CN101534559B - 资源分配器及资源分配方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种BS中的资源分配器及其分配方法，用于向属于BS的多个用户分配资源。该资源分配器包括：用户分类模块，用于根据每一个用户向BS反馈的信道质量信息，将该用户分入具有预定优先级顺序的多个用户集之一；基本需求分配模块，用于按照预定优先级顺序，依次在每一个用户集中进行资源分配，满足每一个用户的基本数据速率需求；以及剩余资源分配模块，用于根据资源剩余情况和用户剩余需求情况，确定剩余资源集和剩余用户集，进行剩余资源分配，以增大系统吞吐量。利用上述方法和结构，能够找到最优用户-子带对，满足各个用户的基本数据速率需求，增大系统容量并减少UCD/DCD和UL_MAP/DL_MAP中的字节开销。

Description

资源分配器及资源分配方法

技术领域

本发明涉及资源分配器及其资源分配方法，尤其适合在基于OFDMA的系统中的相邻子载波映射(AMC)模式下使用，能够确保基本数据速率需求并增大系统容量。

背景技术

近年来，OFDMA系统中的资源分配问题一直倍受关注，并且提出了多种资源分配方案。图1示出了基于OFDMA的系统中资源分配的示意图，其中频率轴上的每一个子带包括S个子载波，时间轴上的每一个时隙包括L个OFDM符号。一个子带和一个时隙构成一个分配单元(Allocation Unit，AU)，由此一个AU包括S×L子载波-OFDM符号。在OFDMA系统中，对数据分组的调度是以帧为单元进行的，在一个调度周期(即一帧)内为一个或多个数据分组的传输分配频率和时间，每个AU能够承载的数据分组大小由调制和编码方案(MCS)确定。

由于子载波到频谱的映射方式会直接影响到OFDMA系统中的调度方案，并且在移动WiMAX(IEEE802.16e)标准中，通常采用两种OFDMA子载波排列方法(分别称作分集排列(例如FUSC，PUSC)和相邻排列(例如AMC))，所以根据子载波映射方式，现有的资源分配方案可以分为两类。在第一类方案中，每个子带包括以伪随机方式分布在频谱上的多个子载波。由于伪随机分布带来的平均化效果，所有子带的质量基本上相同，资源分配算法也十分简单。例如，非专利文献1(Jae-Woo So，“A Downlink Performance Analysis of VoIPServices Over an IEEE 802.16e OFDMA System”，IEEE communicationsletters Vol.11，No.2，2007年2月，155-157页)中描述了对IEEE 802.16eOFDMA系统上的VoIP服务进行下行链路性能分析，非专利文献2(S.Ryu，B.H，Ryu，H.Seo，M.Shin，and S.Park.“Wireless PacketScheduling Algorithm for OFDMA System Based on Time-Utility andChannel State，”ETRI Journal，Vol 27，Number 6，2005年12月，777-787页)中提出了UEPS(基于紧急性和效率的无线分组调度)算法，同时对实时和非实时业务进行调度。但是第一类方案无法实现频率分集，资源利用率不高。在第二类方案中，每一个子带中的子载波在频谱上彼此相邻，这种相邻映射能够避免由于深度衰减和干扰导致的“空”子带，从而可以利用所谓的用户分集。这是因为不同用户需要不同的信道质量，一个用户的空子带可能对于另一个用户而言是有利可用的。但是，在一个调度周期(一帧)中，一个子带只能分配给一个用户，并且所有子带的信道状态信息是在基站(BS)中假设的。此外，第二类方案中，一些常规算法不支持各个用户的最低速率需求，而对于未来宽带无线系统的开发而言，这是非常关键的设计问题。有的虽然考虑了各个用户的最低速率需求，但是仍存在一个子带只能分配给一个用户。非专利文献3(Pietrzyk.S，Janssen.G.J.M“Multi-user Sub-carrierAllocation for QoS Provision in the OFDMA Systems.”VehicularTechnology Conference，2002，Proceedings.VTC 2002-Fall.2002 IEEE.Vol：2，1077-1081页)中采用固定调制方案，并且以子载波-时间为单位进行资源分配。具体而言，如果时间轴上有K个时隙，则一帧中的资源分配需要K个调度周期，即，调度周期是一个时隙，BS根据PF、M_LWDF或Round-Robin等规则将一个时隙上的AU分配给不同用户。由于采用逐个时隙的调度算法，分配给一个用户的AU分布在整个帧上，因此需要使用UCD/DCD和UL_MAP/DL_MAP指示向不同CID(连接标识符)或用户分配的AU的位置。此时必须考虑到UCD/DCD和UL_MAP/DL_MAP中的字节开销，随着K增加，这种开销显著增大。此外，在这种系统中，所有用户报告所有子带的CQI(信道质量指示符)，所以上行链路中可以用来传输用户数据的剩余资源很少。

因此，需要一种资源分配算法，以解决向用户分配子带和时间资源(即AU)的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种资源分配器及其资源分配方法，其能够找到最优用户-子带对，在满足各个用户的基本数据速率需求的前提下增大系统容量，同时减少UCD/DCD和UL_MAP/DL_MAP中的字节开销。

根据本发明第一方面，提出了一种资源分配器，位于基站BS中，用于向属于BS的至少一个用户分配资源，所述资源分配器包括：用户分类模块，用于根据所述至少一个用户中每一个用户向BS反馈的信道质量信息，将所述用户分入具有预定优先级顺序的多个用户集之一；基本需求分配模块，用于按照所述多个用户集的预定优先级顺序，依次在每一个用户集中进行资源分配，以满足所述至少一个用户中每一个用户的基本数据速率需求；以及剩余资源分配模块，用于根据基本需求分配模块进行分配之后的资源剩余情况和用户剩余需求情况，确定剩余资源集和剩余用户集，并针对所确定的剩余资源集和剩余用户集进行剩余资源分配，以增大系统吞吐量。

