劉相志，王代強(qiáng), 戴晨亮

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州民族大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

一種TD-LTE系統(tǒng)上行資源分配新算法

劉相志1，王代強(qiáng)2, 戴晨亮1

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州民族大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

在TD-LTE上行系統(tǒng)中，有效地資源分配對(duì)系統(tǒng)性能有著決定性作用，僅通過(guò)信道質(zhì)量進(jìn)行資源分配的分配算法沒(méi)有考慮UE的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，會(huì)造成實(shí)際資源利用率不高。采用Kuhn-Munkres算法與RME算法相結(jié)合，提出一種TD-LTE系統(tǒng)上行資源分配新算法，有效解決了RME算法中存在的深衰落問(wèn)題。該算法根據(jù)信道質(zhì)量與實(shí)際的UE業(yè)務(wù)量共同決定PRB資源，并進(jìn)行TD-LTE上行系統(tǒng)資源分配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出算法不僅可以保證在一定的數(shù)據(jù)傳輸速率上提高實(shí)際的資源利用率，而且還可以提高系統(tǒng)的平均吞吐量。

資源分配；TD-LTE；Kuhn-Munkres算法；系統(tǒng)平均吞吐量

隨著智能手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)和平板電腦大規(guī)模的市場(chǎng)擴(kuò)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)提供的用戶(hù)需求已經(jīng)不再只是簡(jiǎn)單的聲音通話(huà)，如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、網(wǎng)上社交網(wǎng)絡(luò)以及音樂(lè)和視頻流媒體這些密集數(shù)據(jù)量移動(dòng)服務(wù)，逐漸成為推動(dòng)下一代無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的力量。LTE(Long Term Evolution)標(biāo)準(zhǔn)迎合了時(shí)代需求，實(shí)現(xiàn)了全球基帶移動(dòng)通信的愿景。但是隨著數(shù)據(jù)流量的提升，對(duì)LTE中性能的需求將會(huì)提出更高的要求，比如如何提高頻譜資源利用率，降低時(shí)延、提升UE之間公平性等。然而，要想優(yōu)化這些性能，前提需要將UE實(shí)際所發(fā)送的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)考慮進(jìn)去，在此基礎(chǔ)上研究性能更貼近于實(shí)際情況。LTE系統(tǒng)中資源分配是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，eNodeB(基站)為多個(gè)用戶(hù)設(shè)備提供上行和下行傳輸分配帶寬，在LTE上行鏈路過(guò)程中，需要為各個(gè)UE分配連續(xù)的資源塊，所以目前資源分配算法絕大多數(shù)是基于信道狀況對(duì)資源塊進(jìn)行分配。缺少對(duì)實(shí)際UE具體需求的考量，容易導(dǎo)致資源利用率不高。

針對(duì)當(dāng)前LTE上行資源分配算法中存在的沒(méi)有切實(shí)考慮用戶(hù)數(shù)據(jù)問(wèn)題，本文在研究LTE上行資源分配算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合UE業(yè)務(wù)矩陣提出一種更加切實(shí)的LTE上行資源分配算法。并針對(duì)宏蜂窩模型搭建仿真平臺(tái)，對(duì)該分配算法進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，新算法可以有效提升資源利用率，增加實(shí)際的MAC吞吐量。

1 LTE上行資源分配算法

在TD-LTE上行資源分配連續(xù)資源塊的約束條件下，文獻(xiàn)[1]提出的基于比例公平(PF)的改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)分配連續(xù)的RB資源。但是該算法并沒(méi)有考慮信道質(zhì)量狀況。文獻(xiàn)[2]的作者提出將MAC子頭預(yù)留位補(bǔ)充匯報(bào)UE的BSR信息，達(dá)到更精確的獲得UE資源利用信息，此算法可以提高一定的資源利用率，但是不能保證連續(xù)的信道資源分配。本文將重點(diǎn)研究近期提出的一種全新的RME算法[3]，雖然該算法可以提高用戶(hù)的速率性能，但是，此算法根據(jù)UE上報(bào)的CQI值[4]，如表1所示，確定信道質(zhì)量進(jìn)行資源分配，存在深衰落造成的資源利用率問(wèn)題。本文提出一種改進(jìn)的RME資源分配算法，并將UE傳輸中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)融入到該算法中，以達(dá)到提高系統(tǒng)吞吐量并且保證實(shí)際資源利用率。

