CN101098326A - 一种正交频分复用多址接入系统中的自适应资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线移动通信系统，具体涉及一种在正交频分复用多址接入系统中实现自适应资源分配的方法。包括：基站确定可以允许接入(能够获得子载波分配)的用户数目；基站确定每个用户可以分配的子载波数目以及功率；基站决定每个用户所分配的确切子载波。本发明主要解决了一个用户申请接入系统时的子载波数目确定问题，相对于传统静态子载波分配而言，这是一种动态的子载波分配过程，而且在系统发射功率最小化的原则下能够使得每个用户分配到足够多的子载波，以充分实现频率分集，同时它克服了注水算法中复杂的注水水平的迭代确定过程，不需要迭代，从而简化了操作过程。

Description

一种正交频分复用多址接入系统中的自适应资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种无线移动通信系统，具体涉及一种在正交频分复用多址接入(OFDMA)系统中实现自适应资源分配的方法，特别是一种在正交频分复用多址接入(OFDMA)系统中实现子载波分配方法。

背景技术

无线通信系统中的频谱资源是非常有限的，因此，无线移动通信系统必须合理地利用这些有限的频率资源。特别是在未来移动通信系统中，用户对于高速、高质量的数据传输的业务需求越来越多，如何在有限无线频率资源上为更多用户提供高质量的服务就显得越来越重要。在频率选择性衰落环境中，OFDM是一种具有前途的解决方案。

正交频分复用因为具有较高的频谱利用效率、对频率选择性衰落具有天然免疫力等优点，而成为B3G(Beyond Three Generation)移动通信系统的一项关键技术。与窄带通信系统相比，OFDM系统具有较宽广的频率资源，各个子载波上的信道响应差别很大，因此，OFDM可以根据频谱利用率以及最佳平衡为原则为各个子载波选择不同的调制方式，以达到对资源的最佳利用。

然而，在多用户环境下，在同一时刻由多个用户共享信道资源，然而各个用户与基站之间所经历的物理信道不同，也就是说在每个子载波上，每个用户的信道响应是不一样的，因此，为了充分提高系统的数据率，必须为每个用户在各个OFDM子载波上的信道响应进行多用户之间的子载波分配。一个优异的子载波分配算法必须同时在三个评价指标上具有良好表现：频谱效率或者平均每个子载波上所能够传输的比特数、对各个用户的公平性以及算法实现的实时性和复杂度。

在正交频分复用多址接入(OFDMA)系统中，资源的概念可以定义为一个固定频率带宽中的一组可用子载波。而资源的分配是指在小区制移动蜂窝系统中，根据用户的信道条件，以最有效的频谱利用方式为每个用户分配合适的子载波，以满足用户的通信业务需求。

在多用户OFDMA系统中，子载波的分配是一个比较重要的问题。OFDMA采用OFDM技术区分用户，在OFDM系统中，整个频带被分成许多子载波，各个子载波彼此正交，在频率谱上交叠。因为在不同子载波上数据是并行传送的，所以OFDMA是一种频率复用接入方法。OFDMA概念实质上和FDMA一样，但是它具有FDMA所没有的一些优点。

在OFDMA系统中，主要依靠子载波来区分用户，因此，在一帧时间(当然也可以是其他时间单元，只要该时间单元远远小于信道的相干时间)内，一个用户占用了某个子载波以后，这个子载波就不能再分配给其他用户。而且，为了提高系统频谱效率，希望系统在传输速率和功率限制条件下，使得系统的总发射功率最小，同时使得系统总的传输速率趋于最大化。

在常规子载波分配算法中，都是在用户数目、可用子载波数目、用户的BER要求都已知的前提下，给每个用户分配一定数目的子载波，使得总的发射功率最小。从而将所有子载波都分配给这些用户，以满足这些用户的最低要求。这是一种静态的分配方法，前提是基站知道所有用户数目、每个用户的信道条件以及业务需求。

