減少上行CQI反饋的OFDMA系統資源分配

蔣韡琳，張中兆，沙學軍，孫麗楠

(哈爾濱工業大學電子與信息工程學院，150080哈爾濱)

資源調度是正交頻分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)系統的1個重要特征，即基站的調度器根據上下行信道的質量信息，動態地為用戶選擇適合的資源塊進行傳輸，并通過下行控制信令指示給用戶.如果在發送端可獲得一些信道狀態信息，對用戶進行子載波和傳輸功率分配，可以有效的提高系統容量.然而，當子載波數或用戶數增多時，CQI(Channel Quality Information)量將隨著用戶數和子載波數線性增長，將導致反饋信息變得非常大，這將帶來額外控制信令，需要使用上行資源來傳輸CQI信息.因此研究只用低速率上行質量信息CQI反饋系統的性能是很必要的.

為了減少反饋，文獻［1］引進子信道化的方法.不是單獨考慮每個子載波的資源分配，而是相鄰的子載波或者分布式的子載波構成1個子信道.文獻［2］研究在Alamouti-type無線通信系統使用1 B信道狀態反饋算法;對于多載波系統的最小反饋速率漸近性下限在文獻［3］中給出;文獻［4］中提出利用基于注水的依賴信道門限的自適應子載波選擇方案，以上這些算法都可以有效減少反饋信息，但是，當用戶量和子載波數增加時，反饋CQI量依然很大.文獻［5］提出一種基于MAX-SNR(SNR，Signal to Noise Ratio)資源分配方案，利用更少的反饋比特獲得更高的容量，即對于每個用戶利用一定的反饋比特最大化和速率，但是在低信噪比下容量損失較大.文獻［6］研究了一定相干時間下，優化門限來最大化和容量.為了減少由于更新信道信息帶來的帶寬開銷，Myeon-gyun Cho等［7］提出了差分的反饋減少(DFRS，Differential Feedback Reduction Scheme)算法，這種反饋減少方案，需要信道增益的排列信息，盡管反饋很少，每個子載波只需要1 B，但是它也可能存在真實信道增益和在基站重構信道增益之間的嚴重變形.

在保持資源調度的靈活性和較準確的CQI的同時，應盡可能降低信令開銷.由于OFDMA系統中子載波數目很多，當用戶數量增多時，上行反饋數量是非常大的，減少上行CQI，可以將剩余的傳輸資源分配給數據傳輸，提高系統容量.因此，設計一種減少OFDMA系統反饋的算法十分必要.此外，減少反饋后的服務質量和公平性等問題，也是應該考慮的.基于以上思路，本文提出了一種基于服務質量和公平性的減少上行CQI反饋的算法.在減少CQI反饋的同時，保證了用戶的服務質量和公平性.

1 系統模型

以OFDMA系統下行為研究對象，用戶數為K，子載波數為M，用戶均勻分布于小區中，用戶測量所有子載波的信道質量.假設每個子載波的衰落都是獨立同分布.用戶報告所有或部分的子載波的信道質量給基站.假設信道估計是完美的，反饋信道是無誤差.基站基于CQI分配子信道，并且在下1個調度時刻通知用戶.由用戶反饋給基站的CQI，定義為fCQI.

要實現的系統目標是最大化下行信道和速率，約束條件為CQI反饋開銷量和在基站的總功率.首先將小區中的用戶分為小區內的用戶和小區邊緣用戶，小區內用戶采用等功率分配，小區邊緣用戶采用注水算法.當CQI報告方案為F時，子信道i獲得的速率為RF，i，則和速率最大化的優化問題可以表示為

式中f為反饋量的最大值，P為總的發射功率.當fCQI降低時，對于給定的子信道，只有部分用戶報告子載波的CQI，反之，則增加，因此減少CQI反饋是以減少多用戶分集為代價的.

