LTE-Advanced中继系统中功率受限的动态资源分配机制研究

代世祥

摘要：LTE-Advanced（LTE-A）系统中引入中继后，带来了如提高频谱效率、拓展网络覆盖等优点，但是中继的引入也给资源分配带来了更多的挑战。针对LTE-A中继系统的资源分配问题，提出一种在eNB和中继功率受限，且用户数据速率比例公平约束的条件下，以最大化平均用户数据速率为目标的动态资源分配机制。首先,平均分配功率，根据用户数据速率的比例公平约束，将资源块分配给用户;然后,通过Lagrange乘子法调整各个用户资源块上的功率。通过仿真验证表明，该算法能满足用户不同数据速率要求，又能提高平均用户数据速率。

关键词：LTE-Advanced中继；资源分配；比例公平

中图分类号：TN915文献标识码：A文章编号：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

为了更好地满足LTE-A系统的性能要求，无线中继（Relay Node，RNs）作为一种低功率、低成本的网络节点被引入到LTE-A系统中，具有拓扑灵活的优点，能够有效提高系统频谱效率、拓展网络覆盖。目前，3GPP定义了Type I Relay和Type II Relay两种Re? lay，Type I Relay有独立的小区ID，可以独立控制一个小区，其ID与所属基站的小区ID不同；从定义上看，Type I Relay是一个层三中继，具有资源调度和HARQ功能。Type II Relay是带内中继节点，没有独立的小区ID，不能产生新的小区；从定义上看，Type II Relay是一个层二中继，对于R8的终端是透明的，即R8的终端不知道Type II Relay的存在。[1]

目前关于DF中继OFDMA中继系统的资源分配问题得到广泛关注，文献[2]提出了一种在总功率限定条件下的中继OFDM系统容量最大化的资源分配算法，通过引入等效信道增益将问题简化。文献[3]提出了DF方式OFDMA系统容量最大化的资源分配算法，由于每个子载波对分配给具有最好信道增益的用户，算法可获得最大的数据速率。文献[4]提出了一种分布式的多小区DF方式中继OFDMA系统资源分配算法，考虑多跳均衡，算法可获得最大的平均吞吐量和满意的用户数。文献[5]、文献[6]和文献[7]联合子载波和功率分配，在总功率受限的条件下，提出了DF方式中继OFDMA系统资源分配算法，算法均能获得最大系统容量，但是都只考虑了一个基站一个中继多个用户，并且只存在中继用户的系统。文献[8]在总功率受限的条件下，提出一种DF方式多小区中继OFDMA系统的资源分配算法，并且考虑了中继的协作，算法可以获得最高的系统容量。文献[2-8]的算法均能获得最大的系统容量，但是没有考虑用户公平性因素。文献[9]提出了一种DF方式中继OFDMA多用户公平性的资源分配算法，通过给定各用户所获得的子载波对数目来获得公平性的要求。文献[10]提出了一种动态的单小区DF方式协作中继OFDMA系统的上行资源分配算法，该算法提高了公平性，同时获得较好的系统容量。

本文讨论单小区Type I方式LTE-A中继系统的下行资源分配问题，考虑多个中继，同时考虑直连用户和中继用户，在eNB和RN功率受限，且用户速率受比例公平约束的条件下，提出一种功率受限的动态资源分配算法。

本文的架构如下：第2节介绍系统模型及问题优化；第3节介绍本文的资源分配算法；第4节，对算法进行仿真验证；第5节，总结全文。

2.1系统模型

本文考虑一个单小区的LTE-A中继下行通信系统，包含1个eNB（Evolved Node B，eNB），L个Type I方式中继和K个用户（（Us? er Terminal，Uts）），K=Kd+Kr，Kd表示直连用户数，Kr表示中继用户数，中继j服务的中继用户为Kr,j，∑图1单小区的LTE-A中继下行通信系统架构

传输方式分为两个时隙，如图2所示，第一时隙eNB向RN和直连用户（zlUTs）发送信息，RN对接收的信息无误解码；第二时隙RN对解码信息重新编码后转发给中继用户（zjUTs），eNB继续给zlUT发送未发送完的信息。图2信息传输方式

假设所有信道状态信息已知，设系统带宽为B，eNB和RN的功率分别为PeNB、PRN，资源块（RB）数为N，eNB到直连用户k1、eNB到中继j，中继j到中继用户k2在资源块i上的信道增益分别为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)，中继j、直连用户k1和中继j的中继用户k2在资源块i上的功率分别为PeNB,j,i，PeNB,k1,i，Pj,k2,i，噪声功率谱密度为N0，噪声功率为σ2=N0B/N。

直连用户k1在资源块i上的信道容量为：

Rk1,i=

2.2问题优化

本文在eNB和RN功率受限，且用户数据速率比例公平的约束条件下，以最大化平均用户数据速率为目标，研究Type I方式LTE-A中继系统的下行资源分配问题，对应的数学模型如下：

