一種自適應(yīng)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的快速子載波分配算法

一種自適應(yīng)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的快速子載波分配算法

正交頻分復(fù)雜化（idol）具有高頻率、易于選擇和減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適應(yīng)性和隱蔽性，成為第三代后無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的首選。與狹窄帶寬傳輸系統(tǒng)相比，edd系統(tǒng)具有更寬的帶寬資源，并且每個(gè)傳輸源的傳輸響應(yīng)都非常不同。因此，ifd可以根據(jù)最佳色散率和誤碼率的原則選擇不同的傳輸方式，如bpsk、qpsk、八psk和16qam，以實(shí)現(xiàn)最佳傳輸方式。在多用戶的環(huán)境下,比如蜂窩網(wǎng)絡(luò),在同一時(shí)刻有多個(gè)用戶共享信道資源,在OFDM-FDMA系統(tǒng)中體現(xiàn)為各用戶對(duì)子載波的占用.然而各個(gè)用戶與基站之間所經(jīng)歷的物理信道是不一樣的,也就是說,在每個(gè)子載波上各個(gè)用戶的信道響應(yīng)是各異的,因此為了提高系統(tǒng)的容量,必須根據(jù)各個(gè)用戶在各個(gè)OFDM子載波上的信道響應(yīng)進(jìn)行多用戶之間的子載波分配.一個(gè)優(yōu)異的子載波分配算法必須同時(shí)在三個(gè)評(píng)價(jià)因素上有很好的表現(xiàn):1)頻譜效率或者平均每子載波上所能夠傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù);2)對(duì)各個(gè)用戶的公平性;3)實(shí)時(shí)性或者算法的計(jì)算復(fù)雜度.最優(yōu)的子載波分配方法可以采用多用戶灌水法則來計(jì)算.但是多用戶灌水法則是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)問題,在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)基本是不可能的,所以在實(shí)際應(yīng)用中,一般是以犧牲一部分性能作為代價(jià),尋找次優(yōu)解.Pietrzyk等人在Wong等人的研究基礎(chǔ)上提出一種基于用戶服務(wù)質(zhì)量(qualityofservice,QoS)要求的子載波分配算法.該方法首先將子載波分配算法建模為一個(gè)最優(yōu)化的數(shù)學(xué)問題,然后通過Hungarian算法來尋找這個(gè)問題在性能上的最優(yōu)解和次優(yōu)解.但是在子載波數(shù)目和用戶數(shù)目比較多的情況下,Hungarian算法的復(fù)雜度是相當(dāng)大的.Teng等人提出一種子載波分配算法(以下稱Teng算法).該算法根據(jù)三個(gè)原則分配子載波:1)在每個(gè)子載波上選擇最大的可用調(diào)制方式;2)優(yōu)先考慮滿足信道響應(yīng)較差的用戶;3)在分配子載波時(shí)優(yōu)先考慮信道響應(yīng)比較差的子載波.Teng算法在性能上與子載波分配算法的性能上界基本接近.所謂的性能上界是指每個(gè)用戶都選擇信道響應(yīng)最好的子載波來滿足自己的比特率要求,而不管該子載波是否已經(jīng)被其他用戶所用.考慮到一個(gè)子載波只能被一個(gè)用戶所用,這個(gè)上界一般是達(dá)不到的.Teng算法在一次子載波分配時(shí)需要多次循環(huán)才能找到一個(gè)最佳的分配方案,復(fù)雜度比較大,當(dāng)子載波比較多時(shí)不利于實(shí)時(shí)性的應(yīng)用.本文提出一種頻譜效率高、復(fù)雜度小、滿足實(shí)時(shí)性要求的子載波分配算法.首先根據(jù)信道響應(yīng)矩陣和用戶的QoS要求定義用戶的相對(duì)比特?cái)?shù)要求和用戶對(duì)子載波的相對(duì)利用度兩個(gè)函數(shù),利用這兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行子載波分配.