根据本发明第二方面，提出了一种BS中的资源分配方法，用于向属于BS的至少一个用户分配资源，所述资源分配方法包括：用户分类步骤，根据所述至少一个用户中每一个用户向BS反馈的信道质量信息，将所述用户分入具有预定优先级顺序的多个用户集之一；基本需求分配步骤，按照所述多个用户集的预定优先级顺序，依次在每一个用户集中进行资源分配，以满足所述至少一个用户中每一个用户的基本数据速率需求；以及剩余资源分配步骤，根据基本需求分配步骤之后的资源剩余情况和用户剩余需求情况，确定剩余资源集和剩余用户集，并针对所确定的剩余资源集和剩余用户集进行剩余资源分配，以增大系统吞吐量。

如上所述，假设每个用户具有基本数据速率需求，是保留用于传输特定服务的，例如UGS和ErtPS(如VoIP)等，则根据本发明的资源分配方法基本分为两个阶段：第一阶段，满足用户的基本数据速率需求；第二阶段，如果在满足基本需求之后还有剩余资源(AU)，则对剩余资源进行分配，增大系统吞吐量。这种两级资源分配可以兼顾用户公平性和系统容量。相比于现有技术，本发明还考虑到每个用户所利用的多个子带之间的信道质量差异以及不同用户对同一子带的竞争力，从而进一步优化了资源分配，提高了资源利用效率。

附图说明

结合附图，本发明的特征和优点将从以下详细描述中显而易见，附图中：

图1示出了基于OFDMA的系统中资源分配的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的BS中的资源分配器的框图；

图3示出了根据本发明实施例的资源分配器的示例操作的流程图；

图4-7示出了本发明资源分配方法实施方式的具体示例，其中图4示出了用于说明根据本发明实施例的资源分配方法的简单系统模型，图5示出了采用该资源分配方法的分配结果，图6示出了未采用该资源分配方法的分配结果，图7示出了用于说明本发明实施例的资源分配方法的另一简单系统模型；以及

图8示出了本发明方法(称为MRCS算法)与自最大化(Self-Max)算法、Proportional-Fair(PF)算法和Water-Filling(WF)算法的性能比较曲线图，其中(a)示出了公平性因子的比较，(b)示出了无法确保基本数据速率的断供概率(outage probability)的比较，图(c)示出了一帧中发送的分组总数的比较。

具体实施方式

下面，将参考附图描述本发明的优选实施例。在本发明的下列描述中，将省略对已知功能和配置的具体描述，以避免使本发明的主题不清楚。

在网络中，用户终端通常是固定的或处于缓慢的移动状态，信道质量变化较慢，每个用户可以在较长时间上“看到”一个或多个高质量信道。因此，在本发明中采用相邻子载波映射方案(AMC)，该方案能够利用频率分集，从而有助于扩展系统容量。

用户可以通过上行链路向BS反馈部分子带的信道质量信息，而不是整个频谱上所有子带的信道质量信息。例如，在IEEE802.16e标准的实际应用中，由于CQI反馈信道的带宽有限，用户通常只向BS反馈所有子带中质量较好的那部分。

以下，参照图2对本发明实施例进行描述。

首先，参照如图1所示的基于OFDMA的系统的资源分配示意图，其中整个频谱分为N(N是大于1的自然数)个子带，每个子带由相邻子载波构成，时间轴上存在K个时隙，所以在每一帧上可以分配的资源总数为K×N个AU(单元)。这里，假设该系统中包括BS和J(J＞＝1，J是自然数)个用户，用户j(j是大于0小于J的自然数)向BS反馈信道质量较好的M(0＜M＜＜N，M是自然数)个子带。当然，用户也可以向BS反馈整个频谱上所有子带的信道质量信息。作为示例并为了简明描述的目的，假设每个用户的反馈子带数目都是M。因此，在整个系统中，所有用户向BS反馈M×L个子带的质量。同时，设定系统中的每个用户均具有基本数据速率需求，用于确保UGS和ErtPS(VoIP)等服务的最低数据速率，这里将用户j的基本数据速率需求表示为basic_req(j)，并将BS处针对用户j的分组总数表示为user_pkt(j)。

在本发明实施中，还考虑到针对每个用户的多个子带之间的信道质量差异以及不同用户对同一子带的竞争力。针对每个用户的多个子带之间的信道质量差异可以根据用户向BS反馈的子带的信道质量而获得。例如，在IEEE802.16e标准中，可以根据用户反馈的信道质量指示符(CQI)来获得信道质量，CQI通常反馈了该信道的CINR(载干比)。正如本领域技术人员所知的，用户的信道质量可以由多种指标，例如信道的信噪比、信道衰减、数据传输速率等，这些均可以通过CINR及基站本身的发送功率直接或间接计算出来。在本实施例中，子带的信道质量由所述子带上的一个分配单元AU针对所述用户而能够承载的分组数目表示。此外，该分组数目是基于调制和编码方案MCS的最低等级的，这里将参照表1和图1对该分组数目进行详细说明。

如本领域技术人员所知的，不同子带上数据分组的大小由该子带上的MCS等级确定，而MCS等级由该子带上的SINR确定。以MCS最低等级M1为基准，定义分组的大小为S×L×2×1/6＝S×L/3比特。如果子带n上的SINR＝10dB，则选择MCS等级M5(16QAM和5/12编码率)，其包括5个这样的分组，即对于子带n而言，一个AU可以承载5个这样的分组。

                  表1AMC表

在得到针对每个用户的多个子带上承载的分组数目之后，就可以计算该用户的信道质量差异。显然，如果不同子带上承载的分组数目大致相等，则该用户的信道质量差异就小，反之，如果不同子带上承载的分组数目相差较大，则该用户的信道质量差异就大。也可以采用分数数目之外的其他指标来表示信道质量，此时，指标之间差异越大，信道质量差异也越大。

