基于QoS驅(qū)動的OFDMA中繼系統(tǒng)節(jié)能資源分配算法研究

唐　冬，陳　威，黃高飛，鄭　暉，劉貴云，劉外喜

（廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州　510006）

基于QoS驅(qū)動的OFDMA中繼系統(tǒng)節(jié)能資源分配算法研究

唐冬，陳威，黃高飛，鄭暉，劉貴云，劉外喜

（廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006）

文章研究基于QoS驅(qū)動的OFDMA放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)節(jié)能資源分配算法，目標(biāo)是在滿足各用戶業(yè)務(wù)時延QoS要求的前提下，最小化OFDMA中繼系統(tǒng)總功率.基于有效容量模型，首先把OFDMA放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)資源分配問題形成為混合整數(shù)規(guī)劃問題，然后通過整數(shù)約束連續(xù)松弛化，把問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題.通過求解該凸問題，推導(dǎo)得到了資源分配的迭代優(yōu)化算法.仿真結(jié)果表明，與已有算法相比，對于各種類型時延QoS要求的無線業(yè)務(wù)，文章提出的資源分配優(yōu)化算法均可明顯降低系統(tǒng)消耗功率.

正交頻分多址（OFDMA）；無線中繼；服務(wù)質(zhì)量（QoS）；子載波對分配與功率分配；有效容量；凸優(yōu)化

TH 12

A

近年來，隨著無線多媒體業(yè)務(wù)的日益普及，無線通信系統(tǒng)面臨著越來越大的挑戰(zhàn).一方面，為滿足無線多媒體業(yè)務(wù)較嚴(yán)格的時延QoS要求，無線通信系統(tǒng)往往需要消耗較多的能量.另一方面，無線通信系統(tǒng)中的結(jié)點大部分使用電池供電，其使用時間和壽命都很有限.因此，如何在為多媒體業(yè)務(wù)提供時延QoS保證的同時，有效地使用無線通信系統(tǒng)的能源，以延長系統(tǒng)壽命和實現(xiàn)綠色通信，是一個學(xué)界和業(yè)界都關(guān)注的重點課題.

另一方面，OFDM可以在無線多徑信道中實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，是下一代無線通信系統(tǒng)的核心技術(shù).與此同時，無線中繼技術(shù)可以低成本地擴大無線覆蓋.因此，結(jié)合OFDM和無線中繼技術(shù)，可以有望實現(xiàn)大面積的高速率覆蓋.由此，OFDM中繼系統(tǒng)成為了近年來學(xué)界的研究熱點.本文針對多用戶OFDMA中繼系統(tǒng)，以最小化系統(tǒng)總功率為目標(biāo)，研究基于QoS驅(qū)動的節(jié)能資源分配算法，以在為不同類型的多媒體業(yè)務(wù)提供時延QoS保證的同時，節(jié)省系統(tǒng)能源消耗，延長系統(tǒng)總體壽命.

此外，由于無線信道的高度時變性，在無線通信系統(tǒng)中為多媒體業(yè)務(wù)提供確定性的時延QoS保證非常困難［1］.因此，學(xué)者們引入了統(tǒng)計型時延QoS保證［2］的概念，即不再要求傳輸速率必須大于某個給定的閾值，而只需時延超限概率滿足給定的要求.結(jié)合統(tǒng)計型時延QoS保證，學(xué)者們進一步提出了有效容量模型［1］的概念.與物理層的香農(nóng)容量模型不同，有效容量模型是數(shù)據(jù)鏈路層的容量模型，其描述了滿足業(yè)務(wù)統(tǒng)計型QoS要求時系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲罂蛇_速率.結(jié)合有效容量模型，學(xué)者們研究了包括單跳單載波［3］和多載波中繼系統(tǒng)［4］、單載波中繼系統(tǒng)［5］和單用戶多載波中繼系統(tǒng)［6］、認(rèn)知無線電系統(tǒng)［7］、k－μ衰落信道系統(tǒng)［8］等多種無線通信系統(tǒng)具有時延QoS保證的資源分配算法.

