基于CR技術(shù)的OFDM有序分布小區(qū)資源分配算法*

侯 華,張 偉

(河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲056038)

分布式基站覆蓋[1]是近年為實(shí)現(xiàn)以蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)展起來的新方式。采用此技術(shù)可有效地?cái)U(kuò)大移動(dòng)通信系統(tǒng)容量、調(diào)整覆蓋區(qū)、改善系統(tǒng)性能[2-3]。但這種完全分布式的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和接入的基站都不確定，要自行組織、自主搜索，對(duì)資源和系統(tǒng)會(huì)帶來很大的開銷。對(duì)于極端應(yīng)用，這樣程度的開銷是不可承受的，在多用戶情況下，資源分配和下行同步尤為困難。

另外，使用認(rèn)知無線電CR(Cognitive Radio)技術(shù)可以有效緩解頻譜緊缺問題[4]。目前普遍認(rèn)為應(yīng)采用多載波技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中正交頻分復(fù)用(OFDM)是最佳候選技術(shù)之一[5]。

針對(duì)基于認(rèn)知技術(shù)的有序分布網(wǎng)絡(luò)資源管理技術(shù)研究缺乏的現(xiàn)狀，同時(shí)利用分布式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[6]將認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用于有序分布網(wǎng)絡(luò)中，提出交叉覆蓋有序分布網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并在此基礎(chǔ)上，提出基于認(rèn)知無線電技術(shù)的有序分布網(wǎng)絡(luò)的無線資源分配算法。

1 系統(tǒng)模型

1.1 小區(qū)結(jié)構(gòu)

圖1 有序分布式小區(qū)

圖1為有序分布式小區(qū)結(jié)構(gòu)。小區(qū)天線單元AP1、AP2和AP3與連接它們的基站分布在邊長(zhǎng)為2R1+R2(R1=2R2)的正三角形的頂點(diǎn)處，多個(gè)這樣的小區(qū)構(gòu)成分布式基站系統(tǒng)。天線單元把小區(qū)分為4個(gè)區(qū)域，以一個(gè)天線單元為頂點(diǎn)，有3個(gè)以R1為半徑的60°扇區(qū)稱為單一覆蓋區(qū)，剩余部分R1為交叉覆蓋區(qū)?；纠肅R技術(shù)檢測(cè)各用戶在小區(qū)中的位置。

小區(qū)中，基站分別為天線單元分配完全正交的3 bit擴(kuò)頻碼字，以去除天線間的同頻干擾，同時(shí)保證高層傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)速率在空中接口所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率的比重合理。下行鏈路使用OFDM區(qū)分不同的用戶。上行鏈路與下行鏈路類似，不同之處在于每個(gè)用戶都被分配一個(gè)擴(kuò)頻碼，達(dá)到去除上行同頻干擾的目的。

物理層，時(shí)域上的一幀被分作控制部分和數(shù)據(jù)部分，分別包括Nc和Nd個(gè) OFDM符號(hào),分配結(jié)果通過控制部分發(fā)送給用戶。MAC層，基站為各用戶分配獨(dú)立的有限容量數(shù)據(jù)隊(duì)列,隊(duì)列中分組的服務(wù)次序是先到先服務(wù)。

1.2 CR技術(shù)的應(yīng)用

系統(tǒng)中CR的應(yīng)用有：基站感知各子載波的干擾溫度，提取出各接入用戶的地理位置；用戶通過感知各子載波干擾溫度，可得到傳輸數(shù)據(jù)的子載波占子載波總數(shù)的比例；各子載波的頻率復(fù)用因子；小區(qū)內(nèi)用戶分布信息的提取，這需要將 “主基站優(yōu)先子載波選擇算法”和“疏狀子載波選擇算法”相結(jié)合。

