OFDMA系统中资源分配方案的研究

ＯＦＤＭＡ系统中资源分配方案的研究　【徐伟尧］　Ｉ　圜　具有Ｏ较Ｆ低ＤＭ复Ａ杂是度一的种多资源址分接配入方技案术，针对ＭＩＭＯ—ＯＦＤＭＡＴ行链路系统，提出了一种　，文章讨论基站通过向每个用户分配子载波和功率　以使整４＂Ｓｆ］户数据速率达到最大，使系统的总功率，误比特牢和用户数据率达到均　衡。以往的资源分配方法多是非线性方法，需要多次检测，我们提出一种不需多；欠　检测的资源分配算法　该方法不对子信道的信噪比进行限制，有较低的复杂度　并　且有较高的用户数据速率。　关键词：ＯＦＤＭＡ资源分配　低复杂度　徐伟尧　南京邮电大学，研究方向，无线通信与移动技术。　１　引言　目前，无线通信系统已把提高数据速率和提供不同　类别的服务作为主要目标，ＯＦＤＭＡ系统利用各个子载波　之间的相互独立性，根据用户业务量的大小和信道信息　系统，然而对于ＯＦＤＭＡ系统，允许多用户在不同的子载　波传输ＯＦＤＭ符号，而子载波将优先分配给信道条件好　的用户。　当前，在ＯＦＤＭＡ系统中，分配给不同用户子载波和　功率成为了研究的热点，也提出了一些白适应资源分配算　法，然而这些算法很少考虑用户间速率分配的公平性和算　新一技一术一．一新二业务　动态分配系统资源，既可以达到很高的频谱利用率，又可　以很容易的支持不同类型的业务，对ＯＦＤＭＡ的研究集中　于在基站设计合适的算法，为各用户分配下行链路的子载　波、功率和比特。ＯＦＤＭＡ被认为是４Ｇ无线通信网络中　法的简化性，在文献　中主要讨论了边缘自适应的资源分　配问题，目的是达到总的传输功率最小，在文献　中，主　的关键的调制和多用户接入技术，ＯＦＤＭＡ是ＯＦＤＭ的扩　展，是像ｌＥＥＥ８０２，１１ａ／ｇ无线ＬＡＮ和ＩＥＥＥ８０２．１６ａ固定无　线宽带接入系统这样告诉数据接入系统的关键技术。　要讨论了比特自适应问题，目的是使用户总数据率达到最　大，子载波将优先分配给用户增益最优的，功率按注水算　法分配给子载波，但是没有讨论用户公平性的问题。用户　在ＯＦＤＭ系统中，只有单用户才能随时在子载波上　传输，引入了时间分集和频率分集多接入以支持多用户　公平性这个问题在文献　和文献　中进行了讨论，但是这　些算法的复杂度都比较大，本文对文献　提出的子载波分　３９　２０１０　９‘广东通信技术　配策略和功率分配策略进行了改进，提出了一种更完善的　策略，使其在满足用户公平性要求的前提下，降低了算法　的复杂度，该算法使系统获得了更高的性能。　２　系统模型　在基站传输器端，下行链路有Ｋ个用户，Ｎ个子载　波，每个用户ｋ的子载波ｎ（１＜ｎ＜Ｎ）分配的发射功率是　Ｐ（ｋ，ｎ），假设对于不同的用户子载波不能共享，每个用户　ＯＦＤＭＡ￣，经过慢衰落，频率选择性瑞利衰落信道，　带宽为Ｂ，通过一个控制信道进行子载波分配，然后每个　用户对赋予他们的子载波信息进行解码。　假设每个用户信道之间相互独立，对于用户ｋ来说，　在子载波ｎ的信道增益是Ｇ（ｋ，ｎ），高斯白噪声信道　＝Ｎ　Ｂ／Ｎ，其中Ｎ。表示噪声功率谱密度，相关子信　”　道的ｓＮＲ表示为　＝ｇ２　／Ｇ　，第ｋ个用户在子载波ｎ　接收的ｓＮＲ是　．　＝Ｐ女　冰ｈ女　需要通过一个反馈信道　对信道进行评估，这些信道估计然后将作为输入进行资源　管理算法处理。　ＢＥＲ　吖＿（）．２ｅｘｐ【＿Ｉ１’６　，　］　（１）　‘　＝．　ｌｏｇ（１＋Ｐ　Ｈ＾．　．　）　（２）　本文考虑的资源分配目标函数可以表示为：　＾，　Ⅳ　＾，　ｍａｘ睾　Ｚ　Ｃｋ，ｎ【　ｌｂ（１＋　）］　（３　Ｃ１：ｃｋ　∈｛０，１｝，Ｖｋ，　Ｃ２：Ｐ　Ｏ，Ｖｋ—　，　Ｇ：∑ｃ　ｏ，Ｖｎ　１　：　Ｐ，ｏ，　ｋ＝ｌ　１　Ｃ５：Ｒ　：Ｒ，＝　：　，，ｖｉｊ∈｛ｌ，．．．