專利名稱：優(yōu)化資源配置的全球互通微波存取系統(tǒng)的資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種優(yōu)化資源配置的資源分配方法。
技術(shù)背景OFDMA (正交頻分多址接入)是WIMAX (全球互通微波存取)技術(shù)的一個(gè)重要組 成部分。作為源于OFDM (正交頻分復(fù)用)的多址接入技術(shù)，OFDMA繼承了 OFDM的 優(yōu)點(diǎn)對(duì)于符號(hào)間干擾以及多徑干擾有較強(qiáng)魯棒性。OFDMA采用了比較靈活的接入方式， 在時(shí)間域上可以細(xì)分成OFDM符號(hào)，在頻率域上細(xì)分為子載波。子載波通過一定的映射 規(guī)律可以構(gòu)成邏輯概念上的子信道。每個(gè)用戶可以占用不同的時(shí)頻資源，提供了更細(xì)的資 源劃分顆粒度和更為靈活的時(shí)頻資源分配方式。WIMAXOFDMA下行子幀結(jié)構(gòu)如圖l所示，其中的信道資源分配問題可以抽象成一個(gè) 單純的二維平面分割問題。時(shí)頻資源幀用二維平面中的矩形進(jìn)行描述。矩形塊縱軸的單位 是子信道，縱軸上的每格表示l個(gè)子信道；矩形塊橫軸的單位是雙OFDM符號(hào)，橫軸上的每 格表示兩個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)。資源分配最小顆粒度是一個(gè)時(shí)斷slot)，單個(gè)槽由兩個(gè)OFDM 符號(hào)以及一個(gè)子信道構(gòu)成，如圖2中的小方格所示。在后面的方法描述中，所有的資源分 配以時(shí)隙為最小單位。時(shí)頻資源幀上分配給某個(gè)用戶進(jìn)行傳輸?shù)倪B續(xù)區(qū)域稱為突發(fā)傳輸 (burst)。 WIMAX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分配給用戶的突發(fā)傳輸必須是矩形，因此突發(fā)傳輸占用了時(shí)頻資 源幀中的一個(gè)矩形子塊。每個(gè)用戶提出一定數(shù)量的時(shí)隙請(qǐng)求后由本方法將信道時(shí)頻資源分 配以突發(fā)傳輸?shù)男问椒峙浣o各個(gè)用戶，并且指定各個(gè)用戶傳輸占用的子信道及OFDM符號(hào) 的始末位置。信道資源分配問題屬于NP完全問題，傳統(tǒng)的方法由于計(jì)算復(fù)雜度過高不適合用于實(shí) 時(shí)的計(jì)算，本發(fā)明提出了一種計(jì)算復(fù)雜度較低的快速探索式方法對(duì)資源分配問題進(jìn)行近似 求解。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種使分配結(jié)果能夠有效降低通信系統(tǒng)中接收站點(diǎn)能量消耗的 WIMAX系統(tǒng)的資源分配方法。本發(fā)明提出的WIMAX系統(tǒng)資源分配方法，是一種名為"優(yōu)化資源配置的WIMAX系 統(tǒng)資源分配方法"(resource optimized resource allocator for WIMAX,以下簡稱RORAW)。RORAW方法的輸入?yún)?shù)(即已知參數(shù))為給定一個(gè)資源標(biāo)量的分配請(qǐng)求，由兩方面 確定突發(fā)傳輸?shù)拈L寬配置；突發(fā)傳輸在資源幀內(nèi)的相對(duì)位置，RORAW方法的輸出結(jié)果 為接收能量消耗優(yōu)化的資源分配方案。RORAW方法中用到的符號(hào)標(biāo)志和術(shù)語說明如下1) 資源幀(resource—frame):下行幀結(jié)構(gòu)中由未分配的時(shí)隙構(gòu)成的資源幀集合，資源幀的描述方式為二維數(shù)組(資^"#^^^位.？