CN101127576A - 一种正交频分复用通信系统资源调度方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用通信系统资源调度方法，包括1)将系统频率资源所有子载波划分成若干个资源块，用特征量表示资源块内所有子载波对某个用户的信道状态信息；2)资源块数量请求条件下，根据各用户信道状态信息对其进行资源分配；3)如不发生资源块冲突，则结束；如发生资源块冲突，则继续下述步骤；4)将发生冲突的资源块只分给在该资源块上信道状态最好的用户；5)对其他未分配的资源块在未被分配的资源块集中进行资源分配，如发生冲突，将其移到发生冲突的资源块集中；重复4)和5)，直到结束资源块的分配。本发明简化分配过程，并保证较高的系统性能，又能很好的兼顾了各用户间的公平性，另外，较低的复杂度也保证了实时传输的需要。

Description

一种正交频分复用通信系统资源调度方法

技术领域

本发明涉及正交频分复用通信系统，特别涉及一种正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，以下简称OFDM)通信系统中资源调度方法。

背景技术

正交频分复用技术通过将一高速传输的数据流转换为一组低速并行传输的数据流，使系统对多径衰落信道频率选择性的敏感度大大降低，而循环前缀的引入，又进一步增强了系统抗符号间干扰(Inter SymbolInterference，以下简称ISI)的能力。除此之外的带宽利用率高、实现简单等特点使OFDM在无线通信领域的应用越来越广，诸如IEEE802.11a、IEEE802.16、IEEE802.20等标准都是基于OFDM技术。另外，此项技术在第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project，简称3GPP)长期演进(Long Term Evolve，简称LTE)的考虑中也最受瞩目。

OFDM系统是将带宽划分成许多相互正交的子载波，通过采用不同的调度算法将不同的子载波分配给不同的用户从而提高系统的性能。目前常用的调度算法基本分为以下几类：

1)公平吞吐量调度：不考虑用户具体位置，即小区边界以及Node B附近的用户吞吐量相同。为了使得所有用户吞吐量一致，则信道状态信息低的用户应该比高的用户分配更多的资源。这种算法的特点是保证了各用户间的公平性，但系统容量不理想。

2)最大吞吐量调度：在这种调度算法下，较好的信道状态信息的用户比较差信道状态信息的用户具有更高的分组传输优先权，所有的信道资源可以分配给单个最好信道条件的用户。这种算法的特点因为总是把信道分配给了具有最好信道信息的用户，所以具有最大的系统容量，但却是以牺牲公平性为代价的。

3)公平时间调度(轮询调度)：在不同用户间分配相同的功率和相同的占用时间，即所有用户得到等量的资源。这种算法是对上述两种算法的折中，既保证了一定的公平性，也保证了一定的系统性能，但整体结果不够理想，性能有待进一步提高。

综合来看，上述调度方案都各有特点，但都很难在公平性与信道容量间达到很好的平衡。

发明内容

本发明的目的是为了克服在OFDM系统资源分配过程中出现的系统性能和公平性不能很好兼顾的缺点。为了实现上述目的，本发明提供了一种OFDM通信系统中资源调度方法。

本发明提出的一种正交频分复用通信系统资源调度方法，该资源调度方法包括以下步骤：

步骤1：基站将系统频率资源所有子载波划分成若干个资源块，且基站用一个特征量来表示每一个资源块内所有子载波对某个用户的信道状态信息；

步骤2：在各用户资源块数量请求限制条件下，基站根据各用户在不同资源块上的信道状态信息分别对各个用户在整个频带内进行资源分配；所有的资源块被分在三个集合中：只分给一个用户的资源块的集合，即被成功分配的资源块集，分给两个或两个以上的用户的资源块的集合，即发生冲突的资源块集，没有分给任何一个用户的资源块的集合，即未被分配的资源块集；