，Ｋ），ｉ≠　其中Ｃ（ｋ，ｎ）指示子载波的分配，是否将子Ａ，Ｅｎ分配　给用户ｋ。Ｒ　为第ｋ个用户总的数据速率。　Ｎ　Ⅵ　＝号　Ｃｋ，ｎ　Ｉｂ（１＋　）　（４）　解决这个问题的一般办法就是把联合子载波和功率　分配方案分成两步完成。　３　提出方案　本文提出的资源分配方案，可以使用户数据速率近　似地与每个用户分配的子载波数成线性关系，以满足用户　问的公平性原则，分为两步，分别是子载波分配和功率分　配。　由公式３可以看出，多项式的运算时间问题很难解　在文献　中，．ｖｊ－－ｙ－每个用户来说，子载波数和功率分　，　配都是确定的，每个用户都分配了确定的子载波，在文　献　中，首先提出对子载波进行分配，然后对功率进行分　配，下面将对这些问题进行讨论。　３．１子载波分配　子载波的分酉己策略是每个用户按顺序选择对于自己　最好的子载波，－Ｔ－－载波分配完成后，对于前面公式３中提　到的问题，可以得到简化，　约束条件ｃ５中的比例条件，使每个用户分配的子载　波数近似满足如下线性条件。　：　…：　：　：织．＿．．：　根据上面的假设，确定每个用户初始分配的子载波　数　＝［　Ⅳ］，由此可能带来子载波的初始分配剩余为　Ｎ　＝Ｎ—　ＪＶ｝，先对每个用户分配Ⅳ　个子载波．，　一旦子载波ｎ分配给用户ｋ，那么其对应的一组空间子信道　刚　咐　［Ｌ　Ｕ　Ｕ乐　Ｖ　ｌ】戢暇。　具体步骤如下：　ＯＦＤＭＡ￣统中资源分配方案的研究Ｉ　（１）初始化参数　初始化Ｒ　＝０，Ｑｋ＝　ｋ＝１，２…，Ｋ／Ｘ＝｛１，２…Ｋ｝　等参数。　（２）对每个用户进行初始子载波分配，将用户在其　上有最好的增益且未被其他用户占有的子载波分配给该用　户。　（３）对每个用户进行基于优先权的子载波分配。　（４）对剩余的Ｎ　个子载波进行分配，以增强系统　的吞吐量，实现系统均衡。　对步骤３，利用贪婪算法，在每次迭代中，由最需要　子载波的用户优先挑选增益最好的子载波，当用户分配到　它应该得到的子载波总数Ｎｋ时，该用户将不能再继续分　得子载波。对于步骤４，在分配剩余子载波时，每个用户　至多可以分到一个剩余子载波，这样就避免了那些增益条　件好的用户分配了大部分的剩余子载波，满足了用户之间　的公平性分配。　３．２功率分配　前面步骤完成了对用户子载波的分配，每个用户分　配的子载波是Ｑ　，公式３中的问题可以简化为：　Ｋ　Ｍ　ｍａｘ￣－∑∑［Ｚｌｂ（１＋　）］　Ｃ１：Ｑ　＝（２ｊ，　Ｃ２：Ｐ　０，Ｖｋ，　Ｃ３：∑∑Ｐ　Ｐ　。，　ｋ＝ｌ　ｎＧ￣２ｋ　可以推导出Ｐ　和Ｐ　１之间的关系　．Ｐ　＝Ｐ　＋　Ｐ　＝　当ＪＶ　较大时，主特征子信道　，１起主要作用，再　根据约束条件　ｌ：Ｒ　＝　：　，可得　Ｉ　＼　等｛／ｂＯ＋　Ｅｌ，。）＋ｌ６Ｉ，｝　等｛，６（１＋　Ｅｋ　）＋１６　｝　将Ｒ　：Ｒ，＝　：Ⅳ，，将　替代　可得矩阵等式形　式：　ｐｌ　ｐ　ｔａｌ　ｐ２　●　：　：　●　ｐ　ＮＩＨｋＩＷｋ　，＝一　，　＝　（　一　＋　一　）　上个阶段得出了对于每个用户ｋ的总功率Ｐｋ，由注水　算法可得　Ｐ　＝　＋　，　４算法复杂度分析　子载波分配时，先计算各用户分配的子载波数ＪＶ　，　需要Ｋ次复乘，复杂度为Ｏ（Ｋ），在初始化阶段，需要一个固　定的时间初始化，第二阶段需要Ｏ（ＮＫＩｂＮ）次操作，接下　来第三阶段对Ｎ—Ｋ个子载波在Ｋ个用户中寻找增益最好的　用户，需要Ｏ（（Ｎ—Ｋ）Ｋ）次操作，最后一阶段对剩余的子载　波进行分配，需要Ｏ（Ｋ）次运算。　所以，整个子载波分配过程中的计算复杂度近似为　新＝技一术一．一新二业虿　Ｏ（ＮＫＩｂＮ）。　在功率分配过程中，完成功率的初始化，需要一次　乘法，２（Ｋ一１）次除法和３（Ｋ一１）次减法，算法的复杂度是　Ｏ（Ｋ），功率分配算法采用基于文献［９１Ｉ￣ＲＯＯＴ－ＦＩＮＤＩＮＧ算　法，还有许多其他算法可以使用，如Ｎｅｗｔｏｎ—Ｒａｐｈｓｏｎ，　ｂｉｓｅｃｔｉｏｎ，ｓｅｃａｎｔ等等。　