通信系統(tǒng)在傳輸過程的功率分配模式

 

文/吳學(xué)璇

 

摘要：對比傳統(tǒng)方法，信息在傳輸過程中授權(quán)用戶的狀態(tài)會隨時發(fā)生變化，對此我們需要改進功率分配策略，以增大系統(tǒng)容量。本文分析了靜態(tài)分配和動態(tài)分配這兩種常用功率分配策略的弊端，提出了將遺傳算法帶入功率分配算法中的優(yōu)化分配模式，并進行了仿真檢驗。

 

【關(guān)鍵詞】通信系統(tǒng) 傳輸 功率分配 

 

隨著移動用戶數(shù)量的急劇增加以及用戶對多種移動通信業(yè)務(wù)需求的不斷增長，未來無線通信對系統(tǒng)容量有了更高的要求。特別是信息在傳輸過程中授權(quán)用戶的狀態(tài)會隨時發(fā)生變化，系統(tǒng)容量比其他性能指標(biāo)顯得更為重要。如何改進功率分配策略，以增大系統(tǒng)容量是相關(guān)技術(shù)人員當(dāng)前面臨的一大難題。

 

1 系統(tǒng)優(yōu)化算法描述

 

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)能夠有效地對抗多徑干擾，在第四代移動通信系統(tǒng)中得到了深入運用。OFDM 系統(tǒng)的資源分配方法通常采用的是靜態(tài)和動態(tài)這兩種分配策略，其中靜態(tài)資源分配策略是為用戶分配固定的子信道和功率，沒有考慮信道環(huán)境因素，以及如何對有效的系統(tǒng)功率進行合理利用；動態(tài)資源分配策略則可以根據(jù)信道環(huán)境的變化，對功率分配策略進行調(diào)整，但是動態(tài)資源分配算法往往較為復(fù)雜，不易實現(xiàn)。

 

為了解決靜態(tài)和動態(tài)這兩種常規(guī)分配策略的弊端，本文提出了一種新的功率分配方法，從而實現(xiàn)用戶功率分配的公平性，以及增大系統(tǒng)容量，使其最大化被利用。該分配方法能夠保證用戶擁有最低速率以及功率平均分配的情況下，先對子信道進行分配，從而實現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化；然后再對功率分配策略進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)所有用戶擁有公平的速率比例，并維持系統(tǒng)在最大容量狀態(tài)下正常運作。同時本文利用遺傳算法原理來降低分配算法的復(fù)雜度。

 

2 系統(tǒng)模型

 

 OFDM 系統(tǒng)的模型如圖1所示。

 

2.1 運行原理

 

（1）第二 OFDM 收發(fā)機對信道狀態(tài)信息進行更新，并將更新后的信道狀態(tài)信息發(fā)送至第一OFDM 收發(fā)機中；

 

（2）第一 OFDM 收發(fā)機接收到信道信息后，將其發(fā)送到“資源分配算法模塊”中，資源分配算法模塊會根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求，分析當(dāng)前寬帶信息以及接收到的信道信息，通過算法計算，得出的結(jié)果，就是最優(yōu)資源分配方案；

 

（3）資源分配算法模塊將分配方法反饋給第一OFDM收發(fā)機，第一 OFDM 收發(fā)機再反饋給第二OFDM 收發(fā)機，兩個 OFDM 收發(fā)機開始執(zhí)行分配方案，為用戶分配系統(tǒng)資源和功率，并對子信道中的用戶數(shù)據(jù)進行更新。

 

利用這樣的原理，子信道分配方案和功率分配方案就會隨著信道環(huán)境的變化而自動適應(yīng)并做出相應(yīng)的調(diào)整。

 

2.2 數(shù)學(xué)表達(dá)式

 

假設(shè)當(dāng)前 OFDM 系統(tǒng)中有 N個用戶，M 個子信道，在功率一定的條件下，通過對系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，能夠確定子信道分配方案和功率分配方案，從而實現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化利用。因為在系統(tǒng)添加了“比例公平”的要求，所以系統(tǒng)中每個用戶都必須擁有比例速率。

 

優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 

 

約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

 

對于所有的n和m，

 

對于所有的n，

 

R1：R2：…:Rn=γ1：γ2：…：γn

 

