OFDM双向中继协作系统的资源分配策略

林 丹，潘沛生

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

OFDM双向中继协作系统的资源分配策略

林 丹，潘沛生

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

为了提高基于正交频分复用(OFDM)双向多中继协作通信系统的能量效率，降低发射总功率，提出了一种低能耗的无线资源优化分配方案。首先提出一种信道增益调和平均数排序算法完成子载波匹配与最优中继选择，然后从固定的比特速率出发，在保证一定误比特率的前提下，利用拉格朗日法和Fischer算法对各个子载波进行比特优化分配，进一步提升系统能效。仿真结果表明，相比于现有的策略，所提出的资源分配方案明显提升了系统的能量效率。

双向中继；资源分配；能量效率；正交频分复用

协作中继传输网络在配备单天线时便可获得空间分集增益，解决了用户终端受限于体积和成本等因素而不宜配置多天线的问题，从而降低了系统复杂度以及传输能耗[1]。相比于传统的单向中继、双向中继系统能够将通信所需的4个时隙减少到2个时隙，使得传输效率大大提高，成为无线通信领域研究的热点之一[2]。而正交频分复用(OFDM)技术能够动态地分配子载波，在高效利用频谱的同时还能有效消除多径衰落和码间串扰，它与双向中继的结合也受到了学术界的广泛关注[3]。近年来随着“绿色通信”的提出，中继网络的节能问题逐渐成为研究热点。大量的研究以协作通信为模型考虑如何降低能耗，如资源管理和中继节点分配等[4-5]。

在OFDM双向中继系统中，资源分配技术是提升其系统性能的关键研究内容。文献[6]集中于研究DF转发模式下多跳OFDM通信系统功率分配的优化，但仅限于单向中继模型。文献[7]完整地考虑了双向中继系统中3个节点的信噪比，提出一种最小化中断概率的功率分配策略，但仅仅按位置选择中继，没有考虑到信道系数的影响。文献[8]为提升系统的吞吐量设计了一种资源分配策略，但未考虑子信道变化的影响，由于使用了近似计算，在信道条件足够好的条件下才具有可行性。文献[9]联合考虑了两条链路的性能进行中继选择和功率分配，但仅仅分析了采用单个中继协作的问题。文献[10]从能量效率的角度出发提出了一种联合资源分配方案，但是没有考虑多载波的情形。文献[11]提出了一种分步的资源分配策略来最小化系统的发射功率，但以最大差为准则的中继选择策略并不能达到能效最优，并且信道增益函数需要在各节点分配等功率的情况下获得，较难实现。

上述文献在研究资源分配的问题时，对于多个子载波与多个中继的最优匹配问题研究较少，而多是从额定功率出发以提高系统吞吐量为目标，未考虑到系统能耗带来的影响。而从固定的比特速率出发更能反映系统中各用户的数据速率要求，因此在给定所要求误比特率时最小化系统发射功率比较具有实用性。为了降低系统总发射功率，提高系统能效，本文提出一种能效最优的中继选择与子载波联合分配算法(Maximum Harmonic Average Sorting，MHAS)，并在此基础上利用拉格朗日法结合Fischer算法进一步优化比特分配。仿真结果验证了本文的中继选择策略和比特分配算法的有效性。

1 系统模型

如图1所示，两个用户S1和S2之间分布着R1,R2,…,RK共计K个中继节点用于传输，转发模式为放大转发(AF)。用户之间不考虑使用直接链路进行通信，均配置单天线并以半双工模式工作。该系统采用OFDM传输技术，信息交换发生在N个独立正交的瑞利衰落子载波上。

图1 OFDM双向多中继协作通信系统模型

假设每个节点已知信道状态信息(CSI)，传输过程可分为如下2个时隙：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 能效最优的无线资源分配策略

2.1 中继选择和子载波联合分配算法

(7)

(8)

(9)

带入优化问题(7)中可以将原问题转化为

(10)

(11)

则由结果可知

(12)

1)初始化MA阶段和BC阶段的子载波集:SMA={1,2,…,N},SBC={1,2,…,N}。

xk,i,j表示中继与子载波的匹配集，考虑到文献[11]中通过简单的子载波排序与最大较差(BW)中继选择分步解决方法无法保证能效最优，本文提出的MHAS算法充分考虑了信道状态并兼顾了多载波与多中继之间资源的充分利用，从直接降低发射功率的角度出发，使系统在能效方面的表现更好。

2.2 比特优化分配

(13)

这样系统所需最小总发射功率为

(14)

1)子问题1

(15)

2)子问题2

(16)

式中：R表示系统总比特速率。首先求解子问题1，这个约束优化问题可通过拉格朗日法求得最优解

(17)

