趙志信，李加君，江曉林，謝玉鵬

(黑龍江科技大學 電子與信息工程學院，哈爾濱 150022)

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非理想信道估計下OFDM系統(tǒng)按比例自適應(yīng)的子載波分配算法

趙志信，李加君，江曉林，謝玉鵬

(黑龍江科技大學 電子與信息工程學院，哈爾濱 150022)

在滿足用戶帶寬接入需求約束下，針對時分雙工OFDM下行鏈路系統(tǒng)最大化系統(tǒng)加權(quán)和速率問題，提出按比例自適應(yīng)子載波分配算法。在最大信噪比(SNR)子載波分配策略基礎(chǔ)上，引入用戶權(quán)重，提出按比例自適應(yīng)子載波分配策略，據(jù)此給出用戶帶寬接入概率表達式，通過求解具有約束條件的非線性最優(yōu)化問題，得到滿足用戶帶寬接入需求的用戶權(quán)重。仿真結(jié)果表明：所提算法可自適應(yīng)地根據(jù)用戶帶寬需求因子和平均SNR給出對應(yīng)用戶權(quán)重，并據(jù)此按比例地為用戶分配所需帶寬；隨著用戶平均SNR的增大，信道估計誤差方差減小，當平均SNR達到17.5 dB時，幾乎可以達到與理想信道估計下子載波分配算法相同的性能。

OFDM； 子載波分配； 非理想信道估計； 用戶權(quán)重； 帶寬接入概率

0　引　言

正交頻分復用(OFDM)技術(shù)，具有抗多徑衰落能力強和高頻譜效率的優(yōu)良特性。目前，許多無線通信系統(tǒng)都將其作為物理層傳輸方案，如全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)系統(tǒng)[1]和LTE系統(tǒng)[2]。在實際OFDM系統(tǒng)中，由于用戶移動導致的多普勒效應(yīng)、導頻開銷限制、信道狀態(tài)信息延時[3]等原因，造成發(fā)射端(時分雙工系統(tǒng))或接收端(頻分雙工系統(tǒng))子載波信道估計總是不準確(非理想的)，即存在信道估計誤差。誤差對OFDM系統(tǒng)性能有較大影響[4-6]。在實際蜂窩移動通信系統(tǒng)中，并非所有用戶的帶寬接入需求都相同。例如，為使多付費高端用戶享有高速數(shù)據(jù)下載和更為流暢的網(wǎng)頁瀏覽的用戶體驗，就需要為其分配更大的接入帶寬。因此，在非理性信道估計下，研究滿足用戶最大化系統(tǒng)加權(quán)和速率的自適應(yīng)子載波分配算法非常必要。

在非理想信道估計下，文獻[4,7-9]對OFDM/OFDMA 系統(tǒng)下行鏈路資源分配問題進行了研究。文獻[4]提出一種最優(yōu)的聯(lián)合子載波、功率和速率分配算法，在總功率限制以及用戶最小googput約束下最大化用戶加權(quán)goodput之和。文獻[7]提出一種最優(yōu)的子信道(由若干相鄰子載波組成)和功率聯(lián)合分配算法，在總功率限制以及用戶最小速率約束下最大化用戶平均加權(quán)速率之和。在假設(shè)發(fā)射端信道狀態(tài)信息存在延時情況下，在不同的子信道分配方案、速率自適應(yīng)方案以及CSI反饋方案下，文獻[8]對OFDMA系統(tǒng)吞吐量和中斷概率進行了研究，分析了CSI延時對二者的影響。文獻[9]在最大SNR子信道分配策略下，分析了信道估計誤差、CSI延時、CSI量化比特數(shù)和反饋信道誤比特率對OFDMA-FDD系統(tǒng)吞吐量的影響。綜上，針對用戶不同帶寬接入需求考慮不周的問題，筆者提出按比例分配自適應(yīng)子載波分配算法。在最大SNR子載波分配策略基礎(chǔ)上，引入用戶權(quán)重，提出按比例自適應(yīng)子載波分配策略，據(jù)此推導出用戶帶寬接入概率表達式，最終通過求解具有約束條件的非線性最優(yōu)化問題，得到滿足用戶帶寬需求的用戶權(quán)重，最大化系統(tǒng)加權(quán)和速率。

1　系統(tǒng)模型

1.1信道模型

1.2非理想信道估計

(1)

(2)

其中，Nr，u為一個TTI內(nèi)用戶u導頻信號所占OFDM符號個數(shù)；γS，u為用戶u導頻信號SNR。

(3)

2　按比例自適應(yīng)子載波分配算法

2.1按比例自適應(yīng)子載波分配策略

考慮到用戶的不同帶寬接入需求，在最大SNR子載波分配策略基礎(chǔ)上，引入用戶權(quán)重wu(u=1,2,…，U)，提出按比例自適應(yīng)子載波分配策略，即子載波k被分配給在該子載波上加權(quán)SNR估計值最大的用戶

(4)

2.2用戶的帶寬接入概率

(5)

