基于LTE-A技術無線資源管理的跨層聯合博弈*

趙季紅 ，李 強 ，曲 樺 ，欒智榮

（1.西安郵電學院通信工程學院 西安 710061；2.西安交通大學電信學院 西安 710049）

1 引言

作為LTE技術的后續演進，LTE-A技術需要滿足有不同帶寬需求和不同QoS需求的話音、數據、視頻等多類業務，但有限的無線網絡資源使得用戶對大量業務的體驗受到限制。無線資源管理方法的好壞將直接影響無線網絡的服務質量。對單一無線資源進行管理雖然能夠在某個方面提高系統性能，但由于無線資源之間的相關性，網絡整體性能可能下降。對網絡整體性能的優化問題，由于無線資源之間的相互影響、制約和競爭的關系，采用傳統方案無法有效解決。

博弈論是分析具有斗爭或競爭性質現象的數學理論和方法，主要研究不同主體在“策略相互依存”情況下的相互作用[1]。它作為數學領域的一個重要分支，在解決資源分配問題方面具有獨特的優勢[2]，近年來在無線資源管理領域得到了廣泛應用。參考文獻[3,4]針對無限小區內用戶，利用博弈論指導不同網絡對各類業務的帶寬分配；參考文獻[5]以信道為博弈對象，改善了無線Mesh網絡的吞吐量、時延、抖動等系統性能；參考文獻[6]研究了功率、頻譜的博弈。然而，以上的研究工作都是對單一的無線網絡資源博弈的研究，不同策略下的博弈模型之間缺乏關聯性，無法保證從整體上提高系統性能。

基于上述分析，本文提出了一種新的基于LTE-A網絡的無線資源管理模型，采用博弈方法對LTE-A系統中無線資源的分配方法進行了研究。該模型針對不同協議棧層無線資源管理的特點，分別在RRC、MAC和物理層建立博弈模型，突破以往只存在于單一協議棧層的博弈，利用跨層方法將各個協議棧層聯合起來，以提高系統的整體性能。

2 LTE-A系統平臺與基于LTE-A技術的無線資源跨層的博弈分析

相比已經接近4G的LTE技術，LTE-A技術需要在LTE技術的基礎上平滑演進，主要針對最大帶寬和上行峰值速率兩個指標進行研究。由于物理層信號處理技術的耗竭，LTE-A技術的工作重點應該向RRM技術和網絡架構優化方面轉變[7]。

2.1 LTE-A系統平臺

LTE-A系統主要由E-UTRAN(evolution-universalterrestrial radio access network，演進的通用陸地無線接入網)和EPC（evolved packet core，演進的分組核心網）組成[8]，其功能結構如圖1所示。

EPC屬于核心網，E-UTRAN屬于接入網。無線資源管理過程主要發生在接入網，即E-UTRAN。主要研究E-UTRAN中的RRC層、第二層（包含PDCP層、RLC層和MAC層）和物理層。其中RRC層用于處理用戶與基站之間大部分控制信令[9]。第二層中關于無線資源管理的功能主要集中在MAC層，MAC層實現與調度和HARQ(hybrid automatic repeat-request，混合自動重傳請求)相關的功能，其目的是在上下兩層之間提供一個有效的連接[10]。物理層向高層提供數據傳輸服務[11]，可以通過MAC層并使用傳輸信道接入這些服務，RRC層、MAC層和物理層的功能結構如圖1所示。

LTE-A中無線資源管理 (radio resource management，RRM)的目標是在有限帶寬的條件下，為網絡內無線用戶終端業務提供質量保證。其基本出發點是在網絡內用戶以及資源分布不均、信道情況復雜等情況下，靈活分配和調整數據傳輸以及網絡內的有效資源，最大程度地提供網絡內頻譜利用率，提高網絡的吞吐量同時減少干擾和擁塞。LTE-A中無線資源管理的功能包括：無線承載控制（RBC）、無線接入控制（RAC）、小區間干擾協調（ICIC）、系統間無線資源管理等[12]。

2.2 基于LTE-A技術的無線資源博弈分析及其跨層模型

基于LTE-A技術的無線資源管理主要為了實現在無線資源短缺情況下，對各個功能模塊合理分配資源。針對LTE-A的具體情況，RRC層、MAC層、物理層中分別包含多個無線資源管理模塊，各層內部需要利用博弈論的理念優化其性能。同時，為實現系統整體性能最大化的目標，利用跨層機制，通過在協議棧的各層之間傳遞特定的信息來協調各層間的工作過程。

出于上述考慮，本研究設計的基本思想是：首先，根據協議棧中每個層的特點，在RRC層、MAC層、物理層建立相應的博弈模型，在建立模型的過程中要綜合其他協議棧層的博弈策略空間及博弈結果；其次，根據網絡實際情況，設定RRC層為總體博弈目標；最后，讓MAC層和物理層的博弈都為RRC層的博弈服務。這種把多個協議棧層的博弈聯系在一起，為一個總體無線資源管理目標服務的跨層模型稱為“無線資源管理的跨層聯合博弈模型”。

