LTE－Advanced中繼系統中一種公平的下行資源分配機制

鮮永菊，代世祥，徐昌彪

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

在LTE－Advanced系統中引入中繼能拓展網絡覆蓋、提高小區吞吐量和頻譜效率［1］，但是這也給系統帶來如路徑選擇、資源分配等諸多挑戰，有效的資源分配成為當前關注的重點。目前對LTE－A中繼系統下行資源分配的研究甚少，文獻［2］分析了eNB和RN使用的資源同頻和異頻對系統性能的影響，沒有深入研究LTE－A中繼系統的資源分配算法。

由于LTE－A下行多址技術采用的是OFDMA技術，因此對目前OFDMA中繼系統中的資源分配進行調查研究，在其基礎上提出適用于LTE－A中繼系統的下行資源分配機制。目前關于DF中繼OFDMA中繼系統的資源分配問題得到廣泛關注，傳統分配算法［3－8］分配子載波的原則基本都是將每個子載波分配給使用它獲得最大信道增益的用戶，能獲得最大的系統吞吐量，但是沒有考慮用戶公平性因素。Salem算法［9］考慮了用戶的公平性，每次給瞬時數據速率最小的用戶分配信道增益最大的子載波，從而權衡了公平性和系統吞吐量，該算法在用戶最小數據速率和QoS要求相同時公平性較好，但是若最小數據速率和QoS不同時公平性不夠好。

本文討論單小區Type I［10］方式 LTE－A中繼系統的下行資源分配問題，針對目前DF方式中繼OFDMA系統資源分配算法在公平性方面的不足，考慮多個中繼，同時考慮直連用戶和中繼用戶，假設資源足夠使用，在eNB和RN功率受限且用戶速率限制的條件下，提出一種公平的資源分配算法。

1 系統模型

1.1 系統模型

圖1 單小區的LTE－A中繼下行通信系統架構

傳輸方式分為兩個時隙，如圖2所示，第一時隙eNB向RN和直連用戶（zlUT）發送信息，RN對接收的信息無誤解碼;第二時隙RN對解碼信息重新編碼后轉發給中繼用戶（zjUT），eNB繼續給zlUT發送未發送完的信息。

圖2 信息傳輸方式

直連用戶k1在資源塊i上的信道容量為

假設eNB→RNj的資源塊i1和RNj→UTj，k2的資源塊i2配對傳輸，則中繼用戶k2在該資源塊對的信道容量為

該傳輸鏈路的總功率和等效信道增益分別為

則中繼用戶k2在該鏈路的信道容量可簡寫為

1.2 系統吞吐量和公平性

本文在eNB和RN功率受限且用戶最小速率限制的條件下，以權衡系統吞吐量和用戶公平性為目標，研究Type I方式LTE－A中繼系統的下行資源分配問題，系統吞吐量為

式中:Rk為用戶k的實際數據速率，Rk，min為用戶k的最小數據速率要求，Rk，max為用戶k的最大數據速率限制。式（9）和（10）表示1個RB最多只能分給1個用戶使用;式（11）和式（12）表示eNB和RN功率分別受限;當用戶獲得的數據速率遠遠大于最小數據速率要求時，再給它分配資源，雖然能提高數據速率，但是已經顯得毫無意義，因此本文對用戶進行最大數據速率限制，其中式（13）表示用戶的實際速率必須大于最小速率要求，并且不高于最大速率限制。

根據文獻［13］，定義用戶公平性為

2 資源分配算法

LTE－A中繼系統的下行資源分配包括兩個問題:每一跳如何分配資源塊?如何為中繼用戶進行兩跳資源塊配對?本文在資源足夠使用的情況下，平均分配eNB和中繼的功率，設計資源分配算法。

2.1 第一跳

將直連用戶和中繼稱為第一跳接收端，則第一跳接收端總數為Kf=Kd+L。為第一跳接收端分配資源塊，eNB功率平均分配，首先給每個第一跳接收端預分配資源塊，此處預分配的具體措施為:給每個直連用戶分配一個資源塊，給每個中繼分配數目等于它所服務的中繼用戶數的資源塊;然后根據設定的優先級給第一跳接收端分配資源塊，直至所有資源塊被分配完。

具體算法如下:

第一步，參數初始化。

第二步，給第一跳接收端預分配資源塊。將第一跳接收端按照直連用戶到中繼的順序排列，直連用戶間隨機排列，中繼間隨機排列。對每個直連用戶，找出信道增益最大的資源塊，作為首個資源塊分配給它;為每個中繼分配的數目為它服務的中繼用戶數的資源塊。

最小的第一跳接收端，為其分配信道增益最大的資源塊，更新Rf，Af和，將已分配的資源塊從資源塊集合Φ中刪除;若所有第一跳接收端的實際數據速率都已達到最小數據速率要求，且資源塊集合Φ非空，存在實際數據速率小于最大速率限制的第一跳接收端，則從這些第一跳接收端中選擇最小的第一跳接收端，為其分配信道增益最大的資源塊，更新Rf，Af和，將已分配的資源塊從資源塊集合Φ中刪除;否則，執行此步至資源塊集合Φ為空或者所有一跳接收端數據速率剛好小于最大數據速率限制。