用戶u的帶寬接入概率

(6)

對式(6)積分號中第二項進行變換，并積分得

(7)

2.3按比例自適應(yīng)子載波分配問題求解

不失一般性，令wU=1。為按比例為用戶分配帶寬從而滿足用戶帶寬接入需求，即Pu(w)=λu,?u∈{1,2,…,U}，求解以下具有約束條件的非線性最優(yōu)化問題

(8)

得到滿足用戶帶寬接入需求的用戶權(quán)重。通過數(shù)值方法(例如利用Matlab中Fmincon函數(shù))上述問題很容易得到解決，在此不進行詳細說明。

3　仿真結(jié)果與分析

圖1　用戶1權(quán)重w1對用戶帶寬接入概率的影響

Fig.1Impact of weight w1of user 1 on bandwidth access probability of users

圖2　用戶1平均1對用戶帶寬接入概率的影響

圖3　用戶平均SNR取不同值情況下的帶寬接入概率

Fig.3Bandwidth access probability under different average SNR of users

為使計算機仿真更接近實際系統(tǒng)，假設(shè)可采用調(diào)制方式構(gòu)成的集合為{M0,BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,32QAM,64QAM,128QAM}，M0表示不進行傳輸，調(diào)制方式切換閾值向量[8]為[0，5.30，11.30，23.18，49.67，102.65，208.62，420.55，∞]。用戶1～4帶寬需求因子分別為0.2、0.4、0.3和0.1，所有用戶的平均SNR相同。

在用戶平均SNR取不同值時，圖4對所提算法與SA-PCE算法的歸一化系統(tǒng)加權(quán)和速率進行了比較。SA-PCE (Subcarrier allocation with perfect channel estimations，理想信道估計下子載波分配)算法，假設(shè)信道估計誤差為零，用戶權(quán)重的選取與文中所提算法相同。

圖4　歸一化系統(tǒng)加權(quán)和速率隨用戶平均SNR的變化關(guān)系

Fig.4Normalized weighted sum rate of systems vs.average SNR of users

由圖4可見，隨用戶平均SNR的增大，所提算法的歸一化系統(tǒng)加權(quán)和速率(系統(tǒng)加權(quán)和速率與其最大值的比值)逐漸逼近SA-PCE算法，用戶平均SNR為17.5 dB時，所提算法的歸一化系統(tǒng)加權(quán)和速率可達SA-PCE算法的99.44%。仿真結(jié)果表明，隨用戶平均SNR的增大，信道估計誤差方差減小，所提算法的歸一化系統(tǒng)加權(quán)和速率可快速趨近SA-PCE算法，當平均SNR達到17.5 dB時，所提算法幾乎可以達到與SA-PCE算法相同的性能，最大化系統(tǒng)加權(quán)和速率。

4　結(jié)　論

(1)在按比例自適應(yīng)子載波分配策略下，用戶帶寬接入概率隨用戶權(quán)重和用戶平均SNR增大而增大。

(2)文中所提算法可自適應(yīng)地根據(jù)用戶帶寬需求因子和平均SNR給出對應(yīng)用戶權(quán)重，并據(jù)此用戶權(quán)重按比例地為用戶分配帶寬，滿足所有用戶的帶寬接入需求。

(3)隨用戶平均SNR的增大，信道估計誤差方差減小，當平均SNR達到17.5 dB時，所提算法幾乎可以達到與SA-PCE(理想信道估下子載波分配)算法相同的性能，最大化系統(tǒng)加權(quán)和速率。

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(編輯徐巖)

Proportional subcarrier allocation algorithm for OFDM system with imperfect channel estimation

ZHAO Zhixin,LI Jiajun,JIANG Xiaolin,XIE Yupeng

(School of Electronic &Information Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

This paper proposes a proportional subcarrier allocation algorithm in a response to OFDM-TDD system downlink—an effort to maximize weighted sum rate while meeting bandwidth access demands.This study consists of applying Max-SNR subcarrier allocation strategy to introduce the user weights and thereby producing proportional subcarrier allocation strategy;achieving the expression of probability of bandwidth access of users based on the proposed strategy,and finally realizing the user weights meeting bandwidth access demands by solving nonlinear optimization problem with constrains.Simulation results shows that proposed algorithm is capable of adaptively providing corresponding user weights according to user’s bandwidth demand coefficient and average SNR and allocating the required bandwidth for users based on the previously achieved weight;decreasing the variance of channel estimation error depending on the increased average SNR;and working with almost the same performance as SA-PCE(subcarrier allocation under ideal channel estimation) algorithm,as results when the average SNR is 17.5 dB.

OFDM;subcarrier allocation;imperfect channel estimation;user weights;probability of bandwidth access

2016-04-28

黑龍江省自然科學基金面上項目(F2015019；F2015017)

趙志信(1979-)，男，黑龍江省依蘭人，副教授，博士，研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)資源管理，E-mail：zhaozhixin0830@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.016

TN914.5

2095-7262(2016)03-0311-05

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