周　有, 王亦凡

(1.西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院， 陜西 西安 710121；　2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

正交頻分多址系統(tǒng)動態(tài)資源分配算法改進(jìn)

周有1, 王亦凡2

(1.西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院， 陜西 西安 710121；2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

摘要:為提高正交頻分多址系統(tǒng)中資源分配的公平性,并降低運(yùn)算復(fù)雜度，給出一種自適應(yīng)線性資源分配算法。根據(jù)信道增益計(jì)算各用戶所需要的載波數(shù)量，依據(jù)載波數(shù)量分配子載波，同時用功率均等策略為用戶分配功率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所給算法相比Linear算法和Shen算法，累積分布函數(shù)曲線更接近標(biāo)準(zhǔn)公平曲線，并且復(fù)雜度更低，可有效提高正交頻分多址系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

關(guān)鍵詞:正交頻分多址；資源分配；公平性；功率均等

正交頻分多址(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA)技術(shù)是下一代通信網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，OFDMA的資源分配直接影響網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的容量和用戶的業(yè)務(wù)速率[1-3]。

在多種OFDMA資源分配算法中，容量最大化算法[4]主張每一時刻都將載波資源分配給信道狀態(tài)最佳的用戶，但在多用戶狀態(tài)下，單一子載波不能同時被多個用戶使用，對一個用戶的子載波資源分配將影響其他用戶。另一種容量最大化算法[5]在發(fā)射功率受限情況下，能將子載波分配給信道增益最大的用戶，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，但公平性較差。Shen算法[6]是一種基于公平性的速率自適應(yīng)算法，利用比例因子為用戶分配載波，可提高公平性，但由于采用非線性注水方案分配功率，使得運(yùn)算復(fù)雜度較高。Linear算法[7]采用拉格朗日極值定理求解子載波和功率分配的最優(yōu)解，可獲得較高的系統(tǒng)容量，但公平性較差。

本文擬在OFDMA下行鏈路數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)，計(jì)算每個用戶所需的載波數(shù)量，并采用比例公平算法[8]為每個用戶分配子載波，最后用功率均等策略和線性注水定理[9]為用戶分配功率，得出一種自適應(yīng)線性資源分配算法(AdaptiveLinearResourceAllocation，ALRA)，并使用仿真軟件將其與Linear算法和Shen算法進(jìn)行對比分析。

1系統(tǒng)模型

在OFDMA通信系統(tǒng)中，假設(shè)下行鏈路的子載波數(shù)為N，用戶數(shù)為K，且每個用戶都經(jīng)歷各自不同的衰落，系統(tǒng)總功率記為P,功率譜密度為N0，系統(tǒng)帶寬為B。信道噪聲為高斯白噪聲，方差為

用戶k(1≤k≤K)在子載波n(1≤n≤N)上的CSI表示為gk,n，其對應(yīng)子信道的信噪比即為

用戶 在子載波 上的信噪比為

γk,n=pk,nhk,n。

方形M-QAM格雷比特編碼的誤碼率(Bit Error Rate，BER)表示為[10]

式中分配到子載波的比特?cái)?shù)

而有效信噪比

信噪比差額常量

資源分配的目標(biāo)函數(shù)可以表示為

其中ck,n表示子載波分配符，當(dāng)ck,n=1時，表示子載波n分配給用戶k。

約束條件為

ck,n∈{0,1},pk,n≥0,

Ri∶Rj=φi∶φj

(i,j∈{1,2,…,K},i≠j)。

其中Rk為用戶k的傳輸速率，定義為

而φk(k=1,2,…,K)為歸一化比率，滿足

2ALRA算法

ALRA算法分為兩個階段：子載波分配和功率分配。子載波分配階段，依據(jù)CSI計(jì)算出每個用戶所需要的載波數(shù)量，并將子載波分配給用戶，再利用比例公平算法對剩余載波進(jìn)行分配；功率分配階段，先利用功率均等策略為用戶分配功率，再將這些功率通過線性注水法分配給載波。算法流程如圖2所示。

圖1　算法流程

2.1子載波分配

2.1.1確定子載波集數(shù)

假設(shè)用戶k在第n個子載波上的CSI為gk,n，記平均CSI為

利用自適應(yīng)載波數(shù)計(jì)算公式

計(jì)算每個用戶所需要的載波集數(shù),剩余子載波數(shù)記為

可見，對于CSI較好的用戶，給其限定少量的載波集數(shù)，而給CSI較差的用戶初始較多的載波集數(shù)，這就能充分利用信道增益，滿足各用戶對于速率的需求，進(jìn)一步均衡子載波分配。

