关键字 |
| OFDMA, RoT, SINR，资源分配，负载矩阵方法，QPSK, QAM。 |
介绍 |
| 近年来，高数据速率技术在通信系统中引起了极大的兴趣。在基本通信系统中，数据被调制到单一频率上。可用带宽被每个符号完全占用。这类系统会导致符号间干扰。正交频分多址(OFDMA)的基本思想是将可用频谱划分为若干个正交子信道，使每个窄带子信道经历几乎平坦的衰落。它是一种灵活的多址访问技术，可以满足具有不同应用程序、数据速率和QoS要求的许多用户。使用该技术可以实现动态高效的带宽分配。该技术还允许集成复杂的时间和频域调度算法，以便最好地服务于用户群体。OFDMA可以被看作是一种调制技术或多路复用技术。使用OFDMA的主要原因之一是提高对频率选择性衰落或窄带干扰的鲁棒性。 |
| 在无线通信中，为了提高频谱效率和链路可靠性，各种即将引入的技术中，使用多个发射和接收天线进行通信系统设计已成为当前和迅速兴起的趋势。为了满足日益增长的对更高数据速率、更好的服务质量和更高网络容量的需求，通常需要增加带宽。但由于频谱的限制和增加可用带宽的费用，使用多个发射和接收天线来提高频谱效率是最好的选择。证明了多载波系统可以通过最小发射和接收天线数量的因子来提高通信系统的容量。一般采用多载波系统主要有两个原因。实现传输分集，形成多载波通信模式。发射分集基于空时编码。空时编码在提高系统性能和效率方面具有广阔的应用前景。但是，随着带宽的增加，空时编码变得更加复杂。因此，我们选择了多载波空时编码系统，以减少多路径传播带来的ISI。 In this paper, multi-carrier systems with optimal utilization of power resource are modelled. In this paper the allocation of power resource in an OFDMA cellular system based on SINR and available power resource is outlined as Load Matrix approach. This concept has the facility to joint management of interference within a cell while allocating radio resources to users and this concept intakes Inter Cell Interference information. Next, using this Load |
| 矩阵方法评估了各种数字调制技术的通信链路在误码率方面的性能。本文共分为V节，其中第一节是介绍，第二节是用负荷矩阵方法进行电力资源分配。第三节给出了所考虑的系统模型，第四节和第五节分别给出了结果和讨论和结论。 |
| 文献调查 |
| 虽然基于正交频分多址概念的研究和系统早在1958年就已经发表，但使用目前形式的OFDMA的大多数应用是在20世纪80年代和90年代发展起来的。关于单载波系统中功率资源分配的研究很多。本文利用QPSK和QAM调制技术讨论了多载波通信系统中功率资源的有效分配问题。 |
采用负荷矩阵法进行电力资源分配 |
| 资源分配是当今无线蜂窝系统面临的最大挑战。安装多个基站来提供服务会导致某些现象，为了无线网络的正常运行，需要正确解决这些现象。通过功率控制，是指在无线网络中使用的算法、协议和技术，用于动态调整移动站或基站的发射功率，以减少同信道干扰，因为同信道干扰限制蜂窝网络的容量。假设系统的干扰是有限的，可以采用一种优化的方法使系统的最小SIR值最大化，使系统的最大SIR值最小化，从而使所有无线电链路的SIR值相等。该方案虽然提供了一种最优解决方案，但由于集中控制器需要动态跟踪系统中所有链路，并计算每个移动终端的发射功率，因此实现起来非常困难。因此，有效的资源分配是无线蜂窝通信的最大挑战之一。资源分配方案避免了资源的浪费，将资源在短时间内分配给移动终端，并通过无线网络提供高质量的服务，这是服务提供商最紧迫的问题。目前大多数系统是干扰限制而不是噪声限制。干扰是每个移动蜂窝通信系统的一部分，它对无线网络容量和向用户提供的服务质量都构成了限制。细胞间干扰是通过平均多个干扰的影响来管理的。它在上行链路上比下行链路上更有效。 Interference averaging also allows statistical multiplexing of bursty users, thus increasing system capacity. |
