蔣韡琳，張中兆，沙學(xué)軍，孫麗楠

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，150080哈爾濱)

資源調(diào)度是正交頻分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)系統(tǒng)的1個(gè)重要特征，即基站的調(diào)度器根據(jù)上下行信道的質(zhì)量信息，動(dòng)態(tài)地為用戶選擇適合的資源塊進(jìn)行傳輸，并通過下行控制信令指示給用戶.如果在發(fā)送端可獲得一些信道狀態(tài)信息，對(duì)用戶進(jìn)行子載波和傳輸功率分配，可以有效的提高系統(tǒng)容量.然而，當(dāng)子載波數(shù)或用戶數(shù)增多時(shí)，CQI(Channel Quality Information)量將隨著用戶數(shù)和子載波數(shù)線性增長(zhǎng)，將導(dǎo)致反饋信息變得非常大，這將帶來額外控制信令，需要使用上行資源來傳輸CQI信息.因此研究只用低速率上行質(zhì)量信息CQI反饋系統(tǒng)的性能是很必要的.

為了減少反饋，文獻(xiàn)［1］引進(jìn)子信道化的方法.不是單獨(dú)考慮每個(gè)子載波的資源分配，而是相鄰的子載波或者分布式的子載波構(gòu)成1個(gè)子信道.文獻(xiàn)［2］研究在Alamouti-type無線通信系統(tǒng)使用1 B信道狀態(tài)反饋算法;對(duì)于多載波系統(tǒng)的最小反饋速率漸近性下限在文獻(xiàn)［3］中給出;文獻(xiàn)［4］中提出利用基于注水的依賴信道門限的自適應(yīng)子載波選擇方案，以上這些算法都可以有效減少反饋信息，但是，當(dāng)用戶量和子載波數(shù)增加時(shí)，反饋CQI量依然很大.文獻(xiàn)［5］提出一種基于MAX-SNR(SNR，Signal to Noise Ratio)資源分配方案，利用更少的反饋比特獲得更高的容量，即對(duì)于每個(gè)用戶利用一定的反饋比特最大化和速率，但是在低信噪比下容量損失較大.文獻(xiàn)［6］研究了一定相干時(shí)間下，優(yōu)化門限來最大化和容量.為了減少由于更新信道信息帶來的帶寬開銷，Myeon-gyun Cho等［7］提出了差分的反饋減少(DFRS，Differential Feedback Reduction Scheme)算法，這種反饋減少方案，需要信道增益的排列信息，盡管反饋很少，每個(gè)子載波只需要1 B，但是它也可能存在真實(shí)信道增益和在基站重構(gòu)信道增益之間的嚴(yán)重變形.

在保持資源調(diào)度的靈活性和較準(zhǔn)確的CQI的同時(shí)，應(yīng)盡可能降低信令開銷.由于OFDMA系統(tǒng)中子載波數(shù)目很多，當(dāng)用戶數(shù)量增多時(shí)，上行反饋數(shù)量是非常大的，減少上行CQI，可以將剩余的傳輸資源分配給數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)容量.因此，設(shè)計(jì)一種減少OFDMA系統(tǒng)反饋的算法十分必要.此外，減少反饋后的服務(wù)質(zhì)量和公平性等問題，也是應(yīng)該考慮的.基于以上思路，本文提出了一種基于服務(wù)質(zhì)量和公平性的減少上行CQI反饋的算法.在減少CQI反饋的同時(shí)，保證了用戶的服務(wù)質(zhì)量和公平性.

1 系統(tǒng)模型

以O(shè)FDMA系統(tǒng)下行為研究對(duì)象，用戶數(shù)為K，子載波數(shù)為M，用戶均勻分布于小區(qū)中，用戶測(cè)量所有子載波的信道質(zhì)量.假設(shè)每個(gè)子載波的衰落都是獨(dú)立同分布.用戶報(bào)告所有或部分的子載波的信道質(zhì)量給基站.假設(shè)信道估計(jì)是完美的，反饋信道是無誤差.基站基于CQI分配子信道，并且在下1個(gè)調(diào)度時(shí)刻通知用戶.由用戶反饋給基站的CQI，定義為fCQI.

要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)目標(biāo)是最大化下行信道和速率，約束條件為CQI反饋開銷量和在基站的總功率.首先將小區(qū)中的用戶分為小區(qū)內(nèi)的用戶和小區(qū)邊緣用戶，小區(qū)內(nèi)用戶采用等功率分配，小區(qū)邊緣用戶采用注水算法.當(dāng)CQI報(bào)告方案為F時(shí)，子信道i獲得的速率為RF，i，則和速率最大化的優(yōu)化問題可以表示為

式中f為反饋量的最大值，P為總的發(fā)射功率.當(dāng)fCQI降低時(shí)，對(duì)于給定的子信道，只有部分用戶報(bào)告子載波的CQI，反之，則增加，因此減少CQI反饋是以減少多用戶分集為代價(jià)的.