表1 CQI映射的數(shù)據(jù)傳輸

為進(jìn)一步說(shuō)明RME算法中存在的問(wèn)題，特具體舉例給出4個(gè)UE以及4個(gè)連續(xù)的RB塊組成的信道質(zhì)量矩陣W，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 UE信道質(zhì)量矩陣

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的算法步驟，RME算法的最終分配如圖1所示，將RB2和RB3分配給UE1，RB4分配給UE2，RB1分配UE4，由于深衰落，導(dǎo)致UE3分配不到資源，所以一定程度上降低了系統(tǒng)的吞吐量。

圖1 RME-UE用戶(hù)分配連續(xù)資源塊

其次，在文獻(xiàn)[3]中并沒(méi)有加入U(xiǎn)E所需發(fā)送的真實(shí)的數(shù)據(jù)量。導(dǎo)致在UE端無(wú)法保證實(shí)際的資源利用率。本文將基于KM算法使用加權(quán)二分匹配，結(jié)合RME算法并把UE的業(yè)務(wù)矩陣融入到該算法中，提出一種新穎的算法。

2 LTE上行資源分配RME算法改進(jìn)

2.1 引入U(xiǎn)E數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

在實(shí)際應(yīng)用工程中，對(duì)LTE資源分配并不只根據(jù)UE在各個(gè)資源塊中的信道質(zhì)量狀況去分配資源，而會(huì)結(jié)合UE自身的業(yè)務(wù)量的大小去分配資源塊，以此保證實(shí)際吞吐量。

(1)根據(jù)分配LTE上行資源需要連續(xù)RB塊的約束條件[5-6]設(shè)定每一組的RBs有10個(gè)RB；

(2)根據(jù)表1的CQI值，結(jié)合表2信道質(zhì)量矩陣W計(jì)算出每個(gè)UE最大的吞吐量，構(gòu)造為業(yè)務(wù)矩陣N，如表3所示；

(3)根據(jù)UE中所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)矩陣D并由公式1構(gòu)造出表4中的實(shí)際業(yè)務(wù)矩陣Tij

Tij=min(NijDi)

(1)

其中，Tij是業(yè)務(wù)矩陣中的元素；i代表第i個(gè)UE；j代表第j個(gè)RBs；Nij是信道質(zhì)量矩陣中的元素，代表第i個(gè)UE在第j個(gè)RBs上所能發(fā)送的最大數(shù)據(jù)；Di表示第i個(gè)UE需要發(fā)送的實(shí)際緩沖數(shù)據(jù)。

表3 UE信道質(zhì)量-業(yè)務(wù)矩陣

表4 UE實(shí)際業(yè)務(wù)矩陣

2.2 基于KM算法實(shí)現(xiàn)最佳資源分配

基于KM算法分配上行資源，首先需要根據(jù)表2中的UE信道質(zhì)量矩陣，建立圖G=(X,Y,W)。其中，X(1×M)表示需要發(fā)送數(shù)據(jù)的用戶(hù)矩陣，Y(1×N)表示待分配的資源塊矩陣，W(M×N)表示信道質(zhì)量矩陣[7-8]。因此，建立的圖G可以視為一個(gè)帶權(quán)值的二分圖，故LTE上行資源分配問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化成求解加權(quán)二分圖的最佳匹配問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)RBs資源塊合理分配的步驟如下：

(1)初始化可行標(biāo)桿。在矩陣Wij中找到每一行UEi中的最大值，設(shè)定為Xi的標(biāo)桿值L(Xi)。并設(shè)定Yj的標(biāo)桿值L(Yj)=0。其中i代表第i個(gè)UE，j代表第j個(gè)RBs；

