CN101421938A

CN101421938A - 在多用户无线通信网络中使用时域和频域中的均衡公平调度的业务量负荷相关的功率分配

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Publication number: CN101421938A
Application number: CNA200680054248XA
Authority: CN
Inventors: 廖敬一; 万蕾
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2026-04-18
Also published as: EP2018712A1; EP2018712A4; EP2018712B1; WO2007120085A1; CN101421938B; US20090296574A1; TW200803229A

Abstract

公开了在无线多用户网络中分配资源的方法，包括下列步骤：在时域和频域中，基于每个用户的比特率和每用户每组块的信道质量测量，执行均衡公平调度；以及以下列方式执行功率分配：如果业务量负荷高于门限，则分配均匀功率给所有子载波；如果业务量负荷低于门限，则适配信道相关的功率分配方案。

Description

在多用户无线通信网络中使用时域和频域中的均衡公平调度的业务量负荷相关的功率分配

技术领域

本发明涉及通信方法和设备，并且更具体地涉及用于多用户无线通信网络的调度方法。

背景技术

多用户无线通信网络越来越多地得到使用并且提供越来越多的服务。这样的网络包括正交频分复用(OFDM)和正交频分多址接入(OFDMA)系统。

所有多用户无线通信网络的一项重要功能是分配资源给网络中的不同用户。理想情况是，这应该以这样一种方式来实现，即根据所请求的服务的类型、订阅的类型和其他参数每个用户公平共享网络资源。

一种重要类型的多用户无线通信网络是基于正交频分复用(OFDM)的通信系统。在多用户OFDM中，若干用户共享一个符号以提供多址接入。在OFDM系统中，可用的传输带宽被划分成一组窄带子载波。一组邻近的子载波，这是最低分配的无线电资源，通常称作组块(chunk)。在称为正交频分多址接入(OFDMA)的多用户OFDM系统中，不同子载波可以分配给不同的用户，以便提供灵活的多用户接入方案。为了提高效率，使用自适应资源分配技术。在自适应OFDM下行链路中，流向多个有效(active)用户的分组数据流被多路复用在公共带宽上。每个用户必须估计和(或)报告其潜在使用的频谱的信干比(SINR)。无线电资源管理模块然后根据每个用户的要求和信道质量来分配时频资源和功率。

已经提出几种技术，通过在OFDM网络中的用户之间以公平的方式分配资源，在OFDM中采用高度灵活性的无线电资源管理。可以使用在所有子载波或组块上的数据速率自适应，例如动态子载波/组块指配和自适应功率分配。

美国专利6 807 426提出了一种公平调度方案，来应用不同组合的信道状况度量和用户公平度量，其中用户公平度量已经用于WCDMA系统。提出了顺序调度程序(scheduler)，即首先一个用户选择他的有效子载波/组块，然后其他用户可以在那些余下的有效子载波/组块中选择。顺序调度程序复杂并且相对较慢。用户可以被归类以给用户指定不同的优先级。

美国专利6 947 748提出了子载波/组块选择，其中多订户中的每个订户基于从基站接收到的导频符号为子载波测量信道和干扰信息。基于信道和干扰信息，基站分配子载波给每个订户。这个分配方案没有考虑公平和覆盖性能。

其他研究重点放在联合子载波/组块分配和功率分配，其中，通常情况下，子信道分配首先是通过假设相等的功率分配，然后应用最优功率分配算法，以便能够使总容量最大同时保持比例公平。这种系统例如由Zukan Shen、Andrews J.G.；Evans B.L.在2003年12月在GLOBECOM’03I EEE上发表的“Optimal power allocation inmultiusers OFDM systems(多用户OFDM系统中的最优功率分配)”以及由Guocong Song和Ye(Geoffreyl Li)在2003年4月22-25日举办的第57届IEEE半年度2003春季车辆技术大会(2003 VTC)的第2卷上发表的“Adapt ive subcarrier and power allocation in OFDMbased on maximizing utility”(在OFDM中基于最大效用的自适应子载波和功率分配)”提到。

上面所述的频域自适应方法受到总功率、误码率和用户数据速率之间的均衡性(proportionality)的限制。

从分集的角度看，多用户分集和频率分集由自适应子载波/组块分配引起。此外，依靠频率分集，频域中的自适应功率分配也可以增强系统性能。当前使用或建议的子载波/组块分配和功率控制方案如下所述。

