OFDMA系统跨层资源分配算法

黄宜平， 何海浪

（湖南省邵阳学院 信息工程学院，湖南 邵阳 422000）

0 引言

在无线通信环境中，无线信道具有快速变化的特性，而基于分层结构的协议栈只能在相邻的层之间以固定的方式进行通信，从而导致现有的协议栈无法灵活地适应无线移动环境的变化，进而不能对有限的无线频谱资源和功率资源进行有效的利用。因此针对未来移动通信系统的业务要求，比较有效的方法是通过采用跨层设计思想[1-3]。

1 跨层网络模型

图1为跨层网络结构示意图，在该网络结构中，物理层根据应用层的需要和当前网络条件对传输速率、发射功率、编码速率等进行自适应配置，链路层根据延时限制、业务优先级、实际链路和干扰情况进行自适应配置，网络层从应用层获取业务延时约束并进行自适应配置，传输层根据当前业务丢包率、延时抖动、网络拓扑等进行自适应配置，应用层从下层获取网络信道信息，并向下层提供业务的QoS约束。

2 混合业务资源分配算法

对于非实时业务来说，需要保证其平均速率大于最小速率门限。将非实时业务用户k的最小速率门限设为一般来说，其速率权重φk与成比例关系，因此，保证速率比例公平的条件可表示为：

在考虑接入控制的系统中，式（1）中的常数φnrt取值范围为φnrt≥1，当系统负载很高时，φnrt=1。

设实时业务的最大延时门限为Dth，为了与非实时业务统一起来，可以将C5的延时公平条件表示为：

与非实时业务时的情况相似，在考虑接入控制的系统中，式（3）中的常数φrt取值范围为φrt≥1，当系统负载很高时，φrt=1。

基于动态权重的混合业务资源分配算法流程如图 2所示，这里主要介绍速率权重因子β的调整。每隔时间Tupdate，对速率权重因子β进行一次调整。首先统计Tupdate时间内各非实时业务用户的平均传输速率和各实时业务用户的丢包率为非实时业务用户k的最大业务速率误差门限，当时，认为用户k没有以最大业务速率传输，若为其分配更多的资源，则其平均速率能够提高；当时，认为该用户已经以最大业务速率传输，即使为其分配更多的资源，该用户的平均速率也不会再提高。一般，可以取其中γ取值为一个较小的正实数，文中仿真中取γ=0.01。

设Δβ为β的乘性调整因子，取值范围为0＜Δβ＜1，Δβ越小，β的调整幅度越大，反之，Δβ越大，β的调整幅度越小。速率权重因子β的调整准则为：

2）若对于当k∈Λrt，有成立，且存在某一个非实时业务用户有则

3）若上述两种情况都不满足，则不对β进行调整。

图 2 基于动态权重的混合业务资源分配算法流程

3 仿真结果

假定非实时业务用户速率权重相等，采用速率为 256 kb/s的 FTP业务模型[4-5]，即最大业务速率允许的最小传输速率设为 51.2 kb/s；实时业务采用速率为256 kb/s的视频流业务模型，实时业务的最大等待延时Dth=100ms ，允许的最大丢包率=0.02；资源分配周期T′设为0.5 ms，速率权重因子的调整周期Tupdate设为0.5 s，仿真时间为12 s。图3给出Δβ取值不同时，β随时间变化的曲线图。系统中实时业务用户和非实时业务用户数均为50。可以看出，Δβ取值较小时，曲线变化幅度较大，在稳定值附近波动较大；Δβ取值较大时，曲线变化幅度较小，在稳定值附近波动较小，但是收敛到稳定值的速度较慢；Δβ取值适中，则能在收敛速度和稳定度间取到折中。在图4中，Δβ都取为0.8。

图3 速率权重因子随时间变化的曲线

图4给出各种业务用户数取值不同时相应的非实时业务吞吐量。可以看出，实时业务总吞吐量随着实时业务用户数的增长而线性增长，而不随非实时业务用户数的变化而变化，即实时业务的优先级得到了保障。

图 4 各种业务用户数取值不同时的非实时业务吞吐量

4 结语

文中研究了保证用户间公平性的OFDMA系统跨层资源分配问题。针对非实时业务的特点，详细分析了一种保证速率比例公平的非实时业务资源分配算法，仿真结果说明这种算法能够较好地保证用户之间的公平性，并能够获得较大的系统吞吐量和较小的业务延时。然后文中所考虑的资源分配算法都是在比较理想的假设下进行的，即假设信道是准 静态的，信道估计是无误差的。对于实际无线系统，误差和不确定性因素是永远存在的。研究非理想条件下的资源优化分配对于实际系统具有更大的指导意义，将是进一步研究的方向。

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