朱國暉， 薛 茜， 周廣譚

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

面向業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的中繼系統(tǒng)資源分配算法

朱國暉， 薛 茜， 周廣譚

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

為了提高正交頻分復(fù)用中繼系統(tǒng)下行鏈路的吞吐量，滿足用戶對服務(wù)質(zhì)量的需求，基于比例公平算法給出一種面向業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的資源分配算法。先根據(jù)用戶在隊(duì)列中的等待時(shí)延和用戶對速率的需求，設(shè)計(jì)出時(shí)延因子和速率因子，并以此在時(shí)域階段計(jì)算出不同用戶優(yōu)先級，最后在頻域階段根據(jù)用戶的優(yōu)先級分配資源。仿真結(jié)果表明，與原比例公平算法相比較，新算法吞吐量可提升35%到50%，用戶公平性指數(shù)可提高13%，用戶滿意度也有增加。

正交頻分復(fù)用；中繼；資源分配；吞吐量

無線資源分配是一項(xiàng)可以提高頻譜資源利用率的技術(shù)，其目標(biāo)是在滿足用戶對服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的要求下，充分地利用有限的無線資源提升性能。中繼是LTE-Advanced系統(tǒng)中一種可以增大小區(qū)邊緣用戶的傳輸速率和吞吐量，緩解應(yīng)急通信和擴(kuò)大范圍覆蓋的先進(jìn)技術(shù)[1]。在基于正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiple，OFDM)系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)的引入，提高了系統(tǒng)的總的吞吐量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提供高速無線回傳能力，但中繼的引入增加了資源調(diào)度的復(fù)雜性。

非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中，采用輪循(Round Robin，RR)、最大載干比(Max Carrier to Interference，Max C/I)和比例公平(Proportional Fairness，PF)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了高的吞吐量，但沒有考慮到實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對于速率和時(shí)延方面的要求[2-3]。文獻(xiàn)[4-5]提出的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)分配算法，獲得的吞吐量較高但用戶的公平性不理想。文獻(xiàn)[6]研究了兩跳情況下的比例公平算法，以減小吞吐量獲得系統(tǒng)良好的公平性。文獻(xiàn)[7]針對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS需求進(jìn)行比例公平調(diào)度，對于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，使用最大載干比算法調(diào)度，但沒有考慮中繼增強(qiáng)場景下的資源分配。文獻(xiàn)[8-10]提出的算法性能較好，但不能滿足不同用戶對不同的業(yè)務(wù)需要。文獻(xiàn)[11-12]提出了帶內(nèi)中繼下資源分配的方案，該方案沒有考慮QoS要求的業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)[13]研究了根據(jù)用戶功率在中繼系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)度，該算法可以獲得較好的吞吐量，但是沒有將兩個(gè)時(shí)隙分開進(jìn)行調(diào)度。

為了使吞吐量最大化、用戶的QoS滿意度增大和理想的公平性，本文擬提出面向業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的中繼系統(tǒng)資源分配算法，該算法采用時(shí)域和頻域兩階段調(diào)度:時(shí)域階段，主要完成對兩跳用戶和直傳用戶進(jìn)行優(yōu)先級排序；頻域階段，根據(jù)用戶在時(shí)域階段優(yōu)先級順序完成對資源的具體分配。

1 系統(tǒng)模型

1.1 單小區(qū)中繼系統(tǒng)

中繼系統(tǒng)模型如圖1所示。單個(gè)小區(qū)為正六邊形，小區(qū)中心為基站(Base Station，BS)，中繼節(jié)點(diǎn)(Relay Node，RN)個(gè)數(shù)為K。RN均勻分布在BS周圍，位于中心和六個(gè)頂點(diǎn)的連線即小區(qū)半徑上，RN到頂點(diǎn)的距離等于小區(qū)半徑的1/3。U個(gè)直傳用戶和V個(gè)中繼用戶，共M個(gè)用戶在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布，系統(tǒng)同時(shí)支持直傳用戶和中繼用戶，即用戶根據(jù)信號質(zhì)量選擇通過中繼間接接入基站還是直接接入基站。