(2)構(gòu)造相等的子圖G。將權(quán)值構(gòu)造出等價(jià)的子圖，若發(fā)現(xiàn)此時(shí)的匹配就是最佳匹配，那么直接退出，否則執(zhí)行步驟(3)；

(3)修改標(biāo)桿值。從Xi=1頂點(diǎn)開(kāi)始尋找合法的增廣路徑，若存在非法路徑時(shí)，對(duì)于搜索過(guò)的路徑上的XY點(diǎn)，設(shè)該路徑上的X頂點(diǎn)集為S，Y頂點(diǎn)集為T(mén)，對(duì)所有在S中的點(diǎn)Xi及不在T中的點(diǎn)Yj，利用式(4)修改Xi，Yj的標(biāo)桿值

L(Xi)=L(Xi)-d

(2)

L(Yj)=L(Yj)+d

(3)

dmin=L(Xi)+L(Yj)-W(XiYj)

(4)

(4)構(gòu)造新的子圖。將Xi與不在T中的Yj相連接，構(gòu)造出新的資源分配并執(zhí)行下一個(gè)Xi頂點(diǎn)，重復(fù)步驟(3)和步驟(4)，直到出現(xiàn)最佳匹配，退出。

將表2中的實(shí)際例子用基于KM算法進(jìn)行資源分配，則最佳分配方案如下：

UE1→RBs3;UE2→RBs4;

UE3→RBs2;UE4→RBs1

而如果根據(jù)RME算法進(jìn)行分配表4的業(yè)務(wù)矩陣，則具體的分配方案如下：

UE1→NONE;UE2→RBs2&RBs4;

UE3→RBs1&RBs2;UE2→NONE

對(duì)比可知：改進(jìn)后UE1和UE3成功分配到資源塊，避免了RME算法造成的資源浪費(fèi)，同時(shí)引入修改因子dmin，保證在最佳匹配的前提下，獲得信道質(zhì)量也是最高，故該算法不僅提高資源的利用率，而且保證數(shù)據(jù)傳輸速率。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真模型和參數(shù)構(gòu)建

本文利用TD-LTE系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)并結(jié)合3GPP TS36.211[9]規(guī)定的空中接口規(guī)范LTE SC-FDMA，搭建物理層仿真鏈路[10]驗(yàn)證本文提出的算法，對(duì)RME算法、PF算法和基于KM改進(jìn)的RME算法進(jìn)行仿真對(duì)比，在仿真場(chǎng)景中設(shè)定的是多小區(qū)場(chǎng)景，采用7個(gè)蜂窩模型，并且每個(gè)模型中心部署一個(gè)基站，每個(gè)基站分為3個(gè)扇區(qū)[11-12]，每個(gè)扇區(qū)RB的個(gè)數(shù)為100，默認(rèn)用戶(hù)隨機(jī)分布在小區(qū)范圍內(nèi)，并保證用戶(hù)與基站的距離>35 m[13-14]，如圖2所示。

圖2 基站模型

由于在LTE上行資源分配過(guò)程中，基站需要給用戶(hù)分配連續(xù)的RB塊。根據(jù)小區(qū)內(nèi)的用戶(hù)數(shù)目，對(duì)資源塊進(jìn)行劃分。以此保證用戶(hù)分配的資源是連續(xù)的。而各個(gè)UE在RB上信道質(zhì)量的確定需要通過(guò)上報(bào)SINR并映射成CQI獲取信道質(zhì)量矩陣W，本論文將使用VoIP的業(yè)務(wù)類(lèi)型獲取UE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。最終，根據(jù)式(1)構(gòu)造出Tij業(yè)務(wù)矩陣，并將該矩陣傳遞給調(diào)度矩陣，關(guān)鍵仿真屬性如表5。

表5 仿真屬性配置

3.2 資源分配仿真分析

為驗(yàn)證改進(jìn)的分配算法的有效性，分別從系統(tǒng)平均吞吐量和資源利用率兩個(gè)角度進(jìn)行性能驗(yàn)證。系統(tǒng)平均吞吐量的計(jì)算公式如下

