具有用户优先级的载波聚合资源分配方案的性能分析

朱东弼, 宋佳兴, 许一虎

(延边大学 工学院,吉林 延吉 133002)

0 引言

载波聚合(carrier aggregation,CA)是一种通过增加系统的传输带宽来满足单用户峰值速率和提升系统容量的技术,目前该技术被广泛应用于LTE-A 和5G 系统中[1-3].在载波聚合的过程中,其资源调度可分为成分载波(component carrier,CC)级调度和资源块(resource block,RB)级调度.CC 级调度通常使用独立资源分配算法[4]和联合资源分配算法[5-6]对资源进行调度.RB 级调度通常使用轮询算法[7]、最大载干比算法[8]、比例公平算法[9]、贪婪算法[10]和资源分配算法[11]等对资源进行调度.上述算法都是基于用户信道的条件对资源进行分配的,且每种分配算法都只适合于单一的应用场景;但随着用户对多元化和个性化无线网络需求的增加,开发设计出一种能够适合于多个应用场景的资源分配算法具有重要意义.为此,本文根据载波聚合的特征以及不同用户的个性需求,提出了一种具有用户优先级的载波聚合资源分配方案,并通过仿真实验验证了该方法的有效性.

1 具有用户优先级的载波聚合资源分配方案

本方案将系统中的用户分为高优先级和低优先级.在系统拥挤时,为了防止从其他小区切换过来的用户无法接入到系统,本文将从其他小区切换到本小区内的请求业务的用户设为高优先级用户,而将本小区内的请求业务的用户设为低优先级.以下为具有用户优先级保护阈值的载波聚合资源分配方案:

假设载波聚合系统有M个资源块,且系统同时支持窄带用户和宽带用户.当窄带用户接入到系统时,系统会调用某一个载波的某一个资源块为其服务;当宽带用户接入到系统时,系统会调用某一个或多个载波的b个资源块为其服务.

当新到达的宽带用户或窄带用户接入到系统时,若此时系统中没有可调用的空闲资源块,则系统会在占用b个资源块的宽带用户中调用一些可分配的资源块分配给接入到系统的用户.为了提高高优先级用户的切换成功率和系统的总吞吐量,本文在系统中设置了2个保护阈值b1和b0(b0

当低优先级窄带用户接入到系统时,若此时系统中没有可调用的空闲资源块,且所有的宽带用户所调用的资源块数量都少于或等于b1个资源块,则此时低优先级窄带用户的业务请求将被拒绝.当高优先级窄带用户接入到系统时,若此时系统中没有可调用的空闲资源块,且所有的宽带用户都在使用b0个资源块,则此时该用户在缓存区中等候可调用的空闲资源块;如果缓存区已满,则该用户的切换请求将被拒绝.

当某一用户在本小区中的业务结束时(其所占用的资源块被释放),若此时缓存区中有正在等候的高优先级窄带用户,则这些用户将优先使用被释放的资源块;若还有剩余的释放资源块,则这些资源块将被用于升级处于低服务质量的宽带用户.例如:若有nr个剩余释放资源块数,且系统中正在使用i个资源块的宽带用户(即占用最少资源块的用户)数为ni.当nr

2 性能分析

为了分析本文方案的性能,本文假设:低优先级窄带用户和宽带用户到达系统的过程分别服从参数为λno和λwo的泊松过程,从其他小区切换过来的高优先级窄带用户和宽带用户到达系统的过程分别服从参数为λnh和λwh的泊松过程;窄带用户和宽带用户的服务时间均是相互独立和服从指数分布的,且其平均服务时间分别为μ-1和(iv)-1.

设本小区内可供分配的总资源块数为M个,高优先级窄带用户的缓存区容量为N,且高优先级窄带用户在缓存区中的停留时间服从参数为d的指数分布.

设Pwh和Pnh分别为高优先级宽带用户和高优先级窄带用户的阻塞概率,则有:

3 性能比较与分析

为分析比较系统的性能,设置系统参数如下:M= 100,b= 13,b0= 3,低优先级宽带用户到达率λwo= 1.0～3.0,低优先级窄带用户的到达率λno= 1.0,高优先级用户的到达率为总用户到达率的25%,b1分别取7、8、9,μ-1=v-1= 30s,d-1= 3s,N=6.

图1为用户的到达率和系统的保护阈值对高优先级窄带用户和宽带用户阻塞概率的影响.由图1可以看出,高优先级窄带用户和宽带用户的阻塞概率随低优先级宽带用户的到达率的增加而增加,这说明接入到系统的低优先级宽带用户过多会导致系统的拥挤.另外,高优先级用户的阻塞概率随阈值b1的增加而降低,这说明阈值b1越大,系统调用给高优先级用户的资源块数量越多,从而可提高切换成功率.对比图1(a)和图1(b)还可知,当低优先级宽带用户的到达率相同时,高优先级窄带用户的阻塞概率低于高优先级宽带用户的阻塞概率,这说明此时窄带用户所需调用的资源块数量少于宽带用户,因此其可调用资源块的机会相对更多.

图1 到达率和阈值对高优先级窄带用户(a)和宽带用户(b)阻塞概率的影响

图2为高优先级用户在本文方案和无用户优先级方案下的阻塞概率.由图2可以看出,本文方案中,高优先级窄带用户和宽带用户的阻塞概率随低优先级宽带用户到达率的增加而增加,同时阻塞概率低于无用户优先级方案.这说明本文方案可更好地调用系统的资源块数量,进而可提高高优先级用户的切换成功率.

图2 不同方案对高优先级窄带用户(a)和宽带用户(b)阻塞概率的影响

图3为本文方案和无用户优先级方案对低优先级用户阻塞概率的影响.由图3可以看出:本文方案中低优先级用户的阻塞概率随宽带用户到达率的增加而增加;在宽带用户到达率λwo<1.8时,低优先级用户的阻塞概率低于无用户优先级方案的阻塞概率;当低优先级宽带用户到达率λwo>1.8时,本文方案的低优先级用户的阻塞概率高于无用户优先级方案的阻塞概率.上述说明,当系统中的宽带用户的到达率增加时,系统可调用的资源块数量逐渐减少,进而使低优先级窄带用户的阻塞概率高于无用户优先级方案的阻塞概率.

图3 不同方案对低优先级窄带用户(a)和宽带用户(b)阻塞概率的影响

图4为本文方案和无用户优先级方案对系统总吞吐量的影响.由图4可以看出,吞吐量随宽带用户到达率的增加而增加,且本文方案的总吞吐量高于无用户优先级方案的总吞吐量.

图4 不同方案对系统总吞吐量的影响

4 结论

研究表明,本文方案的总吞吐量和切换成功率显著优于无用户优先级的载波聚合资源分配方案,因此本文方案在使用载波聚合技术的无线网络中具有良好的应用价值.在后续的工作中,我们将探讨在不同的环境下如何选择系统的最佳阈值,以使系统能够根据具体的情况动态地调整传输效率,进而更好地提高系统的传输效率.