圖1 單小區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中繼類型為Type-Ⅰ型中繼，即從用戶角度看中繼是一個(gè)獨(dú)立的覆蓋區(qū)域基站，對于基站，它們表現(xiàn)為有特殊能力的用戶。文中采用帶內(nèi)中繼，即接入鏈路(中繼與用戶之間)和回程鏈路(基站與中繼之間)使用相同頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。中繼的兩條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需在時(shí)域上隔離，因此中繼采用時(shí)分雙工(time division duplexing，TDD)的模式，每個(gè)時(shí)隙分為兩個(gè)子時(shí)隙。在每個(gè)時(shí)隙的第1個(gè)子時(shí)隙，基站向中繼和直傳用戶傳輸通信數(shù)據(jù)；第2個(gè)子時(shí)隙，相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)給其所屬的中繼用戶。

1.2 資源結(jié)構(gòu)

OFDM系統(tǒng)中，無線資源的最小分配單位為資源塊(resource block，RB)[14]。1個(gè)RB在時(shí)域上由6個(gè)或7個(gè)連續(xù)的OFDM符號組成，頻域上由多個(gè)子載波組成。一個(gè)用戶在分配過程中可以被分給多個(gè)資源塊，但是一個(gè)資源塊卻只能被一個(gè)用戶占用來傳輸數(shù)據(jù)信息。文中的算法可以在頻域階段對不同用戶進(jìn)行資源塊的合理分配。

1.3 系統(tǒng)容量

假設(shè)系統(tǒng)的總帶寬為B，系統(tǒng)中子載波的個(gè)數(shù)為N?；竞椭欣^節(jié)點(diǎn)的實(shí)際發(fā)送功率分別為PBS和PRN；直傳用戶u、中繼節(jié)點(diǎn)k和通過中繼k傳輸?shù)闹欣^用戶v在子信道n上的信道增益分別為hu,n，hk,n和hv,k,n。

直傳用戶u在第t個(gè)時(shí)隙上分配的速率為

(1)

中繼節(jié)點(diǎn)k在第t個(gè)時(shí)隙的第1個(gè)子時(shí)隙上的速率為

(2)

中繼用戶v在第t個(gè)時(shí)隙的第2個(gè)子時(shí)隙上的速率為

(3)

其中cu,n等于1或0，分別表示子信道n分配或未分配給直傳用戶u使用。ck,n，cv,k,n同理，而

Γ=-ln(5RBE)/1.6，ω=N0B/N，

其中RBE為誤碼率，ω為加性高斯白噪聲，N0為功率譜密度。

中繼用戶v的實(shí)際速率為

(4)

即其速率為兩個(gè)時(shí)隙中較小的速率。

記用戶m的速率為Rm,則系統(tǒng)的吞吐量為

(5)

在對基于OFDM中繼系統(tǒng)仿真中，采用式(5)衡量吞吐量的高低。測量公平性的數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)采用公平性參數(shù)準(zhǔn)則(Jain Fairness Index，JFI)[15]，通過各用戶實(shí)際分到的資源塊個(gè)數(shù)來衡量，即

(6)

其中xm表示用戶m分配到的RB個(gè)數(shù)。

2 面向業(yè)務(wù)QoS的資源分配算法

2.1 兩階段調(diào)度結(jié)構(gòu)

針對基于OFDM中繼系統(tǒng)，采用時(shí)域和頻域兩階段調(diào)度。時(shí)域階段調(diào)度的主要功能是在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)完成對用戶的篩選。調(diào)度結(jié)束時(shí)，用戶根據(jù)預(yù)定義的算法(如比例公平算法)進(jìn)行排序。時(shí)域階段的調(diào)度減少了用戶數(shù)量，之后用戶的列表被轉(zhuǎn)發(fā)到頻域階段調(diào)度。如果用戶有重傳業(yè)務(wù)，將其放置在時(shí)域階段用戶列表的頂部。

在頻域調(diào)度階段，對于不同的用戶實(shí)現(xiàn)將實(shí)際的資源塊進(jìn)行分配。首先根據(jù)優(yōu)先級公式，計(jì)算出用戶優(yōu)先級順序，然后進(jìn)行相應(yīng)RB的分配。每次資源分配完成后，更新調(diào)度用戶信息，直到所有的資源塊已被分配完畢或列表中沒有待調(diào)度用戶時(shí)，分配結(jié)束。

2.2 速率和時(shí)延因子的加入

根據(jù)PF調(diào)度算法[2]，其優(yōu)先級因子定義為

(7)

雖然PF算法可以在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高吞吐量和較好的公平性，但卻不能直接應(yīng)用于基于OFDM的中繼系統(tǒng)中。現(xiàn)以PF算法為基礎(chǔ)，引入速率因子和時(shí)延因子，給出面向業(yè)務(wù)QoS的資源分配算法。算法的調(diào)度優(yōu)先級定義為