本文基于有效容量模型，以最小化系統(tǒng)總功率為目標(biāo)，研究OFDMA放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF，amplifyand-forward）中繼系統(tǒng)基于QoS驅(qū)動的節(jié)能資源分配算法.首先，把相應(yīng)的資源分配問題形成混合整數(shù)規(guī)劃問題.然后，通過離散變量連續(xù)松弛化，把其轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，并通過求解該凸優(yōu)化問題，推導(dǎo)得到資源分配的迭代優(yōu)化算法.仿真結(jié)果表明，在不同類型時延QoS要求的業(yè)務(wù)下，與已有算法相比，本文研究的資源分配算法可以明顯降低系統(tǒng)消耗的總功率.

1　系統(tǒng)模型

本文研究的兩跳OFDMA中繼系統(tǒng)見圖1.S為源端，R為中繼，U1、U2、……、UK為系統(tǒng)的K個目標(biāo)用戶.中繼工作于放大轉(zhuǎn)發(fā)模式和半雙工方式.數(shù)據(jù)傳輸以幀進行，幀時長為Tf.每一個傳輸?shù)膸M一步被分為2個相等的時隙.在第一個時隙，源在各自的信道上發(fā)送信息給中繼，中繼和目標(biāo)用戶接收信息.在第二個時隙，中繼放大接收到的信息并轉(zhuǎn)發(fā)，目標(biāo)用戶接收中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信息.目標(biāo)用戶把2個時隙接收的信息根據(jù)最大比合并進行解碼.

圖1　OFDMA中繼系統(tǒng)模型Fig.1　The OFDMA system model

系統(tǒng)總帶寬B分為N個正交的子信道.系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸分為兩跳傳輸，第一跳從源端至中繼，第二跳從中繼至用戶.為方便研究，假設(shè)SR鏈路上的N個子載波與RD鏈路上的N個子載波進行一一配對，形成N個子載波對，而且SR鏈路的第n個子載波與RD鏈路的第n個子載波進行配對，形成的子載波對集合表示為S＝｛1，2，…，N｝.每個子載波對僅分配給一個用戶使用.

根據(jù)文獻［10］，源到目標(biāo)用戶k的等效歸一化鏈路增益γkn為

假設(shè)不同的目標(biāo)用戶業(yè)務(wù)具有不同的時延QoS要求.根據(jù)統(tǒng)計型QoS保證的定義，令θk為表示用戶Uk的業(yè)務(wù)時延QoS要求的QoS指數(shù)，θk的值越大，用戶Uk的業(yè)務(wù)時延QoS越嚴(yán)格［2］.對用戶Uk，其有效容量可表示為［2］

其中，BN＝B/N為一個子載波的帶寬，Sk為用戶Uk使用的子載波對集合，E［·］為數(shù)學(xué)期望運算函數(shù)，Rn，k表示子載波對n上用戶Uk的最大可達傳輸速率.

2　子載波對與功率分配聯(lián)合優(yōu)化算法

2.1問題描述

根據(jù)香農(nóng)公式，第k個用戶在第n個子載波對上的發(fā)送功率為

在OFDMA中繼系統(tǒng)中，資源分配包括子載波對分配和功率分配.基于有效容量模型，以最小化系統(tǒng)總功率的OFDMA中繼系統(tǒng)子載波對分配和功率分配問題可以表示為

問題（8）是一個難以解決的混合整數(shù)規(guī)劃問題.為解決此問題，引入一個分時因子tn，k∈［0，1］，其含義是子載波對n在用戶Uk上分配使用時間比例因子.進一步地，定義An，k＝tn，kRn，k.由此，問題（8）可以轉(zhuǎn)換為

可以證明，問題（9）為凸優(yōu)化問題，因此存在著唯一的全局最優(yōu)解［11］.