信道质量差异可以表示为信道质量之间的最大差值、平均差值、标准差、偏差等。在本实施例中，定义了子带选择性因子BSF，来表示信道质量差异。此外，本实施例中采用的信道质量指标是如上所述的分组数目。此时，参照图1所示资源分配示意图，用户j的BSF定义为：

$\mathrm{BS}{F}_j=\frac{\sqrt{\underset{n\∈\{n;D_j^n\≠0}{\mathrm{\Σ}}{(D_j^n-\stackrel{\‾}{D_j})}^2}}{\stackrel{\‾}{D_j}}\∀j---\left(1\right)$

这里， $\stackrel{\‾}{D_j}=\underset{n\∈\{n:D_j^n\≠0\}}{\mathrm{\Σ}}{D}_j^n/M$ 指示了针对用户j的M个子带的平均信道质量，M是用户反馈信道质量的子带的数目，D_j ⁿ是针对用户j的、子带n(n是小于等于N的自然数)上的以调制和编码方案MCS的最低等级为基准的分组数目，D越大，信道质量越好。D是与物理层中的突发状况相关的变量，如果用户j没有向BS反馈子带n的质量，则D_j ⁿ设定为0。根据等式(1)，BSF_j指示了针对用户j的M个子带之间的信道质量差异，从M个子带之间的信道质量差异越小，BSF_j的值就越小，用户j的子带选择性就越好(即，就用户j而言，为其选择子带的顺序对系统性能的影响很小)，从而针对用户j的资源分配的优先级就越低。反之，如果用户j的M个子带之间的信道质量相差较大，则BSF_j具有较大值，用户j的子带选择性较差(即，就用户j而言，为其选择子带的顺序对系统性能存在较大影响)，从而在资源分配时优先考虑用户j。相比于传统的随机选择用户的方法，引入BSF能够考虑到针对每个用户的多个子带之间的信道质量差异，提高资源分配效率。

需要注意，也可以采用其他信道质量指标来定义BSF。例如，使用信道衰减来表示信道质量时，

$\mathrm{BS}{F}_j=\frac{\sqrt{\underset{n\∈\{n:{\mathrm{\α}}_j^n\≠0\}}{\mathrm{\Σ}}{({\mathrm{\α}}_j^n-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_j})}^2}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_j}}\∀j---\left(2\right)$

其中α表示信号在空间中的衰减倍数。

接下来解释不同用户对同一子带的竞争力。用户对于子带的竞争力是对根据用户向BS反馈的信道质量而向该用户分配该子带上的资源的可能性的衡量。一般而言，该子带的信道质量对于用户越高，则用户对于该子带的竞争力就越强。例如，如果用户A所反馈的信道质量是在子带1上一个AU能够承载5个分组，而用户B所反馈的信道质量是在子带1上一个AU只能承载2个分组，则可以确定用户A对于子带1的竞争力大于用户B。可以采用直接比较信道质量的方式来确定不同用户对同一子带的竞争力。在本实施例中，引入了竞争因子CF，定义如下：

$C{F}_{j_0}^n=\frac{D_{j_0}^n}{\underset{j\∈\mathrm{Uaandj}\≠j_0}{\mathrm{\Σ}}\frac{D_j^n}{\underset{n\∈R}{\mathrm{\Σ}}{D}_j^n}+\mathrm{\σ}}\∀j_0\∈U,n\∈R---\left(3\right)$

CF_j0 ⁿ指示了用户j₀对子带n的竞争力，其中U和R分别是用户集和子带集，分子D_j0 ⁿ表示针对用户j₀的子带n上的信道质量，分母表示用户集U中其他用户选择在子带n发送数据的概率，σ的值远小于D_j0 ⁿ，用于避免分母为0的情况发生，一般σ可以采用0.0001等足够小的值。从等式(2)可知，其他用户选择子带n的概率越大，当前用户j₀选择该子带n的概率就越小，即用户j₀对子带n的竞争力就越小。在从用户集U中选择一个用户之后，可以计算该用户的CF，并使用CF从子带集R中选择一个子带来发送该用户的数据分组。这里，CF的值越大，该子带被选择的优先级就越高，从而可以找到最优用户-子带对，进一步优化资源分配。

应该理解，也可以采用其他信道质量指标来定义CF。例如，使用信道衰减来表示信道质量时，

$C{F}_{j_0}^n=\frac{{\mathrm{\α}}_{j_0}^n}{\underset{j\∈\mathrm{Uandj}\≠j_0}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\α}}_j^n}{\underset{n\∈R}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_j^n}}+\mathrm{\σ}}\∀j\∈U,n\∈R---\left(4\right)$

其中α表示信号在空间中的衰减倍数。

参照图2，图2示出了根据本发明的BS中的资源分配器1，该资源分配器1包括用户分类模块12，基本需求分配模块14和剩余资源分配模块16，其中用户分类模块12和基本需求分配模块14用于满足用户的基本数据速率需求，而剩余资源分配模块16用于对剩余资源进行分配，以在满足各个用户的基本数据速率需求的前提下增大系统容量。

这里，假设所有用户构成用户集U，并且所有在用的子带构成子带集R。

用户分类模块12根据每个用户反馈的信道质量，计算信道质量差异，并将信道质量差异与预定阈值相比较，以将该用户分入具有预定优先级顺序的多个用户集之一。如上所述，信道质量差异越大，相应用户集的优先级就越高。在本实施例中，采用上述BSF表示信道质量差异。当然，也可以采用信道质量的最大差值、平均差值等表示信道质量差异。此外，如果采用其他信道指标来表示信道质量，则也可以相应地计算信道质量差异并进行用户分类。

作为示例，在本实施例中，将用户的信道质量差异与一个预定阈值相比较，从而将用户集U中的所有用户分别分入用户集G和用户集B，其中用户集B的优先级比用户G高。当然，也可以采用多个预定阈值，例如两个，从而将用户分入三个或更多个用户集。具体而言，用户分类模块利用用户集U中每个用户向BS反馈的信道质量(由如上定义的分组数目D表示)，根据等式(1)计算每个用户的BSF，并将BSF与预定阈值T_BS相比较；如果BSF大于阈值T_BS，则将该用户分入用户集B，否则将该用户分入用户集G。阈值T_BS可以是经验值，例如阈值T_BS可以等于0.35。