比如2005年4月14日公布的美国专利US 2005/0078759A1“subcarrier and bit allocation forreal time services in multiuser orthogonal frequency division multiplex(OFDM)systems”给出的一种实时多用户OFDM系统的子载波和比特方案，该方案首先利用注水方法(water-fillingmethod)为每个用户分配合适的子载波，然后为每个用户的子载波分配合适的比特。在进行比特分配过程中，依据增加一个比特引起的功率增量最小的那个子载波。这种方法的缺陷在于需要通过迭代求取每个用户的注水水平参数，在子载波数目和用户数目比较大的时候，其收敛速度很慢。

而且，在实际系统中，用户申请接入系统是随机的，而且每个用户并非使用的子载波数目越多越好，也就是说，每个用户需要的子载波数目有一个上限和一个下限。而且很少有技术文献考虑当一个新的用户请求进入系统时的子载波的分配问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是：当一个用户申请接入系统的时候，而且每个时间单元内只允许一个用户接入，系统在传输速率和功率限制条件下如何依据用户信道条件的变化自适应分配子载波，使得系统的总发射功率最小，同时使得系统总的传输速率趋于最大化。

本发明具体是这样实现的：

一种正交频分复用多址接入系统中的自适应资源分配方法，包括：在系统中已经确定所需要分配的最少子载波数目的激活用户；

其特征在于在待激活用户准备进入时，执行如下处理步骤：

第一步骤，通过待激活用户的上报信息、激活用户和待激活用户需要的最少子载波数目之和、系统允许的子载波总数，由基站确定可以允许接入能够获得子载波分配的用户数目；

第二步骤，根据在满足最小发射功率的限制条件下，增加一个子载波时发射功率增量绝对值最小的用户将获得子载波数目的增加，基站对可以允许接入能够获得子载波分配的每个用户确定可以分配的子载波数目以及功率；

第三步骤，基站对每个用户所分配的确切子载波，由基站通过下行控制信道通知相应用户，按照这种约定进行业务传输。

所述第一步骤进一步包含以下步骤：

步骤1：待激活用户将其所能够接受的最低传输速率要求信息、信道状态信息上报给基站；

步骤2：基站利用待激活用户上报的信息估计能够满足待激活用户的基本业务需求所需要的最少子载波数目；

步骤3：基站判断激活和待激活用户中所有用户需要的最少子载波数目之和是否超出系统允许使用的子载波总数，如果大于或者等于，不给待激活用户分配任何子载波，进而直接转入所述第二步骤；如果小于，给待激活用户分配子载波后，转入所述第二步骤。

所述第二步骤进一步包含以下处理：

步骤1：基站估计满足激活用户和待激活用户中每一个用户基本子载波分配以后剩余的子载波数目；

步骤2：基站估计每个用户所需最大子载波数目；

步骤3：基站估计参加子载波分配的激活用户和待激活用户中每一个用户的平均信道增益；

步骤4：基站估计每一个用户增加一个子载波对应的功率增量；

步骤5：基站寻求上述功率增量最小的用户；

步骤6：用户的子载波数目以及所需功率；

步骤7：剩余子载波数目减少1；

步骤8：重复步骤3到步骤6，直到所有子载波分配完毕。

所述第二步骤进一步还包含以下处理：

步骤9：基站估计激活用户和待激活用户中的每一个用户的子载波数目是否超过该用户所需要的最多子载波数目，如果小于或者等于，转入步骤10，如果大于，转入步骤11；

步骤10：该用户最终分配子载波数目和功率不作调整，直接进入所述第三步骤；

步骤11：该用户的最终分配子载波数目为基本的子载波资源，同时调整功率然后直接进入所述第三步骤。

本发明主要解决了一个用户申请接入系统时的子载波数目确定问题，相对于传统静态子载波分配而言，这是一种动态的子载波分配过程，而且在系统发射功率最小化的原则下能够使得每个用户分配到足够多的子载波，以充分实现频率分集，同时它克服了注水算法中复杂的注水水平的迭代确定过程，不需要迭代，从而简化了操作过程。

附图说明

图1为根据本发明的实施例所述的OFDMA系统中的自适应子载波分配流程示意图；

图2为按照本发明的实施例所述的在OFDMA系统中实现每个用户分配子载波数目的确定以及功率分配流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所述方法作进一步详细说明：