2.2子載波對分配和功率分配聯(lián)合優(yōu)化算法

由此，通過引入分時因子tkn，在給定的子載波對分配方案時，得到了最優(yōu)功率分配方案.由于tkn只能取值0或1，Q*k應(yīng)寫為

綜上，可得子載波對與功率分配聯(lián)合優(yōu)化迭代算法見圖2.其中，上述迭代算法中的Δ是預(yù)設(shè)的一個很小的常數(shù).

從式（15），（16），（19），（20）和（21）可見，最優(yōu)功率分配和子載波對分配不僅取決于信道增益，還取決于各個用戶的業(yè)務(wù)時延QoS要求，即QoS指數(shù)θk.因此，本文提出的資源分配算法是一種基于QoS驅(qū)動的資源分配算法.

3　仿真結(jié)果與分析

本文通過MATLAB編程和計算機仿真，驗證本文提出的算法性能.仿真設(shè)置參數(shù)如下：假設(shè)信道為功率延時譜服從指數(shù)式衰減的多徑信道，歸一化均方根時延設(shè)置為1，多徑數(shù)量為6，子載波個數(shù)為N＝128.幀時長Tf＝2ms，系統(tǒng)帶寬B＝100kHz.各子載波信道的加性高斯白噪聲方差設(shè)為1.系統(tǒng)用戶數(shù)為2.源與用戶之間的距離歸一化為dSD＝1，大尺度路徑衰落指數(shù)設(shè)為4.假設(shè)源與中繼以及中繼至終端用戶的距離相等，即dSR＝dRD＝0.5，dSR為源與中繼的距離，dRD為中繼與目標(biāo)的距離.

圖2　OFDMA中繼系統(tǒng)子載波對與功率分配聯(lián)合優(yōu)化算法Fig.2　Joint optimization algorithm of subcarrier pair andpower allocation for OFDMA relay systems

為驗證本文提出的算法的性能，不失一般性，假設(shè)系統(tǒng)存在2個用戶.進行比較的算法包括：①基于子載波最優(yōu)配對的最優(yōu)功率分配算法，即分別把兩跳的子載波按信道增益大小進行排序，然后把兩跳相同序號的子載波進行配對，并由此確定子載波對分配；②基于子載波最優(yōu)配對的等功率分配算法，其子載波配對和子載波對分配方式與①相同，但各子載波分配功率相等，且滿足時延QoS約束條件；③基于子載波對信道增益最優(yōu)分配的最優(yōu)功率分配算法，兩跳的子載波按信道增益及大小順序進行配對，并在此條件下進行最優(yōu)功率分配；④基于子載波對信道增益最優(yōu)分配的等功率分配算法，子載波配對和子載波對分配的方式與③相同，但各子載波分配功率相等，且滿足時延QoS約束條件.

圖3　同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同資源分配算法系統(tǒng)消耗總功率（θ1＝θ2＝900）Fig.3　The total consumed power of different resource allocation algorithm in homogeneous networks（θ1＝θ2，＝＝900）

圖3比較了同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶業(yè)務(wù)時延QoS要求不同時不同資源分配算法得到的系統(tǒng)總功率.其中，用戶1和用戶2的時延值θ相同，θ1＝θ2，有效帶寬相同，.由圖2可見，隨著時延QoS指數(shù)θ值的增大，即業(yè)務(wù)時延QoS要求變得更加嚴(yán)格，系統(tǒng)消耗的總功率將會增加.這是因為當(dāng)時延QoS要求變得嚴(yán)格時，系統(tǒng)傳輸速率將會增加，從而使得系統(tǒng)消耗總功率增加.同時，從圖3還可見，本文提出的算法對所有時延QoS指數(shù)θ值，都能取得最小的系統(tǒng)總功率.而且，圖3的仿真結(jié)果也說明了與子載波配對和子載波對分配相比，對系統(tǒng)功率進行最優(yōu)分配可更有效地降低系統(tǒng)總功率消耗.

