具有用戶優(yōu)先級的載波聚合資源分配方案的性能分析

朱東弼, 宋佳興, 許一虎

(延邊大學(xué) 工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

0 引言

載波聚合(carrier aggregation,CA)是一種通過增加系統(tǒng)的傳輸帶寬來滿足單用戶峰值速率和提升系統(tǒng)容量的技術(shù),目前該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于LTE-A 和5G 系統(tǒng)中[1-3].在載波聚合的過程中,其資源調(diào)度可分為成分載波(component carrier,CC)級調(diào)度和資源塊(resource block,RB)級調(diào)度.CC 級調(diào)度通常使用獨(dú)立資源分配算法[4]和聯(lián)合資源分配算法[5-6]對資源進(jìn)行調(diào)度.RB 級調(diào)度通常使用輪詢算法[7]、最大載干比算法[8]、比例公平算法[9]、貪婪算法[10]和資源分配算法[11]等對資源進(jìn)行調(diào)度.上述算法都是基于用戶信道的條件對資源進(jìn)行分配的,且每種分配算法都只適合于單一的應(yīng)用場景;但隨著用戶對多元化和個性化無線網(wǎng)絡(luò)需求的增加,開發(fā)設(shè)計(jì)出一種能夠適合于多個應(yīng)用場景的資源分配算法具有重要意義.為此,本文根據(jù)載波聚合的特征以及不同用戶的個性需求,提出了一種具有用戶優(yōu)先級的載波聚合資源分配方案,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性.

1 具有用戶優(yōu)先級的載波聚合資源分配方案

本方案將系統(tǒng)中的用戶分為高優(yōu)先級和低優(yōu)先級.在系統(tǒng)擁擠時,為了防止從其他小區(qū)切換過來的用戶無法接入到系統(tǒng),本文將從其他小區(qū)切換到本小區(qū)內(nèi)的請求業(yè)務(wù)的用戶設(shè)為高優(yōu)先級用戶,而將本小區(qū)內(nèi)的請求業(yè)務(wù)的用戶設(shè)為低優(yōu)先級.以下為具有用戶優(yōu)先級保護(hù)閾值的載波聚合資源分配方案:

假設(shè)載波聚合系統(tǒng)有M個資源塊,且系統(tǒng)同時支持窄帶用戶和寬帶用戶.當(dāng)窄帶用戶接入到系統(tǒng)時,系統(tǒng)會調(diào)用某一個載波的某一個資源塊為其服務(wù);當(dāng)寬帶用戶接入到系統(tǒng)時,系統(tǒng)會調(diào)用某一個或多個載波的b個資源塊為其服務(wù).

當(dāng)新到達(dá)的寬帶用戶或窄帶用戶接入到系統(tǒng)時,若此時系統(tǒng)中沒有可調(diào)用的空閑資源塊,則系統(tǒng)會在占用b個資源塊的寬帶用戶中調(diào)用一些可分配的資源塊分配給接入到系統(tǒng)的用戶.為了提高高優(yōu)先級用戶的切換成功率和系統(tǒng)的總吞吐量,本文在系統(tǒng)中設(shè)置了2個保護(hù)閾值b1和b0(b0

當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級窄帶用戶接入到系統(tǒng)時,若此時系統(tǒng)中沒有可調(diào)用的空閑資源塊,且所有的寬帶用戶所調(diào)用的資源塊數(shù)量都少于或等于b1個資源塊,則此時低優(yōu)先級窄帶用戶的業(yè)務(wù)請求將被拒絕.當(dāng)高優(yōu)先級窄帶用戶接入到系統(tǒng)時,若此時系統(tǒng)中沒有可調(diào)用的空閑資源塊,且所有的寬帶用戶都在使用b0個資源塊,則此時該用戶在緩存區(qū)中等候可調(diào)用的空閑資源塊;如果緩存區(qū)已滿,則該用戶的切換請求將被拒絕.

當(dāng)某一用戶在本小區(qū)中的業(yè)務(wù)結(jié)束時(其所占用的資源塊被釋放),若此時緩存區(qū)中有正在等候的高優(yōu)先級窄帶用戶,則這些用戶將優(yōu)先使用被釋放的資源塊;若還有剩余的釋放資源塊,則這些資源塊將被用于升級處于低服務(wù)質(zhì)量的寬帶用戶.例如:若有nr個剩余釋放資源塊數(shù),且系統(tǒng)中正在使用i個資源塊的寬帶用戶(即占用最少資源塊的用戶)數(shù)為ni.當(dāng)nr

2 性能分析

為了分析本文方案的性能,本文假設(shè):低優(yōu)先級窄帶用戶和寬帶用戶到達(dá)系統(tǒng)的過程分別服從參數(shù)為λno和λwo的泊松過程,從其他小區(qū)切換過來的高優(yōu)先級窄帶用戶和寬帶用戶到達(dá)系統(tǒng)的過程分別服從參數(shù)為λnh和λwh的泊松過程;窄帶用戶和寬帶用戶的服務(wù)時間均是相互獨(dú)立和服從指數(shù)分布的,且其平均服務(wù)時間分別為μ-1和(iv)-1.

