一種基于微蜂窩小區(qū)用戶比例公平的改進資源分配算法

王 路, 李 莉*, 羅漢文,2, 張正一

(1.上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院,上海 200234;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

一種基于微蜂窩小區(qū)用戶比例公平的改進資源分配算法

王 路1, 李 莉1*, 羅漢文1,2, 張正一1

(1.上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院,上海 200234;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

在微蜂窩小區(qū)用戶速率比例公平約束條件下,以最大化系統(tǒng)和速率為目標,提出了一種改進資源分配算法,并用拉格朗日法求解優(yōu)化功率.結(jié)果表明:相比于傳統(tǒng)的最低比例速率的資源分配算法,本算法在頻率和總功率固定的條件下,能減少計算復(fù)雜度,且系統(tǒng)速率提高了約2%.

微蜂窩; 資源分配; 比例公平; 系統(tǒng)速率

0 引 言

隨著人們對通信業(yè)務(wù)需求的不斷提高和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,無線通信技術(shù)將同時滿足實時業(yè)務(wù)(如語音業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)等)和非實時業(yè)務(wù)(如文件傳輸和網(wǎng)頁瀏覽等),以更好地實現(xiàn)便利和豐富的多媒體業(yè)務(wù)服務(wù).與此同時,頻譜資源的有限性已經(jīng)逐漸成為制約無線通信發(fā)展的瓶頸,信道干擾也日趨嚴重.因此,開發(fā)出頻譜效率更高、抗干擾能力更強的新型傳輸技術(shù),以滿足日益增長的用戶需求,便成為當(dāng)今無線通信技術(shù)研究的熱點.

無線信道的時變特性和頻率選擇性衰落,使得動態(tài)資源分配算法成為近年來研究的熱點問題.其中,子載波、比特和功率動態(tài)資源分配技術(shù)是正交頻分多址(OFDMA)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1].各個用戶根據(jù)不同的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)要求,如速率、誤比特率 (BER)和公平性等要求,分配得到合適的子載波、比特和功率,能夠使系統(tǒng)的資源利用率提高.因此,本文作者重點研究頻率分配和功率分配算法.

在多用戶正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)資源分配算法當(dāng)中,Sadr等[2]提出了解決不同用戶速率要求條件下,系統(tǒng)的速率優(yōu)化問題的兩種算法,余量自適應(yīng)(MA)算法和速率自適應(yīng)(RA)算法.Mohanram等[3]介紹了一種子載波和功率聯(lián)合資源分配方法,在保證用戶的誤比特率要求和總功率固定的前提下,優(yōu)化系統(tǒng)速率,但系統(tǒng)復(fù)雜度較高.Lo等[4]在[2]的基礎(chǔ)上,利用RA算法,在保證用戶的BER要求和系統(tǒng)總發(fā)射功率固定的前提下,最大化系統(tǒng)總速率,使擁有最低比例速率的用戶獲得優(yōu)先選擇權(quán),循環(huán)直至子載波全部分配完畢,使系統(tǒng)擁有粗略的比例公平.葉培青等[5]根據(jù)認知用戶的帶寬效益以及空閑信道的狀態(tài),分別為認知用戶和信道劃分優(yōu)先權(quán),優(yōu)化了帶寬效益和頻譜利用率,但未考慮功率方面的分配.Wong等[6]介紹了OFDM系統(tǒng)中子載波和功率分配的優(yōu)化問題,基于比例公平約束,得出用戶之間子載波和功率比例關(guān)系,降低了計算復(fù)雜度,但系統(tǒng)速率有5%左右的損失.Ren等[7]在[6]的基礎(chǔ)上,提出了基于子載波分組的多用戶資源分配策略,子載波分組的約束條件是同一組的子載波擁有同樣的信噪比,又提出了基于二分法的功率分配方案,系統(tǒng)復(fù)雜度降低,但系統(tǒng)和速率較最優(yōu)聯(lián)合資源分配有所下降.

本文作者提出的改進算法基于文獻[4]的子載波分配算法,加入了子載波個數(shù)的求解和設(shè)置用戶選擇子載波時的優(yōu)先權(quán),提高系統(tǒng)和速率,降低系統(tǒng)復(fù)雜度,保證系統(tǒng)的公平性.

