CN101800998B - OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的OFDMA系统中的Relay参与调度的动态资源分配方法，包括以下步骤：eNB和RS共同进行子信道分配；每个RS分别向eNB上报其服务的已分配了信道的MS的平均速率和RS本身缓存中数据包个数是否为零的信息；eNB选出w个缓存中数据包个数不为零的RS，在第一帧内为eNB和每个RS分配发送数据的时间，并记录该帧的帧结构；从第二帧起，根据实时的吞吐量情况进行帧结构的动态迭代，在得到最优帧结构后，停止动态迭代且使用最优帧结构进行数据传输；每隔时间T后，开始新一轮的资源分配。本发明能够降低信道分配方法的复杂度，减少系统中信道状态信息的传送，并且利用各段链路的不平衡性以及RS带缓冲的特点提高了系统的资源利用率。

Description

OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种OFDMA(正交频分多址接入)系统中Relay(小区中继)参与调度的动态资源分配方法。

背景技术

LTE-Advanced系统中引入了Relay技术来扩大小区的覆盖范围，提高小区边缘用户的吞吐率。由此，传统小区的传输模式由一跳转变为两跳甚至多跳的模式，同时也增加了小区中资源分配策略的复杂度。目前，对有Relay参与通信的小区的资源分配方法主要可分为由基站集中调度和Relay参与调度两种，其中：集中调度是指基站根据Relay和用户反馈的信道信息等独立地完成整个系统的资源分配，基站需要获得小区中所有信道的信息，包括基站到用户、RS到用户间所有链路，集中调度方法一般能够达到最优解，故其资源利用率较高，往往能获得较好的性能，但其缺点是需要大量的信道状态信息(CSI)，且复杂度较高；Relay参与调度是指由基站为小区中的Relay指定一部分固定的资源，供Relay自行为其服务的用户分配资源，而基站本身只需负责与直接用户和Relay通信即可，这种方法相比集中调度大大减少了CSI传送，方法也相对简单，这使得它在工程应用中更具可行性。

经对现有技术文献的检索发现，M.Awad等人在《IEEE International Conference onCommunication，May 2008，pp.4414-4418(电气电子工程师协会国际通信会议，2008年5月，第4414-4418页)》上发表了题为“OFDMA Based Two-hop Cooperative Relay NetworkResources Allocation(基于OFDMA的两跳合作中继网络中的资源分配)”一文，该文提出一种贪婪方法来做中心式资源分配，改方法基于基站获得全局的CSI信息；另经检索发现，LinXiao等人在《IEEE Wireless Communication and Networking Conference，Apr.2009(电气电子工程师无线通信和网络会议，2009年4月)》上发表了题为“Load Based Relay SelectionAlgorithm for Fairness in Relay Based OFDMA Cellular Systems(OFDMA中继蜂窝网络中基于负载平衡的公平性中继选择方法)”一文，该文基于全局CSI信息和集中调度的方法设计了一种考虑了负载平衡和公平性的中继选择方法，但是以上两种技术都需要所有的中继接点和用户向中心基站反馈大量的信道信息。

经检索还发现，M.Kaneko等在《IEEE Transaction on Vehicular Technology May 2009，pp.1951-1964(电气电子工程师协会车辆技术通信领域期刊，2009年五月，第1951-1964页)》上发表的文章“Throughput Guaranteed Resource Allocation Algorithms for Relay-aidedCellular OFDMA System(Relay参与调度的OFDMA系统中基于吞吐量保证的资源分配方法)”，该文基于Relay参与调度的场景进行了一些研究，提出了一种提高资源利用率的方法，在这种方法下，系统不仅能够获得较好的吞吐率、减少断线率，而且方法的复杂度低，对CSI的要求降到最小。但是本文只考虑了固定帧结构的情况，并不能更灵活的分配资源。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提出了一种OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法。本发明根据当前信道分配后的各链路的容量以及实时的吞吐量信息构造帧结构，从而利用各段链路的不平衡性提高系统的资源利用率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

