專利名稱：一種多小區(qū)ofdma系統(tǒng)的功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動(dòng)通信系統(tǒng)中的無線資源分配領(lǐng)域，具體涉及一種多小區(qū) OFDMA(正交頻分復(fù)用多址)系統(tǒng)的功率分配方法。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)無線和移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)需求的急速增加，無線頻譜資源越來越緊張。 如何有效地對(duì)無線資源進(jìn)行分配成為越來越重要的問題。對(duì)于無線資源優(yōu)化分配問題，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)可將其分成兩類第一類是在滿足用戶速率的條件下，最小化系統(tǒng)的發(fā)射功率； 第二類是在系統(tǒng)發(fā)射功率受限的條件下，最大化系統(tǒng)所有用戶的總數(shù)據(jù)速率。
目前多小區(qū)場(chǎng)景下OFDMA系統(tǒng)資源分配的研究成果多數(shù)都是屬于關(guān)于前述第二類問題，而對(duì)于前述第一類問題的研究成果相對(duì)較少。以下發(fā)明專利申請(qǐng)中就提出了關(guān)于前述第一類問題的優(yōu)化算法。
(1)廖學(xué)文，呂剛明，朱世華，任品毅，一種用于蜂窩多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的資源分配和功率分配方法，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)?01010213897.8 (2)陳曉冬，熊尚坤，王慶揚(yáng)等，OFDMA系統(tǒng)中小區(qū)資源的聯(lián)合分配方法和裝置，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)?01010255740. 1 上述發(fā)明專利申請(qǐng)(1)是采用分布式計(jì)算的方法，通過迭代來對(duì)各個(gè)小區(qū)內(nèi)的用戶進(jìn)行子載波和功率分配。每個(gè)小區(qū)計(jì)算干擾代價(jià)因子并發(fā)送給相鄰小區(qū)，同時(shí)接收相鄰小區(qū)發(fā)送的干擾代價(jià)因子，各小區(qū)更新相鄰小區(qū)的干擾代價(jià)因子，并依此計(jì)算下一次迭代時(shí)各小區(qū)內(nèi)的功率分配。該方法僅需基站間存在有限的協(xié)作，通過干擾代價(jià)因子的共享，各小區(qū)基站可以獨(dú)立分配發(fā)送功率。但是通過干擾代價(jià)因子來模擬小區(qū)間干擾的實(shí)際情況， 則干擾代價(jià)因子的計(jì)算方式直接影響到分配結(jié)果的性能，且該發(fā)明中提出的干擾代價(jià)因子的公式非常復(fù)雜，隨著用戶數(shù)和載波數(shù)的增多，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量非常大，給小區(qū)基站帶來較大的負(fù)荷。
上述發(fā)明專利申請(qǐng)(2)考慮多小區(qū)OFDMA的子載波與功率的聯(lián)合優(yōu)化分配問題， 同樣是采用分布式的求解方式。在功率分配部分，初始分配在不考慮其它小區(qū)的同頻干擾情況下基于單小區(qū)進(jìn)行，然后協(xié)作區(qū)域內(nèi)的小區(qū)通過數(shù)據(jù)接口相互交換信道信息以及各自的功率分配信息，每個(gè)小區(qū)基站再利用迭代程序獨(dú)立計(jì)算來自其它小區(qū)的同頻干擾，更新各小區(qū)的功率分配通過判斷用戶在服務(wù)小區(qū)的某子載波上的信干噪比是否大于特定門限值來確定迭代是否繼續(xù)。每個(gè)小區(qū)基站同時(shí)進(jìn)行并行操作，雖然將計(jì)算量分散給各個(gè)基站， 降低了復(fù)雜度，但實(shí)際上因?yàn)槭褂猛惠d波的不同用戶的在該載波上分配的功率是彼此依賴，互為因變量的，所以直接采用并行計(jì)算會(huì)導(dǎo)致最終求得的結(jié)果不一定準(zhǔn)確。
