專利名稱：基于統(tǒng)一優(yōu)先級(jí)的ofdma動(dòng)態(tài)子載波分配方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信系統(tǒng)，尤其涉及一種用于正交頻分多址系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)子載波分配方案。
背景技術(shù)：
正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種無(wú)線環(huán)境下的多載波傳輸技術(shù)，其子載波可以等效為多個(gè)正交的平坦衰落信道，由于子載波在頻譜上的重疊，極大地提高了頻譜利用率。正交頻分多址(OFDMA)是以O(shè)FDM為基礎(chǔ)，通過(guò)給每個(gè)用戶分配一定數(shù)量的子載波來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶接入。OFDMA除了繼承OFDM的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有非常靈活的分配機(jī)制，可以根據(jù)用戶業(yè)務(wù)量的大小動(dòng)態(tài)分配子載波的數(shù)量，并且可以在不同的子載波上使用不同的調(diào)制和編碼方式以及發(fā)射功率來(lái)減少干擾，增加系統(tǒng)容量。
將OFDMA技術(shù)與動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)相結(jié)合可以顯著提高系統(tǒng)性能。目前，人們已經(jīng)提出了許多OFDMA系統(tǒng)動(dòng)態(tài)資源分配的方案。其中比較著名的是在1999年提出的子載波、比特和功率聯(lián)合分配方案，其復(fù)雜度極高，不適合在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用。此后，在該算法的基礎(chǔ)上Didem提出了一種分兩步確定子載波分配的次優(yōu)算法，此算法是在滿足用戶速率需求和接收端期望的誤比特率的條件下，使總發(fā)射功率最小。結(jié)果表明這種算法的復(fù)雜度比原算法要低很多，但性能非常地接近。盡管此算法在復(fù)雜度上已經(jīng)有了很大的降低，但是仍然比較復(fù)雜，不適合用于實(shí)際系統(tǒng)。之后提出的一些次優(yōu)算法雖然復(fù)雜度較低，但一般都有較大的性能損失。因此，對(duì)性能優(yōu)而復(fù)雜度低的資源分配方案的研究是目前無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)算法往往只是根據(jù)信道增益的大小直接進(jìn)行子載波分配，或是利用迭代算法逐步確定子載波的分配順序。復(fù)雜度低的子載波分配算法往往在性能上存在一定的損失，而性能較好的算法往往很難實(shí)現(xiàn)。為了解決傳統(tǒng)算法在性能和復(fù)雜度兩個(gè)方面難以兼得的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種有效的子載波分配方案。
新方法的基本原理如下對(duì)于第k個(gè)用戶，利用其在所有載波上的平均信道增益計(jì)算出一個(gè)功率值Pk代替平均發(fā)射功率作為近似值，并粗略計(jì)算出如果將第n個(gè)子載波分配給此用戶所需的發(fā)射功率Pk，n，Pk，n與Pk之間的差值用δk，n來(lái)表示。在分配子載波的過(guò)程中，每次分配一個(gè)子載波給唯一的用戶，如果每次分配時(shí)都選擇δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)中最小值對(duì)應(yīng)的用戶和子載波，那么當(dāng)所有子載波都被分配之后，總發(fā)射功率也將會(huì)接近最小，所以δk，n的大小近似反映了將第n個(gè)子載波分配給第k個(gè)用戶對(duì)于總發(fā)射功率的重要性。本發(fā)明利用了這一性質(zhì)將δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)按照從小到大進(jìn)行排序來(lái)確定子載波分配的優(yōu)先級(jí)。
本發(fā)明提供的子載波分配方案包括如下步驟考慮一個(gè)OFDMA系統(tǒng)，其中有K個(gè)用戶，N個(gè)子載波。在執(zhí)行本方案前，假設(shè)每個(gè)用戶應(yīng)分配的子載波數(shù)已經(jīng)確定，即第k個(gè)用戶應(yīng)該分配的子載波數(shù)為mk，其中k＝1，2，...，K。
對(duì)于第k個(gè)用戶，計(jì)算功率Pk，n＝fk(Pk/mk)/|hk，n|2以及Pk＝fk(Rk/mk)/hk，其中hk，n表示第k個(gè)用戶在第n個(gè)子載波上的信道衰落系數(shù)，hk表示第k個(gè)用戶的平均信道增益。