第一步，eNB(基站)和RS(中继站)根据已获知的信道信息，共同进行子信道分配。

所述的子信道分配，具体步骤为：

1)RS分配子信道：RS利用现有的PFS方法为其服务的且在其缓冲内有数据包的用户分配子信道；

2)RS向eNB发送请求用户的请求信息；

所述的请求用户是RS服务的但在其缓冲内没有数据包的用户。

所述的请求信息包括：请求用户的编号m、请求用户在所有信道上PFS度量的最大值φ_max(m)和所有请求用户的所有信道平均PFS度量的最大值φ_max(r)，r表示RS的编号。

3)eNB分配子信道：eNB对各个RS发来的请求进行处理，产生一个PFS度量的值在所有子信道上与直接用户一起参与eNB处的PFS分配，完成对信道的分配。

第二步，根据信道分配结果，每个RS分别向eNB上报其服务的已分配了信道的MS的平均速率和RS本身缓存中数据包个数是否为零的信息。

第三步，eNB选出w个缓存中数据包个数不为零的RS，并得到RS-MS链路的用户的平均速率Rate_RS-MS和eNB-RS链路的平均速率Rate_eNB-RS，在第一帧内为eNB和每个RS分配发送数据的时间，并记录该帧的帧结构。

所述的帧是单位时间T_f。

所述的w的取值范围是：O-N，N为小区中所有RS的个数。

所述的eNB发送数据的时间，具体公式是：

$T_{\mathrm{eNB}}\left(k\right)=T_f-\frac{w\×T_{\mathrm{eNB}}(k-1)\×{\stackrel{\‾}{\mathrm{Rate}}}_{\mathrm{eNB}-\mathrm{RS}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{Rate}}}_{\mathrm{RS}-\mathrm{MS}}},$

其中：T_eNB(k)是第k轮资源分配中为eNB分配的发送数据时间，T_eNB(k-1)是第(k-1)轮资源分配中为eNB分配的发送数据时间，T_eNB(0)＝1/2T_f，T_f是每帧的时间。

所述的每个RS发送数据的时间相等，具体公式是：

$T_{{\mathrm{RS}}_i}\left(k\right)=\frac{(T_f-T_{\mathrm{eNB}}\left(k\right))}{w},$

其中：T_RSi(k)表示第k轮资源分配中编号为i的RS分配的发送数据的时间，T_f是每帧的时间，T_eNB(k)是第k轮资源分配中为eNB分配的发送数据时间，i≤w。

第四步，从第二帧起，根据实时的吞吐量情况进行帧结构的动态迭代，在得到最优帧结构后，停止动态迭代且使用最优帧结构进行数据传输。

所述的动态迭代，具体是：

1)判断第二帧内RS子帧的数目q，当q≥1，则：第二帧中穆去第一帧结构中吞吐量最小的RS子帧，并把该RS子帧的时间加给eNB子帧，继续执行2)；若q＝0，则第一帧就是最优帧，动态迭代结束；

2)第二帧传完后，记录该帧内每个RS的吞吐量和系统总吞吐量，若第二帧的系统总吞吐量比第一帧的系统总吞吐量大，则判断第三帧内RS子帧的数目q，当q≥1，则，第三帧中穆去第二帧结构中吞吐量最小的RS子帧，并把该RS子帧的时间加给eNB子帧，继续执行3)，若q＝0，则第二帧就是最优帧，动态迭代结束；若第二帧的系统总吞吐量小于或者等于第一帧的系统总吞吐量，则第一帧就是最优帧，动态迭代结束；

3)按照2)的方法，直至第U帧的系统吞吐量小于或者等于第(U-1)帧的系统吞吐量，则第(U-1)帧就是最优帧，动态迭代结束。

第五步，每隔时间T后，返回第一步，开始新一轮的资源分配。

所述的T＜＜1/B_d，其中：B_d是信道的最大多普勒频穆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用Relay请求机制分配子信道，降低了信道分配方法的复杂度，同时大大减少了系统中信道状态信息的传送；根据当前信道分配后的各链路的传输速率以及实时的吞吐量信息构造合理的帧结构，利用各段链路的不平衡性以及RS带缓冲的特点提高了系统的资源利用率，且能保证系统的通信质量。

