趙季紅 ，李 強(qiáng) ，曲 樺 ，欒智榮

（1.西安郵電學(xué)院通信工程學(xué)院 西安 710061；2.西安交通大學(xué)電信學(xué)院 西安 710049）

1 引言

作為L(zhǎng)TE技術(shù)的后續(xù)演進(jìn)，LTE-A技術(shù)需要滿足有不同帶寬需求和不同QoS需求的話音、數(shù)據(jù)、視頻等多類業(yè)務(wù)，但有限的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源使得用戶對(duì)大量業(yè)務(wù)的體驗(yàn)受到限制。無(wú)線資源管理方法的好壞將直接影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。對(duì)單一無(wú)線資源進(jìn)行管理雖然能夠在某個(gè)方面提高系統(tǒng)性能，但由于無(wú)線資源之間的相關(guān)性，網(wǎng)絡(luò)整體性能可能下降。對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能的優(yōu)化問(wèn)題，由于無(wú)線資源之間的相互影響、制約和競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，采用傳統(tǒng)方案無(wú)法有效解決。

博弈論是分析具有斗爭(zhēng)或競(jìng)爭(zhēng)性質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論和方法，主要研究不同主體在“策略相互依存”情況下的相互作用[1]。它作為數(shù)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，在解決資源分配問(wèn)題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2]，近年來(lái)在無(wú)線資源管理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[3,4]針對(duì)無(wú)限小區(qū)內(nèi)用戶，利用博弈論指導(dǎo)不同網(wǎng)絡(luò)對(duì)各類業(yè)務(wù)的帶寬分配；參考文獻(xiàn)[5]以信道為博弈對(duì)象，改善了無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、時(shí)延、抖動(dòng)等系統(tǒng)性能；參考文獻(xiàn)[6]研究了功率、頻譜的博弈。然而，以上的研究工作都是對(duì)單一的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源博弈的研究，不同策略下的博弈模型之間缺乏關(guān)聯(lián)性，無(wú)法保證從整體上提高系統(tǒng)性能。

基于上述分析，本文提出了一種新的基于LTE-A網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線資源管理模型，采用博弈方法對(duì)LTE-A系統(tǒng)中無(wú)線資源的分配方法進(jìn)行了研究。該模型針對(duì)不同協(xié)議棧層無(wú)線資源管理的特點(diǎn)，分別在RRC、MAC和物理層建立博弈模型，突破以往只存在于單一協(xié)議棧層的博弈，利用跨層方法將各個(gè)協(xié)議棧層聯(lián)合起來(lái)，以提高系統(tǒng)的整體性能。

2 LTE-A系統(tǒng)平臺(tái)與基于LTE-A技術(shù)的無(wú)線資源跨層的博弈分析

相比已經(jīng)接近4G的LTE技術(shù)，LTE-A技術(shù)需要在LTE技術(shù)的基礎(chǔ)上平滑演進(jìn)，主要針對(duì)最大帶寬和上行峰值速率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究。由于物理層信號(hào)處理技術(shù)的耗竭，LTE-A技術(shù)的工作重點(diǎn)應(yīng)該向RRM技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方面轉(zhuǎn)變[7]。

2.1 LTE-A系統(tǒng)平臺(tái)

LTE-A系統(tǒng)主要由E-UTRAN(evolution-universalterrestrial radio access network，演進(jìn)的通用陸地?zé)o線接入網(wǎng))和EPC（evolved packet core，演進(jìn)的分組核心網(wǎng)）組成[8]，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

EPC屬于核心網(wǎng)，E-UTRAN屬于接入網(wǎng)。無(wú)線資源管理過(guò)程主要發(fā)生在接入網(wǎng)，即E-UTRAN。主要研究E-UTRAN中的RRC層、第二層（包含PDCP層、RLC層和MAC層）和物理層。其中RRC層用于處理用戶與基站之間大部分控制信令[9]。第二層中關(guān)于無(wú)線資源管理的功能主要集中在MAC層，MAC層實(shí)現(xiàn)與調(diào)度和HARQ(hybrid automatic repeat-request，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求)相關(guān)的功能，其目的是在上下兩層之間提供一個(gè)有效的連接[10]。物理層向高層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[11]，可以通過(guò)MAC層并使用傳輸信道接入這些服務(wù)，RRC層、MAC層和物理層的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

