OFDMA系統(tǒng)中滿足不同時(shí)延要求的跨層資源分配算法

趙志信， 常 亮， 劉 鑫， 馬銀花

(1.黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 通信技術(shù)研究所，哈爾濱 150001;3.黑龍江科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

OFDMA系統(tǒng)中滿足不同時(shí)延要求的跨層資源分配算法

趙志信1，2， 常 亮1， 劉 鑫1， 馬銀花3

(1.黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 通信技術(shù)研究所，哈爾濱 150001;3.黑龍江科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

針對OFDMA系統(tǒng)下行鏈路資源分配和調(diào)度問題，提出了一種跨層子載波和功率聯(lián)合分配算法。其優(yōu)化目標(biāo)是在保證每個(gè)時(shí)延敏感用戶的平均時(shí)延要求的條件下，最大化時(shí)延不敏感用戶的長期平均吞吐量。該算法首先根據(jù)時(shí)延敏感用戶的時(shí)延要求、隊(duì)列狀態(tài)和信道狀態(tài)進(jìn)行子載波和功率聯(lián)合分配，即每分配給一個(gè)子載波后就立即用最優(yōu)的功率分配算法在該用戶內(nèi)部進(jìn)行一次子載波功率分配，以滿足其平均時(shí)延和比特溢出率(QoS);然后將剩余系統(tǒng)資源根據(jù)對平均速率提高貢獻(xiàn)最大原則對時(shí)延不敏感用戶進(jìn)行子載波和功率聯(lián)合分配。仿真結(jié)果顯示，該算法不僅保證所有時(shí)延敏感用戶的QoS和用戶間平均時(shí)延的公平性，還在系統(tǒng)的平均吞吐量和滿足用戶的不同時(shí)延要求之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。

聯(lián)合分配;QoS;跨層;平均時(shí)延;吞吐量

0 引言

隨著用戶對系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量要求的不斷提高，基于OFDM技術(shù)的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須能夠同時(shí)支持傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)和分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。當(dāng)數(shù)據(jù)分組是以隨機(jī)的方式到達(dá)用戶的隊(duì)列時(shí)，基站需要維持每個(gè)用戶隊(duì)列處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，平均時(shí)延和比特溢出率(緩沖器溢出)就是兩個(gè)非常重要的衡量系統(tǒng)性能的QoS參數(shù)?？鐚幼虞d波和功率聯(lián)合分配方案的設(shè)計(jì)目的是在滿足用戶的QoS條件下，在系統(tǒng)吞吐量與用戶公平性間尋求一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。

基于信道狀態(tài)和MAC層隊(duì)列狀態(tài)的跨層資源分配算法已有文獻(xiàn)提出，仿真結(jié)果證明該類算法的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于僅基于信道狀態(tài)分配算法。文獻(xiàn)［1］針對CDMA系統(tǒng)的時(shí)隙分配問題提出了改進(jìn)的最大加權(quán)時(shí)延的用戶優(yōu)先分配準(zhǔn)則(MLWDF)，即根據(jù)信道狀態(tài)和隊(duì)首分組等待時(shí)長［2］進(jìn)行時(shí)隙分配，并可以證明在OFDM/TDMA方式下此準(zhǔn)則可以使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大。由于無線信道的頻率選擇衰落特性，此接入方式下的MLWDF準(zhǔn)則并沒利用頻率分集增益特性來進(jìn)一步提高系統(tǒng)的吞吐量。文獻(xiàn)［3］提出了基于MLWDF準(zhǔn)則的子載波分配算法。雖然該算法可以利用頻率分集和多用戶分集特性來進(jìn)一步提高系統(tǒng)的吞吐量，但是在所有子載波上的功率是平均分配的，而且用戶的隊(duì)首分組的等待時(shí)長是每個(gè)時(shí)隙更新一次。文獻(xiàn)［4］提出了一種子載波和功率聯(lián)合分配算法，雖然可以在保證隊(duì)列穩(wěn)定的情況下，為系統(tǒng)提供較大業(yè)務(wù)負(fù)載支持和較低的分組時(shí)延，但是該算法并沒有考慮到用戶的不同QoS需求和用戶間平均時(shí)延的公平性。筆者在研究上述各種算法基礎(chǔ)上，提出了一種OFDMA系統(tǒng)下行鏈路準(zhǔn)最優(yōu)的跨層資源分配算法。該算法根據(jù)用戶隊(duì)列狀態(tài)、信道狀態(tài)進(jìn)行子載波和功率聯(lián)合分配，在保證每個(gè)時(shí)延敏感用戶QoS的條件下，使時(shí)延不敏感用戶的長期平均吞吐量達(dá)到最大。

