??? 摘 要： 對正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)系統(tǒng)中的功率分配" title="功率分配">功率分配算法進(jìn)行了研究，著重研究了等功率分配、以跟蹤大尺度衰落（TLSF）和跟蹤大尺度干擾(TLSI)為目標(biāo)的三種純靜態(tài)功率分配" title="靜態(tài)功率分配">靜態(tài)功率分配算法。并通過系統(tǒng)級仿真" title="系統(tǒng)級仿真">系統(tǒng)級仿真考察了它們對OFDMA系統(tǒng)性能" title="系統(tǒng)性能">系統(tǒng)性能的影響。
??? 關(guān)鍵詞： 功率分配? 正交頻分復(fù)用多址? 靜態(tài)功率分配? 系統(tǒng)級仿真
?
??? OFDMA技術(shù)是在OFDM的各個(gè)子載波上實(shí)現(xiàn)用戶接入的一種多址技術(shù)，尤其適用于OFDM系統(tǒng)中。它能夠更好地實(shí)現(xiàn)多用戶頻率、時(shí)間分集增益。目前，它已經(jīng)成為3GPP LTE(Long Term Evolution)計(jì)劃和3GPP2 AIE(Air Interface Evolution)的首選物理層核心技術(shù)，并有望成為4G的關(guān)鍵技術(shù)之一。
??? 對OFDM/OFDMA系統(tǒng)的功率分配算法的研究由來已久。目前研究的重點(diǎn)在于從優(yōu)化算法的角度來解決問題。參考文獻(xiàn)[1-2]中分別提出了以滿足最大系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)和以最小化系統(tǒng)功率為優(yōu)化目標(biāo)的兩種自適應(yīng)功率分配算法。這些純動(dòng)態(tài)功率分配算法都能極大地提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)性能，但它們的高復(fù)雜度成為制約其應(yīng)用的一個(gè)不利因素。為了避免其高復(fù)雜性并有效提升OFDMA系統(tǒng)性能，筆者試圖從靜態(tài)功率分配的角度出發(fā)來解決OFDMA系統(tǒng)的功率分配問題。等功率分配(EP)算法是一種簡單易行的分配算法,參考文獻(xiàn)[3]中提供了EP和自適應(yīng)功率分配算法的性能比較。本文提供了另外兩種純靜態(tài)功率分配算法，一種是以跟蹤大尺度衰落為目標(biāo)的功率分配算法(TLSF)，一種是以跟蹤大尺度干擾為目標(biāo)的功率分配算法(TLSI)。通過系統(tǒng)級仿真對其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示：與簡單的等功率分配算法(EP)相比，TLSF和TLSI算法都顯示了較好的性能，其中TLSI能提供比TLSF高10.03%、比EP高19.4%的系統(tǒng)性能。
1 OFDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和干擾建模
1.1 系統(tǒng)模型
??? 系統(tǒng)共由k(k=1,2,…,K)個(gè)基本小區(qū)構(gòu)成， 每個(gè)小區(qū)有n(n=1,2,…,N)個(gè)子載波，m(k,n)(m=1,2,…,M)表示第k個(gè)小區(qū)第n個(gè)子載波上的用戶序號(hào)，則接收信號(hào)可以表示為：
??? 
這里
為該用戶m包括天線增益、路徑損耗、陰影衰落在內(nèi)的大尺度因子。
??? 
Gi,m、PLi,m、Xi,m分別為用戶m到小區(qū)i的天線增益、路徑損耗和陰影衰落。hi,m為小區(qū)i和用戶m之間的頻率選擇性衰落信道。n為白噪聲。
1.2 干擾建模
??? (1) 前提假設(shè)：
??? ·只有小區(qū)間干擾，小區(qū)內(nèi)干擾忽略不計(jì)；
??? ·OFDM的子載波完全正交，不存在子載波間干擾；
??? ·每個(gè)用戶只有一個(gè)服務(wù)扇區(qū)，其他所有扇區(qū)作為干擾扇區(qū)。
??? (2)頻率復(fù)用因子為1的情況下，第k個(gè)小區(qū)第n個(gè)子載波上的用戶m(k,n)的干擾功率大小為[4]：
??? 
??? 由式(1)可以推出用戶m接收信號(hào)的信號(hào)干擾噪聲比為：
??? 
其中σ2為每個(gè)子載波上的噪聲功率。
2 純靜態(tài)功率分配算法
2.1 等功率分配
??? 在每個(gè)子載波上實(shí)行等功率分配的原則是最簡單直觀的靜態(tài)功率分配方法，只要子載波上有用戶接入，則系統(tǒng)為該子載波分配定量的功率。
??? 
其中Ptotal為系統(tǒng)業(yè)務(wù)信道總共可用的功率，Nk為第k個(gè)小區(qū)中已經(jīng)分配的子載波數(shù)目。
2.2 以克服大尺度衰落為目標(biāo)的功率分配算法TLSF
??? TLSF的基本目標(biāo)是跟蹤用戶的大尺度衰落，即要使功率大小至少能夠克服大尺度衰落。假設(shè)γt arg et為克服大尺度衰落所要達(dá)到的目標(biāo)信干比" title="信干比">信干比（它的大小可以通過鏈路預(yù)算得到）。TLSF算法要解決的問題可以用下式表示：
??? 
??? TLSF算法具體實(shí)現(xiàn)步驟：
??? 步驟1：
??? 由(2)式(不考慮hk,m和Ik,n)可以推出
??? 