(8)

對于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，取α=1,β=0,則

2.3 算法分配過程

2.3.1 時(shí)域調(diào)度階段

時(shí)域調(diào)度階段，每個(gè)調(diào)度周期，調(diào)度所有用戶并按照優(yōu)先級公式(8)進(jìn)行排序。之后將用戶列表轉(zhuǎn)向頻域階段對用戶進(jìn)行資源塊的分配。

(1) 根據(jù)中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先對單小區(qū)內(nèi)的用戶進(jìn)行分類：中繼用戶或直傳用戶。其中中繼用戶集合

U={1,2,3,…,U}。

(2) 按照優(yōu)先級公式(8)，計(jì)算出所有中繼用戶在每個(gè)RB上的調(diào)度優(yōu)先級，然后進(jìn)行排序，之后將排序后的列表轉(zhuǎn)向頻域階段。

(3) 根據(jù)中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先判斷系統(tǒng)中用戶的類型，即中繼節(jié)點(diǎn)或直傳用戶。其中，中繼節(jié)點(diǎn)和直傳用戶分別記為

K={1,2,3,…,K}，V={1,2,3,…,V},

計(jì)算系統(tǒng)中直傳用戶和各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的調(diào)度優(yōu)先級，并按照優(yōu)先級的高低進(jìn)行排序之后轉(zhuǎn)向頻域階段。首先計(jì)算其所屬的中繼用戶在回程鏈路的優(yōu)先級，找出優(yōu)先級最高的用戶

i*= arg max {Wi,l(t)}，

作為中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級。

2.3.2 頻域調(diào)度階段

頻域調(diào)度階段具體進(jìn)行的資源塊分配：在接入鏈路內(nèi)，根據(jù)用戶優(yōu)先級完成對中繼用戶的資源分配；在回程鏈路中，按照時(shí)域階段中各直傳用戶和中繼節(jié)點(diǎn)的調(diào)度優(yōu)先級大小進(jìn)行資源塊的分配。

(1) 初始化系統(tǒng)的資源塊個(gè)數(shù)，記作

N ={1,2,3,…, N}。

(2) 中繼用戶RB的具體分配。將接入鏈路的中繼用戶按照時(shí)域階段的調(diào)度列表依次進(jìn)行分配，將RB分配給優(yōu)先權(quán)最大的中繼用戶。分配結(jié)束后，完成對系統(tǒng)資源塊個(gè)數(shù)和中繼用戶數(shù)量的更新。

(3) 中繼節(jié)點(diǎn)和直傳用戶RB的具體分配。在回程鏈路中，根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)和直傳用戶調(diào)度優(yōu)先級的大小，將RB分配給獲得較大增益的中繼節(jié)點(diǎn)或直傳用戶。分配結(jié)束后，完成對資源塊個(gè)數(shù)、中繼節(jié)點(diǎn)和直傳用戶數(shù)量的更新。

(4) 每個(gè)調(diào)度周期結(jié)束后，將用戶信息進(jìn)行更新，準(zhǔn)備下一次調(diào)度，直到每個(gè)用戶和中繼節(jié)點(diǎn)都已被分配到RB。

3 仿真結(jié)果及分析

針對基于OFDM中繼下行鏈路的單小區(qū)系統(tǒng)，借助Matlab平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)兩種場景下的仿真。將3種經(jīng)典傳統(tǒng)算法即最大載干比算法(Max Carrier to Interference，Max C/I)、輪詢算法(Round Robin，RR)和比例公平算法(Proportional Fairness，PF)與面向業(yè)務(wù)QoS的資源分配算法(Rate and Delay Algorithm，RDA)進(jìn)行性能對比。

3.1 仿真環(huán)境

仿真場景設(shè)計(jì)為單個(gè)小區(qū)和25個(gè)用戶。將新提出的面向業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的中繼系統(tǒng)資源分配算法與3個(gè)已有算法進(jìn)行對比。仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

