一种新颖的多用户OFDM资源分配算法

叶兰兰，李 君，金 宁

（中国计量学院 信息工程学院，浙江 杭州 310018）

未来宽带无线通信系统将提供越来越高的数据传输速率和各种各样的服务质量（QoS：Quality of Service）要求.为了保证高速率传输的可靠性，系统不得不克服由多径衰落信道引起的符号间干扰.到目前为止，已经有多种方法来克服符号间干扰［1，2］，其中正交 频分复用技术［3-5］（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是最有前景的方法之一.OFDM技术是一种多载波调制技术，与一般调制技术不同，它具有很高的频谱利用率和抗多径干扰的能力.

在多用户环境中，多载波OFDM方法已经被许多用户共享来保证用户所需的QoS要求.在多用户OFDM系统中，分配不同的子载波和功率给不同的用户已经成为目前研究的重要内容之一.在传统的单用户OFDM系统中，一个用户可以使用所有的子载波.然而，由于每个用户所处的位置不同，不同用户所经历的衰落也不同.因此，根据信道状态信息把相应的子载波分配给不同用户的自适应子载波分配方法［6］已经得到了广泛的注意.文献［7］提出了允许具有最差平均信道增益的用户首先选择它们所需的子载波的贪婪方法.这种方法在一定程度上能提高用户传输速率，但当具有较好信道增益的子载波已经分配给某些用户后，其它用户可能会分到经历深度衰落的子载波，从而会降低用户的传输速率.文献［8］提出了子载波从最差到最好分配算法，该算法根据所有用户的信道值将子载波从最差到最好排序，然后根据已排顺序分配子载波.这种方法虽然能避免将经历深度衰落的子载波分配给用户，但当具有最高信道增益的用户已经分配到子载波后，可能会将该子载波分配给信道增益次优的用户，因此这种算法的用户传输速率也会有相应的下降.

本文提出了一种新颖的多用户OFDM资源分配算法，该算法在信道容量基础上进行子载波分配，可以有效地避免将信道容量较差的子载波分配给用户，从而最大化了用户的数据传输速率.

本文安排如下：第一部分介绍了多用户OFDM系统的体系结构；第二部分介绍了多用户OFDM系统中子载波－功率分配算法；第三部分给出模拟仿真结果并进行相关性能分析；第四部分给出结束语.

1 多用户OFDM系统的体系结构

一个自适应子载波分配的多用户OFDM系统的体系结构如图1，其中有N个子载波，K个用户.根据已知的信道状态信息（CSI：Channel State Information），基站分配相应的子载波和每符号比特数给用户，其中第k（1≤k≤K）个用户的第n（1≤n≤N）个子载波分配到的功率为pk，n总功率为Ptot.接着对这些子载波进行调制，经过调制后的子载波经过快速傅里叶逆变换（IFFT：Inverse Fast Fourier Transform），然后在串／并变换之后对每个OFDM符号插入循环前缀.最后通过一个带宽为B，加性高斯白噪声（AWGN：Additive White Gaussian Noise）为σ2＝其中N0为噪声功率谱密度）的瑞利衰落信道进行发送.

在用户接收端，首先移除循环前缀，然后通过快速傅立叶变换（FFT：Fast Fourier Transform）后，对子载波进行相应的解调和译码，最后得到恢复后的数据.因此，相应的子信道的信噪比（SNR：Signal－To－Noise）可以定义为SNRk，n＝h2k，n／σ2，对于第n个子载波，第k个用户接收到的信噪比为γk，n＝pk，nSNRk，n.

图1 多用户OFDM系统的体系结构Figure 1 Configuration of the multiuser OFDM system

2 多用户OFDM系统中子载波－功率分配算法

假设每个用户能获得完全信道状态信息，图2给出了多用户OFDM系统中子载波－功率分配问题框图.

图2 多用户OFDM系统中子载波－功率分配问题框图Figure 2 Configuration of subcarrier－power allocation in multiuser OFDM system

2.1 子载波分配

文献［7］提出了具有最差信道增益的用户首先选择子载波的贪婪算法，文献［8］提出了根据所有用户，对子载波从具有最差信道增益到具有最好信道增益进行排序，然后根据已排顺序进行子载波分配的贪婪算法.两种算法相比于普通的贪婪算法，在一定程度上都提高了系统的传输速率.但两种算法在计算存余容量时均是假定各子载波为等增益条件，因此未能最大化数据传输速率.为此，本文提出了一种新颖的子载波分配算法，该算法根据已知的信道状态信息，通过注水算法算出相应的信道容量，然后在信道容量的基础上对具有最好信道容量的子载波和用户进行子载波分配，其中h′表示已分配子载波的信道矩阵.

