Методы распределения ресурсов для систем с ортогональным доступом с частотным разделением каналов (OFDMA)

Методы распределения ресурсов для систем с ортогональным доступом с частотным разделением каналов

В новейших телекоммуникационных стандартах как проводной, так и беспроводной связи все чаще можно встретить применение технологии ортогонального доступа с частотным разделением каналов (OFDMA). Технология OFDMA активно используется в таких стандартах подвижной радиотелефонной связи как IEEE 802.16 и 3GPP Long Term Evolution (LTE). Популярность системы обеспечивается следующими особенностями: высокая эффективность использования радиочастотного спектра; применение различных схем модуляции для каждой поднесущей; простая аппаратная реализация; потенциальные возможности уменьшения мощности передачи. В стандартах технологии OFDMA не определены алгоритмы распределения ресурсов, поэтому каждый разработчик может применять собственные инновационные алгоритмы и процедуры распределения ресурсов. От свойств применяемого алгоритма распределения ресурсов в системе OFDMA зависит качество услуг в сети. Ключевые слава: алгоригмы Разработка новых алгоритмов основывается на идее более рационального назначения пользователю подне-

распредепения ресурсов, OFDMA, сущей частоты и определения для каждого пользователя на каждой поднесущей частоте необходимой мощно-тчесгво успуг, методы си. Алгоритмы распределения ресурсов можно дифференцировать по степени сложности, справедливости

распредепения ресурсов. распределения ресурсов между пользователями и производительности алгоритма.

Языков Д.Н.,

аспирант ФГУП ЦНИИС, yazikovd@gmail.com

С развитием рынка телекоммуникаций появляется все большее количество пользователей, которым необходимо передавать и принимать высококачественное видеоизображение, поддерживать постоянное высокоскоростное соединение с сетью Интернет, пользоваться разнообразными приложениями, требующими высоких скоростей передачи данных и большой пропускной способность. Постоянно растущая нагрузка на сети операторов подвижной радиотелефонной связи требует регулярной модернизации их сетей.

Повсеместное развитие и активное использование современных сетей подвижной радиотелефонной связи четвертого поколения стандартов Long Term Evolution (LTE) и IEEE 802.16, пришедших на смену распространенным во всем мире стандартам: универсальная система мобильной связи (UMTS, Universal Mobile Telecommunications System) и CDMA2000 (IMT-MC), в основе которых лежит одна и та же технология — множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA, Code Division Multiple Access), поможет справиться на некоторое время с проблемами возникающими вследствие постоянно растущей нагрузкой на сети операторов подвижной радиотелефонной связи (ОПРС).

Развертывание первой коммерческой сети, основанной на стандарте LTE, в РФ был осуществлено в городе Новосибирске в конце

2011 г. компанией "Скартел", которая планировала к середине

2012 г. полностью перевести все свое оборудование на эту технологию. Первая сеть стандарта LTE в Москве была запущена в марте 2012 г. группой компаний "Антарес". По состоянию на ноябрь 2012 г. LTE работает более чем в 23-х крупньх городах РФ. В апреле 2012 г. оператор подвижной радиотелефонной связи МегаФон стал первым из операторов "большой тройки", который смог предоставить своим клиентам в РФ возможность доступа к услугам связи четвертого поколения. Новосибирск, стал первым городом РФ, в котором оператор подвижной радиотелефонной связи Мегафон развернул сеть четвертого поколения, а уже немного позже сеть была развернута и в Москве.

В основе современных систем связи четвертого поколения используются такие технологии как система мультиплексирования с ортогональным доступом с частотным разделением каналов (OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access) и метод пространственного кодирования сигнала, при котором передача дан-

ных осуществляется с помощью N антенн и их приема М антеннами MIMO (Multiple Input Multiple Output). Множество исследований при создании современных систем связи четвертого поколения ведутся в направлении использования технологии ортогонального доступа с частотным разделением каналов.

Технология OFDMA принята в качестве метода доступа для стандарта подвижной радиотелефонной связи LTE, разработанного консорциумом 3GPP (3rd Generation Partnership Project), и стандарта 802.16, разработанного институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) [1,2].

Технология OFDMA является частным случаем технологии OFDM, формирование модуляционных символов происходит аналогично, разница обнаруживается в принципе разделения каналов. OFDMA позволяет закреплять отдельные поднесущие за разными пользователями (рис. 1).

