陳東,蘇莉萍

摘 要：OFDM與中繼技術是下一代無線通信系統(tǒng)的重要候選方案。針對OFDM蜂窩中繼網絡，為進一步提高系統(tǒng)吞吐量與資源利用率，提出了一種集中式的小區(qū)內資源復用方案。基于對網絡中直傳用戶與中繼用戶的信干噪比分析，通過設定一個有效的滯后門限以及各節(jié)點的有限反饋，基站能預估直傳資源被復用后系統(tǒng)總容量的變化趨勢。仿真表明，該方法能提升后5%用戶的平均信干噪比，且能增強系統(tǒng)的總容量，是一種良好的資源復用方案。

關鍵詞：OFDM中繼; 資源復用; 滯后門限; 有限反饋; 容量增強

中圖分類號：TN915-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0054-03

Reuse Strategy of Resources in OFDM Relay Networks

CHEN Dong1, SU Li-ping2

(1. Guangxi Teachers Education University, Nanning 530023, China;

2. Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nanning 530007, China)

Abstract： Orthogonal frequency division multiplex (OFDM) and relaying techniques are the important candidate schemes applied to the coming generation wireless communication systems. Taking the throughput enhancement and resource utilization improvement into account, a centralized intra-cell spectral reuse strategy is proposed for OFDM relaying networks. Based on the signal to interference and noise ratio (SINR) analysis for direct users and relay users, the base station can evaluate the variation trend of the system total capacity after the reuse through an effective hysteresis threshold and the limited feedback from different nodes. Simulation results show that the proposed scheme can improve the average SINR of last 5% users, enhance the total throughput, and is a good reuse strategy.

Keywords： OFDM relaying; resource reuse; hysteresis threshold; limited feedback; throughput enhancement

0 引 言

正交頻分復用(OFDM)是下一代無線通信系統(tǒng)中的候選技術，它能有效抵制無線空間中多徑因素帶來的影響，提高傳輸速率、傳輸質量以及資源利用率［1］。隨著協(xié)同通信的發(fā)展，中繼節(jié)點(RN)通過兩跳傳輸能夠有效地提高傳統(tǒng)蜂窩網絡的吞吐量，并擴大小區(qū)的覆蓋范圍，增強系統(tǒng)性能［2］。因此，OFDM中繼網絡已成為當前的研究熱點［3］。

由于中繼節(jié)點具有半雙工特性，它會導致一定程度的頻譜效率損失，因此，需要設計資源復用方案以保證系統(tǒng)頻譜效率的提升。另一方面，中繼作為網絡中的一個新節(jié)點，使得原有蜂窩系統(tǒng)的干擾分布發(fā)生相應變化，用戶將受到來自相鄰小區(qū)的基站與中繼節(jié)點的干擾，如果無法有效控制干擾，中繼系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢將逐步惡化。因此，融合干擾抑制思想的資源復用方法是亟待研究的課題。

針對宏蜂窩場景，文獻［4］提出了基于聯(lián)合路由的資源復用方案，為用戶選擇能夠最大程度提高小區(qū)吞吐量的復用資源。文獻［5］提出了一種頻率復用系數(shù)大于1的方案，主要思想是針對BS-RN，BS-UE，RN-UE三種不同的鏈路，采用正交的資源塊，且它們的復用度不同。文獻[5]中的方案容易實現(xiàn)，復雜度低，系統(tǒng)開銷小，在業(yè)務分布均勻時，可以很好地抑制干擾，提高系統(tǒng)性能，尤其是能夠最大限度的擴大小區(qū)覆蓋范圍；缺點是實際網絡絕大多數(shù)時候的業(yè)務分布都不均勻，這種方案的適應性差，會導致性能惡化。此外，文獻[6]提出了基于軟頻率的資源復用策略，主要目的在于躲避系統(tǒng)中的干擾。文獻[7]提出了一種蜂窩中繼網絡中的基于頻率劃分的資源復用策略。但是，絕大部分資源復用策略都是適合于中繼網絡小區(qū)間的方案，對于小區(qū)內BS與RN資源復用的研究不多，需要進一步探討。

