代世祥

摘要：LTE-Advanced（LTE-A）系統(tǒng)中引入中繼后，帶來(lái)了如提高頻譜效率、拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，但是中繼的引入也給資源分配帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。針對(duì)LTE-A中繼系統(tǒng)的資源分配問(wèn)題，提出一種在eNB和中繼功率受限，且用戶數(shù)據(jù)速率比例公平約束的條件下，以最大化平均用戶數(shù)據(jù)速率為目標(biāo)的動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制。首先,平均分配功率，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)速率的比例公平約束，將資源塊分配給用戶;然后,通過(guò)Lagrange乘子法調(diào)整各個(gè)用戶資源塊上的功率。通過(guò)仿真驗(yàn)證表明，該算法能滿足用戶不同數(shù)據(jù)速率要求，又能提高平均用戶數(shù)據(jù)速率。

關(guān)鍵詞：LTE-Advanced中繼；資源分配；比例公平

中圖分類(lèi)號(hào)：TN915文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012) 02-0453-05

Research for Dynamic Resource Allocation Mechanism with Threshold of Power in LTE-Advacnced Relay System

DAI Shi-xiang

(School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

Abstract: Introducing relays in LTE-Advanced(LTE-A) system,brings lots of advantages,such as improving spectrum efficiency and ex? panding network coverage etc. However,which bring more challenges for resource allocation after introducing relays. A dynamic resource allocation mechanism is proposed for LTE-A relay system.The objective is to maximize user average data rate with the eNB and relay pow? er constraint,while guaranteeing proportional fairness of users. First the resource blocks is allocated to users under the proportional fairness constraint with equal power allocation. Then,the power allocation is implemented with Lagrange multiplier method for every user. Simula? tion results show that the proposed algorithm can satisfy every user data rate requirements and improve performance.

Key words: LTE-Advanced; relay; resource allocation; proportional fairness

1概述

為了更好地滿足LTE-A系統(tǒng)的性能要求，無(wú)線中繼（Relay Node，RNs）作為一種低功率、低成本的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被引入到LTE-A系統(tǒng)中，具有拓?fù)潇`活的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高系統(tǒng)頻譜效率、拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋。目前，3GPP定義了Type I Relay和Type II Relay兩種Re? lay，Type I Relay有獨(dú)立的小區(qū)ID，可以獨(dú)立控制一個(gè)小區(qū)，其ID與所屬基站的小區(qū)ID不同；從定義上看，Type I Relay是一個(gè)層三中繼，具有資源調(diào)度和HARQ功能。Type II Relay是帶內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有獨(dú)立的小區(qū)ID，不能產(chǎn)生新的小區(qū)；從定義上看，Type II Relay是一個(gè)層二中繼，對(duì)于R8的終端是透明的，即R8的終端不知道Type II Relay的存在。[1]

目前關(guān)于DF中繼OFDMA中繼系統(tǒng)的資源分配問(wèn)題得到廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)[2]提出了一種在總功率限定條件下的中繼OFDM系統(tǒng)容量最大化的資源分配算法，通過(guò)引入等效信道增益將問(wèn)題簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)[3]提出了DF方式OFDMA系統(tǒng)容量最大化的資源分配算法，由于每個(gè)子載波對(duì)分配給具有最好信道增益的用戶，算法可獲得最大的數(shù)據(jù)速率。文獻(xiàn)[4]提出了一種分布式的多小區(qū)DF方式中繼OFDMA系統(tǒng)資源分配算法，考慮多跳均衡，算法可獲得最大的平均吞吐量和滿意的用戶數(shù)。文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]聯(lián)合子載波和功率分配，在總功率受限的條件下，提出了DF方式中繼OFDMA系統(tǒng)資源分配算法，算法均能獲得最大系統(tǒng)容量，但是都只考慮了一個(gè)基站一個(gè)中繼多個(gè)用戶，并且只存在中繼用戶的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]在總功率受限的條件下，提出一種DF方式多小區(qū)中繼OFDMA系統(tǒng)的資源分配算法，并且考慮了中繼的協(xié)作，算法可以獲得最高的系統(tǒng)容量。文獻(xiàn)[2-8]的算法均能獲得最大的系統(tǒng)容量，但是沒(méi)有考慮用戶公平性因素。文獻(xiàn)[9]提出了一種DF方式中繼OFDMA多用戶公平性的資源分配算法，通過(guò)給定各用戶所獲得的子載波對(duì)數(shù)目來(lái)獲得公平性的要求。文獻(xiàn)[10]提出了一種動(dòng)態(tài)的單小區(qū)DF方式協(xié)作中繼OFDMA系統(tǒng)的上行資源分配算法，該算法提高了公平性，同時(shí)獲得較好的系統(tǒng)容量。