(18)

(19)

(20)

求得闭式解为

(21)

利用同样的方法可求解子问题2。对固定的比特速率进行自适应比特分配，即可在满足误比特率的QoS限制条件的同时使系统发射功率最小化，优化系统的能效。总结上述的自适应比特功率分配算法如下：

2)除去不可用的子载波，若b1,x≤0，x∈N，把第x个子载波从N中去除，N=N-1。然后转到1)，继续执行直到所有的b1,i>0。

d是比特分配的步长，利用同样的方法可以完成b2,i的分配。单用户条件下通过改进的Fischer算法能够根据各个子信道的实际传输情况灵活地分配发送功率和信息比特，优化系统的性能。

3 仿真分析

如图2所示，首先利用仿真数据验证最优中继选择与子载波联合分配算法(MHAS)在能效方面的性能。子载波数目为N=64,误比特率限制Pe=10-4,且比特速率限制C=128bit/s。图2比较了3种不同的中继选择算法在功率消耗方面的表现，可以看出在相同的传输速率限制下，MHAS算法相比较于文献[11]中的最大较差算法以及文献[8]的最大和算法在减少功率消耗的性能方面效果明显，这是由于MHAS算法联合考虑了多个子载波与多个中继之间信道增益的能效最优性，能够更好地适应信道系数的波动，从而使得能量消耗更低。

图3显示中继节点与用户对的相对位置对系统中断概率的影响，由图3可知，无论采用本文的算法还是文献[11]的

图2 不同资源分配策略的功率消耗比较

比特平均分配(ERA)方案，中继与用户S1和S2距离相等时中断概率总是最低。在采用比特优化分配之后，系统的中断概率比ERA方案的性能表现更佳，并且中继越分散性能表现越好。

图3 中继节点位置与系统中断概率之间的关系

图4则比较了在不同的子载波与中继选择策略以及比特分配算法下，误比特率和系统能效之间的关系。本仿真中考虑有5个中继的情形，子载波数目为N=64，且比特速率限制C=128 bit/s。由图4可知，在误比特率限制级较高时，本文的中继选择算法(MHAS)相对于传统的随机选择方案(RRS)以及文献[11]的最大较差(BW)方案在能效性能上有显著的提升。并且中继选择方案相同的情况下，结合比特优化分配的方案也比比特平均分配(ERA)的方案的能量效率更高。

图5中K=5,比特速率C=128 bit/s，误比特率Pe=10-4。随着子载波数目N的增大，系统可以获得更多分集增益，因而在能效性能的表现上越来越好。可以看出比特优化分配时，使用MHAS的方案所获得的能量效率要明显高于子载波和中继随机分配的方案；并且在联合MHAS中继选择策略时，比特优化分配的方案所体现出的性能也高于比特平均分配(ERA)的性能。因此，同时采用MHAS和比特优化分配的方案可以使得系统的能量效率性能得到明显的提升。

图4 不同资源分配策略下系统误比特率与能效的关系

图5 子载波数目不同时几种策略能效性能的比较

4 结束语

本文主要研究了协作通信中OFDM双向多中继系统的无线资源分配问题，给出了一种最大化系统能效的最优中继选择与子载波联合分配算法，然后在满足系统误比特率的条件下，对系统的比特率与功率进行优化分配，从而达到提高系统能效的目的。仿真结果显示通过联合的资源分配算法可以在满足系统QoS条件限制下，有效提高系统的能效。

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Strategy of Resource Allocation in OFDM-based Two-way Relay Cooperative System

LIN Dan, PAN Peisheng

(CollegeofCommunicationandInformationTechnology,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)

In order to improve the energy-efficient of OFDM-based two-way relay cooperative system and minimize the total transmitting power, a joint resource allocation strategy is proposed in this paper. A best relay selection scheme based on Maximize Harmonic Average sorting is proposed at first, then a power allocation and bit loading strategy is presented to maximize the energy-efficient on the constraints of the sum-rate and bit error rate. Numerical analysis shows that the proposed resource allocation strategy can reduce the transmitted power and improve the energy-efficient impactful.

two-way relay; resource allocation; energy-efficient; OFDM

南京邮电大学自然科学基金项目(NY211083)；南京邮电大学攀登计划项目(NY208036)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.05.028

2014-08-05

【本文献信息】林丹，潘沛生.OFDM双向中继协作系统的资源分配策略[J].电视技术,2015，39(5).

林 丹(1989— )，硕士生，主研协作通信中的资源分配；

潘沛生(1966— )，博士，副教授，硕士生导师，主研新一代无线通信网络中先进智能信号处理技术。

责任编辑：薛 京