1 系統(tǒng)模型

基于不同業(yè)務(wù)的OFDMA下行鏈路系統(tǒng)的跨層調(diào)度模型如圖1所示。在每一個(gè)時(shí)隙(一個(gè)OFDMA符號)的開始時(shí)刻，資源調(diào)度算法通過反饋信道獲得用戶的信道狀態(tài)信息(CSI)，同時(shí)還收集用戶的隊(duì)列狀態(tài)信息(QSI)，并根據(jù)這些信息調(diào)度算法制定一個(gè)調(diào)度方案來進(jìn)行子載波、功率和速率分配。用戶的狀態(tài)信息(CSI和QSI)和調(diào)度方案制定都以時(shí)隙長度為周期進(jìn)行更新。子載波和速率分配方案通過獨(dú)立的控制信道發(fā)送給每一個(gè)用戶。假設(shè)子載波信道衰落是平坦的，并且基站獲得用戶信道狀態(tài)信息是準(zhǔn)確的。

圖1 基于不同業(yè)務(wù)的OFDMA系統(tǒng)跨層資源調(diào)度模型Fig.1 Cross－layer scheduling model for OFDMA system with different traffics

1.1 隊(duì)列模型

在MAC層，每個(gè)時(shí)延敏感用戶都被分配一個(gè)長度有限先進(jìn)先出的隊(duì)列，如果時(shí)延敏感用戶可忍受最大分組時(shí)延L(時(shí)隙)，則在L時(shí)隙內(nèi)還沒被發(fā)送的分組將會從隊(duì)列溢出而被丟棄。因?yàn)闀r(shí)延不敏感用戶對時(shí)延沒有特定要求，每個(gè)時(shí)延不敏感用戶都被分配有一個(gè)長度足夠長的隊(duì)列。

在實(shí)際的系統(tǒng)中，因?yàn)榉纸M在其剛剛進(jìn)入隊(duì)列的時(shí)隙內(nèi)不能被調(diào)度和傳輸，所以在文中一旦分組進(jìn)入到隊(duì)列其等待時(shí)長就被設(shè)置為1。令A(yù)k(n)表示在第n個(gè)時(shí)隙用戶k可以獲得的最大的傳輸速率(比特/時(shí)隙)，則用戶k在時(shí)隙n實(shí)際傳輸速率為

故在第n+1個(gè)時(shí)隙用戶k的隊(duì)列中總比特?cái)?shù)為

1.2 業(yè)務(wù)模型

第k個(gè)用戶的分組到達(dá)隊(duì)列的過程被建模成伯努力過程，到達(dá)率的均值為λk(比特/時(shí)隙)，即在每個(gè)時(shí)隙的開始時(shí)刻固定長度的分組被允許進(jìn)入第k個(gè)用戶隊(duì)列的概率為pk。用戶k的業(yè)務(wù)模型可以表示為一個(gè)二元的向量(λk，Tk)，其中λk為用戶k平均的分組到達(dá)率，Tk(時(shí)隙)為用戶k平均時(shí)延的要求，即用戶對平均時(shí)延越要求越苛刻，其對應(yīng)的平均時(shí)延要求Tk就越小。

