OFDM系统译码转发传输策略设计

R.Krishnamoorthy¹， N.S.普拉迪普², D.Kalaiselvan^3.

印度蒂鲁奇拉帕里大学工程学院CSE系教授。
印度蒂鲁奇拉帕里大学工程学院欧洲经委会系助理教授。
工程工程师(通信系统)，印度蒂鲁奇拉帕里大学工程学院学生。

摘要

正交频分复用(OFDM)是宽带无线通信系统中具有高频谱效率和高数据速率的主要物理层传输技术。将中继结构与OFDM传输相结合是一种强大的宽带无线通信技术，因此被许多当前和下一代标准所采用。为了提高OFDM双向解码和前向中继的服务质量，本文设计了一种新的传输策略。其中，一对用户通过解码转发(DF)中继的协助交换信息。每个用户之间可以通过三种传输方式进行通信:直接传输、单向中继和双向中继。我们共同优化了传输策略，包括功率分配、传输模式选择和子载波分配。这是一个表述的混合整数问题。利用对偶法以渐近最优的方式求解该问题。仿真结果表明，该方案能显著提高系统性能。

关键字

双向中继、解码转发(DCF)、资源分配、正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)。

介绍

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种在多用户环境中将不同的子载波分配给不同的用户的多路访问方法，即OFDMA。而协作中继(cooperative relay)由于能提高系统性能，如提高吞吐量、节省电力、扩大覆盖范围等而受到广泛的关注。然而，传统的单向中继由于实际的半双工约束，频谱效率较低。为了克服这一问题，近年来双向中继被提出，通过动态资源分配利用网络编码增益来提高OFDM双向中继系统的频谱效率是一种很有前景和吸引力的方法。在OFDM双向中继系统中，资源分配问题已经有了一些研究。

这些工作可分为两类:单子载波基础和子载波配对基础。第一类假设两跳协同传输，源到中继链路和中继到目的地链路使用相同的子载波。这种基于每子载波的算法极大地简化了优化问题，但没有充分利用信道动态。例如，具有放大转发(AaF)和解码转发(DaF)策略的OFDM双向中继的功率和子载波分配。采用对偶分解方法，将问题分解为可独立求解的子问题。针对OFDM双向对焦中继，采用两步次优功率分配方法，在给定的子载波功率约束下，先在各子载波上进行功率分配，然后对各子载波功率约束进行协调以满足系统的总峰值功率约束。在总峰值功率约束下，OFDM双向对焦中继的最优功率分配分为两步求解。与逐子载波配对不同，子载波配对允许将第一跳和第二跳的子载波进行配对，从而提供更好的性能。在OFDM双向AF中继中，首先采用充水分配功率，然后采用贪婪启发式方法对子载波进行配对。从图论角度用蚁群优化方法研究了OFDMA双向中继蜂窝网络中基于子载波配对的传输模式选择、子载波分配和中继选择的联合优化问题。 The optimal subcarrier and relay assignment for OFDM twoway relay system are used for bipartite graph matching algorithm.

该方法

本文提出了在未来的实时应用中，对于双向DaF中继来说，单子载波基础和子载波配对基础都不是最优的概念，采用并行OFDM中继架构，双向通信可以通过三种传输模式完成，如何满足用户多样化的服务质量(QoS)要求是未来无线网络发展中需要解决的一个具有挑战性的问题。这些想法在未来技术和实时应用中是匹配的还是不匹配的。

基于ofdm的双向传输系统中有QoS保证的功率分配、子载波分配和传输模式选择的联合优化问题。利用对偶方法，以渐近最优的方式有效地解决了混合整数规划问题

通过模拟得到了一些有趣的结论。首先，单向中继的重要性随着信噪比的增加而降低。第二，直接传输和双向中继的吞吐量百分比随着信噪比的增加而增加，双向中继在系统性能中占主导地位。第三，对于给定的用户，单向中继的吞吐量随着速率要求的增加而增加，而直接传输则相反。最后，当继电器靠近两个用户中的任何一个时，直接传输优于系统性能，当继电器位于两个用户的中点时，单路和双向继电器性能较好。