3 各層博弈模型的結構及博弈流程

由于LTE-A網絡中各層對于資源管理的方式不同，所以每個層需要設計適應其自身特點的博弈模型。

3.1 RRC層

RRC層包含無線資源管理中的兩個重要模塊，分別是無線承載控制（radio bearer control，RBC）模塊和無線接納控制 (radio admission control，RAC)模塊。無線承載控制模塊的主要任務是：無線承載的建立、維護和釋放過程中涉及無線資源的相關配置。當為一個業務建立無線承載時，RBC應該考慮無線蜂窩小區中的所有資源，包括現有會話的QoS (quality of service，服務質量)要求以及新服務的QoS要求。由于移動性或者通信環境快速變化，無線資源狀況發生變化，這時RBC會重點維護現有會話的無線承載，而在會話結束、切換或者其他情況下，RBC會釋放這些無線承載對應的無線資源[13]。

無線接納控制模塊的主要任務是：接納或拒絕一個新的無線承載的建立。為達到合理接納的目的，RAC需要考慮無線蜂窩小區的資源狀況及用戶QoS需求，以確保系統能夠高效地利用無線資源。與此同時，還能夠確保現有會話的QoS不受影響[13]。

RRC層的博弈模型如圖2（a）所示。

博弈的參與者分別是RBC和RAC兩個模塊，根據這兩個模塊的功能特點，設定博弈的空間為無線蜂窩小區內的剩余無線資源。利用博弈的方法對剩余無線資源進行分配，以達到提高資源利用率的目的。

3.2 MAC層

MAC層中包含的無線資源管理模塊主要為傳輸格式選擇模塊和用戶邏輯信道分配模塊。

傳輸格式選擇模塊的主要功能是控制數據傳輸塊的大小和調制方式。

用戶間邏輯信道分配模塊的主要功能是根據用戶優先級以及用戶業務的傳輸格式進行信道傳輸分配。

由于信道有限，用戶較多，在用戶的優先級相同時，兩個模塊會通過對傳輸時間間隔的選擇來競爭信道。因此，通過傳輸格式的選擇和傳輸時間間隔之間的博弈，進行同優先級用戶分組的信道競爭，可以實現整體分組的合理調度與用戶間的傳輸公平。博弈模型如圖2（b）所示。

該模型中，博弈的參與者是傳輸格式選擇模塊和用戶邏輯信道分配模塊。它們的策略空間分別是傳輸塊大小與調制方式、可用信道。與RRC不同，MAC層博弈的策略空間不是針對一種無線資源，但是只要有共同的優化目標就可以使用博弈論。博弈算法通過收集策略空間的信息，對參與博弈的兩個模塊進行控制，從整體提高分組發送總速率和保障用戶間的傳輸公平。

3.3 物理層

物理層中主要研究功率控制模塊和邏輯信道與物理信道間速率匹配模塊進行博弈的過程。

功率控制模塊的主要功能是實現子載波的速率最大化。根據香農公式，子載波的速率與有用信號的功率成正比。子載波的速率越大，對應物理層中物理信道的傳輸速率越大。而在功率較大時，相鄰蜂窩小區用戶間會產生較大干擾。因此，不能無限制地增大功率，要根據干擾情況對功率進行控制。

邏輯信道與物理信道速率匹配模塊的主要功能是向協議棧上層提供可用的子載波速率信息。同樣考慮到相鄰小區用戶的干擾問題，子載波速率不能做到沒有限制地增加。

假設物理層博弈的兩個前提條件是：一個是對于單個子載波在某個時隙內只服務一個用戶；另一個是小區間干擾與小區內的正在承載維護所用的資源成正比。

物理層的博弈模型如圖2（c）所示。

其中，功率控制功能模塊的策略空間是小區間的干擾協調（inter-cell interference coordination，ICIC）級別，速率匹配功能模塊的策略空間是功率控制模塊所能提供的功率和上層的速率需求；博弈目標是最大化子載波速率。

4 跨層聯合博弈優化模型設計

RRC層、MAC層和物理層的博弈相對獨立但是又有著密不可分的聯系。MAC層的博弈實現整體分組的合理調度和用戶間的公平傳輸，減少了RRC層中的無線承載維護時間，對RRC層的資源分配起到了積極的作用。物理層通過博弈提高了子載波速率，通過信道映射，MAC層的博弈競爭關系會緩和，而對于RRC層，無線資源相應地增加，合作大于競爭，無線資源的利用率也就隨之提高。所以，各層的博弈之間相互配合，可以實現整體性能的提高。