圖4進一步比較了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中本文提出的算法與已有算法的性能.其中，用戶1和用戶2的時延值θ相同，θ1＝θ2，有效帶寬不同，900.與同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果類似，從圖3可見，隨著業(yè)務(wù)時延QoS要求變得更嚴(yán)格，系統(tǒng)消耗的總功率將會增加，而且本文提出的算法對所有時延QoS指數(shù)θ值，都能取得比已有算法更小的系統(tǒng)總功率.同時，也進一步驗證了與子載波配對和子載波對分配相比，對系統(tǒng)功率進行最優(yōu)分配可更有效地降低系統(tǒng)總功率消耗.但與同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不同，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，時延QoS變得更加嚴(yán)格將會使得系統(tǒng)消耗總功率快速增加.

圖4　異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同資源分配算法系統(tǒng)消耗總功率（θ1＝θ2＝900）Fig.4　The total consumed power of different resource allocation algorithm in heterogeneous networks（θ1＝θ2，＝600，＝900）

進一步地，從圖3和圖4還可見，等功率分配算法在時延QoS要求寬松和嚴(yán)格時，系統(tǒng)消耗總功率較大，也即性能較差.這是因為其在分配功率時，既沒考慮用戶時延QoS要求，也沒考慮用戶的信道增益.同時，當(dāng)采用最優(yōu)功率分配時，基于子載波對信道增益最優(yōu)分配的子載波對分配算法比基于子載波最優(yōu)配對的子載波對分配算法性能更好.最后，當(dāng)采用子載波對與最優(yōu)功率分配聯(lián)合優(yōu)化算法時，雖然子載波配對不是最優(yōu)，但仍可取得比其他已有算法更大的系統(tǒng)性能增益.

4　結(jié)　論

本文研究了OFDMA中繼系統(tǒng)基于QoS驅(qū)動的節(jié)能資源分配優(yōu)化算法，目標(biāo)是在滿足業(yè)務(wù)時延QoS要求的前提下，最小化系統(tǒng)的總功率，實現(xiàn)節(jié)能綠色通信.基于有效容量模型，把OFDMA中繼系統(tǒng)的資源分配問題形成為混合整數(shù)規(guī)劃問題，并通過連續(xù)松弛方法，把該問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題.通過求解此凸優(yōu)化問題，提出了資源分配迭代優(yōu)化算法.仿真結(jié)果表明，在不同類型時延QoS要求的業(yè)務(wù)下，與已有算法相比，本文提出的資源分配優(yōu)化算法在節(jié)省系統(tǒng)功率消耗方面均可取得明顯的性能增益.

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Study on QoS-driven energy-efficient resource allocation algorithm in OFDMA relay system s

TANG Dong，CHEN W ei，HUANG Gao-fei，ZHENG Hui，LIU Gui-yun，LIU W ai-xi

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Guangzhou University 510006，China）

In the paper，the QoS-driven energy-efficient resource allocation algorithm for OFDMA amplify-andforward relay systems is investigated.The goal is tominimize the system total power while providing delay QoS guarantees for the services of the users in the system.Firstly，based on the effective capacity model，the resource allocation problem is formulated as a mixed integer programming problem.Then，the problem is transformed into a convex problem by continuous relaxation on integer constrains.By solving the convex problem，an alternative algorithm to optimize the resource allocation is developed.The derived analytical and simulation results show that compared with the existing algorithms，the developed resource allocation optimization algorithm can decreasemuch power consumption under various delay QoS constraints of transmission services.

Orthogonal Frequency Division Multiple Access（OFDMA）；wireless relay；quality of service（QoS）；subcarrier pair allocation and power allocation；effective capacity；convex optimization

1671-4229（2015）06-0060-05

2015－09－17；

2015－11－18

國家自然科學(xué)基金資助項目（61403089）；廣東省科技計劃資助項目（2013B010402018，2013B020200016）；廣州市科技計劃資助項目（2014J4100142，2014J4100233）；廣州市教育局科技計劃資助項目（2012A082）

唐 冬（1967－），教授，工學(xué)博士.E-mail：tangdong＠gzhu.edu.cn

【責(zé)任編輯：陳鋼】