趙全軍，張媛媛，楊成福(四川文理學(xué)院.智能制造學(xué)院；.圖書(shū)館；.建筑工程學(xué)院，四川達(dá)州65000)

多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的載波分割復(fù)用的功率控制算法

趙全軍1，張媛媛2，楊成福3
(四川文理學(xué)院1.智能制造學(xué)院；2.圖書(shū)館；3.建筑工程學(xué)院，四川達(dá)州635000)

無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)中，正交頻分調(diào)制是一種有效的調(diào)制策略.在多用戶(hù)的OFDMA系統(tǒng)中，合理的子載波分配、比特率分配、功率控制能有效的改善系統(tǒng)的整體性能.在傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)頻率復(fù)用分割技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合注水功率分配算法，研究了一種基于802.16e標(biāo)準(zhǔn)的多小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型的子載波額外傳輸功率收集算法，通過(guò)數(shù)值仿真表明功率收集分配算法能改善系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)用戶(hù)的信干比和提高系統(tǒng)的資源利用率.

多小區(qū)；正交頻分多址復(fù)用；子載波；功率控制

0 引言

隨著第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)以及移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)的推出，為了提高系統(tǒng)帶寬的利用率和降低用戶(hù)間干擾，無(wú)線(xiàn)資源的分配和用戶(hù)的功率的分配就來(lái)越顯得尤為重要了.在標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16e中規(guī)定移動(dòng)WIMAXI的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢圆捎命c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)拓樸結(jié)構(gòu)(PMP)，即為蜂窩模型結(jié)構(gòu)的多小區(qū)OFDMA無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng).在改模型下，研究人員提出了大量的OFDMA的資源分配方法，其中就從優(yōu)化多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)資源的角度研究了資源分配問(wèn)題.[1]在多用戶(hù)的OFDMA系統(tǒng)中，合理的子載波分配、比特率分配、功率控制能有效的改善系統(tǒng)的整體性能.當(dāng)為用戶(hù)完成了子載波和比特率分配以后，系統(tǒng)進(jìn)一步為用戶(hù)分配功率.文獻(xiàn)分別采用了注水算法以及改進(jìn)的注水算法為系統(tǒng)用戶(hù)分配功率.[2-3]為了提高系統(tǒng)的頻率利用率，系統(tǒng)在分配子載波時(shí)往往根據(jù)系統(tǒng)用戶(hù)所處在的位置、用戶(hù)無(wú)線(xiàn)信道的狀態(tài)以及多小區(qū)間用戶(hù)的干擾情況等動(dòng)態(tài)的分配子載波.在這種情況下，文獻(xiàn)采用了一種分布式啟發(fā)功率分配算法，[4]該算法主要針對(duì)用戶(hù)所在信道的信號(hào)干擾噪聲比相對(duì)較弱用戶(hù)的子載波實(shí)行迭代式注水算法.在傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的頻率利用率，研究提出了大量的頻率復(fù)用技術(shù).[5-6]通過(guò)該技術(shù)，系統(tǒng)在為用戶(hù)分配載波時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將小區(qū)劃分為兩個(gè)同心圓，處于不同區(qū)域的用戶(hù)分配的載波方式不同，這樣可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的頻率分割.本文在注水算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合頻率分割技術(shù)，把小區(qū)內(nèi)的所用用戶(hù)按在通信所在位置區(qū)域分成兩個(gè)部分，不同的區(qū)域用戶(hù)給予不同的SINR閾值，然后系統(tǒng)通過(guò)用戶(hù)接收平均SINR與參考門(mén)限SINR比較將實(shí)際功率超過(guò)閾值的用戶(hù)剩余功率收回，用于補(bǔ)償信道質(zhì)量不好的用戶(hù).

1 多小區(qū)OFMDA系統(tǒng)信道分配模型

圖1 多小區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)

我們規(guī)定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有信道是由若干的子信道組成，每個(gè)子信道具有不同的頻率復(fù)用因子，位于小區(qū)中心小圓區(qū)域內(nèi)的子信道的復(fù)用因子為1，小區(qū)邊緣圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的子信道復(fù)用因子為3.對(duì)于復(fù)用因子為1的子信道包含系統(tǒng)中所有N個(gè)OFDM子載波中的，系統(tǒng)內(nèi)所有小區(qū)內(nèi)部小圓區(qū)域的用戶(hù)可以使用N0個(gè)子載波的任意一個(gè)空閑子載波信道；而邊緣圓環(huán)區(qū)域子信道復(fù)因子為3的子信道則由N-N0個(gè)子載波組成，對(duì)于單獨(dú)一個(gè)小區(qū)的外部圓環(huán)來(lái)說(shuō)，則只能應(yīng)用整個(gè)復(fù)用因子為3的子信道中的1/3個(gè)子載波，既((N-N0)/3)，且三個(gè)相鄰小區(qū)所使用的子載波范圍不能重疊.