LTE-A中無(wú)線資源管理 (radio resource management，RRM)的目標(biāo)是在有限帶寬的條件下，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無(wú)線用戶終端業(yè)務(wù)提供質(zhì)量保證。其基本出發(fā)點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶以及資源分布不均、信道情況復(fù)雜等情況下，靈活分配和調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的有效資源，最大程度地提供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)頻譜利用率，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量同時(shí)減少干擾和擁塞。LTE-A中無(wú)線資源管理的功能包括：無(wú)線承載控制（RBC）、無(wú)線接入控制（RAC）、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）、系統(tǒng)間無(wú)線資源管理等[12]。

2.2 基于LTE-A技術(shù)的無(wú)線資源博弈分析及其跨層模型

基于LTE-A技術(shù)的無(wú)線資源管理主要為了實(shí)現(xiàn)在無(wú)線資源短缺情況下，對(duì)各個(gè)功能模塊合理分配資源。針對(duì)LTE-A的具體情況，RRC層、MAC層、物理層中分別包含多個(gè)無(wú)線資源管理模塊，各層內(nèi)部需要利用博弈論的理念優(yōu)化其性能。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能最大化的目標(biāo)，利用跨層機(jī)制，通過(guò)在協(xié)議棧的各層之間傳遞特定的信息來(lái)協(xié)調(diào)各層間的工作過(guò)程。

出于上述考慮，本研究設(shè)計(jì)的基本思想是：首先，根據(jù)協(xié)議棧中每個(gè)層的特點(diǎn)，在RRC層、MAC層、物理層建立相應(yīng)的博弈模型，在建立模型的過(guò)程中要綜合其他協(xié)議棧層的博弈策略空間及博弈結(jié)果；其次，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，設(shè)定RRC層為總體博弈目標(biāo)；最后，讓MAC層和物理層的博弈都為RRC層的博弈服務(wù)。這種把多個(gè)協(xié)議棧層的博弈聯(lián)系在一起，為一個(gè)總體無(wú)線資源管理目標(biāo)服務(wù)的跨層模型稱為“無(wú)線資源管理的跨層聯(lián)合博弈模型”。

3 各層博弈模型的結(jié)構(gòu)及博弈流程

由于LTE-A網(wǎng)絡(luò)中各層對(duì)于資源管理的方式不同，所以每個(gè)層需要設(shè)計(jì)適應(yīng)其自身特點(diǎn)的博弈模型。

3.1 RRC層

RRC層包含無(wú)線資源管理中的兩個(gè)重要模塊，分別是無(wú)線承載控制（radio bearer control，RBC）模塊和無(wú)線接納控制 (radio admission control，RAC)模塊。無(wú)線承載控制模塊的主要任務(wù)是：無(wú)線承載的建立、維護(hù)和釋放過(guò)程中涉及無(wú)線資源的相關(guān)配置。當(dāng)為一個(gè)業(yè)務(wù)建立無(wú)線承載時(shí)，RBC應(yīng)該考慮無(wú)線蜂窩小區(qū)中的所有資源，包括現(xiàn)有會(huì)話的QoS (quality of service，服務(wù)質(zhì)量)要求以及新服務(wù)的QoS要求。由于移動(dòng)性或者通信環(huán)境快速變化，無(wú)線資源狀況發(fā)生變化，這時(shí)RBC會(huì)重點(diǎn)維護(hù)現(xiàn)有會(huì)話的無(wú)線承載，而在會(huì)話結(jié)束、切換或者其他情況下，RBC會(huì)釋放這些無(wú)線承載對(duì)應(yīng)的無(wú)線資源[13]。

無(wú)線接納控制模塊的主要任務(wù)是：接納或拒絕一個(gè)新的無(wú)線承載的建立。為達(dá)到合理接納的目的，RAC需要考慮無(wú)線蜂窩小區(qū)的資源狀況及用戶QoS需求，以確保系統(tǒng)能夠高效地利用無(wú)線資源。與此同時(shí)，還能夠確?，F(xiàn)有會(huì)話的QoS不受影響[13]。

RRC層的博弈模型如圖2（a）所示。

博弈的參與者分別是RBC和RAC兩個(gè)模塊，根據(jù)這兩個(gè)模塊的功能特點(diǎn)，設(shè)定博弈的空間為無(wú)線蜂窩小區(qū)內(nèi)的剩余無(wú)線資源。利用博弈的方法對(duì)剩余無(wú)線資源進(jìn)行分配，以達(dá)到提高資源利用率的目的。