基本需求分配模块14按照多个用户集的预定优先级顺序，依次在每一个用户集中进行资源分配，以满足每一个用户的基本数据速率需求。在本实施例中，首先基本需求分配模块14为用户集B中的用户分配资源，在用户集B中的所有用户的基本数据速率需求都得到满足之后，再为用户集G中的用户分配资源，以满足该用户集G中所有用户的基本数据速率需求。基本分配模块14的具体操作如下。

首先，基本需求分配模块14从优先级较高的用户集B中随机选择一个用户，例如用户j，并从用户j所反馈的多个子带，例如M个子带中选择一个子带，并将该子带上的AU分配给用户j。

对于这里的子带选择，基本需求分配模块14可以根据上述等式(2)，计算用户j在M个子带中每一个子带上的CF，选择CF最大的那个子带，并将所选子带上的AU分配给用户j，如果该子带上的AU不足以发送用户j的所有基本需求分组，则按照CF从大到小的顺序，依次选择子带，并将该子带上的资源分配给用户j，直到满足用户j的基本数据速率需求为止。

作为备选方式，基本需求分配模块14也可以根据用户j向BS反馈的信道质量，从针对用户j的M个子带中直接选择信道质量最高的子带作为发送基本需求分组的子带，如果该子带上的AU不足以发送用户j的所有基本需求分组，则按照质量从高到低的顺序，依次选择子带，并将该子带上的资源分配给用户j，直到满足用户j的基本数据速率需求为止。此时，基本需求分配模块14直接根据子带上分组数目D的大小，顺序地分配资源。但是，由于在整个频谱上，可能存在某些子带，这些子带中每一个的质量只由一个用户反馈，如果为该唯一用户选择质量最好的子带而不选择该子带，则该子带上的AU无法分配给任何用户，造成资源浪费。而在采用CF来选择子带时，当一个子带的质量仅由一个用户反馈时，其他用户该子带来发送分组的概率就为0，即等式(2)中的分母只包括σ，该用户对于该子带的竞争因子CF非常大，从而优先选择该子带来发送分组，由此避免了浪费该子带上的资源，确保了对系统资源的最大利用率。

然后，类似地，对于用户集B中其他用户，基本需求分配模块14可以选择CF最大的子带或直接选择信道质量最高的子带，并将所选子带上的资源分配给该用户，直到用户集B中所有用户的基本数据速率需求都得到满足。接着，基本需求分配模块14针对优先级较低的用户集G中的每一个用户，重复上述子带选择和资源分配过程，直到满足该用户集G中所有用户的基本数据速率需求为止。

然后，剩余资源分配模块16将具有剩余资源(AU)的子带归入剩余资源集R_res，并将具有剩余需求(即仍具有待发送的分组)的用户归入剩余用户集U_res。这里，假设要为用户j发送的分组总数表示为user_pkt(j)，用户j的基本数据速率需求表示为basic_req(j)，则针对用户j的剩余分组数目是user_res(j)＝user_pkt(j)-basic_req(j)。剩余资源分配模块16对于剩余资源集R_res和剩余用户集U_res中所有的子带和用户，分别计算每一个用户相对于每一个子带的CF，选择具有最大CF的用户和子带，假设是用户j和子带n，然后将子带n上的AU分配给用户j；如果子带n上的AU不足以发送用户j的所有剩余分组，则将用户j的剩余分组user_res(j)替换为此次分配之后剩余的分组user_res(j)’，并从R_res中移除子带n；如果子带n上的剩余AU足以发送用户j的剩余分组，则在此次分配之后将用户j从U_res中移除；然后，针对剩下的所有子带和用户，重复执行上述CF计算和资源分配过程，直到R_res为空或U_res为空为止。

作为备选方式，剩余资源分配模块16可以从R_res中随机选择一个子带(假设是子带n)，并根据各个用户向BS反馈的子带n的质量，从U_res中选择具有最高信道质量的用户(假设是用户j)，然后将子带n上的AU分配给用户j；如果子带n上的剩余AU不足以发送用户j的所有剩余分组，则将用户j的剩余分组user_res(j)替换为此次分配之后剩余的分组user_res(j)’，并从R_res中移除子带n；如果子带n上的剩余AU足以发送用户j的剩余分组，则在此次分配之后将用户j从U_res中移除，并根据信道质量的高低，再从U_res中选择另一用户，重复如上分配过程，直到R_res为空或U_res为空为止。

对于剩余资源分配模块16而言，采用CF可以达到如上针对基本需求分配模块14所述的效果，这将在稍后描述的具体示例中给出详细说明。

此外，根据本发明的资源分配器1首先利用信道质量差异，将用户归类到用户集G和用户集B中。用户集B中的用户具有较大信道质量差异，这指示出从该用户向BS反馈的多个子带之间的信道质量相差较大，该用户具有较少的高质量子带，子带选择顺序对整个系统性能的影响较大，从而在资源分配时应该优先考虑该用户。反之，用户集G中用户具有较小信道质量差异，这表示从该用户向BS反馈的多个子带之间的信道质量差异较小。通常对于用户集G中用户而言，其所反馈的子带的质量几乎相同，所以子带选择的顺序几乎不会影响整个系统性能。相比于传统的随机选择用户的方法，本发明实施例能够考虑到每个用户所利用的多个子带之间的信道质量差异，提高资源分配效率。这也将在稍后描述的具体示例中给出详细说明。