//"^^位.,7)，數(shù)組中的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)了下行幀 結(jié)構(gòu)中的一個(gè)資源幀，對(duì)應(yīng)的元素為O表示該資源子塊未分配；對(duì)應(yīng)的元素為l表示該資 源子塊已分配。2) 資源幀頂角(resource—corner):下行資源幀的所有頂角。資源幀頂角的屬性是方向 (時(shí)域方向，頻域方向)，方向的取值可以是+1或者-1。資源幀頂角的方向由頂角附近空閑 資源的拓展方向確定，有四種取值情況(l,-l)， (l，l)， (-l,-l)， (-1,1)。3) 分配請(qǐng)求用標(biāo)量構(gòu)成的集合描述分配請(qǐng)求隊(duì)列REQ={o, O,...， 。,...， d。e整 數(shù)集合}，其中。表示第/個(gè)請(qǐng)求的時(shí)隙數(shù)目。4)分配結(jié)果的數(shù)學(xué)描述A表示分配給。的矩形子塊，定義函數(shù)"A)和『")分別返回A沿時(shí)間軸和頻率軸占據(jù)的時(shí)隙數(shù)目。RORAW方法中提出的定義說明如下 1潛在分配方案分配方案是由突發(fā)傳輸?shù)拈L寬配置以及資源幀頂角構(gòu)成的一個(gè)實(shí)例，描述了一個(gè)用戶 可能分配到的突發(fā)傳輸?shù)膸缀纬叽缫约霸谫Y源幀中所處的位置信息。潛在分配方案的定義基于"金角銀邊草肚皮"的考慮在資源分配的時(shí)候所有的潛在 分配方案都位于資源幀的角上，因此資源分配方案的定義由兩個(gè)方面確定突發(fā)傳輸?shù)拈L 寬配置可以變化；資源幀內(nèi)可供分配的頂角有多個(gè)。如果不加考慮地把所有的這些分配方案定義為潛在分配方案，則必須考慮的情況數(shù)為l茵式對(duì)教0ixi資象斷厥塌，其中i齒式浙教,指長寬配置的總數(shù)，l資^^f^^扇l指資源幀頂角的數(shù)目。潛在分配方案的定義可以使 得方法更高效。如圖3所示，潛在分配方案可以用(/Xw, cw"e^來表示(在下面的描述中，&={/Xw, corner}),其中/Xw是指突發(fā)傳輸?shù)拈L寬配置方式(/是與時(shí)間軸平行的邊)，cw"e。是資 源幀的第/個(gè)頂角。突發(fā)傳輸?shù)拈L寬配置方式可以是構(gòu)成突發(fā)傳輸面積的整數(shù)因子對(duì)，例 如第/個(gè)大小為。的突發(fā)傳輸可以通過因式分解得到{ //XW/ , /2XW2，...， /a/Xwm}, 其中M為n的因子數(shù)。//、 6、 ，.../a/， w/， w2,...,wM為因子。 2潛在分配方案篩選函數(shù)為了在一批潛在分配方案中挑選出能夠滿足roraw方法優(yōu)化目標(biāo)的分配方案，本發(fā) 明定義了一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)分配方案的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)估= Ia降,)，其中a是第/個(gè)資源分配請(qǐng)求的一個(gè)潛在分配方案。在上式中，i^,)越小(即時(shí)間軸上占 據(jù)的時(shí)隙數(shù)目越少)權(quán)重『e/g似Cy,)越大。roraw方法為兩個(gè)主要步驟第一步驟，按照潛在分配方案的定義在資源幀中找出 所有的潛在分配方案；第二步驟，采用潛在分配方案的篩選函數(shù)挑選出最優(yōu)的潛在分配方 案，然后按照最優(yōu)潛在分配方案進(jìn)行信道資源分配。下面對(duì)這些步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。方法輸入?yún)?shù)資源幀，用戶分配請(qǐng)求 方法輸出結(jié)果信道資源分配方案(1) 計(jì)算得到資源幀頂角信息(1.1) 在二維的資源幀上進(jìn)行搜索，尋找一個(gè)未分配的時(shí)隙(未分配的時(shí)隙標(biāo)記為0)，具體搜索過程如下首先從資源幀
