多小区OFDMA系统的载波分割复用的功率控制算法

赵全军，张媛媛，杨成福(四川文理学院.智能制造学院；.图书馆；.建筑工程学院，四川达州65000)

多小区OFDMA系统的载波分割复用的功率控制算法

赵全军1，张媛媛2，杨成福3
(四川文理学院1.智能制造学院；2.图书馆；3.建筑工程学院，四川达州635000)

无线宽带网络中，正交频分调制是一种有效的调制策略.在多用户的OFDMA系统中，合理的子载波分配、比特率分配、功率控制能有效的改善系统的整体性能.在传统蜂窝小区频率复用分割技术基础上，结合注水功率分配算法，研究了一种基于802.16e标准的多小区蜂窝网络模型的子载波额外传输功率收集算法，通过数值仿真表明功率收集分配算法能改善系统系统内小区用户的信干比和提高系统的资源利用率.

多小区；正交频分多址复用；子载波；功率控制

0 引言

随着第四代移动通信系统的运营以及移动多媒体业务的推出，为了提高系统带宽的利用率和降低用户间干扰，无线资源的分配和用户的功率的分配就来越显得尤为重要了.在标准IEEE802.16e中规定移动WIMAXI的网络拓扑可以采用点对多点拓朴结构(PMP)，即为蜂窝模型结构的多小区OFDMA无线通信系统.在改模型下，研究人员提出了大量的OFDMA的资源分配方法，其中就从优化多小区OFDMA系统资源的角度研究了资源分配问题.[1]在多用户的OFDMA系统中，合理的子载波分配、比特率分配、功率控制能有效的改善系统的整体性能.当为用户完成了子载波和比特率分配以后，系统进一步为用户分配功率.文献分别采用了注水算法以及改进的注水算法为系统用户分配功率.[2-3]为了提高系统的频率利用率，系统在分配子载波时往往根据系统用户所处在的位置、用户无线信道的状态以及多小区间用户的干扰情况等动态的分配子载波.在这种情况下，文献采用了一种分布式启发功率分配算法，[4]该算法主要针对用户所在信道的信号干扰噪声比相对较弱用户的子载波实行迭代式注水算法.在传统的无线通信系统中，为了提高系统的频率利用率，研究提出了大量的频率复用技术.[5-6]通过该技术，系统在为用户分配载波时，系统会将小区划分为两个同心圆，处于不同区域的用户分配的载波方式不同，这样可以实现小区中心区域和边缘区域的频率分割.本文在注水算法的基础上，结合频率分割技术，把小区内的所用用户按在通信所在位置区域分成两个部分，不同的区域用户给予不同的SINR阈值，然后系统通过用户接收平均SINR与参考门限SINR比较将实际功率超过阈值的用户剩余功率收回，用于补偿信道质量不好的用户.

1 多小区OFMDA系统信道分配模型

图1 多小区蜂窝网络

我们规定整个网络中所有信道是由若干的子信道组成，每个子信道具有不同的频率复用因子，位于小区中心小圆区域内的子信道的复用因子为1，小区边缘圆环区域内的子信道复用因子为3.对于复用因子为1的子信道包含系统中所有N个OFDM子载波中的，系统内所有小区内部小圆区域的用户可以使用N0个子载波的任意一个空闲子载波信道；而边缘圆环区域子信道复因子为3的子信道则由N-N0个子载波组成，对于单独一个小区的外部圆环来说，则只能应用整个复用因子为3的子信道中的1/3个子载波，既((N-N0)/3)，且三个相邻小区所使用的子载波范围不能重叠.

在小区内，当用户申请接入系统时，如果它处在基站附近的小圆地区，用户可以应用系统中复用因子为1的所有空闲子信道中的其中一个；而当用户处于小区边缘地带时，系统只能在被分配给自身所在小区内的(N-N0)/3个子载波中选取其中的空闲信道.

2 功率控制算法

系统在进行了子载波分配以后，由于小区内不同地点的用户距离小区中心位置天线的距离不同，不同用户为获得足够的信道质量所需要的发射功率也不尽相同，离小区中心越近的小圆环区域所需发射功率较小，相反在小区边缘的用户所需功率相对较大，若只为用户分配满足其通信所需的最低的功率，不同位置用户所产生的干扰也就不同.因此在系统为用户分配功率过程中可以考虑用户所在区域的不同分配不同的功率大小，从而优化系统为用户分配的传输功率.

图2 额外传输功率收集算法流程图

3 性能分析

为了考察功率收集分配算法对系统性能的好坏，接下来我们分析在多小区环境下，系统中用户的平均接收到的信干比(SINRk)和系统的子载波利用率.

(1)为考察小区中离基站不同距离的用户的平均接收到的信干比(SINRk)，我们只考虑与标记小区直接相邻的第一层小区中同频信道用户对标记小区中用户的干扰，第二层中的同信道干扰小区产生的同信道干扰很小，忽略不计.有文献可得标记小区中用户k的信干比SINRk表示为：[7]

(1)

上式(2)中，Wk为用户k在小区m中所接收到的总功率，Ik为相邻小区同信道用户对k总干扰.Pk为基站为用户k所提供的总的发射功率.Pr(d)为Hata扩展信道模型下的传输接收路径函数，其中函数中的d为基站到移动终端的距离.其中τn是使用子载波的小区的数目，就是子载波n在整个系统被利用的次数.Ik,n表示用户k在子载波n上所受到的干扰.将式(1)转化为上式(2)形式可以得出标记小区中用户对k信干比为：

上式(3)中，Pr,n(d)为Hata扩展信道模型下小区内圆中子载波n传输接收路径功率基站到移动终端的距离d变化关系.