2.1.2子載波及剩余子載波分配

(1) 初始化參數(shù)，即令

ck,n=0,Rk,n=0,

p=P/N，N={1，2，…,N}。

(2) 對用戶k進(jìn)行具體子載波分配,即取

n=arg max|Hk,n|,ck,n=1 。

限定子載波集數(shù)，即令

Nk=Nk-1,N=N{n}。

更新傳輸速率,即令

n=arg max|Hk,n|,ck,n=1,

Nk=Nk-1,N=N{n},

若Nk=0，則用戶k分配完畢，K=K{k} 。

n=arg max|Hk,n|,

更新傳輸速率，即令

K=K{k}。

2.2功率分配

2.2.1用戶功率分配

各用戶均等分配總功率

P1∶P2∶…∶PK=1∶1∶…∶1,

則Pk即可表示為

Pk=P/K。

利用上述線性等式將減少功率分配算法的運(yùn)算量，同時對比例性要求的降低預(yù)期也可獲得較高的系統(tǒng)容量。

2.2.2子載波功率分配

對每個用戶獲得的子載波進(jìn)行遞增排序，即

然后，采用線性注水原理進(jìn)行子載波功率分配，即

3仿真實(shí)驗(yàn)

對OFDMA系統(tǒng)資源動態(tài)分配過程利用Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證，與傳統(tǒng)的Linear算法、Shen算法進(jìn)行比較。仿真采用6徑指數(shù)功率衰減的頻率選擇性瑞利信道模型，設(shè)置參數(shù)見表1。

表1　仿真模型參數(shù)設(shè)置

3.1系統(tǒng)容量仿真

ALRA算法與Shen算法和Linear算法的系統(tǒng)容量對比如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)容量對比

由圖2可見，ALRA算法獲得的系統(tǒng)容量明顯高于另兩種算法。這是因?yàn)锳LRA算法在考慮載波分配平衡的基礎(chǔ)上，用均等分配法進(jìn)行功率分配，取代傳統(tǒng)算法中按比例因子分配的原則，可有效提升信道狀況較差用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而提高總的系統(tǒng)容量。

3.2算法復(fù)雜度仿真

以平均CPU執(zhí)行時間對算法的復(fù)雜度進(jìn)行分析，ALRA算法與另兩種算法的算法復(fù)雜度對比如圖3所示。

圖3　平均CPU計(jì)算時間對比

圖3顯示，ALRA算法較另兩種算法，能以更短的時間完成算法運(yùn)算，效率更高。在用戶數(shù)為4～16的情況下，ALRA算法相比Shen算法和Linear算法，CPU執(zhí)行運(yùn)算時間更短。因?yàn)锳LRL算法采用更為直接的Pk=P/K 功率均等分配算法，取代已有算法的非線性冗余分配步驟，所以運(yùn)算復(fù)雜度更低。

3.3公平性CDF仿真

各算法的累積分布函數(shù)(CumulativeDistributionFunction，CDF)公平性能對比如圖4所示。函數(shù)曲線在標(biāo)準(zhǔn)參照線左側(cè)時，對應(yīng)算法不是公平分配算法，而在參照線右側(cè)時，算法可以視為公平性算法。

圖4　CDF曲線公平性對比

圖4顯示，Linear算法和ALRA算法對應(yīng)曲線在標(biāo)準(zhǔn)曲線右側(cè)，說明它們都是公平的分配算法，而Shen算法對應(yīng)曲線在標(biāo)準(zhǔn)參照線左側(cè)，不滿足公平準(zhǔn)則。這是因?yàn)?，Shen算法采用的是最大載干比算法，并未考慮信道條件不同帶來的分配不均問題；Linear算法和ALRA算法同時兼顧了用戶公平性準(zhǔn)則和容量要求，在獲得較好的系統(tǒng)容量的同時也具備了較好的公平性。ALRA算法在載波分配的初始階段，首先根據(jù)CSI計(jì)算出各用戶所需的實(shí)際載波數(shù)量，并按該數(shù)量分配子載波，使得信道狀況差的用戶也可以獲取到載波資源，公平性更好。

4結(jié)語

為提高OFDMA系統(tǒng)資源分配性能，利用ALRA算法，根據(jù)信道增益計(jì)算每個用戶實(shí)際需要的載波數(shù)量并進(jìn)行分配，可提高用戶間的公平性，并通過功率均等策略分配功率，減小運(yùn)算量。仿真結(jié)果表明，ALRA算法在用戶公平性方面優(yōu)于Linear算法和Shen算法，且復(fù)雜度更低，在OFDMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中具有更好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]CHUNGYH,CHANGCJ.AbalancedresourceschedulingschemewithadaptiveprioritythresholdsforOFDMAdownlinksystems[J/OL].IEEETransactionsonVehicularTechnology, 2012, 61(3):1276-1286[2015-03-16].http://dx.doi.org/10.1109/TVT.2012.2186832.