設(shè)本小區(qū)內(nèi)可供分配的總資源塊數(shù)為M個,高優(yōu)先級窄帶用戶的緩存區(qū)容量為N,且高優(yōu)先級窄帶用戶在緩存區(qū)中的停留時間服從參數(shù)為d的指數(shù)分布.

設(shè)Pwh和Pnh分別為高優(yōu)先級寬帶用戶和高優(yōu)先級窄帶用戶的阻塞概率,則有:

3 性能比較與分析

為分析比較系統(tǒng)的性能,設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)如下:M= 100,b= 13,b0= 3,低優(yōu)先級寬帶用戶到達(dá)率λwo= 1.0～3.0,低優(yōu)先級窄帶用戶的到達(dá)率λno= 1.0,高優(yōu)先級用戶的到達(dá)率為總用戶到達(dá)率的25%,b1分別取7、8、9,μ-1=v-1= 30s,d-1= 3s,N=6.

圖1為用戶的到達(dá)率和系統(tǒng)的保護(hù)閾值對高優(yōu)先級窄帶用戶和寬帶用戶阻塞概率的影響.由圖1可以看出,高優(yōu)先級窄帶用戶和寬帶用戶的阻塞概率隨低優(yōu)先級寬帶用戶的到達(dá)率的增加而增加,這說明接入到系統(tǒng)的低優(yōu)先級寬帶用戶過多會導(dǎo)致系統(tǒng)的擁擠.另外,高優(yōu)先級用戶的阻塞概率隨閾值b1的增加而降低,這說明閾值b1越大,系統(tǒng)調(diào)用給高優(yōu)先級用戶的資源塊數(shù)量越多,從而可提高切換成功率.對比圖1(a)和圖1(b)還可知,當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級寬帶用戶的到達(dá)率相同時,高優(yōu)先級窄帶用戶的阻塞概率低于高優(yōu)先級寬帶用戶的阻塞概率,這說明此時窄帶用戶所需調(diào)用的資源塊數(shù)量少于寬帶用戶,因此其可調(diào)用資源塊的機(jī)會相對更多.

圖1 到達(dá)率和閾值對高優(yōu)先級窄帶用戶(a)和寬帶用戶(b)阻塞概率的影響

圖2為高優(yōu)先級用戶在本文方案和無用戶優(yōu)先級方案下的阻塞概率.由圖2可以看出,本文方案中,高優(yōu)先級窄帶用戶和寬帶用戶的阻塞概率隨低優(yōu)先級寬帶用戶到達(dá)率的增加而增加,同時阻塞概率低于無用戶優(yōu)先級方案.這說明本文方案可更好地調(diào)用系統(tǒng)的資源塊數(shù)量,進(jìn)而可提高高優(yōu)先級用戶的切換成功率.

圖2 不同方案對高優(yōu)先級窄帶用戶(a)和寬帶用戶(b)阻塞概率的影響

圖3為本文方案和無用戶優(yōu)先級方案對低優(yōu)先級用戶阻塞概率的影響.由圖3可以看出:本文方案中低優(yōu)先級用戶的阻塞概率隨寬帶用戶到達(dá)率的增加而增加;在寬帶用戶到達(dá)率λwo<1.8時,低優(yōu)先級用戶的阻塞概率低于無用戶優(yōu)先級方案的阻塞概率;當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級寬帶用戶到達(dá)率λwo>1.8時,本文方案的低優(yōu)先級用戶的阻塞概率高于無用戶優(yōu)先級方案的阻塞概率.上述說明,當(dāng)系統(tǒng)中的寬帶用戶的到達(dá)率增加時,系統(tǒng)可調(diào)用的資源塊數(shù)量逐漸減少,進(jìn)而使低優(yōu)先級窄帶用戶的阻塞概率高于無用戶優(yōu)先級方案的阻塞概率.

圖3 不同方案對低優(yōu)先級窄帶用戶(a)和寬帶用戶(b)阻塞概率的影響

圖4為本文方案和無用戶優(yōu)先級方案對系統(tǒng)總吞吐量的影響.由圖4可以看出,吞吐量隨寬帶用戶到達(dá)率的增加而增加,且本文方案的總吞吐量高于無用戶優(yōu)先級方案的總吞吐量.

圖4 不同方案對系統(tǒng)總吞吐量的影響

4 結(jié)論

研究表明,本文方案的總吞吐量和切換成功率顯著優(yōu)于無用戶優(yōu)先級的載波聚合資源分配方案,因此本文方案在使用載波聚合技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值.在后續(xù)的工作中,我們將探討在不同的環(huán)境下如何選擇系統(tǒng)的最佳閾值,以使系統(tǒng)能夠根據(jù)具體的情況動態(tài)地調(diào)整傳輸效率,進(jìn)而更好地提高系統(tǒng)的傳輸效率.