2 問題描述

文中所描述的OFDMA系統(tǒng)下行鏈路包含N個(gè)子載波和K用戶，假設(shè)其中前K1個(gè)用戶是時(shí)延敏感用戶，剩下的K－K1個(gè)用戶是時(shí)延不敏感用戶，系統(tǒng)帶寬為B。優(yōu)化的目標(biāo)是在滿足所有時(shí)延敏感用戶的QoS、系統(tǒng)總功率和BER約束的條件下，使時(shí)延不敏感用戶長期平均吞吐量ˉη最大，即

其中，若第j個(gè)子載波分配給用戶k，則sk，j=1，否則 sk，j=0。pk，j是用戶 k 在第 j個(gè)子載波上被分配的功率，用戶k在時(shí)隙n的子載波分配向量和子載波功率分配向量分別為 Nk(n)=［sk，1，sk，2，…sk，j，…sk，N］T和 Pk(n)=［pk，1，pk，2，…pk，j，…pk，N］T。

時(shí)延不敏感用戶的平均速率ηk為

(C1)是系統(tǒng)總的發(fā)射功率的約束條件，約束條件(C2)和(C3)用來保證在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)每個(gè)子載波只能被一個(gè)用戶占用，(C4)是用戶k的平均時(shí)延約束條件，~Wk為用戶k所有被發(fā)送分組的時(shí)延的平均值。

3 跨層資源分配算法

文中所提算法的思想是優(yōu)先對時(shí)延敏感用戶進(jìn)行資源分配，從而滿足其QoS，然后將剩余的資源分配給時(shí)延不敏感用戶，使其長期平均吞吐量達(dá)到最大。當(dāng)時(shí)延敏感用戶的業(yè)務(wù)負(fù)載較大時(shí)，必然導(dǎo)致時(shí)延不敏感用戶隊(duì)列中分組的等待時(shí)長增大而逐漸接近其可忍受的最大時(shí)延。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可采用相應(yīng)的接入控制算法限制時(shí)延敏感用戶接入數(shù)量，將部分資源分配給時(shí)延不敏感用戶從而使其瞬時(shí)時(shí)延小于可忍受的最大時(shí)延。文中僅研究跨層資源分配問題。為了方便起見，下文中的吞吐量均指的是時(shí)延不敏感用戶的長期平均吞吐量。

在傳統(tǒng)的分配算法中，都是假設(shè)每個(gè)用戶有足夠多的數(shù)據(jù)要傳輸，所以就將系統(tǒng)用戶可以達(dá)到的最大傳輸速率看作是其實(shí)際傳輸速率。但是在業(yè)務(wù)類型是隨機(jī)到達(dá)的分組業(yè)務(wù)時(shí)，這種假設(shè)并不是合理的，從式(2)可以看出，該算法的優(yōu)化目標(biāo)是最大化時(shí)延不敏感用戶實(shí)際的吞吐量。

其中，f(·)是文獻(xiàn)［6］中最優(yōu)的功率分配算法。|·|是求集合中元素的數(shù)量。

在第n個(gè)時(shí)隙，跨層子載波和功率聯(lián)合分配算法如下:

步驟1 初始化:對于所有用戶，令Nk(n)=0，Ak(n)=0。令 S={1，2，3，…，N}為當(dāng)前未被占用的子載波構(gòu)成的集合，令 κ1={1，2，…K1}和 κ2={K1+1，K1+2，…K}分別表示時(shí)延敏感和時(shí)延不敏感用戶構(gòu)成的集合。

步驟3 找出每個(gè)時(shí)延敏感用戶信道質(zhì)量最好的子載波并對用戶時(shí)延比大于1的時(shí)延比進(jìn)行指數(shù)加權(quán):從k=1到K1。

步驟4 每次分配一個(gè)子載波給時(shí)延敏感用戶并對該用戶的子載波功率分配進(jìn)行一次更新。

(c)用式(3)對用戶k*的子載波功率分配進(jìn)行更新，得到其可獲得的最大的傳輸速率;