[2]LEEKC,WANGSH,LICP,etal.AdaptiveresourceallocationalgorithmbasedoncrossentropymethodforOFDMAsystems[J/OL].IEEETransactionsonBroadcasting, 2014, 60(3):524-531[2015-03-23].http://dx.doi.org/10.1109/TBC.2014.2339551.

[3]陳吉學(xué), 李白萍, 田磊. 無線通信OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)研究[J/OL]. 西安郵電大學(xué)學(xué)報, 2005, 10(1):28-30[2015-04-16].http://mall.cnki.net/magazine/article/XAYD200501011.htm.DOI:10.3969/j.issn.1007-3264.2005.01.007.

[4]ARANITIG,CONDOLUCIM,IERAA,etal.Alow-complexityresourceallocationalgorithmformulticastservicedeliveryinOFDMAnetworks[J/OL].IEEETransactionsonBroadcasting, 2014, 60(2):358-369[2015-04-23].http://dx.doi.org/10.1109/TBC.2014.2321678.

[5]RHEEW,CIOFFIJM.IncreaseincapacityofmultiuserOFDMsystemusingdynamicsubchannelallocation[C/OL]//VehicularTechnologyConferenceProceedings, 2000.VTC2000-SpringTokyo. 2000IEEE51st(Volume:2 ).Tokyo:IEEEPress, 2000:1085-1089[2015-05-03].http://dx.doi.org/10.1109/VETECS.2000.851292.DOI:10.1109/VETECS.2000.851292.

[6]SHENZ,ANDREWSJG,EVANSBL,etal.AdaptiveresourceallocationinmultiuserOFDMsystemswithproportionalrateconstraints[J/OL].IEEETransactionsonWirelessCommunications, 2005, 4(6):2726-2736[2015-05-12].http://dx.doi.org/10.1109/TWC.2005.858010.

[7]WONGIC,SHENZ,EVANSBL,etal.AlowcomplexityalgorithmforproportionalresourceallocationinOFDMAsystems[C/OL]//Proceedingsofthe2004IEEEWorkshoponSignalProcessingSystems.Austin:IEEEPress, 2004:1-6[2015-05-13].http://dx.doi.org/10.1109%2fSIPS.2004.1363015.

[8]CHANGZ,RISTANIEMIT,NIUZ.RadioresourceallocationforcollaborativeOFDMArelaynetworkswithimperfectchannelstateinformation[J/OL].IEEETransactionsonWirelessCommunications, 2014, 13(5):2824-2835[2015-06-11].http://dx.doi.org/10.1109/TWC.2014.040714.131695.

[9]張冬梅, 徐友云, 蔡躍明.OFDMA系統(tǒng)中線性注水功率分配算法[J/OL]. 電子與信息學(xué)報, 2007, 29(6):1286-1289[2015-07-14].http://jeit.ie.ac.cn/CN/10.3724/SP.J.1146.2005.01345.

[10]ZAKHOURR,HANLYSV.BaseStationCooperationontheDownlink:LargeSystemAnalysis[J/OL].IEEETransactionsonInformationTheory, 2010, 58(4):2079-2106[2015-07-13].http://dx.doi.org/10.1109/TIT.2011.2177770.

[責(zé)任編輯:瑞金]

Animproveddynamicresourceallocationalgorithmfororthogonalfrequencydivisionmultipleaccesssystem

ZHOUYou1,WANGYifan2

(1.SchoolofAutomation,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China;2.SchoolofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)

Abstract:In order to improve the fairness and reduce the computation complexity of resource allocation in orthogonal frequency division multiple access system, an adaptive linear resource allocation algorithm is proposed. According to the channel gain, the algorithm calculates the number of carriers needed by each user, allocates the sub-carrier based on the carrier number, and uses power equalization strategy to allocate power for users. Simulation results show that, the cumulative distribution function curve of the proposed algorithm is more approximate to the standard curve, and its computation complexity is lower comparing with the linear algorithm and Shen algorithm. The new algorithm can effectively improve the data transmission performance of orthogonal frequency division multiple access system.

Keywords:orthogonal frequency division multiple access(OFDMA), resource allocation, fairness, balanced power

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.02.005

收稿日期：2015-10-14

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011JK093707)

作者簡介：周有(1970-)，男，博士，副教授，從事信號分解與特征提取研究。E-mail:28918059@qq.com 王亦凡(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿油ㄐ偶夹g(shù)及應(yīng)用。E-mail:349586576@qq.com

中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6533(2016)02-0027-05