LTE－Advanced中继系统中一种公平的下行资源分配机制

鲜永菊，代世祥，徐昌彪

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

在LTE－Advanced系统中引入中继能拓展网络覆盖、提高小区吞吐量和频谱效率［1］，但是这也给系统带来如路径选择、资源分配等诸多挑战，有效的资源分配成为当前关注的重点。目前对LTE－A中继系统下行资源分配的研究甚少，文献［2］分析了eNB和RN使用的资源同频和异频对系统性能的影响，没有深入研究LTE－A中继系统的资源分配算法。

由于LTE－A下行多址技术采用的是OFDMA技术，因此对目前OFDMA中继系统中的资源分配进行调查研究，在其基础上提出适用于LTE－A中继系统的下行资源分配机制。目前关于DF中继OFDMA中继系统的资源分配问题得到广泛关注，传统分配算法［3－8］分配子载波的原则基本都是将每个子载波分配给使用它获得最大信道增益的用户，能获得最大的系统吞吐量，但是没有考虑用户公平性因素。Salem算法［9］考虑了用户的公平性，每次给瞬时数据速率最小的用户分配信道增益最大的子载波，从而权衡了公平性和系统吞吐量，该算法在用户最小数据速率和QoS要求相同时公平性较好，但是若最小数据速率和QoS不同时公平性不够好。

本文讨论单小区Type I［10］方式 LTE－A中继系统的下行资源分配问题，针对目前DF方式中继OFDMA系统资源分配算法在公平性方面的不足，考虑多个中继，同时考虑直连用户和中继用户，假设资源足够使用，在eNB和RN功率受限且用户速率限制的条件下，提出一种公平的资源分配算法。

1 系统模型

1.1 系统模型

图1 单小区的LTE－A中继下行通信系统架构

传输方式分为两个时隙，如图2所示，第一时隙eNB向RN和直连用户（zlUT）发送信息，RN对接收的信息无误解码;第二时隙RN对解码信息重新编码后转发给中继用户（zjUT），eNB继续给zlUT发送未发送完的信息。

图2 信息传输方式

直连用户k1在资源块i上的信道容量为

假设eNB→RNj的资源块i1和RNj→UTj，k2的资源块i2配对传输，则中继用户k2在该资源块对的信道容量为

该传输链路的总功率和等效信道增益分别为

则中继用户k2在该链路的信道容量可简写为

1.2 系统吞吐量和公平性

本文在eNB和RN功率受限且用户最小速率限制的条件下，以权衡系统吞吐量和用户公平性为目标，研究Type I方式LTE－A中继系统的下行资源分配问题，系统吞吐量为

式中:Rk为用户k的实际数据速率，Rk，min为用户k的最小数据速率要求，Rk，max为用户k的最大数据速率限制。式（9）和（10）表示1个RB最多只能分给1个用户使用;式（11）和式（12）表示eNB和RN功率分别受限;当用户获得的数据速率远远大于最小数据速率要求时，再给它分配资源，虽然能提高数据速率，但是已经显得毫无意义，因此本文对用户进行最大数据速率限制，其中式（13）表示用户的实际速率必须大于最小速率要求，并且不高于最大速率限制。

根据文献［13］，定义用户公平性为

2 资源分配算法

LTE－A中继系统的下行资源分配包括两个问题:每一跳如何分配资源块?如何为中继用户进行两跳资源块配对?本文在资源足够使用的情况下，平均分配eNB和中继的功率，设计资源分配算法。

2.1 第一跳

将直连用户和中继称为第一跳接收端，则第一跳接收端总数为Kf=Kd+L。为第一跳接收端分配资源块，eNB功率平均分配，首先给每个第一跳接收端预分配资源块，此处预分配的具体措施为:给每个直连用户分配一个资源块，给每个中继分配数目等于它所服务的中继用户数的资源块;然后根据设定的优先级给第一跳接收端分配资源块，直至所有资源块被分配完。

具体算法如下:

第一步，参数初始化。

第二步，给第一跳接收端预分配资源块。将第一跳接收端按照直连用户到中继的顺序排列，直连用户间随机排列，中继间随机排列。对每个直连用户，找出信道增益最大的资源块，作为首个资源块分配给它;为每个中继分配的数目为它服务的中继用户数的资源块。