发明内容

本发明的一个目的是提供OFDM系统的联合调度和功率分配方案，该方案考虑业务量负荷和系统性能两者。

根据本发明通过用于多用户无线通信网络中的控制单元来实现，所述控制单元包括处理器和计算机程序，用于控制网络中的资源分配，所述控制单元的特征在于它被设置来根据以下步骤执行网络中的资源分配：

-在时域和频域中，基于每个用户的比特率和每用户每组块的信道质量测量，执行均衡公平调度；以及

-以下列方式执行功率分配：

o如果业务量负荷高于门限，则分配相同功率给所有子载波；

o如果业务量负荷低于门限，则适配信道相关的功率分配方案。

该目的也通过在无线多用户网络中分配资源的方法来实现，执行下列步骤：

-以下列方式执行功率分配：

o如果业务量负荷高于门限，则分配均匀功率给所有子载波；

o如果业务量负荷低于门限，则适配信道相关(channel-dependent)的功率分配方案。

该目的还通过计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括计算机可读代码装置，当该装置在无线多用户通信网络的处理器中运行时引起处理器通过以下步骤控制多用户通信网络中的资源分配：

-以下列方式执行功率分配：

o如果业务量负荷高于门限，则分配均匀功率给所有子载波；

在控制单元中，根据本发明的方法和计算机程序产品，信道相关的功率分配的目的是在不同组块之间分配功率。在多天线系统中，信道相关的功率分配也可以在空间域中在不同流之间分配功率。

信道相关的功率分配方案可能是例如开/关功率分配方案作为信道相关的功率分配方案，或基于充水(water-filling)的算法作为信道相关的功率分配方案。

根据本发明的负荷切换频域处理包括系列化的频域处理，其在容量、覆盖面和公平性方面提供了良好的性能，并且其降低了尤其是繁重的业务量负荷的计算复杂度，而不损失系统性能。

在时域和频域(PFTF)中的均衡公平调度是均衡公平(PF)调度在频域中的扩展。通过在每个组块上提供与固定窗口长度上每个用户单独的过去吞吐量成比例的公平共享传输时间，PFTF调度程序保持资源公平。同时，根据本发明使用的该组块式(chunk-wise)相关调度程序没有顺序频域调度程序那么复杂。PFTF和在US 6 807 426中提出的PF之间的主要差别在于，每OFDM帧进行PF，具有相同颗粒度的吞吐量测量，而PFTF将组块作为独立的系列调度单位处理，但是每OFDM帧更新吞吐量测量。如果T_k(n)取作所有用户的共同值，PFTF可以是最大信噪比调度方案。

根据该发明，基于业务量负荷的功率控制将减少计算复杂性，尤其是在繁重业务量负荷的情况下。

附图说明

下面本发明将通过例子并参照附图更具体地加以描述，其中：

图1是其中本发明所应用的无线通信网络的概观图，

图2是根据本发明的方法的流程图，

图3a是3b示出了本发明的方法的仿真结果。

具体实施方式

图1示出了其中本发明的原理所应用的蜂窝电信网络1。基站3与网络中的一个或多个控制单元5进行通信，还与小区中的多个用户终端7通过无线接口进行通信。蜂窝通信网络中的主要问题是如何实现网络中的所有用户7之间资源的公平分配。控制单元5包括处理器8和用于保存计算机软件的存储器9，用于根据本发明控制资源分配，如下面所将讨论的。

图2是根据本发明的方法的流程图。在步骤S1中，执行PFTF调度，如下面将更详细地加以讨论的。步骤S2是判决步骤，其中判定业务量负荷是高于还是低于门限。所述门限可以是一帧(或TTI)中有效用户(或提供呼叫)的数量，其中在频域中有效用户被分配给不同无线电资源。该数量对于不同情况预定义。可替换地，它可以是CQI门限，或它的相关交互信息或吞吐量。如果所述门限只是数量的话，则该门限计算复杂性只是0(1)。如果使用了另一门限比如CQI门限，则计算变得更加复杂，0(M)，其中M是总的可用频率组块。所述门限可以由控制单元计算或可以预定义并且存储在存储器(例如存储器9)中。

如果业务量负荷高于该门限，在步骤S3中，采用固定功率分配，而不管信道条件如何，它在所有子载波之间均匀地分配总功率。如果业务量负荷低于该门限，在步骤S4中，信道相关的功率分配方案被应用于所有有效用户，以便增加频率分集增益。信道相关的功率分配方案对于每组块可以设置为开或关，如下面将更详细地加以讨论的。从步骤S3和S4的每一个步骤，继续进行到步骤S5。