为了考察离基站同一距离的用户的平均接收信干比，则取多个相同距离用户的SINR然后取其平均值.

(2)子载波的平均利用率.在系统完成子载波分配算法以后，各个小区中的子载波利用次数与系统中子载波可利用的最大次数的比率.这里我们定义为：

其中M为系统所有小区个数，N为系统中所有OFDM子载波个数.

4 仿真结果分析

仿真中，我们假定系统基站信号的最大覆盖范围半径为1km，信道模型为扩展Hata路径衰落模型.[8]其中信道的阴影衰落为6db；在频率部分复用的情况下，小区中的每位用户在与小区中心的基站通信之前，应通过相应的消息通知基站自己所处的位置，也就是说基站随时应该了解用户处于小区的边缘圆环还是中心小圆位置.在这里我们设定消息的发送为一个超长数据帧，间断时间的时间选择OFDM符号的周期为4.8μs，每个用户的请求速率为13.3Mbit/s.为了考察功率分配算法对系统性能的影响，我们考察小区中心小圆半径r=700m时，有功率分配与无功率分配用户接收平均信干比之间的区别.分析小区小圆半径分别为(r=700m和r=550m)时，功率分配对在载波利用情况的影响.

下图3中绿色的柱图表示用户子载波只在采用注水算法功率，没有采用本文提到的功率分配算法，二灰色柱图表示用户的功率分配采用本文提出的这种算法.通过仿真得出处于小区内部不同位置区域的用户的平均接收信干比随着离基站发生的变化情况，从上图可以看出，当用户距离基站300m以内和距离基站700m到900m之间的这个范围内时，系统中未进行功率优化的子载波分配算法的平均每用户的SINR比进行了功率优化后的信道分配算法的SINR要越高一些.而当用户在300m到700m范围内和900m以后，在有功率分配的情况下平均每用户所接收到的SINR要比没有功率分配算法情况下高.这是由于在本文的功率分配算法中采用了额外功率收集法，即系统分别将小区内中心小圆区域和外部圆环区域内的用户同中超出参考调制编码所需的那部分功率收回去补偿了位于中心小圆边缘和小区边缘那些信道质量不好用户去了.

图3 带功率分配下每用户的平均接收信干比

下图为了小圆半径分别为(r=700m和r=550m)时，有功率分配算法的和无功率分配算法的对系统的子载波利用率性能比较.

从上图4中可以看出，无论是在小区中心小圆半径为r=700m或r=550m，系统中的子载波利用率比没有功率分配时的性能要好.这说明功率分配与增益因子的结合可以较好地抑制共道干扰.

图4 功率分配后的子载波利用率

5 总结

本文结合蜂窝小区频率分割技术研究多用户下的移动WiMAX系统的多用户功率收集分配算法，给出了算法的流程图，并对系统吞吐量和子载波利用率的系统性能参数进行了分析，并加以数值仿真.我们分析可以得出，本文设计的 额外传输功率收集算法对改善多蜂窝的802.16e系统中小区用户的干扰，提高系统的载波利用率，改善小区边缘用户的信干比都有一定的帮助.

[1]YangK,XuW,LiS,etal.DistributedmulticastresourceallocationinOFDM-basedcognitiveradionetworks[C]//International ICST Conference on Communications and NETWORKING in China. 2013:57-62.

[2] Yu W, Ginis G, Cioffi J M.Distributedmultiuserpowercontrolfordigitalsubscriberlines[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2006(5):1105-1115.

[3] Zhang K, Jiang J, Peng M, et al.Energy-efficientpowerallocationalgorithmforheterogeneousOFDMdownlinksystems[C]//International Conference on Wireless Communications & Signal Processing. 2013:1-5.

[4] Su H J, Geraniotis E.Adistributedpowerallocationalgorithmwithadaptivemodulationformulti-cellOFDMsystems[C]//IEEE, International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, 1998. Proceedings. IEEE, 1998:474-478.

[5] Wang W, Guo Z, Shen X, et al.Flow-Satisfaction-DegreeBasedSchedulingAlgorithminStaticReusePartitioningSystem[J]. 2007:3468-3472.

[6] CHEN, Jiming, WANG, et al.AdaptiveSoftFrequencyReuseSchemeforIn-buildingDenseFemtocellNetworks[J]. 中国通信：英文版, 2013(1):44-55.

[7] 张天魁，曾志民，唐 南，等. 用于OFDMA系统的多小区自适应资源分配算法[J]. 北京邮电大学学报，2007(5)：67-71.

[8] 吴伟陵，牛 凯. 移动通信原理[M]. 北京：电子工业出版社，2010：9-32.

[责任编辑 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

四川省教育厅一般科研项目 (12ZB119)；四川省教育厅自然科学基金(14ZB0314)； 四川文理学院校级项目(2014Z004Y)

赵全军(1981—)，男，四川大竹人.讲师，硕士，主要从事OFDM、无线资源管理与WIMAX网络研究.

TN929.5

A

1674-5248(2017)02-0037-05