協(xié)作OFDM系統(tǒng)中的子載波選擇算法

刁新穎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所通信事業(yè)部，陜西西安 710068)

在協(xié)作分集通信系中，多個(gè)協(xié)作用戶共享天線，構(gòu)成虛擬多天線系統(tǒng)，使得接收端可以獲得分集增益［1］。Laneman［2］提出了 3 種協(xié)作策略:固定中繼(Fixed Relaying，F(xiàn)R)、選擇中繼(Selection Relaying，SR)和增量中繼(Incremental Relaying，IR)。以上所有中繼策略都是基于放大前傳(Amplify－And－Forward，AF)或者解碼前傳(Decode－And－Forward，DF)方案。

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是重要的解決高速數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題的手段。OFDM系統(tǒng)中的資源分配技術(shù)可以高效地利用信道，提高頻譜效率。

協(xié)作分集系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)可以有效對(duì)抗多徑衰落信道對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響、改善系統(tǒng)容量、提高頻譜利用率［3－4］。當(dāng)協(xié)作OFDM系統(tǒng)采用子載波選擇方案時(shí)，要確定合適用于中繼傳輸?shù)淖虞d波［5］?；贒F的協(xié)作OFDM采用子載波選擇方案可以顯著提高傳輸速率［6］。

本文研究基于AF的協(xié)作OFDM系統(tǒng)采用的子載波選擇方案，根據(jù)容量準(zhǔn)則確定子載波是否用于中繼傳輸，給出了子載波選擇算法，并且給出仿真結(jié)果。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)環(huán)境為平坦瑞利衰落信道下的協(xié)作分集系統(tǒng)，由一個(gè)源S，一個(gè)目的地D和中繼R組成，都配置單天線。源節(jié)點(diǎn)采用N個(gè)子載波的OFDM調(diào)制。假定第k個(gè)子載波的源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道信息為hsd，k;源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道信息為 hsr，k;中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道信息為hrd，k;中繼節(jié)點(diǎn)的噪聲方差為σ2r;目的節(jié)點(diǎn)的噪聲方差為σ2d。

圖1 協(xié)作分集的系統(tǒng)框圖

每個(gè)發(fā)送周期分為兩個(gè)時(shí)隙，在第一個(gè)時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)先向目的地和中繼發(fā)送OFDM信號(hào)，在第二個(gè)時(shí)隙中，第k個(gè)子載波的中繼方案可以定義為ηk，對(duì)于ηk=1，中繼節(jié)點(diǎn)以AF方式轉(zhuǎn)發(fā)第一個(gè)時(shí)隙接收到的源節(jié)點(diǎn)信息，目的節(jié)點(diǎn)采用最大比合并的方式，將源到目的節(jié)點(diǎn)直接鏈路和中繼鏈路的接收信號(hào)合并。對(duì)于ηk=0，中繼不工作，目的節(jié)點(diǎn)只接收源到目的節(jié)點(diǎn)的直接鏈路信號(hào)。

由于中繼采用AF方案，放大因子為

其中，pS，k表示源節(jié)點(diǎn)第 k個(gè)子載波的發(fā)射功率;pR，k表示中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)第k個(gè)子載波信息時(shí)的發(fā)射功率。

則中繼傳輸?shù)牡趉個(gè)子載波上目的節(jié)點(diǎn)接收到的信噪比為

所以第k個(gè)子信道采用中繼時(shí)的信道容量為

不采用中繼時(shí)的信道容量為

可以得出采用子載波中繼選擇方案時(shí)第k個(gè)子信道的信道容量為

子載波選擇就是確定ηk使系統(tǒng)總?cè)萘緾I最優(yōu)。

2 子載波選擇算法

式(5)可以寫(xiě)為

為使中繼方案提高容量，第一項(xiàng)必須＞0。定義Ξ(pS，k，pR，k)表示子載波 k 中繼提高的系統(tǒng)容量

其中

Ξ(pS，k，pR，k)可以計(jì)算出漸近線為

為獲得容量增益，漸近線必須＞1，所以必須滿足

對(duì)于不滿足上述條件的子載波k，設(shè)定ηk=0。對(duì)于滿足上述條件的子載波k，設(shè)定ηk=1，完成子載波選擇。

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)前面提出的子載波選擇算法，對(duì)不同中繼位置的協(xié)作OFDM系統(tǒng)的容量進(jìn)行仿真，并且對(duì)比了本文的子載波選擇算法、無(wú)中繼傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)和無(wú)子載波選擇即所有子載波都采用中繼傳輸?shù)南到y(tǒng)容量。

仿真采用16個(gè)子信道的OFDM調(diào)制，所有子載波平均分配發(fā)射功率，PS、PR分別表示源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的總發(fā)射功率，即。源到目的節(jié)點(diǎn)直接鏈路的平均信噪比γr=0 dB，衰落信道服從正態(tài)分布

仿真取α=3，L=4，d表示節(jié)點(diǎn)間距離。設(shè)噪聲σ2d=σ2r=4.14 ×10－17，根據(jù)信道增益分布可以計(jì)算出ak、bk和 ck。

圖2描述了當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)在源與目的節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)時(shí)，子載波選擇、無(wú)中繼和無(wú)子載波選擇的OFDM協(xié)作分集系統(tǒng)的容量?？梢钥闯?首先，采用本文提出的子載波選擇算法的中繼系統(tǒng)容量?jī)?yōu)于無(wú)中繼和無(wú)子載波選擇時(shí)系統(tǒng)。再者，無(wú)中繼時(shí)系統(tǒng)中繼保持常數(shù)不變，所有子載波都參與中繼系統(tǒng)可以在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率較高時(shí)改善系統(tǒng)容量，例如 PR＞0.04PS時(shí)，說(shuō)明在PR/PS較低時(shí)，不是所有子載波都適合采用中繼方式傳輸，所以此時(shí)采用子載波選擇的中繼系統(tǒng)容量接近于無(wú)中繼時(shí)的系統(tǒng)容量;PR/PS較高時(shí)，所有子載波都采用中繼傳輸會(huì)顯著提高系統(tǒng)容量，所以，采用子載波選擇的系統(tǒng)容量接近于全部子載波都采用中繼傳輸?shù)南到y(tǒng)容量。

圖3描述了系統(tǒng)容量與中繼位置的關(guān)系。仿真采用PR/PS=1。對(duì)于所有的中繼位置選擇，本文提出的子載波選擇算法可以提高系統(tǒng)容量，當(dāng)中繼向源或目的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)容量降低;當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)位置靠近源或目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，無(wú)子載波選擇的中繼系統(tǒng)的容量會(huì)惡化，低于無(wú)中繼傳輸?shù)腛FDM系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)中繼位于這些位置時(shí)，中繼鏈路的接收信噪比將受限于較長(zhǎng)距離的無(wú)線信道。

圖2 系統(tǒng)容量與中繼/源功率比的關(guān)系

圖3 系統(tǒng)容量與中繼位置的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種協(xié)作OFDM系統(tǒng)中的子載波選擇算法，根據(jù)容量準(zhǔn)則，當(dāng)某子信道滿足可以提高系統(tǒng)容量的條件時(shí)，才用于中繼傳輸，否則不采用中繼。通過(guò)仿真得出結(jié)論:子載波選擇算法可以改善系統(tǒng)容量，并且選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和中繼位置，可以顯著提高系統(tǒng)容量，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)位于源與目的節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)容量最大。

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