基于LTE-A技术无线资源管理的跨层联合博弈*

赵季红 ，李 强 ，曲 桦 ，栾智荣

（1.西安邮电学院通信工程学院 西安 710061；2.西安交通大学电信学院 西安 710049）

1 引言

作为LTE技术的后续演进，LTE-A技术需要满足有不同带宽需求和不同QoS需求的话音、数据、视频等多类业务，但有限的无线网络资源使得用户对大量业务的体验受到限制。无线资源管理方法的好坏将直接影响无线网络的服务质量。对单一无线资源进行管理虽然能够在某个方面提高系统性能，但由于无线资源之间的相关性，网络整体性能可能下降。对网络整体性能的优化问题，由于无线资源之间的相互影响、制约和竞争的关系，采用传统方案无法有效解决。

博弈论是分析具有斗争或竞争性质现象的数学理论和方法，主要研究不同主体在“策略相互依存”情况下的相互作用[1]。它作为数学领域的一个重要分支，在解决资源分配问题方面具有独特的优势[2]，近年来在无线资源管理领域得到了广泛应用。参考文献[3,4]针对无限小区内用户，利用博弈论指导不同网络对各类业务的带宽分配；参考文献[5]以信道为博弈对象，改善了无线Mesh网络的吞吐量、时延、抖动等系统性能；参考文献[6]研究了功率、频谱的博弈。然而，以上的研究工作都是对单一的无线网络资源博弈的研究，不同策略下的博弈模型之间缺乏关联性，无法保证从整体上提高系统性能。

基于上述分析，本文提出了一种新的基于LTE-A网络的无线资源管理模型，采用博弈方法对LTE-A系统中无线资源的分配方法进行了研究。该模型针对不同协议栈层无线资源管理的特点，分别在RRC、MAC和物理层建立博弈模型，突破以往只存在于单一协议栈层的博弈，利用跨层方法将各个协议栈层联合起来，以提高系统的整体性能。

2 LTE-A系统平台与基于LTE-A技术的无线资源跨层的博弈分析

相比已经接近4G的LTE技术，LTE-A技术需要在LTE技术的基础上平滑演进，主要针对最大带宽和上行峰值速率两个指标进行研究。由于物理层信号处理技术的耗竭，LTE-A技术的工作重点应该向RRM技术和网络架构优化方面转变[7]。

2.1 LTE-A系统平台

LTE-A系统主要由E-UTRAN(evolution-universalterrestrial radio access network，演进的通用陆地无线接入网)和EPC（evolved packet core，演进的分组核心网）组成[8]，其功能结构如图1所示。

EPC属于核心网，E-UTRAN属于接入网。无线资源管理过程主要发生在接入网，即E-UTRAN。主要研究E-UTRAN中的RRC层、第二层（包含PDCP层、RLC层和MAC层）和物理层。其中RRC层用于处理用户与基站之间大部分控制信令[9]。第二层中关于无线资源管理的功能主要集中在MAC层，MAC层实现与调度和HARQ(hybrid automatic repeat-request，混合自动重传请求)相关的功能，其目的是在上下两层之间提供一个有效的连接[10]。物理层向高层提供数据传输服务[11]，可以通过MAC层并使用传输信道接入这些服务，RRC层、MAC层和物理层的功能结构如图1所示。

LTE-A中无线资源管理 (radio resource management，RRM)的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端业务提供质量保证。其基本出发点是在网络内用户以及资源分布不均、信道情况复杂等情况下，灵活分配和调整数据传输以及网络内的有效资源，最大程度地提供网络内频谱利用率，提高网络的吞吐量同时减少干扰和拥塞。LTE-A中无线资源管理的功能包括：无线承载控制（RBC）、无线接入控制（RAC）、小区间干扰协调（ICIC）、系统间无线资源管理等[12]。

2.2 基于LTE-A技术的无线资源博弈分析及其跨层模型

基于LTE-A技术的无线资源管理主要为了实现在无线资源短缺情况下，对各个功能模块合理分配资源。针对LTE-A的具体情况，RRC层、MAC层、物理层中分别包含多个无线资源管理模块，各层内部需要利用博弈论的理念优化其性能。同时，为实现系统整体性能最大化的目标，利用跨层机制，通过在协议栈的各层之间传递特定的信息来协调各层间的工作过程。

