Resource Allocation for OFDMA Two-Hope Cooperative Cellular Networks: Considering QoS and Fairness Constraints

تخصيص منابع در شبكه‌هاي هميارانه سلولي دو پرشي OFDMA مبتني بر معيارهاي كيفيت خدمات و انصاف

تخصيص توام بيت، انتخاب رله و تخصيص زير كانال براي دستيابي به مزاياي كامل شبكه‌هاي رله‌اي مشاركتي مبتني بر OFDM ضروري مي‌باشد. در اين مقاله ابتدا اين مساله در يك شبكه مشاركتي OFDM مطالعه مي‌شود. اين شبكه شامل چندين زوج گره مبدا ـ مقصد و چندين گره رله با روش كدگشايي و ارسال مجدد (DF) مي‌باشد. هدف، كمينه‌سازي توان ارسالي كل تحت شرايط نرخ خطاي بيت (BER) و نرخ داده مي‌باشد. با اين حال، راه حل بهينه مساله بهينه‌سازي بسيار پيچيده است و ممكن است غيرمنصفانه باشد. سپس با فرض آگاهي از بهره‌هاي لحظه‌اي كانال براي تمامي لينك‌ها در تمام شبكه، يك الگوريتم بازگشتي سه مرحله‌اي براي تخصيص منصفانه منابع با پيچيدگي كم پيشنهاد شده است. در اين الگوريتم، ابتدا كاربر برتر بر اساس معيار انصاف انتخاب مي‌شود؛ سپس رله و زيركانال تحت شرايط مفروض به كاربر برتر اختصاص داده مي‌شود. در پايان، بيت و توان براساس الگوريتم water-filling به زيركانال‌هاي كاربر برتر تخصيص مي‌يابد. علاوه بر اين، براي تضمين انصاف ميان كاربران، معيارهاي مختلفي با هدف تحقق معاوضه موثر ميان طول عمر كاربران و احتمال خاموشي آنها پيشنهاد شده است. مطالعات عددي به منظور ارزيابي كارايي الگوريتم پيشنهادي در دو سناريوي عملي انجام گرديده است. نتايج شبيه سازي نشان مي‌دهد كه الگوريتم تخصيص منابع پيشنهادي، به يك معاوضه موثر ميان كارآيي شبكه و انصاف ميان كاربران دست مي يابد.

Abstract – Joint bit allocation, relay selection and subcarrier assignment are critical for achieving full benefits of OFDM-based cooperative relay networks. In this paper, first such a problem is studied in a dual hop OFDMA cooperative network consisting in multi source nodes, multiple decode-and-forward (DF) relays and a single destination node. The aim is to minimize overall transmission power under the bit-error-rate (BER) and data rate constraints. However, the optimal solution to the optimization problem is computationally complex to obtain and may be unfair. Assuming knowledge of the instantaneous channel gains for all links in the entire network, an iterative three-step resource allocation algorithm with low complexity is proposed. It performs the privileged user selection based on fairness criterion first, and then allocates subcarrier-relay with the given constraints. Finally, power and bit are assigned to the selected subcarriers based on the water-filling algorithm. In order to guarantee the fairness of users, several fairness criteria are also proposed to provide attractive trade-offs between network performance (i.e. overall transmission power, average network lifetime and average outage probability) and fairness to all users. Numerical studies are conducted to evaluate the performance of the proposed algorithm in two practical scenarios. Simulation results show that the proposed allocation algorithm achieves an efficient trade-off between network performance and fairness among users.