OFDMA系統跨層資源分配算法

黃宜平， 何海浪

（湖南省邵陽學院 信息工程學院，湖南 邵陽 422000）

0 引言

在無線通信環境中，無線信道具有快速變化的特性，而基于分層結構的協議棧只能在相鄰的層之間以固定的方式進行通信，從而導致現有的協議棧無法靈活地適應無線移動環境的變化，進而不能對有限的無線頻譜資源和功率資源進行有效的利用。因此針對未來移動通信系統的業務要求，比較有效的方法是通過采用跨層設計思想[1-3]。

1 跨層網絡模型

圖1為跨層網絡結構示意圖，在該網絡結構中，物理層根據應用層的需要和當前網絡條件對傳輸速率、發射功率、編碼速率等進行自適應配置，鏈路層根據延時限制、業務優先級、實際鏈路和干擾情況進行自適應配置，網絡層從應用層獲取業務延時約束并進行自適應配置，傳輸層根據當前業務丟包率、延時抖動、網絡拓撲等進行自適應配置，應用層從下層獲取網絡信道信息，并向下層提供業務的QoS約束。

2 混合業務資源分配算法

對于非實時業務來說，需要保證其平均速率大于最小速率門限。將非實時業務用戶k的最小速率門限設為一般來說，其速率權重φk與成比例關系，因此，保證速率比例公平的條件可表示為：

在考慮接入控制的系統中，式（1）中的常數φnrt取值范圍為φnrt≥1，當系統負載很高時，φnrt=1。

設實時業務的最大延時門限為Dth，為了與非實時業務統一起來，可以將C5的延時公平條件表示為：

與非實時業務時的情況相似，在考慮接入控制的系統中，式（3）中的常數φrt取值范圍為φrt≥1，當系統負載很高時，φrt=1。

基于動態權重的混合業務資源分配算法流程如圖 2所示，這里主要介紹速率權重因子β的調整。每隔時間Tupdate，對速率權重因子β進行一次調整。首先統計Tupdate時間內各非實時業務用戶的平均傳輸速率和各實時業務用戶的丟包率為非實時業務用戶k的最大業務速率誤差門限，當時，認為用戶k沒有以最大業務速率傳輸，若為其分配更多的資源，則其平均速率能夠提高；當時，認為該用戶已經以最大業務速率傳輸，即使為其分配更多的資源，該用戶的平均速率也不會再提高。一般，可以取其中γ取值為一個較小的正實數，文中仿真中取γ=0.01。

設Δβ為β的乘性調整因子，取值范圍為0＜Δβ＜1，Δβ越小，β的調整幅度越大，反之，Δβ越大，β的調整幅度越小。速率權重因子β的調整準則為：

2）若對于當k∈Λrt，有成立，且存在某一個非實時業務用戶有則

3）若上述兩種情況都不滿足，則不對β進行調整。

圖 2 基于動態權重的混合業務資源分配算法流程

3 仿真結果

假定非實時業務用戶速率權重相等，采用速率為 256 kb/s的 FTP業務模型[4-5]，即最大業務速率允許的最小傳輸速率設為 51.2 kb/s；實時業務采用速率為256 kb/s的視頻流業務模型，實時業務的最大等待延時Dth=100ms ，允許的最大丟包率=0.02；資源分配周期T′設為0.5 ms，速率權重因子的調整周期Tupdate設為0.5 s，仿真時間為12 s。圖3給出Δβ取值不同時，β隨時間變化的曲線圖。系統中實時業務用戶和非實時業務用戶數均為50。可以看出，Δβ取值較小時，曲線變化幅度較大，在穩定值附近波動較大；Δβ取值較大時，曲線變化幅度較小，在穩定值附近波動較小，但是收斂到穩定值的速度較慢；Δβ取值適中，則能在收斂速度和穩定度間取到折中。在圖4中，Δβ都取為0.8。

圖3 速率權重因子隨時間變化的曲線

圖4給出各種業務用戶數取值不同時相應的非實時業務吞吐量。可以看出，實時業務總吞吐量隨著實時業務用戶數的增長而線性增長，而不隨非實時業務用戶數的變化而變化，即實時業務的優先級得到了保障。

圖 4 各種業務用戶數取值不同時的非實時業務吞吐量

4 結語

文中研究了保證用戶間公平性的OFDMA系統跨層資源分配問題。針對非實時業務的特點，詳細分析了一種保證速率比例公平的非實時業務資源分配算法，仿真結果說明這種算法能夠較好地保證用戶之間的公平性，并能夠獲得較大的系統吞吐量和較小的業務延時。然后文中所考慮的資源分配算法都是在比較理想的假設下進行的，即假設信道是準 靜態的，信道估計是無誤差的。對于實際無線系統，誤差和不確定性因素是永遠存在的。研究非理想條件下的資源優化分配對于實際系統具有更大的指導意義，將是進一步研究的方向。

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