出于上述考虑，本研究设计的基本思想是：首先，根据协议栈中每个层的特点，在RRC层、MAC层、物理层建立相应的博弈模型，在建立模型的过程中要综合其他协议栈层的博弈策略空间及博弈结果；其次，根据网络实际情况，设定RRC层为总体博弈目标；最后，让MAC层和物理层的博弈都为RRC层的博弈服务。这种把多个协议栈层的博弈联系在一起，为一个总体无线资源管理目标服务的跨层模型称为“无线资源管理的跨层联合博弈模型”。

3 各层博弈模型的结构及博弈流程

由于LTE-A网络中各层对于资源管理的方式不同，所以每个层需要设计适应其自身特点的博弈模型。

3.1 RRC层

RRC层包含无线资源管理中的两个重要模块，分别是无线承载控制（radio bearer control，RBC）模块和无线接纳控制 (radio admission control，RAC)模块。无线承载控制模块的主要任务是：无线承载的建立、维护和释放过程中涉及无线资源的相关配置。当为一个业务建立无线承载时，RBC应该考虑无线蜂窝小区中的所有资源，包括现有会话的QoS (quality of service，服务质量)要求以及新服务的QoS要求。由于移动性或者通信环境快速变化，无线资源状况发生变化，这时RBC会重点维护现有会话的无线承载，而在会话结束、切换或者其他情况下，RBC会释放这些无线承载对应的无线资源[13]。

无线接纳控制模块的主要任务是：接纳或拒绝一个新的无线承载的建立。为达到合理接纳的目的，RAC需要考虑无线蜂窝小区的资源状况及用户QoS需求，以确保系统能够高效地利用无线资源。与此同时，还能够确保现有会话的QoS不受影响[13]。

RRC层的博弈模型如图2（a）所示。

博弈的参与者分别是RBC和RAC两个模块，根据这两个模块的功能特点，设定博弈的空间为无线蜂窝小区内的剩余无线资源。利用博弈的方法对剩余无线资源进行分配，以达到提高资源利用率的目的。

3.2 MAC层

MAC层中包含的无线资源管理模块主要为传输格式选择模块和用户逻辑信道分配模块。

传输格式选择模块的主要功能是控制数据传输块的大小和调制方式。

用户间逻辑信道分配模块的主要功能是根据用户优先级以及用户业务的传输格式进行信道传输分配。

由于信道有限，用户较多，在用户的优先级相同时，两个模块会通过对传输时间间隔的选择来竞争信道。因此，通过传输格式的选择和传输时间间隔之间的博弈，进行同优先级用户分组的信道竞争，可以实现整体分组的合理调度与用户间的传输公平。博弈模型如图2（b）所示。

该模型中，博弈的参与者是传输格式选择模块和用户逻辑信道分配模块。它们的策略空间分别是传输块大小与调制方式、可用信道。与RRC不同，MAC层博弈的策略空间不是针对一种无线资源，但是只要有共同的优化目标就可以使用博弈论。博弈算法通过收集策略空间的信息，对参与博弈的两个模块进行控制，从整体提高分组发送总速率和保障用户间的传输公平。

3.3 物理层

物理层中主要研究功率控制模块和逻辑信道与物理信道间速率匹配模块进行博弈的过程。

功率控制模块的主要功能是实现子载波的速率最大化。根据香农公式，子载波的速率与有用信号的功率成正比。子载波的速率越大，对应物理层中物理信道的传输速率越大。而在功率较大时，相邻蜂窝小区用户间会产生较大干扰。因此，不能无限制地增大功率，要根据干扰情况对功率进行控制。

逻辑信道与物理信道速率匹配模块的主要功能是向协议栈上层提供可用的子载波速率信息。同样考虑到相邻小区用户的干扰问题，子载波速率不能做到没有限制地增加。

假设物理层博弈的两个前提条件是：一个是对于单个子载波在某个时隙内只服务一个用户；另一个是小区间干扰与小区内的正在承载维护所用的资源成正比。

物理层的博弈模型如图2（c）所示。

其中，功率控制功能模块的策略空间是小区间的干扰协调（inter-cell interference coordination，ICIC）级别，速率匹配功能模块的策略空间是功率控制模块所能提供的功率和上层的速率需求；博弈目标是最大化子载波速率。

4 跨层联合博弈优化模型设计

RRC层、MAC层和物理层的博弈相对独立但是又有着密不可分的联系。MAC层的博弈实现整体分组的合理调度和用户间的公平传输，减少了RRC层中的无线承载维护时间，对RRC层的资源分配起到了积极的作用。物理层通过博弈提高了子载波速率，通过信道映射，MAC层的博弈竞争关系会缓和，而对于RRC层，无线资源相应地增加，合作大于竞争，无线资源的利用率也就随之提高。所以，各层的博弈之间相互配合，可以实现整体性能的提高。

