英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
OFDMA网络中的自适应子载波功率
分配
Shailendra Singh，IEEE会员，Moloud Shahbazi，Konstantinos Pelechrinis，IEEE会员， Karthikeyan Sundaresan，IEEE高级会员，Srikanth V. Krishnamurthy，IEEE会员和Sateesh Addepalli，IEEE会员
摘要 - 在当今的OFDMA网络中，传输功率通常是固定的，并且对于构成信道的所有子载波来说都是相同的。 然而，子载波经历不同 程度的衰落，因此，对于不同的子载波，接收功率是不同的; 而一些频率经历深度衰落，而另一些则相对不受影响。 在本文中，我 们提出了一个通过副载波重新分配功率的情况（受固定功率预算约束的限制），以更好地处理这种频率选择性。 具体而言，我们设 计了联合功率和速率适配方案（简称JPRA），其中功率再分配与子载波级速率适配相结合以产生显着的吞吐量益处。 我们进一步考 虑了JPRA的三种变体：（a）JPRA-Basic，其中功率在子载波上重新分配，以支持所有子载波上的最大共用速率
（b）JPRA-Intermediate，其中功率跨子载波重新分配，以支持子载波“子集”上的最大共同速率，从而使总速率达到最大。 （c） JPRA-Adaptive其中，目标是重新分配功率，使分组的传输时间最小化。 虽然前两种方案降低了收发器的复杂性并且更简单，但第三 种方案的目标是实现最大吞吐量。 我们在WARP无线电测试平台上实施JPRA的所有三种变体。 我们的大量实验表明，与FARA相比， JPRA在测试台实验中的总网络吞吐量可以提高35％，而FARA是仅使用子载波级别速率自适应的方案。 我们还进行模拟演示JPRA在大 规模网络中的功效。
索引词 - 速率自适应，功率分配，正交频分复用（OFDM），频率选择性衰落
1 介绍
对通过无线信道传输大量数据的方法的需求激增导致近来对正交频分复用（OFDM）的兴趣。 时间分散和频率选择[1]无线信道的性质引起符号间干扰和信号退化（由于衰落），这是无线通信中的严重障碍。 OFDM通过将信道 划分为比信道相干带宽窄得多的子载波来消除频率选择性衰 落[1]。 这将频率选择性衰落信道减少为一组平坦衰落副载 波。多项测量研究[2]，[3]在实践中验证了频率多样性的存 在。 IEEE标准[4]针对这种系统所规定的当前实施方式不包 括用于基于信道状态自适应地向副载波分配功率的方案信息；
S. Singh，M. Shahbazi和SV Krishnamurthy与加利福尼亚大学计算 机科学系加州大学河滨分校 92521 联系。电子邮件： {singhs ， mshah008，krish }@cs.ucr.edu.
bull; K. Pelechrinis与宾夕法尼亚州匹兹堡匹兹堡大学信息科学系合作。 电子邮件：kpele@pitt.edu.
- K. Sundaresan与移动通信和网络部门合作，NEC Labs America，新
- 泽西州普林斯顿。 电子邮件：karthiks@nec-labs.com.
- S. Addepalli与Cisco，San Jose，CA 95128合 作。电子邮件：sateeshk@cisco.com.
