周 有, 王亦凡
(1.西安邮电大学 自动化学院, 陕西 西安 710121; 2.西安邮电大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710121)
正交频分多址系统动态资源分配算法改进
周有1, 王亦凡2
(1.西安邮电大学 自动化学院, 陕西 西安 710121;2.西安邮电大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710121)
摘要:为提高正交频分多址系统中资源分配的公平性,并降低运算复杂度,给出一种自适应线性资源分配算法。根据信道增益计算各用户所需要的载波数量,依据载波数量分配子载波,同时用功率均等策略为用户分配功率。仿真实验结果显示,所给算法相比Linear算法和Shen算法,累积分布函数曲线更接近标准公平曲线,并且复杂度更低,可有效提高正交频分多址系统的数据传输性能。
关键词:正交频分多址;资源分配;公平性;功率均等
正交频分多址(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA)技术是下一代通信网的关键技术,OFDMA的资源分配直接影响网络中节点的容量和用户的业务速率[1-3]。
在多种OFDMA资源分配算法中,容量最大化算法[4]主张每一时刻都将载波资源分配给信道状态最佳的用户,但在多用户状态下,单一子载波不能同时被多个用户使用,对一个用户的子载波资源分配将影响其他用户。另一种容量最大化算法[5]在发射功率受限情况下,能将子载波分配给信道增益最大的用户,以提高数据传输速率,但公平性较差。Shen算法[6]是一种基于公平性的速率自适应算法,利用比例因子为用户分配载波,可提高公平性,但由于采用非线性注水方案分配功率,使得运算复杂度较高。Linear算法[7]采用拉格朗日极值定理求解子载波和功率分配的最优解,可获得较高的系统容量,但公平性较差。
本文拟在OFDMA下行链路数学模型的基础上,根据信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI),计算每个用户所需的载波数量,并采用比例公平算法[8]为每个用户分配子载波,最后用功率均等策略和线性注水定理[9]为用户分配功率,得出一种自适应线性资源分配算法(AdaptiveLinearResourceAllocation,ALRA),并使用仿真软件将其与Linear算法和Shen算法进行对比分析。
1系统模型
在OFDMA通信系统中,假设下行链路的子载波数为N,用户数为K,且每个用户都经历各自不同的衰落,系统总功率记为P,功率谱密度为N0,系统带宽为B。信道噪声为高斯白噪声,方差为
用户k(1≤k≤K)在子载波n(1≤n≤N)上的CSI表示为gk,n,其对应子信道的信噪比即为
用户 在子载波 上的信噪比为
γk,n=pk,nhk,n。
方形M-QAM格雷比特编码的误码率(Bit Error Rate,BER)表示为[10]
式中分配到子载波的比特数
而有效信噪比
信噪比差额常量
资源分配的目标函数可以表示为
其中ck,n表示子载波分配符,当ck,n=1时,表示子载波n分配给用户k。
约束条件为
ck,n∈{0,1},pk,n≥0,
Ri∶Rj=φi∶φj
(i,j∈{1,2,…,K},i≠j)。
其中Rk为用户k的传输速率,定义为
而φk(k=1,2,…,K)为归一化比率,满足
2ALRA算法
ALRA算法分为两个阶段:子载波分配和功率分配。子载波分配阶段,依据CSI计算出每个用户所需要的载波数量,并将子载波分配给用户,再利用比例公平算法对剩余载波进行分配;功率分配阶段,先利用功率均等策略为用户分配功率,再将这些功率通过线性注水法分配给载波。算法流程如图2所示。
图1 算法流程
2.1子载波分配
2.1.1确定子载波集数
假设用户k在第n个子载波上的CSI为gk,n,记平均CSI为
利用自适应载波数计算公式
计算每个用户所需要的载波集数,剩余子载波数记为
可见,对于CSI较好的用户,给其限定少量的载波集数,而给CSI较差的用户初始较多的载波集数,这就能充分利用信道增益,满足各用户对于速率的需求,进一步均衡子载波分配。
2.1.2子载波及剩余子载波分配
(1) 初始化参数,即令
ck,n=0,Rk,n=0,
p=P/N,N={1,2,…,N}。
(2) 对用户k进行具体子载波分配,即取
n=arg max|Hk,n|,ck,n=1 。
限定子载波集数,即令
Nk=Nk-1,N=N{n}。
更新传输速率,即令
n=arg max|Hk,n|,ck,n=1,
Nk=Nk-1,N=N{n},
若Nk=0,则用户k分配完毕,K=K{k} 。
n=arg max|Hk,n|,
更新传输速率,即令
K=K{k}。
2.2功率分配
2.2.1用户功率分配
各用户均等分配总功率
P1∶P2∶…∶PK=1∶1∶…∶1,
则Pk即可表示为
Pk=P/K。
利用上述线性等式将减少功率分配算法的运算量,同时对比例性要求的降低预期也可获得较高的系统容量。
2.2.2子载波功率分配
对每个用户获得的子载波进行递增排序,即
然后,采用线性注水原理进行子载波功率分配,即
3仿真实验
对OFDMA系统资源动态分配过程利用Matlab进行仿真验证,与传统的Linear算法、Shen算法进行比较。仿真采用6径指数功率衰减的频率选择性瑞利信道模型,设置参数见表1。
表1 仿真模型参数设置
3.1系统容量仿真
ALRA算法与Shen算法和Linear算法的系统容量对比如图2所示。
图2 系统容量对比