附图说明

图1是实施例第一帧的帧结构示意图；

图2是实施例的吞吐量性能示意图；

图3是实施例短线率性能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例为两跳OFDMA系统下Relay参与调度的单个小区的下行链路进行资源的动态分配，本系统包括：六个RS，二十个用户，十二条子信道，每个RS在时间上独立，并在各自的传输时间内使用所有频率资源，具体的步骤如下：

第一步，eNB和RS根据已获知的信道信息，共同进行子信道分配。

所述的子信道分配，具体步骤为：

1)RS分配子信道：RS利用现有的PFS方法为其服务的且在其缓冲内有数据包的用户分配子信道；

所述的RS分配子信道是根据每个非直接用户(在RS的缓冲内有数据包的用户)在信道n下的PFS度量，将信道n分配给PFS度量最大的用户，其中用户m在信道n下的PFS的具体公式为：

${\mathrm{\φ}}_{m,n}=\frac{r_{m,n}}{\frac{{\mathrm{\β}}_m\left(k\right)}{R}},$

其中： ${\mathrm{\β}}_m\left(k\right)=\frac{1}{P}\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{R}_m(k-i),$

β_m(k)表示第k轮之前的P轮信道分配中用户m分配到的子信道的平均速率，P是一个窗口参数，P≤k，本实施例中P取值为20，最初20轮信道分配的平均速率设定为0.01(只需取一足够小的数以避免PFS度量的分母为0即可)；R_m(k-i)表示第(k-i)轮信道分配后用户m获得的传输速率，R表示非直接用户在RS-MS链路上的平均传输速率，r_m，n表示当前信道状态下用户m在信道n上获得的传输速率。

2)RS向eNB发送请求用户的请求信息；

所述的请求用户是RS服务的但在其缓冲内没有数据包的用户。

所述的请求信息包括：请求用户的编号m、请求用户在所有信道上PFS度量的最大值φ_max(m)和所有请求用户的所有信道平均PFS度量的最大值φ_max(r)，r表示RS的编号。

3)eNB分配子信道：eNB对各个RS发来的请求进行处理，产生一个PFS度量的值在所有子信道上与直接用户一起参与eNB处的PFS分配，完成对信道的分配。

所述的eNB分配子信道，具体过程是：

a、根据每个直接用户在信道n下的的PFS度量，将信道n分配给PFS度量最大的用户，其中用户m在信道n下的PFS的具体公式为：

${\mathrm{\φ}}_{m,n}=\frac{r_{m,n}}{\frac{{\mathrm{\β}}_m\left(k\right)}{R}},$

其中： ${\mathrm{\β}}_m\left(k\right)=\frac{1}{P}\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{R}_m(k-i),$

β_m(k)表示第k轮之前的P轮信道分配中用户m分配到的子信道的平均速率，P是一个窗口参数，P≤k，本实施例中P取值为20，最初20轮信道分配的平均速率设定为0.01(只需取一足够小的数以避免PFS度量的分母为0即可)；R_m(k-i)表示第(k-i)轮信道分配后用户m获得的传输速率，R表示直接用户在eNB-MS链路上的平均传输速率，r_m，n表示当前信道状态下用户m在信道n上获得的传输速率。

b、将直接用户初步分配后所在信道上的PFS度量φ_m，n与所有请求用户的平均度量φ_max进行比较，得到其中小于φ_max的子信道的个数y，并记录这些子信道；

c、若y小于所有请求用户的个数，则将RS发来的请求用户的PFS度量按从大到小排序后，选取前y个请求用户，将y个子信道任意分配给这y个请求用户所在的RS，且将请求用户的数据在信道上传输；若y大于所有请求用户的个数U，则将选出的y个信道上的PFS度量从小到大进行排序，选出最小的U个信道，将这U个信道任意分配给y个请求用户，余下的(y-U)个子信道仍维持a中的分配。

第二步，根据信道分配结果，每个RS分别向eNB上报其服务的已分配了信道的MS的平均速率和RS本身缓存中数据包个数是否为零的信息。

第三步，eNB选出四个缓存中数据包个数不为零的RS，并得到RS-MS链路的用户的平均速率Rate_RS-MS和eNB-RS链路的平均速率Rate_eNB-RS，在第一帧内为eNB和每个RS分配发送数据的时间，并记录该帧的帧结构，如图1所示。

