بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی در این مقاله تخصیص زیرحامل و توان در یک سیستم 1 OFDMچندکاربره و به منظور افزایش ظرفیت کلی سی ستم می با شد. همچنین بحث عدالت 2در تخ صیص منابع بین کاربران نیز در اینجا مورد برر سی قرار گرفته ا ست، به گونه ای که برای هر کاربر مقدار حداقلی زیرحامل در نظر گرفته می شود. برای ر سیدن به این هدف، یک الگوریتم تخ صیص منابع منا سب با پیچیدگی کم و با ح صول اطمینان از تخ صیص سطح مطلوبی از منابع برای تمام کاربران معرفی میشود. بدین منظور ابتدا با فرض تخصیص یکنواخت توان بر روی زیرحامل ها از یک الگوریتم بهینه سازی شبکه عصبی هاپفیلد جهت تخصیص زیرحامل بهره گرفته می شود و سپس با توجه به زیرحامل های تخصیص داده شده در مرحله اول، با ا ستفاده از روش واترفیلینگ به تخ صیص بهینه توان پرداخته خواهد شد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که روش ارائه شده در این مقاله، باعث بهبود عملکرد سیستم نسبت به روش های پیشین می شود.
مقدمه
یکی از روش های مناسب دسترسی چندگانه 3برای شبکه های بی سیم نسل آینده، تکنولوژی OFDM است. ایده این تکنولوژی ، تقسیم کانال به چندین زیرکانال موازی و متعامد است. در سیستم های OFDM چندکاربره، 4 BSبا چندین کاربر در ارتباط است، به همین منظور باید روش های دسترسی چندگانه ای برای تخصیص این زیرکانال ها به کاربران وجود داشته باشد - . - Shen et al,2005 از طرفی با توجه به محدود بودن منابع سیستم ها و طبیعت 5NP-hardبودن مسائل تخصیص منابع ، روش های معمول تخصیص منابع برای یافتن جواب های بهینه در این سیستم ها امر بسیار دشواری است - Wong and Evans,2007 - و . - Wong et al,2004 - در نتیجه برای حل اینگونه مسائل از روش های نیمه بهینه استفاده می شود.
در - Wang and Giannakis,2011 - ، - - Akhlaghi et al,2011، - - Wang and Wang,2012 ، - - Zhang et al,2012 و - I.C Wong and Evans 2008 - با استفاده از روش های کلاسیک، به تخصیص منابع در سیستم های OFDM پرداخته اند.در - - Sharma and Madhukumar,2015 و - Duy et al, 2009 - با استفاده از الگوریتم ژنتیک به تخصیص زیرحامل در سیستم OFDM پرداخته شده است.در - Sufang et al,2014 - و - Jiang and Liu,2010 - با استفاده از شبکه عصبی هاپفیلد - - HNN،6 تخصیص زیر حامل در سیستم های OFDM بررسی شده است ولی در آن بحث عدالت در تخصیص منابع مطرح نگردیده است و هرکاربری که از لحاظ موقعیت مکانی در وضعیت بهتری باشد
- کیفیت کانال بهتری داشته باشد - ، زیرکانال ها را به خود اختصاص می دهد که دراین حالت ممکن است کاربری که کیفیت کانالی مناسبی ندارند از داشتن زیرکانال محروم بماند، همچنین به تخصیص بهینه توان نیز توجه نشده است. در - Zhang and Wang.2011 - و - Zhao and Gan,2011 - با استفاده از شبکه عصبی نویزی آشوبگرانه به تخصیص زیرکانال ها پرداخته شده است که در آن ها نیز بحث عدالت و تخصیص بهینه توان بررسی نشده است.
در این مقاله با هدف افزایش ظرفیت کلی سیستم به تخصیص زیرکانال و توان پرداخته می شود که برای کاهش پیچیدگی محاسباتی در تخصیص منابع ابتدا با فرض تخصیص یکسان توان بر روی زیرکانال ها، با استفاده از شبکه عصبی هاپفیلد به تخصیص زیرکانال ها بین کاربران پرداخته می شود، سپس با توجه به زیرکانال های تخصیص داده شده در مرحله اول و با استفاده از روش واترفیلینگ، توان بصورت بهینه تخصیص داده می شود.
همچنین در این مقاله، عدالت در تخصیص زیرکانال ها بین کاربران در نظر گرفته شده است، بدین صورت که برای هر کاربر تعداد حداقل زیرکانال در نظر گرفته می شود - که قطعا به کاربر اختصاص می یابد - وبقیه زیرکانال ها به صورت رقابتی به اشتراک گذاشته می شود و زیرکانال به کاربری که کیفیت کانالی بهتری دارد تخصیص می یابد. مسئله اصلی در اینجا فرمولبندی مسئله با هدف حداکثر سازی ظرفیت کلی سیستم و همچنین نگاشت آن فرمول به تابع انرژی شبکه عصبی هاپفیلد می باشد.
مدل سیستم
در اینجا یک سیستم OFDM با N زیرحامل و توان ارسال کلی در نظر گرفته می شود که به K کاربر سرویس می دهد. در این مقاله فرض شده است که BS اطلاعات حالت کانال 7 - CSI - تمام کاربران داخل سیستم را دقیقا میداند، بعلاوه فرض میشود سیگنالهای ارسالی یک فیدینگ آهسته 8را تجربه میکنند، یعنی ضرایب کانال در طول فرایند تخصیص منابع، ثابت است. هدف در این مقاله حداکثر کردن مجموع نرخ کاربران با توجه به توان کلی موجود است. با در نظر گرفتن B بعنوان پهنای باند کلی و 0 بعنوان چگالی توان نویز، می توان مسئله بهینه سازی مورد نظر در این مقاله را بصورت زیر نوشت:
در رابطه ℎ - 1 - ، نشان دهنده ضریب کانال کاربر kام بر روی زیرحامل n ام و ، توان بر روی زیرحامل n ام را بیان می کند. متغیر باینری تخصیص زیر حامل n به کاربر k ام را نشان میدهد و در صورتیکه زیرحامل به کاربر تخصیص یابد مقدار آن 1 و در غیر اینصورت مقدارش برابر با 0 است. قیود - 2 - و - 3 - بیان میکند که هر زیرحامل تنها به یک کاربر میتواند اختصاص یابد و با رعایت این قیود تداخل داخل سلولی بوجود نمیآید. قید - 4 - اختصاص حداقل زیرحامل درخواستی توسط هر کاربر را تضمین میکند.
که البته مجموع زیرحامل های درخواستی باید کوچکتر مساوی N باشد و مقدار زیرحامل درخواستی برای هرکاربر می تواند متفاوت باشد که در - 4 - پارامتر ، حداقل زیرحامل درخواستی توسط هرکاربر را نشان می دهد. قیود - 5 - و - 6 - نیز در مورد تخصیص توان بکار میرود و تضمین میکند که مجموع توان اختصاصی بر روی زیرحاملها از کل توان موجود در سیستم بیشتر نشود و همینطور توان منفی در روابط استفاده نگردد که ، توان تخصیص داده شده بر روی هر زیرحامل می باشد. برای حل بهینه این مسئله باید توان و زیرحامل بطور همزمان تخصیص پیدا کنند، اما با توجه به اینکه در این مسئله متغیرهای پیوسته و باینری بطور همزمان درگیر هستند و چون قیود مسئله محدب و خطی