由此可见，本文提出的线性方法进行功率分配，与　以往功率分配时需要大量迭代运算的算法相比，复杂度大　大降低。　５仿真分析　新技术・新业务　（１）仿真参数　频率选择性多路信道是有６个独立的瑞利多径信道组　成，具有指数衰落特性，最大时延是５ｐｓ，最大多普勒频　移是３０Ｈｚ，每个０．５ｍｓ对信道信息进行采样，更新子信道　和功率分配信息，总功率为１Ｗ，总带宽为１ＭＨｚ，子载波　数是６４，子信道平均ＳＮＲ为３８ｄＢ，ＢＥＲ＜１０～，　ｒ＝＝一ｌｎ（５ｘｌＯ　３／）１．６＝３．３。　该系统的用户数从４到１６变化，步长是２，总共１　０００　个不同的信道，１Ｏ０个采样点。　（２）复杂度分析　图１对线性方法和ＲＯＯＴ—ＦＩＮＤＩＮＧ两种方法的复杂度　进行比较。　Ａ州　９。ｃｐｕ　ｔ　ｍ。ｃｏ　ｐａ　－　－…　‘－ｕ　－｝　ＬＲＩＯＮＥＯＡＴＲ￣Ｄ　ＩＮＧ　一　；　：　１０　－　　－、　、　、　１Ｏ　Ｊ　２　４　ｅ　８　０　１２　ｎｕｍｂｅｒ　ｕｓｅｒ￣　图１算法的复杂度分析　（３）总输出　图２比较了这两种算法的整体性能，从中可以看出，　随着用户数目的增加，总体输出增加，当用户数量较多　时，多用户分集作用将体现出来，能增加系统整体的性　能。　８　１Ｏ　１２　１４　ｉ６　ｎｕｍｂｅｒ　ｕｓ０　图２两种算法输出性能比较　４２　～新ｌｌ技＝术～．～新Ｉｌ业＝务～　（４）用户的数据率分析　图３给出了当系统中存在１６个用户的时候，采用不同　的算法时，每个用户的归一化数据率的比较。　０１６　一Ｇａｍｍａ　ＬＩＮＥＡＲ　●ＲＯＯＴ－ＦＩＮＤＩＮＧ　图３　１６用户的归一化数据率比较　６＝结１　己　：３论　本文针对ＯＦＤＭＡ系统，分析自适应资源分配问题，　提出一种同时增强系统吞吐量和用户速率且满足用户公平　性的资源分配方案．在保证近似的成比例约束条件下，推　导出一种线性的非迭代算法简化解决问题的难度，大大减　少了计算复杂度，仿真结果表明，与以往的方案相比，本　文方案在获得用户问良好的速率公平性和系统吞吐量增益　的同时，又具有较低的复杂度。　参考文献　１　李宗豪，朱金明．信号处理电路．北京：电子３１．业出版社，１９９４　２　Ｓ．Ｒａｐｐａｐｏｒｔ，Ａ．Ａｎｎａｍａｌａｉ，Ｒ．Ｍ．Ｂｅｕｈｒｅｒ，ａｎｄ　Ｗ　Ｈ．Ｔｒａｎｔｅｒ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：ｐａｓｔ　ｅｖｅｎｔｓ　ａｎｄ　ａ　ｆｕｔｕｒｅ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｇ，２００２，４Ｏ（５）：　１４８－１６１　３　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＬＡＮ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ．８０２．１　１，１　９９７　４　Ａｉｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　ｆｉｘｅｄ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ａｃｃｅｓｓ　ｓｙｓｔｅｍｓ．　ＭＡＣ　ａｎｄ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ＰＨＹ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　２－１１　ＧＨｚ，ＩＥＥＥ　Ｓｔｄ．８０２．１６ａ．２００３　５　Ｃ　Ｗｏｎｇ，Ｒ．