基于CR技術的OFDM有序分布小區資源分配算法*

侯 華,張 偉

(河北工程大學 信息與電氣工程學院，河北 邯鄲056038)

分布式基站覆蓋[1]是近年為實現以蜂窩小區結構發展起來的新方式。采用此技術可有效地擴大移動通信系統容量、調整覆蓋區、改善系統性能[2-3]。但這種完全分布式的網絡，其網絡結構和接入的基站都不確定，要自行組織、自主搜索，對資源和系統會帶來很大的開銷。對于極端應用，這樣程度的開銷是不可承受的，在多用戶情況下，資源分配和下行同步尤為困難。

另外，使用認知無線電CR(Cognitive Radio)技術可以有效緩解頻譜緊缺問題[4]。目前普遍認為應采用多載波技術進行數據傳輸，其中正交頻分復用(OFDM)是最佳候選技術之一[5]。

針對基于認知技術的有序分布網絡資源管理技術研究缺乏的現狀，同時利用分布式系統的優點，參考文獻[6]將認知無線電技術應用于有序分布網絡中，提出交叉覆蓋有序分布網絡結構。并在此基礎上，提出基于認知無線電技術的有序分布網絡的無線資源分配算法。

1 系統模型

1.1 小區結構

圖1 有序分布式小區

圖1為有序分布式小區結構。小區天線單元AP1、AP2和AP3與連接它們的基站分布在邊長為2R1+R2(R1=2R2)的正三角形的頂點處，多個這樣的小區構成分布式基站系統。天線單元把小區分為4個區域，以一個天線單元為頂點，有3個以R1為半徑的60°扇區稱為單一覆蓋區，剩余部分R1為交叉覆蓋區。基站利用CR技術檢測各用戶在小區中的位置。

小區中，基站分別為天線單元分配完全正交的3 bit擴頻碼字，以去除天線間的同頻干擾，同時保證高層傳輸的有效數據速率在空中接口所傳輸的數據速率的比重合理。下行鏈路使用OFDM區分不同的用戶。上行鏈路與下行鏈路類似，不同之處在于每個用戶都被分配一個擴頻碼，達到去除上行同頻干擾的目的。

物理層，時域上的一幀被分作控制部分和數據部分，分別包括Nc和Nd個 OFDM符號,分配結果通過控制部分發送給用戶。MAC層，基站為各用戶分配獨立的有限容量數據隊列,隊列中分組的服務次序是先到先服務。

1.2 CR技術的應用

系統中CR的應用有：基站感知各子載波的干擾溫度，提取出各接入用戶的地理位置；用戶通過感知各子載波干擾溫度，可得到傳輸數據的子載波占子載波總數的比例；各子載波的頻率復用因子；小區內用戶分布信息的提取，這需要將 “主基站優先子載波選擇算法”和“疏狀子載波選擇算法”相結合。

干擾溫度Ti可表示為：

其中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數,B為系統帶寬,Pi為干擾功率。

2 資源分配算法

2.1 調度算法

設子載波數為N，每個子載波的帶寬為Δf=B/N。在一幀時間內信道為準靜態，子載波分配算法每幀更新一次。

MAX C/I調度算法[7-8]定義用戶的效用函數:

基于MAXC/I調度算法，所提系統調度算法如下：

(1)計算各用戶的效用函數。

(2)選擇優先調度覆蓋區，為用戶排序。如果單一覆蓋區的用戶總優于交叉覆蓋區的用戶被調度，單一覆蓋區內用戶按照效用函數降序排列，交叉覆蓋區內用戶也按照效用函數遞減排列；如果交叉覆蓋區的用戶總優于單一覆蓋區的用戶被調度，交叉覆蓋區內用戶按照效用函數遞減排列，單一覆蓋區內用戶也按照效用函數遞減排列；如果不區分用戶所在區，則所有用戶按照效用函數遞減排列。

(3)調度被選中的首個用戶隊列的分組。如果該用戶隊列分組都被發送出去，繼續調度優先級低的下一個用戶隊列分組，直到所有用戶隊列分組都被發送出去或物理層無資源。

2.2 子載波分配算法

用戶位于單一覆蓋區時，基站只通過該單一覆蓋區的天線單元向該用戶發送數據。當用戶位于交叉覆蓋區時，基站通過3個天線單元同時向該用戶發送數據。設{1,2,…,N}為子載波序號集合，第i幀第n個子載波被分配給AP1的單一覆蓋區表示為[i]=1，則:

其中，sg表示單一覆蓋區，ac表示交叉覆蓋區。先將子載波分成兩組：與單一覆蓋區的用戶通信時，使用的優先子載波；與交叉覆蓋區用戶通信時，使用的優先子載波。同一個用戶在相鄰子載波之間的信道增益變換小，可采用“疏狀子載波選擇算法”。