在小區(qū)內(nèi)，當(dāng)用戶(hù)申請(qǐng)接入系統(tǒng)時(shí)，如果它處在基站附近的小圓地區(qū)，用戶(hù)可以應(yīng)用系統(tǒng)中復(fù)用因子為1的所有空閑子信道中的其中一個(gè)；而當(dāng)用戶(hù)處于小區(qū)邊緣地帶時(shí)，系統(tǒng)只能在被分配給自身所在小區(qū)內(nèi)的(N-N0)/3個(gè)子載波中選取其中的空閑信道.

2 功率控制算法

系統(tǒng)在進(jìn)行了子載波分配以后，由于小區(qū)內(nèi)不同地點(diǎn)的用戶(hù)距離小區(qū)中心位置天線(xiàn)的距離不同，不同用戶(hù)為獲得足夠的信道質(zhì)量所需要的發(fā)射功率也不盡相同，離小區(qū)中心越近的小圓環(huán)區(qū)域所需發(fā)射功率較小，相反在小區(qū)邊緣的用戶(hù)所需功率相對(duì)較大，若只為用戶(hù)分配滿(mǎn)足其通信所需的最低的功率，不同位置用戶(hù)所產(chǎn)生的干擾也就不同.因此在系統(tǒng)為用戶(hù)分配功率過(guò)程中可以考慮用戶(hù)所在區(qū)域的不同分配不同的功率大小，從而優(yōu)化系統(tǒng)為用戶(hù)分配的傳輸功率.

圖2 額外傳輸功率收集算法流程圖

3 性能分析

為了考察功率收集分配算法對(duì)系統(tǒng)性能的好壞，接下來(lái)我們分析在多小區(qū)環(huán)境下，系統(tǒng)中用戶(hù)的平均接收到的信干比(SINRk)和系統(tǒng)的子載波利用率.

(1)為考察小區(qū)中離基站不同距離的用戶(hù)的平均接收到的信干比(SINRk)，我們只考慮與標(biāo)記小區(qū)直接相鄰的第一層小區(qū)中同頻信道用戶(hù)對(duì)標(biāo)記小區(qū)中用戶(hù)的干擾，第二層中的同信道干擾小區(qū)產(chǎn)生的同信道干擾很小，忽略不計(jì).有文獻(xiàn)可得標(biāo)記小區(qū)中用戶(hù)k的信干比SINRk表示為：[7]

(1)

上式(2)中，Wk為用戶(hù)k在小區(qū)m中所接收到的總功率，Ik為相鄰小區(qū)同信道用戶(hù)對(duì)k總干擾.Pk為基站為用戶(hù)k所提供的總的發(fā)射功率.Pr(d)為Hata擴(kuò)展信道模型下的傳輸接收路徑函數(shù)，其中函數(shù)中的d為基站到移動(dòng)終端的距離.其中τn是使用子載波的小區(qū)的數(shù)目，就是子載波n在整個(gè)系統(tǒng)被利用的次數(shù).Ik,n表示用戶(hù)k在子載波n上所受到的干擾.將式(1)轉(zhuǎn)化為上式(2)形式可以得出標(biāo)記小區(qū)中用戶(hù)對(duì)k信干比為：

上式(3)中，Pr,n(d)為Hata擴(kuò)展信道模型下小區(qū)內(nèi)圓中子載波n傳輸接收路徑功率基站到移動(dòng)終端的距離d變化關(guān)系.

為了考察離基站同一距離的用戶(hù)的平均接收信干比，則取多個(gè)相同距離用戶(hù)的SINR然后取其平均值.

(2)子載波的平均利用率.在系統(tǒng)完成子載波分配算法以后，各個(gè)小區(qū)中的子載波利用次數(shù)與系統(tǒng)中子載波可利用的最大次數(shù)的比率.這里我們定義為：

其中M為系統(tǒng)所有小區(qū)個(gè)數(shù)，N為系統(tǒng)中所有OFDM子載波個(gè)數(shù).

4 仿真結(jié)果分析

仿真中，我們假定系統(tǒng)基站信號(hào)的最大覆蓋范圍半徑為1km，信道模型為擴(kuò)展Hata路徑衰落模型.[8]其中信道的陰影衰落為6db；在頻率部分復(fù)用的情況下，小區(qū)中的每位用戶(hù)在與小區(qū)中心的基站通信之前，應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的消息通知基站自己所處的位置，也就是說(shuō)基站隨時(shí)應(yīng)該了解用戶(hù)處于小區(qū)的邊緣圓環(huán)還是中心小圓位置.在這里我們?cè)O(shè)定消息的發(fā)送為一個(gè)超長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀，間斷時(shí)間的時(shí)間選擇OFDM符號(hào)的周期為4.8μs，每個(gè)用戶(hù)的請(qǐng)求速率為13.3Mbit/s.為了考察功率分配算法對(duì)系統(tǒng)性能的影響，我們考察小區(qū)中心小圓半徑r=700m時(shí)，有功率分配與無(wú)功率分配用戶(hù)接收平均信干比之間的區(qū)別.分析小區(qū)小圓半徑分別為(r=700m和r=550m)時(shí)，功率分配對(duì)在載波利用情況的影響.