object.C=

其中式（7）和（8）表示一个RB最多只能分给一个用户使用，式（9）和式（10）表示eNB和RN功率分别受限，式（11）为用户数据速率比例公平约束条件。

3资源分配算法

3.1资源块分配

根据第一跳用户数据速率比例，粗略地确定每个用户资源块需求量：

N1:N2:?:NK资源块。

第一跳：

将基站功率平均分配，对第一跳用户进行资源块分配，第一跳用户数Kf=Kd+L。

第一步，为第一跳用户分配首个资源块。

对每个第一跳用户，找出信道增益最大的资源块，作为首个资源块分配给它。

kf=1到Kf，找出n=maxi∈RBHkf,i，akf,n=1，更新用户kf获得的资源块数，Nkfr=Nkfr+1，将资源块n删除，更新第一跳用户的实际速率。

第二步，根据第一跳用户的资源块需求量为第一跳用户分配资源块。

（1）计算第一跳用户的“满意度”，用γ=R/λ表示，kf=1到Kf，如果Nkfr

（2）kf=1到Kf，选择“满意度”最小的用户kf，如果该用户此时获得的资源块数小于它需求的资源块数Nkfr

,?kf。

第三步，如果Ns=0，第一跳用户分配结束；否则，按第二步（2）的方法分配第一跳剩余的资源块。第二跳：将各个中继功率平均分配，对中继用户进行资源块分配。

可用的资源块为除去直连用户所用资源块后剩余的所有资源块，数目为NSec=N-∑

Nk2r，如果Ns′=0，第二跳分配结束；否则，按第二步（2）的方法分配第二跳剩余的资源块。

第四步，资源块配对。

j=1到L，对中继j，将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资源块n1和第二跳信道增益最大的资源块n2配对，将此资源块对分配给使用资源块n2的用户，删除资源块n1和n2，执行此步至所有的资源块均配对完。3.2功率分配

在资源块的分配过程中，平均分配功率，为了提高系统容量，需要根据信道增益重新分配功率。通过调整各个用户资源块上的功率，提高每个用户的数据速率，从而达到提高平均用户数据速率的目的。

第一步，确定每个用户的功率。

假设每个用户对应的功率与其获得的资源块数成正比，则任一用户k的总功率功率为：

第二步，调整用户k在资源块上的功率。直连用户k的数据容量为：

其中μk为Lagrange乘子，计算?L?Pk,i=0和?L?μk=0得：

Pk,i=

当k为直连用户时，直接用式（17）计算得到它在各个所用资源块上的功率；

当k为中继用户时，假设资源块i1和i2配对，等效链路记为i*，则式（17）中的i换为i*，Hk,i为Hj,k,i*=

涉及的LTE-A中继系统包含1个eNB、3个RN和多个用户，用户数可变，每个RN到eNB的距离均为小区半径的三分之二。系统带宽B=10MHz，系统中心频率fc=2GHz，eNB功率为46dBm，各RN功率均为37dBm，噪声功率谱密度为N0=-174dBm/Hz，所有用户的误比特率要求BER均为10-4。[11][12]

对NOLS下3GPP定义的case1场景（市区）和case3场景（郊区）进行仿真。[12]用本文的算法和本文资源块分配算法+平均功率分

配比较，图3和图4分别为case1和case3场景下平均用户数据速率随用户数的变化曲线。从图中可以看出，case1场景下本文算法获得的平均用户速率比本文资源块分配算法+平均功率分配获得的平均用户速率提高10kbps左右，case3场景下本算算法获得的平均用户速率比本文资源块分配算法+平均功率分配获得的平均用户速率提高7kbps左右。

图3 case1场景下平均用户数据速率随用户数的变化

图4 case3场景下平均用户数据速率随用户数的变化

5结束语

针对LTE-A中继系统的下行资源分配问题，在eNB和RN功率受限，且用户速率比例公平约束的条件下，提出一种动态的资源分配机制，联合资源块和功率分配，既满足了用户不同数据速率要求，又提高了平均用户速率。但是，在功率调整时，仅对用户所使用资源块上的功率进行调整，后续工作可以考虑对用户间的功率进行调整，从而提高系统容量。

参考文献：

[1]焦慧颖.LTE-Advanced关键技术及标准化进展[J].电信网技术,2009(12):19-22.

[2] Wang W Y,Yan S F,Yang S Y.Optimally joint subcarrier matching and power allocation in OFDM multihop system[J].Eurasip Journal on Advances in Signal Processing,2008:1-8.

[3] Lin Y C,Wang W B,Huang L,et al.Resource allocation for dual-hop OFDM systems with multiple decode-and-forward relays[C]//Vehicu? lar Technology Conference Fall(VTC 2009-Fall),2009:1-5.

[4] Wu T,Wang Y,Y X M,Li G,T H,Decentralized Resource Allocation Based on Multihop Equilibrium for OFDM-relay Networks[C]//IEEE Wireless Communications & Networking Conference,2010:1-6.

[5] Tang M W,Wang X X,Wang Y L,Liao J X,Dynamic Resource Allocation with Threshold in OFDMA-based Relay Networks[C]//Vehicular Technology Conference Spring(VTC 2010-Spring),2010:1-5.

[6] Yin R,Zhang Y,Zhang J T,et al.Optimal joint resource allocation in OFDMA-based relay system[J].Communicaitons,Circuits and Systems, 2010:78-82.

[7] Yin R,Zhang Y, Chen H.H,Yu G D,Stochastic Optimization for Joint Resource Allocation in OFDMA-Based Relay System[C]//IEEE Glob? al Telecommunications Conference(GLOBECOM 2010),2010:1-6.

[8] Hua Y,Zhang Q,Niu Z S,Resource Allocation in Multi-cell OFDMA-based Relay Networks[C].INFOCOM, 2010 Proceedings IEEE(INFO? COM 2010),2010:1-9.

[9] Li H X,Luo H W,Wang X B,et al.Throughput maximization for OFDMA cooperative relaying networks with fair subchannel allocation[C]// IEEE Wireless Communications & Networking Conference,2009:994-999.

[10] Lu Y S,Lin Y B, Su, Y T,Dynamic Resource Allocation for Relay-based OFDMA System With Fairness Considerations[C]//IEEE Wire? less Communications & Networking Conference,2010:1-6.

[11] REPORT ITU-R M.2135.Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced[R].2008.

[12]刘美.LTEAdvanced系统中Relay技术及其系统性能研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.