開始，以zig-zag的方式遍歷所有的資源幀元素， 直到找到第一個(gè)數(shù)值為0的元素。zig-zag是指按照[O][O], [l][O], [O][l], [2]
, [l][l],
[2], [3]
， [2][1], [1][2],
[3],…的規(guī)律搜索；(1.2) 如果經(jīng)過了第一個(gè)步驟無法找到未分配的時(shí)隙，則所有的資源都已被分配，計(jì)算 結(jié)束，跳轉(zhuǎn)到(1.6);(1.3) 沿著找到的第一個(gè)未分配時(shí)隙，在上下左右四個(gè)方向上進(jìn)一步搜索下一個(gè)未分配 時(shí)隙，如果搜索方向發(fā)生了變化，那說明上一個(gè)未分配時(shí)隙對(duì)應(yīng)了資源幀頂角，將其記錄為CW7^,并且添加到資嚴(yán)斷艱扇桌合中；(1.4) 重復(fù)步驟(1.3)的操作，直至重新回到第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的未分配時(shí)隙，將之前遍歷的資 源幀頂角包圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)記為-1 (-1表示暫時(shí)地標(biāo)記這些時(shí)隙為不可用)；(1.5) 重新跳轉(zhuǎn)到步驟l);(1.6) 資源幀的所有資源幀頂角都已經(jīng)找到，將資源幀中的所有標(biāo)記為-1的時(shí)隙重新標(biāo)記為0;(2) 從req隊(duì)列中隨機(jī)挑選一個(gè)用戶請(qǐng)求。，對(duì)^進(jìn)行因式分解后得到^i^厲f jy={ //Xv^ , 6XW2,...， ~XWA/}，其中M為r,的因子數(shù)；(3) 婆教像^^q資i斷,廟桌^進(jìn)行全排列組合，并從中挑選完全處于資源幀內(nèi)部并且與其他己分配的突發(fā)傳輸不重疊的分配方案作為潛在分配方案(3.1)對(duì)^^厲f對(duì)中的元素順序遍歷，第/次的因子對(duì)為/,Xw,;(3丄1)對(duì)贅^"^"^^桌會(huì)中的元素順序遍歷，第乂次的元素為CW"eo;(3丄2)根據(jù)cw"e。頂角的方向確定矩形資源塊的拓展方向(好豕方廚，凝凝方場(chǎng)，確 定矩形資源塊的兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)com巧和come。+(好凝方場(chǎng)X/,, ^^凝方力Xw,)。確定兩個(gè) 頂點(diǎn)之后可以唯一確定矩形資源塊占據(jù)的空間，如果該空間內(nèi)的所有點(diǎn)都是0，則這個(gè)方 案是潛在分配方案，否則說明這個(gè)矩形資源塊與其他資源發(fā)生了沖突，不是潛在分配方案； (3.1.3)根據(jù)(3丄2)的判斷結(jié)果決定是否將該方案加入潛在分配方案集合。 (4)對(duì)所有的潛在分配方案依次采用潛在分配方案篩選函數(shù)計(jì)算優(yōu)先值，挑選最優(yōu)的 潛在分配方案進(jìn)行真實(shí)分配(4.1) 對(duì)篩選函數(shù)的計(jì)算結(jié)果從大到小排列，取出第一個(gè)結(jié)果對(duì)應(yīng)的潛在分配方案作為 最終分配方案；(4.2) 按照最終分配方案(/Xw, CW7^4進(jìn)行資源分配(4.2.1) 根據(jù)最終分配方案可以確定矩形資源塊的兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)CW77W和CW72W+(y^(4.2.2) 將這兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)之內(nèi)的所有點(diǎn)標(biāo)記為已分配；(4.2.3) 輸出分配的最終結(jié)果，方法結(jié)束。