下圖3中綠色的柱圖表示用戶(hù)子載波只在采用注水算法功率，沒(méi)有采用本文提到的功率分配算法，二灰色柱圖表示用戶(hù)的功率分配采用本文提出的這種算法.通過(guò)仿真得出處于小區(qū)內(nèi)部不同位置區(qū)域的用戶(hù)的平均接收信干比隨著離基站發(fā)生的變化情況，從上圖可以看出，當(dāng)用戶(hù)距離基站300m以?xún)?nèi)和距離基站700m到900m之間的這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)中未進(jìn)行功率優(yōu)化的子載波分配算法的平均每用戶(hù)的SINR比進(jìn)行了功率優(yōu)化后的信道分配算法的SINR要越高一些.而當(dāng)用戶(hù)在300m到700m范圍內(nèi)和900m以后，在有功率分配的情況下平均每用戶(hù)所接收到的SINR要比沒(méi)有功率分配算法情況下高.這是由于在本文的功率分配算法中采用了額外功率收集法，即系統(tǒng)分別將小區(qū)內(nèi)中心小圓區(qū)域和外部圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的用戶(hù)同中超出參考調(diào)制編碼所需的那部分功率收回去補(bǔ)償了位于中心小圓邊緣和小區(qū)邊緣那些信道質(zhì)量不好用戶(hù)去了.

圖3 帶功率分配下每用戶(hù)的平均接收信干比

下圖為了小圓半徑分別為(r=700m和r=550m)時(shí)，有功率分配算法的和無(wú)功率分配算法的對(duì)系統(tǒng)的子載波利用率性能比較.

從上圖4中可以看出，無(wú)論是在小區(qū)中心小圓半徑為r=700m或r=550m，系統(tǒng)中的子載波利用率比沒(méi)有功率分配時(shí)的性能要好.這說(shuō)明功率分配與增益因子的結(jié)合可以較好地抑制共道干擾.

圖4 功率分配后的子載波利用率

5 總結(jié)

本文結(jié)合蜂窩小區(qū)頻率分割技術(shù)研究多用戶(hù)下的移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)的多用戶(hù)功率收集分配算法，給出了算法的流程圖，并對(duì)系統(tǒng)吞吐量和子載波利用率的系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行了分析，并加以數(shù)值仿真.我們分析可以得出，本文設(shè)計(jì)的 額外傳輸功率收集算法對(duì)改善多蜂窩的802.16e系統(tǒng)中小區(qū)用戶(hù)的干擾，提高系統(tǒng)的載波利用率，改善小區(qū)邊緣用戶(hù)的信干比都有一定的幫助.

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[責(zé)任編輯 范 藻]

Power Control Algorithm of Frequency Reuse Partitioning in Multi-Cell OFDMA Systems

ZHAO Quanjun1, ZHANG Yuanyuan2, YANG Chengfu3.

(1.Intelligent Manufacturing School; 2.Library; 3. Architectural Engineering School, Sichuan University of Arts and Sciences, Dazhou Sichuan 635000, China)

Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM) is a promising modulation scheme for wireless broadband networks. In multi-user OFDM system, the overall performance of system can be greatly improved by reasonably performing sub-carrier assignment, rate allocation, and power control for different users. Based on the traditional cellular Frequency Reuse Partitioning technology and the water filling power allocation algorithm, this paper studies a subcarrier transmission power collection algorithm based on 802.16e standard in the multi-cell cellular network model and designs a cell Frequency Reuse Partitioning power allocation algorithm. We evaluate the effectiveness of our algorithm, and simulation results demonstrate that signal-to-noise ratio (SNR) of cell users and resource utilization ratio of system can be well improved through our algorithm.

Multi-Cell; Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA); Sub-carrier; Power Control.

2016-12-21

四川省教育廳一般科研項(xiàng)目 (12ZB119)；四川省教育廳自然科學(xué)基金(14ZB0314)； 四川文理學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目(2014Z004Y)

趙全軍(1981—)，男，四川大竹人.講師，碩士，主要從事OFDM、無(wú)線(xiàn)資源管理與WIMAX網(wǎng)絡(luò)研究.

TN929.5

A

1674-5248(2017)02-0037-05