總體而言，現(xiàn)有的多小區(qū)OFDMA功率分配算法存在以下問題1)從最優(yōu)化理論角度出發(fā)，利用經(jīng)典算法進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大，不利于采用集中式處理；2)采用分布式求解算法使計(jì)算量分散，降低了復(fù)雜度，但是由于各小區(qū)之間互相依賴的關(guān)系，分布式求解不能真正從全局上統(tǒng)籌多小區(qū)的資源優(yōu)化分配。針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種復(fù)雜度極低，適合集中式處理且性能良好的功率分配方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法，以低復(fù)雜度達(dá)到較好的性能，適用于網(wǎng)絡(luò)的集中式處理，具體技術(shù)方案如下。
一種多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法，包括以下步驟 a,建立多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)功率分配的約束優(yōu)化模型； b，分析步驟a得到的約束優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，將功率優(yōu)化分配簡(jiǎn)化成求解目標(biāo)線性方程組； C求解步驟b中的線性方程組，得到功率分配矩陣，該矩陣第i行第j列元素Pi (j) 為用戶i在子載波j上分配到的功率值，用戶在其未分配的子載波上功率值都為0，其中i 為用戶編號(hào)，j為子載波編號(hào)； d，步驟c得到的功率分配矩陣若滿足所述約束條件，則其即為最優(yōu)解，求解結(jié)束； 若不滿足所述約束條件，則對(duì)其進(jìn)行迭代調(diào)整，得到功率分配的最終結(jié)果； e，把步驟d求得的功率分配矩陣中第i行第j列的功率值Pi (j)分配給用戶i分得的子載波j。
上述的多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法中，步驟a包括以下步驟 al)得到目標(biāo)函數(shù)多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配目標(biāo)是在所有用戶達(dá)到預(yù)設(shè)的速率條件下最小化系統(tǒng)內(nèi)基站的總發(fā)射功率，即最小化所有用戶的子載波上的發(fā)射功率之和，因此，功率分配約束優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為mi^m^AH其中U為系統(tǒng)中所有用戶的
‘ /
編號(hào)集合，M為系統(tǒng)中所有子載波的編號(hào)集合，Pi (j)為用戶i在子載波j上分配到的功率值； a2)得到約束條件步驟1)中所述功率分配的前提是所有用戶達(dá)到所述預(yù)設(shè)的速率，因此功率分配約束優(yōu)化模型的約束條件之一是用戶的實(shí)際速率要大于或等于所述預(yù)設(shè)的速率，則要求所有用戶在分配到的子載波上的信干噪比都不小于用戶對(duì)應(yīng)的目標(biāo)信干噪比，即對(duì)任一用戶i都有SINRi (j) ^ SINRi, i e S (j)，其中SINRi (j)為用戶i在某子載波j上的信干噪比，SINRi為用戶i的目標(biāo)信干噪比；假設(shè)在功率分配之前子載波已經(jīng)分配完畢，同一小區(qū)中不同用戶不分配相同的子載波，且每個(gè)用戶i在所分配的子載波上有相同的目標(biāo)頻譜利用率1，以及期望的傳輸速率氏，則用戶i分配的子載波數(shù)目A需滿足 ri SRi/(B Jii^ri取滿足前述不等式的最小整數(shù)，S (j)為分配到子載波j的不同小區(qū)的用戶編號(hào)集；由于實(shí)際中功率值為正值，因此功率分配約束優(yōu)化模型的約束條件之二是所有求得的用戶在其所分配到的載波上的功率都大于0，即Pi (j) >0，i e S(J)0 上述的多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法中，步驟b包括以下步驟 bl)得到任一用戶i在子載波j上可測(cè)量的信干噪比SINRi (j)的計(jì)算表達(dá)式，由于OFDMA系統(tǒng)中頻率復(fù)用因子為1，不同小區(qū)的用戶可以使用同一子載波，不同小區(qū)間存在著同頻干擾，因此SINRi (j)可用下式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法，其特征是包括以下步驟 a，建立多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)功率分配的約束優(yōu)化模型；b，分析步驟a得到的約束優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，將功率優(yōu)化分配簡(jiǎn)化成求解目標(biāo)線性方程組；c，求解步驟b中的線性方程組，得到功率分配矩陣，該矩陣第i行第j列元素Pi (j)為用戶i在子載波j上分配到的功率值，用戶在其未分配的子載波上功率值都為0，其中i為用戶編號(hào)，j為子載波編號(hào)；d，步驟c得到的功率分配矩陣若滿足所述約束條件，則其即為最優(yōu)解，求解結(jié)束；若不滿足所述約束條件，則對(duì)其進(jìn)行迭代調(diào)整，得到功率分配的最終結(jié)果；e，把步驟d求得的功率分配矩陣中第i行第j列的功率值Pi (j)分配給用戶i分得的子載波j。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法，其特征在于步驟a包括以下步驟al)得到目標(biāo)函數(shù)多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配目標(biāo)是在所有用戶達(dá)到預(yù)設(shè)的速率條件下最小化系統(tǒng)內(nèi)基站的總發(fā)射功率，即最小化所有用戶的子載波上的發(fā)射功率之和，因此，功率分配約束優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為111111^^^^·7.)其中U為系統(tǒng)中所有用戶的編‘5號(hào)集合，M為系統(tǒng)中所有子載波的編號(hào)集合，Pi (j)為用戶i在子載波j上分配到的功率值； a2)得到約束條件步驟1)中所述功率分配的前提是所有用戶達(dá)到所述預(yù)設(shè)的速率， 因此功率分配約束優(yōu)化模型的約束條件之一是用戶的實(shí)際速率要大于或等于所述預(yù)設(shè)的速率，則要求所有用戶在分配到的子載波上的信干噪比都不小于用戶對(duì)應(yīng)的目標(biāo)信干噪比，即對(duì)任一用戶i都有SINRi (j) ^ SINRi, i e S(j)，其中SINRi (j)為用戶i在某子載波j上的信干噪比，SINRi為用戶i的目標(biāo)信干噪比；假設(shè)在功率分配之前子載波已經(jīng)分配完畢，同一小區(qū)中不同用戶不分配相同的子載波，且每個(gè)用戶i在所分配的子載波上有相同的目標(biāo)頻譜利用率1，以及預(yù)設(shè)的傳輸速率氏，則用戶i分配的子載波數(shù)目A需滿足 ri SRi/(B Jii^ri取滿足前述不等式的最小整數(shù)，S (j)為分配到子載波j的不同小區(qū)的用戶編號(hào)集；由于實(shí)際中功率值為正值，因此功率分配約束優(yōu)化模型的約束條件之二是所有求得的用戶在其所分配到的載波上的功率都大于0，即Pi (j) >0，i e S(J)0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法，其特征在于步驟b包括以下步驟bl)得到任一用戶i在子載波j上可測(cè)量的信干噪比SINRi (j)的計(jì)算表達(dá)式，由于 OFDMA系統(tǒng)中頻率復(fù)用因子為1，不同小區(qū)的用戶可以使用同一子載波，不同小區(qū)間存在著同頻干擾，因此SINRi (j)可用下式計(jì)算崎Σ狨S^)+風(fēng),一)HeS(J)Mi其中b(h)為用戶h所在小區(qū)編號(hào)，s(j)為分配到子載波j的不同小區(qū)的用戶集，Pi(j) 表示用戶i在子載波j上分配到的功率值，Ph(J)表示用戶h在子載波j上分配到的功率值，Gi (j)表示用戶i在子載波j上的信道增益，GfC/+)表示在子載波j上用戶i與小區(qū) k(k ^b(i))的基站之間的信道增益，B是系統(tǒng)子載波的帶寬，N0是白噪聲的功率譜密度；b2)得到任一用戶i的目標(biāo)信干噪比SINRi,假設(shè)系統(tǒng)中每個(gè)用戶i在所分配的子載波上有相同的目標(biāo)頻譜利用率1，以及期望的傳輸速率Ri,則對(duì)于用戶i有Hi = lo^d+SINRi)，則用戶i的目標(biāo)信干噪比為MM^ =2"'b3)將上述bl)，b2)兩步得到的表達(dá)式代入步驟a所述的功率分配約束優(yōu)化模型的約束條件之一，SINRi (j) SSINIii可轉(zhuǎn)化成Pi (j)與用戶的目標(biāo)頻譜利用率Jli之間的不等式約束關(guān)系