計(jì)算Pk，n與Pk之間的功率差δk，n，作為決定第n個(gè)子載波對(duì)第k個(gè)用戶分配次序的依據(jù)。
通過(guò)對(duì)δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)從小到大進(jìn)行排序確定子載波分配的優(yōu)先級(jí)，然后依次將各個(gè)子載波分配給對(duì)應(yīng)的用戶。
本發(fā)明提供的動(dòng)態(tài)子載波分配方案的有益效果是通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的優(yōu)先級(jí)，公平地確定了各用戶在各個(gè)子載波上的分配次序，不僅保證了近優(yōu)的系統(tǒng)性能，而且具有非常低的復(fù)雜度。


圖1示出了帶有動(dòng)態(tài)子載波、比特和功率分配的OFDMA系統(tǒng)框圖。
圖2示出了本發(fā)明的流程圖。
圖3示出了計(jì)算δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)的流程圖。
圖4示出了更新Aα、#Aα以及δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)的流程圖。
表1示出了仿真中系統(tǒng)所采用的具體參數(shù)。
圖5示出了本發(fā)明與ACG、RCG算法的性能比較。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。
圖1示出了帶有動(dòng)態(tài)子載波、比特和功率分配的OFDMA系統(tǒng)框圖。假設(shè)此系統(tǒng)有K個(gè)用戶，N個(gè)子載波，基站已知所有用戶信道狀態(tài)信息。hk，n、Pk，n和Rk，n分別表示第k個(gè)用戶在第n個(gè)子載波上的信道衰落系數(shù)、發(fā)射功率以及傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。其中，0≤Rk，n≤M，M是在一個(gè)子載波上同時(shí)能夠傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)。在接收端為了保證期望的誤比特率(BER)，第k個(gè)用戶在第n個(gè)子載波上的發(fā)射功率應(yīng)等于Pk，n＝fk(Rk，n)/|hk，n|2其中，fk(x)表示在信道增益等于1時(shí)，第k個(gè)用戶在某一個(gè)子載波上實(shí)現(xiàn)可靠接收x個(gè)信息比特所需的發(fā)射功率。注不同用戶的fk(x)可以是不同的。
動(dòng)態(tài)子載波、比特和功率分配的目的在于找到一種最佳的分配方式，使得總發(fā)射功率達(dá)到最低。即Ptotal=minΣk=1KΣn=1Nfk(Rk,n)/|hk,n|2]]>
對(duì)于k＝1，2，...，K，需滿足以下條件Σn=1NRk,n=Rk,0≤Rk,n≤M]]>圖2示出了本發(fā)明的流程圖，用于圖1中的動(dòng)態(tài)子載波、比特和功率分配器部分。該流程從步驟201開始進(jìn)入初始化步驟203，其具體步驟如下對(duì)于k＝1，2，...，K，定義向量Ak，用來(lái)存放分配給第k個(gè)用戶的子載波的序號(hào)。初始化令A(yù)k＝，#Ak表示Ak中元素的個(gè)數(shù)。
此后，進(jìn)入步驟205，對(duì)于第k個(gè)用戶，計(jì)算δk，n作為決定第n個(gè)子載波對(duì)第k個(gè)用戶分配次序的依據(jù)，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N。
在步驟207，對(duì)計(jì)數(shù)變量賦初值，m＝1。
在步驟209，從δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)中挑選出最小值，得到相應(yīng)的用戶和子載波編號(hào)(記為α和β)。
在步驟211，將第β個(gè)子載波分配給第α個(gè)用戶。
在步驟213，對(duì)Aα、#Aα和δk，n進(jìn)行更新，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N。
進(jìn)入步驟215，計(jì)數(shù)變量加1，即m＝m+1。
在步驟217進(jìn)行判斷，如果m≤N，則進(jìn)入步驟209，反之在步驟219結(jié)束流程。
圖3示出了計(jì)算δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)的流程圖。從步驟301開始進(jìn)入步驟303，令k＝1，用于計(jì)數(shù)。
在步驟305，計(jì)算第k個(gè)用戶在所有子載波上的平均信道增益h‾k=Σn=1N|hk,n|2/N,]]>根據(jù)hk計(jì)算Pk＝fk(Rk/mk)/hk。