2 動(dòng)態(tài)減少CQI反饋算法

理論上說，多用戶分集可以產(chǎn)生更高的吞吐量，這需要基站知道每個(gè)用戶完美的信道狀態(tài)信息.但是為了節(jié)省上行帶寬以及降低復(fù)雜度，減少CQI反饋開銷是必要的.本節(jié)提出一種在反饋及最大化和容量之間折中的動(dòng)態(tài)減少CQI反饋算法.在減少反饋的情況下，最大化系統(tǒng)的和容量.OFDMA系統(tǒng)的瞬時(shí)容量可以表示為

當(dāng)發(fā)送端為完美的信道信息時(shí)，最優(yōu)的功率分配為注水算法［8］.在高信噪比下，等功率分配是最優(yōu)的［9］.在高SNR下，反饋不是必須的［10］，并且主要用于傳輸控制信息的信道，其容量是很有限的，因此有必要減少CQI反饋.在混合功率分配(Hybrid Power Distribution，HPD)資源分配算法中，將小區(qū)分為中心和邊緣部分，在小區(qū)中心采用等功率分配.因此，UE發(fā)送的CQI通常是不必要的.這樣，UE不發(fā)送CQI將極大的降低下行鏈路資源分配的復(fù)雜度，使信令開銷下降.同時(shí)，詳細(xì)的CQI可以提高頻率選擇性產(chǎn)生的增益，但是隨著反饋信道狀態(tài)信息的UE數(shù)目增多，上行鏈路CQI開銷將增加.因此，在小區(qū)邊緣，當(dāng)用戶量少的時(shí)候采用1 B反饋;當(dāng)用戶量大的時(shí)候，采用Best-M方案，減少反饋信息，然后采用注水功率分配.這樣，不但降低了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算復(fù)雜度，同時(shí)減少了上行反饋信息.

因此，系統(tǒng)的和容量可以表示為

小區(qū)中心的用戶采用fCQI=1，功率采用等功率分配.當(dāng)用戶量少的時(shí)候，邊緣用戶采用fCQI=1，當(dāng)用戶量很高的時(shí)候，fCQI采用式(4)來減少CQI的反饋，hthreshold為反饋門限.其中hthreshold值的大小，根據(jù)用戶量由網(wǎng)絡(luò)側(cè)確定.

3 基于Best-M的用戶選擇方法

第2節(jié)算法解決了現(xiàn)有OFDMA系統(tǒng)中當(dāng)用戶數(shù)和子載波數(shù)較多時(shí)上行反饋數(shù)量增加的問題，本節(jié)根據(jù)Best-M算法，提出1種如何選取第1個(gè)用戶的資源分配方案.

在傳統(tǒng)的子載波分配方案中，對(duì)于第1個(gè)用戶的選取，通過隨機(jī)的方法，即把信道增益最大的子載波分配給某1個(gè)用戶.但是這種方案會(huì)出現(xiàn)這樣的問題，第1個(gè)用戶首先選擇了信道增益最大的子載波，這個(gè)子載波如果留給第2個(gè)用戶，可能使得兩個(gè)用戶的和容量最大，然而，第1個(gè)用戶優(yōu)先選擇之后，就無法保證和容量最大化.因此本節(jié)提出一種基于Best-M的第1個(gè)子載波分配方案.統(tǒng)計(jì)超過某一門限的子載波個(gè)數(shù)來對(duì)用戶子載波進(jìn)行分配.因此，本文在Best-M的基礎(chǔ)上，提出了基于公平性用戶選擇子載波的方法.

基于門限的子載波分配方案描述如下:

C={1，2，…，M}，C＜M，?k=1，2，…，k，M為子載波序號(hào)數(shù)，C為子載波集合.

1)如果C≠?，對(duì)于每一用戶k，k∈K，子載波對(duì)每1個(gè)用戶根據(jù)信道增益大小進(jìn)行排序:Π=(π(1)，π(2)，…，π(k))，大于某個(gè)門限的子載波組成1個(gè)集合，并且向基站上報(bào)個(gè)數(shù).

基站將根據(jù)上報(bào)超過門限的子載波個(gè)數(shù)的多少進(jìn)行從小到大的排序:(k1，k2，…).

2)第1個(gè)用戶優(yōu)先選擇子載波，從超過門限的子載波中選擇1個(gè).