Ｓ．Ｃｈｅｎｇ，Ｋ．Ｂ　Ｌａｔａｉｅｆ，ａｎｄ　Ｒ　Ｄ．Ｍｕｒｃｈ．　Ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ＯＦＤＭ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ，Ｂｉｔ，　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ，ＩＥＥＥ　Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔ．Ａｒｅａｓ　Ｃｏｍｍｕｎ．，　１９９９，１７（１Ｏ）：１７４７－１７５８　６　Ｊ，Ｊａｎｇ　ａｎｄ　Ｋ，Ｂ　Ｌｅｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｐｏｗｅｒ　ａｄａｐｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ＯＦＤＭ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ＩＥＥＥ　Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔ．Ａｒｅａｓ　Ｃｏｍｍｕｎ．，２００３，　２１（２）：１７１～１７８　医　瞳　Ｅ　日　＿＿　Ｉ　ＯＦＤＭＡ系统中资源分配方案的研究　｝　　ｌ　ｌ７　Ｈ．Ｙｉｎ　ａｎｄ　Ｈ．Ｌｉｕ．Ａｎ　ｅｆｆｃｉｅｎｔ　ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ｌｏａｄｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ＯＦＤＭ—ｂａｓｅｄ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｙｓｔｅｍｓ．ｉｎ　Ｐｒｏｃ．　９　Ｚ　Ｓｈｅｎ，Ｊ　Ｇ　Ａｎｄｒｅｗｓ，ａｎｄ　Ｂ．Ｌ．Ｅｖａｎｓ．Ｏｐｔｉｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ＯＦＤＭ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｉｎ　Ｐｒｏｃ　ＩＥＥＥ　ｇｌｏｂａｌ　ＩＥＥＥ　ｇｌｏｂａｌ　ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０００，（１）：　１　０３－１　０７　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｓａｎ　Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，ＣＡ，２００３，１２：　３３７－３４１　８　Ｗ．Ｒｈｅｅ　ａｎｄ　Ｊ．Ｍ．Ｃｉｏｆ．Ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ　ＯＦＤＭ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｕｂｃｈａｎｎｅｌ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ，ｉｎ　Ｐｒｏｃ　ＩＥＥＥ　Ｖｅｈｉｃ　Ｔｅｃｈ．Ｃｏｎｆ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，２０００，５：　１０　Ｓ．Ｔ　Ｃｈｕｎｇ　ａｎｄ　Ａ．Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ　Ｄｅｇ　ｒｅｅｓ　ｏｆ　ｆｒｅｅｄｏｍ　ｉｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：Ａ　Ｕｎｉｉｆｅｄ　Ｖｉｅｗ，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ＣＯｍｍｕｎ．，　ｖｏ１．４９，ｎｏ．９　１０８５－１０８４　（收稿日期：２０１０－０８．２３）　（上接第２３页）　④在ＴＧ１侧确认注册的ＭＧＣ地址为容灾ＳＳ：在ＴＧ１　侧跟踪Ｈ２４８￣息，无法确定注册的ＩＰ，所以必须在启用　信令跟踪的Ｈ２４８事务数据观察功能，就可以观察到当前　注册的ＭＧＣ的ｌＰ地址，就可以知道ＴＧ１是否向容灾ＳＳ２注　册。　备方案疏通话务，将影响程度降到最低。　（８）网关设备的切回　当故障ｓｓ１已经恢复正常，在话务很低时（如凌晨　０２：００），可以在容灾ＳＳ２使用命令５００２逐个将容灾的网关　设备切回￣ＥＪＳＳｌ，在确认该网关已经切回成功，话务和业　⑤在ＳＳ２通过５００４命令查看ＴＧ１的容灾节点的状　态，就可以知道ＴＧ１是否已经成功注册到ＳＳ２，检查ＴＧ１　务测试也正常，才对下一个网关设备进行切回。　（９）容灾切回后的拨测　对容灾切回的网关设备（ＡＧ／ＴＧ／ＩＡＤ）进行拨测，　的注册地址是否为ＳＳ２负责容灾处理的ＮＩＣ板地址。　⑥通过５３０２命令可以查看容灾链路的状态，容灾链　路应该为ＡＣＴＩＶＥ，通过５３０３可以查看容灾ＡＳ的状态也应　该为ＡＣＴＩＶＥ。　⑦在ＳＳ２￣ｎ端局确认容灾中继可用：在ＳＳ２可以通　要求原来所有话务和业务均为正常，才可以认为容灾切回　成功了。　６结束语　随着ＦＴＴｘ的ＰＯＮ终端和天翼猫ＶＯｌＰ业务的大力推　园　过４９６７：１切换到容灾数据库，然后查看容灾中继的电路　状态，在端局ＬＳ１查看￣ｌＪＳＳ１的中继电路状态。如果电路　闭塞，可以在两端对电路进行解闭操作，尽快保证电路空　闲可用。　广，中国电信对固网软交换的可靠性要求更高，当主用　软交换发生故障后，网关设备能切换到互为容灾的软交　换，以保证故障节点的业务不受影响，提升网络可靠性，　提高客户感知，巩固ＶＯＩＰ业务品牌。中兴软交换的容灾　　。⑧在完成ＴＧ１的容灾切换，如果ＴＧ２也需要切换，　可以参考上述的流程进行操作，但更应该关注容灾ＳＳ２的　运行情况和处理板负荷等情况。　一新＝技一术．新二业　切换功能比较完善，能满足目前网络可靠性的需求，但只　有按照容灾后呼叫选路机制将相关数据做好配置，才能为　（６）容灾后呼叫拨测　对容灾切换后的网关设备（ＡＧ／ＴＧ／ＩＡＤ）进行拨　测，对于ＡＧ／ｌＡＤ用户首先保证可以正常打入和打出；　对于ＴＧ，首先必须正常来去话能占用容灾中继电路。随　后，根据现网容灾实例对容灾后用户进行详细拨测，可以　ＶＯＩＰ业务稳定提供安全的网络保障。　参考文献　１　中国电信Ｈ２４８媒体网关控制协议中国电信集团公司，２００３　年１２月３１日　２　３　中国电信ＳｌＧＴＲＡＮ协议．中国电信集团公司．２００３年１２月３１日　Ｓｔｒｅａｍ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ—ＲＦＣ２９６０　ＩＥＴＦ，　结合基本业务和智能业务进行测试，也要求为正常。　２０００年１Ｏｆ］　４　软交换异地容灾数据配置．中兴通讯公司．２００５年９ｆ］　（７）容灾失败，启用灾备方案　如果采用上述的方法无法进行容灾切换或者两个ｓｓ　的数据不同步导致大量呼损，可用考虑启用预先制定的灾　５　中兴软交换Ａ＋培训相关资料．中兴通讯公司，２００６年７ｆ］　（收稿日期：２０１０－０８—１２）　４３　２０１　０．９‘广东通信技术