結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制,該算法在頻譜效率上有幾乎跟上界一樣的性能.最后分析和仿真算法在公平性和計(jì)算復(fù)雜度方面的性能.1無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的信道估計(jì)算法圖1給出了自適應(yīng)正交頻分復(fù)用(adaptiveOFDM,AOFDM)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖.在發(fā)送端用戶所使用的子載波序號(hào)以及子載波上的調(diào)制方式由子載波分配模塊決定,經(jīng)過符號(hào)映射之后的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)入快速傅立葉反變換(IFFT)模塊后變成時(shí)域上的信號(hào),在加上保護(hù)間隔和成形濾波之后進(jìn)入無線信道.在接收端,首先去保護(hù)間隔,經(jīng)快速傅立葉變換(FFT)模塊出來的信號(hào)一部分是導(dǎo)頻信號(hào),用于信道估計(jì),另一部分在經(jīng)過子載波抽取和自適應(yīng)解調(diào)之后是用戶的數(shù)據(jù).在無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中,多用戶的信道估計(jì)和子載波分配是在基站進(jìn)行的,子載波分配的信息由專門的控制信道發(fā)送給移動(dòng)終端.用戶所使用的子載波以及子載波上的調(diào)制方式都是由上一幀的信道估計(jì)值來確定,所以用戶實(shí)際所經(jīng)歷的信道響應(yīng)和估計(jì)得出的信道響應(yīng)不僅存在估計(jì)誤差,而且存在時(shí)間差,這些對(duì)子載波分配算法和自適應(yīng)調(diào)制的性能都會(huì)有影響.本文暫不考慮這些誤差的影響,假定信道估計(jì)是理想的,即實(shí)際值跟估計(jì)值是一樣的.2qam、32qam、32qam、42qam、了假設(shè)系統(tǒng)子載波數(shù)為K;用戶數(shù)為M;各個(gè)用戶的QoS要求都是已知的,用戶m的比特率要求和誤比特率要求分別為bm和BERm;信道響應(yīng)矩陣H={hmk}M×K也是已知的,hmk表示用戶m在子載波k上的信道響應(yīng);信道是慢變的,在一次分配和傳輸過程中hmk保持不變.根據(jù)用戶的誤比特率要求,可以確定用戶m在子載波k上可以選用的最高調(diào)制階數(shù)為式中:fn為n階調(diào)制方式誤比特率函數(shù);N為可以選用的調(diào)制方式集合,N={0,1,2,3,4,5,6,7},各元素分別表示不傳輸、BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、32QAM、64QAM和128QAM;接收信噪比SNRmk由系統(tǒng)的載噪比CNR和信道響應(yīng)決定(單位:dB):SNRmk=CNR+20lg|hmk|.(2)定義用戶的相對(duì)比特?cái)?shù)要求為Sm=bm/(Δf∑k=1Kcmk).(3)Sm=bm/(Δf∑k=1Κcmk).(3)式中:Δf為子載波的帶寬.式(3)中的分母表示將所有的子載波都分配給一個(gè)用戶所能提供的總比特率.因此Sm也可以表示系統(tǒng)對(duì)用戶m的滿足程度,Sm越大表示該用戶越難滿足.定義用戶m對(duì)子載波k的相對(duì)利用度為umk=cmk/∑m=1Mcmk.(4)umk=cmk/∑m=1Μcmk.(4)相對(duì)利用度umk表示用戶m對(duì)子載波k的利用程度,umk越大表示子載波k越應(yīng)該分配給用戶m.本文提出的子載波分配算法就是基于相對(duì)比特?cái)?shù)要求和相對(duì)利用度兩個(gè)函數(shù),為了提高系統(tǒng)的頻譜利用率,滿足各個(gè)用戶的要求以及在各用戶之間盡可能地實(shí)現(xiàn)公平性.算法優(yōu)先考慮將子載波分配給相對(duì)比特?cái)?shù)要求多的用戶.在具體確定將哪個(gè)子載波分配給用戶時(shí)優(yōu)先考慮相對(duì)利用度高的子載波.