一種新穎的多用戶OFDM資源分配算法

葉蘭蘭，李 君，金 寧

（中國計(jì)量學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

未來寬帶無線通信系統(tǒng)將提供越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速率和各種各樣的服務(wù)質(zhì)量（QoS：Quality of Service）要求.為了保證高速率傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)不得不克服由多徑衰落信道引起的符號(hào)間干擾.到目前為止，已經(jīng)有多種方法來克服符號(hào)間干擾［1，2］，其中正交 頻分復(fù)用技術(shù)［3-5］（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是最有前景的方法之一.OFDM技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，與一般調(diào)制技術(shù)不同，它具有很高的頻譜利用率和抗多徑干擾的能力.

在多用戶環(huán)境中，多載波OFDM方法已經(jīng)被許多用戶共享來保證用戶所需的QoS要求.在多用戶OFDM系統(tǒng)中，分配不同的子載波和功率給不同的用戶已經(jīng)成為目前研究的重要內(nèi)容之一.在傳統(tǒng)的單用戶OFDM系統(tǒng)中，一個(gè)用戶可以使用所有的子載波.然而，由于每個(gè)用戶所處的位置不同，不同用戶所經(jīng)歷的衰落也不同.因此，根據(jù)信道狀態(tài)信息把相應(yīng)的子載波分配給不同用戶的自適應(yīng)子載波分配方法［6］已經(jīng)得到了廣泛的注意.文獻(xiàn)［7］提出了允許具有最差平均信道增益的用戶首先選擇它們所需的子載波的貪婪方法.這種方法在一定程度上能提高用戶傳輸速率，但當(dāng)具有較好信道增益的子載波已經(jīng)分配給某些用戶后，其它用戶可能會(huì)分到經(jīng)歷深度衰落的子載波，從而會(huì)降低用戶的傳輸速率.文獻(xiàn)［8］提出了子載波從最差到最好分配算法，該算法根據(jù)所有用戶的信道值將子載波從最差到最好排序，然后根據(jù)已排順序分配子載波.這種方法雖然能避免將經(jīng)歷深度衰落的子載波分配給用戶，但當(dāng)具有最高信道增益的用戶已經(jīng)分配到子載波后，可能會(huì)將該子載波分配給信道增益次優(yōu)的用戶，因此這種算法的用戶傳輸速率也會(huì)有相應(yīng)的下降.

本文提出了一種新穎的多用戶OFDM資源分配算法，該算法在信道容量基礎(chǔ)上進(jìn)行子載波分配，可以有效地避免將信道容量較差的子載波分配給用戶，從而最大化了用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率.

本文安排如下：第一部分介紹了多用戶OFDM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；第二部分介紹了多用戶OFDM系統(tǒng)中子載波－功率分配算法；第三部分給出模擬仿真結(jié)果并進(jìn)行相關(guān)性能分析；第四部分給出結(jié)束語.

1 多用戶OFDM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

一個(gè)自適應(yīng)子載波分配的多用戶OFDM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1，其中有N個(gè)子載波，K個(gè)用戶.根據(jù)已知的信道狀態(tài)信息（CSI：Channel State Information），基站分配相應(yīng)的子載波和每符號(hào)比特?cái)?shù)給用戶，其中第k（1≤k≤K）個(gè)用戶的第n（1≤n≤N）個(gè)子載波分配到的功率為pk，n總功率為Ptot.接著對(duì)這些子載波進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制后的子載波經(jīng)過快速傅里葉逆變換（IFFT：Inverse Fast Fourier Transform），然后在串／并變換之后對(duì)每個(gè)OFDM符號(hào)插入循環(huán)前綴.最后通過一個(gè)帶寬為B，加性高斯白噪聲（AWGN：Additive White Gaussian Noise）為σ2＝其中N0為噪聲功率譜密度）的瑞利衰落信道進(jìn)行發(fā)送.

在用戶接收端，首先移除循環(huán)前綴，然后通過快速傅立葉變換（FFT：Fast Fourier Transform）后，對(duì)子載波進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)和譯碼，最后得到恢復(fù)后的數(shù)據(jù).因此，相應(yīng)的子信道的信噪比（SNR：Signal－To－Noise）可以定義為SNRk，n＝h2k，n／σ2，對(duì)于第n個(gè)子載波，第k個(gè)用戶接收到的信噪比為γk，n＝pk，nSNRk，n.

圖1 多用戶OFDM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Figure 1 Configuration of the multiuser OFDM system

2 多用戶OFDM系統(tǒng)中子載波－功率分配算法

假設(shè)每個(gè)用戶能獲得完全信道狀態(tài)信息，圖2給出了多用戶OFDM系統(tǒng)中子載波－功率分配問題框圖.

