LTE－Advanced中繼系統(tǒng)中一種公平的下行資源分配機(jī)制

鮮永菊，代世祥，徐昌彪

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

在LTE－Advanced系統(tǒng)中引入中繼能拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高小區(qū)吞吐量和頻譜效率［1］，但是這也給系統(tǒng)帶來如路徑選擇、資源分配等諸多挑戰(zhàn)，有效的資源分配成為當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)。目前對LTE－A中繼系統(tǒng)下行資源分配的研究甚少，文獻(xiàn)［2］分析了eNB和RN使用的資源同頻和異頻對系統(tǒng)性能的影響，沒有深入研究LTE－A中繼系統(tǒng)的資源分配算法。

由于LTE－A下行多址技術(shù)采用的是OFDMA技術(shù)，因此對目前OFDMA中繼系統(tǒng)中的資源分配進(jìn)行調(diào)查研究，在其基礎(chǔ)上提出適用于LTE－A中繼系統(tǒng)的下行資源分配機(jī)制。目前關(guān)于DF中繼OFDMA中繼系統(tǒng)的資源分配問題得到廣泛關(guān)注，傳統(tǒng)分配算法［3－8］分配子載波的原則基本都是將每個(gè)子載波分配給使用它獲得最大信道增益的用戶，能獲得最大的系統(tǒng)吞吐量，但是沒有考慮用戶公平性因素。Salem算法［9］考慮了用戶的公平性，每次給瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率最小的用戶分配信道增益最大的子載波，從而權(quán)衡了公平性和系統(tǒng)吞吐量，該算法在用戶最小數(shù)據(jù)速率和QoS要求相同時(shí)公平性較好，但是若最小數(shù)據(jù)速率和QoS不同時(shí)公平性不夠好。

本文討論單小區(qū)Type I［10］方式 LTE－A中繼系統(tǒng)的下行資源分配問題，針對目前DF方式中繼OFDMA系統(tǒng)資源分配算法在公平性方面的不足，考慮多個(gè)中繼，同時(shí)考慮直連用戶和中繼用戶，假設(shè)資源足夠使用，在eNB和RN功率受限且用戶速率限制的條件下，提出一種公平的資源分配算法。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)模型

圖1 單小區(qū)的LTE－A中繼下行通信系統(tǒng)架構(gòu)

傳輸方式分為兩個(gè)時(shí)隙，如圖2所示，第一時(shí)隙eNB向RN和直連用戶（zlUT）發(fā)送信息，RN對接收的信息無誤解碼;第二時(shí)隙RN對解碼信息重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)給中繼用戶（zjUT），eNB繼續(xù)給zlUT發(fā)送未發(fā)送完的信息。

圖2 信息傳輸方式

直連用戶k1在資源塊i上的信道容量為

假設(shè)eNB→RNj的資源塊i1和RNj→UTj，k2的資源塊i2配對傳輸，則中繼用戶k2在該資源塊對的信道容量為

該傳輸鏈路的總功率和等效信道增益分別為

則中繼用戶k2在該鏈路的信道容量可簡寫為

1.2 系統(tǒng)吞吐量和公平性

本文在eNB和RN功率受限且用戶最小速率限制的條件下，以權(quán)衡系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性為目標(biāo)，研究Type I方式LTE－A中繼系統(tǒng)的下行資源分配問題，系統(tǒng)吞吐量為

式中:Rk為用戶k的實(shí)際數(shù)據(jù)速率，Rk，min為用戶k的最小數(shù)據(jù)速率要求，Rk，max為用戶k的最大數(shù)據(jù)速率限制。式（9）和（10）表示1個(gè)RB最多只能分給1個(gè)用戶使用;式（11）和式（12）表示eNB和RN功率分別受限;當(dāng)用戶獲得的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小數(shù)據(jù)速率要求時(shí)，再給它分配資源，雖然能提高數(shù)據(jù)速率，但是已經(jīng)顯得毫無意義，因此本文對用戶進(jìn)行最大數(shù)據(jù)速率限制，其中式（13）表示用戶的實(shí)際速率必須大于最小速率要求，并且不高于最大速率限制。

根據(jù)文獻(xiàn)［13］，定義用戶公平性為

2 資源分配算法

LTE－A中繼系統(tǒng)的下行資源分配包括兩個(gè)問題:每一跳如何分配資源塊?如何為中繼用戶進(jìn)行兩跳資源塊配對?本文在資源足夠使用的情況下，平均分配eNB和中繼的功率，設(shè)計(jì)資源分配算法。

2.1 第一跳

將直連用戶和中繼稱為第一跳接收端，則第一跳接收端總數(shù)為Kf=Kd+L。為第一跳接收端分配資源塊，eNB功率平均分配，首先給每個(gè)第一跳接收端預(yù)分配資源塊，此處預(yù)分配的具體措施為:給每個(gè)直連用戶分配一個(gè)資源塊，給每個(gè)中繼分配數(shù)目等于它所服務(wù)的中繼用戶數(shù)的資源塊;然后根據(jù)設(shè)定的優(yōu)先級給第一跳接收端分配資源塊，直至所有資源塊被分配完。

具體算法如下:

第一步，參數(shù)初始化。

第二步，給第一跳接收端預(yù)分配資源塊。將第一跳接收端按照直連用戶到中繼的順序排列，直連用戶間隨機(jī)排列，中繼間隨機(jī)排列。對每個(gè)直連用戶，找出信道增益最大的資源塊，作為首個(gè)資源塊分配給它;為每個(gè)中繼分配的數(shù)目為它服務(wù)的中繼用戶數(shù)的資源塊。

