基于次公平性的OFDM系統動態資源分配算法

單鵬 趙全軍 王益艷 張媛媛

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基于次公平性的OFDM系統動態資源分配算法

單鵬1趙全軍2王益艷2張媛媛2

1.重慶市公安局巴南區分局，重慶 401300 2.四川文理學院物理與機電工程學院，四川 達州 635000

為了提高OFDM系統的系統容量，在信道分配過程中我們利用盡可能放寬公平性的前提下，提供系統容量的動態信道分配算法，并給出分配流程圖以及進行性能仿真。通過仿真結果可以看出，該算法能有效提高多用戶下的系統容量。

動態資源分配；子信道；系統容量

在WIMAX系統中，多用戶、高比特傳送速率的條件下，需要相當高的運算量來達到OFDM系統的最優資源分配，在實際系統中難以實現?，F有的研究中提出了次優解的算法，其中Shen算法[1]主要考慮在總傳輸功率限制條件下，保證用戶傳輸比例公平和提高最大化總傳輸速率。Rhee[2]算法通過最大化最小用戶的數據傳輸速率來實現用戶間資源分配的公平性，但是這樣會導致不需要高速率的業務用戶可能得到較高速率，占用過多的資源，而那些對速率要求高的用戶反而分配不到相應的資源，導致系統性能的下降。為了提高系統容量的前提下兼顧用戶的公平性，本文放寬了對公平性的限制，在基于公平性的動態資源分配算法的基礎上進行了改進，提出了系統根據自身整體資源利用情況以及當前系統內各個用戶已經達到的速率與實際分得的信道資源之比來決定系統的子信道進一步分配，即降低公平性的次公平性動態資源分配算法，從而改進提高系統的性能[1]。

1 次公平性的OFDM系統動態資源分配描述

在OFDM系統中，由于不同用戶間分配的子信道之間是滿足正交特性，因此各用戶經歷的信道衰落狀況是彼此相互獨立的。在信道分配的過程中，我們用表示用戶已經達到的速率與實際分得的信道資源之比，并通過該比例值大致判斷用戶是否是最需要資源的用戶。在這里，，而表示k用戶需求的子信道最大數量，用Nk表示用戶k要達到希望的速率所需要的子信道的數量。在速率一定的條件下，我們計算用戶 k的和的值，當最大且值最小時，該用戶k即為最需要資源的用戶；相反，在用戶需求的信道數相同的情況下，速率最小的用戶為最需要資源的用戶，這時將信道條件最好且未分配的信道分配給該用戶。注意到該用戶分配到信道后，下次迭代時重新比較的值來重新判斷最需要資源的用戶。

在考慮用戶之間的公平性方面，不需要控制各個用戶間速率的比例，其目的是為了盡可能的提高系統資源利用率同時，保證信道質量相對較差的用戶可以分配到滿足其對速率的要求的信道資源。在資源分配的過程中，首先對速率要求高的用戶優先分配到資源，隨著該用戶得到資源的增加，減小，增大。當進行下一輪資源分配時，系統會根據當前各個用戶的和的值，計算出最需要信道的用戶。那些資源還沒有滿足的用戶的的值會相對減小，從而有機會優先得到資源。

當系統中各個用戶完成子信道的分配過后，系統將進一步完成功率分配。在功率分過程中，為了降低算法的復雜性，我們假定系統將所用功率平均分配到N個子信道上，每個信道分得的功率，在具體分配時將功率與子信道交叉分配，每當用戶在一次迭代的過程后將分到相應的子信道，同時也分配到相應的那一部分功率，當信道分配完畢后各個用戶分得的總功率也就分配完畢。最后對各個單用戶上執行灌水算法[3]（water-filling）在該用戶分得的各個子信道間分配其分得的功率和傳輸的比特[2]。

2 算法流程

系統資源分配過程中，我們設計如圖1所示的流程圖。

圖1 算法流程圖

在系統初始化階段，系統會對當所用用戶的信道狀態進行檢查，并將信道質量進行排序。當系統中用新的用戶請求分配資源時，系統首先根據總容量估算出該用戶所需求的子信道數，然后根據當前用戶的信道狀況以及系統擁有的空閑信道情況，為用戶選擇信道條件最好的信道。信道分配過程中，系統會通過判斷所有用戶的的值來判斷時候進一步給該用戶分配信道。與此同時，系統會結合所用用戶的資源分配情況，找出當前最需要資源的用戶并為其分配相應的信道資源，直到系統內所用資源被分配完畢或者系統中所有用戶得到自己滿意的資源數。在信道分配的過程中用戶每分得一條子信道，相應的功率便分配給該用戶。

3 仿真結果與分析

表1 的取值表

表1 的取值表

情形112111111 情形211111244

在圖2中顯示了系統容量隨用戶數變化的情況。其中，Fig 2（a）顯示了取情形1時系統總容量隨用戶數的變化情況， Fig 2（b）顯示了取情形2時系統總容量隨用戶數的變化情況。

Fig 2（a）???????Fig2（b）

從圖2（a）和圖2（b）我們可以看出，在相同用戶數下，我們所研究的次公平動態信道分配算法的數據傳輸速率高于傳統的shen算法和rhee算法。無論是在哪種用戶業務下，隨著用戶數增加，我們研究的次公平算法系統容量都增加更加明顯，這是由于當用戶數很少時，用戶可選的子信道相對較多，信道衰落對不同算法的用戶的影響不是特別明顯；而隨著用戶數的增加，已被分配的信道數增多，可被分配給信道用戶的空閑子信道減少，每個子信道對于所有用戶都是深衰落的概率減小，不同空閑子信道下信道衰落各不相同，采用不同的信道分配算法，為不同用戶選擇適合自己的信道，每個信道分配到信道增益更大的用戶的概率增加，這樣可以更加有效地利用多用戶的差異來有效地分配資源。

4 結論

本文給出一種放寬公平性的次公平動態資源分配算法，實際上可以看成是在公平性和系統性能之間的折中，而這種折中在實際網絡中也是可取的，這是由于實際網絡中，運營商會根據業務的特點制定各種相應的優先級來調度資源，所以我們可以放寬公平的程度。

[1]Z.Shen，J.G.Andrews，B.L.Evans.Adaptive Resource Allocation in Multiuser OFDM Systems with Proportional Fairness[J].IEEE Trans.Wireless Commun.， 2005，4（6）：2726-2737.

[2]Rhee W, Cioffi J M. Increase in capacity of multiuser OFDM system using dynamic subchannel allocation[C]// Vehicular Technology Conference Proceedings, 2000. VTC 2000-Spring Tokyo. 2000 IEEE 51st. IEEE, 2000:1085-1089.

單鵬，碩士畢業于重慶郵電大學通信與信息系統專業，現任重慶市公安局巴南區公安分局信息建設科副科長，主要從公安信息化建設，研究方向為安防信息系統建設、移動通信技術等。趙全軍（1981—），男，四川大竹人，現為四川文理學院物理與機電工程學院教師。研究方向為網絡技術、無線資源管理以及WIMAX網絡等。

四川省教育廳一般科研項目《移動WiMAX通信系統多層協作資源分配技術的研究》（項目編號12ZB119）；四川文理學院重點項目《無線雙模數據融合定位技術研究》（項目編號2010A04Z）。

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1009-6434（2016）03-0013-02