跨層聯合博弈模型如圖3所示。

其中跨層博弈模型包含RRC層、MAC層和物理層，跨層博弈的內容包括兩部分：下層對上層的博弈服務和高層對底層的博弈反饋。

4.1 下層對上層的博弈服務

根據圖3中各層的博弈目標可以看出，下層的博弈是為上層服務的。跨層的過程如下。

（1）物理層中的功率控制與速率匹配的博弈目標是提供更快的信道速率以及更多的可用載波速率，而載波速率是RRC層中RBC與RAC功能模塊的競爭資源，同時，信道是MAC層信道分配模塊的策略空間。所以，物理層的博弈結果傳遞給RRC層和MAC層。

（2）MAC層中的傳輸塊（TB）格式選擇功能與用戶間信道分配功能之間的博弈會使整體的分組發送速率變快，能夠減少RBC功能模塊的承載維護時間，這對RBC功能模塊在與RAC功能模塊的競爭中是很有利的，同時也將提升系統的整體服務量。所以，將MAC層的博弈結果傳遞給RRC層。

（3）RRC層中RBC和RAC通過對系統剩余資源的競爭利用，合理分配系統資源。優化后的RRC層競爭有所緩和，將RRC層的優化結構反饋到物理層。由于資源利用率的提高，物理層的功率控制與速率匹配的博弈也隨之緩和。

（4）當物理層的博弈有所緩和，ICIC級別相應提高，同時所要求的小區間干擾降低。本模型中，降低干擾需要降低功率，這時，子載波速率的下降會使系統內的資源相對緊張，從而進入新的一輪跨層聯合博弈過程。重復（1）～（3）這3個步驟。

4.2 高層對底層的博弈反饋

從RRC層博弈的結果以及物理層建立的博弈模型中可以看出，在計算下層中子載波的速率時由于涉及香農公式，其運算量較大。因為小區間干擾是受小區內的負載情況影響的，小區間干擾難以估計。但是從RRC層的博弈結果上看，其RRC層的博弈結果可以用來表征小區內的負載情況。通過把RRC層的博弈結果反饋到物理層中用于對小區間干擾運算進行簡化處理，就可以簡化下層中的整體復雜度。

由上述RRC層博弈關系知，在RRC層求得系統資源最優分配的同時，可以知道小區內的待接納用戶與承載維護需求用戶的比例關系，定義這個比例關系為資源分配系數。資源分配系數對于本系統來說，通過RRC層對物理層的反饋，用于簡化在物理層針對小區間干擾增益的博弈建模。如果把這個資源分配系數寫進測量報告，可以使切換用戶在選擇小區時根據它來定性判斷是否選擇該小區。

綜上所述，由下層對上層的博弈服務和高層對底層的博弈反饋共同構成了博弈跨層體系。

至此，基于LTE-A技術的聯合博弈跨層模型建立完成。該模型充分考慮LTE-A無線網絡中每個層的功能特點以及所對應的物理資源，利用各層中功能的博弈關系以及各層之間的聯系，通過服務和反饋，實現了無線資源管理的整體優化。

5 結束語

本文提出了一種新的基于LTE-A系統的無線資源管理跨層聯合博弈模型。首先針對當前LTE-A技術中各種無線資源的管理進行分析，其次針對LTE-A系統結構分別在RRC層、MAC層和物理層建立各層的無線資源管理博弈結構，而后根據各層博弈模型之間的關系建立了博弈的跨層結構。通過跨層聯合博弈，可以提高系統對無線資源的利用率。

1 嚴輝.基于博弈理論的WiMAX無線資源管理算法優化.南京郵電大學碩士學位論文，2009

2 仲崇顯，李春國.基于非合作博弈論的多小區OFDMA系統動態資源分配算法研究.電子與信息學報，2009，31（8）：1 935～1 940

3 張海霞.無線通信跨層設計——從原理到應用.北京：人民郵電出版社，2010

4 陳明欣.異構網絡無線資源管理中的非合作博弈.小型微型計算機系統，2009（3）：446～450

5 Zhao Liqiang,Zhang Jie.Using Incompletely Cooperative Game theory in Wireless Mesh Network.IEEE Network，2008

6 張大鵬.LTE系統中無線資源管理技術的研究.北京郵電大學博士學位論文，2010

7 3GPP TS 36.300.E-UTRA and E-UTRAN Overall Description(stage2)，2010

8 沈嘉.LTE—Advanced關鍵技術演進趨勢.移動通信，2008(8)

9 3GPP TS 36.331.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)， Radio Resource Control (RRC)， Protocol Specification,2010

10 3GPP TS 36.321.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)， Medium Access Control(MAC)protocol Specification，2010

11 3GPP TS 26.211.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)，LTE Physical Layer,General Description，2010

12 3GPP TS 25.922.Radio Resource Management Strategies，2007

13 黃韜.LTE/SAE移動通信網絡技術.北京：人民郵電出版社，2009