1 正交頻分多址系統(tǒng)模型

圖1 帶有自適應(yīng)比特、子載波和功率分配的OFDMA系統(tǒng)的原理框圖

圖1為帶有自適應(yīng)比特、子載波和功率分配的OFDMA系統(tǒng)的原理框圖.在基站端,假設(shè)基站可以獲知完整的瞬時信道狀態(tài)信息,進而通過反饋信道送來的各個用戶的信道狀態(tài)信息及Qos要求(如速率要求、BER要求和公平性要求等)被送往資源分配算法模塊,該模塊根據(jù)反饋回來的各用戶的信道狀態(tài)信息以及QoS要求將系統(tǒng)的資源(頻譜和功率)合理地分配給不同用戶,使系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)化.OFDM收發(fā)機從不同用戶的數(shù)據(jù)流中選擇相應(yīng)的比特數(shù)裝載到各個子載波上形成一個OFDM符號,通過信道進行傳送,同時子載波和比特分配信息通過獨立的信道發(fā)送給各個用戶.在移動用戶終端,用戶根據(jù)自己從獨立信道獲得的子載波和比特分配信息,從數(shù)據(jù)流中選擇出自己要接收的數(shù)據(jù),然后通過反饋信道將估算的基站與本用戶之間的信道狀態(tài)信息發(fā)送給基站,如此循環(huán)對系統(tǒng)資源進行分配.

假設(shè)系統(tǒng)是一個有K個用戶和N個子載波的多用戶OFDM系統(tǒng).U={1,2,…,K}和A={1,2,…,N}分別表示用戶集合和子載波集合.第k個用戶的吞吐量可表示為:

(1)

式中B為系統(tǒng)總帶寬,ck,n為第n個子載波分配給第k個用戶的分配因子.

Υk,n為第k個用戶占用第n個子載波時的信噪比(SNR),表示為:

(2)

式中pk,n為第k個用戶在第n個子載波分配到的功率,hk,n為用戶在第n個子載波上的信道響應(yīng),Hk,n為等效的子載波信道增益,N0為噪聲功率譜密度.

2 基于比例公平的改進資源分配算法

根據(jù)第1節(jié)的分析可以得到OFDMA系統(tǒng)中和速率為:

(3)

(3)式可以進一步得到子載波和功率分配數(shù)學(xué)表達式:

(4)

約束條件為:

(5)

式中C1、C2為功率分配約束條件,它限制了總的分配功率不能超過系統(tǒng)的總發(fā)射功率,C3、C4是關(guān)于子載波分配的,用來保證每個子載波只能分配給唯一的一個用戶,C5是用戶速率公平比例約束條件,用來確保用戶間的公平性,α為公平比例約束因子.

改進算法的目標是在滿足一定比例速率公平的同時,使系統(tǒng)容量最大化.算法的具體分配步驟如下:

A)子載波分配算法

6)分配第一步中按比例取整是剩余的子載波,每個子載波被分配給一個對其信道增益最優(yōu)的用戶.

B)比例公平速率約束下的最優(yōu)化功率分配算法,在子載波方案確定以后,針對優(yōu)化目標函數(shù),采用拉格朗日乘子法,將 (4) 式轉(zhuǎn)化為

(6)

式中λk是拉格朗日乘子,對(6)式不同的pk,n分別進行求導(dǎo),可以得到單個用戶內(nèi)部子載波之間的注水功率分配.

3 仿真結(jié)果分析

在已有算法[4]的基礎(chǔ)上加入子載波個數(shù)求解、設(shè)置用戶選擇子載波時的優(yōu)先權(quán)及每個用戶分配到的子載波個數(shù)限制,降低了功率分配的計算復(fù)雜度.

仿真采用的用戶數(shù)K=2,4,…,16,子載波數(shù)N=64,帶寬B=1 MHz,誤碼率為10-3,系統(tǒng)總的發(fā)射功率Ptotal=1 W,平均信噪比γ=10 dB,公平比例約束因子αk設(shè)置為:前K-1個用戶為1,最后一個用戶為2,對1 000次仿真結(jié)果取平均.仿真結(jié)果如圖2,圖3所示,圖2為用戶數(shù)量與系統(tǒng)速率的關(guān)系曲線,可以看出在功率一定的情況下,隨著用戶數(shù)的增加,系統(tǒng)速率總體增加,用戶數(shù)K=2,4時,本算法與文獻[4]算法性能相近,當(dāng)K>6時,本算法的系統(tǒng)速率更高,當(dāng)K=16時,提高了約2%.圖3為微蜂窩系統(tǒng)中同樣的總功率、子載波條件下用戶數(shù)量與CPU運行時間的關(guān)系,由圖3可知,本算法平均運行時間為0.001 s,比文獻[4]所提算法的運行時間(0.01 s)少0.009 s,降低了運算復(fù)雜度.