为了能够清楚地描述本发明的思想，特别作一些假设：在OFDMA系统中假设已经有K-1个用户已经处于激活状态，也就是说，这K-1个用户所需要分配的最少子载波数目已经确定，这K-1个用户分别记作用户1，2，…，K-1，现在有第K个用户准备进入激活状态，为了描述方便，将这K个用户的集合记作U。

为了解决上述问题，本发明提供一种在正交频分复用多址接入((OFDMA)系统中实现资源分配的方法，该方法的基本思想是在满足系统中每个用户基本业务需求的前提下，尽可能地给每个用户分配更多的子载波，以提高系统的数据传输速率以及系统的频谱利用效率，充分利用无线系统的资源。

如图1所示：本发明所述在正交频分复用多址接入系统中的自适应资源分配方法涉及子载波的分配，主要包含以下三个步骤：

第一步：基站确定可以允许接入(能够获得子载波分配)的用户数目100；

第二步：基站确定每个用户可以分配的子载波数目以及功率200；

第三步：基站决定每个用户所分配的确切子载波300。

首先，用户K将其所能够接受的最低传输速率要求信息R_min ^K、信道状态信息h_K，n上报给基站，基站利用这些信息估算能够满足用户K的基本业务需求所需要的最少子载波数目N_min ^K，即 $N_{\min }^K=\mathrm{ceil}(R_{\min }^K/R_{\max }),$ 其中R_max表示每个子载波可以允许的最大传输速率，其数值取决于系统采用的编码调制方案，ceil(x)表示朝着正无穷大方向对实数x取整。然后，基站统计集合U中所有用户需要的最少子载波数目之和∑_k＝1 ^KN_min ^k，如果∑_k＝1 ^KN_min ^k超过系统中可用的子载波总数目N，即 ${\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{N}_{\min }^u\&GreaterEqual;N,$ 则不给用户K分配任何子载波，也就是说系统当前没有足够的频率资源来支撑用户K的基本业务需求；如果∑_k＝1 ^KN_min ^k小于系统中可用的子载波总数目N，即 ${\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{N}_{\min }^k<N,$ 则标明系统有足够的频率资源来支持用户K的基本业务，也就是说，可以为用户K至少分配N_min ^K个子载波。

根据Hujun Yin和Hui Liu在2000年撰写的，公开于在IEEE Globecom′00，San Francisco，USA，20002中的论文“an efficient multiuser loading algorithm for OFDM based broadbandwireless systems”的描述，如果一个用户的数据速率是固定的，则随着用户所得到的子载波数目的增加，所需要的功率值会下降，这就为每个用户增加子载波分配数目提供了依据。也就是说，在满足每个用户所需要的最少子载波数目分配以后，系统还剩余了一部分子载波，这一部分子载波可以继续分配给用户集U中的合适用户。

在决定为哪些用户增加子载波的过程中，可以采用上述的论文“an efficient multiuserloading algorithm for OFDM based broadband wireless systems”中提供的方法，就是在满足最小发射功率的限制条件下，增加一个子载波时发射功率增量绝对值最小的用户将获得子载波数目的增加。也就是说，如果用户k已经确定了最少分配N_k个子载波，那么，增加一个子载波的时候，所需要的功率增量ΔP_k为

$\mathrm{\&Delta;}{P}_k=\frac{N_k+1}{H_k}\&CenterDot;F\left(\frac{R_{\min }^k}{N_k+1}\right)-\frac{N_k}{H_k}\&CenterDot;F\left(\frac{R_{\min }^k}{N_k}\right)$

对于所有的用户，确定功率增量最小的用户，即 $\stackrel{\&OverBar;}{k}=\arg \mathrm{mi}{n}_{k\&Element;U}\mathrm{\&Delta;}{P}_k,$ 进而给该用户分配的子载波数目增加1，其发射功率相应增加ΔP_k，即P_k←P_k+ΔP_k。其中，H_k是用户k的平均信道增益，可以通过用户上报的信道状态信息直接估算得到。这样一个一个子载波(上述满足每个用户所需要的最少子载波数目分配以后，系统剩余的那部分子载波)进行增加，直到用户集合U中所有用户分配的子载波数目之和为系统允许使用的子载波数目总和N，即 ${\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{N}_k=N,$ 其中，N_k是系统分配给用户k(k＝1，2，…，K)的子载波数目。