其中，g(k′,APx,n)為用戶k和天線 APx間在子載波n上的信道增益，σ2為每個子載波上的噪聲功率。

設bi,n表示在第i幀第n個子載波攜帶的比特數。對于一定誤比特率要求和接收端所需信噪比，滿足用戶的QoS需求，對單一覆蓋區用戶有：

對交叉覆蓋區用戶有：

其中，x」表示對 x 下取整，lenpkt為分組大小。

子載波分配算法如下：

(1)根據調度的用戶排序，選序列中第一個未分配到子載波的用戶k。

(2)按照用戶k“優先子載波”增益遞減序列，依次分配給k處于空閑狀態增益最高的子載波，直到k的隊列為空，或“優先子載波”為空。

(3)判斷系統是否還有空閑“優先子載波”，如果有，轉(5)；否則，為k分配“非優先子載波”，直到k的隊列為空，或“非優先子載波”為空。

(4)判斷系統中是否還有空閑子載波，如果有，返回(1)；否則，分配完畢。

(5)判斷系統中是否還有分組等待被發送，如果有，返回(1)；否則，分配完畢。

(6)將發送給各用戶的分組數量反饋給調度模塊。

3 仿真分析

仿真中,B=2.048 MHz，N=64,最大多徑時延 τmax=10 μs,最大多普勒頻移fDmax=300 Hz。用MQAM自適應調制M={0,4,8,16,64}。 信道為COST207六徑模型，六徑在1～10 μs內等間隔分布。

設 Nd=32，lenpkt=1 280，tc=1 000。業務平均到達速率為 1.28 Mb/s，最大延時為 600 ms，誤包率為 10-3。 由調度和子載波分配算法的不同組合可得到以下具體的資源分配算法框架：單一覆蓋區用戶優先，區分“優先子載波”的算法；交叉覆蓋區用戶優先，區分“優先子載波”的算法；不區分用戶所處的覆蓋區，區分“優先子載波”的算法；單一覆蓋區用戶優先，不區分“優先子載波”的算法；交叉覆蓋區用戶優先，不區分“優先子載波”的算法；不區分用戶所處的覆蓋區，不區分“優先子載波”的算法。

圖2、圖3和圖4分別給出基于上述6種框架，丟包率、平均分組時延和系統吞吐量性能仿真。由圖知，無論是否區分用戶地理位置優先級，區分“優先子載波”和不區分“優先子載波”得到的丟包率、平均分組時延和系統吞吐量都近似。單一覆蓋區用戶優先和不區分用戶覆蓋區情況下，得到的丟包率、平均分組時延和系統吞吐量都明顯好于交叉覆蓋區用戶優先的情況。這說明本文提出的疏狀子載波選擇方法可以在不降低系統性能的基礎上，大幅度降低計算的復雜度。此外也為系統資源分配次序提供了有益的信息，有利于系統資源的充分利用。

圖2 丟包率與噪聲功率曲線

圖3 平均分組時延與噪聲功率曲線

圖4 吞吐量與噪聲功率圖

圖5 子載波復用次數與噪聲功率圖

圖5為基于上述算法，得到的子載波復用性能。對于單一覆蓋區用戶優先的子載波分配算法，區分“優先子載波”下的子載波復用次數高于不區分“優先子載波”下的子載波復用次數。對于交叉覆蓋區用戶優先的子載波分配算法和不區分用戶所處的覆蓋區的子載波分配算法，不區分“優先子載波”下的子載波復用次數高于區分“優先子載波”的子載波復用次數。這說明，單一覆蓋區用戶優先且區分“優先子載波”的算法對子載波的利用率比較充分。

本文在有序分布式小區結構的基礎上，將認知無線電技術應用到系統中，并提出相應的調度算法和子載波分配方案。這種分配方案具有以下優點：比較充分地利用子載波分集增益，可以提高系統容量；簡單，不需要在整個子載波系統范圍內搜索和分配；靈活，可以根據業務負載量使用其他覆蓋區的優先選擇子載波。

[1]Wang Jiangzhou,SENIOR M,Zhu Huiling,et al.Distributed antenna systems for mobile communications in high speed trains[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications.2012,30(4):675-683.

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[3]Li Haoming,HAJIPOUR J,ATTAR A,et al.Efficient HetNet implementation using broadband wireless access with fiber-connected massively distributed antennas architecture[J].IEEE Wireless Communication,2011,6.18(3):72-78.

[4]CHEN K C,PRASAD R.Cognitive radio networks[M].New York:Wiley.2009.

[5]李孟達,柏鵬,彭衛東,等.基于認知無線電平臺的 NCOFDM系統設計與實現[J].電子技術應用,2012,38(6):104-107.

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[7]KNOPP R,HUMBLET P.Information capacity and power control in single-cell multiuser communications[C].International Conference on Communications,1995,6.18-22(1):331-335.

[8]隋延峰,楊鴻文,楊大成.采用實時公平監測的改進最大C/I調度算法[J].北京郵電大學學報,2007,30(2):132-135.