b4)要使步驟a所述的功率分配約束優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)值最小，即系統(tǒng)中所有用戶在分配到的子載波上的發(fā)射功率之和最小，則要求每個(gè)用戶在分配到的載波上的功率值都取最小，也即對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)任一用戶i，要求上述步驟b3)中的不等式取等號(hào)，這樣對(duì)于每個(gè)用戶i在分配到的子載波j上的功率？10)都能得到一個(gè)等式，也就得到了一組以Pi (j)為未知量的線性方程組，即目標(biāo)線性方程組
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法，其特征在于步驟d包括 dl)判斷步驟c求得的功率分配矩陣是否所有元素都大于零，且不存在某個(gè)用戶在所有子載波上的分配的功率都為0，若滿足，則該功率分配矩陣即為功率分配的最優(yōu)解，求解結(jié)束；若不滿足，則跳轉(zhuǎn)至步驟d2)；d2)對(duì)步驟c中求得的解進(jìn)行迭代調(diào)整，步驟如下 d21)將功率分配矩陣中的所有負(fù)功率值都調(diào)整為0 ；d22)將原方程組中左邊是步驟d21)中被調(diào)整的負(fù)功率值的方程都去掉，同時(shí)將左邊是正功率的方程的右邊表達(dá)式子中負(fù)功率都變成0，這樣就得到一個(gè)新的方程組；d23)將各載波對(duì)應(yīng)的有負(fù)解元素的方程組都按步驟d21)、d2》進(jìn)行調(diào)整，然后統(tǒng)計(jì)調(diào)整后各用戶服務(wù)的子載波數(shù)，即各用戶在各子載波上分配的功率值大于零的個(gè)數(shù)；若某用 戶i的服務(wù)子載波數(shù)減少為r',，則將其頻譜利用率Jli更新為η ‘ i，7^=^7^子載波數(shù) 沒有變化的用戶則不用更新頻譜利用率；將更新后的頻譜利用率代入步驟ii得到的方程組中，又得到一個(gè)新的方程組；d24)分別求解步驟(12 得到的各新方程組，得到新的功率分配矩陣，如果此矩陣所有元素都非負(fù)且沒有全為零的行，則調(diào)整停止，所得的解即為該方法求得的功率分配的最優(yōu)解；如果求得的功率分配矩陣出現(xiàn)某行全為零，或者達(dá)到迭代次數(shù)的上限時(shí)則調(diào)整停止，否則轉(zhuǎn)至第d21)步繼續(xù)依次調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法，其特征在于所述的多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)中有一個(gè)中央控制器，各小區(qū)基站都將信道信息反饋給中央控制器，每個(gè)終端和基站之間的信道增益均由中央控制器計(jì)算得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的功率分配方法，通過建立多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)功率分配的約束優(yōu)化模型；將功率優(yōu)化分配簡(jiǎn)化成求解目標(biāo)線性方程組；求解步驟b中的線性方程組，得到的功率分配矩陣若滿足所述約束條件，即為最優(yōu)解；若不滿足所述約束條件，則對(duì)其進(jìn)行迭代調(diào)整，得到功率分配的最終結(jié)果；把求得的功率分配矩陣中第i行第j列的功率值Pi(j)分配給用戶i分得的子載波j。本發(fā)明方法的求解復(fù)雜度僅相當(dāng)于求解線性方程組，復(fù)雜度低，適合集中式處理，能提高系統(tǒng)性能，因此實(shí)用性較強(qiáng)。
文檔編號(hào)H04W72/08GK102186232SQ20111014219
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者陳芳炯, 熊素娟 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)