但是，完全按照上述分配结果，系统可能无法满足每个用户的业务需求，因为，某些用户的子载波数目可能会超过该用户在最低传输速率情况下所需要的最大子载波数目 $N_{\max }^k=\mathrm{ceil}(R_{\min }^k/R_{\min }),$ 即 $N_k>N_{\max }^k,$ 其中，R_min表示每个子载波可以允许的最低传输速率，其数值取决于系统采用的编码调制方案。这时，多于N_max ^k的子载波资源对于该用户而言是一种浪费，一方面，该用户的业务需求不需要这么多子载波，另一方面，为了传输这些多于子载波的信息需要额外的信令开销，因此，为了简化系统的操作，遇到这种情况，就给用户分配其基本的子载波资源，即取 $N_k=\min (N_{\min }^k,N_{\max }^k),$ 同时调整其发射功率值。此时所获得的N_k就是系统最终分配给用户集U中每个用户的子载波数目，系统可以进一步利用这些子载波数目信息以及每个用户的信道状态信息为每个用户指定所分配的确切子载波位置。

当每个用户所分配的确切子载波(包含数目和位置)以及功率确定以后，由基站通过下行控制信道通知相应用户，进而按照这种约定进行业务传输。

如图2所示：

所述基站确定系统允许接入用户数目的步骤100，进一步包含以下实现步骤：

(1)用户K将其所能够接受的最低传输速率要求信息R_min ^K、信道状态信息h_K，n上报给基站，其中，h_k，n表示用户k在第n个子载波上的信道响应；

(2)基站利用用户K上报的信息估计能够满足用户K的基本业务需求所需要的最少子载波数目N_min ^K，即 $N_{\min }^K=\mathrm{ceil}(R_{\min }^K/R_{\max });$

(3)基站判断集合U中所有用户需要的最少子载波数目之和∑_k＝1 ^KN_min ^k是否超出系统允许使用的子载波总数N，如果 ${\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{N}_{\min }^u\&GreaterEqual;N,$ 则进一步转入步骤(4)，否则直接转入步骤200；

(4)不给用户K分配任何子载波，即N_K＝0，进而直接转入步骤200。

所述基站确定每个用户可以分配的子载波数目以及功率步骤200，进一步包含以下实现步骤；

(a)基站估计满足用户集U中每一个用户基本子载波分配以后剩余的子载波数目，即 $N_a=N-{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{N}_{\min }^u;$

(b)基站估计每个用户所需最大子载波数目N_max ^k，即 $N_{\max }^k=\mathrm{ceil}(R_{\min }^k/R_{\min });$

(c)基站估计参加子载波分配的用户集U中每一个用户的平均信道增益H_k；

(d)基站估计每一个用户增加一个子载波对应的功率增量ΔP_k，即

$\mathrm{\&Delta;}{P}_k=\frac{N_k+1}{H_k}\&CenterDot;F\left(\frac{R_{\min }^k}{N_k+1}\right)-\frac{N_k}{H_k}\&CenterDot;F\left(\frac{R_{\min }^k}{N_k}\right)$

(e)基站寻求上述功率增量最小的用户，即 $\stackrel{\&OverBar;}{k}=\arg \mathrm{mi}{n}_{k\&Element;U}\mathrm{\&Delta;}{P}_k;$

(f)用户

的子载波数目以及所需功率，即 $N_{\stackrel{\&OverBar;}{k}}=N_{\stackrel{\&OverBar;}{k}}+1,$ $P_{\stackrel{\&OverBar;}{k}}=P_{\stackrel{\&OverBar;}{k}}+\mathrm{\&Delta;}{P}_{\stackrel{\&OverBar;}{k}};$