干擾溫度Ti可表示為：

其中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù),B為系統(tǒng)帶寬,Pi為干擾功率。

2 資源分配算法

2.1 調(diào)度算法

設(shè)子載波數(shù)為N，每個(gè)子載波的帶寬為Δf=B/N。在一幀時(shí)間內(nèi)信道為準(zhǔn)靜態(tài)，子載波分配算法每幀更新一次。

MAX C/I調(diào)度算法[7-8]定義用戶的效用函數(shù):

基于MAXC/I調(diào)度算法，所提系統(tǒng)調(diào)度算法如下：

(1)計(jì)算各用戶的效用函數(shù)。

(2)選擇優(yōu)先調(diào)度覆蓋區(qū)，為用戶排序。如果單一覆蓋區(qū)的用戶總優(yōu)于交叉覆蓋區(qū)的用戶被調(diào)度，單一覆蓋區(qū)內(nèi)用戶按照效用函數(shù)降序排列，交叉覆蓋區(qū)內(nèi)用戶也按照效用函數(shù)遞減排列；如果交叉覆蓋區(qū)的用戶總優(yōu)于單一覆蓋區(qū)的用戶被調(diào)度，交叉覆蓋區(qū)內(nèi)用戶按照效用函數(shù)遞減排列，單一覆蓋區(qū)內(nèi)用戶也按照效用函數(shù)遞減排列；如果不區(qū)分用戶所在區(qū)，則所有用戶按照效用函數(shù)遞減排列。

(3)調(diào)度被選中的首個(gè)用戶隊(duì)列的分組。如果該用戶隊(duì)列分組都被發(fā)送出去，繼續(xù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)低的下一個(gè)用戶隊(duì)列分組，直到所有用戶隊(duì)列分組都被發(fā)送出去或物理層無資源。

2.2 子載波分配算法

用戶位于單一覆蓋區(qū)時(shí)，基站只通過該單一覆蓋區(qū)的天線單元向該用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶位于交叉覆蓋區(qū)時(shí)，基站通過3個(gè)天線單元同時(shí)向該用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè){1,2,…,N}為子載波序號(hào)集合，第i幀第n個(gè)子載波被分配給AP1的單一覆蓋區(qū)表示為[i]=1，則:

其中，sg表示單一覆蓋區(qū)，ac表示交叉覆蓋區(qū)。先將子載波分成兩組：與單一覆蓋區(qū)的用戶通信時(shí)，使用的優(yōu)先子載波；與交叉覆蓋區(qū)用戶通信時(shí)，使用的優(yōu)先子載波。同一個(gè)用戶在相鄰子載波之間的信道增益變換小，可采用“疏狀子載波選擇算法”。

其中，g(k′,APx,n)為用戶k和天線 APx間在子載波n上的信道增益，σ2為每個(gè)子載波上的噪聲功率。

設(shè)bi,n表示在第i幀第n個(gè)子載波攜帶的比特?cái)?shù)。對(duì)于一定誤比特率要求和接收端所需信噪比，滿足用戶的QoS需求，對(duì)單一覆蓋區(qū)用戶有：

對(duì)交叉覆蓋區(qū)用戶有：

其中，x」表示對(duì) x 下取整，lenpkt為分組大小。

子載波分配算法如下：

(1)根據(jù)調(diào)度的用戶排序，選序列中第一個(gè)未分配到子載波的用戶k。

(2)按照用戶k“優(yōu)先子載波”增益遞減序列，依次分配給k處于空閑狀態(tài)增益最高的子載波，直到k的隊(duì)列為空，或“優(yōu)先子載波”為空。

(3)判斷系統(tǒng)是否還有空閑“優(yōu)先子載波”，如果有，轉(zhuǎn)(5)；否則，為k分配“非優(yōu)先子載波”，直到k的隊(duì)列為空，或“非優(yōu)先子載波”為空。