(d)更新用戶k*在第n個(gè)時(shí)隙的Wk*(n)，

(e)用式(1)更新用戶k*的實(shí)際傳輸速率。

步驟5 將S中剩余的子載波依次分配給時(shí)延不敏感用戶:i=1到|S|。

(a)將子載波i分配給隊(duì)列非空的時(shí)延不敏感用戶，k*需滿足:

(b)將子載波 i分配給用戶 k*，并更新 S和Nk*(n);

(c)用式(3)對用戶k*的子載波功率分配進(jìn)行更新，得到其可獲得的最大的傳輸速率;

(d)用式(1)更新用戶k*的實(shí)際傳輸速率。

該算法中的步驟2～4是對時(shí)延敏感用戶進(jìn)行子載波和功率聯(lián)合分配。在步驟3(b)中對大于1的用戶時(shí)延比進(jìn)行了指數(shù)加權(quán)，因此在該時(shí)隙內(nèi)時(shí)延性能越差的用戶被分配到其最優(yōu)的子載波的可能性也越大。同時(shí)，在步驟4(a)被選出的用戶是其最優(yōu)信道的信道增益與其時(shí)延比乘積最大的用戶，所以這種子載波分配方法既提高了時(shí)延不敏感用戶吞吐量又保證個(gè)用戶間的時(shí)延公平性。在步驟4(c)中，每分配一個(gè)子載波給一個(gè)用戶后，就立即用最優(yōu)的功率分配算法對其子載波的功率分配進(jìn)行更新，使該用戶此時(shí)可獲得的速率達(dá)到最大。這在一定程度上又決定了剩余子載波的分配，保證了每一時(shí)隙內(nèi)可以用最少的子載波滿足用戶的時(shí)延要求。在步驟4(d)中，如果Ak(n)≥Qk(n)，則W'k(n)=0，由步驟4(a)可知，該用戶在該時(shí)隙內(nèi)將不會再被分配不必要的子載波，從而避免資源的浪費(fèi)。

時(shí)延不敏感用戶的資源分配是通過步驟5來完成的。依次將剩余的子載波分配給對此子載波上平均速率提高貢獻(xiàn)最大的隊(duì)列非空的用戶。

4 仿真結(jié)果及數(shù)值分析

文中考慮一個(gè)系統(tǒng)帶寬為1 MHz、包含64個(gè)子載波的下行多用戶OFDMA系統(tǒng)。用戶與基站間的無線信道建模為由6條相互獨(dú)立的路徑構(gòu)成的頻率選擇性信道。每條路徑采用Clarke平坦衰落模型［7］。高斯白噪聲的功率譜密度為 －80 dB·W/Hz，用戶的誤碼率BER小于10－5，系統(tǒng)采用MQAM自適應(yīng)調(diào)制方式。

仿真中，根據(jù)分組平均到達(dá)率和平均時(shí)延約束條件將系統(tǒng)用戶分為4類。其中，第一、二類用戶是時(shí)延敏感用戶，第三、四類用戶是時(shí)延不敏感用戶。平均時(shí)延要求為Tk=1 000，即認(rèn)為該類用戶對平均時(shí)延無要求。分組到達(dá)被視為一個(gè)獨(dú)立的伯努力隨機(jī)過程，每個(gè)分組包含80 bit信息。時(shí)延敏感用戶和時(shí)延不敏感用戶的隊(duì)列長度分別為100(分組)和1 200，比特溢出率定義為

如果比特溢出率小于0.5%，則認(rèn)為隊(duì)列是穩(wěn)定的，以下每條曲線都是通過10 000個(gè)時(shí)隙的仿真得到的。

4.1 算法在不同時(shí)延約束下的性能

系統(tǒng)的用戶分布為(K1，K2，K3，K4)=(3，3，3，3)，每一類用戶的用戶數(shù)均為3，用戶的業(yè)務(wù)模型為:(λ，T)={(0.4，2)，(0.5，T2)，(0.7，1 000)，(0.7，1 000)}。圖2描述了在第二類用戶受不同的時(shí)延約束時(shí)，時(shí)延不敏感用戶吞吐量隨系統(tǒng)總功率的變化關(guān)系。