最小的第一跳接收端，為其分配信道增益最大的資源塊，更新Rf，Af和，將已分配的資源塊從資源塊集合Φ中刪除;若所有第一跳接收端的實(shí)際數(shù)據(jù)速率都已達(dá)到最小數(shù)據(jù)速率要求，且資源塊集合Φ非空，存在實(shí)際數(shù)據(jù)速率小于最大速率限制的第一跳接收端，則從這些第一跳接收端中選擇最小的第一跳接收端，為其分配信道增益最大的資源塊，更新Rf，Af和，將已分配的資源塊從資源塊集合Φ中刪除;否則，執(zhí)行此步至資源塊集合Φ為空或者所有一跳接收端數(shù)據(jù)速率剛好小于最大數(shù)據(jù)速率限制。

2.2 第二跳

將中繼獲得的資源塊放入資源塊集合Φ中，每個(gè)RN的功率平均分配，中繼用戶隨機(jī)排列。首先給每個(gè)中繼中戶分配一個(gè)資源塊，然后根據(jù)優(yōu)先級給每個(gè)中繼用戶分配資源塊直至資源塊集合Φ為空，最后為中繼用戶進(jìn)行資源塊配對。

具體算法如下:

第一步，參數(shù)初始化。

中繼用戶的實(shí)際數(shù)據(jù)速率集合Rr=zeros（Kr，1），分配指示矩陣 Ar=zeros（Kr，Nr），Nr=N －NzlUT，其中 NzlUT為直連用戶占用的資源塊總數(shù)，中繼戶kr獲得的RB集合

第二步，為中繼用戶分配首個(gè)資源塊，對每個(gè)中繼用戶，從第二跳可用資源塊集合中找出信道增益最大的資源塊，作為首個(gè)資源塊分配給它。

最小且所屬中繼服務(wù)的中繼用戶此時(shí)獲得的資源塊總數(shù)小于該中繼第一跳時(shí)獲得的資源塊的中繼用戶，為其分配信道增益最大的資源塊，Rr，Ar和Ykr，將已分配的資源塊從資源塊集合Φ中刪除。執(zhí)行此步至資源塊集合Φ為空或者所有中繼用戶數(shù)據(jù)速率剛好小于最大數(shù)據(jù)速率限制。

第四步，為中繼用戶進(jìn)行資源塊配對。對中繼j，將它第一跳獲得的資源塊按信道增益降序排列，它服務(wù)的中繼用戶第二跳獲得的資源塊也按信道增益降序排列，第一跳信道增益最大的資源塊i1和第二跳信道增益最大的資源塊i2配對，將此資源塊對分配給使用資源塊i2的中繼用戶，根據(jù)式（5）和（6）計(jì)算出該傳輸鏈路的總功率和等效信道增益，根據(jù)式（7）計(jì)算出該中繼用戶在此鏈路上的數(shù)據(jù)速率。執(zhí)行此步至所有中繼用戶的資源塊均配對完。

3 仿真及結(jié)果分析

本文仿真的LTE－A中繼系統(tǒng)［12］包括1個(gè)eNB、2個(gè)RN和多個(gè)UT，仿真信道為6徑的瑞利衰落信道，系統(tǒng)帶寬B=10 MHz，中心頻率fc=2 GHz，eNB功率為46 dBm，RN功率為37 dBm，噪聲功率譜密度為N0=－174 dBm/Hz，所有用戶最小速率要求均為0.512 Mbit/s，最大速率限制為2.56 Mbit/s，誤比特率要求BER均為10－4。

仿真時(shí)，用戶總數(shù)為10，直連用戶數(shù)為2，RN1和RN2服務(wù)的中繼用戶數(shù)均為4。用本文的資源分配算法與傳統(tǒng)分配算法和Salem算法進(jìn)行比較，得到10個(gè)用戶時(shí)系統(tǒng)容量的CDF曲線如圖3所示，公平性的CDF曲線如圖4所示，仿真10 000次得到的用戶平均數(shù)據(jù)速率如圖5所示。從圖3可以看出，本文算法獲得的系統(tǒng)容量比傳統(tǒng)資源分配算法和Salem算法獲得的系統(tǒng)容量略低，傳統(tǒng)資源分配算法獲得的系統(tǒng)容量最高。從圖4可以看出，本文算法獲得的公平性在99%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Salem算法和傳統(tǒng)資源分配算法，傳統(tǒng)資源分配算法獲得的公平性最差。本文所有用戶最小數(shù)據(jù)速率要求均相同，但是第一跳用戶中直連用戶和中繼的最小數(shù)據(jù)速率要求不同，Salem算法每次給瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率最小的用戶分配信道增益最大的子載波，在用戶數(shù)據(jù)速率要求不同的時(shí)候，就顯得不夠公平。從圖5可以看出，使用所有算法均能滿足所有用戶的數(shù)據(jù)速率限制。由于本文算法公平性高，導(dǎo)致第一跳時(shí)直連用戶獲得的資源塊比其他兩種算法少，所以直連用戶數(shù)據(jù)速率較低。第一跳時(shí)中繼獲得的資源塊比其他兩種算法多，因此中繼用戶的數(shù)據(jù)速率較高。

4 小結(jié)

針對LTE－A中繼系統(tǒng)的下行資源分配問題，在資源足夠使用的情況下，在eNB和RN功率受限且用戶數(shù)據(jù)速率限制的條件下，提出一種公平的資源分配機(jī)制，對系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性進(jìn)行了較好的權(quán)衡。但是，本文考慮的是資源足夠使用的情況，在資源不夠使用時(shí)，如何提高頻譜利用率以及如何提高用戶的滿意度是后期工作的重點(diǎn)。

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