相反，这些系统均匀地分配所有副载波上的总发射功 率预算（在没有CSI知识的情况下用等功率注水[5]）。 然而，在接收机处，由于每个子载波通常经历不同的衰落，因此不同的子载波可支持的传输速率可能不同。 图1显示了不同子载波显示a的情况。单个链路上的SNR最高可达12 dB。空间和时间多样性可能会使不同时间的单个发送者和多个
接收者之间的通信进一步复杂化。考虑到接收机位置的不同， 每个接收机可能会有不同的多径衰落特性。 即使对于相同的 接收机，不同子载波所经历的衰落效应也可能在时间上有所 不同。
传统速率自适应算法试图通过响应丢包（例如[6]）或信 噪比（SNR）变化（例如[7]）来改变传输速率来应对衰落。 但是，这些不是在每个副载波级别完成的。 因此，几个副载 波上的接收质量差会影响所支持的传输速率。 为了解决这个 问题，Rahul等人 [2]，提出FARA，一种支持每个子载波速 率适配的方案。 虽然FARA提供了超过传统速率自适应方案的 收益，但它没有直接解决频率选择问题，也没有有效利用可用功率预算
手稿于2013年3月26日收到 2014年1月31日修订 接受2014年2月
19日。
出版日期2014年3月19日; 当前版本的日期为2014年11月26日。
如图所示，但是后来，它确实提供了额外的好处，以确保传输速率转的可能性低于传统方法（稳定使用速率）。此外，与传统系 统相比，它可以为目标PDR节省大量电力。
用JPRA-Basic做出的隐含假设是所有的子载波至少可以支 持最小速率; 如果不是，考虑中的链接可能无法携带任何数 据。 此外，可能存在深度衰落的载波，并且如果将功率分配 给这样的载波，则可能对整体吞吐量性能不利。 人们可能想 要保留JPRA-Basic的简单性，但同时尝试提高其产出的吞吐 量性能。 为此，我们提出第二个JPRA-Intermediate变体。 其中，我们依次消除最坏的子载波（意味着没有分配给该子载波的功率）并在所有其他子载波上重新分配功率。 之后， 收发器可以计算出可实现的通用传输速率。 请注意这里有一 个固有的折衷。 由于我们消除了子载波，因此链路上的原始 容量有所减少。 另一方面，在剩余的子载波上可能有更高的 传输速率。 我们的目标是找到最佳的一组子载波，使总速率达到最大化。
为了通过子载波级别速率分配来最大化吞吐量， 我们提
图1.跨20 MHz频谱的频率选择性衰落; 在单个链路上不同子载波的SNR可以相差12dB。
在本文中，我们建议通过副载波重新分配功率以更好地处理频率选择性。 具体而言，我们主张适应性的，情景特定的， 副载波间传输功率的不均匀分布。 通过适当地将传输功率分 配给不同的子载波（同时遵守传输的总功率预算），并且通 过将其与适当的每个子载波传输速率的选择相结合，我们设 想实现吞吐量的显着增益。 作为我们的主要贡献，我们设计 了一个联合功率和速率适应（JPRA）方案，以实现这些设想 的好处。
第三种JPRA自适应变体。 我们的这个方案的目标是通过适当的功率重新分配来最小化分组的总传输时间。 基本上，对于JPRA自适应，功率被分配给子载波，使得在每个符号持续时间中在子载波上发送的比特总数（如映射到星座上的符号） 最大化。 举一个例子来说明，考虑一个我们只有两个子载波 的情况。 假定功率分配是这样的，即可以使用QPSK调制两个 子载波（每个符号2比特）或者可以用BPSK调制一个子载 波（每个符号1比特），而另一个可以用16比特调制，QAM（每个符号4位）。在这种情况下，由于在每个符号持续时间（5比特而不是 4比特）发送更多比特并且因此由 JPRA自适应选择，所以分组通话时间最小化。 我们希望在这里 指出，为了支持更高的调制，需要更高的接收功率。 因此， 在后一种情况下，与前一种情况（当它支持QPSK时）相比， 第二副载波上的功率（支持16-QAM）增加。 类似地，与后者 相比，第一子载波上的功率必须减小（因此，它只能支持 BPSK而不支持QPSK）。
我们在六节点WARP无线电测试平台上实施JPRA的所有版本。 我们也执行FARA [2]进行比较。 我们进行了大量的实验，这 些实验表明JPRA-Adaptive的性能优于FARA，以吞吐量计35％。 与传统的OFDMA系统（75％）相比，收益 更为显着。 我们还通过模拟在大规模设置中显示JPRA的功效。
JPRA的校准阶段。 为了确定每个副载波的正确功率电平JPRA需要一个校准阶段。 校准的目标是双重的; （i）为每个传输速率识别实际的解码阈值，以及（ii）将子载波的接 收信号中的所需改变（以便支持速率）与相应的在发件人。 我们进行多次测量以了解这种校准阶段是否可行。 我们使用 误差矢量幅度（EVM）[8]来确定维持特定传输速率所需的最 小功率电平。 我们发现这些最小功率在大量场景和节点位置 上是一致的。 这表明，不频繁的基准测量足以校准JPRA，并 将其用于数据传输期间的自适应子载波功率分配。