由图2可见,ALRA算法获得的系统容量明显高于另两种算法。这是因为ALRA算法在考虑载波分配平衡的基础上,用均等分配法进行功率分配,取代传统算法中按比例因子分配的原则,可有效提升信道状况较差用户的数据传输速率,从而提高总的系统容量。
3.2算法复杂度仿真
以平均CPU执行时间对算法的复杂度进行分析,ALRA算法与另两种算法的算法复杂度对比如图3所示。
图3 平均CPU计算时间对比
图3显示,ALRA算法较另两种算法,能以更短的时间完成算法运算,效率更高。在用户数为4~16的情况下,ALRA算法相比Shen算法和Linear算法,CPU执行运算时间更短。因为ALRL算法采用更为直接的Pk=P/K 功率均等分配算法,取代已有算法的非线性冗余分配步骤,所以运算复杂度更低。
3.3公平性CDF仿真
各算法的累积分布函数(CumulativeDistributionFunction,CDF)公平性能对比如图4所示。函数曲线在标准参照线左侧时,对应算法不是公平分配算法,而在参照线右侧时,算法可以视为公平性算法。
图4 CDF曲线公平性对比
图4显示,Linear算法和ALRA算法对应曲线在标准曲线右侧,说明它们都是公平的分配算法,而Shen算法对应曲线在标准参照线左侧,不满足公平准则。这是因为,Shen算法采用的是最大载干比算法,并未考虑信道条件不同带来的分配不均问题;Linear算法和ALRA算法同时兼顾了用户公平性准则和容量要求,在获得较好的系统容量的同时也具备了较好的公平性。ALRA算法在载波分配的初始阶段,首先根据CSI计算出各用户所需的实际载波数量,并按该数量分配子载波,使得信道状况差的用户也可以获取到载波资源,公平性更好。
4结语
为提高OFDMA系统资源分配性能,利用ALRA算法,根据信道增益计算每个用户实际需要的载波数量并进行分配,可提高用户间的公平性,并通过功率均等策略分配功率,减小运算量。仿真结果表明,ALRA算法在用户公平性方面优于Linear算法和Shen算法,且复杂度更低,在OFDMA系统数据传输业务中具有更好的实用性。
参考文献
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[责任编辑:瑞金]
Animproveddynamicresourceallocationalgorithmfororthogonalfrequencydivisionmultipleaccesssystem
ZHOUYou1,WANGYifan2
(1.SchoolofAutomation,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China;2.SchoolofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)
Abstract:In order to improve the fairness and reduce the computation complexity of resource allocation in orthogonal frequency division multiple access system, an adaptive linear resource allocation algorithm is proposed. According to the channel gain, the algorithm calculates the number of carriers needed by each user, allocates the sub-carrier based on the carrier number, and uses power equalization strategy to allocate power for users. Simulation results show that, the cumulative distribution function curve of the proposed algorithm is more approximate to the standard curve, and its computation complexity is lower comparing with the linear algorithm and Shen algorithm. The new algorithm can effectively improve the data transmission performance of orthogonal frequency division multiple access system.
Keywords:orthogonal frequency division multiple access(OFDMA), resource allocation, fairness, balanced power
doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.02.005
收稿日期:2015-10-14
基金项目:陕西省教育厅科学研究计划资助项目(2011JK093707)
作者简介:周有(1970-),男,博士,副教授,从事信号分解与特征提取研究。E-mail:28918059@qq.com 王亦凡(1990-),男,硕士研究生,研究方向为移动通信技术及应用。E-mail:349586576@qq.com
中图分类号:TN929.5
文献标识码:A
文章编号:2095-6533(2016)02-0027-05