在步骤S5中，为有关每个用户的数据进行链路自适应。该链路自适应包括选择调制和编码方案(MCS)和其他功能。

在步骤S1中执行的PFTF调度需要两个输入。一个输入是用于每个用户每帧更新的正确传输的比特率。另一个输入是用于每个用户的每组块的信道质量测量。相比传统的PF调度程序，需要更密集的信道质量测量。PFTF逐组块地执行多用户调度程序，这意味着相比于顺序频域调度程序来说每组块的判定与其他组块无关。

根据本发明应用的在时域和频域上的均衡公平调度(PFTF)是均衡公平调度在频域中的一种扩展。根据在接入点和每个用户之间的链路的信息传输能力估计的公平度量与在固定窗口长度上用户过去的吞吐量成比例，该PFTF调度程序保持资源公平。信息传输能力基于来自每个用户的信道质量(CQ)反馈来估计，而每用户的过去吞吐量，可以被收集在接入点或UB中。在时间-频率资源前向链路传输上，在时隙k的每个时间-频率组块n上，控制单元5获得参数R_i，k(n)，它可以是所请求的数据速率或一个或多个其他估计参数，例如在每用户i的组块n上所估计的SNR或时延，它通过其目前信道质量是可以支持的。假设时隙k的瞬时无差错信息反馈，调度程序将时间-频率组块刀指配给用户i，其具有最大比：

\frac{R_{i, k} (n)}{T_{k} (n)}

其中T_k(n)是在过去窗口中用户数k的组块n的平均吞吐量或其他测量参数。

负荷切换功率分配按照如下来执行：如果业务量负荷高于门限，则采用固定功率分配而不论每个信道的信道条件如何。功率被均匀地分配给所有子载波。固定功率分配具有最小计算复杂度为0(1)。如果业务量负荷低于门限，则采用信道相关的功率分配方案以便增加频率分集增益。基本原则是基于这样的事实，即信道相关的调度和功率分配都可以用来实现系统的多用户分集和频率分集增益。因此，如果通过调度已经获得足够的多用户分集增益，则通过功率分配可以仅仅获得小的改善。由于通过功率分配可以获得的改善很小，则功率分配优选地不用在这种情况中。如果更多的用户被同时调度(因为这使得能够得到更多的分集增益)，则频域调度(例如PFTF)获得更好的性能。

根据本发明的功率分配方案可以是信道相关的或信道无关的。信道相关的功率分配方案可以是分配相等的功率给所有组块。信道相关的功率分配方案希望基于已知的信息信息和质量模型获得更好的性能(例如更好的容量)。

可以使用的信道相关的功率分配方案是多用户开/关功率分配，其中组块被设置为“开”每用户具有相同的平坦功率分配。多用户开/关功率分配包括两个步骤：

首先，功率P_i被分配给每个用户i，假设M是可用频率组块的总数并且M_i是PFTF调度之后分配给用户i的组块。这可以表示为：

P_{i} = \frac{M_{i}}{M} P_{total}

其次，功率P_i被分配给用户i的所使用的组块n，以获取用户i的最大吞吐量。f(●)是SNR到吞吐量的映射函数，即为了获取用户i的最大吞吐量，依靠开/关方案功率P_i被分配给用户I的所有所选组块。

\underset{Y_{i} &SubsetEqual; Y_{i}}{\arg \max} \underset{, n &Element; {Y'}_{i}}{Σ} (R_{i} (n)) = \underset{Y_{i} &SubsetEqual; Y_{i}}{\arg \max} \underset{, n &Element; {Y'}_{i}}{Σ} f (g_{i} (n) \cdot P_{i} (n))

其将基于所估计的SNRg_i(n)信息选择“开”组块，其中Y_i是用户i所使用的组块设置。最后选择的“开”组块设置

Y_{i}' &SubsetEqual; Y_{i} .

也可以使用其他功率分配方案，例如，由Zukan Shen、Andr ews，J.G.；Evans B.L.在2003年12月在GLOBECOM′03 IEEE上发表的“Optimal power allocation in multiuser OFDM systems(多用户OFDM系统中的最优功率分配)”中描述的基于充水的方案。该充水方法像上面所提到的开/关功率分配，也是基于信道信息来执行最优或次优功率分配，以实现良好的容量增益。充水法可以达到具有香农容量的最佳性能，但对于实际调制系统并非如此，因为在香农容量和实际调制(例如QPSK、16QAM)的容量之间存在相互信息差距。