在步驟307，令n＝1，用于計(jì)數(shù)。
在步驟309，計(jì)算Pk，n＝fk(Rk/mk)/|hk，n|2。
在步驟311，計(jì)算Pk，n和Pk之間的差值δk，n＝Pk，n-Pk，作為決定第n個(gè)子載波對(duì)第k個(gè)用戶分配次序的依據(jù)。
在步驟313，令n＝n+1。然后在步驟315進(jìn)行判斷，如果n≤N，則進(jìn)入步驟309，反之則繼續(xù)執(zhí)行步驟317。
在步驟317，令k＝k+1。然后在步驟319進(jìn)行判斷，如果k≤K，則進(jìn)入步驟305，反之在步驟321結(jié)束流程。
圖4示出了更新Aα、#Aα以及δk，n的流程，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N。從步驟401開始進(jìn)入步驟403，對(duì)Aα和#Aα進(jìn)行更新，其具體步驟如下當(dāng)?shù)讦聜€(gè)子載波已經(jīng)被確定分配給第α個(gè)用戶的時(shí)候，將序號(hào)β放入Aα中，此時(shí)Aα中元素的個(gè)數(shù)增加1，即，#Aα＝#Aα+1。
在步驟405，令k＝1，用于計(jì)數(shù)。
在步驟407，置δk，β＝NaN，即第β個(gè)子載波不再參與后面的分配。
在步驟409進(jìn)行判決，如果k＝α，則進(jìn)入步驟409，否則進(jìn)入步驟415。
在步驟411，計(jì)算第α個(gè)用戶已經(jīng)得到的子載波數(shù)，如果#Aα＝mα，則進(jìn)入步驟413，此時(shí)由于第α個(gè)用戶已經(jīng)得到足夠的子載波，所以就不再參與后面的子載波分配，于是令δα，n＝NaN，其中n＝1，2，...，N。如果#Aα＜mα，即第α個(gè)用戶還沒(méi)有得到足夠的子載波，則進(jìn)入步驟415。
完成步驟413后，進(jìn)入步驟415，令k＝k+1。然后在步驟417進(jìn)行判斷，如果k≤K，則進(jìn)入步驟407，反之在步驟419結(jié)束流程。
性能分析圖5示出了在12徑的COST207的信道環(huán)境下本發(fā)明和傳統(tǒng)算法RCG、ACG之間的性能比較結(jié)果。RCG是著名的子載波分配算法，接近最優(yōu)的性能，而復(fù)雜度相對(duì)較低；ACG算法是RCG算法的改進(jìn)，使其復(fù)雜度進(jìn)一步降低。由于最優(yōu)算法很難實(shí)現(xiàn)，所以這里用RCG和ACG算法與本發(fā)明在性能上進(jìn)行比較。
表1給出了仿真系統(tǒng)中涉及到的具體參數(shù)，如用戶數(shù)、子載波數(shù)、所采用的調(diào)制方式等等。此外，仿真中使用貪婪算法來(lái)實(shí)現(xiàn)比特和功率的分配。
圖5的橫坐標(biāo)表示用戶數(shù)，縱坐標(biāo)表示總發(fā)射功率。從圖中可以看出，本發(fā)明的性能明顯優(yōu)于ACG算法，并且略優(yōu)于RCG算法。
復(fù)雜度分析由于ACG算法的性能遠(yuǎn)低于本發(fā)明和RCG算法，不具備可比性，因此這里只比較本發(fā)明與RCG算法的復(fù)雜度。
下面對(duì)本發(fā)明的復(fù)雜度進(jìn)行簡(jiǎn)單分析計(jì)算δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)的復(fù)雜度是 利用基于比較的排序方法對(duì)其進(jìn)行排序，復(fù)雜度為 在實(shí)際系統(tǒng)中用戶數(shù)通常都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于子載波數(shù)的，即K＜＜N，因此本發(fā)明的復(fù)雜度為 如果采用效率更高的線性排序法，本發(fā)明的復(fù)雜度可降低到 RCG算法的復(fù)雜度主要依賴于信道的狀態(tài)在最好的情況下，其復(fù)雜度為 在最糟的情況下，其復(fù)雜度高達(dá) 也就是說(shuō)，RCG算法的復(fù)雜度在 之間波動(dòng)。
在實(shí)際系統(tǒng)中，算法的最大復(fù)雜度往往是決定其可行性的重要因素之一。RCG算法的最大復(fù)雜度為 所以無(wú)論本發(fā)明采用基于比較的排序方法還是線性排序方法，RCG算法的復(fù)雜度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本發(fā)明的復(fù)雜度。
權(quán)利要求
