| 标题 | OFDM中继网络中的资源复用策略 |
| 范文 | 陈东,苏莉萍 摘 要：OFDM与中继技术是下一代无线通信系统的重要候选方案。针对OFDM蜂窝中继网络，为进一步提高系统吞吐量与资源利用率，提出了一种集中式的小区内资源复用方案。基于对网络中直传用户与中继用户的信干噪比分析，通过设定一个有效的滞后门限以及各节点的有限反馈，基站能预估直传资源被复用后系统总容量的变化趋势。仿真表明，该方法能提升后5%用户的平均信干噪比，且能增强系统的总容量，是一种良好的资源复用方案。 关键词：OFDM中继; 资源复用; 滞后门限; 有限反馈; 容量增强 中图分类号：TN915-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)09-0054-03 Reuse Strategy of Resources in OFDM Relay Networks CHEN Dong1, SU Li-ping2 (1. Guangxi Teachers Education University, Nanning 530023, China; 2. Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nanning 530007, China) Abstract： Orthogonal frequency division multiplex (OFDM) and relaying techniques are the important candidate schemes applied to the coming generation wireless communication systems. Taking the throughput enhancement and resource utilization improvement into account, a centralized intra-cell spectral reuse strategy is proposed for OFDM relaying networks. Based on the signal to interference and noise ratio (SINR) analysis for direct users and relay users, the base station can evaluate the variation trend of the system total capacity after the reuse through an effective hysteresis threshold and the limited feedback from different nodes. Simulation results show that the proposed scheme can improve the average SINR of last 5% users, enhance the total throughput, and is a good reuse strategy. Keywords： OFDM relaying; resource reuse; hysteresis threshold; limited feedback; throughput enhancement 0 引 言 正交频分复用(OFDM)是下一代无线通信系统中的候选技术，它能有效抵制无线空间中多径因素带来的影响，提高传输速率、传输质量以及资源利用率［1］。随着协同通信的发展，中继节点(RN)通过两跳传输能够有效地提高传统蜂窝网络的吞吐量，并扩大小区的覆盖范围，增强系统性能［2］。因此，OFDM中继网络已成为当前的研究热点［3］。 由于中继节点具有半双工特性，它会导致一定程度的频谱效率损失，因此，需要设计资源复用方案以保证系统频谱效率的提升。另一方面，中继作为网络中的一个新节点，使得原有蜂窝系统的干扰分布发生相应变化，用户将受到来自相邻小区的基站与中继节点的干扰，如果无法有效控制干扰，中继系统带来的优势将逐步恶化。因此，融合干扰抑制思想的资源复用方法是亟待研究的课题。 针对宏蜂窝场景，文献［4］提出了基于联合路由的资源复用方案，为用户选择能够最大程度提高小区吞吐量的复用资源。