通信系统中自适应资源分配算法研究范文

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摘要：笔者主要研究了MU-OFDM系统中子信道-比特-功率的分配算法，在系统传输速率R、系统误比特率BER一定的情况下，改进了算法以优化系统的发送功率P的分配，使之达到最小，并兼顾用户间的公平性。还对此算法进行MATLAB仿真，通过对结果的对比分析，证实此算法既能保证OFDM的系统性能，又能兼顾用户间的公平性。

关键词：多用户OFDM；自适应；资源分配；功率分配；比特分配

1引言

OFDM技术在频域把信道分成许多个正交的子信道，每个子信道之间相互独立。因为各子信道经历的衰落不同，故而表现出不同的信道特性。利用这一特性，就可以根据各子信道的实际传输情况灵活地分配信息比特及发射功率。如对深衰落的信道可以采用低阶调制方式，对衰落相对较小的子信道则采取高阶调制方式，可以有效提高传输效率。在MU-OFDM系统中，自适应分配技术包括两方面的内容，一是整个系统按照某种原则将子信道分配给所有用户；二是每一个用户对所分配到的子信道继续进行比特和功率分配。本文通过研究已有算法，对已有算法进行了改进，在系统传输速率R、系统误比特率BER一定的情况下，使系统的总发送功率P最小，并兼顾用户间的公平性。

2系统模型

先设定系统中的任何用户可以随时发射信号，然后分析系统中这些用户在不同子信道上的衰落状况，逐步确定子信道承载的比特数和发射功率，及对每个用户的分配情况。系统模型如图1所示。通过对此结构框图的分析，首先利用多用户的信道估计器获取各个用户所对应的子信道的状态信息。其次，就是要为各个用户分配待定子信道，即利用子信道-比特-功率自适应分配器，根据前面获得的状态信息，按照算法规则，为每个用户分配可以使用的子信道。一般系统会建立一个专用信道，实时传送这些分配信息给各个用户。获取子信道后，每一个用户再为分配给自己的子信道分配不同数目的比特数，这样这些子信道就完成了承载的比特数和发射功率的分配。发送端的串/并变换器按照这些分配信息将每个用户的比特分配给相应的用户。每个用户的调制器对各个子信道的数据完成基带调制，然后依次执行IFFT、添加循环前缀操作，最后通过传输信道到达接收端。接收端执行与之相反的操作，对收到的信号依次执行去循环前缀和FFT操作，每个用户的解调器按照前面的分配信息，对属于自己的子信道上的数据执行基带解调，即可得到自己的信息。可以看出，在整个的系统框图中，最关键的部分包括两个方面：多用户的信道估计和子信道、比特、功率的分配。由于子信道-比特-功率自适应分配器的工作有赖于多用户信道估计器，其充分发挥作用的前提是多用户信道估计器能够保证信道状态的估计准确。所以，多用户信道估计器实际上处于基础地位，它的工作状况发挥决定性作用。基于这一点考虑，本文首先假设多用户信道估计器处于理想的工作状态下，即发射端可以实时准确地获取子信道的状态信息，重点研究子信道-比特-功率自适应分配算法。

3自适应资源分配算法目前研究

OFDM子信道-比特-功率自适应分配算法的比较多，主要有以下几种。一是最优WONG算法。该算法通过对MA准则下的最优化问题求解，得到一个最优的子信道及比特联合分配方案。二是Zhang算法。此算法不同于最优WONG算法的是，首先要设定系统中所有用户权限，使之可以使用任何子信道，然后再分配每个用户的比特功率，完成这一步骤后，通过对可能出现的子信道冲突问题进行分析与处理，得到最终的分配方案。对于这些冲突的子信道，把其分配给某一个用户，在操作中因为其他用户原本分配给本子信道上的比特会被分配到其所有的其他子信道上，这必然导致总发射功率提高。Zhang算法处理有冲突的子信道，是选择把此子信道分配给产生发射功率增加量最小的用户，如此处理便可以产生最终方案。上述多用户的子信道分配策略，是一种理想化的分配策略。这种策略没有考虑各个用户能否公平地选择子信道，只是将子信道分配给在子信道上性能最好的用户，这种策略考虑的只是如何优化整个系统性能。但在实际的运用中，这种情况并非如此简单。当然，这种策略实际上也符合统计学原理，比如，假定在理想状况下，各用户经历的信道状况是独立分布的，依据性能最优者得到子信道的准则，可以保证各个用户平等地获得子信道的数量。因为在较长的一段时间内，每个用户最终分配到的子信道，在数量上应是近似相等的。但是，如果再考虑路径损耗等其他因素，一般离基站较近的用户，平均的接收信噪比远高于其他用户。在这种情况下，如果单纯从性能的角度进行分配，现实中就会分配的“不公平”。比如，占据相当大资源的只是一部分离基站近的用户，那些在小区边缘的用户则被排挤在外。为避免此类状况发生，借鉴参考文献[4]的思路，可以考虑修正子信道分配准则。这种算法的优化目标，是达到系统的发送功率最小化，又能保证用户间的公平性。

4系统仿真与性能分析

对以上算法进行MATLAB仿真，以比较改进算法和原有算法的性能差异。首先，设定仿真参数：假定子信道数N为64，采用MQAM的调制方式，每个子信道上最大可以承载8个比特。图2、3为仿真结果。在仿真图中，Optimal算法就是文献[2]中的Wong算法，Proposed算法为本文所采用的算法。用Proportion来表示每个用户的比特传输速率在总的比特传输速率中所占的比例η1,η2,…ηK。根据图2和图3，在用户的公平性上，本文提出的算法与原来的算法相比有了比较大的改善，但所能达到的系统性能与前者非常接近。

5结语

本文提出一种改进的子信道-比特-功率分配算法。在分配过程中，最大限度保证每个用户在各个子信道分配过程中的“公平性”。这种算法借鉴了传统“两步走”的思想，将子信道分配与比特分配分步进行。同时本文还对算法进行了仿真。仿真的结果表明，在保证一定的系统性能的前提下，本文改进的子信道-比特-功率自适应分配算法能够有效兼顾用户间的公平性。

参考文献

[1]佟学俭.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[5]李兆玉.移动通信[M].北京:电子工业出版社,2017.[6]真才基.OFDM/MIMO系统资源分配与调度[M].北京:人民邮电出版社,2016.

作者：张莉 单位：南京大学金陵学院