图3示出了图2中根据上述实施例的资源分配器1的示例操作的流程图。参照图3，本发明的资源分配器执行的资源分配操作主要包括两个阶段：第一阶段，满足用户的基本数据速率需求；第二阶段，在满足基本需求之后还有剩余资源时，对剩余资源进行分配。在该示例操作中，同时考虑到用户反馈的多个子带的信道质量差异(用BSF表示)和不同用户对同一子带的竞争力(用CF表示)，即，基本需求分配模块14和剩余资源分配模块16各自都采用方式2)。具体操作流程如下：

步骤S10，BS中的用户分类模块12利用用户集U中每个用户向BS反馈的信道质量，根据等式(1)计算每个用户的BSF；

步骤S20，将BSF与预定阈值T_BS相比较；如果BSF大于阈值T_BS，则将该用户分入用户集B，否则将该用户分入用户集G；

步骤S30，基本需求分配模块14从用户集B中随机选择一个用户，例如用户j，再根据上述等式(2)，计算用户j在M个子带中每一个子带上的CF，选择CF最大的那个子带，并将所选子带上的AU分配给用户j，如果该子带上的AU不足以发送用户j的所有基本需求分组，则按照CF从大到小的顺序，依次选择子带，并将所选子带上的AU分配给用户j，直到满足用户j的基本数据速率需求为止；

步骤S40，如果用户集B中还有其他用户，基本需求分配模块14返回步骤S30，对该用户进行子带选择和资源分配；如果用户集B中所有用户的基本数据速率需求都已得到满足，则前进到步骤S50；

步骤S50，从用户集G中随机选择一个用户，基本需求分配模块14重复在步骤S30中的子带选择和资源分配过程；

步骤S60，如果用户G中还有其他用户，则回到步骤S50，对该用户进行子带选择和资源分配；如果已满足了该用户集G中所有用户的基本数据速率需求，则前进到步骤S70；

步骤S70，剩余资源分配模块16将具有剩余资源(AU)的子带归入剩余资源集R_res，并将仍具有要发送的数据分组的用户归入剩余用户集U_res；对于剩余资源集R_res和剩余用户集U_res中所有的子带和用户，分别计算每一个用户相对于每一个子带的CF，选择具有最大CF的用户和子带，假设是用户j和子带n，然后将子带n上的AU分配给用户j；如果子带n上的AU不足以发送用户j的所有剩余分组，则将用户j的剩余分组替换为此次分配之后剩余的分组，并从R_res中移除子带n；如果如果子带n上的剩余AU足以发送用户j的剩余分组，则在此次分配之后将用户j从U_res中移除；

步骤S80，如果R_res为空或U_res不为空，则返回步骤S70，针对剩下的所有子带和用户，重复执行上述CF计算和资源分配过程；如果R_res为空或U_res为空为止，则资源分配过程结束。

至此，根据上述实施例的资源分配器的示例操作结束。

为了进一步说明本发明的特征和优点，以下参照图4-7给出本发明实施方式的具体示例。

首先，如图4所示，假设一帧(即一个调度周期)包括两个子带1，2和两个时隙1，2，即，一帧中包括4个AU，分别表示为AU1，AU2，AU3和AU4。注意，这仅是为了示例目的，本发明不限于此，一帧可以包括其他任何数目的子带和时隙。此时，如上所述的基于MCS最低等级的分组大小为S×L×2×1/6＝S×L/3比特，即一个AU能够承载S×L/3比特。此外，假设这些子带上的AU要用于两个用户A和B的分组发送，并且用户A反馈的信道质量是，在子带1上，一个AU可以承载5个分组，在子带2上，一个AU可以承载1个分组；用户B所反馈的信道质量是，在子带1和2上均有一个AU可以承载1个分组。此外，用户A和B都必须发送2个分组，以满足基本数据数率需求。同理，这仅是为了示例目的，本发明不限于此，而可以采用其他分组数目。

根据上述等式(1)中BSF的定义，对于用户A， $\stackrel{\‾}{D}=(5+1)/2=3,$ $F_A=\sqrt{{(5-3)}^2+{(1-3)}^2}/3=0.943;$ 而对于用户B，BSF_B＝0，因此用户A具有较大的BSF值，这与用户A在两个子带上的较大信道质量差异相对应，在资源分配时优先考虑用户A，即，将用户A归入子带选择性较差的用户集，而将用户B归入子带选择性较好的用户集。从子带选择性较差的用户集中选择用户A，并根据等式(2)计算用户A对于子带1和2的竞争力。在本示例中，对于子带1，CF＝5/(1/2+σ)≈10，对于子带2，CF＝1/(1/2+σ)≈2，σ是例如0.0001之类的极小值。由此，为用户A选择子带1。由于在子带1上，一个AU可以为用户A发送5个分组，足以满足用户A的基本数据速率需求，所以将AU1分配给用户A。然后，从子带选择性较好的用户集选择用户B，并根据等式(2)计算用户B对于子带1和2的CF分别为1.2和6。因此，选择子带2，并将AU3和AU4分配给用户B，以满足其基本数据速率需求。然后，如果用户A还有要求发送的分组，将AU2分配给用户A，以增大系统吞吐量。此时，资源分配如图5所示，总共可以发送12个分组。

为了进行比较，考虑不引入BSF和CF的情况，即，随机选择一个用户，并向该用户分配质量最好的子带上的AU。采用上述示例，假设首先选择用户B，并为用户B选择子带1，此时资源分配如图6所示，总共只能发送4个分组，系统的吞吐量显著降低。

此外，为了显示引入CF的优点，如图7所示，将上述示例扩展为：一帧(即一个调度周期)包括4个子带1、2、和4以及2个时隙1和2，即，一帧中包括8个AU，分别表示为AU1，AU2，AU3，AU4，AU5，AU6，AU7和AU8；用户C所反馈的信道质量是，在子带2上，一个AU可以承载4个分组，在子带3上，一个AU可以承载2个分组；子带4未被任何用户反馈。