最小的第一跳接收端，为其分配信道增益最大的资源块，更新Rf，Af和，将已分配的资源块从资源块集合Φ中删除;若所有第一跳接收端的实际数据速率都已达到最小数据速率要求，且资源块集合Φ非空，存在实际数据速率小于最大速率限制的第一跳接收端，则从这些第一跳接收端中选择最小的第一跳接收端，为其分配信道增益最大的资源块，更新Rf，Af和，将已分配的资源块从资源块集合Φ中删除;否则，执行此步至资源块集合Φ为空或者所有一跳接收端数据速率刚好小于最大数据速率限制。

2.2 第二跳

将中继获得的资源块放入资源块集合Φ中，每个RN的功率平均分配，中继用户随机排列。首先给每个中继中户分配一个资源块，然后根据优先级给每个中继用户分配资源块直至资源块集合Φ为空，最后为中继用户进行资源块配对。

具体算法如下:

第一步，参数初始化。

中继用户的实际数据速率集合Rr=zeros（Kr，1），分配指示矩阵 Ar=zeros（Kr，Nr），Nr=N －NzlUT，其中 NzlUT为直连用户占用的资源块总数，中继户kr获得的RB集合

第二步，为中继用户分配首个资源块，对每个中继用户，从第二跳可用资源块集合中找出信道增益最大的资源块，作为首个资源块分配给它。

最小且所属中继服务的中继用户此时获得的资源块总数小于该中继第一跳时获得的资源块的中继用户，为其分配信道增益最大的资源块，Rr，Ar和Ykr，将已分配的资源块从资源块集合Φ中删除。执行此步至资源块集合Φ为空或者所有中继用户数据速率刚好小于最大数据速率限制。

第四步，为中继用户进行资源块配对。对中继j，将它第一跳获得的资源块按信道增益降序排列，它服务的中继用户第二跳获得的资源块也按信道增益降序排列，第一跳信道增益最大的资源块i1和第二跳信道增益最大的资源块i2配对，将此资源块对分配给使用资源块i2的中继用户，根据式（5）和（6）计算出该传输链路的总功率和等效信道增益，根据式（7）计算出该中继用户在此链路上的数据速率。执行此步至所有中继用户的资源块均配对完。

3 仿真及结果分析

本文仿真的LTE－A中继系统［12］包括1个eNB、2个RN和多个UT，仿真信道为6径的瑞利衰落信道，系统带宽B=10 MHz，中心频率fc=2 GHz，eNB功率为46 dBm，RN功率为37 dBm，噪声功率谱密度为N0=－174 dBm/Hz，所有用户最小速率要求均为0.512 Mbit/s，最大速率限制为2.56 Mbit/s，误比特率要求BER均为10－4。

仿真时，用户总数为10，直连用户数为2，RN1和RN2服务的中继用户数均为4。用本文的资源分配算法与传统分配算法和Salem算法进行比较，得到10个用户时系统容量的CDF曲线如图3所示，公平性的CDF曲线如图4所示，仿真10 000次得到的用户平均数据速率如图5所示。从图3可以看出，本文算法获得的系统容量比传统资源分配算法和Salem算法获得的系统容量略低，传统资源分配算法获得的系统容量最高。从图4可以看出，本文算法获得的公平性在99%以上，远远高于Salem算法和传统资源分配算法，传统资源分配算法获得的公平性最差。本文所有用户最小数据速率要求均相同，但是第一跳用户中直连用户和中继的最小数据速率要求不同，Salem算法每次给瞬时数据速率最小的用户分配信道增益最大的子载波，在用户数据速率要求不同的时候，就显得不够公平。从图5可以看出，使用所有算法均能满足所有用户的数据速率限制。由于本文算法公平性高，导致第一跳时直连用户获得的资源块比其他两种算法少，所以直连用户数据速率较低。第一跳时中继获得的资源块比其他两种算法多，因此中继用户的数据速率较高。

4 小结

针对LTE－A中继系统的下行资源分配问题，在资源足够使用的情况下，在eNB和RN功率受限且用户数据速率限制的条件下，提出一种公平的资源分配机制，对系统吞吐量和用户公平性进行了较好的权衡。但是，本文考虑的是资源足够使用的情况，在资源不够使用时，如何提高频谱利用率以及如何提高用户的满意度是后期工作的重点。

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［1］吴德操，李方伟，朱江.基于中继技术的LTE—A终端省电方案［J］.电视技术，2011，35（11）:58－60.

［2］刘美.LTE－Advanced中继系统频谱分配方法研究［D］.武汉:武汉理工大学，2010.

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［11］ITU－R.Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT－Advanced［EB/OL］.［2011－08－08］.http://www.docin.com/p－117328019.html.

［12］焦慧颖.LTE－Advanced关键技术及标准化进展［J］.电信网技术，2009（12）:19－22.