论文研究-非再生中继合作下的OFDM系统功率分配研究 .pdf

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非再生中继合作下的OFDM系统功率分配研究,陈雁,余官定,中继合作传输是一种实现空间分集、抵抗信道衰落的有效传输方式。本文研究非再生中继合作OFDM系统中的最优功率分配问题。首先通过��
山国科技论文在线 l, 3算法描述 为了解决(1)中的问题,本节首先研究单对合作子载波间的最优功率分配,并由此引 出子载波对等效信道增益的概念,在此基础上,利用匈牙利算法求得最优」载波对的配对 方式,并分别利用灌水法则和贪婪比特分配完成最终的功率分配。 3.1单对子载波最优功率分配与等效信道增益 设源节点的子载波n与中继节点的子载波n形成合作子载波对m,n,研究目的是 希望通过在了载波对n,n间的优化功率分配,使得经过AF中继合作及接收端MRC合 并后,能以最少的功率传输速率要求为R的信息,即: IMI Rs wlog, (1 P g w log, ( PS GSRPRGRD SR 其中G、G和GmD分别为源到目的、源到中继,以及中继到目的间的子载波信道 增益,P为直接传输所需的功率,和2分别为信噪比差和高斯噪声功率。采用[4中对 (2)式约束条件的简化方法和拉格朗日乘数法,可求得源和中继子载波间的功率分配为: SR SD 中国科技论又在线 其√ GonGan Gn G2GS。当GDG%时」P"F 即不合作 RD Pa o 根据上述分析,单对子载波合作传输的过程可以看作是利用BBP的功率, Jn 在等效增益为Gm的信道上完成速率R的传输,即 Rs wlog2(l--Gg)。联合 (2)、(3)两式,可求得合作子载波对m,n的等效信道增益为: RD 3.2合作子祓波对的选择和功率分酣算法 N个中继子载波与N个源子载波组成N对合作子载波,要求总发射功率最小,因此问 题从本质上说是一个N人与N项仟务的最优化指派问题,应用经典的例牙利算法[5]可求得 全局最优解 利用3.1中提出的合作子载波对等效信道增益Ga米构造代价矩阵CNx。将源要求的 速率R平均分配给源的各个子载波,RR/N,n。CNN的每一项表示由子载波对 R n,n来传输速率R5所需的功率,即C"P(21)一mn,m表小中继载波所 属的中继号。因此,合作了载波对的选择问题可由指派问题模型措述如下 min ∑”,Pm (5) s t n. n m arg min arg max c 4 山国科技文在丝 利用匈牙利算法求得(5)的最优解后便可确立N对子载波的合作关系,即得到N条 等效传输信道及它们的等效信道增益。接卜来的仼务就是在这N条等效信道上分配速率和 功率。当各子载波上的传输速率没有整数比特约束时,可以用灌水法则[6进行分配,即 (6) 其中(x)表示max(x,0),灌水线观的选择要满足速率要求,即∑,R.aR Rp Wlog, (1 -m) 若了载波上的传输速率必须满足整数比特约束,那么可以通过贪婪分配方法得到各了 载波上的比特数,只体算法见[1,2]。当每对子载波上的功率分配完成后,合作子载波间的 功率分配可由(3)式得到 4性能仿真 仿真中选用了3径的多径信道模型,64个 子载波,和2均设为1。源和目的节点分别 被固定在(0,0)和(1,0),功率衰落的平均 值与路径的4次方成反比 非一作功率消耗 图2给出了单对合作子载波在给定速率要夕 一非全作信道增益 —合—合作效信道塔益 求下的总功率消耗以及它们的等效信道增益随 中了载波位置变化的曲线。仿貞中,中继了载 波位于源与目的连线中间的不同位置。图中总功7 率和信道增益分别以中继节点位于(01,0)时2 非合作情況下的数值归一化。由图可知,当中继 中继子载波的位置 子载波位于源和目的中点附近时,合作子载波对 的等效信道增益远大于直接传输的信道增益,因 图2:单对子载波合作性能分析 此在同样的传输速率要求下,前者所需消耗的功 率远小于后者。 图3和图4比较了分别采用不合作方式、随机配对合作子载波方式,以及利用匈牙利 算法配刈合作子载波方式时,最优功率分配的性能。图中总功率分别以非合作单中继时的 功率消耗,以及非合作且速率要求为64比特/OFDM符号时的功率消耗归弋化。图3给出 了总发射功率随可选中继数口变化的情况。多个中继随机地分布在以源和口的连线中点为 中心,连线长度为边长的正方形区域内。图4则说明了当源的速率要求不断增大时,三和 机制的总功率消耗情况,且设此时的中继数为3。 巾国利技论文在线 匈开法合仁诜择灌水介配 0…-- 合…合作离款贪娈分曲 一医初合作贪紮分配 非合作评续灌木分配 题机台佝水分曲 R 囟和法台作选抨灌水分配 非合作离散贪婪分配 和阽合作貪婪分配 存中华数目 速率要求(比持号 图3:归一化发射功率vs.中继数目 图4:归一化发射功率vs.速率要求 从图中可知,无论是离散贪婪分配还是连续灌水分配,匈牙利算法配对合作子载波机 制在功率效率上都明显优」非合作方式及随札对方式。当可选中继数目较多或速率要求 较高时,这种优势更加明显:当存在4个中继节点时,其功率消耗仅为非合作时的15.1%, 以及随机配对时的48.4%;当速率要求为384比特OFDM符号时,其功率消耗分别占非合 作和随机合作的13.6%和50.5%。 5结论 本文针对非再生中继合作的OFDM系统,提出频率选择性衰落信道条件下的功率分配 算法,在保证源节点速率要求的前提卜,最小化系统的总发射功率。此功率分配算法基于 合作子载波对的寻找。文中就单对合作子载波提出等效信道增益的概念,并以此为基础利 用匈牙利算法得到最佳的了载波配对方式。最终功夲以灌水法或贪婪法分配到各对了蔹波 上。仿真结果表明,利用匈牙利算法配对合作下的最优功率分配性能远高于非合作灌水分 配,也好于随机子载泼配对方式下的最优功率分配结果 参考文献 [1] Cheong Yui wong, Roger S Cheng, Multiuser OFDM with Adaptive Subcarrier, Bit, and Power Allocation, IEEE Journal on selected areas in communications. Vol. 17. No. 10 Oct. 1999 [2] Guodong Zhang, Subcarrier and bit allocation for rcal-timc scrviccs in multiuser OFDM systcms, IEEE Communications Society, 2004 [3] J N. Laneman. G. W. Wornell, Energy-efficient antenna sharing and relaying for wireless networks. in Proc TEFF WCNC 2000, pp 7-12. Sept 2000 [4] Z. Han, T. Himsoon, W.P. Siriwongpairat, and K.J. Ray Liu, Power control with cooperative diversity over multiuser OFDM networks: Who helps whom and how to cooperate, submitted to IEEE Trans. Commun 5]姚恩瑜,何勇,陈仁半,数学规划与组合优化,浙江大学出版社,2001年10月第1版 [6]仇佩亮,信息论与编码,高等教育出版社,2003年12月第1版 作者简介: 陈雁:女,1982年生,博士生,主要硏究方向为无线网终合作分集抆术,无线资源管理与分配 余官定:男,1980年生,博士生,主要硏究方向为多用户信息论,无线宽带接入,无线资源管理 仇佩亮:男,1944年生,教授,博士生导师,主要硏究方向为信息论与编码,无线数字通信 6

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