Ортогональное частотное разделение каналов является методом мультиплексирования, который разделяет полосу канала на множество поднесущих, как показано на рис. 2. Процесс передачи информации по радиоканалу осуществляется посредством изменения частоты, фазы, или амплитуды несущих. Входной поток высокой скорости дробится на множество параллельных потоков с меньшей скоростью. Каждый поток модулируется на отдельной поднесущей в частотной области, при помощи обратного быстрого преобразования Фурье и передается в канал. На принимающей стороне происходит демодуляция сигнала при помощи обратного преобразования Фурье, далее сигнал преобразуется в спектральные составляющее из комплексной временной формы, в процессе происходит восстановление исходных поднесущих с их модуляцией, а соответственно и всего исходного потока битов. Технология OFDM предполагает как можно более рациональное использование спектра, за счет передачи данных параллельно по множеству близко расположенных друг к другу частотных подканалов.

Структура подканала OFDMA включает несколько типов поднесущих:

— информационные поднесущие частоты для передачи данных;

— нулевые поднесущие частоты, применяемые для защитных интервалов частот;

— поднесущие частоты для передачи пилот-сигналов (для возможности измерений и функций синхронизации) [3].

Информационные поднесущие частоты и поднесущие для передачи пилот-сигналов группируются в подканалы. На рис. 3 представлена структура распределения поднесущих частот.

РИс. 1. Распределение поднесущих пользователям базовой станцией в системе OFDMA

Технология OFDMA включает широкий спектр возможностей передачи сигналов и высокую устойчивость к многолучевому эффекту при распространении сигнала. Основное достоинство OFDMA заключается в многопользовательском разнесении каналов и адаптивной модуляции и кодировании. На сегодняшний день существует множество алгоритмов распределения ресурсов в OFDMA, поскольку в стандартах связи, таких как LTE или 802.16, не оговариваются четкие методы или алгоритмы распределения ресурсов, поэтому каждый разработчик оборудования имеет право применять собственные наработки. Главными задачами таких алгоритмов является распределение между пользователями поднесущих частот и выделение мощности на каждой поднесущей.

Алгоритм максимальной суммы скоростей

Одним из таких существующих на сегодняшний день алгоритмов является алгоритм максимальной суммы скоростей (MSR, Maximum Sum Rate). Целью данного алгоритма является получение максималь-

ной суммы скоростей всех пользователей, принимая во внимание общее ограничение мощности передачи [4]. Этот алгоритм является оптимальным, если основной задачей является получение максимально возможного количества данных в системе за некоторый промежуток времени. Каждый канал отдается пользователю с лучшим коэффициентом усиления в этом канале.

Недостаток данного алгоритма может проявляться в том, что нескольким пользователям, наиболее близко расположенным к базовой станции (БС) и, соответственно, имеющим наиболее хорошие параметры каналов, будут выделены все ресурсы системы.

Алгоритм максимальной справедливости

Несмотря на то, что использование в системе алгоритма MSR значительно увеличивает общую пропускную способность, существует вероятность, что выделение ресурсов некоторым пользователям будет крайне недостаточным (например, пользователям удаленным от БС). Альтернативой алгоритму MSR может являться алгоритм максимальной справедливости (FA, Fairness algorithm), который направлен на выделение пользователям частотного ресурса в порядке увеличения минимальной скорости передачи данных [5]. В сущности, это соответствует выравниванию скоростей передачи данных всех пользователей, отсюда и следует название данного алгоритма. Основной целью FA является максимизация минимальной скорости передачи данных в системе. В этом алгоритме гораздо сложнее определить оптимальное распределение поднесущих частот и мощности, чем в алгоритме MSR. Из-за сложности оптимизации алгоритма максимальной справедливости, возникают проблемы с его реализацией.

Общий подход данного алгоритма заключается в том, что первоначально на каждую поднесущую выделяется равная мощность, а после пошагово назначаются доступные поднесущие пользователям с наименьшей скоростью, но наилучшими характеристиками в канале.

Слабой стороной алгоритма максимальной справедливости является то, что распределение скоростей между пользователями не будет гибким. Кроме того, общая пропускная способность в значительной степени ограничена пользователем с наихудшим отношением уровня сигнала к уровню шума (SINR, Signal to Interference Noise Ratio), потому как большая часть ресурсов выделяется именно ему, что является крайне неоптимальным подходом.

Рис. 2. Схема модуляции с несколькими несущими

Таблица 1

Качественная оценка алгоритмов распределения ресурсов

данных

Рис. 3. Структура распределения поднесущих

Алгоритм пропорционального ограничения скорости

Обобщением алгоритма максимальной справедливость является алгоритм пропорционального ограничения скорости (PRC, Proportional Rate Constraints), целью которого является максимизация суммарной пропускной способности с дополнительным ограничением, что скорость передачи данных каждого пользователя пропорциональна набору заранее определенных параметров системы [6]. В данном алгоритме особо остро стоит проблема оптимизации.