在上述公式中，N表示系統(tǒng)中的用戶總數(shù)量，M 表示系統(tǒng)的子信道數(shù)量，ρn,m 表示用戶 n 在子信道上的信道增益，只取值 0 和 1，表示信道 m 是否分配給了用戶 n，Pn,m 表示用戶 n 在子信道上的功率，M0 表示功率譜密度，B 表示系統(tǒng)有效寬帶，Ptoatl 表示系統(tǒng)總功率。 表示用戶間的速率比，是為了確保系統(tǒng)總?cè)萘吭谟脩糁�間的比例分布公平。

 

3 功率分配

 

在進行功率分配前，要先對子信道進行分配，假設(shè)系統(tǒng)的總功率在所有自信道中是平均分配的模式，在對子信道分配過程中，加入遺傳算法，其具體流程如圖2所示：經(jīng)過上述算法對子信道進行分配，能夠獲得一個最優(yōu)值的方案，這個方案能夠保證用戶擁有最低速率，同時能夠?qū)π诺廊萘窟M行最大化利用。在這種基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)功率進行分配，其目的是實現(xiàn)所有用戶擁有公平的速率比例，并維持系統(tǒng)在最大容量狀態(tài)下正常運作。

 

3.1 功率分配數(shù)學(xué)表達(dá)式

 

（1）優(yōu)化目標(biāo)數(shù)學(xué)表達(dá)式： 

 

（2）約束條件數(shù)學(xué)表達(dá)式： 

 

對于所有的k和n，

 

在表達(dá)式中，An 表示第 n 個用戶的子信道分配方案。

 

3.2 功率分配流程

 

功率分配雖然同樣利用了遺傳算法原理，但是與子信道分配不同的是，功率分配是針對多個目標(biāo)的優(yōu)化，優(yōu)化遵循的原則為：維持系統(tǒng)在最大容量狀態(tài)下運行；保證所有用戶分配到的功率總和不超過系統(tǒng)的總功率；保證用戶所分配的速率公平。具體流程圖如圖3所示。

 

3.2.1 隨機產(chǎn)生初始染色體

 

隨機生成一個初始種群，種群個體數(shù)量為M，每個個體命名為一個染色體，每個染色體含有 N 個元素，每個元素的值代表用戶分配到的功率比例，元素值范圍為0～1 （0為沒有，1為全部），所有元素值相加小于 1。

 

3.2.2 評估每個染色體的適應(yīng)度

 

功率分配是針對多個目標(biāo)的優(yōu)化，所以它的使用度函數(shù)包括：系統(tǒng)容量和比例公平兩部分。在計算染色體適應(yīng)度時，需要分別評估系統(tǒng)容量的適應(yīng)度和比例公平的適應(yīng)度。前者是由函數(shù)的計算權(quán)值來決定染色體的數(shù)量，權(quán)值越大，分配的染色體（M 值）越多。在本次分配方案中，將比例公平的權(quán)值設(shè)為 0.6，系統(tǒng)容量的權(quán)值設(shè)為 0.4，即如果有 100 個子信道，其中60個用來評估系統(tǒng)容量的適應(yīng)度，40個用來評估比例公平的適應(yīng)度。

 

3.2.3 整合染色體

 

對于上一步中分開計算的適應(yīng)度值，在該環(huán)節(jié)同樣需要根據(jù)不同的適應(yīng)度各自計算染色體的體重，并將其整合為一個染色體，從而以單個染色體的形式進行后續(xù)操作。

 

3.2.4 產(chǎn)生新的種群

 

選擇：設(shè)定 Ps 為選擇概率，在進行第一次迭代時，隨機生成W個染色體，計算出每個染色體的適應(yīng)度，并舍棄掉 W*Ps 個適應(yīng)度較低的染色體。

 

（1）交叉：設(shè)定 PC為交叉概率，隨機選擇剩余染色體中的一個節(jié)點，然后根據(jù) PC 來交換父代節(jié)點，使其產(chǎn)生子代。

 

（2）變異：設(shè)定 Pm為變異概率，根據(jù) Pm 隨機選擇一定數(shù)量的染色體，改變其元素值。

 

（3）終止條件：當(dāng)?shù)�代次�?shù)達(dá)到 300 時，即Gen=300 時，遺傳算法停止，并將最終結(jié)果返回。

 

當(dāng)遺傳算法結(jié)束時，系統(tǒng)的總功率以最優(yōu)化的方案分配給了各個用戶，不僅維持系統(tǒng)在最大容量狀態(tài)下運行，而且保證了用戶之間的速率比例公平。

 

4 仿真結(jié)果與分析

 

