通信系統(tǒng)在傳輸過程的功率分配模式摘要：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(jìn)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(jìn)行了仿真檢驗(yàn)。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(jìn)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。一、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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(jìn)行分配，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化;然后再對功率分配策略進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)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(yùn)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。二、系統(tǒng)模型圖1OFDM系統(tǒng)框圖（一）運(yùn)行原理第二OFDM收發(fā)機(jī)對信道狀態(tài)信息進(jìn)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(jī)中；第一OFDM收發(fā)機(jī)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(jì)算，得出的結(jié)果，就是最優(yōu)資源分配方案；資源分配算法模塊將分配方法反饋給第一OFDM收發(fā)機(jī)，第一OFDM收發(fā)機(jī)再反饋給第二OFDM收發(fā)機(jī)，兩個OFDM收發(fā)機(jī)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(jìn)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。（二）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(jìn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化利用。因?yàn)樵谙到y(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：max)mmlog(1+—7~尹^)pM%MB匕2,n,Pm,nN=1M=1Ml0N約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：七/'如Pnm，Pn/0,對于所有的〃和刀N=1M=1?PnmT，Pnm=｛0，1｝，對于所有的nN=1R:R:…：R=y:Y:…：Y在上述公式中，N表示系統(tǒng)中的用2戶總數(shù)量，M表示系統(tǒng)的子信道數(shù)量，P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(xù)是否分配給了n,m用戶n，Pnm表示用戶n在子信道上的功率，M。表示功率譜密度，B表示系統(tǒng)有效寬帶，P表示系統(tǒng)總功率。｛丫伊表示用戶間的速率比，是為了確保系統(tǒng)總?cè)輙oatlii=1量在用戶之間的比例分布公平。三、功率分配在進(jìn)行功率分配前，要先對子信道進(jìn)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，其具體流程如在進(jìn)行功率分配前，要先對子信道進(jìn)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:圖2子信道分配流程圖經(jīng)過上述算法對子信道進(jìn)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(jìn)行最大化利用。在這種基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)功率進(jìn)行分配，其目的是實(shí)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(yùn)作。（一）功率分配數(shù)學(xué)表達(dá)式優(yōu)化目標(biāo)數(shù)學(xué)表達(dá)式：max￡￡、g（1+、，"）PnmPnmN=1心M2MBnoM約束條件數(shù)學(xué)表達(dá)式：Ptotal-￡￡P(guān)n,m0對所有的皿N=1meAn氣:R2:...：R=y1：y2：.?:Y在表達(dá)式中，An表示第n個用戶的子信道分配方案。（二）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(yùn)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:圖3功率分配流程圖隨機(jī)產(chǎn)生初始染色體隨機(jī)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.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(jì)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(jì)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。整合染色體對于上一步中分開計(jì)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(jì)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(jìn)行后續(xù)操作。產(chǎn)生新的種群選擇：設(shè)定Ps為選擇概率，在進(jìn)行第一次迭代時，隨機(jī)生成W個染色體，計(jì)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。交叉：設(shè)定PC為交叉概率，隨機(jī)選擇剩余染色體中的一個節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)PC來交換父代節(jié)點(diǎn)，使其產(chǎn)生子代。變異：設(shè)定廿為變異概率，根據(jù)Pm隨機(jī)選擇一定數(shù)量的染色體，改變其元素值。終止條件：當(dāng)?shù)螖?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(yùn)行，而且保證了用戶之間的速率比例公平。五、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(jìn)行驗(yàn)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(shí)值進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析。（一）不同分配方案的系統(tǒng)容量參數(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3，系統(tǒng)可用寬帶頻率為1MHz，功率譜密度M。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，變異概率七為0.035，終止條件Gen為300次。仿真結(jié)果具體對比結(jié)果如圖4所示：N工還旦q)N工還旦q)W知強(qiáng)犀0由圖4可以看出，只進(jìn)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(jìn)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(yùn)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。（二）不同用戶的歸一化速率參數(shù)設(shè)定設(shè)定用戶速率比為Y=Y=4,y=y=...=『=1。12348仿真結(jié)果s^^s.巨圖5不同用戶的歸一化速率s^^s.巨由圖5可以看出，要實(shí)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(jìn)行子信道分配后，每個用戶均已滿足最低速率要求，在進(jìn)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(shí)現(xiàn)了速率比例公平。（三）不同用戶數(shù)量的用戶最小速率參數(shù)設(shè)定使用上述參數(shù)。仿真結(jié)果具體對比結(jié)果如圖6所示:(wm=a罪崩wpr(wm=a罪崩wprs二三由圖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(jìn)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(jìn)行增益。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(jìn)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(yùn)行，所以就需要對傳統(tǒng)分配策略進(jìn)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(xiàn)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.