步骤3：如果发生冲突的资源块集是空集时，则此时的分配就是最终的结果，结束；如果发生冲突的资源块集不是空集时，则继续进行下述步骤；

步骤4：对发生冲突的资源块集中的每个资源块，该资源块只分给在该资源块上信道状态最好的用户，分配后将发生冲突的资源块集中的该资源块从发生冲突的资源块集中删除掉；

步骤5：步骤4中其他没有分配到该资源块的冲突用户在未被分配的资源块集中进行资源再分配，再分配时如发生冲突，将未被分配的资源块集中发生分配冲突的所有资源块移到发生冲突资源块集中；当发生冲突的资源块集不是空集时，重复步骤4和步骤5，直到发生冲突的资源块集是空集，结束资源块的分配。

在上述步骤1中所述的特征量可以是信噪比或信道增益或载干比。

在上述步骤1中所述的基站将系统频率资源所有子载波划分成若干个资源块，可以是平均划分，即N个子载波被均匀化分成M个资源块，每个资源块包含相同子载波数。

在上述步骤2中根据各用户在不同资源块上的信道状态信息分别对各个用户在整个频带内进行资源分配，是将资源块分配给信道状态信息最好的用户。

上述步骤5其他没有分配到该资源块的冲突用户在未被分配的资源块集中进行资源分配，是指该用户在未被分配资源块集中选择信道状态信息最好的资源块。

本发明提供了一种新的多用户OFDM系统中资源调度方法，该方法实现了将复杂的多用户分配问题转换成若干单用户分配问题，简化了分配过程，在保证了较高的系统性能的同时很好的兼顾了各用户间的公平性，除此之外，较低的复杂度也保证了实时传输的需要。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的实施流程图。

具体实施方式

请参照图1，该图是本发明一较佳实施例的实施流程图。

本发明一较佳实施例的前提为：该正交频分复用通信系统含有N个子载波和K个用户的，其中已知(1)用户k在任意子载波n上的信道状态信息为h_k，n；(2)ρ_k，n表示子载波n被用户k的占用情况，n被占用则ρ_k，n＝1，否则ρ_k，n＝0，且子载波n最终只能为一个用户所占用，即当ρ_k，n＝1时，k′≠k，ρ_k′，n＝0；(3)用户k所需的子载波数为R_k，即k∈{1，2....K}， $\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{k,n}=R_k,$ 且 $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_k\≤N;$ (4)假定各个用户采用相同的编码调制方式，各个用户在其所占用的子载波上传输的比特数为c，f_k(c)表示信道增益为1时每个子载波可靠接收c比特所需的功率，则f_k(c)为常数；(5)系统的总传输功率用数学公式描述为： $p_{\mathrm{total}}^{*}=\min \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{k,n}=\min \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\left(c\right)/{h^2}_{k,n};$ 基站用一个特征量来表示每一个资源块内所有子载波对某个用户的信道状态信息，该特征量是信噪比或信道增益或载干比。

从图1可以获知实现本发明一较佳实施例所需的处理步骤如下：

步骤11：资源块划分，得出资源块集合T，用户集合U以及各用户资源块数量请求R_k。也就是说，基站将系统频率资源所有子载波平均划分成大小相同的若干资源块(当然，也可以不平均分配)，即将N个子载波被均匀化分成M个资源块，每个资源块包含相同子载波数，即N/M个子载波。基站用 $h_{k,m}=\underset{i=1}{\overset{N/M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{k,n_i}/N/M$ 来表示m资源块内所有子载波对某个用户的信道状态信息；这个处理可以大大降低系统复杂度。

步骤12：资源块初始化分配；得出各用户分配集合s_k以及未被分配的资源块集L。也就是说，在各用户资源块数量请求R_k限制条件下，基站根据各用户在不同资源块上的信道状态信息h_k，m分别对各个用户在整个频带内进行资源分配。所有的资源块被分在三个集合中：只分给一个用户的资源块的集合，即被成功分配的资源块集，分给两个或两个以上的用户的资源块的集合，即发生冲突的资源块集，没有分给任何一个用户的资源块的集合，即未被分配的资源块集。此时分配所要遵循的一个原则是根据各个用户的带宽请求在所有的资源块中分别挑出使得各用户具有最小传输功率的资源块集合，即将资源块分配给信道状态信息最好的用户，从而获得每个用户所需的资源块集合s_k。该步骤主要功能是将复杂的多用户子载波分配问题转换成多个单用户子载波分配问题。如果此时发生冲突的资源块集是空集时，则此时的分配就是最终的结果，结束；如果此时发生冲突的资源块集不是空集时，则继续进行下述步骤。