仿真是將分配方案放在參數(shù)環(huán)境下進行驗證的過程，本次仿真中，首先會對系統(tǒng)最大容量的理論值、分配后系統(tǒng)最大容量的真實值進行對比分析；然后會對系統(tǒng)中每個用戶的比例速率情況進行分析；最后會對系統(tǒng)中具有不同用戶數(shù)量時用戶的最低速率進行分析。

 

4.1 不同分配方案的系統(tǒng)容量

 

4.1.1 參數(shù)設(shè)定

 

系統(tǒng)中用戶數(shù)量為8 個，子信道數(shù)量為 64個，無線信道為 6 徑信道，系統(tǒng)總功率 Ptotal 為1W，系統(tǒng)可用寬帶頻率為 1MHz，功率譜密度 M0為 -80dB/Hz。分配方案中遺傳算法的參數(shù)設(shè)定為：染色體個數(shù) W 為 100 個，選擇概率 Ps 為 0.9，交叉概率 Ps 為 0.7，變異概率 Pm 為 0.035，終止條件Gen 為300次。

 

4.1.2 仿真結(jié)果

 

具體對比結(jié)果如圖4所示。

 

由圖 4 可以看出，只進行子信道分配后的總系統(tǒng)容量要小于最大容量分配值，這是由于在分配過程中需要保證用戶的最低速率。在進行子信道和功率分配后，總系統(tǒng)容量要略小于子信道分配后的總系統(tǒng)容量，這是由于在分配后，要維持系統(tǒng)最大容量運行，并保證用戶速率比例公平，所以染色體的權(quán)值要稍大一些。

 

4.2 不同用戶的歸一化速率

 

4.2.1 參數(shù)設(shè)定

 

設(shè)定用戶速率比為γ1=γ2，γ3=γ4…=γ8=1。

 

4.2.2 仿真結(jié)果

 

具體對比結(jié)果如圖5所示。

 

由圖 5 可以看出，要實現(xiàn)系統(tǒng)最大容量分配，就需要將所有資源分配給 1 個用戶，該用戶速率比例為 1，其他用戶為 0。靜態(tài)分配秉持傳輸速率完全公平的原則，卻忽略了速率比例的公平，所以無法滿足用戶對速率比例公平的需求。僅進行子信道分配后，每個用戶均已滿足最低速率要求，在進行子信道、功率分配后，用戶間的速率按照比例公平系數(shù)分布，實現(xiàn)了速率比例公平。

 

4.3 不同用戶數(shù)量的用戶最小速率

 

4.3.1 參數(shù)設(shè)定

 

使用上述參數(shù)。

 

4.3.2 仿真結(jié)果

 

具體對比結(jié)果如圖6所示。

 

由圖 6 可以看出，遍歷子信道的功率分配算法能夠?qū)ψ有诺肋M行合理分配，相比起靜態(tài)分配，它能夠更好的保證用戶的最小速率，但是本文利用遺傳算法得出的動態(tài)分配算法比起遍歷子信道的分配算法又要優(yōu)越一些，能夠在系統(tǒng)容量上進行增益。

 

5 結(jié)束語

 

綜上所述，信息在傳輸過程中授權(quán)用戶的狀態(tài)會隨時發(fā)生變化，系統(tǒng)在進行功率分配時，不僅需要保證用戶的最小速率，以及用戶間速率比例的公平，還要維持系統(tǒng)容量在最大化狀態(tài)下穩(wěn)定運行，所以就需要對傳統(tǒng)分配策略進行優(yōu)化，本文的仿真結(jié)果證明，將遺傳算法融入功率分配算法中，能夠有效滿足以上需求。

 

參考文獻

 

[1]曹哲.無線中繼通信系統(tǒng)中的功率分配與切換控制研究[D].南京航空航天大學(xué) ,2012.

 

[2]李榮凱.AF協(xié)作通信系統(tǒng)中節(jié)點選擇和功率分配問題的研究 [D]. 山東大學(xué) ,2011.

 

[3]楊曉峰.協(xié)作通信系統(tǒng)中繼選擇與功率分配技術(shù)研究 [D]. 西南交通大學(xué) ,2011.

 

[4]殷玲.雙向協(xié)作通信系統(tǒng)的中繼選擇與功率分配算法研究 [D]. 湖南大學(xué) ,2013.

 

[5] 徐磊 . 無線協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作中繼傳輸問題的研究 [D]. 安徽大學(xué) ,2012.

 

作者簡介

 

吳學(xué)璇（1992-）女，河南鄭州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。研究方向為無線移動通信。

 

作者單位

 

鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院通信工程系　河南省鄭州市　450001