非理想條件下OFDMA系統(tǒng)物理層安全的資源分配算法

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摘 要：針對OFDMA系統(tǒng)中用戶QoS需求的差異性，提出了一種非理想狀態(tài)下不同用戶的資源分配算法，即求取用戶攜帶比特數(shù)和發(fā)射功率最優(yōu)解問題。基于自適應(yīng)功率分配增益較小的情況，通過進(jìn)行功率的平均分配來降低算法復(fù)雜度，基于吞吐量最大化原則，將剩余未分配的子載波分配給能獲得最大傳輸速率的用戶，提升系統(tǒng)的整體吞吐量水平。仿真結(jié)果表明：相對于其他傳統(tǒng)資源分配算法，這個算法能夠保證不同混合用戶的最小傳輸速率要求的同時，有效提升算法的公平性。

關(guān)鍵詞：OFDMA系統(tǒng); 資源分配; 發(fā)射功率

中圖分類號： TG409

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：In view of the difference of user QoS requirements in OFDMA system， a resource allocation algorithm for different users in non-ideal state is proposed. The algorithm is to find the optimal solution of user carry bit number and transmit power. Based on the small adaptive power allocation gain， the complexity of the algorithm is reduced by the average power allocation. Based on the principle of throughput maximization， the remaining unallocated subcarriers are allocated such that users can obtain the maximum transmission rate， and the overall throughput level of the system is improved. The simulation results show that compared with other traditional resource allocation algorithms， the proposed algorithm can ensure the minimum transmission rate of different hybrid users. At the same time， the fairness of the algorithm is improved effectively.

Key words：OFDMA system; Resource allocation; Transmiting rate

0 引言

OFDM（基于正交頻分多址）技術(shù)因為具有良好的高頻譜利用率和抗多徑干擾能力，被廣泛應(yīng)用于物理層傳輸技術(shù)中[1]。由于OFDMA系統(tǒng)受限于無線資源以及業(yè)務(wù)時延、吞吐量等方面QoS（用戶服務(wù)質(zhì)量）需求限制，使得OFDMA系統(tǒng)在多業(yè)務(wù)傳輸和無線資源優(yōu)化分配方面存在局限性[2-3]。盡管目前針對該類非理想狀態(tài)提出通過進(jìn)行子信道分配和子載波比特功率的加載來提升系統(tǒng)的性能的方法，但該類算法復(fù)雜度較大，難以滿足實際通信要求[4-6]。文獻(xiàn)[7]將Hungarian算法來實現(xiàn)資源分配的最優(yōu)解計算，但針對大用戶數(shù)目的通信群體時，算法復(fù)雜度依然較高;文獻(xiàn)[8]通過分步實現(xiàn)子載波和功率分配，并將注水算法應(yīng)用于子載波分配分配，保證傳輸效率最優(yōu)用戶，但算法在求解理論信道容量是難以滿足實際應(yīng)用要求。

由于相關(guān)算法更多的是集中于對子載波和比特、功率算法復(fù)雜度優(yōu)化方面。本文基于已有算法基礎(chǔ)上，給出非理性條件下不同約束資源的最優(yōu)數(shù)學(xué)模型，并建立用戶QoS低復(fù)雜度的資源分配算法，實現(xiàn)對OFDMAxitong 資源分配算法的優(yōu)化。

1 系統(tǒng)模型

采用OFDM技術(shù)將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為平坦衰落子信道[9]。根據(jù)用戶QoS要求，通過自適應(yīng)資源分配策略[10]，在不同的時間段內(nèi)，用戶能占用不同子載波，基于此來建立OFDMA系統(tǒng)的基本單元。這種將一個時頻二維資源作為基本資源分配單位具有更小的資源分配粒度，如圖1為OFDMA 系統(tǒng)子載波、比特和功率分配框圖。

可以看出，四種算法的Min/Max公平性指數(shù)中，F(xiàn)MCS算法最大，其余兩種算法差異明顯，其中MT算法公平性最差，一些用戶的公平性指數(shù)達(dá)到了0，基本未被服務(wù)。Delta算法中，隨著用戶數(shù)增加，公平性指數(shù)出現(xiàn)下降，最后趨于平穩(wěn)。采用本文算法時，隨用戶數(shù)增加，公平性指數(shù)線下降后又得到提升，這是由于算法在實際過程中，采用吞吐量最大原則將剩余子載波進(jìn)行了最大化分配[12]，提升了算法公平性。比較而言，本文算法較Delta算法公平性提升約20%。

4 總結(jié)

（1）將非理想狀態(tài)下不同用戶的資源分配問題轉(zhuǎn)化為求解用戶攜帶比特數(shù)和發(fā)射功率之間的最優(yōu)解;基于自適應(yīng)功率分配增益較小，進(jìn)行功率的平均分配來降低算法復(fù)雜度，基于吞吐量最大弧原則來分配剩余子載波，提升系統(tǒng)的整體吞吐量水平。

（2）仿真結(jié)果表明，相對于其他傳統(tǒng)資源分配算法，本文算法能夠保證不同混合用戶的最小傳輸速率要求的同時，有效提升算法的公平性。

參考文獻(xiàn)

[1] 溫有棟，楊君，譚飛.基于人工魚群算法的多用戶系統(tǒng)資源分配策略[J].吉林大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2019，57（2）：380-386.

[2] 周煜，黃學(xué)軍.上行鏈路NOMA系統(tǒng)資源分配優(yōu)化算法[J].軟件導(dǎo)刊，2019，18（3）：73-77.

[3] 王正強(qiáng)，成蕖，樊自甫，等.非正交多址系統(tǒng)資源分配研究綜述[J].電信科學(xué)，2018，34（8）：136-146.

[4] 王穎.寬帶無線通信系統(tǒng)資源分配策略研究[J].數(shù)字通信世界，2018（4）：263.

[5] 滕志軍，謝露瑩，咸悅，等.基于遺傳算法的多用戶OFDM系統(tǒng)資源分配策略[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，33（1）：57-62.

[6] 董賽，宋康，曹歡歡，等.ARQ反饋中繼協(xié)作水聲通信系統(tǒng)資源分配方案[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，47（2）：220-224.

[7] 馬月槐，劉英輝，紀(jì)林超.基于最小剩余約束空間的認(rèn)知系統(tǒng)資源分配[J].信息技術(shù)，2017（10）：113-117.

[8] 梁軒偉，朱琦，梁廣俊.基于多中繼的雙向OFDM系統(tǒng)資源分配算法[J].通信學(xué)報，2017，38（9）：193-200.

[9] 牛紅威，葉亮，李卓明，等.基于WFRFT的混合載波系統(tǒng)資源分配算法[J].無線電通信技術(shù)，2017，43（5）：42-46.

[10] 鄧源基.基于一種公平性的智能電視系統(tǒng)資源分配算法研究[J].數(shù)字通信世界，2017（8）：12-13.

[11] 何春龍，任紅，鄭福春，等.分布式天線系統(tǒng)：資源分配與能效優(yōu)化[J].中國科學(xué)（信息科學(xué)），2017，47（5）：591-606.

[12] 李學(xué)俊，陳千，劉祥俊，等.基于動態(tài)定價組合反向拍賣的云工作流系統(tǒng)資源分配機(jī)制[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2017，23（5）：941-946.

（收稿日期： 2019.09.10）