步骤13：冲突解决，也就是说，对发生冲突的资源块集中的每个资源块，将发生冲突的资源块集中的资源块q分配给最好信道条件的用户，分配后将q从发生冲突的资源块集中删除，记下各用户分配集合中的元素个数Q_k；即假定存在Q个冲突资源块{1，2，…，q，…，Q}，其中任一冲突资源块q同时被D个用户所竞争，即{k₁，k₂…，k_D}；则总共的冲突次数可表示为： $\mathrm{ConflictTimes}=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}(D_q-1);$ 其中D是大于1的整数，且所述冲突资源块的冲突次数为D-1；为了使系统总传输功率最小，即 $p_{\mathrm{total}}^{*}=\min \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{k,n}=\min \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k\left(c\right)/{h^2}_{k,n},$ 找出使得各用户具有最小传输功率的资源块集合，即找出对各用户来说最好的信道，将冲突资源块分配给信道增益最大的用户，具体方法如下：

d0 for q＝1：Q

$k_d^{*}=\arg {\max }_{1\≤d\≤D_q}{\left|h_{k_d,q}\right|}^2$

$S_{k_d^{*}}\←q$

end

步骤14：对于任一用户k，各用户余下的资源块数量请求R_k＝R_k-Q_k；如果各用户余下的资源块数量请求R_k＝0，则用户集合U中元素个数减1；T＝L；

步骤15：如果用户集合U中元素的个数为0，则进入步骤16。如果用户集合U中元素的个数不为0，则返回步骤12，继续资源块初始化分配，进行冲突解决，直到所有的资源块被分配完全。

步骤16：结束资源块的分配。

下面结合本发明一较佳实施例对上述步骤的具体实施作进一步详细描述：

首先根据步骤11进行资源块划分；基站将系统频率资源所有子载波划分成大小相同的若干资源块。假定OFDM系统有3(K＝3)个用户，8(M＝8)个资源块，用户#UE1、2、3的资源块数量请求R_K分别为3，3，2。每个资源块的信道状态信息由资源块内的各子载波的信道状态信息取平均值来代表即表示为各用户在所有资源块上的信道增益矩阵如下表所示：

资源块	1	2	3	4	5	6	7	8
									#UE1	1.22	1.15	0.79	0.95	0.56	0.68	1.10	1.02
#UE2	0.34	1.02	0.98	0.76	0.88	0.67	0.45	1.10
									#UE3	0.97	1.11	0.85	0.99	0.52	0.67	0.57	1.32

根据上述步骤12所述，进行各用户初始化分配，即在各用户资源块数量请求R_k的限制条件下，在所有的资源块中分别挑出对各个用户来说最好的信道；基站根据各用户在不同资源块上的信道状态信息分别对各个用户在整个频带内进行资源分配，即分给#UE1的资源块集合为{1，2，7}，分给#UE2的资源块集合为{2，3，8}，分给#UE3的资源块集合为{2，8}；从而得出各用户分配集合以及未被分配的资源块集{4，5，6}。即根据上表的数据可得如下结果：

用户	#UE1	#UE2	#UE3
				分配资源块集合	{1，2，7}	{2，3，8}	{2，8}
发生冲突的资源块集	{2×2次，8×1次}
				未被分配的资源块集	{4，5，6}

根据该表中分配资源块集合判断可知存在冲突资源块，则开始步骤13，进行冲突解决。具体描述如下：

资源块2同时被#UE1，#UE2和#UE3三个(D＝3＞1)个用户所竞争，则冲突的次数记为D-1＝3-1＝2，即上表所示发生冲突的资源块集为2×2次，同理可知，资源块8同时被#UE2和#UE3两个用户所竞争，冲突的次数记为2-1＝1，上表所示发生冲突的资源块集为8×1次。当排除冲突资源块就可以看到未被分配的资源块集为{4，5，6}。

用户	#UE1	#UE2	#UE3
				分配资源块集合	{1，2，7}	{3}	{8}
各用户资源块请求	0	2	1
				未被分配的资源块集	{4，5，6}