2.2 第二跳

將中繼獲得的資源塊放入資源塊集合Φ中，每個RN的功率平均分配，中繼用戶隨機排列。首先給每個中繼中戶分配一個資源塊，然后根據優先級給每個中繼用戶分配資源塊直至資源塊集合Φ為空，最后為中繼用戶進行資源塊配對。

具體算法如下:

第一步，參數初始化。

中繼用戶的實際數據速率集合Rr=zeros（Kr，1），分配指示矩陣 Ar=zeros（Kr，Nr），Nr=N －NzlUT，其中 NzlUT為直連用戶占用的資源塊總數，中繼戶kr獲得的RB集合

第二步，為中繼用戶分配首個資源塊，對每個中繼用戶，從第二跳可用資源塊集合中找出信道增益最大的資源塊，作為首個資源塊分配給它。

最小且所屬中繼服務的中繼用戶此時獲得的資源塊總數小于該中繼第一跳時獲得的資源塊的中繼用戶，為其分配信道增益最大的資源塊，Rr，Ar和Ykr，將已分配的資源塊從資源塊集合Φ中刪除。執行此步至資源塊集合Φ為空或者所有中繼用戶數據速率剛好小于最大數據速率限制。

第四步，為中繼用戶進行資源塊配對。對中繼j，將它第一跳獲得的資源塊按信道增益降序排列，它服務的中繼用戶第二跳獲得的資源塊也按信道增益降序排列，第一跳信道增益最大的資源塊i1和第二跳信道增益最大的資源塊i2配對，將此資源塊對分配給使用資源塊i2的中繼用戶，根據式（5）和（6）計算出該傳輸鏈路的總功率和等效信道增益，根據式（7）計算出該中繼用戶在此鏈路上的數據速率。執行此步至所有中繼用戶的資源塊均配對完。

3 仿真及結果分析

本文仿真的LTE－A中繼系統［12］包括1個eNB、2個RN和多個UT，仿真信道為6徑的瑞利衰落信道，系統帶寬B=10 MHz，中心頻率fc=2 GHz，eNB功率為46 dBm，RN功率為37 dBm，噪聲功率譜密度為N0=－174 dBm/Hz，所有用戶最小速率要求均為0.512 Mbit/s，最大速率限制為2.56 Mbit/s，誤比特率要求BER均為10－4。

仿真時，用戶總數為10，直連用戶數為2，RN1和RN2服務的中繼用戶數均為4。用本文的資源分配算法與傳統分配算法和Salem算法進行比較，得到10個用戶時系統容量的CDF曲線如圖3所示，公平性的CDF曲線如圖4所示，仿真10 000次得到的用戶平均數據速率如圖5所示。從圖3可以看出，本文算法獲得的系統容量比傳統資源分配算法和Salem算法獲得的系統容量略低，傳統資源分配算法獲得的系統容量最高。從圖4可以看出，本文算法獲得的公平性在99%以上，遠遠高于Salem算法和傳統資源分配算法，傳統資源分配算法獲得的公平性最差。本文所有用戶最小數據速率要求均相同，但是第一跳用戶中直連用戶和中繼的最小數據速率要求不同，Salem算法每次給瞬時數據速率最小的用戶分配信道增益最大的子載波，在用戶數據速率要求不同的時候，就顯得不夠公平。從圖5可以看出，使用所有算法均能滿足所有用戶的數據速率限制。由于本文算法公平性高，導致第一跳時直連用戶獲得的資源塊比其他兩種算法少，所以直連用戶數據速率較低。第一跳時中繼獲得的資源塊比其他兩種算法多，因此中繼用戶的數據速率較高。

4 小結

針對LTE－A中繼系統的下行資源分配問題，在資源足夠使用的情況下，在eNB和RN功率受限且用戶數據速率限制的條件下，提出一種公平的資源分配機制，對系統吞吐量和用戶公平性進行了較好的權衡。但是，本文考慮的是資源足夠使用的情況，在資源不夠使用時，如何提高頻譜利用率以及如何提高用戶的滿意度是后期工作的重點。

:

［1］吳德操，李方偉，朱江.基于中繼技術的LTE—A終端省電方案［J］.電視技術，2011，35（11）:58－60.

［2］劉美.LTE－Advanced中繼系統頻譜分配方法研究［D］.武漢:武漢理工大學，2010.

［3］WANG W Y，YAN S F，YANG S Y.Optimally joint subcarrier matching and power allocation in OFDM multihop system［J］.Eurasip Journal on Advances in Signal Processing，2008（1）:1－8.

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［5］WU Tong，WANG Ying，YU Xinmin，et al.Decentralized resource allocation based on multihop equilibrium for OFDM－relay Networks［C］//Proc.IEEEWirelessCommunications＆ NetworkingConference.［S.l.］:IEEE Press，2010:1－6.

［6］TANG M W，WANG X X，WANG Y L，et al.Dynamic resource allocation with threshold in OFDMA－based relay networks［C］//Proc.Vehicular Technology Conference Spring.［S.l.］:IEEE Press，2010:1－5.

［7］YIN R，ZHANG Y，ZHANG J T，et al.Optimal joint resource allocation in OFDMA－based relay system［C］//Proc.2010 International Conference on Communications，Circuits and Systems.［S.l.］:IEEE Press，2010:78－82.

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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］焦慧穎.LTE－Advanced關鍵技術及標準化進展［J］.電信網技術，2009（12）:19－22.