基于上述分析，針對OFDM中繼系統(tǒng)，本文提出了一種集中式的小區(qū)內資源復用方案，通過滯后門限值的設定，基站能預估直傳資源被中繼用戶復用后，系統(tǒng)吞吐量的變化趨勢，以進一步提升中繼網絡的吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

OFDM中繼網絡的系統(tǒng)模型如圖1所示?；綛S放置在每個小區(qū)中心，小區(qū)由三個扇區(qū)構成，每扇區(qū)部署一個中繼節(jié)點，且RN部署在2/3小區(qū)半徑的位置。假設系統(tǒng)總帶寬為B，包含了N(n=1,2,…,N)個正交的子載波。系統(tǒng)采用TDD半雙工的模式，第一時隙,由BS向RN和直傳用戶廣播數(shù)據(jù);在第二時隙，BS向直傳用戶(dUE)發(fā)送數(shù)據(jù)，RN向中繼用戶(rUE)發(fā)送數(shù)據(jù)［8］，如圖2所示。

圖1 蜂窩中繼系統(tǒng)示意圖(三扇區(qū))

圖2 直傳與中繼用戶的時隙資源分配

假設每個小區(qū)均勻分布K(k=1,2,…,K)個用戶，基站在第n號子載波上的發(fā)射功率為PBS,n;中繼節(jié)點在第n號子載波上的發(fā)射功率為PRN,n;h0,n，h1,n，h2,n分別代表了第n號子載波在BS-UE，BS-RN，RN-UE三條鏈路的信道增益;σ2是高斯白噪聲功率。假設子載波n分配給了用戶k，若采用直傳鏈路，用戶k的接收容量為:

Ckd,n=BNlog(1+γkd,n)

(1)

γkd,n=PBS,nh20,n∑inter(PBS,nh20,n+PRN,nh22,n)+σ2

(2)

式中:γkd,n是直傳用戶kd的信干噪比(SINR)。同理，若用戶k采用中繼鏈路傳輸，則容量為［9］:

Ckr,n=B2Nmin{log(1+γkr,n,1),log(1+γkr,n,2)}

(3)

γkr,n,1=PBS,nh21,n∑interPBS,nh21,n+σ2

(4)

γkr,n,2=PRN,nh22,n∑inter(PBS,nh20,n+PRN,nh22,n)+σ2

(5)

式中:γkr,n,1和γkr,n,2分別是中繼用戶kr在BS-RN鏈路和RN-UE鏈路的SINR。基于式(1)~式(5)，OFDM中繼網絡的優(yōu)化目標是最大化系統(tǒng)的吞吐量，該目標可以表示為：max∑Nn=1(Ckd,n+Ckr,n)。

2 資源復用策略

2.1 資源復用分析

在OFDM中繼網絡中，一般是基于鏈路的傳輸速率，即直傳鏈路和中繼第二跳鏈路的質量來給用戶選擇接入的節(jié)點類型。內環(huán)用戶由于直傳鏈路質量較好，絕大部分都會選擇基站BS作為接入節(jié)點，而外環(huán)及小區(qū)邊緣的用戶由于直傳鏈路的下降和受到較強的臨區(qū)干擾，絕大部分會選擇中繼RN作為接入節(jié)點。但是，即使通過中繼傳輸，小區(qū)邊緣也有一些用戶的SINR較差，從而嚴重影響系統(tǒng)總吞吐量。因此，可采用資源復用的方式來提升這部分用戶的性能。

如圖3所示，當在某個時隙資源的第二時隙，BS-dUE和RN-rUE的資源在同一個小區(qū)內是完全正交的。通過圖3陰影部分的子載波復用，可以讓一部分較好的直傳資源為較差的中繼用戶復用。假設子載波n原來分配給直傳用戶kd使用，現(xiàn)在又同時讓中繼用戶kr使用，則直傳用戶此時的SINR可表示為:

γ′kd,n

=PBS,nh20,n∑inter(IBS,n+IRN,n)+∑interIRN,n+σ2

(6)

中繼用戶kr在子載波n上的SINR為:

Δ

γ′kr,n,2

=PRN,nh22,n∑inter(IBS,n+IRN,n)+∑interIBS,n+σ2

(7)

式中:IBS,n和IRN,n為用戶在子載波n上的干擾;IBS,n=PBS,nh20,n;IRN,n=PRN,nh22,n?；赟INR的分析，下面討論資源復用的準則及算法。

圖3 中繼用戶資源復用示意圖

2.2 小區(qū)內資源復用方法

假設當用于直傳用戶kd的子載波n被中繼用戶kr復用，基于式(1)~式(7)，資源復用前，kd的容量為Ckd,n，如式(1)所示；復用之后，kd的容量可表示為：

C′kd,n

=BNlog(1+

γ′kd,n)

(8)

式中:γ′kd,n為直傳用戶資源被復用后的SINR，如式(6)所示。對于中繼用戶kr，它能帶來的容量增益為：

Δ

C′kr,n

=B2Nlog(1+Δ

γ′kr,n,2)

(9)

式中:Δ

γ′kr,n,2

是中繼用戶資源復用后的SINR。中繼節(jié)點將用戶kr在子載波n上的信道信息反饋給BS，而直傳用戶kd可測得它到RN之間的鏈路情況，同樣反饋給BS。BS可以通過集中的方式進行資源復用前后的判斷。若滿足：

C′kd,n

+Δ

C′kr,n,2

>Ckd,n

(10)

且證明資源復用之后能帶來容量增益，則執(zhí)行直傳資源的小區(qū)內復用。但僅僅提高本小區(qū)的系統(tǒng)吞吐量，可能會由于資源復用帶來的干擾更多，從而會降低其他小區(qū)的性能，于是考慮設定滯后門限Qoffset，則判斷是否復用的條件可改寫為：

10log

C′kd,n

+Δ

C′kr,n,2

Ckd,n>Qoffset

(11)

如果Qoffset=0 dB，則式(10)同式(11)是完全等價的。一般假定直傳資源被復用之后，至少需要帶來5%的容量增益，即滿足：

C′kd,n

+Δ

C′kr,n,2

>(1+5%)Ckd,n

(12)

此時，Qoffset=10log(1.05)≈0.2 dB。通過滯后門限Qoffset的引入，復用判別條件式(11)能有效地提高本小區(qū)的容量，同時也不會因為盲目大量的資源復用而導致對其他小區(qū)的干擾。

基于上述推導和分析，小區(qū)內的資源復用方案可描述為：

(1) BS在直傳資源中，挑選出鏈路質量較好的子載波資源，通過廣播信息，通知到RN和直傳用戶；

(2) RN針對小區(qū)的邊緣用戶SINR進行評估，結合BS廣播的可復用資源信息，對應挑選出需要復用的中繼用戶；

(3) RN將需要復用資源的中繼用戶第二跳CSI反饋至BS節(jié)點，對應的直傳用戶將它同RN的鏈路質量反饋至RN節(jié)點；

(4) 結合RN與直傳用戶反饋，系統(tǒng)之前存儲的各用戶直傳鏈路信息，以及上一時隙的干擾，BS進行資源復用準則判斷；

(5) 若滿足條件式(11)，則執(zhí)行資源復用。

3 仿真與分析

搭建一個19小區(qū)的蜂窩網絡，每個扇區(qū)部署一個RN。BS的最大發(fā)射功率為49 dBm，中繼節(jié)點RN的最大發(fā)射功率為30 dBm，每個小區(qū)用戶數(shù)為60，系統(tǒng)帶寬為20 MHz，小區(qū)半徑為500 m，滯后門限Qoffset分別取0 dB和0.2 dB。其他仿真參數(shù)參照文獻［10］。