圖2 微蜂窩系統(tǒng)中總功率、子載波相同條件下用戶數(shù)量與系統(tǒng)速率關(guān)系曲線

圖3 微蜂窩系統(tǒng)中總功率、子載波相同條件下用戶數(shù)量與CPU運行時間關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

介紹了一種具有優(yōu)先級的OFDMA系統(tǒng)動態(tài)子載波和功率分配算法,該算法改進了已有的經(jīng)典算法,通過仿真比較可以看出,所提算法在系統(tǒng)速率上比經(jīng)典算法有進一步提高,當(dāng)用戶數(shù)量較大時,系統(tǒng)和速率較文獻[4]所提的算法提高了約0.14 bit·s-1·Hz-1,運行時間減少0.009 s左右.

本算法的前提是假設(shè)收發(fā)端能獲得完整信道狀態(tài)信息,而實際系統(tǒng)中總會存在干擾等因素引起的信道狀態(tài)信息反饋偏差,這些不精確的信息都有可能給提出的子載波和功率分配方案帶來不同程度的影響,因此有必要在下一步工作中考慮不完全信道狀態(tài)信息對系統(tǒng)的動態(tài)資源分配算法產(chǎn)生的影響.

[1] Fan J C,Yin Q Y,Li G Y,et al.Adaptive block-level resource allocation in OFDMA networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2011,10(11):3966-3972.

[2] Sadr S,Anpalagan A,Raahemifar K.Radio resource allocation algorithms for the downlink of multiuser OFDM communication systems [J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2009,11(3):92-106.

[3] Mohanram C,Bhashyam S.Joint subcarrier and power allocation in channel-aware queue-aware scheduling for multiuser OFDM [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2007,6(9):3208-3213.

[4] Lo K K,Chien S F,Chieng D,et al.Proportional resource allocation for OFDMA [J].IEEE Region 10 Symposium,2014:88-92.

[5] 葉培青,李莉,周小平,等.基于Kuhn-Munkres算法保證認知用戶QoS的動態(tài)頻譜分配 [J].上海師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,42(2):137-142.

Ye P Q,Li L,Zhou X P,et al.Dynamic spectrum allocation based on Kuhn-Munkres algorithm to guarantee cognitive users′ QoS [J].Journal of Shanghai Normal University(Natural Sciences),2013,42(2):137-142.

[6] Wong I C,Shen Z,Evans B L,et al.A low complexity algorithm for proportional resource allocation in OFDMA systems [J].IEEE Workshop on Signal Processing Systems,2004:13-15.

[7] Ren Z Y,Chen S Z,Hu B,et al.Proportional resource allocation with subcarrier grouping in OFDM wireless systems [J].IEEE Communications Letters,2013,17(5):868-871.

(責(zé)任編輯：顧浩然,包震宇)

An improvement algorithm of joint resource allocationbased on microcells network proportional fairness

Wang Lu1, Li Li1*, Luo Hanwen1,2, Zhang Zhengyi1

(1.College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

To optimize maximizing system rate,we propose an improved resource allocation algorithm based on the constraint conditions of rate proportional fairness,and solve the optimal power by using Lagrange method.The results show that,compared to the traditional resource allocation algorithm of minimum proportional rate,our algorithm can reduce computational complexity and improves the system rate effectively.

microcells; resource allocation; proportional fairness; system rate

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.004

2016-11-29

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(61503251); 上海市自然基金 (16ZR1424500)

王 路(1991-),男,碩士研究生,主要從事自適應(yīng)信號處理與無線通信方面的研究.E-mail:1554960116@qq.com

導(dǎo)師簡介: 羅漢文(1949-),男,教授,主要從事無線通信方面的研究.E-mail:hwluo@sjtu.edu.cn

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0023-05

*通信聯(lián)系人.E-mail:lilyxuan@shnu.edu.cn