所述的帧是单位时间T_f＝12ms。

所述的eNB发送数据的时间，具体公式是：

$T_{\mathrm{eNB}}\left(k\right)=T_f-\frac{w\×T_{\mathrm{eNB}}(k-1)\×{\stackrel{\‾}{\mathrm{Rate}}}_{\mathrm{eNB}-\mathrm{RS}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{Rate}}}_{\mathrm{RS}-\mathrm{MS}}},$

其中：T_eNB(k)是第k轮资源分配中为eNB分配的发送数据时间，T_eNB(k-1)是第(k-1)轮资源分配中为eNB分配的发送数据时间，T_eNB(0)＝1/2T_f，w是选出的RS的个数，即w＝4。

所述的每个RS发送数据的时间相等，具体公式是：

$T_{{\mathrm{RS}}_i}\left(k\right)=\frac{(T_f-T_{\mathrm{eNB}}\left(k\right))}{w},$

其中：T_RSi(k)表示第k轮资源分配中为编号为i的RS分配的发送数据的时间。

第四步，从第二帧起，根据实时的吞吐量情况进行帧结构的动态迭代，在得到最优帧结构后，停止动态迭代且使用最优帧结构进行数据传输。

所述的动态迭代，具体是：

1)判断第二帧内RS子帧的数目q，当q≥1，则，第二帧中穆去第一帧结构中吞吐量最小的RS子帧，并把该RS子帧的时间加给eNB子帧，继续执行2)；若q＝0，则第一帧就是最优帧，动态迭代结束；

2)第二帧传完后，记录该帧内每个RS的吞吐量和系统总吞吐量，若第二帧的系统总吞吐量比第一帧的系统总吞吐量大，则判断第三帧内RS子帧的数目q，当q≥1，则，第三帧中穆去第二帧结构中吞吐量最小的RS子帧，并把该RS子帧的时间加给eNB子帧，继续执行3)，若q＝0，则第二帧就是最优帧，动态迭代结束；若第二帧的系统总吞吐量小于或者等于第一帧的系统总吞吐量，则第一帧就是最优帧，动态迭代结束；

3)按照2)的方法，直至第U帧的系统吞吐量小于或者等于第(U-1)帧的系统吞吐量，则第(U-1)帧就是最优帧，动态迭代结束。

第五步，每隔时间T(本实施例中T＝0.24s＜＜1/B_d，B_d为信道的最大多普勒频移)后，返回第一步，开始新一轮的资源分配。

图2和图3给出了分别采用本实施例方法和现有的两种方法得到的系统的吞吐率和短线率的性能比较示意图，其中：AATD表示本实施例；FFTD表示固定帧结构系统，其帧结构始终为：eNB的传输时间与所有RS的传输时间各占总帧长的一半，各个RS的传输时间相等；FATD表示使用M.Kaneko等在《IEEE Transaction on Vehicular Technology May 2009，pp.1951-1964(电气电子工程师协会车辆技术通信领域期刊，2009年五月，第1951-1964页)》中提到的MRAA方法，该方法使用动态迭代方法获得最优帧结构，但其初始帧结构固定，与FFTD中使用的帧结构相同。

吞吐率指标是指系统单位时间单位频率内平均每个用户收到的比特数，如图2所示，动态的帧结构方法(AATD、FATD)相比固定的帧结构方法(FFTD)吞吐率性能有很大程度的提升，吞吐率的增加超过50％。在进行动态调整的基础上，使用AATD比使用FATD的的吞吐率增加3％-10％左右，增加量与RS的数量有关。这是因为：当RS数目较大时，RS子帧的时间变长，从而使得直接用户通信的时间变短，吞吐率减少，因此动态初始结构所带来的系统总吞吐率性能的改善程度略有下降。由此可知，本实施例方法得到的吞吐率性能最好。

断线率指标是系统中用户传输速率r_k无法达到某一阈值的概率(本实施例中阈值设定为0.6bit/s/Hz)，r_k是每100帧时间内的平均速率，如图3所示，动态方法的断线率性能仍然大大优于固定帧结构方法(FFTD)，而AATD方法的性能也优于FATD方法，这说明AATD在利用冗余时间资源提高吞吐量的同时，也较好地保证了低速率用户的通信质量。