| 负载矩阵(LM)概念能够在向用户分配无线电资源时对小区内和小区间的干扰进行联合管理，该概念考虑了小区间的干扰信息，以避免RoT中断。资源分配是通过计算网络中活跃用户的数量来为每个用户分配功率和带宽，这是通过负载矩阵方法完成的。在多细胞系统中，资源分配的主要挑战之一是控制细胞间干扰。LM是一个集中式调度器，使用一个包含网络中所有活动用户的负载贡献的数据库，并将无线电资源分配给网络中的所有活动用户。上行调度器的基本问题是为所有活动用户分配适当的传输速率和时间，在满足所有用户的QoS要求的同时，使整个网络的无线电资源利用率达到最大。用户发射功率是资源配置的重要因素。对于M个用户和N个单元的网络，实现负载矩阵方法需要满足的约束条件是Constraint1:该约束条件规定用户的最大功率Pi,max。对于网络中的每个活跃用户i，其发射功率Pi必须维持在一个可接受的定义区域内 |
 （1) |
| constrain2:网络中所有N个基站的总接收功率应保持在某个阈值以下。该方法采用热升噪声(Rise over Thermal noise, RoT)来表示干扰约束。 |
 （2） |
| RoTj是总在带接收功率固定目标值维持上行干扰水平在基站j (BSj)超过热噪声。下面给出的网络中M个活跃用户的RoTj用于估计单元的RoT，可以写成 |
 (3) |
| 如果速率k被分配给用户以实现给定的帧错误率，则服务基站j所需的信噪加干扰比为SINRtarget,k。对于每个用户，根据其信道类型和速度，每个速率k都有一个最小所需SINR，称为SINRtarget,k。只有考虑SINR目标k为SINR，这个约束才满足。 |
 (4） |
| LM调度可以采用集中式和分散式两种策略来实现。在集中调度中，实体将无线电资源分配给所有基站，然后分配给网络中的所有用户，其中在分散调度中，每个基站都实现相同的LM调度。集中式调度器将无线电资源分配给网络中的所有M个用户和N个单元，LMi,j为用户i在BSj上的负载因子贡献，定义为 |
 (5) |
| 其中，Gij为调度周期内用户i到BSj的信道增益平均值，N′为热噪声，Pi为发射功率。LM数据库第j列中存储的LMi, j值，可以写入单元格j的RoT |
 (6) |
| SINRi,j可以写成 |
 (7) |
| 用户i在速率k时所需的传输功率为 |
 (8) |
| 如果满足以上所有约束条件，则只有功率Pi,k是可接受的，用户i将被安排传输。稍后，更新LM元素，并为每个单元计算RoT。LM调度的性能优于其他算法，因为该调度程序显著降低了RoT超出其目标的概率。RoT是在单个载波系统上计算的。为了在多载波系统中对该方法进行建模，采用了一种改进的资源分配模型，即多小区负载矩阵方法。 |
| 多单元负载矩阵方法 |
| 在对多载波通信系统进行建模时，必须考虑各载波对信干扰比的显著影响。因此，单个SINR不是最优的分配。针对多载波系统中功率分配的优化问题，提出了一种基于分叉信噪比和SIR的复合信噪比方法。在这种方法中，信噪比被认为是原信噪比和由方程定义的SIR的组合。 |
 (9) |
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 (10) |
| 定义每个用户i在第k个载波上所需的传输功率为 |
 (11) |
| 定义第k个载波上每个用户的可分配功率为: |
 (12) |
| 其中“k”是在多载波系统中分配的载波数。 |
系统模型和假设 |
| 为了设计多载波系统进行测试评估，设计了4个发射天线和p (p≥4)个接收天线的多载波系统，如图1所示。 |
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| 在转发一次时，生成定义为，{bi[n,k]:k=0,1，.....的数据块}对于i=1和2，转换为两个不同的信号，{t2(i-1)+j[n,k]:k=0,1....对于i=1和2，分别为J =1,2}，通过两个时空编码器。用于第i个发射天线的信号在第n个数据块的第k个载波上由ti[n,k]调制。每个接收天线上的接收信号是四个扭曲的发射信号的叠加，可以表示为 |
 (13) |
| j = 1, p |
| 其中wj[n,k]表示第j个接收天线处的可加性复高斯白噪声，对于不同的n、k或j，假设为零均值，方差σn2，且不相关。Hij[n,k]表示第k个音在第n时刻的信道频率响应，对应第i个发射天线和第j个接收天线。在传输过程中，信号被分配为多个功率级别，以有效地传输功率，以优化使用该资源，这被称为“资源分配”，它是基于负载矩阵方法完成的，这在本文前面的部分中讨论过。 |
结果与讨论 |
| 为了评估负载矩阵方法，考虑了具有瑞利衰落信道的通信系统，发射机有不同的调制方案，接收机有相应的解调方案。考虑到最有效的OFDMA调制方案，如QAM和QPSK，对3,5个信道数进行了模拟。该系统在AWGN信道下的信噪比变化范围为-4dB至14dB。每个用户考虑1200比特的用户信息，符合3GPP、LTE模型考虑2GHz的载频。不同信道条件下各种调制技术的仿真观测如图2-5所示。 |