3.2 MAC層

MAC層中包含的無(wú)線資源管理模塊主要為傳輸格式選擇模塊和用戶邏輯信道分配模塊。

傳輸格式選擇模塊的主要功能是控制數(shù)據(jù)傳輸塊的大小和調(diào)制方式。

用戶間邏輯信道分配模塊的主要功能是根據(jù)用戶優(yōu)先級(jí)以及用戶業(yè)務(wù)的傳輸格式進(jìn)行信道傳輸分配。

由于信道有限，用戶較多，在用戶的優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，兩個(gè)模塊會(huì)通過(guò)對(duì)傳輸時(shí)間間隔的選擇來(lái)競(jìng)爭(zhēng)信道。因此，通過(guò)傳輸格式的選擇和傳輸時(shí)間間隔之間的博弈，進(jìn)行同優(yōu)先級(jí)用戶分組的信道競(jìng)爭(zhēng)，可以實(shí)現(xiàn)整體分組的合理調(diào)度與用戶間的傳輸公平。博弈模型如圖2（b）所示。

該模型中，博弈的參與者是傳輸格式選擇模塊和用戶邏輯信道分配模塊。它們的策略空間分別是傳輸塊大小與調(diào)制方式、可用信道。與RRC不同，MAC層博弈的策略空間不是針對(duì)一種無(wú)線資源，但是只要有共同的優(yōu)化目標(biāo)就可以使用博弈論。博弈算法通過(guò)收集策略空間的信息，對(duì)參與博弈的兩個(gè)模塊進(jìn)行控制，從整體提高分組發(fā)送總速率和保障用戶間的傳輸公平。

3.3 物理層

物理層中主要研究功率控制模塊和邏輯信道與物理信道間速率匹配模塊進(jìn)行博弈的過(guò)程。

功率控制模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)子載波的速率最大化。根據(jù)香農(nóng)公式，子載波的速率與有用信號(hào)的功率成正比。子載波的速率越大，對(duì)應(yīng)物理層中物理信道的傳輸速率越大。而在功率較大時(shí)，相鄰蜂窩小區(qū)用戶間會(huì)產(chǎn)生較大干擾。因此，不能無(wú)限制地增大功率，要根據(jù)干擾情況對(duì)功率進(jìn)行控制。

邏輯信道與物理信道速率匹配模塊的主要功能是向協(xié)議棧上層提供可用的子載波速率信息。同樣考慮到相鄰小區(qū)用戶的干擾問(wèn)題，子載波速率不能做到?jīng)]有限制地增加。

假設(shè)物理層博弈的兩個(gè)前提條件是：一個(gè)是對(duì)于單個(gè)子載波在某個(gè)時(shí)隙內(nèi)只服務(wù)一個(gè)用戶；另一個(gè)是小區(qū)間干擾與小區(qū)內(nèi)的正在承載維護(hù)所用的資源成正比。

物理層的博弈模型如圖2（c）所示。

其中，功率控制功能模塊的策略空間是小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)（inter-cell interference coordination，ICIC）級(jí)別，速率匹配功能模塊的策略空間是功率控制模塊所能提供的功率和上層的速率需求；博弈目標(biāo)是最大化子載波速率。

4 跨層聯(lián)合博弈優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

RRC層、MAC層和物理層的博弈相對(duì)獨(dú)立但是又有著密不可分的聯(lián)系。MAC層的博弈實(shí)現(xiàn)整體分組的合理調(diào)度和用戶間的公平傳輸，減少了RRC層中的無(wú)線承載維護(hù)時(shí)間，對(duì)RRC層的資源分配起到了積極的作用。物理層通過(guò)博弈提高了子載波速率，通過(guò)信道映射，MAC層的博弈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系會(huì)緩和，而對(duì)于RRC層，無(wú)線資源相應(yīng)地增加，合作大于競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)線資源的利用率也就隨之提高。所以，各層的博弈之間相互配合，可以實(shí)現(xiàn)整體性能的提高。

跨層聯(lián)合博弈模型如圖3所示。

其中跨層博弈模型包含RRC層、MAC層和物理層，跨層博弈的內(nèi)容包括兩部分：下層對(duì)上層的博弈服務(wù)和高層對(duì)底層的博弈反饋。

4.1 下層對(duì)上層的博弈服務(wù)

根據(jù)圖3中各層的博弈目標(biāo)可以看出，下層的博弈是為上層服務(wù)的。跨層的過(guò)程如下。

（1）物理層中的功率控制與速率匹配的博弈目標(biāo)是提供更快的信道速率以及更多的可用載波速率，而載波速率是RRC層中RBC與RAC功能模塊的競(jìng)爭(zhēng)資源，同時(shí)，信道是MAC層信道分配模塊的策略空間。所以，物理層的博弈結(jié)果傳遞給RRC層和MAC層。