圖2給出算法的流程圖,其中Ui是用戶i的子載波利用度矢量,aij為子載波分配表A中的元素,aij=1表示子載波j被分配給用戶i.圖3為一個(gè)8個(gè)子載波、4個(gè)用戶的子載波分配實(shí)例.首先計(jì)算每個(gè)用戶的相對(duì)比特?cái)?shù)要求S,發(fā)現(xiàn)用戶3的相對(duì)比特?cái)?shù)要求最多,所以先將一個(gè)子載波分配給用戶3,計(jì)算用戶3對(duì)所有子載波的相對(duì)利用度U3,得到子載波1的相對(duì)利用度最大,所以將子載波1分配給用戶3,第一次循環(huán)結(jié)束.圖3還給出了最終的分配表.從這個(gè)例子可以看出,本文提出的算法能夠給每個(gè)用戶選擇一個(gè)較優(yōu)的子載波,而且從系統(tǒng)層次看,該算法能夠提供較高的系統(tǒng)頻譜效率.3子帶寬bsk仿真的信道為瑞利信道,路徑數(shù)目為10徑,最大信道時(shí)延為4μs,系統(tǒng)的帶寬為5MHz,子載波的數(shù)目為1024,每個(gè)子載波上的調(diào)制方式由信噪比決定.如果使用最低的BPSK調(diào)制,那么每個(gè)子載波所提供的數(shù)據(jù)速率為4.88kbps,這個(gè)速率是系統(tǒng)的基本速率,記為Rb.用戶的比特率要求假設(shè)為Rb的整數(shù)倍,誤比特率要求為10-2.3.1固定子同帶寬分配算法為了分析本文提出的算法在頻譜效率上的性能,在仿真中不僅與性能上界進(jìn)行比較,而且同Teng算法和固定子載波分配(fixedsubcarrierallocation,FSA)方法進(jìn)行了比較.固定子載波分配方法是FDMA的一種方式,每個(gè)用戶使用哪些子載波是系統(tǒng)固定的,而不隨信道的變化而變化.圖4給出平均每載波比特?cái)?shù)B和載噪比CNR的關(guān)系.從圖中可以看出本文提出的算法與Teng算法在頻譜效率上不相上下,跟性能的上界相差無幾,而且比FSA算法有約5dB的增益.因此,本文的方法是一種頻譜效率比較高的子載波分配算法.3.2算法的公平性比較定義子載波分配算法的公平性為F=E(minm(∑k=1Kamkcmk)).(5)F=E(minm(∑k=1Κamkcmk)).(5)它表示在一個(gè)子載波分配算法中用戶所能得到的最少比特?cái)?shù).這個(gè)值越大,即用戶所能得到的最少比特?cái)?shù)越大,說明子載波分配算法的效率越高.這個(gè)值也可以表示分配算法在各個(gè)用戶之間的公平性,其值越大,則與用戶平均得到的比特?cái)?shù)越接近,公平性也越好.為了得到公平性的曲線,將各個(gè)用戶的比特率要求設(shè)定成一樣,而且總的比特率要求稍微高于系統(tǒng)的容量.圖5給出了不同子載波分配算法的公平性曲線.為了便于與頻譜效率進(jìn)行比較,圖中公平性的指標(biāo)已經(jīng)歸一化到每個(gè)子載波上,即將得到的F值除以平均每個(gè)用戶需要的子載波數(shù)目.從圖5看出,本文提出的算法在公平性上接近于上界,而且略好于Teng算法.當(dāng)用戶的比特率要求一樣時(shí),本文算法在每次分配一個(gè)子載波時(shí)優(yōu)先考慮滿足信道響應(yīng)較差的用戶,這一點(diǎn)保證了各個(gè)用戶之間的公平性.圖6給出了公平性與頻譜效率的比較.從圖中可以看出公平性與頻譜效率之間的差距大概在0.5bit左右,也就是說,所能保證的分配給用戶的最少比特?cái)?shù)與平均比特?cái)?shù)相差非常小,所以本文提出的算法是一種公平性比較好的算法.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖7為在不同用戶數(shù)目和不同子載波數(shù)目下本文提出的算法和Teng算法的運(yùn)算量比較.仿真是通過500次MonteCarlo實(shí)驗(yàn)得到的平均值,CPU為PII500M,軟件環(huán)境為Windows2000.從圖7可以看出本文提出的算法需要的運(yùn)算時(shí)間t大概是Teng算法的1/3,這是因?yàn)榍罢咚惴ū群笳呱僖粚友h(huán).由此可見,本文的算法與Teng算法相比更適合于對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng).4基于高實(shí)時(shí)性的子載荷分配算法本文提出的子載波分配算法雖然在系統(tǒng)容量和公平性上與Teng