèi)室外的無線通信中,已被使用在數(shù)字視頻廣播(DVB)和數(shù)字音頻廣播(DAB)中。此外OFDM技術(shù)已經(jīng)成為了許多標準的基礎(chǔ)。OFDM的基本原理是將高速的串行數(shù)據(jù)流變成并行的低速數(shù)據(jù)流,讓它們同時在多個子載波上傳輸。

在無線衰落信道下,由于信道的時變特性,不同位置用戶需求的子載波經(jīng)歷的衰落也不相同。本文研究了根據(jù)不同的衰落幅度分配滿足用戶需求的子載波并根據(jù)用戶間不同業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)調(diào)整借用子載波避免用戶間沖突的算法來增加系統(tǒng)用戶容量和提高系統(tǒng)性能。仿真分析的結(jié)果表明,本文建議的算法能在很大程度上改善系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)模型和算法描述

1.1 系統(tǒng)模型

在多用戶OFDM系統(tǒng)中,對處于不同位置的用戶A和B,假設(shè)信道的衰落是獨立的,即使某一子載波對于A用戶是遭受深度衰落不可用的,但其對于B來說很可能仍是可用的。事實上,在用戶數(shù)較多時,幾乎沒有子載波對于每個用戶來說都是深衰落而不可用的。鑒于此,本文的動態(tài)分配算法讓所有的用戶使用所有的時隙,基站根據(jù)瞬時的信道信息動態(tài)地分配子載波給用戶,這樣系統(tǒng)的整體性能也就很大程度上取決于子載波分配算法的好壞。

多業(yè)務(wù)間子載波借調(diào)資源分配方法如圖1所示。假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有N個子載波,可以容納3類不同業(yè)務(wù)的M個用戶,基站可以得知所有用戶在所有子載波上的瞬時信道衰落狀況。在基站內(nèi),M個用戶的數(shù)據(jù)被送到子載波分配模塊內(nèi),根據(jù)子載波借調(diào)資源分配算法為不同業(yè)務(wù)QoS的用戶分配子載波。

圖1 多業(yè)務(wù)間子載波資源分配方法

1.2 算法描述

為了分析和比較,在此給出了3種不同分配算法的描述。為了描述問題方便,假定系統(tǒng)共有8個可用子載波,有按優(yōu)先級排列的3個用戶,分別請求分配2,3,3個可用的子載波。

1.2.1 固定分配算法(算法1)

在多用戶OFDM系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的固定分配算法主要有2種:①將固定時隙內(nèi)所有子載波分配給某一用戶;②在用戶在每一時隙分得固定的子載波。對于后一種固定分配算法,假設(shè)系統(tǒng)中有8個子載波,用戶1、2、3可用的子載波按接收信噪比大小排序為 1、2、3、4、5、6、7,1、7、5、6、3,和 2、4、8、1,優(yōu)先級排列次序為用戶1＞用戶2＞用戶3,基站預(yù)先設(shè)定分別給用戶1分配1,2號子載波,用戶2分配3,4,5號子載波,用戶3分配6,7,8號子載波。由于用戶2和用戶3可用的子載波不滿足基站預(yù)先設(shè)定的分配,所以對這2個用戶的分配失敗。

1.2.2 最佳子載波的動態(tài)分配算法(算法2)

如前所述,基站處有每一用戶當前可用子載波增益的排序列表,考慮到瞬時的信道條件,各用戶請求的最佳子載波即為對應(yīng)列表最前面的子載波,這正是本算法的出發(fā)點。下面舉一個簡單的例子對此分配算法加以描述,假設(shè)各用戶對應(yīng)的可用子載波根據(jù)增益由大到小排列。用戶1、用戶2和用戶3分別有 7 個(1、2、3、4、5、6、7)、5 個(1、7、5、6、3)和 4 個(2、4、8、1)可用的子載波,請求的最佳子載波分配號分別為(1,2)、(1,7,5)、(2,4,8),用戶 1優(yōu)先級最高,分得1,2號子載波,用戶2和3請求的最佳子載波分別有1號和2號子載波與用戶1沖突,故分配失敗(要求分到全部請求的子載波才算分配成功)。由上例可見,這種分配算法雖然根據(jù)信道狀況在每個時隙動態(tài)更新,但只限制于最優(yōu)的子載波,沒有充分利用所有可用的子載波,動態(tài)范圍有限。