JPRA的变体。 我们提出JPRA的三种变体。 名为JPRA- Basic的第一个变体选择功率分配，以便可以在所有子载波 上使用“单一最佳速率”。 该最佳速率对应于接收机处所有副 载波满足EVM阈值的最高速率。 我们可以很容易地看到，由 于我们是按照固定的功率预算进行操作的，因此该方案需要 将功率从相对较好的子载波（不受衰落影响）转换为深度衰 减的功率。 这种方法的优点是它简单并且减少了收发器的复 杂性（因为它们只需要以单一速率解码）。 但是，这可能无 法产生功率重新分配时可实现的最大吞吐量。
JPRA的主要特性总结如下：
bull;吞吐量效率。与基于标准SNR的速率自适应相比，
Wong等人 [6]开发了鲁棒速率自适应算法（RRAA），该算法使用短期 丢失率来机会性地改变速率。它进一步整合了自适应RTS滤波器。
JPRA-Adaptive实现了更多网络吞吐量的75％
的增长在总的网络吞吐量方面，它的性能也超过了OFDMA速 率适配方案FARA [2] 35％的水平。
bull; 潜在的节能。 与没有重新配电的系统相比，JPRA-Basic更具能源效率。 具体而言，对于固定误码率
（BER），我们观察到功率节省达4.5 dBm。
bull; 传输速率的稳定性。 与标准的基于信噪比的速率自 适应相比，JPRA-Basic可以将速率变化的数量减少 30％。
bull; 对载波感应的影响。 由于总功率预算保持固定， JPRA不会影响数据包的接收信号强度（RSS）。
我们承认，我们的系统目前仅适用于（准）静态拓扑。 部署我们的方案所需的校准阶段在包括移动性的情况下不能 有效。但是，我们试图将移动方案作为我们未来工作的一部 分。
组织。本文的结构如下。在第2节中，我们提供相关的 背景和概述相关工作。 JPRA的校准阶段在第3节中描述。两 个JPRA变量用于功率/速率分配的细节在第4节中。第5节描 述了我们的实验和模拟结果。第6部分结束了论文。
2 背景和相关工作
在本节中，我们首先描述与我们工作相关的研究，然后简要 介绍我们系统所需的EVM计算背景。
频率选择性衰落。有研究采用速率适应来处理频率选择 性衰落。 例如，在文献[2]中，作者提出频率感知速率适应（FARA）来提高系统性能。他们将子带子集分配给每个发送 者-接收者对，并且根据接收者在这些子带上报告的SNR，发送者执行速率自适应。然而，作者并未提出一种解决方案来改善经历频率选择性衰落或低 SNR 的子载波的性能。Bhartia等人。 [3]提出了符号到子载波的智能映射。如果 符号由于频率选择性衰落而丢失，则支持部分恢复符号。他们还建议在物理层FEC之上增加一层额外的FEC码。这项工作的主要限制之一是所提出的解决方案仅与块FEC方案兼容，并且不清楚它如何与卷积或turbo码FEC一起工作[4]。部分符号恢复也需要大量的反馈信息。相反，我们的方案不受FEC选择的限制，反馈信息量也很低（我们只需要发送子载 波功率值和速率）。
速率适应。有大量关于速率适应的研究（例如[7]，[9]）。Bicket等人提出的SampleRate [9]以每10帧的随机速率探测性能，并选择最小化预期的速率传输时间（包括重传）。
以防止碰撞损失降低数据速率。 所有这些（以及许多类似的）现有方案根据帧丢失率来调整速率。RBAR [10]使用RTS / CTS交换来估计接收器处的SNR，并相应地选择传输 比特率。OAR [11]进一步建立在RBAR上，当信道质量好时， 通过机会传输背靠背帧。CHARM [12]利用无线信道的互易 性来估计接收器的平均SNR，使用后者听到的数据包。 因此 避免了RTS / CTS（与RBAR和一起存在）的开销，并且启 用了在商品卡上的实现。 Sen等人 [13]提出使用误差矢量 幅度来执行速率适应。 由于上述速率适配方案使用诸如丢包 率，信噪比和EVM平均值的信息，因此它们不能捕获频率选 择性的影响。 相反，我们试图通过使用每个子载波EVM测量 来直接解决与频率选择性衰落有关的问题。
多用户OFDM。目前关于多用户场景下的子载波，功率和 速率分配的研究还很少。 在这种情况下，单个
全文共25789字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[11900]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