(g)剩余子载波数目减少1，即N_a＝N_a-1；

(h)重复第(c)到(f)步骤，直到所有N_a个子载波分配完毕。

(i)基站估计用户集U中的每一个用户的子载波数目N_k是否超过该用户所需要的最多子载波数目N_max ^k，如果 $N_k\&le;N_{\max }^k,$ 则转入步骤(j)，否则转入步骤(k)；

(j)该用户最终分配子载波数目N_k和功率不作调整，直接进入步骤300；

(k)该用户的最终分配子载波数目为 $N_k=\min (N_{\min }^k,N_{\max }^k),$ 同时调整该用户的功率为 $P_k=N_k/H_k\&CenterDot;F(R_{\min }^k/N_k),$ 然后直接进入步骤300。

所述基站决定每个用户所分配的确切子载波的步骤300，当每个用户所分配的确切子载波(包含数目和位置)以及功率确定以后，由基站通过下行控制信道通知相应用户，进而按照这种约定进行业务传输。

当然，本发明提供的实施例只是为了详尽地说明按照本发明内容提供的在正交频分复用多址接入(OFDMA)系统中实现自适应资源分配的方法，因而都是示例性的实施方式，并不能将它看作是对于本发明的限制，而且，凡是在本发明宗旨之内的显而易见的修改亦应归于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种正交频分复用多址接入系统中的自适应资源分配方法，包括：在系统中已经确定所需要分配的最少子载波数目的激活用户；

其特征在于，在待激活用户准备进入时，执行如下处理步骤：

第一步骤，通过待激活用户的上报信息、激活用户和待激活用户需要的最少子载波数目之和、系统允许的子载波总数，由基站确定可以允许接入能够获得子载波分配的用户数目；

第二步骤，根据在满足最小发射功率的限制条件下，增加一个子载波时发射功率增量绝对值最小的用户将获得子载波数目的增加，基站对可以允许接入能够获得子载波分配的每个用户确定可以分配的子载波数目以及功率；

第三步骤，基站对每个用户所分配的确切子载波，由基站通过下行控制信道通知相应用户，按照这种约定进行业务传输。

2、如权利要求1所述的正交频分复用多址接入系统中的自适应资源分配方法，其特征在于，所述第一步骤进一步包含以下步骤：

步骤1：待激活用户将其所能够接受的最低传输速率要求信息、信道状态信息上报给基站；

步骤2：基站利用待激活用户上报的信息估计能够满足待激活用户的基本业务需求所需要的最少子载波数目；

步骤3：基站判断激活和待激活用户中所有用户需要的最少子载波数目之和是否超出系统允许使用的子载波总数，如果大于或者等于，不给待激活用户分配任何子载波，进而直接转入所述第二步骤；如果小于，给待激活用户分配子载波后，转入所述第二步骤。

3、如权利要求1所述的正交频分复用多址接入系统中的自适应资源分配方法，其特征在于，所述第二步骤进一步包含以下处理：

步骤1：基站估计满足激活用户和待激活用户中每一个用户基本子载波分配以后剩余的子载波数目；

步骤2：基站估计每个用户所需最大子载波数目；

步骤3：基站估计参加子载波分配的激活用户和待激活用户中每一个用户的平均信道增益；

步骤4：基站估计每一个用户增加一个子载波对应的功率增量；

步骤5：基站寻求上述功率增量最小的用户；

步骤6：用户的子载波数目以及所需功率；

步骤7：剩余子载波数目减少1；

步骤8：重复步骤3到步骤6，直到所有子载波分配完毕。

4、如权利要求3所述的正交频分复用多址接入系统中的自适应资源分配方法，其特征在于，进一步还包含以下处理：

步骤9：基站估计激活用户和待激活用户中的每一个用户的子载波数目是否超过该用户所需要的最多子载波数目，如果小于或者等于，转入步骤10，如果大于，转入步骤11；

步骤10：该用户最终分配子载波数目和功率不作调整，直接进入所述第三步骤；

步骤11：该用户的最终分配子载波数目为基本的子载波资源，同时调整功率然后直接进入所述第三步骤。

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