OFDM双向DF中继的功率分配、子载波分配和传输模式选择的联合优化问题与现有论文不匹配，为了节省节点分配中的功率，提出的流程图中许多其他块如下面的主题所示，然后

在MRC技术中实现了接收机分集，提出了译码转发合作多址传输的实用接收机模型。该模型采用了合成器加权系数的动态盲计算公式，并给出了近似表达式。使用次优接收机，几种信道条件下的分析封闭形式性能被用作参考水平，并与使用所提估计的性能进行比较。此外，该方法简单、自适应，并且完全盲，因为它不需要任何传输条件的先验知识。然后，利用封闭形式的性能评估了所提出的信道盲接收机作为次优接收机模型的替代品，该接收机表现出可靠的性能和简单性。

第四代(4G)无线系统的关键期望之一是提供无处不在的高数据速率覆盖。近年来，大量的研究集中在MIMO-OFDMA传输技术上。多输入多输出(MIMO)和正交频分多址(OFDMA)是高数据速率无线多用户通信系统的重要技术，如3GPP长期演进(LTE)和IEEE 802.16全球互操作性微波接入(WiMAX)，不仅因为其资源分配的灵活性，而且因为其能够利用多用户多样性。

另一方面，无线网络的合作中继已经引起了相当大的兴趣，因为它提供了覆盖范围扩展和降低了功耗，而不会产生额外部署基站(BS)的高昂成本。有两种主要的继电器方案，即半双工(HD)继电器和全双工(FD)继电器。大量的工作已经投入到高清中继，因为它可以实现低复杂度的中继设计。然而，高清中继系统需要额外的资源以多跳方式传输数据，这导致频谱效率的损失。尽管有几种方法可以最大限度地恢复与高清中继相关的频谱效率损失，如非正交中继和双向中继。

这些方案并没有从根本上解决问题，因为相关协议仍然使用高清中继。相反，FD中继遭受固有的环路干扰，这在过去被认为是不切实际的。

近年来的研究表明，采用干扰消除技术和收发天线隔离技术实现FD中继是可行的。使用不同的自干扰消除技术的FD收发器原型已经建立，以演示FD中继的可行性以及与HD中继相比的预期性能增益。然而，对于具有干扰消除误差的MIMO-OFDMA FD中继系统，目前还没有研究有效的资源分配和调度算法。本文对放大转发中继进行了大量的研究，并对译码转发中继协议的性能进行了评价。它立足于当前，面向未来。

优化框架

a.系统模型

我们考虑中继辅助的双向通信，如图1所示，它由一对用户a和B，以及一个中继r组成。每个用户都可以直接或通过中继与其他用户通信。因此，每个用户之间可以通过三种传输方式进行通信，即直接传输、单向中继和双向中继。本文采用两相双向中继协议，第二相为广播(BC)相[1]~[3]。每个节点可以在同一时间发射和接收，但频率不同。对于单向中继和双向中继，中继都采用DF策略，第一跳和第二跳之间的延迟相对于传输帧的持续时间可以忽略不计。例如，图1显示A和B可以在MAC阶段使用子载波{9}，但中继可以在BC阶段使用子载波{7,8}。注意，这种副载波集基中继也适用于单向中继。

b.渠道模型

无线信道采用大尺度路径损耗、阴影和小尺度频率选择性瑞利衰落建模。假设对两个用户的传输被分成连续的帧，并且衰落在每个传输帧内保持不变，但在帧与帧之间有所不同。我们还假设信道估计在所有节点上都是完全已知的。注意，在中继辅助系统中，如IEEE 802.16m，中继节点通常是固定的。这样，集中资源分配的任务就可以嵌入到中继上。在不失一般性的前提下，假设所有节点上的加性白噪声均为独立的圆对称复高斯随机变量，均值为零，单位方差为零。子载波n上节点j到节点j_的信道系数记为hi,j, n，其中j, j_∈{A,B,R}，

c.问题的制定

我们用上标a、b和c分别表示直接传输、单向中继和双向中继。针对三种传输方式，我们首先介绍以下三组二进制赋值变量:

- ρa k,n表示子载波n是否分配给用户k进行直接传输，k∈{A,B}。

- ρb k,n表示子载波n是否在单向中继的第i跳分配给用户k, k∈{A,B}， i = 1，

- ρc k,n表示子载波n是否分配给双向中继第I跳的用户对，I = 1,2。

如前文[8]，[9]，[10]中所述，双向中继必须成对出现双向链路。因此，在本题中，ρc n,i不涉及用户指数k。为了避免干扰，这些二进制变量必须满足以下约束条件:

其中rk是用户k的最小速率要求。我们的目标不仅是优化分配子载波和传输模式，而且还为每个用户分配功率和速率，以便在保持每个用户的个人速率要求的同时最大化加权和速率。在数学上，联合优化问题可以表述为(P1)

与[4]-[9]的相关工作相比，我们的问题公式P1有几个独特之处。首先，我们共同优化子载波分配、传输模式选择和功率分配。之前的工作只考虑了P1的部分资源。其次，P1是根据(8)中推导出的容量区域，基于子载波集基础优化OFDM双向DF中继的第一次尝试。第三，P1为每个用户考虑了单独的rate-QoS，由于OFDM中继的并行结构，我们同时施加了三种传输模式来支持不同子载波集上的单个QoS。

最优传输策略

P1中的问题是一个混合整数优化问题。找到最优解决方案需要指数复杂度的穷举搜索，其中每个子载波在不同的用户、不同的传输模式以及不同的跳点上有八种分配的可能性。总共使用了N个子载波，因此总共需要8N种分配可能性。然后，为每个分配执行功率分配(如果分配是固定的，则纯功率分配问题是凸的)，并且最优解决方案遵循产生最大吞吐量的分配。在本节中，我们提出了一种有效的方法来寻找P1的渐近最优解，其复杂度为子载波数的线性。

很容易发现，R的每个元素都具有ρ log2(1 + s/ρ)的形式，在(ρ， s)中联合凹，其中ρ和s分别代表ρ和s中元素的一般表达式。因此，目标函数P2是凹的，因为凹函数的任何正线性组合都是凹的。此外，约束(12b)， (12c)和(1)是仿射的，其他约束是凸的。因此，P2是一个凸优化问题。

首先引入了(7)中分别与单向中继第一跳和第二跳速率相关的非负拉格朗日乘子λb1 k和λb2 k，以及(8)中分别与双向中继的三个速率约束相关的λc1 k、λc2 k和λc AB。它们都记为λ _ 0。此外，引入非负拉格朗日乘子α = {α a， α b， α r} _ 0来关联三个节点的功率约束，μ = {μ a， μ b} _ 0来关联(10)中两个用户的QoS要求。那么P2的对偶函数可以定义为

将上述结果代入(14)，拉格朗日量可改写为:

由式(30)和式(31)可知，DF单向继电的最优功率分配也是通过多级注水实现的。

3)最大化拉格朗日系数:将最优功率分配s(λ，α，μ)代入(13)以消除功率变量，则子拉格朗日系数(28)中的利润(21)-(25)可以分别重写为

针对P1提出了基于双元的方法

1:初始化{λ，α，μ}。

2:重复

3:计算利润

对所有k和n使用最优功率分配s*(λ，α，μ)。

4:比较每个子载波n的利润，让利润最大的活跃，其他的不活跃。然后可以得到最优ρ*(λ，α，μ)。

5:用椭球方法更新{λ，α，μ}

步骤6-10:

6:如果约束条件(39)-(41)都满足，则

7:用命题3中定义的Δ更新椭球。

8:其他

9:用约束(39)-(41)的梯度更新椭球。

10:如果

11:直到{λ，α，μ}收敛。

12:如果RA≥RA, RB≥RB则

13:满足QoS要求，输出RA和RB。

14:其他

15:宣布停机，输出RA = RB = 0。

16:结束如果

详细的更新规则可以在[27]中找到。在算法1中，对于给定的发射功率，如果不能满足任何QoS速率要求，则系统处于中断状态。在本例中，我们将速率设置为零。椭球方法的计算复杂度为O(q2)，其中q是对偶变量的数量，在我们的例子中q = 10。结合式(26)中的分解复杂度，该算法的总复杂度为O(q2N)，与子载波数呈线性关系。