1.一種適用于正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)子載波分配方案，該方案的特征在于，基站根據(jù)各用戶的信道狀態(tài)信息，確定統(tǒng)一的子載波分配優(yōu)先級(jí)，然后依次將各個(gè)子載波分配給對(duì)應(yīng)的用戶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)一優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)子載波分配方案，其特征在于，確定子載波分配優(yōu)先級(jí)的步驟如下對(duì)于第k個(gè)用戶，根據(jù)其在第n個(gè)子載波上的信道狀態(tài)信息，計(jì)算出Pk，n；根據(jù)其在所有子載波上的平均信道增益，計(jì)算出Pk；Pk，n與Pk的差值δk，n作為決定第n個(gè)子載波對(duì)第k個(gè)用戶分配次序的依據(jù)。通過(guò)對(duì)δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)從小到大進(jìn)行排序確定子載波分配的優(yōu)先級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的確定子載波分配優(yōu)先級(jí)的方法，其特征在于，計(jì)算Pk的步驟如下計(jì)算第k個(gè)用戶的平均信道增益h‾k=Σn=1N|hk,n|2/N;]]>計(jì)算Pk＝fk(Rk/mk)/hk。這里，hk，n表示第k個(gè)用戶在第n個(gè)子載波上的信道衰落系數(shù)，N表示子載波數(shù)，Rk表示第k個(gè)用戶在每個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，mk表示第k個(gè)用戶應(yīng)該分配的子載波數(shù)，fk(x)表示在信道增益等于1時(shí)，第k個(gè)用戶在某一個(gè)子載波上實(shí)現(xiàn)可靠接收x個(gè)信息比特所需的發(fā)射功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的子載波分配優(yōu)先級(jí)的確定方法，其特征在于，計(jì)算δk，n的步驟如下計(jì)算Pk，n＝fk(Rk/mk)/|hk，n|2；計(jì)算δk，n＝Pk，n-Pk。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的子載波分配優(yōu)先級(jí)的確定方法，其特征在于，δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)從小到大的順序即為子載波的分配次序，即δk，n越小，將第n個(gè)子載波分配給第k個(gè)用戶的優(yōu)先級(jí)就越高。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)一優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)子載波分配方案，其特征在于，根據(jù)子載波的分配優(yōu)先級(jí)對(duì)子載波進(jìn)行分配的步驟如下在δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)中挑選出最小值對(duì)應(yīng)的用戶和子載波編號(hào)(分別記為α和β)。將第β個(gè)子載波分配給第α個(gè)用戶。更新δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)，重復(fù)以上步驟直到所有子載波都被分配。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的更新δk，n的方法，其特征在于，令δ1，β＝δ2，β＝…＝δK，β＝NaN，即第β個(gè)子載波將不能再被其他用戶使用；若分配給第α個(gè)用戶的子載波數(shù)等于mα，則令δα，1＝δα，2＝…＝δα，N＝NaN，即第α個(gè)用戶不再參與后面的子載波分配。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于統(tǒng)一優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)子載波分配方案，適用于正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)。其子載波分配的基本原則是基站根據(jù)各用戶的信道狀態(tài)信息，確定統(tǒng)一的子載波分配優(yōu)先級(jí)，然后依次將各個(gè)子載波分配給對(duì)應(yīng)的用戶。與傳統(tǒng)的子載波分配方案相比，本發(fā)明提供的方案在保證近優(yōu)性能的同時(shí)大幅度降低了算法的復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H04J11/00GK1917492SQ200610089658
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者李非非, 羅振東, 謝剛, 趙毅, 劉元安 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)