(5)

其中，ptri是用i在t時(shí)刻實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小，U是系統(tǒng)中的用戶(hù)總數(shù)，T是系統(tǒng)仿真時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)參數(shù)配置，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)平均吞吐量

系統(tǒng)平均吞吐量通過(guò)系統(tǒng)總體吞吐量除以用戶(hù)個(gè)數(shù)得來(lái)，根據(jù)結(jié)果得出：總體趨勢(shì)是隨著用戶(hù)密度的增加，系統(tǒng)吞吐量先增加后減少。因?yàn)樵谟脩?hù)數(shù)目較少的情況下，無(wú)線(xiàn)資源足夠滿(mǎn)足用戶(hù)達(dá)到最佳資源分配量，但隨著用戶(hù)增加，由于無(wú)線(xiàn)資源有限，故系統(tǒng)平均吞吐量呈下降趨勢(shì)。從圖中可以看出KM算法的吞吐量不僅高于其它兩種算法，而且下降趨勢(shì)明顯要優(yōu)于其它兩種算法，關(guān)鍵是在KM算法中引入了用戶(hù)真實(shí)的緩沖數(shù)據(jù)，對(duì)達(dá)到緩沖數(shù)據(jù)量待發(fā)送的用戶(hù)，可以有效限制其繼續(xù)獲取資源。

圖4 系統(tǒng)資源利用率

在仿真時(shí)長(zhǎng)300 TTI(ms)條件下，仿真對(duì)比PF算法、RME算法以及本文提出的KM算法，得到不同用戶(hù)密度下的系統(tǒng)資源利用率的仿真結(jié)果如圖4所示。系統(tǒng)資源利用率的計(jì)算公式如下所示[15]

(6)

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)LTE的MAC層上行資源分配算法研究基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的RME資源分配算法，并在資源分

配過(guò)程中考慮UE實(shí)際的緩存數(shù)據(jù)，將其與提出的改進(jìn)算法相結(jié)合，有效限制了達(dá)到緩存數(shù)據(jù)量的用戶(hù)繼續(xù)獲取資源塊，造成資源浪費(fèi)。因此提高了實(shí)際的系統(tǒng)平均吞吐量。同時(shí)在利用改進(jìn)算法分配RBs資源塊時(shí)，通過(guò)增加修改因子，解決RME算法中存在的深衰落問(wèn)題，保證數(shù)據(jù)傳輸速率，進(jìn)而在資源利用率上也有所提升。

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A New Algorithm for Uplink Resource Allocation in TD - LTE System

LIU Xiangzhi1,WANG Daiqiang2,DAI Chenliang1

(1.School of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 2.School of Mechanical and Electronic Engineering,Guizhou Minzu University,Guiyang 550025,China)

In the TD-LTE uplink system, efficient allocation of resources has a decisive role on the performance of the system, without considering the UE data service only through the channel quality allocation algorithm for resource allocation, will cause the actual resource utilization rate is not high.By combining Kuhn-Munkres algorithm with RME algorithm, a new algorithm for uplink resource allocation in TD-LTE systems is proposed, which effectively solves the problem of deep fading in RME algorithm.The algorithm determines the PRB resource according to the channel quality and the actual UE traffic, and carries out the TD-LTE uplink system resource allocation. The results show that he proposed algorithm can not only improve the actual resource utilization, but also improve the average throughput of the system on the basis of ensuring a certain data rate.

resource allocation;TD-LTE;Kuhn-Munkres algorithm;system average throughput

2017- 07- 02

國(guó)家自然科學(xué)基金(11564005)；貴州省功率元器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目基金(KFJJ201501)

劉相志(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電路與系統(tǒng)。王代強(qiáng)(1965-)，男，博士，教授。研究方向：電路與系統(tǒng)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.021

TN929.5

A

1007-7820(2017)12-079-04