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| 图2是使用QPSK调制，当用户密度=3，衰落因子(fd)=0.001时，单载波和多载波系统的信噪比和误码率之间的关系图。很明显，对于QPSK调制，随着信噪比的增加，由于多通道的存在，误码率有相当大的降低。多通道的存在降低了SINR, SINR是为每个用户分配最优功率的基础，也是在给定网络中分配更多用户数量的平台。在信噪比=10和N=3时，单载波系统的误码率为0.02x10-6，多载波系统的误码率为0.1x10-6。 |
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| 图3是使用QAM调制，当用户密度=3，衰落因子(fd)=0.001时，单载波和多载波系统的信噪比和误码率之间的关系图。很明显，对于QAM调制，随着信噪比的增加，由于多通道的存在，误码率会有相当大的降低。多通道的存在降低了SINR, SINR是为每个用户分配最优功率的基础，也是在给定网络中分配更多用户数量的平台。在信噪比=10和N=3时，单载波系统的误码率为0.001x10-6，多载波系统的误码率为0.1x10-6。 |
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| 图4是使用QPSK调制，当用户密度=6，衰落因子(fd)=0.001时，单载波和多载波系统的信噪比和误码率之间的关系图。很明显，对于QPSK调制，随着信噪比的增加，由于多通道的存在，误码率有相当大的降低。多通道的存在降低了SINR, SINR是为每个用户分配最优功率的基础，也是在给定网络中分配更多用户数量的平台。在信噪比=10和N=3时，单载波系统的误码率为0.02x10-6，多载波系统的误码率为0.1x10-6。 |
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| 图5是在使用QAM调制的用户密度=6和衰落因子(fd)=0.001时，单载波和多载波系统的信噪比和误码率之间的关系图。很明显，对于QAM调制，随着信噪比的增加，由于多通道的存在，误码率有相当大的降低。多通道的存在降低了SINR, SINR是为每个用户分配最优功率的基础，也是在给定网络中分配更多用户数量的平台。在信噪比=10和N=3时，单载波系统的误码率为0.001x10-6，多载波系统的误码率为0.1x10-6。 |
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| 图6比较了信噪比=10、N=3时QPSK和QAM调制技术在单载波和多载波下的误码率。从仿真中可以观察到，使用QAM和QPSK调制技术的多载波系统在信噪比=10时实现了几乎相等的误码率。对于单载波系统，使用QPSK调制技术的误码率为0.02x10-6，使用QAM调制技术的误码率为0.001x10-6。因此，对于单载波系统，QAM优于QPSK。 |
结论 |
| 通过调整OFDMA，可以满足未来无线通信系统的性能要求。从仿真结果可以看出，即使用户数量增加，信道数量的相应增加也可以降低误码率，从而获得最优信噪比。负载矩阵的这种方法通过减少SIR来减少每个用户所需的功率，这反过来是由于考虑增加通道数量，从而容纳网络中更多的用户。因此，负载矩阵方法在各种信道情况下的性能是有效的。OFDMA技术的实现提供了多主叫视频会议，没有任何语音或视频延迟，观看高清视频，没有任何缓冲和在线应用程序以更快的速度。OFDMA提高了网络的容量和QoS，从而克服了目前无线通信系统的主要缺点。对于单载波系统，使用QPSK调制技术的误码率为0.02x10-6，使用QAM调制技术的误码率为0.001x10-6。 |
确认 |
| 我们感谢欧洲经委会系主任k.v.s.v.r.p拉萨德教授鼓励并为我们的项目工作提供实验室设施。我们也非常感谢D.M.S.S.V.H工程学院院长Prof. K. Surya Prakasa Rao教授，他提供了良好的基础设施，帮助我们完成了项目工作。 |
参考文献 |
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- S.RameshBabu, D.Venkat Reddy, Y.RajasreeRao，“基于负载矩阵的无线蜂窝系统干扰控制”。第5届iaceece会议论文集，第42-47页，2013年9月22日。
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