根据BSF，在向用户A分配子带1上的AU1来满足用户A的基本数据速率需求之后，将选择用户C。此时，分别计算用户C对于子带2和3的CF。由于子带3仅由用户C反馈，所以用户A和B选择子带3的概率为0，用户C针对子带3的CF＝2/σ，σ是例如0.0001之类的极小值。而用户C针对子带2的CF＝4/(1/2+σ)≈8。所以，首先选择子带3。如果不引入CF，而根据子带质量的高低进行子带选择，则为用户C选择的子带应该是2，而子带3上的AU不会分配给任何用户，造成了资源浪费，降低了系统的吞吐量。

上述示例同样适用于对剩余资源的分配，在此不再详细描述具体过程。

最后，相对于自最大化(Self-Max)算法、Proportional-Fair(PF)算法和Water-Filling(WF)算法，在吞吐量、公平性和发送分组数目低于基本需求的断供概率(outage probability)方面对本发明中引入了BSF和CF的资源分配方法(该方法在此称作“确保最小速率的竞争性调度MRCS算法”)进行评估。所谓自最大化(Self-Max)算法与本发明MRCS算法类似，也包括两个阶段：第一阶段，满足用户的基本数据速率需求；第二阶段，在满足基本需求之后还有剩余资源时，对剩余资源进行分配。但是，自最大化(Self-Max)算法没有引入BSF和CF。具体而言，在自最大化(Self-Max)算法中，没有考虑子带选择性的好坏，而随机选择一个用户；在选择子带时未考虑CF，而按照信道质量从高到低的顺序，为用户分配AU。Proportional-Fair(PF)算法(详细内容参见非专利文献4(Wengerter.C，Ohlhorst.J，von Elbwart，A.G.E，“Fairness and throughput analysis for generalizedproportional fair frequency scheduling in OFDMA”，IEEE VehicularTechnology Conference，2005.VTC 2005-Spring IEEE 61st Vol：3，1903-1907页))和Water-Filling(WF)算法无法确保基本数据速率需求。以下是具体评估方法。

首先，通过泊松过程(Poison process)产生每个用户的分组数目。通过设定泊松过程的平均值，得到用于表示各个用户的到达分组数目的值。这里采用瑞利(Rayleigh)信道模型，SINR的概率密度函数(参见非专利文献5(S.Hwang and H.S.Cho，“A Novel Channel Allocationand Scheduling Algorithm in OFDMA System”，Vehicular TechnologyConference，Fall 2006 IEEE 64^th.1-5页))由等式(3)给出：

$p\left(r\right)=\frac{1}{r_0}\exp (-\frac{r}{r_0}),r\≥0---\left(5\right)$

此外，针对公平性比较，采用等式(4)定义数据速率公平性准则FR，其表示在给定时间间隔内达到的数据速率，这等同于非专利文献6(J.Park，S.Hwang，H.S.Cho，“A Packet Scheduling Scheme to SupportReal-Time Traffic in OFDMA System”，VTC2007-Spring.IEEE 64^th.2007年4月.2766-2770页)中采用的公平性准则：

$F_R\left(\mathrm{\ΔT}\right)={\left(\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{R}_J\left(\mathrm{\ΔT}\right)\right)}^2/(J\×\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{R}_j{\left(\mathrm{\ΔT}\right)}^2)---\left(6\right)$

在仿真中，R_j(ΔT)是ΔT＝1000帧中针对用户j的平均数据速率。设定T_BS＝0.35，σ＝0.0001，整个频谱分为N＝12个子带，与时间轴上的K＝5个时隙共同构成一帧。BS具有J＝24个用户，质量反馈子带的数目是M＝2。对于24个用户，用户产生信道衰减的指数过程的平均值是{2，4，6，6，8，8，10，10，12，12，14，14，14，16，16，16，16，16，16，16，16，16，16，16}，基本数据速率需求设定为{1，1，1，1，1，1，2，2，2，2，2，2，2，6，6，6，6，6，6，6，6，6，6，6}。四种调度算法的性能如图8(a)、(b)和(c)所示。如图8(a)所示，PF的公平性最好，WF的公平性最差，远远低于其他三种算法。MRCS与Self-Max的公平性开始时基本相同，但随着泊松过程的平均值增大，MRCS的公平性逐渐高于Self-Max。当泊松过程的平均值等于10时，所有算法的公平性收敛于1，这是因为相对于一帧中的资源(AU)而言，业务量很轻。如图8(c)所示，由于引入了CF，避免了仅由一个用户反馈的子带可能无法分配给该用户的情况，所以当业务量很轻时，MRCS的吞吐量最大。当泊松过程的平均值增加到大约50到70时，MRCS与Self-Max的吞吐量几乎相等，而在业务量非常重时，WF能够达到最大的系统容量，这是因为每个子带最有可能分配给在该子带上具有最佳信道质量的用户。由于PF着重关注用户之间的公平性，当用户B在先前时间间隔中的传输速率低于用户A时，为了兼顾公平性，对于用户A而言较好的子带可能被分配给用户B。因此，PF的吞吐量最差，无法满足最小数据速率的需求。图8(b)示出了PF和WF即使在业务量较轻的情况下也可能无法确保基本数据速率需求，相反，MRCS与Self-Max能够确保该基本数据速率需求，两者发送分组数目低于基本需求的断供概率几乎为0。图9(a)，(b)和(c)显示了根据本发明的MRCS能够在确保基本数据速率需求的同时，达到出色的系统吞吐量和类似于PF的公平性，对于UGS和ErtPS(VoIP)等服务的实施而言，这将是非常有利的AMC模式下的调度算法。

本发明提供的资源分配器和资源分配方法可以应用于基于OFDMA的网络中，并在相邻子载波映射的模式下进行操作。由于能够实现用户分集和频率分集，本发明可以显著降低系统的开销，确保用户的基本数据速率需求得以满足，同时达到较高的系统容量。本发明尤其适用于UGS和ErtPS(VoIP)等具有基本数据速率需求的服务。

虽然参照实施例具体示出并描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例。本领域普通技术人员将理解，在不背离由权利要求限定的本发明精神和范围的前提下可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (34)