??? 步驟2：
??? 如果已分配功率
則操作步驟1，為下一個(gè)子載波分配功率；
??? 否則，超過系統(tǒng)容量，不允許接入，算法結(jié)束。
??? 或者為了保證每個(gè)子載波上都有用戶接入同時(shí)滿足
可以為每個(gè)子載波的分配功率設(shè)置上限，用表達(dá)式表示為：若Pk,n>Ptotal/N，則Pk,n=Ptotal/N。
2.3 TLSI—以跟蹤大尺度干擾為目標(biāo)的功率分配算法
??? 如果將功率分配的目標(biāo)設(shè)定為消除用戶所受到的大尺度干擾的影響，就可以得到一種稱之為TLSI的靜態(tài)功率分配算法。
這里的大尺度干擾定義為瞬時(shí)干擾Ik,n的數(shù)學(xué)期望，即：
??? 
??? 同理可以推出大尺度的信干比：
??? 
??? 如果設(shè)定目標(biāo)信干比為γt arg et，則TLSI要解決的問題可以歸納為：
??? 
??? 考慮到衰落信道hi,m的長期效果,可以近似認(rèn)為|hi,m|=1，所以v近似為用戶實(shí)際接收到的信干比大小。在設(shè)置時(shí)，應(yīng)使它滿足用戶QOS需求。下面給出TLSI算法的具體分配步驟。
??? (1)終端反饋平均干擾狀況報(bào)告
(仿真中是通過等功率分配時(shí)的鏈路預(yù)算得到的);
??? (2)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)信噪比大小，為第k個(gè)小區(qū)的第n個(gè)子載波分配功率:
??? 
??? (3)如果已分配功率
則操作(1)，為下一個(gè)子載波分配功率；否則，超過系統(tǒng)容量，不允許接入，算法結(jié)束。
3 系統(tǒng)級仿真結(jié)果
3.1 仿真場景和參數(shù)
??? (1)仿真場景
??? 19小區(qū)，每小區(qū)三扇區(qū)。傳播模型為城市宏蜂窩模型：
??? PL(d)=128.1+37.6×log10(d),d為用戶到基站的距離，以km為單位。頻率選擇性衰落信道有兩類：用戶與服務(wù)扇區(qū)之間為8徑的TU(Typical Urban)模型；用戶與干擾扇區(qū)之間模擬為單徑的瑞利衰落信道[4]。
??? (2)OFDM/OFDMA仿真參數(shù)：
??? 參考文獻(xiàn)[5-6]，OFDM參數(shù)為帶寬9.015MHz，F(xiàn)FT大小為1 024，有用子載波601，子載波間隔15kHz，采樣頻率15.36MHz。cp長度4.75/73，子幀長度即TTI(Transmit Time Interval)為0.5ms。全部子載波分成40個(gè)子信道，每個(gè)用戶占用10個(gè)子信道，每扇區(qū)一次最多接入4個(gè)用戶, round robin調(diào)度。
3.2 仿真結(jié)果
??? 為了綜合評價(jià)算法性能，分別從用戶的大尺度信干比的cdf(cumulative distribution function)分布、系統(tǒng)的公平性、系統(tǒng)吞吐量大小來給出仿真結(jié)果。圖1給出了等功率分配與TLSF、TLSI算法對用戶信干比的影響。表1通過系統(tǒng)吞吐量的數(shù)值大小評價(jià)了算法的性能。
??? 從圖1中可以看出，與等功率分配相比，TLSF和TLSI都使得低信干比點(diǎn)用戶的C/I有了一定的改善，同時(shí)高信干比點(diǎn)用戶也有了更好的集中，這正好體現(xiàn)了功率控制的基本思想。在TLSF功率分配方法下，用戶的平均信干比可以比等功率分配時(shí)提高1～2dB；在TLSI下，可以比等功率分配時(shí)提高3dB左右。
??? 通過表1可以看出，與等功率分配相比，TLSF和TLSI均從不同程度上改善了系統(tǒng)性能，其中TLSI能提供比TLSF高10.03%、比EP高19.4%的系統(tǒng)性能。
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??? 本文對OFDMA系統(tǒng)中的功率分配算法進(jìn)行了研究，為了避免自適應(yīng)功率分配算法的高復(fù)雜性，著重研究了純靜態(tài)的功率分配算法。提出了以克服大尺度衰落為目標(biāo)的(TLSF)和克服大尺度干擾為目標(biāo)的(TLSI)兩種純靜態(tài)分配算法，并通過系統(tǒng)級仿真評價(jià)了這兩種算法對系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果表明：與簡單的等功率分配算法(EP)相比，兩種算法都顯示了較好的性能，其中TLSI能提供比TLSF高10.03%、比EP高19.4%的系統(tǒng)性能。
參考文獻(xiàn)
[1] WONG C Y, CHENG R S, LETAIEF K B, et al. Multiuser OFDM with adaptive subcarrier, bit and power allocation. IEEE Joum. on Sel, Areas in Commun., 1999,17(10):1747-1757.
[2] ?LANG J, LEE K. Transmit power adaptation for multiuser OFDM Systems. in IEEE J, Select. Area Comnun.,2003,21(2)：171-178.
[3] ?CHEE T K, LIM C C, CHOI J. Sub-optimal power allocation for downlink OFDMA system. in IEEE VTC2004Fall,2004,3:26-29:2015-2019.
[4] ?3GPP2/TSG-C.R1002. 1xEV-DV Evaluation Methodology(V14). June, 2003.
[5] ?DAVID H. Proposed text for the section on system-level simulator calibration in the evaluation criteria document.IEEE C802.20-05-44
[6] ?3GPP TR25.814. Physical Layer Aspects for Evolved UTRA.
[7] ?ANTONIO P I, ANA I. Pérez-Neira, LAGUNAS M A. On power allocation strategies for maximum signal to noise and interference ratio in an OFDM-MIMO system. IEEE Transactions On Wireless Communications, 2004,3(3):808-820.