文献［5］提出了一种频率复用系数大于1的方案，主要思想是针对BS-RN，BS-UE，RN-UE三种不同的链路，采用正交的资源块，且它们的复用度不同。文献[5]中的方案容易实现，复杂度低，系统开销小，在业务分布均匀时，可以很好地抑制干扰，提高系统性能，尤其是能够最大限度的扩大小区覆盖范围；缺点是实际网络绝大多数时候的业务分布都不均匀，这种方案的适应性差，会导致性能恶化。此外，文献[6]提出了基于软频率的资源复用策略，主要目的在于躲避系统中的干扰。文献[7]提出了一种蜂窝中继网络中的基于频率划分的资源复用策略。但是，绝大部分资源复用策略都是适合于中继网络小区间的方案，对于小区内BS与RN资源复用的研究不多，需要进一步探讨。 基于上述分析，针对OFDM中继系统，本文提出了一种集中式的小区内资源复用方案，通过滞后门限值的设定，基站能预估直传资源被中继用户复用后，系统吞吐量的变化趋势，以进一步提升中继网络的吞吐量。 1 系统模型 OFDM中继网络的系统模型如图1所示。基站BS放置在每个小区中心，小区由三个扇区构成，每扇区部署一个中继节点，且RN部署在2/3小区半径的位置。假设系统总带宽为B，包含了N(n=1,2,…,N)个正交的子载波。系统采用TDD半双工的模式，第一时隙,由BS向RN和直传用户广播数据;在第二时隙，BS向直传用户(dUE)发送数据，RN向中继用户(rUE)发送数据［8］，如图2所示。 图1 蜂窝中继系统示意图(三扇区) 图2 直传与中继用户的时隙资源分配 假设每个小区均匀分布K(k=1,2,…,K)个用户，基站在第n号子载波上的发射功率为PBS,n;中继节点在第n号子载波上的发射功率为PRN,n;h0,n，h1,n，h2,n分别代表了第n号子载波在BS-UE，BS-RN，RN-UE三条链路的信道增益;σ2是高斯白噪声功率。假设子载波n分配给了用户k，若采用直传链路，用户k的接收容量为: Ckd,n=BNlog(1+γkd,n) (1) γkd,n=PBS,nh20,n∑inter(PBS,nh20,n+PRN,nh22,n)+σ2 (2) 式中:γkd,n是直传用户kd的信干噪比(SINR)。同理，若用户k采用中继链路传输，则容量为［9］: Ckr,n=B2Nmin{log(1+γkr,n,1),log(1+γkr,n,2)} (3) γkr,n,1=PBS,nh21,n∑interPBS,nh21,n+σ2 (4) γkr,n,2=PRN,nh22,n∑inter(PBS,nh20,n+PRN,nh22,n)+σ2 (5) 式中:γkr,n,1和γkr,n,2分别是中继用户kr在BS-RN链路和RN-UE链路的SINR。基于式(1)~式(5)，OFDM中继网络的优化目标是最大化系统的吞吐量，该目标可以表示为：max∑Nn=1(Ckd,n+Ckr,n)。 2 资源复用策略 2.1 资源复用分析 在OFDM中继网络中，一般是基于链路的传输速率，即直传链路和中继第二跳链路的质量来给用户选择接入的节点类型。内环用户由于直传链路质量较好，绝大部分都会选择基站BS作为接入节点，而外环及小区边缘的用户由于直传链路的下降和受到较强的临区干扰，绝大部分会选择中继RN作为接入节点。但是，即使通过中继传输，小区边缘也有一些用户的SINR较差，从而严重影响系统总吞吐量。因此，可采用资源复用的方式来提升这部分用户的性能。 如图3所示，当在某个时隙资源的第二时隙，BS-dUE和RN-rUE的资源在同一个小区内是完全正交的。通过图3阴影部分的子载波复用，可以让一部分较好的直传资源为较差的中继用户复用。假设子载波n原来分配给直传用户kd使用，现在又同时让中继用户kr使用，则直传用户此时的SINR可表示为: γ′kd,n =PBS,nh20,n∑inter(IBS,n+IRN,n)+∑interIRN,n+σ2 (6) 中继用户kr在子载波n上的SINR为: Δ γ′kr,n,2 =PRN,nh22,n∑inter(IBS,n+IRN,n)+∑interIBS,n+σ2 (7) 式中:IBS,n和IRN,n为用户在子载波n上的干扰;IBS,n=PBS,nh20,n;IRN,n=PRN,nh22,n。基于SINR的分析，下面讨论资源复用的准则及算法。 图3 中继用户资源复用示意图 2.2 小区内资源复用方法 假设当用于直传用户kd的子载波n被中继用户kr复用，基于式(1)~式(7)，资源复用前，kd的容量为Ckd,n，如式(1)所示；复用之后，kd的容量可表示为： C′kd,n =BNlog(1+ γ′kd,n) (8) 式中:γ′kd,n为直传用户资源被复用后的SINR，如式(6)所示。