Claims (6)

1.一种OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，eNB和RS根据已获知的信道信息，共同进行子信道分配；

第二步，根据信道分配结果，每个RS分别向eNB上报其服务的已分配了信道的MS的平均速率和RS本身缓存中数据包个数是否为零的信息；

第三步，eNB选出w个缓存中数据包个数不为零的RS，并得到RS-MS链路的用户的平均速率

和eNB-RS链路的平均速率

在第一帧内为eNB和每个RS分配发送数据的时间，并记录该帧的帧结构，其中：0≤w≤N，N为小区中所有RS的个数；

第四步，从第二帧起，根据实时的吞吐量情况进行帧结构的动态迭代，在得到最优帧结构后，停止动态迭代且使用最优帧结构进行数据传输，其中动态迭代具体是：

1)判断第二帧内RS子帧的数目q，当q≥1，则：第二帧中移去第一帧结构中吞吐量最小的RS子帧，并把该RS子帧的时间加给eNB子帧，继续执行2)；若q＝0，则第一帧就是最优帧，动态迭代结束；

2)第二帧传完后，记录该帧内每个RS的吞吐量和系统总吞吐量，若第二帧的系统总吞吐量比第一帧的系统总吞吐量大，则判断第三帧内RS子帧的数目q，当q≥1，则，第三帧中移去第二帧结构中吞吐量最小的RS子帧，并把该RS子帧的时间加给eNB子帧，继续执行3)，若q＝0，则第二帧就是最优帧，动态迭代结束；若第二帧的系统总吞吐量小于或者等于第一帧的系统总吞吐量，则第一帧就是最优帧，动态迭代结束；

3)按照2)的方法，直至第U帧的系统总吞吐量小于或者等于第(U-1)帧的系统总吞吐量，则第(U-1)帧就是最优帧，动态迭代结束；

第五步，每隔时间T后，返回第一步，开始新一轮的资源分配。

2.根据权利要求1所述的OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法，其特征是，第一步中所述的子信道分配，具体步骤为：

1)RS分配子信道：RS利用现有的PFS方法为其服务的且在其缓存内有数据包的用户分配子信道；

2)RS向eNB发送请求用户的请求信息；

3)eNB分配子信道：eNB对各个RS发来的请求进行处理，产生一个PFS度量的值在所有子信道上与直接用户一起参与eNB处的PFS分配，完成对信道的分配。

3.根据权利要求2所述的OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法，其特征是，所述的请求信息包括：请求用户的编号m、请求用户在所有信道上PFS度量的最大值φ_max(m)和所有请求用户的所有信道平均PFS度量的最大值

r表示RS的编号。

4.根据权利要求1所述的OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法，其特征是，第三步中所述的eNB发送数据的时间，具体公式是：

$T_{\mathrm{eNB}}\left(k\right)=T_f-\frac{w\×T_{\mathrm{eNB}}(k-1)\×{\stackrel{\‾}{\mathrm{Rate}}}_{\mathrm{eNB}-\mathrm{RS}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{Rate}}}_{\mathrm{RS}-\mathrm{MS}}},$

其中：T_eNB(k)是第k轮资源分配中为eNB分配的发送数据时间，T_eNB(k-1)是第(k-1)轮资源分配中为eNB分配的发送数据时间，T_eNB(0)＝1/2T_f，T_f是每帧的时间。

5.根据权利要求1所述的OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法，其特征是，第三步中所述的每个RS发送数据的时间相等，具体公式是：

$T_{{\mathrm{RS}}_i}\left(k\right)=\frac{(T_f-T_{\mathrm{eNB}}\left(k\right))}{w},$

其中：T_RSi(k)表示第k轮资源分配中编号为i的RS分配的发送数据的时间，T_f是每帧的时间，T_eNB(k)是第k轮资源分配中为eNB分配的发送数据时间，i≤w。

6.根据权利要求1所述的OFDMA系统中Relay参与调度的动态资源分配方法，其特征是，第五步中所述的T＜＜1/B_d，其中：B_d是信道的最大多普勒频移。

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