由圖2可以看出，時(shí)延不敏感用戶吞吐量隨著第二類用戶的時(shí)延約束條件變得苛刻而下降。這是因?yàn)闀r(shí)延敏感業(yè)務(wù)的優(yōu)先級高于時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)。隨著第二類用戶的平均時(shí)延要求的提高，系統(tǒng)會將更多的資源分配給第二類用戶以滿足其時(shí)延需求，時(shí)延不敏感用戶所得到的資源也就變得更少，其吞吐量就隨之下降。

圖2 吞吐量隨系統(tǒng)總功率的變化關(guān)系Fig.2 Average throughput vs.total transmit power

系統(tǒng)的用戶分布為(2，2，2，K4)，用戶的業(yè)務(wù)模型為{(0.6，2)，(0.5，T2)，(0.6，1 000)，(0.7，1 000)}。固定系統(tǒng)總功率為5 dBW，圖3描述了在第二類用戶受不同時(shí)延約束條件下，時(shí)延不敏感用戶吞吐量隨用戶數(shù)量的變化關(guān)系。由圖3可見，算法具有較好的多用戶分集增益特性，隨著第2類用戶時(shí)延需求的提高，系統(tǒng)的多用戶分集增益則有所下降。

圖3 不同時(shí)延約束對系統(tǒng)多用戶分集增益的影響Fig.3 Impact of different delay constrains on multiuser diversity

4.2 算法在不同業(yè)務(wù)負(fù)載下的性能

系統(tǒng)總功率為6.13 dBW，系統(tǒng)的用戶分布為(K1，K2，K3，K4)=(3，3，3，3)，用戶的業(yè)務(wù)模型為{(0.3，2)，(λ2，4)，(0.5，1 000)，(0.5，1 000)}。

圖4描述系統(tǒng)中各類用戶的比特溢出率隨第二類用戶的業(yè)務(wù)負(fù)載(分組的到達(dá)率)變化的關(guān)系，由圖4可以看出，在第二類用戶的業(yè)務(wù)負(fù)載不斷增大情況下，該算法可靠地保證了第一類和第二類用戶的QoS(比特溢出率)，但是所付出的代價(jià)是第二類時(shí)延不敏感用戶溢出率的增大。

將所提出的算法和其他算法進(jìn)行比較，參與比較的算法:(1)文獻(xiàn)［1］中的 MLWDF(OFDM/TDMA);(2)改進(jìn)的文獻(xiàn)［3］中的算法(改進(jìn)的CAQA)，即與每分配完一個(gè)子載波就對用戶的時(shí)延進(jìn)行一次更新;(3)文獻(xiàn)［4］中的算法(CAQA+JSPA)。

圖4 業(yè)務(wù)負(fù)載變化對比特溢出率的影響Fig.4 Impact of variation in traffic load on outage

為了比較的公平性，在仿真中，首先用他們各自算法對時(shí)延敏感用戶進(jìn)行資源分配以滿足這類用戶的時(shí)延要求，然后再用文中提出算法中的步驟5對時(shí)延不敏感用戶進(jìn)行分配。在第二類用戶分組到達(dá)率不斷增大時(shí)，比較各類算法系統(tǒng)吞吐量，從圖5中可以看出，文中提出的算法性能最好，依次是 CAQA+JSPA［4］、改進(jìn)的 CAQA［3］，MLWDF［1］。與其他算相比，文中的算法在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)對不滿足時(shí)延要求的用戶的時(shí)延比進(jìn)行指數(shù)加權(quán)并采用子載波和功率聯(lián)合分配方式，以最小的系統(tǒng)資源代價(jià)來滿足每個(gè)時(shí)延敏感用戶的QoS，從而使時(shí)延不敏感用戶的吞吐量均大于其他算法的吞吐量。