1.2.3 自適應(yīng)子載波重分配算法(算法3)

由于優(yōu)先級較高的用戶(如話音用戶)往往有較多的可用子載波,若在優(yōu)先級較低的用戶在自身范圍內(nèi)調(diào)整后仍然分配不成功時,考慮從優(yōu)先級較高的用戶借用與其相沖突的子載波,讓優(yōu)先級較高的用戶使用其他不沖突的空閑子載波(由于其可用子載波較多,一般存在這樣的空閑子載波),這樣將可更大程度地利用所有可用子載波,從整體上提高系統(tǒng)性能。當然,為了保證優(yōu)先級高的用戶業(yè)務(wù)不被中斷,在子載波借用時,也只是當其還存在不沖突的備用子載波時,才答應(yīng)將沖突的子載波借出,否則并不借出子載波,讓優(yōu)先級低的用戶考慮從其他優(yōu)先級高的用戶借用子載波,若其他高優(yōu)先級用戶均沒有子載波可供借出,低優(yōu)先級的用戶只好宣布分配失敗,等待下一時隙再競爭。即當優(yōu)先級低的用戶選擇的子載波與高優(yōu)先級用戶相同時,高優(yōu)先級用戶重新選擇其他的不沖突的子載波,這個過程一直持續(xù)到在滿足預(yù)先設(shè)定的業(yè)務(wù)QoS條件下用戶間的子載波無沖突發(fā)生為止。用戶1、用戶2和用戶3可用子載波與算法2中相同,此分配算法先在自身可用范圍內(nèi)調(diào)整后,用戶1分得子載波1,2,用戶2分得子載波7,5,6,用戶3由于其可用子載波2和1均已被用戶1分得而與之沖突,在自身范圍內(nèi)調(diào)整最多只能分得4和8兩個子載波而達不到請求的3個子載波要求,于是考慮借用用戶1的子載波,2號子載波首先沖突,先考慮從用戶1將其借用過來,而用戶1恰好還有3號子載波可用且與其他用戶沒有沖突,于是用戶1將2號子載波借用給用戶3,自己選擇稍差些的可用子載波3,從而使所有用戶都分配成功?？梢妿ё虞d波借用的動態(tài)分配算法分配的靈活性更大,在保證各業(yè)務(wù)QoS的同時從整體上提高系統(tǒng)性能,不過其復(fù)雜度也比前面的算法要大。

1.3 各種分配算法的比較

算法1最簡單,復(fù)雜度最小,不必知道用戶的信道信息,系統(tǒng)開銷小,在用戶數(shù)較少,業(yè)務(wù)固定時比較合適。不過由于分配不隨信道的變化而變化,分配效果往往很差,尤其是在業(yè)務(wù)具有突發(fā)性的多用戶移動通信系統(tǒng)中。算法2利用瞬時的信道信息,較固定分配有改進之處,但其要求分配限制在各用戶請求的最佳子載波范圍內(nèi),調(diào)整的靈活性太小,較固定分配改進不大。算法3盡可能地利用了所有用戶的可用子載波,分配的靈活性最大。當前面優(yōu)先級高的用戶較多,而每個用戶都有較多可用子載波時,分配到后面優(yōu)先級低的用戶時,子載波借用的空間已非常小,較算法2改進很小,而分配時的計算復(fù)雜度將增加很多。

1.4 自適應(yīng)調(diào)制的應(yīng)用

在給定功率和業(yè)務(wù)的BER要求下,在子載波分配的基礎(chǔ)上利用自適應(yīng)調(diào)制,根據(jù)瞬時的信道增益選擇合適的調(diào)制方式,從而提高系統(tǒng)的吞吐量。根據(jù)信道條件選取不同的調(diào)制方式時,均應(yīng)保證滿足對應(yīng)業(yè)務(wù)的QoS要求,這也就成為了自適應(yīng)調(diào)制中門限選取的基本依據(jù),即滿足不同業(yè)務(wù)QoS要求的BER。當在傳輸過程中使用M-ary正交幅度調(diào)制(MQAM)時,誤比特率可以表示為[1]:

對MQAM 調(diào)制,保持Pb≤Pmin的最小SNR為:

仿真了平坦瑞利衰落下系統(tǒng)中用到的各種調(diào)制方式(BPSK,QPSK,8QAM,16QAM)的誤比特性能,根據(jù)仿真結(jié)果確定了選擇各種調(diào)制方式的具體門限值,考慮到不同業(yè)務(wù)所要求的誤比特率不同,考慮實際中一般語音業(yè)務(wù)為10-3,流媒體業(yè)務(wù)為10-4,web類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為5×10-6,據(jù)此,對于上述3種不同類型的業(yè)務(wù),可根據(jù)其誤比特要求相應(yīng)地確定其選則不同調(diào)制方式時的門限值,具體如表1所示,由上到下分別是BPSK、QPSK、8 QAM、16 QAM 調(diào)制時的門限值。值得說明的是,上述門限值是指沒有加編碼,交織和分集情況下的接收信噪比,而實際中應(yīng)將上述給定的發(fā)射端信躁比、信道編碼、交織和分集的增益減掉后,才能真正得到實際系統(tǒng)中對各子載波上增益要求的合理門限,仿真參數(shù)中各業(yè)務(wù)調(diào)制方式的門限值的確定正是據(jù)此得來的。

表1 不同業(yè)務(wù)的自適應(yīng)調(diào)制門限選取

2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

2.1 業(yè)務(wù)模型

本文假定仿真系統(tǒng)中有3種可用的業(yè)務(wù):語音業(yè)務(wù)[3,4]、流媒體業(yè)務(wù)[5]和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[6]。優(yōu)先級的排列從高到低分別為語音、流媒體和數(shù)據(jù)。仿真中定義一個分組包的長度為時隙的長度。

2.2 仿真參數(shù)

仿真針對多徑衰落下多用戶OFDM系統(tǒng)進行,具體的參數(shù)如表2所示。假設(shè)總子載波數(shù)位128個,時隙長度為2 ms,總仿真時長為106個時隙。話音、流媒體和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的門限值分別為-18 dB、-8 dB和8 dB,上述各業(yè)務(wù)的信道增益門限即為能選用BPSK調(diào)制時各業(yè)務(wù)要求的子載波上的最小增益,假定發(fā)射機增益為25 dB左右,編碼和交織增益為14 dB左右,分集對應(yīng)增益為3 dB左右,將表1中BPSK對應(yīng)項減去總計的增益42 dB即得到上述門限,若用自適應(yīng)調(diào)制,選用其他各調(diào)制方式的子信道增益門限同樣由表1中的對應(yīng)項減去總增益42 dB即可。

表2 主要仿真參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可知算法3的性能要好于算法1和算法2的性能。采用算法3,話音和流的丟包率遠遠低于其他2種算法的丟包率。對于算法1,在用戶數(shù)少的情況下,用戶基本上都能分配到滿足需求的固定子載波,性能稍好于算法2。但隨著用戶數(shù)的增加,算法1能分配到滿足需求子載波的用戶數(shù)比例越來越少,而算法2每個用戶被分配給信噪比增益最大的子載波,這樣可以使用更高階的調(diào)制,因此算法的性能要好于算法1。在3種算法情況下,話音的丟包率都好于流媒體,因為話音的誤比特率要求較低,優(yōu)先級高,能滿足的子載波更多。算法3成功傳輸?shù)陌鼣?shù)大于其他2種算法成功傳輸?shù)陌鼣?shù)。算法2與算法3的性能接近是因為算法2總是使用最高階的調(diào)制,如果分配成功,單位時間內(nèi)傳輸?shù)陌鼣?shù)更多,算法2總共產(chǎn)生的包數(shù)和丟棄的包數(shù)都要大于算法3。web業(yè)務(wù)在3種算法下變化不明顯是因為web業(yè)務(wù)的誤比特率要求較高,加上優(yōu)先級最低且對時延不敏感,所以在3種情況下滿足可分配或借調(diào)的子載波都差不多。

3 結(jié)束語

本文提出了適用于OFDM系統(tǒng)的多業(yè)務(wù)間子載波自適應(yīng)資源分配機制,該方法綜合考慮了信道的衰落情況、業(yè)務(wù)的BER要求和QoS要求不同,在不同業(yè)務(wù)間調(diào)整和借用子載波進行分配來最大化系統(tǒng)的容量和性能。仿真結(jié)果表明,本文提出的資源分配機制改善了系統(tǒng)的性能。本文提出的機制在子載波數(shù)和用戶數(shù)大的情況下,系統(tǒng)的復(fù)雜度很大,下一步的工作將考慮如何改進算法,取得性能和復(fù)雜度合理的折衷。

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