2 動態減少CQI反饋算法

理論上說，多用戶分集可以產生更高的吞吐量，這需要基站知道每個用戶完美的信道狀態信息.但是為了節省上行帶寬以及降低復雜度，減少CQI反饋開銷是必要的.本節提出一種在反饋及最大化和容量之間折中的動態減少CQI反饋算法.在減少反饋的情況下，最大化系統的和容量.OFDMA系統的瞬時容量可以表示為

當發送端為完美的信道信息時，最優的功率分配為注水算法［8］.在高信噪比下，等功率分配是最優的［9］.在高SNR下，反饋不是必須的［10］，并且主要用于傳輸控制信息的信道，其容量是很有限的，因此有必要減少CQI反饋.在混合功率分配(Hybrid Power Distribution，HPD)資源分配算法中，將小區分為中心和邊緣部分，在小區中心采用等功率分配.因此，UE發送的CQI通常是不必要的.這樣，UE不發送CQI將極大的降低下行鏈路資源分配的復雜度，使信令開銷下降.同時，詳細的CQI可以提高頻率選擇性產生的增益，但是隨著反饋信道狀態信息的UE數目增多，上行鏈路CQI開銷將增加.因此，在小區邊緣，當用戶量少的時候采用1 B反饋;當用戶量大的時候，采用Best-M方案，減少反饋信息，然后采用注水功率分配.這樣，不但降低了整個系統的運算復雜度，同時減少了上行反饋信息.

因此，系統的和容量可以表示為

小區中心的用戶采用fCQI=1，功率采用等功率分配.當用戶量少的時候，邊緣用戶采用fCQI=1，當用戶量很高的時候，fCQI采用式(4)來減少CQI的反饋，hthreshold為反饋門限.其中hthreshold值的大小，根據用戶量由網絡側確定.

3 基于Best-M的用戶選擇方法

第2節算法解決了現有OFDMA系統中當用戶數和子載波數較多時上行反饋數量增加的問題，本節根據Best-M算法，提出1種如何選取第1個用戶的資源分配方案.

在傳統的子載波分配方案中，對于第1個用戶的選取，通過隨機的方法，即把信道增益最大的子載波分配給某1個用戶.但是這種方案會出現這樣的問題，第1個用戶首先選擇了信道增益最大的子載波，這個子載波如果留給第2個用戶，可能使得兩個用戶的和容量最大，然而，第1個用戶優先選擇之后，就無法保證和容量最大化.因此本節提出一種基于Best-M的第1個子載波分配方案.統計超過某一門限的子載波個數來對用戶子載波進行分配.因此，本文在Best-M的基礎上，提出了基于公平性用戶選擇子載波的方法.

基于門限的子載波分配方案描述如下:

C={1，2，…，M}，C＜M，?k=1，2，…，k，M為子載波序號數，C為子載波集合.

1)如果C≠?，對于每一用戶k，k∈K，子載波對每1個用戶根據信道增益大小進行排序:Π=(π(1)，π(2)，…，π(k))，大于某個門限的子載波組成1個集合，并且向基站上報個數.

基站將根據上報超過門限的子載波個數的多少進行從小到大的排序:(k1，k2，…).

2)第1個用戶優先選擇子載波，從超過門限的子載波中選擇1個.

更新C=C-m*，Ωk=Ωk+m*;

第2個用戶選擇子載波;

若C=?，子載波第1次分配結束.

分配子載波不是任意選擇其中1個子載波信道增益最大的1個，而是所有的用戶都要根據超過門限的子載波總數大小進行排序.包含子載波數越小的用戶，就優先進行分配.這樣既保證了信道質量差的用戶的通信要求，又使整體的容量接近最優.

4 仿真結果

仿真環境為OFDMA系統的多小區下行情況，小區數為19，小區半徑為1 km.陰影衰落的標準方差為8 dB.下行噪聲功率為-119 dB·m，基站的發射功率為46 dB·m，CQI誤差忽略不計.

首先，對不同反饋方案下吞吐量進行比較.仿真時考慮系統子信道N為60，用戶數K為6，信道采用瑞利衰落信道，并且所有子信道衰落都是獨立同分布的.

圖1和圖2給出了當M=4的情況下，Best-M方案與全反饋方案和容量的比較.可以看出，全反饋方案由于最大化分集增益，容量達到最大.

