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        兩種基于最大容量的MIMO—OFDM VLC自適應(yīng)資源分配方案的研究

        2017-11-28 05:17:29孫亞華
        卷宗 2017年32期
        關(guān)鍵詞:仿真

        摘 要:本文分析了兩種基于最大系統(tǒng)容量的資源分配方案在室內(nèi)MIMO-OFDM可見光通信(Visible Light Communication,VLC)系統(tǒng)中的性能。通過仿真可看到,兩種算法能夠有效地提高室內(nèi)MIMO-OFDM可見光通信系統(tǒng)的性能至少3倍。同時在公平性方面,兩種配算法存在著明顯差異。

        關(guān)鍵詞:MIMO-OFDM;室內(nèi)可見光通信;資源分配;仿真

        1 引言

        可見光通信技術(shù)利用可見光信號為載體傳輸信息,能兼顧通信和照明。與傳統(tǒng)無線通信相比具諸多優(yōu)勢,是未來無線通信發(fā)展的一個重要研究領(lǐng)域[1]。

        合理有效地分配功率和子載波等資源不僅能夠滿足不同用戶的動態(tài)需求,還有易于系統(tǒng)的維護和擴展[7]。因此,資源的優(yōu)化配置成為室內(nèi)MIMO-OFDM-VLC研究的一個重要方面。多用戶資源分配可以分為固定資源分配和自適應(yīng)資源分配兩種[2]。本文討論分析了兩種基于最大系統(tǒng)容量的自適應(yīng)資源分配算法。

        2 算法原理分析

        2.1 最大系統(tǒng)容量分配算法

        該算法基于系統(tǒng)容量最大準(zhǔn)則,由Jang等人提出[3]。用戶k接收到子載波n上的信號為:

        (1)

        ck,n為用戶k(共K個用戶)在子載波n(共N個子載波)上的傳輸?shù)男盘柗枺琾k,n為用戶k在子載波n上分配的功率,hj,n為子載波n在用戶j上的信道增益。式1中,第一項為有用信號,第二項為干擾信號,第三項為信道噪聲,一般認(rèn)為是高斯噪聲,其功率可以表示為Pnoise=N0B/N,N0為噪聲功率譜密度,B為系統(tǒng)帶寬??梢缘贸觯枰獌?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為:

        (2)

        其中,T為OFDM符號的持續(xù)時間,Γ=-ln(5BER)/1.5。約束條件為各個子載波上分配的功率之和等于給定的總功率Pt。

        算法分為子載波分配和功率分配兩步進行。第一步,依次將子載波分配給對應(yīng)信道條件最好的用戶。第二步,可以用注水算法來分配單個用戶內(nèi)子載波上的功率。構(gòu)造拉格朗日函數(shù),如下:

        (3)

        對式(5)中的pk,n求偏導(dǎo)數(shù),另偏導(dǎo)數(shù)為0,即可求得滿足條件的一個初始值。進而通過迭代的方式功率的分配方案。

        2.2 速率比例公平分配算法

        此算法也是基于系統(tǒng)容量最大化準(zhǔn)則??紤]到用戶間資源的公平利用,Shen等人提出了一種速率比例公平資源分配算法[4,5]。將需要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和約束條件描述為:

        (4)

        (5)

        ξk,n表征子載波占用情況,式(7)最后一項為用戶間設(shè)定的速率比,用它表示用戶的業(yè)務(wù)需求。該算法同樣分為子載波分配和功率分配兩步,具體過程如下:

        (1)子載波初次分配。按照信道增益hk,n的大小依次分配給大的用戶。

        (2)經(jīng)過初次分配每個用戶得到1個子載波,但仍剩余大量子載波。定義此時用戶k的相對容量R'k=Rk/μk,將剩余子載波中信道條件最好的分配給R'k最小的用戶。以此類推,可將子載波分配完畢,并得到子載波分配矩陣AK×N。

        (3)將Hk,n=|hk,n|2/(N0/B/N)定義為信噪比增益,構(gòu)造拉格朗日函數(shù):

        (8)

        Ωk是用戶k的子載波集合。對上式中的pk,n求偏導(dǎo)并讓偏導(dǎo)為0,得到用戶k分得的總功率Pk。根據(jù)約束條件,采用迭代方法求得用戶間功率分配,進而得到每個子載波分配的功率[5]。

        3 分配方案的仿真分析

        本文采用MATLAB對室內(nèi)MIMO-OFDM可見光通信系統(tǒng)在以上兩種資源分配方案下的性能進行了仿真分析。

        圖1 系統(tǒng)容量隨μ10的變化

        圖1中,用戶數(shù)量為10,用戶1到9之間的速率比設(shè)為1,用戶10的速率比例因子是變化的。可以看出,最大系統(tǒng)容量分配算法(MRA)的系統(tǒng)總?cè)萘渴冀K比速率比例公平分配算法(PRA)大至少23.4%,這是因為MRA沒有考慮到公平性,任何時候都將子載波分配給信道條件最好的用戶,因此其系統(tǒng)容量總是最大,且不受速率比例因子的影響;而PRA有速率比例約束,提高了比例公平性,系統(tǒng)容量在一定程度上降低了至少18.9%。兩種算法下系統(tǒng)容量均達到了優(yōu)化的目的,至少提高了3倍。

        圖2 功率分布公平性比較

        圖2是MRA、PRA算法公平性比較。個用戶間的速率比例為任意,功率分配柱狀圖。可以看出,PRA算法展現(xiàn)出了很好的比例公平性,每個用戶分配的功率與用戶的速率比例一致,而MRA沒有顯示出任何公平性,反而出現(xiàn)某些用戶占用功率過多的情況。

        4 結(jié)論

        本文主要分析了兩種基于最大容量的資源分配算法在室內(nèi)MIMO-OFDM-VLC系統(tǒng)中的性能。兩種資源分配算法均通過子載波分配和功率分配兩步來完成,并達到了優(yōu)化系統(tǒng)容量或者誤碼率的目的。從系統(tǒng)容量來看,MRA因不考慮公平性而高于PRA至少22%。從比例公平性來看,PRA算法可以保證用戶之間的比例公平,而MRA算法則不能保證用戶間的公平性。

        參考文獻

        [1] H. Luo, C. Chen, Q. Fu, H. Zhao, C. Mo, Key Technologies of Indoor Visible Light Communication Based on White LED, Optical Communication Technology, 35 (2011) 56-59.

        [2] 周園 多用戶光OFDM系統(tǒng)資源分配算法研究[M]. 重慶郵電大,2012.

        [3]Jiho Jang, Kwang Bok Lee Transmit Power Adaptation for Multiuser OFDM Systems. Selected Areas in communications, Journal on IEEE, 2003,21(2):171-178

        [4] Zukang Shen, Jeffrey G.Andrew, and Brian L.Evans Optimal Power Allocation in Multiuser OFDM systems. IEEE 2003.

        [5] Zukang Shen, Andrews J.G, Evans B.L. Adaptive Resource Allocation in Multiuser OFDM System with Proportional Rate Constraints. Transactions on Wireless Communications, IEEE, 2005,4(6):2726-2737.

        作者簡介

        孫亞華(1990-),男,河北保定,碩士研究生,無線光通信。

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