單鵬 趙全軍 王益艷 張媛媛

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基于次公平性的OFDM系統(tǒng)動(dòng)態(tài)資源分配算法

單鵬1趙全軍2王益艷2張媛媛2

1.重慶市公安局巴南區(qū)分局，重慶 401300 2.四川文理學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，四川 達(dá)州 635000

為了提高OFDM系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，在信道分配過(guò)程中我們利用盡可能放寬公平性的前提下，提供系統(tǒng)容量的動(dòng)態(tài)信道分配算法，并給出分配流程圖以及進(jìn)行性能仿真。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，該算法能有效提高多用戶下的系統(tǒng)容量。

動(dòng)態(tài)資源分配；子信道；系統(tǒng)容量

在WIMAX系統(tǒng)中，多用戶、高比特傳送速率的條件下，需要相當(dāng)高的運(yùn)算量來(lái)達(dá)到OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)資源分配，在實(shí)際系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的研究中提出了次優(yōu)解的算法，其中Shen算法[1]主要考慮在總傳輸功率限制條件下，保證用戶傳輸比例公平和提高最大化總傳輸速率。Rhee[2]算法通過(guò)最大化最小用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶間資源分配的公平性，但是這樣會(huì)導(dǎo)致不需要高速率的業(yè)務(wù)用戶可能得到較高速率，占用過(guò)多的資源，而那些對(duì)速率要求高的用戶反而分配不到相應(yīng)的資源，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。為了提高系統(tǒng)容量的前提下兼顧用戶的公平性，本文放寬了對(duì)公平性的限制，在基于公平性的動(dòng)態(tài)資源分配算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了系統(tǒng)根據(jù)自身整體資源利用情況以及當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)用戶已經(jīng)達(dá)到的速率與實(shí)際分得的信道資源之比來(lái)決定系統(tǒng)的子信道進(jìn)一步分配，即降低公平性的次公平性動(dòng)態(tài)資源分配算法，從而改進(jìn)提高系統(tǒng)的性能[1]。

1 次公平性的OFDM系統(tǒng)動(dòng)態(tài)資源分配描述

在OFDM系統(tǒng)中，由于不同用戶間分配的子信道之間是滿足正交特性，因此各用戶經(jīng)歷的信道衰落狀況是彼此相互獨(dú)立的。在信道分配的過(guò)程中，我們用表示用戶已經(jīng)達(dá)到的速率與實(shí)際分得的信道資源之比，并通過(guò)該比例值大致判斷用戶是否是最需要資源的用戶。在這里，，而表示k用戶需求的子信道最大數(shù)量，用Nk表示用戶k要達(dá)到希望的速率所需要的子信道的數(shù)量。在速率一定的條件下，我們計(jì)算用戶 k的和的值，當(dāng)最大且值最小時(shí)，該用戶k即為最需要資源的用戶；相反，在用戶需求的信道數(shù)相同的情況下，速率最小的用戶為最需要資源的用戶，這時(shí)將信道條件最好且未分配的信道分配給該用戶。注意到該用戶分配到信道后，下次迭代時(shí)重新比較的值來(lái)重新判斷最需要資源的用戶。

在考慮用戶之間的公平性方面，不需要控制各個(gè)用戶間速率的比例，其目的是為了盡可能的提高系統(tǒng)資源利用率同時(shí)，保證信道質(zhì)量相對(duì)較差的用戶可以分配到滿足其對(duì)速率的要求的信道資源。在資源分配的過(guò)程中，首先對(duì)速率要求高的用戶優(yōu)先分配到資源，隨著該用戶得到資源的增加，減小，增大。當(dāng)進(jìn)行下一輪資源分配時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前各個(gè)用戶的和的值，計(jì)算出最需要信道的用戶。那些資源還沒有滿足的用戶的的值會(huì)相對(duì)減小，從而有機(jī)會(huì)優(yōu)先得到資源。

當(dāng)系統(tǒng)中各個(gè)用戶完成子信道的分配過(guò)后，系統(tǒng)將進(jìn)一步完成功率分配。在功率分過(guò)程中，為了降低算法的復(fù)雜性，我們假定系統(tǒng)將所用功率平均分配到N個(gè)子信道上，每個(gè)信道分得的功率，在具體分配時(shí)將功率與子信道交叉分配，每當(dāng)用戶在一次迭代的過(guò)程后將分到相應(yīng)的子信道，同時(shí)也分配到相應(yīng)的那一部分功率，當(dāng)信道分配完畢后各個(gè)用戶分得的總功率也就分配完畢。最后對(duì)各個(gè)單用戶上執(zhí)行灌水算法[3]（water-filling）在該用戶分得的各個(gè)子信道間分配其分得的功率和傳輸?shù)谋忍豙2]。

