OFDMA系統(tǒng)跨層資源分配算法

黃宜平， 何海浪

（湖南省邵陽學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000）

0 引言

在無線通信環(huán)境中，無線信道具有快速變化的特性，而基于分層結(jié)構(gòu)的協(xié)議棧只能在相鄰的層之間以固定的方式進(jìn)行通信，從而導(dǎo)致現(xiàn)有的協(xié)議棧無法靈活地適應(yīng)無線移動(dòng)環(huán)境的變化，進(jìn)而不能對有限的無線頻譜資源和功率資源進(jìn)行有效的利用。因此針對未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)要求，比較有效的方法是通過采用跨層設(shè)計(jì)思想[1-3]。

1 跨層網(wǎng)絡(luò)模型

圖1為跨層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，物理層根據(jù)應(yīng)用層的需要和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件對傳輸速率、發(fā)射功率、編碼速率等進(jìn)行自適應(yīng)配置，鏈路層根據(jù)延時(shí)限制、業(yè)務(wù)優(yōu)先級、實(shí)際鏈路和干擾情況進(jìn)行自適應(yīng)配置，網(wǎng)絡(luò)層從應(yīng)用層獲取業(yè)務(wù)延時(shí)約束并進(jìn)行自適應(yīng)配置，傳輸層根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)丟包率、延時(shí)抖動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞冗M(jìn)行自適應(yīng)配置，應(yīng)用層從下層獲取網(wǎng)絡(luò)信道信息，并向下層提供業(yè)務(wù)的QoS約束。

2 混合業(yè)務(wù)資源分配算法

對于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來說，需要保證其平均速率大于最小速率門限。將非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶k的最小速率門限設(shè)為一般來說，其速率權(quán)重φk與成比例關(guān)系，因此，保證速率比例公平的條件可表示為：

在考慮接入控制的系統(tǒng)中，式（1）中的常數(shù)φnrt取值范圍為φnrt≥1，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載很高時(shí)，φnrt=1。

設(shè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的最大延時(shí)門限為Dth，為了與非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)統(tǒng)一起來，可以將C5的延時(shí)公平條件表示為：

與非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)的情況相似，在考慮接入控制的系統(tǒng)中，式（3）中的常數(shù)φrt取值范圍為φrt≥1，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載很高時(shí)，φrt=1。

基于動(dòng)態(tài)權(quán)重的混合業(yè)務(wù)資源分配算法流程如圖 2所示，這里主要介紹速率權(quán)重因子β的調(diào)整。每隔時(shí)間Tupdate，對速率權(quán)重因子β進(jìn)行一次調(diào)整。首先統(tǒng)計(jì)Tupdate時(shí)間內(nèi)各非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶的平均傳輸速率和各實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶的丟包率為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶k的最大業(yè)務(wù)速率誤差門限，當(dāng)時(shí)，認(rèn)為用戶k沒有以最大業(yè)務(wù)速率傳輸，若為其分配更多的資源，則其平均速率能夠提高；當(dāng)時(shí)，認(rèn)為該用戶已經(jīng)以最大業(yè)務(wù)速率傳輸，即使為其分配更多的資源，該用戶的平均速率也不會再提高。一般，可以取其中γ取值為一個(gè)較小的正實(shí)數(shù)，文中仿真中取γ=0.01。

設(shè)Δβ為β的乘性調(diào)整因子，取值范圍為0＜Δβ＜1，Δβ越小，β的調(diào)整幅度越大，反之，Δβ越大，β的調(diào)整幅度越小。速率權(quán)重因子β的調(diào)整準(zhǔn)則為：

2）若對于當(dāng)k∈Λrt，有成立，且存在某一個(gè)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶有則

3）若上述兩種情況都不滿足，則不對β進(jìn)行調(diào)整。

圖 2 基于動(dòng)態(tài)權(quán)重的混合業(yè)務(wù)資源分配算法流程

3 仿真結(jié)果

假定非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶速率權(quán)重相等，采用速率為 256 kb/s的 FTP業(yè)務(wù)模型[4-5]，即最大業(yè)務(wù)速率允許的最小傳輸速率設(shè)為 51.2 kb/s；實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)采用速率為256 kb/s的視頻流業(yè)務(wù)模型，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的最大等待延時(shí)Dth=100ms ，允許的最大丟包率=0.02；資源分配周期T′設(shè)為0.5 ms，速率權(quán)重因子的調(diào)整周期Tupdate設(shè)為0.5 s，仿真時(shí)間為12 s。圖3給出Δβ取值不同時(shí)，β隨時(shí)間變化的曲線圖。系統(tǒng)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶數(shù)均為50?？梢钥闯?，Δβ取值較小時(shí)，曲線變化幅度較大，在穩(wěn)定值附近波動(dòng)較大；Δβ取值較大時(shí)，曲線變化幅度較小，在穩(wěn)定值附近波動(dòng)較小，但是收斂到穩(wěn)定值的速度較慢；Δβ取值適中，則能在收斂速度和穩(wěn)定度間取到折中。在圖4中，Δβ都取為0.8。

圖3 速率權(quán)重因子隨時(shí)間變化的曲線

圖4給出各種業(yè)務(wù)用戶數(shù)取值不同時(shí)相應(yīng)的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)吞吐量?？梢钥闯觯瑢?shí)時(shí)業(yè)務(wù)總吞吐量隨著實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶數(shù)的增長而線性增長，而不隨非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶數(shù)的變化而變化，即實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級得到了保障。

圖 4 各種業(yè)務(wù)用戶數(shù)取值不同時(shí)的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)吞吐量

4 結(jié)語

文中研究了保證用戶間公平性的OFDMA系統(tǒng)跨層資源分配問題。針對非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，詳細(xì)分析了一種保證速率比例公平的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)資源分配算法，仿真結(jié)果說明這種算法能夠較好地保證用戶之間的公平性，并能夠獲得較大的系統(tǒng)吞吐量和較小的業(yè)務(wù)延時(shí)。然后文中所考慮的資源分配算法都是在比較理想的假設(shè)下進(jìn)行的，即假設(shè)信道是準(zhǔn) 靜態(tài)的，信道估計(jì)是無誤差的。對于實(shí)際無線系統(tǒng)，誤差和不確定性因素是永遠(yuǎn)存在的。研究非理想條件下的資源優(yōu)化分配對于實(shí)際系統(tǒng)具有更大的指導(dǎo)意義，將是進(jìn)一步研究的方向。

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