继续按照步骤13，将冲突资源块分配给具有最好信道条件的用户，即将资源块2分配给#UE1，然后将资源块2从发生冲突的资源块集中删除；将资源块8分配给#UE3，然后将资源块8从发生冲突的资源块集中删除，此时#UE1已经满足了自己的资源请求，即满足步骤14，用户余下的资源块请求为R_k＝0，退出竞争。但是#UE3的资源请求仍未满足，R_k＝1。此时用户集合U由3减1；变为2。根据步骤15获知用户集合U不为0，则返回步骤12。其他没有分配到该资源块的冲突用户在未被分配的资源块集{4，5，6}中进行资源再分配，#UE2和#UE3在未被分配资源块集中选择信道状态信息最好的资源块，即分给#UE2的资源块集{4，5}，分给#UE3的资源块集{4}，可见再分配时仍发生冲突。将未被分配的资源块集中发生分配冲突的所有资源块移到发生冲突资源块集中。见下表：

用户	#UE1	#UE2	#UE3
				分配资源块集合	{0}	{4，5}	{4}
发生冲突的资源块集	{4×1次}
				未被分配的资源块集	{6}

资源块4同时被#UE2和#UE3两个(D＝2＞1)个用户所竞争，则冲突的次数记为D-1＝2-1＝1，即上表所示发生冲突的资源块集为4×1次，通过比较#UE2和#UE3在4号资源块上的信道增益，将4号资源块分配给#UE3，然后将最终剩下的资源块6分配给UE2以满足其资源块请求。则最终的分配结果为：

用户	#UE1	#UE2	#UE3
				分配资源块集合	{1，2，7}	{3，5，6}	{4，8}

此时满足步骤15中用户集合U中元素的个数为0，发生冲突的资源块集是空集，则进入步骤16，结束资源块的分配。

当然，本发明还可有其他实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种正交频分复用通信系统的资源调度方法，包括以下步骤：

步骤1：基站将系统频率资源所有子载波划分成若干个资源块，且基站用一个特征量来表示每一个资源块内所有子载波对某个用户的信道状态信息；

步骤2：在各用户资源块数量请求限制条件下，基站根据各用户在不同资源块上的信道状态信息分别对各个用户在整个频带内进行资源分配；所有的资源块被分在三个集合中：只分给一个用户的资源块的集合，即被成功分配的资源块集，分给两个或两个以上的用户的资源块的集合，即发生冲突的资源块集，没有分给任何一个用户的资源块的集合，即未被分配的资源块集；

步骤3：如果发生冲突的资源块集是空集时，则此时的分配就是最终的结果，结束；如果发生冲突的资源块集不是空集时，则继续进行下述步骤；

步骤4：对发生冲突的资源块集中的每个资源块，该资源块只分给在该资源块上信道状态最好的用户，分配后将发生冲突的资源块集中的该资源块从发生冲突的资源块集中删除掉；

步骤5：步骤4中其他没有分配到该资源块的冲突用户在未被分配的资源块集中进行资源再分配，再分配时如发生冲突，将未被分配的资源块集中发生分配冲突的所有资源块移到发生冲突的资源块集中；当发生冲突的资源块集不是空集时，重复步骤4和步骤5，直到发生冲突的资源块集是空集，结束资源块的分配。

2.根据权利要求1所述的正交频分复用通信系统资源调度方法，其特征在于：在上述步骤1中所述的特征量是信噪比或信道增益或载干比。

3.根据权利要求1所述的正交频分复用通信系统资源调度方法，其特征在于：在上述步骤1中所述的基站将系统频率资源所有子载波划分成若干个资源块，是平均划分，即N个子载波被均匀化分成M个资源块，每个资源块包含相同子载波数。

4.根据权利要求1所述的正交频分复用通信系统资源调度方法，其特征在于：在上述步骤2中根据各用户在不同资源块上的信道状态信息分别对各个用户在整个频带内进行资源分配，是将资源块分配给信道状态信息最好的用户。

5.根据权利要求1所述的正交频分复用通信系统资源调度方法，其特征在于：上述步骤5其他没有分配到该资源块的冲突用户在未被分配的资源块集中进行资源分配，是指该用户在未被分配资源块集中选择信道状态信息最好的资源块。

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