1.一种资源分配器，位于基站BS中，用于向属于BS的至少一个用户分配资源，所述资源分配器包括：

用户分类模块，用于根据所述至少一个用户中每一个用户向BS反馈的信道质量信息，将所述用户分入具有预定优先级顺序的多个用户集之一，其中所述每一个用户向BS反馈的信道质量信息包括针对所述用户的多个子带的信道质量，并且其中用户分类模块根据针对所述用户的多个子带的信道质量，计算所述用户的多个子带之间的信道质量差异，并将所计算的信道质量差异与至少一个预定阈值相比较，以将所述用户分入具有相应优先级的用户集中；

基本需求分配模块，用于按照所述多个用户集的预定优先级顺序，依次在每一个用户集中进行资源分配，以满足所述用户集中每一个用户的基本数据速率需求；以及

剩余资源分配模块，用于根据基本需求分配模块进行分配之后的资源剩余情况和用户剩余需求情况，确定剩余资源集和剩余用户集，并针对所确定的剩余资源集和剩余用户集进行剩余资源分配，以增大系统吞吐量。

2.根据权利要求1所述的资源分配器，其中

所述多个用户集的预定优先级顺序是，用户的多个子带之间的信道质量差异越大，相应用户集的优先级越高。

3.根据权利要求1所述的资源分配器，其中

子带的信道质量由所述子带上的一个分配单元AU针对所述用户而能够承载的分组数目表示；

所述分组数目是以调制和编码方案MCS的最低等级为基准的。

4.根据权利要求3所述的资源分配器，其中

所述信道质量差异由子带选择性因子BSF表示；

当存在L个用户并且整个频谱分为N个子带，L和N都是自然数，并且针对用户j的子带的数目为M时，用户j的BSF定义为：

${\mathrm{BSF}}_j=\frac{\sqrt{\underset{n\∈\{n:D_j^n\≠0\}}{\mathrm{\Σ}}{(D_j^n-\stackrel{\‾}{D_j})}^2}}{\stackrel{\‾}{D_j}}\∀j$

j是小于等于L的自然数，M是小于等于N的自然数，表示所述M个子带的平均信道质量，

表示针对用户j的子带n上的以调制和编码方案MCS的最低等级为基准的分组数目，n是小于等于N的自然数。

5.根据权利要求1所述的资源分配器，其中

基本需求分配模块在每一个用户集中进行资源分配时，随机地逐个选择所述用户集中的用户并向所选用户分配资源，直到满足所述用户集中所有用户的基本数据速率需求为止。

6.根据权利要求5所述的资源分配器，其中

基本需求分配模块从针对所选用户的多个子带中选择信道质量最高的子带，并将所选子带上的资源分配给所选用户。

7.根据权利要求6所述的资源分配器，其中

如果所选子带上的资源不足以满足所选用户的基本数据速率需求，则基本需求分配模块按照信道质量从高到低的顺序，依次选择所述多个子带中的其他子带，并将所选子带上的资源分配给所选用户，直到满足所选用户的基本数据速率需求为止。

8.根据权利要求5所述的资源分配器，其中

基本需求分配模块计算所选用户对其多个子带中每一个的竞争力，选择竞争力最大的子带，并将所选子带上的资源分配给所选用户，其中用户对于子带的竞争力是对根据用户向BS反馈的信道质量而向该用户分配该子带上的资源的可能性的衡量。

9.根据权利要求8所述的资源分配器，其中

如果所选子带上的资源不足以满足所选用户的基本数据速率需求，则基本需求分配模块按照竞争力从大到小的顺序，依次选择所述多个子带中的其他子带，并将所选子带上的资源分配给所选用户，直到满足所选用户的基本数据速率需求为止。

10.根据权利要求8所述的资源分配器，其中

竞争力由竞争因子CF表示，当存在L个用户并且整个频谱分为N个子带时，L和N都是自然数，用户j₀针对子带n的CF定义为：

${\mathrm{CF}}_{j_0}^n=\frac{D_{j_0}^n}{\underset{j\∈\mathrm{Uandj}\≠j_0}{\mathrm{\Σ}}\frac{D_j^n}{\underset{n\∈R}{\mathrm{\Σ}}{D}_j^n}+\mathrm{\σ}}{\∀j}_0\∈U,n\∈R$

j₀是小于等于L的自然数，n是小于等于N的自然数，u表示用户j₀所属的用户集，R表示针对所述用户集中所有用户的子带集，分子代是针对用户j₀的、子带n上的以调制和编码方案MCS的最低等级为基准的分组数目，分母表示所述用户集中所有其他用户选择在子带n上发送分组的概率，σ是远小于

的正数。

11.根据权利要求1或2所述的资源分配器，其中

剩余资源分配模块从剩余资源集中随机选择一个子带，根据所选子带针对剩余用户集中的所有用户的信道质量，从剩余用户集中选择具有最高信道质量的用户，并将所选子带上的剩余资源分配给所选用户。

12.根据权利要求11所述的资源分配器，其中

如果所选子带上的剩余资源不足以满足所选用户的剩余需求，剩余资源分配模块则将所选子带从剩余资源集中移除，并将所选用户的剩余需求替换为此次分配之后的剩余需求。

13.根据权利要求11所述的资源分配器，其中

如果所选子带上的剩余资源足以满足所选用户的剩余需求，剩余资源分配模块则将所选用户从剩余用户集中移除，并按照信道质量从高到低的顺序，从剩余用户集中选择另一用户。

14.根据权利要求1或8所述的资源分配器，其中剩余资源分配模块计算剩余用户集中每一个用户相对于剩余资源集中每一个子带的竞争力，选择具有最大竞争力的用户和子带，并将所选子带上的剩余资源分配给所选用户，其中用户对于子带的竞争力是对根据用户向BS反馈的信道质量而向该用户分配该子带上的资源的可能性的衡量。