圖1: WIMAXOFDMA下行子幀結(jié)構(gòu)。 圖2:時(shí)頻資源幀的描述以及時(shí)隙的定義。圖3:潛在分配方案的定義。 圖4:分配效率的仿真結(jié)果。 圖5:資源配置的仿真結(jié)果。 圖6:資源幀的圖示具體實(shí)施方式
問題參數(shù)1) 用戶的單個(gè)傳輸請(qǐng)求的為IO個(gè)時(shí)隙2) 資源幀為5X5的空白矩形 方法求解過程資源幀如圖6所示步驟1):經(jīng)過Q /o^^ComeK資源幀)計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)資源幀頂角的元素 為4個(gè)頂角；步驟2):用戶請(qǐng)求可以因式分解為UX10，2X5〉步驟3):經(jīng)過因式分解對(duì)以及資源幀頂角的全排列，篩選有效的突發(fā)傳輸分配之后得到如下的一些潛在分配方案口X5， cw""/}, {2X5, corwe^}, {2X5, cwwe^}, {2X5, cwMe~}， {5X2, co/v^/}, {5X2, co/7je/"2〉, {5X2， corwerj}, {5X2, corwe/v};步驟4):經(jīng)過篩選函數(shù)計(jì)算后挑選出最優(yōu)的潛在分配方案口X5， cw"e。}，分配之后資源幀如下所示。110 0 0110 0 0110 0 0110 0 0110 0 0方法仿真結(jié)果為了將本方法和傳統(tǒng)的其他方法進(jìn)行對(duì)比，本發(fā)明通過增加長/寬可變情況的處理對(duì)文獻(xiàn)[2]中的LFF方法進(jìn)行了擴(kuò)展，并同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的仿真測(cè)試。擴(kuò)展的方式如下在列舉 出所有的corner-occupying packing move (COPM)的時(shí)候考慮將長/寬可變的情況一起加入 考慮。在接下去的討論中，LFF方法指的是經(jīng)過擴(kuò)展的LFF方法。WIMAX系統(tǒng)仿真參數(shù)如下物理層FFT點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)，信道帶寬20 MHz，單幀時(shí) 間長度為5ms，下行OFDM符號(hào)數(shù)為24個(gè)，下行邏輯子信道為60個(gè)，物理層編碼調(diào)制 方式為FEC 3/4 16QAM。每個(gè)時(shí)隙占據(jù)時(shí)間域的兩個(gè)連續(xù)OFDM符號(hào)以及頻域的一個(gè)邏 輯子信道。由此可見，這里設(shè)置的仿真場(chǎng)景對(duì)應(yīng)于12X60的資源幀。資源調(diào)度和用戶服 務(wù)隊(duì)列的參數(shù)如下資源調(diào)度模塊設(shè)置為完全實(shí)時(shí)調(diào)度，即把每一個(gè)隊(duì)列中數(shù)據(jù)量的大小 作為資源分配請(qǐng)求，得不到分配的數(shù)據(jù)將被調(diào)度模塊丟棄。數(shù)據(jù)發(fā)生源的模型采用了4IPPW (Interrupted Poisson Process),每個(gè)用戶連接的數(shù)據(jù)量均值為500 kb/s。采用4IPP模型是因 為它能較好模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的包到達(dá)時(shí)間，具有不同時(shí)間尺度的自相似特性。圖4展示了分配效率的仿真結(jié)果，可以看到在系統(tǒng)的用戶連接數(shù)從30個(gè)增加到50的 過程中，RORAW方法獲得的分配效率略優(yōu)于LFF方法，但是RORAW的計(jì)算復(fù)雜度遠(yuǎn)低 于LFF方法，由此可見RORAW分配方法是簡單有效的。