基于次公平性的OFDM系统动态资源分配算法

单鹏 赵全军 王益艳 张媛媛



基于次公平性的OFDM系统动态资源分配算法

单鹏1赵全军2王益艳2张媛媛2

1.重庆市公安局巴南区分局，重庆 401300 2.四川文理学院物理与机电工程学院，四川 达州 635000

为了提高OFDM系统的系统容量，在信道分配过程中我们利用尽可能放宽公平性的前提下，提供系统容量的动态信道分配算法，并给出分配流程图以及进行性能仿真。通过仿真结果可以看出，该算法能有效提高多用户下的系统容量。

动态资源分配；子信道；系统容量

在WIMAX系统中，多用户、高比特传送速率的条件下，需要相当高的运算量来达到OFDM系统的最优资源分配，在实际系统中难以实现。现有的研究中提出了次优解的算法，其中Shen算法[1]主要考虑在总传输功率限制条件下，保证用户传输比例公平和提高最大化总传输速率。Rhee[2]算法通过最大化最小用户的数据传输速率来实现用户间资源分配的公平性，但是这样会导致不需要高速率的业务用户可能得到较高速率，占用过多的资源，而那些对速率要求高的用户反而分配不到相应的资源，导致系统性能的下降。为了提高系统容量的前提下兼顾用户的公平性，本文放宽了对公平性的限制，在基于公平性的动态资源分配算法的基础上进行了改进，提出了系统根据自身整体资源利用情况以及当前系统内各个用户已经达到的速率与实际分得的信道资源之比来决定系统的子信道进一步分配，即降低公平性的次公平性动态资源分配算法，从而改进提高系统的性能[1]。

1 次公平性的OFDM系统动态资源分配描述

在OFDM系统中，由于不同用户间分配的子信道之间是满足正交特性，因此各用户经历的信道衰落状况是彼此相互独立的。在信道分配的过程中，我们用表示用户已经达到的速率与实际分得的信道资源之比，并通过该比例值大致判断用户是否是最需要资源的用户。在这里，，而表示k用户需求的子信道最大数量，用Nk表示用户k要达到希望的速率所需要的子信道的数量。在速率一定的条件下，我们计算用户 k的和的值，当最大且值最小时，该用户k即为最需要资源的用户；相反，在用户需求的信道数相同的情况下，速率最小的用户为最需要资源的用户，这时将信道条件最好且未分配的信道分配给该用户。注意到该用户分配到信道后，下次迭代时重新比较的值来重新判断最需要资源的用户。

在考虑用户之间的公平性方面，不需要控制各个用户间速率的比例，其目的是为了尽可能的提高系统资源利用率同时，保证信道质量相对较差的用户可以分配到满足其对速率的要求的信道资源。在资源分配的过程中，首先对速率要求高的用户优先分配到资源，随着该用户得到资源的增加，减小，增大。当进行下一轮资源分配时，系统会根据当前各个用户的和的值，计算出最需要信道的用户。那些资源还没有满足的用户的的值会相对减小，从而有机会优先得到资源。

当系统中各个用户完成子信道的分配过后，系统将进一步完成功率分配。在功率分过程中，为了降低算法的复杂性，我们假定系统将所用功率平均分配到N个子信道上，每个信道分得的功率，在具体分配时将功率与子信道交叉分配，每当用户在一次迭代的过程后将分到相应的子信道，同时也分配到相应的那一部分功率，当信道分配完毕后各个用户分得的总功率也就分配完毕。最后对各个单用户上执行灌水算法[3]（water-filling）在该用户分得的各个子信道间分配其分得的功率和传输的比特[2]。

2 算法流程

系统资源分配过程中，我们设计如图1所示的流程图。

图1 算法流程图

在系统初始化阶段，系统会对当所用用户的信道状态进行检查，并将信道质量进行排序。当系统中用新的用户请求分配资源时，系统首先根据总容量估算出该用户所需求的子信道数，然后根据当前用户的信道状况以及系统拥有的空闲信道情况，为用户选择信道条件最好的信道。信道分配过程中，系统会通过判断所有用户的的值来判断时候进一步给该用户分配信道。与此同时，系统会结合所用用户的资源分配情况，找出当前最需要资源的用户并为其分配相应的信道资源，直到系统内所用资源被分配完毕或者系统中所有用户得到自己满意的资源数。在信道分配的过程中用户每分得一条子信道，相应的功率便分配给该用户。

3 仿真结果与分析

表1 的取值表

表1 的取值表

情形112111111 情形211111244

在图2中显示了系统容量随用户数变化的情况。其中，Fig 2（a）显示了取情形1时系统总容量随用户数的变化情况， Fig 2（b）显示了取情形2时系统总容量随用户数的变化情况。

Fig 2（a）       Fig2（b）

从图2（a）和图2（b）我们可以看出，在相同用户数下，我们所研究的次公平动态信道分配算法的数据传输速率高于传统的shen算法和rhee算法。无论是在哪种用户业务下，随着用户数增加，我们研究的次公平算法系统容量都增加更加明显，这是由于当用户数很少时，用户可选的子信道相对较多，信道衰落对不同算法的用户的影响不是特别明显；而随着用户数的增加，已被分配的信道数增多，可被分配给信道用户的空闲子信道减少，每个子信道对于所有用户都是深衰落的概率减小，不同空闲子信道下信道衰落各不相同，采用不同的信道分配算法，为不同用户选择适合自己的信道，每个信道分配到信道增益更大的用户的概率增加，这样可以更加有效地利用多用户的差异来有效地分配资源。

4 结论

本文给出一种放宽公平性的次公平动态资源分配算法，实际上可以看成是在公平性和系统性能之间的折中，而这种折中在实际网络中也是可取的，这是由于实际网络中，运营商会根据业务的特点制定各种相应的优先级来调度资源，所以我们可以放宽公平的程度。

[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.

单鹏，硕士毕业于重庆邮电大学通信与信息系统专业，现任重庆市公安局巴南区公安分局信息建设科副科长，主要从公安信息化建设，研究方向为安防信息系统建设、移动通信技术等。赵全军（1981—），男，四川大竹人，现为四川文理学院物理与机电工程学院教师。研究方向为网络技术、无线资源管理以及WIMAX网络等。

四川省教育厅一般科研项目《移动WiMAX通信系统多层协作资源分配技术的研究》（项目编号12ZB119）；四川文理学院重点项目《无线双模数据融合定位技术研究》（项目编号2010A04Z）。

TN919.3

A

1009-6434（2016）03-0013-02