圖1 不同反饋方案下的和容量比較

圖2 不同反饋方案下的平均容量比較

圖3是Best-M比特反饋與所提的動態減少反饋算法的和容量的比較，其中M=10.同時，對最優方案也進行了仿真.為了減少仿真時間，每個用戶分配的子載波為4個，每個小區最多子載波數為256，仿真次數為1×105.Redge表示小區邊緣半徑.在小區中心采用等功率分配，小區邊緣采用注水功率分配.從圖3中可以看出本文提出的方案優于Best-M反饋方案，同時相比于全反饋情況，在用戶量少的情況下，采用1 B反饋方案，反饋量小.可以看出當用戶數增加的時候，吞吐量有所下降，這是因為采用的Best-M相比1 B反饋減少了多用戶分集性能.

圖4是本文所提算法在Redge=0.6、每個小區60個用戶時的仿真.當用戶數小于30時，采用1 B進行反饋，而用戶數超過30時采用Best-M反饋方案，M取4.由圖4可以看出，提出的動態CQI算法接近于CQI全反饋算法.當用戶數為50時，用戶之間選擇最優會發生碰撞的可能性增大.因此，系統和容量與CQI全反饋算法有了一定的差距，當子載波數很大時，會接近于最優.

圖3 不同反饋方案下的容量比較

圖4 本文提出算法的容量

綜上所述，對于本文所提出的減少上行反饋算法，是在保證資源分配必要的反饋信息的前提下，對復雜度和性能之間進行折中，同時考慮了用戶選擇子載波的公平性.采用動態減少上行反饋方法，在小區中心和邊緣采用不同的上行反饋方案，可以有效的減少上行反饋信息.從仿真結果可以看出，提出的動態減少CQI反饋算法在和容量上僅次于全反饋方案的最優算法，能夠為用戶提供良好的服務質量.

5 結論

根據用戶量的大小以及在小區中的位置，提出了動態減少CQI反饋算法.由于中心小區信道質量好，不需要上行反饋信道質量，只需要靜態的子載波分配，而在小區邊緣，當用戶量少的時候，采用1 B反饋方案，當用戶量大的時候采用Best-M方案.針對子載波選擇的公平性需求問題，利用Best-M算法，提出了第1個用戶優先選擇方案.最后通過仿真進一步驗證了動態減少CQI反饋算法的性能.仿真結果表明，提出的算法能夠在開銷和系統性能上有很好的折中，同時保證了用戶之間的公平性.

［1］BRAH F，VANDENDORPE L，LOUVEAUX J.Constrained Resource Allocation in OFDMA Downlink Systems with Partial CSIT［C］//IEEE International Conference on Communications，Piscataway:IEEE Press，2008:4144-4148.

［2］XUE Y S，GERSHMAN A B.Alamouti-type wireless communication systems with one-bit feedback［C］//Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop Proceedings.Piscataway:IEEE Press，2004:143-147.

［3］SUN Y，HONIG M L.Minimum feedback rates for multicarrier transmission with correlated frequency-selective fading［C］//Global Telecommunications Conference.Piscataway:IEEE Press，2003，3:1628-1632.

［4］LEKE A，CIOFFI J M.Impact of imperfect channel knowledge on the performance of multicarrier systems［C］//Global Telecommunications Conference.Piscataway:IEEE Press，1998，2:951-955.

［5］XU W J，NIU K，HE Z Q.A probabilistic channel quantization scheme based on max-SNR resource allocation in multiuser OFDM systems［J］.Communications Letters，2008，12(6):435-437.

［6］CHEN J Y，BERRY R A，HONIG M L.Performance of limited feedback schemes for downlink OFDMA with finite coherence time［C］//IEEE International Symposium on Information Theory.Piscataway:IEEE Press，2007:2751-2755.

［7］CHO M G，SEO W，HONG D.A joint feedback reduction scheme using delta modulation for dynamic channel allocation in OFDMA systems［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2007，6(1):46-49.

［8］JANG J H，LEE K B.Transmit power adaptation for multiuser OFDM systems［J］.Selected Areas in Communications，2003，21(2):171-178.

［9］BINGHAM J A C.Multicarrier modulation for data transmission:an idea whose time has come［J］.IEEE Communications Magazine，1990，28(5):5-14.

［10］LOVE D J，HEATH R W.OFDM power loading using limited feedback［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2005，54(5):1773-1780.