对于中继用户kr，它能带来的容量增益为： Δ C′kr,n =B2Nlog(1+Δ γ′kr,n,2) (9) 式中:Δ γ′kr,n,2 是中继用户资源复用后的SINR。中继节点将用户kr在子载波n上的信道信息反馈给BS，而直传用户kd可测得它到RN之间的链路情况，同样反馈给BS。BS可以通过集中的方式进行资源复用前后的判断。若满足： C′kd,n +Δ C′kr,n,2 >Ckd,n (10) 且证明资源复用之后能带来容量增益，则执行直传资源的小区内复用。但仅仅提高本小区的系统吞吐量，可能会由于资源复用带来的干扰更多，从而会降低其他小区的性能，于是考虑设定滞后门限Qoffset，则判断是否复用的条件可改写为： 10log C′kd,n +Δ C′kr,n,2 Ckd,n>Qoffset (11) 如果Qoffset=0 dB，则式(10)同式(11)是完全等价的。一般假定直传资源被复用之后，至少需要带来5%的容量增益，即满足： C′kd,n +Δ C′kr,n,2 >(1+5%)Ckd,n (12) 此时，Qoffset=10log(1.05)≈0.2 dB。通过滞后门限Qoffset的引入，复用判别条件式(11)能有效地提高本小区的容量，同时也不会因为盲目大量的资源复用而导致对其他小区的干扰。 基于上述推导和分析，小区内的资源复用方案可描述为： (1) BS在直传资源中，挑选出链路质量较好的子载波资源，通过广播信息，通知到RN和直传用户； (2) RN针对小区的边缘用户SINR进行评估，结合BS广播的可复用资源信息，对应挑选出需要复用的中继用户； (3) RN将需要复用资源的中继用户第二跳CSI反馈至BS节点，对应的直传用户将它同RN的链路质量反馈至RN节点； (4) 结合RN与直传用户反馈，系统之前存储的各用户直传链路信息，以及上一时隙的干扰，BS进行资源复用准则判断； (5) 若满足条件式(11)，则执行资源复用。 3 仿真与分析 搭建一个19小区的蜂窝网络，每个扇区部署一个RN。BS的最大发射功率为49 dBm，中继节点RN的最大发射功率为30 dBm，每个小区用户数为60，系统带宽为20 MHz，小区半径为500 m，滞后门限Qoffset分别取0 dB和0.2 dB。其他仿真参数参照文献［10］。 图4给出了采样直传用户与中继用户在资源复用前后的平均SINR对比。对资源被复用的直传用户来讲，复用前的平均SINR为12.2 dB，复用后由于受到小区内RN的同频干扰，当Qoffset=0 dB时，SINR下降106%;当Qoffset=0.2dB时,SINR下降4.9%。对于中继用户来讲，复用之后边缘的SINR有所提升。可以看出,当Qoffset=0.2dB时,SINR提升是非常明显的，相对于无复用时SINR提升了1倍多，平均SINR能达到5 dB左右。因此，资源复用方案是牺牲了直传用户的SINR性能，来换取后5%中继用户的SINR性能的提升。 图4 采样直传用户与中继用户的平均SINR对比 图5给出了无复用策略，小区内复用策略1(Qoffset=0 dB)和小区内复用策略2(Qoffset=0.2dB)的系统吞吐量对比。从总的吞吐量上看，Qoffset=0 dB的策略能获得最好的性能，但是它所对应的直传性能最差，优势集中体现在中继用户的性能上。而相比之下，Qoffset=0.2dB的策略虽然总在吞吐量上有所损失，但直传和中继用户的性能更为平均，且考虑到后5%的SINR，Qoffset=0.2dB是能达到吞吐量和后5%用户SINR的折中策略。 图5 OFDM中继系统总吞吐量的对比 4 结 论 针对OFDM中继系统，本文提出了一种集中式的小区内的资源复用方案，通过滞后门限值的设定和资源复用判断准则设计，以进一步提升系统吞吐量。仿真表明，当Qoffset=0 dB时，该方案能获得最高的系统吞吐量;当Qoffset=0.2dB时，该方案不仅能提升总的系统吞吐量，还能有效改善小区边缘用户的平均SINR。集中式的小区内资源复用方案是一种可运用于LTE-A网络的良好资源分配策略。 参考文献 ［1］TSAI Y, ZHANG G, PAN J L. 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