圖2 多用戶OFDM系統(tǒng)中子載波－功率分配問題框圖Figure 2 Configuration of subcarrier－power allocation in multiuser OFDM system

2.1 子載波分配

文獻(xiàn)［7］提出了具有最差信道增益的用戶首先選擇子載波的貪婪算法，文獻(xiàn)［8］提出了根據(jù)所有用戶，對(duì)子載波從具有最差信道增益到具有最好信道增益進(jìn)行排序，然后根據(jù)已排順序進(jìn)行子載波分配的貪婪算法.兩種算法相比于普通的貪婪算法，在一定程度上都提高了系統(tǒng)的傳輸速率.但兩種算法在計(jì)算存余容量時(shí)均是假定各子載波為等增益條件，因此未能最大化數(shù)據(jù)傳輸速率.為此，本文提出了一種新穎的子載波分配算法，該算法根據(jù)已知的信道狀態(tài)信息，通過注水算法算出相應(yīng)的信道容量，然后在信道容量的基礎(chǔ)上對(duì)具有最好信道容量的子載波和用戶進(jìn)行子載波分配，其中h′表示已分配子載波的信道矩陣.

表1給出了子載波分配算法的一個(gè)簡單實(shí)例.假設(shè)系統(tǒng)有3個(gè)用戶，6個(gè)子載波，其中表1的（a）表示原始信道矩陣，（b）表示經(jīng)過注水算法得到的信道容量.

表1 信道矩陣與相關(guān)信道容量Table 1 Channel matrix and channel capacity

其分配過程如下：

步驟1：根據(jù)已知的信道矩陣，通過注水算法算出每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)子載波的信道容量.

步驟2：根據(jù)得到的信道容量，對(duì)所有的用戶和子載波，將子載波從具有最好信道容量到具有最差信道容量進(jìn)行排序，然后根據(jù)已排序的子載波，依次將具有最好信道容量的子載波分配給相應(yīng)的用戶.若某個(gè)用戶已分配到N／K個(gè)子載波，則將具有次優(yōu)信道容量的子載波分配給相應(yīng)用戶，直到所有子載波分配完成.

步驟3：得到已分配后的子載波矩陣.

表2給出了子載波分配算法實(shí)例中根據(jù)信道容量及子載波分配的情況，其中表2的（a）中圓圈所圈的數(shù)字表示已分配的子載波的信道容量，（b）表示子載波分配情況，1表示分給用戶的相應(yīng)子載波.通過該例子可以看出本算法在信道容量的基礎(chǔ)上進(jìn)行子載波分配，從而改變了各個(gè)子載波的增益系數(shù)，在基本保持算法復(fù)雜度的前提下，以容量優(yōu)先進(jìn)行子載波分配，避免了將信道容量較差的子載波分配給用戶，從而提高了系統(tǒng)總傳輸速率.

（a）信道容量分配情況（b）子載波分配情況

2.2 功率分配

子載波分配完成后，接著對(duì)每個(gè)用戶分配不同的發(fā)射功率，對(duì)于分配后系統(tǒng)的噪信比為ν＝1／SNRk，n），根據(jù)注水算法，子信道所需的發(fā)射功率可用下式表示：

在功率分配的基礎(chǔ)上，計(jì)算了系統(tǒng)的總?cè)萘?，可用下式表示?/p>

3 仿真驗(yàn)證和性能分析

今采用IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行MATLAB相關(guān)仿真驗(yàn)證，仿真平臺(tái)參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)帶寬B＝1 MHz，用戶數(shù)K＝16，子載波數(shù)N＝1024，總功率Ptot＝10－4，其中信道為瑞利衰落信道，采樣點(diǎn)數(shù)n＝1000.

圖3為噪聲功率譜密度一定且為N0＝10－10情況下，文獻(xiàn)［7］相關(guān)算法，文獻(xiàn)［8］相關(guān)算法和本文提出新算法的用戶傳輸速率比較圖.圖4為對(duì)于不同用戶，三種算法的不同峰均比比較.

從圖3可以看出，在不同用戶數(shù)情況下，本文提出的根據(jù)信道容量優(yōu)先來分配子載波的方法明顯優(yōu)于其它兩種算法，極大地提高了用戶數(shù)據(jù)傳輸速率.

多用戶OFDM有一個(gè)缺點(diǎn)就是峰均比比較高，從圖4可以看出，本文提出的算法相比于其他兩種算法，在基本保持系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，使系統(tǒng)的峰均比有一定程度的降低，因此，該方法優(yōu)于其他兩種方法.

4 結(jié) 語

本文提出的算法通過注水算法算出相應(yīng)信道容量，然后在信道容量的基礎(chǔ)上進(jìn)行子載波分配.該算法在只改變各個(gè)子載波信道增益系數(shù)的基礎(chǔ)上，基本保持了算法復(fù)雜度，并使用戶數(shù)據(jù)傳輸速率有一定程度的提高，同時(shí)峰均比也得到了降低.

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