表1给出了子载波分配算法的一个简单实例.假设系统有3个用户，6个子载波，其中表1的（a）表示原始信道矩阵，（b）表示经过注水算法得到的信道容量.

表1 信道矩阵与相关信道容量Table 1 Channel matrix and channel capacity

其分配过程如下：

步骤1：根据已知的信道矩阵，通过注水算法算出每个用户对应子载波的信道容量.

步骤2：根据得到的信道容量，对所有的用户和子载波，将子载波从具有最好信道容量到具有最差信道容量进行排序，然后根据已排序的子载波，依次将具有最好信道容量的子载波分配给相应的用户.若某个用户已分配到N／K个子载波，则将具有次优信道容量的子载波分配给相应用户，直到所有子载波分配完成.

步骤3：得到已分配后的子载波矩阵.

表2给出了子载波分配算法实例中根据信道容量及子载波分配的情况，其中表2的（a）中圆圈所圈的数字表示已分配的子载波的信道容量，（b）表示子载波分配情况，1表示分给用户的相应子载波.通过该例子可以看出本算法在信道容量的基础上进行子载波分配，从而改变了各个子载波的增益系数，在基本保持算法复杂度的前提下，以容量优先进行子载波分配，避免了将信道容量较差的子载波分配给用户，从而提高了系统总传输速率.

（a）信道容量分配情况（b）子载波分配情况

2.2 功率分配

子载波分配完成后，接着对每个用户分配不同的发射功率，对于分配后系统的噪信比为ν＝1／SNRk，n），根据注水算法，子信道所需的发射功率可用下式表示：

在功率分配的基础上，计算了系统的总容量，可用下式表示：

3 仿真验证和性能分析

今采用IEEE802.16a标准来进行MATLAB相关仿真验证，仿真平台参数设置如下：系统带宽B＝1 MHz，用户数K＝16，子载波数N＝1024，总功率Ptot＝10－4，其中信道为瑞利衰落信道，采样点数n＝1000.

图3为噪声功率谱密度一定且为N0＝10－10情况下，文献［7］相关算法，文献［8］相关算法和本文提出新算法的用户传输速率比较图.图4为对于不同用户，三种算法的不同峰均比比较.

从图3可以看出，在不同用户数情况下，本文提出的根据信道容量优先来分配子载波的方法明显优于其它两种算法，极大地提高了用户数据传输速率.

多用户OFDM有一个缺点就是峰均比比较高，从图4可以看出，本文提出的算法相比于其他两种算法，在基本保持系统复杂度的前提下，使系统的峰均比有一定程度的降低，因此，该方法优于其他两种方法.

4 结 语

本文提出的算法通过注水算法算出相应信道容量，然后在信道容量的基础上进行子载波分配.该算法在只改变各个子载波信道增益系数的基础上，基本保持了算法复杂度，并使用户数据传输速率有一定程度的提高，同时峰均比也得到了降低.

［1］CHEN Y，LETAIEF K B，CHUANG J C.Soft－output equalization and TCM for wireless personal communication systems［J］.IEEE J Select Areas Commun，1998，16：1679－1690.

［2］LO W C，LETAIEF K B.Adaptive equalization and interference cancellation for wireless communications systems［J］.IEEE Trans，1999，47：538－545.

［3］RICHARD V N，RAMJEE P.OFDM for wireless multimedia communications［M］.Boston：Artech House，2000：33－48.

［4］SHEN Z，ANDREWS J G，EVANS B L.Adaptive resource allocation in multiuser OFDM systems with proportional rate constraints［J］.IEEE Tran Wireless Commun，2005，4（6）：2726－2737.

［5］ALEN T C，MADHUKUMAR A S，CHIN F.Capacity enhancement of a multi－user OFDM system using dynamic frequency allocation［J］.IEEE Trans Broadcast，2003，49（4）：344－353.

［6］PENG Y，ARMOUR M D，MCGEEHAN J P.An investigation of dynamic subcarrier allocation in MIMO－OFDMA systems［J］.IEEE Trans on Vehicular Technology，2007，56（5）：2990－3005.

［7］ERMOLOVA N Y，MAKAREVITCH B.Performance of practical subcarrier allocation schemes for OFDMA［C］／／Proceeding of IEEE PIMRC2007.Portugal：［s.n.］，2007：1－4.

［8］LIU T，YANG C Y，YANG L.A low－complexity subcarrier－power allocation scheme for frequency－division multiple－access system［J］.IEEE Tran Wireless Commun，2010，9（5）：1571－1576.