對新提出的RDA算法分別從系統(tǒng)獲得的吞吐量、公平性和業(yè)務(wù)的QoS滿意度三方面進(jìn)行評估。

用戶的吞吐量情況如圖2所示。

圖2 用戶吞吐量曲線

分析可知，Max C/I算法中，系統(tǒng)的吞吐量隨著小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)的增多逐漸增大，但由于其只考慮了信道狀況，因此所獲得的吞吐量達(dá)到系統(tǒng)的極限。RR算法中，由于其不考慮信道情況好壞，各用戶平均占用系統(tǒng)資源，因此其獲得的吞吐量較低。PF算法因考慮了用戶的需求及信道狀況，故所獲得的吞吐量高于RR算法，但比Max C/I算法的低。RDA算法是對PF算法的改進(jìn)，使得資源塊進(jìn)行優(yōu)化后再分配，因此其獲得的吞吐量與PF算法相比，提升了35%到50%。

吞吐量的累計(jì)布函數(shù)(Cumulative Distribution Function，CDF)曲線如圖3所示。

圖3 用戶吞吐量的CDF曲線

可見RDA算法在吞吐量方面做出了較大提高，其吞吐量值高于PF算法，但低于Max C/I算法。這是因?yàn)镽DA算法是對PF算法進(jìn)行的優(yōu)化，使得用戶被調(diào)度的機(jī)率增大，并且該算法考慮了不同業(yè)務(wù)的QoS需求和信道情況，使其在系統(tǒng)吞吐量有所提高，故性能優(yōu)于PF算法。

公平性如式(6)所述。隨著小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)改變用戶公平性的變化曲線如圖4所示。為了更好比較4種算法的公平性，給出其公平性參數(shù)如圖5所示。

圖4 用戶公平性曲線

圖5 算法的公平性指數(shù)

對比可知，RR算法公平性參數(shù)最高，達(dá)到最大值1。Max C/I算法的指數(shù)雖超過了0.5，但相比于其他3種算法，它是最低的。PF算法的公平性指數(shù)值低于RR算法但比Max C/I算法的高。據(jù)圖4，RR算法隨著用戶數(shù)變化其公平性指數(shù)值基本保持不變，而Max C/I算法和PF算法下用戶的指數(shù)值卻逐漸下降。而RDA算法在公平性方面計(jì)算優(yōu)先權(quán)時(shí)考慮了不同業(yè)務(wù)的需求，通過增加用戶被調(diào)度的機(jī)會，使得該算法的公平性與PF算法相比較好。

用戶的QoS滿意度情況如圖6所示?？梢?隨著小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)由5增加至25的過程中，4種調(diào)度算法下不滿足用戶QoS要求的用戶數(shù)隨之增加，這種情況主要是由于用戶數(shù)量不斷變大，而系統(tǒng)的資源有限造成的。4種算法中，RR算法的性能最差，隨著小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)的增加，QoS需求得不到滿足的用戶數(shù)增加的最快。PF算法和Max C/I算法的性能相差不大。RDA算法充分考慮了用戶的要求，可以滿足大多數(shù)用戶。

圖6 用戶QoS滿意度

4 結(jié)語

在比例公平算法的基礎(chǔ)上，基于OFDM中繼系統(tǒng)給出的面向業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的資源分配算法，充分考慮了系統(tǒng)的吞吐量、用戶的公平性、保證比特速率和隊(duì)列中的等待時(shí)延，并在此基礎(chǔ)上采用時(shí)域和頻域兩階段調(diào)度分別對用戶進(jìn)行合理的分配資源。與傳統(tǒng)算法相比新算法在保證用戶QoS需求的同時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量、公平性和用戶的QoS滿意度有一定程度的提升，達(dá)到了預(yù)期的研究目的。

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[責(zé)任編輯:瑞金]

Quality of service oriented resource allocation algorithm in relay system

ZHU Guohui, XUE Qian, ZHOU Guangtan

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In order to improve the throughput of orthogonal frequency division multiplexing relay downlink system, and to meet user demands for quality of service, a Quality of Service oriented resource allocation algorithm is proposed based on the proportional fair algorithm. Based on the proportional fair algorithm and according to the user waiting delay in the queue and user demands for speed, this algorithm is used to design the delay factor and speed factor, then to calculate the priority of different user in the time domain, and finally to allocate resources based on the user priority in the frequency domain. Simulation results show that compared to the proportional fair algorithm, the throughput of this algorithm can be improved from 35% to 50%, the user fairness index can be increased by 13%, and user satisfaction can also be increased.

orthogonal frequency division multiplexing, relay, resource allocation, throughput

2014-09-10

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(07JK377)

朱國暉(1969-)，男，副教授，從事移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)路由算法研究。E-mail:zhgh@xupt.edu.cn 薛茜(1987-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)。E-mail:2279460051@qq.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.007

TN929.5

A

2095-6533(2015)01-0035-05