更新C=C-m*，Ωk=Ωk+m*;

第2個(gè)用戶選擇子載波;

若C=?，子載波第1次分配結(jié)束.

分配子載波不是任意選擇其中1個(gè)子載波信道增益最大的1個(gè)，而是所有的用戶都要根據(jù)超過門限的子載波總數(shù)大小進(jìn)行排序.包含子載波數(shù)越小的用戶，就優(yōu)先進(jìn)行分配.這樣既保證了信道質(zhì)量差的用戶的通信要求，又使整體的容量接近最優(yōu).

4 仿真結(jié)果

仿真環(huán)境為OFDMA系統(tǒng)的多小區(qū)下行情況，小區(qū)數(shù)為19，小區(qū)半徑為1 km.陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)方差為8 dB.下行噪聲功率為-119 dB·m，基站的發(fā)射功率為46 dB·m，CQI誤差忽略不計(jì).

首先，對(duì)不同反饋方案下吞吐量進(jìn)行比較.仿真時(shí)考慮系統(tǒng)子信道N為60，用戶數(shù)K為6，信道采用瑞利衰落信道，并且所有子信道衰落都是獨(dú)立同分布的.

圖1和圖2給出了當(dāng)M=4的情況下，Best-M方案與全反饋方案和容量的比較.可以看出，全反饋方案由于最大化分集增益，容量達(dá)到最大.

圖1 不同反饋方案下的和容量比較

圖2 不同反饋方案下的平均容量比較

圖3是Best-M比特反饋與所提的動(dòng)態(tài)減少反饋算法的和容量的比較，其中M=10.同時(shí)，對(duì)最優(yōu)方案也進(jìn)行了仿真.為了減少仿真時(shí)間，每個(gè)用戶分配的子載波為4個(gè)，每個(gè)小區(qū)最多子載波數(shù)為256，仿真次數(shù)為1×105.Redge表示小區(qū)邊緣半徑.在小區(qū)中心采用等功率分配，小區(qū)邊緣采用注水功率分配.從圖3中可以看出本文提出的方案優(yōu)于Best-M反饋方案，同時(shí)相比于全反饋情況，在用戶量少的情況下，采用1 B反饋方案，反饋量小.可以看出當(dāng)用戶數(shù)增加的時(shí)候，吞吐量有所下降，這是因?yàn)椴捎玫腂est-M相比1 B反饋減少了多用戶分集性能.

圖4是本文所提算法在Redge=0.6、每個(gè)小區(qū)60個(gè)用戶時(shí)的仿真.當(dāng)用戶數(shù)小于30時(shí)，采用1 B進(jìn)行反饋，而用戶數(shù)超過30時(shí)采用Best-M反饋方案，M取4.由圖4可以看出，提出的動(dòng)態(tài)CQI算法接近于CQI全反饋算法.當(dāng)用戶數(shù)為50時(shí)，用戶之間選擇最優(yōu)會(huì)發(fā)生碰撞的可能性增大.因此，系統(tǒng)和容量與CQI全反饋算法有了一定的差距，當(dāng)子載波數(shù)很大時(shí)，會(huì)接近于最優(yōu).

圖3 不同反饋方案下的容量比較

圖4 本文提出算法的容量

綜上所述，對(duì)于本文所提出的減少上行反饋算法，是在保證資源分配必要的反饋信息的前提下，對(duì)復(fù)雜度和性能之間進(jìn)行折中，同時(shí)考慮了用戶選擇子載波的公平性.采用動(dòng)態(tài)減少上行反饋方法，在小區(qū)中心和邊緣采用不同的上行反饋方案，可以有效的減少上行反饋信息.從仿真結(jié)果可以看出，提出的動(dòng)態(tài)減少CQI反饋算法在和容量上僅次于全反饋方案的最優(yōu)算法，能夠?yàn)橛脩籼峁┝己玫姆?wù)質(zhì)量.

5 結(jié)論

根據(jù)用戶量的大小以及在小區(qū)中的位置，提出了動(dòng)態(tài)減少CQI反饋算法.由于中心小區(qū)信道質(zhì)量好，不需要上行反饋信道質(zhì)量，只需要靜態(tài)的子載波分配，而在小區(qū)邊緣，當(dāng)用戶量少的時(shí)候，采用1 B反饋方案，當(dāng)用戶量大的時(shí)候采用Best-M方案.針對(duì)子載波選擇的公平性需求問題，利用Best-M算法，提出了第1個(gè)用戶優(yōu)先選擇方案.最后通過仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)減少CQI反饋算法的性能.仿真結(jié)果表明，提出的算法能夠在開銷和系統(tǒng)性能上有很好的折中，同時(shí)保證了用戶之間的公平性.

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