跨层联合博弈模型如图3所示。

其中跨层博弈模型包含RRC层、MAC层和物理层，跨层博弈的内容包括两部分：下层对上层的博弈服务和高层对底层的博弈反馈。

4.1 下层对上层的博弈服务

根据图3中各层的博弈目标可以看出，下层的博弈是为上层服务的。跨层的过程如下。

（1）物理层中的功率控制与速率匹配的博弈目标是提供更快的信道速率以及更多的可用载波速率，而载波速率是RRC层中RBC与RAC功能模块的竞争资源，同时，信道是MAC层信道分配模块的策略空间。所以，物理层的博弈结果传递给RRC层和MAC层。

（2）MAC层中的传输块（TB）格式选择功能与用户间信道分配功能之间的博弈会使整体的分组发送速率变快，能够减少RBC功能模块的承载维护时间，这对RBC功能模块在与RAC功能模块的竞争中是很有利的，同时也将提升系统的整体服务量。所以，将MAC层的博弈结果传递给RRC层。

（3）RRC层中RBC和RAC通过对系统剩余资源的竞争利用，合理分配系统资源。优化后的RRC层竞争有所缓和，将RRC层的优化结构反馈到物理层。由于资源利用率的提高，物理层的功率控制与速率匹配的博弈也随之缓和。

（4）当物理层的博弈有所缓和，ICIC级别相应提高，同时所要求的小区间干扰降低。本模型中，降低干扰需要降低功率，这时，子载波速率的下降会使系统内的资源相对紧张，从而进入新的一轮跨层联合博弈过程。重复（1）～（3）这3个步骤。

4.2 高层对底层的博弈反馈

从RRC层博弈的结果以及物理层建立的博弈模型中可以看出，在计算下层中子载波的速率时由于涉及香农公式，其运算量较大。因为小区间干扰是受小区内的负载情况影响的，小区间干扰难以估计。但是从RRC层的博弈结果上看，其RRC层的博弈结果可以用来表征小区内的负载情况。通过把RRC层的博弈结果反馈到物理层中用于对小区间干扰运算进行简化处理，就可以简化下层中的整体复杂度。

由上述RRC层博弈关系知，在RRC层求得系统资源最优分配的同时，可以知道小区内的待接纳用户与承载维护需求用户的比例关系，定义这个比例关系为资源分配系数。资源分配系数对于本系统来说，通过RRC层对物理层的反馈，用于简化在物理层针对小区间干扰增益的博弈建模。如果把这个资源分配系数写进测量报告，可以使切换用户在选择小区时根据它来定性判断是否选择该小区。

综上所述，由下层对上层的博弈服务和高层对底层的博弈反馈共同构成了博弈跨层体系。

至此，基于LTE-A技术的联合博弈跨层模型建立完成。该模型充分考虑LTE-A无线网络中每个层的功能特点以及所对应的物理资源，利用各层中功能的博弈关系以及各层之间的联系，通过服务和反馈，实现了无线资源管理的整体优化。

5 结束语

本文提出了一种新的基于LTE-A系统的无线资源管理跨层联合博弈模型。首先针对当前LTE-A技术中各种无线资源的管理进行分析，其次针对LTE-A系统结构分别在RRC层、MAC层和物理层建立各层的无线资源管理博弈结构，而后根据各层博弈模型之间的关系建立了博弈的跨层结构。通过跨层联合博弈，可以提高系统对无线资源的利用率。

1 严辉.基于博弈理论的WiMAX无线资源管理算法优化.南京邮电大学硕士学位论文，2009

2 仲崇显，李春国.基于非合作博弈论的多小区OFDMA系统动态资源分配算法研究.电子与信息学报，2009，31（8）：1 935～1 940

3 张海霞.无线通信跨层设计——从原理到应用.北京：人民邮电出版社，2010

4 陈明欣.异构网络无线资源管理中的非合作博弈.小型微型计算机系统，2009（3）：446～450

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

6 张大鹏.LTE系统中无线资源管理技术的研究.北京邮电大学博士学位论文，2010

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

8 沈嘉.LTE—Advanced关键技术演进趋势.移动通信，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 黄韬.LTE/SAE移动通信网络技术.北京：人民邮电出版社，2009