圖5展示了用戶接收能量仿真結(jié) 果，圖中的n時(shí)隙表示突發(fā)傳輸在時(shí)間軸占據(jù)的平均時(shí)隙數(shù)目，因?yàn)橛脩艚邮漳芰亢屯话l(fā)傳輸在時(shí)間軸占據(jù)的平均時(shí)隙數(shù)目成正比，n時(shí)隙反映了用戶接收能耗。從前面的仿真結(jié)果可以看到，在方法的分配效率方面本發(fā)明提出的RORAW方法和文獻(xiàn)中的LFF方法比較接近，但是RORAW的較低計(jì)算量能滿足基站實(shí)時(shí)分配的需求。在用 戶接收信號(hào)的能耗方面因?yàn)楸景l(fā)明根據(jù)物理層的特點(diǎn)在資源分配的時(shí)候優(yōu)化突發(fā)傳輸?shù)?分配方式，和傳統(tǒng)的資源分配方法相比節(jié)省能耗的效果明顯。資源分配往往會(huì)有一些零散 的空閑資源未得到分配，這時(shí)候可以把這些資源幀分配給BE(BestEffort)用戶連接，從而 不會(huì)造成資源浪費(fèi)。本發(fā)明提出的優(yōu)化資源配置的WIMAX系統(tǒng)資源分配方法是一種有效的分配方法。
權(quán)利要求
1、一種優(yōu)化資源配置的全球互通微波存取系統(tǒng)的資源分配方法，其特征在于具體步驟如下(1)計(jì)算得到資源幀頂角信息(1.1)在二維的資源幀上進(jìn)行搜索，尋找一個(gè)未分配的時(shí)隙，未分配的時(shí)隙標(biāo)記為0，具體搜索過程如下首先從資源幀
開始，以zig-zag的方式遍歷所有的資源幀元素，直到找到第一個(gè)數(shù)值為0的元素；zig-zag方式是指按照
，[l]
，
[1]，[2]
，[1][1]，
[2]，[3]
，[2][1]，[1][2]，
[3]，...的規(guī)律搜索；(1.2)如果經(jīng)過了第一個(gè)步驟無法找到未分配的時(shí)隙，則所有的資源都已被分配，計(jì)算結(jié)束，跳轉(zhuǎn)到(1.6)；(1.3)沿著找到的第一個(gè)未分配時(shí)隙，在上下左右四個(gè)方向上進(jìn)一步搜索下一個(gè)未分配時(shí)隙，如果搜索方向發(fā)生了變化，那說明上一個(gè)未分配時(shí)隙對(duì)應(yīng)了資源幀頂角，將其記錄為corneri并且添加到資源幀頂角集合中；(1.4)重復(fù)步驟(1.3)的操作，直至重新回到第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的未分配時(shí)隙，將之前遍歷的資源幀頂角包圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)記為-1，-1表示暫時(shí)地標(biāo)記這些時(shí)隙為不可用；(1.5)重新跳轉(zhuǎn)到步驟(1)；(1.6)資源幀的所有資源幀頂角都已經(jīng)找到，將資源幀中的所有標(biāo)記為-1的時(shí)隙重新標(biāo)記為0；(2)從REQ隊(duì)列中隨機(jī)挑選一個(gè)用戶請(qǐng)求ri，對(duì)ri進(jìn)行因式分解后得到整數(shù)因子對(duì)＝{l1×w1，l2×w2，...，lM×wM}，其中M為ri的因子數(shù)；(3)整數(shù)因子對(duì)和資源幀頂角集合進(jìn)行全排列組合，并從中挑選完全處于資源幀內(nèi)部并且與其他已分配的突發(fā)傳輸不重疊的分配方案作為潛在分配方案(3.1)對(duì)整數(shù)因子對(duì)中的元素順序遍歷，第i次的因子對(duì)為li×wi；(3.1.1)對(duì)資源幀頂角集合中的元素順序遍歷，第j次的元素為cornerj；(3.1.2)根據(jù)cornerj頂角的方向確定矩形資源塊的拓展方向，確定矩形資源塊的兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)cornerj和cornerj+；確定兩個(gè)頂點(diǎn)之后可以唯一確定矩形資源塊占據(jù)的空間，如果該空間內(nèi)的所有點(diǎn)都是0，則這個(gè)方案是潛在分配方案，否則說明這個(gè)矩形資源塊與其他資源發(fā)生了沖突，不是潛在分配方案；(3.1.3)根據(jù)(3.1.2)的判斷結(jié)果決定是否將該方案加入潛在分配方案集合；(4)對(duì)所有的潛在分配方案依次采用潛在分配方案篩選函數(shù)計(jì)算優(yōu)先值，挑選最優(yōu)的潛在分配方案進(jìn)行真實(shí)分配(4.1)對(duì)篩選函數(shù)的計(jì)算結(jié)果從大到小排列，取出第一個(gè)結(jié)果對(duì)應(yīng)的潛在分配方案作為最終分配方案；(4.2)按照最終分配方案{l×w，corner}進(jìn)行資源分配(4.2.1)根據(jù)最終分配方案可以確定矩形資源塊的兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)corner和corner+；(4.2.2)將這兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)之內(nèi)的所有點(diǎn)標(biāo)記為已分配；(4.2.3)輸出分配的最終結(jié)果，方法結(jié)束。其中，所述的資源幀是指下行幀結(jié)構(gòu)中由未分配的時(shí)隙構(gòu)成的資源幀集合，資源幀的描述方式為二維數(shù)組資源幀[時(shí)域位置][頻域位置]，數(shù)組中的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)了下行幀結(jié)構(gòu)中的一個(gè)資源幀，對(duì)應(yīng)的元素為0表示該資源子塊未分配；對(duì)應(yīng)的元素為1表示該資源子塊已分配；所述的資源幀頂角是指下行資源幀的所有頂角。資源幀頂角的屬性是方向時(shí)域方向、頻域方向，方向的取值可以是+1或者-1；資源幀頂角的方向由頂角附近空閑資源的拓展方向確定，有四種取值情況(1，-1)，(1，1)，(-1，-1)，(-1，1)；所述的REQ隊(duì)列是指用標(biāo)量構(gòu)成的集合描述分配請(qǐng)求隊(duì)列REQ＝{r1，r2，...，ri，...，rn|ri∈整數(shù)集合}，其中ri表示第i個(gè)請(qǐng)求的時(shí)隙數(shù)目；所述潛在分配方案篩選函數(shù)如下Weight(si)＝|si|/L(si)，其中，si是第i個(gè)資源分配請(qǐng)求的一個(gè)潛在分配方案，si＝{l×w，corneri}，L(si)為在時(shí)間軸上占據(jù)的時(shí)隙數(shù)目。
全文摘要
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種優(yōu)化資源配置的全球互通微波存取(WIMAX)系統(tǒng)的資源分配方法。本發(fā)明主要包括二個(gè)步驟第一步驟，按照潛在分配方案的定義在資源幀中找出所有的潛在分配方案；第二步驟，采用潛在分配方案的篩選函數(shù)挑選出最優(yōu)的潛在分配方案，然后按照最優(yōu)潛在分配方案進(jìn)行信道資源分配。該方法采用先驗(yàn)準(zhǔn)則對(duì)分配方案進(jìn)行搜索和篩選，最終得出的分配結(jié)果能夠有效降低通信系統(tǒng)中接收站點(diǎn)的能量消耗。實(shí)驗(yàn)仿真證明，與傳統(tǒng)的資源分配方法相比，降低能耗的效果比較明顯。
文檔編號(hào)H04L27/26GK101325574SQ20081003692
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者龔婷婷 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)