本文討論單小區(qū)Type I方式LTE-A中繼系統(tǒng)的下行資源分配問(wèn)題，考慮多個(gè)中繼，同時(shí)考慮直連用戶和中繼用戶，在eNB和RN功率受限，且用戶速率受比例公平約束的條件下，提出一種功率受限的動(dòng)態(tài)資源分配算法。

本文的架構(gòu)如下：第2節(jié)介紹系統(tǒng)模型及問(wèn)題優(yōu)化；第3節(jié)介紹本文的資源分配算法；第4節(jié)，對(duì)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證；第5節(jié)，總結(jié)全文。

2.1系統(tǒng)模型

本文考慮一個(gè)單小區(qū)的LTE-A中繼下行通信系統(tǒng)，包含1個(gè)eNB（Evolved Node B，eNB），L個(gè)Type I方式中繼和K個(gè)用戶（（Us? er Terminal，Uts）），K=Kd+Kr，Kd表示直連用戶數(shù)，Kr表示中繼用戶數(shù)，中繼j服務(wù)的中繼用戶為Kr,j，∑圖1單小區(qū)的LTE-A中繼下行通信系統(tǒng)架構(gòu)

傳輸方式分為兩個(gè)時(shí)隙，如圖2所示，第一時(shí)隙eNB向RN和直連用戶（zlUTs）發(fā)送信息，RN對(duì)接收的信息無(wú)誤解碼；第二時(shí)隙RN對(duì)解碼信息重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)給中繼用戶（zjUTs），eNB繼續(xù)給zlUT發(fā)送未發(fā)送完的信息。圖2信息傳輸方式

假設(shè)所有信道狀態(tài)信息已知，設(shè)系統(tǒng)帶寬為B，eNB和RN的功率分別為PeNB、PRN，資源塊（RB）數(shù)為N，eNB到直連用戶k1、eNB到中繼j，中繼j到中繼用戶k2在資源塊i上的信道增益分別為HeNB,zlUTk1,i(k1=1,2,?,Kd;i=1,2,?,N)，HeNB,RNj,i(j=1,2,?,L)，HRNj,zjUTk2,i(k2=1,2,?,Kr)，中繼j、直連用戶k1和中繼j的中繼用戶k2在資源塊i上的功率分別為PeNB,j,i，PeNB,k1,i，Pj,k2,i，噪聲功率譜密度為N0，噪聲功率為σ2=N0B/N。

直連用戶k1在資源塊i上的信道容量為：

Rk1,i=

2.2問(wèn)題優(yōu)化

本文在eNB和RN功率受限，且用戶數(shù)據(jù)速率比例公平的約束條件下，以最大化平均用戶數(shù)據(jù)速率為目標(biāo)，研究Type I方式LTE-A中繼系統(tǒng)的下行資源分配問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如下：

object.C=

其中式（7）和（8）表示一個(gè)RB最多只能分給一個(gè)用戶使用，式（9）和式（10）表示eNB和RN功率分別受限，式（11）為用戶數(shù)據(jù)速率比例公平約束條件。

3資源分配算法

3.1資源塊分配

根據(jù)第一跳用戶數(shù)據(jù)速率比例，粗略地確定每個(gè)用戶資源塊需求量：

N1:N2:?:NK資源塊。

第一跳：

將基站功率平均分配，對(duì)第一跳用戶進(jìn)行資源塊分配，第一跳用戶數(shù)Kf=Kd+L。

第一步，為第一跳用戶分配首個(gè)資源塊。

對(duì)每個(gè)第一跳用戶，找出信道增益最大的資源塊，作為首個(gè)資源塊分配給它。

kf=1到Kf，找出n=maxi∈RBHkf,i，akf,n=1，更新用戶kf獲得的資源塊數(shù)，Nkfr=Nkfr+1，將資源塊n刪除，更新第一跳用戶的實(shí)際速率。