仿真结果

下图显示了三种不同的输出信号。在检测和转发信号中，信噪比增大，误码率减小。它将上面的图表绘制为如下图所示。传入信号只是为了检测然后信号转发。接收到的信号是信号检测和转发手段的微弱信号，输出的信号很低，同时效率也很低。

在放大和转发信号时，信噪比增大，误码率减小。它将上面的图表绘制为如下图所示。接收信号是微弱的，而强弱两种信号一般都被放大，这时信号是转发的。接收信号包括干扰、噪声、干扰、弱信号和强信号。在该块中，总信号被放大，因此，上述参数被放大。干扰、噪声、干扰等参数强度不断提高，光谱效率降低。因此，这种方法不适合更多的通信目的。

在解码和转发信号中，信噪比增大，误码率减小。它将上面的图表绘制为如下图所示。它克服了检测转发和放大转发功能的不足。中继节点是译码通道。然后移动到放大转发块。那将阻塞放大后转发到下一阶段。

对三种信号、解码信号和转发信号进行比较，提高了bps级的误码率，降低了db级的信噪比，从而很好地实现了对其他两种信号的比较。

分析并绘制了双向中继背后的策略。我们正在修改传输策略，以克服低信噪比下的高误码率问题。该算法将无误差DF和AF概念应用于OFDM双向中继。

结论

本文研究了基于ofdm的双向传输系统中具有QoS保证的功率分配、子载波分配和传输模式选择的联合优化问题。利用对偶方法，以渐近最优的方式有效地解决了混合整数规划问题。仿真结果表明，该方案的性能明显优于传统方案。

通过模拟得到了一些有趣的结论。首先，对三种信号进行比较，译码和转发信号在bps水平上提高了误码率，在db水平上降低了信噪比，因此对其他两种信号的比较有很好的效果。第二,

分析并绘制了双向中继背后的策略。我们正在修改传输策略，以克服低信噪比下的高误码率问题。该算法将无误差DF和AF概念应用于OFDM双向中继。

数字一览


图1	图2	图3	图4

参考文献

B. Rankov和A. Wittneben，“半双工衰落中继信道的频谱高效协议”，IEEE J. Sel。Commun领域。，vol. 25, no. 2, pp. 379–389, Feb. 2007.
P. Popovski和H. Yomo，“双向无线中继信道中的物理网络编码”，2007 IEEE ICC，第707-712页。
S. J. Kim, P. Mitran，和V. Tarokh，“双向编码合作协议的性能边界”，IEEE Trans。《理论》第54卷第1期。11, pp. 5253-5241, 2008年8月。
K. Jitvanichphaibool, R. Zhang和Y. C. Liang，“双向中继辅助OFDMA的最优资源分配”，IEEE传输。阿明费。抛光工艺。，vol. 58, no. 7, pp. 3311–3321, Sep. 2009.
Y.-U。张成泽,E.-R。Jeong和Y. H. Lee，“双向放大前向中继上OFDM信号功率分配的两步方法”，IEEE Trans。信号的过程。，第58卷，no。4，页2426-2430,2010年4月。
M. Dong和S. Shahbazpanahi，“基于ofdm的双向中继的最优频谱共享和功率分配”，2010 IEEE ICCASP。
C. K. Ho, R. Zhang，和Y. C. Liang，“OFDM的双向中继:优化的音调排列和功率分配”，Proc 2008 IEEE ICC, pp. 3908-3912。
刘宇，陶敏，李波，沈宏，“中继辅助双向OFDMA蜂窝网络的优化框架和基于图的方法，”IEEE传输。无线Commun。，第9卷，no。11，第3490-3500页，2010年11月。
刘永华，陶敏，“基于OFDM的多中继多对双向通信网络的最优信道和中继分配”，IEEE学报。Commun。，vol. 60, no. 2, pp. 317–321, Feb. 2012.