2 算法流程

系統(tǒng)資源分配過(guò)程中，我們?cè)O(shè)計(jì)如圖1所示的流程圖。

圖1 算法流程圖

在系統(tǒng)初始化階段，系統(tǒng)會(huì)對(duì)當(dāng)所用用戶的信道狀態(tài)進(jìn)行檢查，并將信道質(zhì)量進(jìn)行排序。當(dāng)系統(tǒng)中用新的用戶請(qǐng)求分配資源時(shí)，系統(tǒng)首先根據(jù)總?cè)萘抗浪愠鲈撚脩羲枨蟮淖有诺罃?shù)，然后根據(jù)當(dāng)前用戶的信道狀況以及系統(tǒng)擁有的空閑信道情況，為用戶選擇信道條件最好的信道。信道分配過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)判斷所有用戶的的值來(lái)判斷時(shí)候進(jìn)一步給該用戶分配信道。與此同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)結(jié)合所用用戶的資源分配情況，找出當(dāng)前最需要資源的用戶并為其分配相應(yīng)的信道資源，直到系統(tǒng)內(nèi)所用資源被分配完畢或者系統(tǒng)中所有用戶得到自己滿意的資源數(shù)。在信道分配的過(guò)程中用戶每分得一條子信道，相應(yīng)的功率便分配給該用戶。

3 仿真結(jié)果與分析

表1 的取值表

表1 的取值表

情形112111111 情形211111244

在圖2中顯示了系統(tǒng)容量隨用戶數(shù)變化的情況。其中，F(xiàn)ig 2（a）顯示了取情形1時(shí)系統(tǒng)總?cè)萘侩S用戶數(shù)的變化情況， Fig 2（b）顯示了取情形2時(shí)系統(tǒng)總?cè)萘侩S用戶數(shù)的變化情況。

Fig 2（a）???????Fig2（b）

從圖2（a）和圖2（b）我們可以看出，在相同用戶數(shù)下，我們所研究的次公平動(dòng)態(tài)信道分配算法的數(shù)據(jù)傳輸速率高于傳統(tǒng)的shen算法和rhee算法。無(wú)論是在哪種用戶業(yè)務(wù)下，隨著用戶數(shù)增加，我們研究的次公平算法系統(tǒng)容量都增加更加明顯，這是由于當(dāng)用戶數(shù)很少時(shí)，用戶可選的子信道相對(duì)較多，信道衰落對(duì)不同算法的用戶的影響不是特別明顯；而隨著用戶數(shù)的增加，已被分配的信道數(shù)增多，可被分配給信道用戶的空閑子信道減少，每個(gè)子信道對(duì)于所有用戶都是深衰落的概率減小，不同空閑子信道下信道衰落各不相同，采用不同的信道分配算法，為不同用戶選擇適合自己的信道，每個(gè)信道分配到信道增益更大的用戶的概率增加，這樣可以更加有效地利用多用戶的差異來(lái)有效地分配資源。

4 結(jié)論

本文給出一種放寬公平性的次公平動(dòng)態(tài)資源分配算法，實(shí)際上可以看成是在公平性和系統(tǒng)性能之間的折中，而這種折中在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中也是可取的，這是由于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營(yíng)商會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)制定各種相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)來(lái)調(diào)度資源，所以我們可以放寬公平的程度。

[1]Z.Shen，J.G.Andrews，B.L.Evans.Adaptive Resource Allocation in Multiuser OFDM Systems with Proportional Fairness[J].IEEE Trans.Wireless Commun.， 2005，4（6）：2726-2737.

[2]Rhee W, Cioffi J M. Increase in capacity of multiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation[C]// Vehicular Technology Conference Proceedings, 2000. VTC 2000-Spring Tokyo. 2000 IEEE 51st. IEEE, 2000:1085-1089.

單鵬，碩士畢業(yè)于重慶郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)任重慶市公安局巴南區(qū)公安分局信息建設(shè)科副科長(zhǎng)，主要從公安信息化建設(shè)，研究方向?yàn)榘卜佬畔⑾到y(tǒng)建設(shè)、移動(dòng)通信技術(shù)等。趙全軍（1981—），男，四川大竹人，現(xiàn)為四川文理學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院教師。研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線資源管理以及WIMAX網(wǎng)絡(luò)等。

四川省教育廳一般科研項(xiàng)目《移動(dòng)WiMAX通信系統(tǒng)多層協(xié)作資源分配技術(shù)的研究》（項(xiàng)目編號(hào)12ZB119）；四川文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目《無(wú)線雙模數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)研究》（項(xiàng)目編號(hào)2010A04Z）。

TN919.3

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1009-6434（2016）03-0013-02