（2）MAC層中的傳輸塊（TB）格式選擇功能與用戶間信道分配功能之間的博弈會(huì)使整體的分組發(fā)送速率變快，能夠減少RBC功能模塊的承載維護(hù)時(shí)間，這對(duì)RBC功能模塊在與RAC功能模塊的競(jìng)爭(zhēng)中是很有利的，同時(shí)也將提升系統(tǒng)的整體服務(wù)量。所以，將MAC層的博弈結(jié)果傳遞給RRC層。

（3）RRC層中RBC和RAC通過(guò)對(duì)系統(tǒng)剩余資源的競(jìng)爭(zhēng)利用，合理分配系統(tǒng)資源。優(yōu)化后的RRC層競(jìng)爭(zhēng)有所緩和，將RRC層的優(yōu)化結(jié)構(gòu)反饋到物理層。由于資源利用率的提高，物理層的功率控制與速率匹配的博弈也隨之緩和。

（4）當(dāng)物理層的博弈有所緩和，ICIC級(jí)別相應(yīng)提高，同時(shí)所要求的小區(qū)間干擾降低。本模型中，降低干擾需要降低功率，這時(shí)，子載波速率的下降會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)的資源相對(duì)緊張，從而進(jìn)入新的一輪跨層聯(lián)合博弈過(guò)程。重復(fù)（1）～（3）這3個(gè)步驟。

4.2 高層對(duì)底層的博弈反饋

從RRC層博弈的結(jié)果以及物理層建立的博弈模型中可以看出，在計(jì)算下層中子載波的速率時(shí)由于涉及香農(nóng)公式，其運(yùn)算量較大。因?yàn)樾^(qū)間干擾是受小區(qū)內(nèi)的負(fù)載情況影響的，小區(qū)間干擾難以估計(jì)。但是從RRC層的博弈結(jié)果上看，其RRC層的博弈結(jié)果可以用來(lái)表征小區(qū)內(nèi)的負(fù)載情況。通過(guò)把RRC層的博弈結(jié)果反饋到物理層中用于對(duì)小區(qū)間干擾運(yùn)算進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，就可以簡(jiǎn)化下層中的整體復(fù)雜度。

由上述RRC層博弈關(guān)系知，在RRC層求得系統(tǒng)資源最優(yōu)分配的同時(shí)，可以知道小區(qū)內(nèi)的待接納用戶與承載維護(hù)需求用戶的比例關(guān)系，定義這個(gè)比例關(guān)系為資源分配系數(shù)。資源分配系數(shù)對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)RRC層對(duì)物理層的反饋，用于簡(jiǎn)化在物理層針對(duì)小區(qū)間干擾增益的博弈建模。如果把這個(gè)資源分配系數(shù)寫進(jìn)測(cè)量報(bào)告，可以使切換用戶在選擇小區(qū)時(shí)根據(jù)它來(lái)定性判斷是否選擇該小區(qū)。

綜上所述，由下層對(duì)上層的博弈服務(wù)和高層對(duì)底層的博弈反饋共同構(gòu)成了博弈跨層體系。

至此，基于LTE-A技術(shù)的聯(lián)合博弈跨層模型建立完成。該模型充分考慮LTE-A無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)層的功能特點(diǎn)以及所對(duì)應(yīng)的物理資源，利用各層中功能的博弈關(guān)系以及各層之間的聯(lián)系，通過(guò)服務(wù)和反饋，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線資源管理的整體優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的基于LTE-A系統(tǒng)的無(wú)線資源管理跨層聯(lián)合博弈模型。首先針對(duì)當(dāng)前LTE-A技術(shù)中各種無(wú)線資源的管理進(jìn)行分析，其次針對(duì)LTE-A系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別在RRC層、MAC層和物理層建立各層的無(wú)線資源管理博弈結(jié)構(gòu)，而后根據(jù)各層博弈模型之間的關(guān)系建立了博弈的跨層結(jié)構(gòu)。通過(guò)跨層聯(lián)合博弈，可以提高系統(tǒng)對(duì)無(wú)線資源的利用率。

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3 張海霞.無(wú)線通信跨層設(shè)計(jì)——從原理到應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2010

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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 黃韜.LTE/SAE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù).北京：人民郵電出版社，2009