(4)判斷系統(tǒng)中是否還有空閑子載波，如果有，返回(1)；否則，分配完畢。

(5)判斷系統(tǒng)中是否還有分組等待被發(fā)送，如果有，返回(1)；否則，分配完畢。

(6)將發(fā)送給各用戶的分組數(shù)量反饋給調(diào)度模塊。

3 仿真分析

仿真中,B=2.048 MHz，N=64,最大多徑時(shí)延 τmax=10 μs,最大多普勒頻移fDmax=300 Hz。用MQAM自適應(yīng)調(diào)制M={0,4,8,16,64}。 信道為COST207六徑模型，六徑在1～10 μs內(nèi)等間隔分布。

設(shè) Nd=32，lenpkt=1 280，tc=1 000。業(yè)務(wù)平均到達(dá)速率為 1.28 Mb/s，最大延時(shí)為 600 ms，誤包率為 10-3。 由調(diào)度和子載波分配算法的不同組合可得到以下具體的資源分配算法框架：?jiǎn)我桓采w區(qū)用戶優(yōu)先，區(qū)分“優(yōu)先子載波”的算法；交叉覆蓋區(qū)用戶優(yōu)先，區(qū)分“優(yōu)先子載波”的算法；不區(qū)分用戶所處的覆蓋區(qū)，區(qū)分“優(yōu)先子載波”的算法；單一覆蓋區(qū)用戶優(yōu)先，不區(qū)分“優(yōu)先子載波”的算法；交叉覆蓋區(qū)用戶優(yōu)先，不區(qū)分“優(yōu)先子載波”的算法；不區(qū)分用戶所處的覆蓋區(qū)，不區(qū)分“優(yōu)先子載波”的算法。

圖2、圖3和圖4分別給出基于上述6種框架，丟包率、平均分組時(shí)延和系統(tǒng)吞吐量性能仿真。由圖知，無論是否區(qū)分用戶地理位置優(yōu)先級(jí)，區(qū)分“優(yōu)先子載波”和不區(qū)分“優(yōu)先子載波”得到的丟包率、平均分組時(shí)延和系統(tǒng)吞吐量都近似。單一覆蓋區(qū)用戶優(yōu)先和不區(qū)分用戶覆蓋區(qū)情況下，得到的丟包率、平均分組時(shí)延和系統(tǒng)吞吐量都明顯好于交叉覆蓋區(qū)用戶優(yōu)先的情況。這說明本文提出的疏狀子載波選擇方法可以在不降低系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，大幅度降低計(jì)算的復(fù)雜度。此外也為系統(tǒng)資源分配次序提供了有益的信息，有利于系統(tǒng)資源的充分利用。

圖2 丟包率與噪聲功率曲線

圖3 平均分組時(shí)延與噪聲功率曲線

圖4 吞吐量與噪聲功率圖

圖5 子載波復(fù)用次數(shù)與噪聲功率圖

圖5為基于上述算法，得到的子載波復(fù)用性能。對(duì)于單一覆蓋區(qū)用戶優(yōu)先的子載波分配算法，區(qū)分“優(yōu)先子載波”下的子載波復(fù)用次數(shù)高于不區(qū)分“優(yōu)先子載波”下的子載波復(fù)用次數(shù)。對(duì)于交叉覆蓋區(qū)用戶優(yōu)先的子載波分配算法和不區(qū)分用戶所處的覆蓋區(qū)的子載波分配算法，不區(qū)分“優(yōu)先子載波”下的子載波復(fù)用次數(shù)高于區(qū)分“優(yōu)先子載波”的子載波復(fù)用次數(shù)。這說明，單一覆蓋區(qū)用戶優(yōu)先且區(qū)分“優(yōu)先子載波”的算法對(duì)子載波的利用率比較充分。

本文在有序分布式小區(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中，并提出相應(yīng)的調(diào)度算法和子載波分配方案。這種分配方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：比較充分地利用子載波分集增益，可以提高系統(tǒng)容量；簡(jiǎn)單，不需要在整個(gè)子載波系統(tǒng)范圍內(nèi)搜索和分配；靈活，可以根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載量使用其他覆蓋區(qū)的優(yōu)先選擇子載波。

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