圖4給出了采樣直傳用戶與中繼用戶在資源復用前后的平均SINR對比。對資源被復用的直傳用戶來講，復用前的平均SINR為12.2 dB，復用后由于受到小區(qū)內RN的同頻干擾，當Qoffset=0 dB時，SINR下降106%;當Qoffset=0.2dB時,SINR下降4.9%。對于中繼用戶來講，復用之后邊緣的SINR有所提升。可以看出,當Qoffset=0.2dB時,SINR提升是非常明顯的，相對于無復用時SINR提升了1倍多，平均SINR能達到5 dB左右。因此，資源復用方案是犧牲了直傳用戶的SINR性能，來換取后5%中繼用戶的SINR性能的提升。

圖4 采樣直傳用戶與中繼用戶的平均SINR對比

圖5給出了無復用策略，小區(qū)內復用策略1(Qoffset=0 dB)和小區(qū)內復用策略2(Qoffset=0.2dB)的系統(tǒng)吞吐量對比。從總的吞吐量上看，Qoffset=0 dB的策略能獲得最好的性能，但是它所對應的直傳性能最差，優(yōu)勢集中體現(xiàn)在中繼用戶的性能上。而相比之下，Qoffset=0.2dB的策略雖然總在吞吐量上有所損失，但直傳和中繼用戶的性能更為平均，且考慮到后5%的SINR，Qoffset=0.2dB是能達到吞吐量和后5%用戶SINR的折中策略。

圖5 OFDM中繼系統(tǒng)總吞吐量的對比

4 結 論

針對OFDM中繼系統(tǒng)，本文提出了一種集中式的小區(qū)內的資源復用方案，通過滯后門限值的設定和資源復用判斷準則設計，以進一步提升系統(tǒng)吞吐量。仿真表明，當Qoffset=0 dB時，該方案能獲得最高的系統(tǒng)吞吐量;當Qoffset=0.2dB時，該方案不僅能提升總的系統(tǒng)吞吐量，還能有效改善小區(qū)邊緣用戶的平均SINR。集中式的小區(qū)內資源復用方案是一種可運用于LTE-A網絡的良好資源分配策略。

參考文獻

［1］TSAI Y, ZHANG G, PAN J L. Orthogonal frequency division multiplexing with phase modulation and constant envelope design [C]// Proc. of IEEE Military Communications Conference. Atlantic City: IEEE, 2005, 4: 2658-2664.

［2］PABST P, WALKE B, SCHULTZ D, et al. Relay-based deployment concepts for wireless and mobile broadband radio [J]. IEEE Commun. Mag., 2004, 42 (9): 80-89.

［3］KANEKO M, POPOVSKI P. Radio resource allocation algorithm for relay-aided cellular OFDMA system [C]// Proc. of IEEE ICC. Glasgow: IEEE, 2008: 4831-4836.

［4］WINNER II. IST-4-027756 D3.5.1 v1.0 relaying concepts and supporting actions in the context of CGs [S]. [S.l.]: WINNER II, 2006.

［5］LI P, RONG M. Reuse partitioning based frequenciy planning for cellular network with two-hop fixed relay nodes [C]// Prco. of IEEE PIMRC. Helsinki: IEEE, 2006: 1-5.

［6］DOPPLER K, HE X, WIJTING C, et al. Adaptive soft reuse for relay enhanced cells [C]// Proc. of 2007 VTC. Dublin: VTC, 2007: 758- 762.

［7］LI P. Reuse one frequency planning for two-hop cellular system with fixed relay nodes [C]// Proc. of IEEE WCNC. Kowloon: IEEE, 2007: 2253-2258.

［8］朱佳，鄭寶玉，鄒玉龍.基于最佳中繼選擇的協(xié)作頻譜感知方案研究［J］.電子學報，2010，38(1)：92-98.

［9］余官定，張朝陽，陳雁，等.OFDM中繼系統(tǒng)的中繼子載波對選擇和功率分配［J］.電子與信息學報，2007，29(2)：265-268.

［10］Anon. 3GPP TR 36.814 relay concepts for LTE-A [S/OL]. [2010-12-17]. http:// www.wenku.baidu.com.

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