图3a和图3b示出了利用如下假设执行的本发明方法的仿真结果：

-80W的功率被分配用于20MHz

-全缓冲业务量

-连续的编码速率自适应

-单独的发射机和接收机天线

-对于OFDM帧的相同用户的相同MCS

图3a和3b中示出了具有固定功率控制的PFTF的结果，如虚线所示，并且示出了开/关功率控制的结果，如实线所示。在这些曲线中，从上到下各对线分别代表2、4、6、8和10个呼叫的结果。

图3a分别示出了对于2、4、6、8和10个呼叫的具有固定功率控制和开/关功率控制的PFTF。x轴代表半径，范围为500米到3000米，y轴代表5％CDF的平均用户(在小区边缘)比特速率(单位Mb/s)。在图3b中，x轴代表半径，范围为500米到3000米，y轴代表每站点(site)的容量(单位Mb/s)。可以看到，当所提供的呼叫数量很小时，开/关功率分配对于与PFTF一起使用是优选的。例如，比较在小区半径为2000米时的小区吞吐量，开/关功率控制相比固定功率控制具有约4％的增益。随着所提供的呼叫数量的增加，使用开/关功率分配相比固定功率分配的额外增益减少。因此，将固定功率分配和PFTF一起使用对于降低计算复杂度可能是有利的。

Claims

1.用于多用户无线通信网络(1)中的控制单元(5)，所述控制单元(5)包括处理器(8)和计算机程序(9)，用于控制网络中的资源分配，所述控制单元的特征在于它被安排来根据以下步骤执行网络(1)中的资源分配：

-以下列方式执行功率分配：

o 如果业务量负荷高于门限，则均匀地分配功率给所有子载波；

o 如果业务量负荷低于门限，则适配信道相关的功率分配方案。

2.根据权利要求1所述的控制单元，其被设置来确定给定情况的门限。

3.根据权利要求1所述的控制单元，其被设置来从存储器单元(9)获取所述门限。

4.根据权利要求1或2所述的控制单元，其被设置来基于CQI门限、或者它的相关交互信息或者吞吐量来确定门限。

5.根据以上任一权利要求所述的控制单元，其被设置来指配时间-频率组块n给第一用户，该时间-频率组块n具有最大比值：

\frac{R_{i, k} (n)}{T_{k} (n)},

其中T_k(n)是在过去窗口中用户号k的组块n的平均吞吐量或者其它测量参数。

6.根据以上任一权利要求所述的控制单元，其被设置来使用开/关功率分配方案作为信道相关的功率分配方案。

7.根据以上任一权利要求所述的控制单元，其被设置来使用基于注水的算法作为信道相关的功率分配方案。

8.在无线多用户网络中分配资源的方法，包括下列步骤：

-以下列方式执行功率分配：

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括基于在频域中所服务的有效用户的数量来确定门限的步骤。

10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括基于CQI门限、或者它的相关交互信息或者吞吐量来确定门限的步骤。

11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括从存储器获取门限值。

12.根据权利要求8-10的任一权利要求所述的方法，包括指配时间-频率组块n给第一用户的步骤，其中该时间-频率组块n具有最大比值：

\frac{R_{i, k} (n)}{T_{k} (n)},

13.根据权利要求8-11的任一权利要求所述的方法，其中信道相关功率分配方案是开/关功率分配方案。

14.根据以上任一权利要求所述的方法，其中信道相关功率分配方案是基于注水的算法。

15.计算机程序产品(9)，包括计算机可读代码装置，当该装置在无线多用户通信网络(1)的处理器(8)中运行时引起处理器通过以下步骤控制多用户通信网络中的资源分配：

-以下列方式执行功率分配：

16.根据权利要求15所述的计算机程序产品，其被设置来基于在频率中所服务的有效用户的数量来确定门限。

17.根据权利要求15所述的计算机程序产品，其被设置来基于CQI门限、或者它的相关交互信息或者吞吐量来确定门限。

18.根据权利要求15-17的任一权利要求所述的计算机程序产品，其被设置来指配时间-频率组块n给第一用户，其中该时间-频率组块n具有最大比值：

\frac{R_{i, k} (n)}{T_{k} (n)},

其中T_k(n)是在过去窗口中用户号k的组块刀的平均吞吐量或者其它测量参数。

19.根据权利要求15-18的任一权利要求所述的计算机程序产品，其被设置来使用开/关功率分配方案作为信道相关的功率分配方案。

20.根据权利要求15-19的任一权利要求所述的计算机程序产品，其被设置来使用基于注水的算法作为信道相关的功率分配方案。