Алгоритм пропорционально справедливого распределения

Альтернативным алгоритмом является алгоритм пропорционально справедливого распределения (PF, Proportional Fairness) основной целью которого является соблюдение компромисса между двумя приоритетными требованиями в сети: попытке максимизировать общую пропускную способность беспроводной сети, поддерживая при этом уровень сервиса не ниже минимального [7]. Алгоритм PF — это алгоритм, который позволяет максимизировать пропускную способность в долгосрочном периоде работы пользователя в зависимости от средних условий передачи, удовлетворяя при этом условиям объективности для каждого из них. Данный алгоритм разработан с целью распределения ресурсов в многопользовательском режиме, пока канал поддерживается в работоспособном состоянии, пропускные способности всех пользователей сравнимы в долгосрочном периоде. Так как алгоритм выбирает изначально пользователей с наибольшим мгновенным значением скорости, отнесенным к средней пропускной способности, то канал с плохими условиями передачи выбирается в последнюю очередь. Чтобы исправить эту проблему и улучшить объективность алгоритма, необ-служенным пользователям назначаются приоритеты. PF пытается увеличить степень справедливости среди соединений, выбрав те, которые имеют наибольшее относительное качество канала, где отно-

сительное качества канала представляет собой соотношение между текущей поддерживаемой скоростью передачи данных (которая зависит от условий его качества канала) и его средней пропускной способностью. Недостаток данного алгоритма заключается в том, что он не может поддерживать приложения реального времени, такие как голосовые сервисы и сервисы потоковое видео.

Рассмотренные алгоритмы распределения ресурсов можно дифференцировать по степени сложности, справедливости распределения ресурсов между пользователями и производительности алгоритма (см. табл. 1).

От свойств применяемого алгоритма распределения ресурсов для технологии ортогонального доступа с частотным разделением каналов зависит качество услуг, предоставляемых пользователю в сети. Разработка новых алгоритмов и модернизация имеющихся должна основываться на идее более рационального назначения пользователю поднесущей частоты и определения для каждого пользователя на каждой поднесущей частоте необходимой мощности.

Литература

1. IEEE 802.16 — 2012. IEEE Standard lor Air Interface for Broadband Wireless Access Systems. Aug 2012. — 2544 p.

2. Nohrborg M. LTE Overview. http://www.3gpp.org/LTE.

3. Берлин А.Н. Цифровая сотовая связь. — М.: Эко-Трендз, 2007. — 296с.

4. Zhang YJ, LetaiefK.B. Multi-user adaptive subcarrier and bit allocation with adaptive cell selection for OFDM systems // IEEE Transactions on Wireless Communications, Sep. 2004.

5. Rhee W, Cioffi J. M. Increase in capacity of multi-user OFDM system using dynamic sub channel allocation // Vehicular Technology Conference Proceedings, May 2000.

6. Ibnkahla M. Adaptation and Cross Layer Design in Wireless Networks // CRC Press, Aug 2008.

7. Viswanath P, Tse D, Laroia R. Opportunistic beam forming using dumb antennas // IEEE Transactions on Information Theory, vol. 48, no. 6, June 2002.

Methods of resource allocation for systems with Orthogonal frequency-division multiple access

Yazykov D.N.

Abstract

The usage of Orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) technology is increasingly met in the latest (modern) wireless and wire communication standards. The OFDMA technology is widely used in such standards as mobile telephone communications IEEE 802.16, IEEE 802.20, 3GPP Long Term Evolution (LTE) and IEEE 802.22. The popularity of the system is provided by the following features: the high efficiency of radio frequency spectrum usage; the usage of different modulation schemes for each sub-carrier; simple hardware implementation; the potential to reduce the transmission capacity. The algorithms of resource allocation are not defined in standards of OFDMA technology, so each developer can apply his own innovative algorithms and procedures for the resource allocation. The development of new algorithms is based on the idea of a more rational assignment of subcarrier frequency and determination of necessary capacity for every subcarrier frequency for each user. The quality of services in the network directly depends on properties of the applied algorithm of resource allocation in OFDMA technology. Generally, all the algorithms can be differentiated by their complexity, fairness in resource distribution between users and the performance of the algorithm.

Keywords algorithms of resource allocation, OFDMA, QoS, methods of resource allocation.