圖5 各種算法的吞吐量的比較Fig.5 Comparing of throughputs of differenta lgorithms

在第二類用戶分組到達(dá)率不斷增大時(shí)，分別比較了各類算法的第一類和第二類用戶的平均時(shí)延~WⅠ和~WⅡ。從圖6可以看出，所提出算法可以同時(shí)滿足第一類和第二類用戶的時(shí)延要求(T1=2，T2=4)并很好地保證二類用戶間平均時(shí)延的公平性，而其他算法只能滿足第二類用戶的時(shí)延要求。由于這些算法并沒有根據(jù)用戶的不同時(shí)延要求進(jìn)行子載波和功率分配，其第二類用戶間平均時(shí)延的公平性較差。

圖6 各種算法的時(shí)延敏感用戶平均時(shí)延的比較Fig．6 Comparing of average delay of delay-insensitive user of different algorithms

5 結(jié)論

從MAC層和物理層聯(lián)合優(yōu)化的角度考慮，文中提出了一種可以滿足用戶不同時(shí)延要求的跨層子載波和功率聯(lián)合分配算法。在每個(gè)時(shí)隙中，通過對當(dāng)前不滿足時(shí)延要求的用戶的時(shí)延比進(jìn)行指數(shù)加權(quán)以及每分配給用戶一個(gè)子載波后，就立即對該用戶進(jìn)行子載波功率分配的更新，該算法不但滿足所有時(shí)延敏感用戶的QoS，而且在系統(tǒng)的吞吐量和滿足用戶的不同時(shí)延要求之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。與其他算法相比，該算法在滿足各類時(shí)延敏感用戶的不同時(shí)延要求的條件下，使系統(tǒng)的吞吐量最大，保證具有不同時(shí)延要求的用戶間平均時(shí)延的公平性。因此，在具有不同時(shí)延要求的語音業(yè)務(wù)、流媒體業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)類型的系統(tǒng)中，該算法性能明顯優(yōu)于其他算法，具有很高實(shí)用價(jià)值。

文中所考慮的分配算法都是假設(shè)信道是準(zhǔn)靜態(tài)的，信道估計(jì)是無誤差的，資源分配信令反饋是準(zhǔn)確的，但對于實(shí)際無線系統(tǒng)，誤差和不確定性因素是永遠(yuǎn)存在的。研究非理想環(huán)境下的跨層資源分配將是進(jìn)一步研究的主要方向。

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Cross-layer resource allocation algorithm up to different delay requirements for OFDMA system

ZHAO Zhixin1，2， CHANG Liang1， LIU Xin1， MA Yinhua3
(1.College of Electric＆ Information Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China;2.Communication Research Center，Harbin Institution of Technology，Harbin 150001，China;3.College of Computer ＆ Information Engineering，Heilongjiang Institute of Science ＆ Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at addressing resource allocation and scheduling in downlink OFDMA system，this paper proposes a joint subcarrier and power allocation algorithm from the perspective of cross-layer design for the optimization objective of maximizing delay-insensitive users’average long term throughput simultaneously guaranteeing delay requirements of delay-sensitive users.The algorithm consists of firstly performing joint allocation of subcarrier and power in terms of delay requirements，queue state information and channel state information of every delay-sensitive users，namely achieving subcarrier power allocation by optimizing a user’s power allocation the instant subcarrier allocation takes place in such a way as to satisfy users’QoS(average delay and bit outage probability)，and secondly allocating the residual system resources to the delay-insensitive users through the joint subcarrier and power allocation working on the policy that subcarrier allocation observes the rule of the largest contribution to increase in average transmission rate.Simulation results show that the proposed algorithm can guarantee all the delay-sensitive users’QoS and the average delay fairness between them and offer a better compromise between maximizing delay-insensitive users’throughput and providing average delay differentiation of the mixed heterogeneous users.

joint allocation;QoS;cross-layer;average delay;throughput

TN929.5

A

1671－0118(2012)01－0073－06

2011－12－28

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11551443)

趙志信(1979－)，男，黑龍江省哈爾濱人，講師，碩士，研究方向:無線通訊物理層，E-mail:zhaozhixin0830@163.com。

(編輯 晁曉筠)