協作OFDM系統中的子載波選擇算法

刁新穎

(中國電子科技集團公司第20研究所通信事業部，陜西西安 710068)

在協作分集通信系中，多個協作用戶共享天線，構成虛擬多天線系統，使得接收端可以獲得分集增益［1］。Laneman［2］提出了 3 種協作策略:固定中繼(Fixed Relaying，FR)、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。

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是重要的解決高速數據傳輸問題的手段。OFDM系統中的資源分配技術可以高效地利用信道，提高頻譜效率。

協作分集系統采用OFDM技術可以有效對抗多徑衰落信道對通信系統性能的影響、改善系統容量、提高頻譜利用率［3－4］。當協作OFDM系統采用子載波選擇方案時，要確定合適用于中繼傳輸的子載波［5］?；贒F的協作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的協作OFDM系統采用的子載波選擇方案，根據容量準則確定子載波是否用于中繼傳輸，給出了子載波選擇算法，并且給出仿真結果。

1 系統模型

系統環境為平坦瑞利衰落信道下的協作分集系統，由一個源S，一個目的地D和中繼R組成，都配置單天線。源節點采用N個子載波的OFDM調制。假定第k個子載波的源節點到目的節點的信道信息為hsd，k;源節點到中繼節點的信道信息為 hsr，k;中繼節點到目的節點的信道信息為hrd，k;中繼節點的噪聲方差為σ2r;目的節點的噪聲方差為σ2d。

圖1 協作分集的系統框圖

每個發送周期分為兩個時隙，在第一個時隙，源節點先向目的地和中繼發送OFDM信號，在第二個時隙中，第k個子載波的中繼方案可以定義為ηk，對于ηk=1，中繼節點以AF方式轉發第一個時隙接收到的源節點信息，目的節點采用最大比合并的方式，將源到目的節點直接鏈路和中繼鏈路的接收信號合并。對于ηk=0，中繼不工作，目的節點只接收源到目的節點的直接鏈路信號。

由于中繼采用AF方案，放大因子為

其中，pS，k表示源節點第 k個子載波的發射功率;pR，k表示中繼節點轉發第k個子載波信息時的發射功率。

則中繼傳輸的第k個子載波上目的節點接收到的信噪比為

所以第k個子信道采用中繼時的信道容量為

不采用中繼時的信道容量為

可以得出采用子載波中繼選擇方案時第k個子信道的信道容量為

子載波選擇就是確定ηk使系統總容量CI最優。

2 子載波選擇算法

式(5)可以寫為

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

其中

Ξ(pS，k，pR，k)可以計算出漸近線為

為獲得容量增益，漸近線必須＞1，所以必須滿足

對于不滿足上述條件的子載波k，設定ηk=0。對于滿足上述條件的子載波k，設定ηk=1，完成子載波選擇。

3 仿真結果與分析

根據前面提出的子載波選擇算法，對不同中繼位置的協作OFDM系統的容量進行仿真，并且對比了本文的子載波選擇算法、無中繼傳輸的OFDM系統和無子載波選擇即所有子載波都采用中繼傳輸的系統容量。

仿真采用16個子信道的OFDM調制，所有子載波平均分配發射功率，PS、PR分別表示源節點和中繼節點的總發射功率，即。源到目的節點直接鏈路的平均信噪比γr=0 dB，衰落信道服從正態分布

仿真取α=3，L=4，d表示節點間距離。設噪聲σ2d=σ2r=4.14 ×10－17，根據信道增益分布可以計算出ak、bk和 ck。

圖2描述了當中繼節點在源與目的節點的中點時，子載波選擇、無中繼和無子載波選擇的OFDM協作分集系統的容量?？梢钥闯?首先，采用本文提出的子載波選擇算法的中繼系統容量優于無中繼和無子載波選擇時系統。再者，無中繼時系統中繼保持常數不變，所有子載波都參與中繼系統可以在中繼節點發射功率較高時改善系統容量，例如 PR＞0.04PS時，說明在PR/PS較低時，不是所有子載波都適合采用中繼方式傳輸，所以此時采用子載波選擇的中繼系統容量接近于無中繼時的系統容量;PR/PS較高時，所有子載波都采用中繼傳輸會顯著提高系統容量，所以，采用子載波選擇的系統容量接近于全部子載波都采用中繼傳輸的系統容量。

圖3描述了系統容量與中繼位置的關系。仿真采用PR/PS=1。對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容量，當中繼向源或目的節點移動時，系統容量降低;當中繼節點位置靠近源或目的節點時，無子載波選擇的中繼系統的容量會惡化，低于無中繼傳輸的OFDM系統，因為當中繼位于這些位置時，中繼鏈路的接收信噪比將受限于較長距離的無線信道。

圖2 系統容量與中繼/源功率比的關系

圖3 系統容量與中繼位置的關系

4 結束語

提出了一種協作OFDM系統中的子載波選擇算法，根據容量準則，當某子信道滿足可以提高系統容量的條件時，才用于中繼傳輸，否則不采用中繼。通過仿真得出結論:子載波選擇算法可以改善系統容量，并且選擇合適的中繼節點發射功率和中繼位置，可以顯著提高系統容量，當中繼節點位于源與目的節點的中點時，系統容量最大。

［1］NOSRATINIA A，HUNTER T E，HEDAYAT A.Cooperative communication in wireless network ［J］.IEEE Communications Magazine，2004，42(10):74 －80.

［2］LANEMAN J N，TSE D N C，WORNELL G W.Cooperative diversity in wireless networks:efficient protocols and outage behavior［J］.IEEE Transaction on Information Theory，2004，50(12):3062 －3080.

［3］WONG C Y，CHENG R S，LATAIEF K S，et al.Multiuser OFDM with adaptive subcarrier，bit，and power allocation［J］.IEEE J.Sel.Areas Commun，1999，17(10):1474 －1758.

［4］RHEE W，CIOFfi J M.Increase in capacity of multiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation［C］.Tokyo:in Proc.IEEE 51st Veh.Technol.Conf.(VTC 2000 －Spring)，2000，2:1085 －1089.

［5］HAMMERSTROM I，WITTNEBEN A.On the optimal power allocation for nonregenerative OFDM relay links［C］.In Proc IEEE International Conf.Commun.(ICC'06)，2006，10:4463－4468.

［6］VANDENDORPE L，DURAN RT，LOUVEAUX J，et al.Power allocation for OFDM transmission with DF relaying［C］.In Proc.IEEE ICC'08，2008:3795－3800.