第二步，根據(jù)第一跳用戶的資源塊需求量為第一跳用戶分配資源塊。

（1）計(jì)算第一跳用戶的“滿意度”，用γ=R/λ表示，kf=1到Kf，如果Nkfr

（2）kf=1到Kf，選擇“滿意度”最小的用戶kf，如果該用戶此時(shí)獲得的資源塊數(shù)小于它需求的資源塊數(shù)Nkfr

,?kf。

第三步，如果Ns=0，第一跳用戶分配結(jié)束；否則，按第二步（2）的方法分配第一跳剩余的資源塊。第二跳：將各個(gè)中繼功率平均分配，對(duì)中繼用戶進(jìn)行資源塊分配。

可用的資源塊為除去直連用戶所用資源塊后剩余的所有資源塊，數(shù)目為NSec=N-∑

Nk2r，如果Ns′=0，第二跳分配結(jié)束；否則，按第二步（2）的方法分配第二跳剩余的資源塊。

第四步，資源塊配對(duì)。

j=1到L，對(duì)中繼j，將它第一跳和第二跳的信道增益按降序排列，第一跳信道增益最大的資源塊n1和第二跳信道增益最大的資源塊n2配對(duì)，將此資源塊對(duì)分配給使用資源塊n2的用戶，刪除資源塊n1和n2，執(zhí)行此步至所有的資源塊均配對(duì)完。3.2功率分配

在資源塊的分配過(guò)程中，平均分配功率，為了提高系統(tǒng)容量，需要根據(jù)信道增益重新分配功率。通過(guò)調(diào)整各個(gè)用戶資源塊上的功率，提高每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)速率，從而達(dá)到提高平均用戶數(shù)據(jù)速率的目的。

第一步，確定每個(gè)用戶的功率。

假設(shè)每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)的功率與其獲得的資源塊數(shù)成正比，則任一用戶k的總功率功率為：

第二步，調(diào)整用戶k在資源塊上的功率。直連用戶k的數(shù)據(jù)容量為：

其中μk為L(zhǎng)agrange乘子，計(jì)算?L?Pk,i=0和?L?μk=0得：

Pk,i=

當(dāng)k為直連用戶時(shí)，直接用式（17）計(jì)算得到它在各個(gè)所用資源塊上的功率；

當(dāng)k為中繼用戶時(shí)，假設(shè)資源塊i1和i2配對(duì)，等效鏈路記為i*，則式（17）中的i換為i*，Hk,i為Hj,k,i*=

涉及的LTE-A中繼系統(tǒng)包含1個(gè)eNB、3個(gè)RN和多個(gè)用戶，用戶數(shù)可變，每個(gè)RN到eNB的距離均為小區(qū)半徑的三分之二。系統(tǒng)帶寬B=10MHz，系統(tǒng)中心頻率fc=2GHz，eNB功率為46dBm，各RN功率均為37dBm，噪聲功率譜密度為N0=-174dBm/Hz，所有用戶的誤比特率要求BER均為10-4。[11][12]

對(duì)NOLS下3GPP定義的case1場(chǎng)景（市區(qū)）和case3場(chǎng)景（郊區(qū)）進(jìn)行仿真。[12]用本文的算法和本文資源塊分配算法+平均功率分

配比較，圖3和圖4分別為case1和case3場(chǎng)景下平均用戶數(shù)據(jù)速率隨用戶數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，case1場(chǎng)景下本文算法獲得的平均用戶速率比本文資源塊分配算法+平均功率分配獲得的平均用戶速率提高10kbps左右，case3場(chǎng)景下本算算法獲得的平均用戶速率比本文資源塊分配算法+平均功率分配獲得的平均用戶速率提高7kbps左右。

圖3 case1場(chǎng)景下平均用戶數(shù)據(jù)速率隨用戶數(shù)的變化

圖4 case3場(chǎng)景下平均用戶數(shù)據(jù)速率隨用戶數(shù)的變化

5結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)LTE-A中繼系統(tǒng)的下行資源分配問(wèn)題，在eNB和RN功率受限，且用戶速率比例公平約束的條件下，提出一種動(dòng)態(tài)的資源分配機(jī)制，聯(lián)合資源塊和功率分配，既滿足了用戶不同數(shù)據(jù)速率要求，又提高了平均用戶速率。但是，在功率調(diào)整時(shí)，僅對(duì)用戶所使用資源塊上的功率進(jìn)行調(diào)整，后續(xù)工作可以考慮對(duì)用戶間的功率進(jìn)行調(diào)整，從而提高系統(tǒng)容量。

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