15.根据权利要求14所述的资源分配器，其中

如果所选子带上的剩余资源不足以满足所选用户的剩余需求，剩余资源分配模块则将所选子带从剩余资源集中移除，并将所选用户的剩余需求替换为此次分配之后的剩余需求。

16.根据权利要求14所述的资源分配器，其中

如果所选子带上的剩余资源足以满足所选用户的剩余需求，则将所选用户从剩余用户集中移除，然后计算当前剩余用户集中每一个用户相对于当前剩余资源集中每一个子带的竞争力，选择具有最大竞争力的用户和子带，并将所选子带上的剩余资源分配给所选用户。

17.根据权利要求12、13、15和16中任一项所述的资源分配器，其中

剩余资源分配模块进行剩余资源分配，直到剩余资源集或剩余用户集为空为止。

18.一种BS中的资源分配方法，用于向属于BS的至少一个用户分配资源，所述资源分配方法包括：

用户分类步骤，根据所述至少一个用户中每一个用户向BS反馈的信道质量信息，将所述用户分入具有预定优先级顺序的多个用户集之一，其中所述每一个用户向BS反馈的信道质量信息包括针对所述用户的多个子带的信道质量，并且在所述用户分类步骤中，根据针对所述用户的多个子带的信道质量，计算所述用户的多个子带之间的信道质量差异，并将所计算的信道质量差异与至少一个预定阈值相比较，以将所述用户分入具有相应优先级的用户集中；

基本需求分配步骤，按照所述多个用户集的预定优先级顺序，依次在每一个用户集中进行资源分配，以满足所述用户集中每一个用户的基本数据速率需求；以及

剩余资源分配步骤，根据基本需求分配步骤之后的资源剩余情况和用户剩余需求情况，确定剩余资源集和剩余用户集，并针对所确定的剩余资源集和剩余用户集进行剩余资源分配，以增大系统吞吐量。

19.根据权利要求18所述的资源分配方法，其中

所述多个用户集的预定优先级顺序是，用户的多个子带之间的信道质量差异越大，相应用户集的优先级越高。

20.根据权利要求18所述的资源分配方法，其中

子带的信道质量由所述子带上的一个分配单元AU针对所述用户而能够承载的分组数目表示；

所述分组数目是以调制和编码方案MCS的最低等级为基准的。

21.根据权利要求20所述的资源分配方法，其中

所述信道质量差异由子带选择性因子BSF表示；

当存在L个用户并且整个频谱分为N个子带，L和N都是自然数，并且针对用户j的子带的数目为M时，用户j的BSF定义为：

${\mathrm{BSF}}_j=\frac{\sqrt{\underset{n\∈\{n:D_j^n\≠0\}}{\mathrm{\Σ}}{(D_j^n-\stackrel{\‾}{D_j})}^2}}{\stackrel{\‾}{D_j}}\∀j$

j是小于等于L的自然数，M是小于等于N的自然数，

表示所述M个子带的平均信道质量，

表示针对用户j的、子带n上的以调制和编码方案MCS的最低等级为基准的分组数目，n是小于等于N的自然数。

22.根据权利要求18所述的资源分配方法，其中

在基本需求分配步骤，在每一个用户集中进行资源分配时，随机地逐个选择所述用户集中的用户并向所选用户分配资源，直到满足所述用户集中所有用户的基本数据速率需求为止。

23.根据权利要求22所述的资源分配方法，其中

在基本需求分配步骤，从针对所选用户的多个子带中选择信道质量最高的子带，并将所选子带上的资源分配给所选用户。

24.根据权利要求23所述的资源分配方法，其中

如果所选子带上的资源不足以满足所选用户的基本数据速率需求，则按照信道质量从高到低的顺序，依次选择所述多个子带中的其他子带，并将所选子带上的资源分配给所选用户，直到满足所选用户的基本数据速率需求为止。

25.根据权利要求22所述的资源分配方法，其中

在基本需求分配步骤，计算所选用户对其多个子带中每一个的竞争力，选择竞争力最大的子带，并将所选子带上的资源分配给所选用户，其中用户对于子带的竞争力是对根据用户向BS反馈的信道质量而向该用户分配该子带上的资源的可能性的衡量。

26.根据权利要求25所述的资源分配方法，其中

如果所选子带上的资源不足以满足所选用户的基本数据速率需求，则按照竞争力从大到小的顺序，依次选择所述多个子带中的其他子带，并将所选子带上的资源分配给所选用户，直到满足所选用户的基本数据速率需求为止。

27.根据权利要求25所述的资源分配方法，其中

竞争力由竞争因子CF表示，当存在L个用户并且整个频谱分为N个子带时，L和N都是自然数，用户j0针对子带n的CF定义为：

${\mathrm{CF}}_{j_0}^n=\frac{D_{j_0}^n}{\underset{j\∈\mathrm{Uandj}\≠j_0}{\mathrm{\Σ}}\frac{D_j^n}{\underset{n\∈R}{\mathrm{\Σ}}{D}_j^n}+\mathrm{\σ}}{\∀j}_0\∈U,n\∈R$

j₀是小于等于L的自然数，n是小于等于N的自然数，U表示用户j₀所属的用户集，R表示针对所述用户集中所有用户的子带集，分子

是针对用户j₀的、子带n上的以调制和编码方案MCS的最低等级为基准的分组数目，分母表示所述用户集中所有其他用户选择在子带n上发送分组的概率，σ是远小于的正数。

28.根据权利要求18或19所述的资源分配方法，其中

在剩余资源分配步骤，从剩余资源集中随机选择一个子带，根据所选子带针对剩余用户集中的所有用户的信道质量，从剩余用户集中选择具有最高信道质量的用户，并将所选子带上的剩余资源分配给所选用户。

29.根据权利要求28所述的资源分配方法，其中

如果所选子带上的剩余资源不足以满足所选用户的剩余需求，则将所选子带从剩余资源集中移除，并将所选用户的剩余需求替换为此次分配之后的剩余需求。

30.根据权利要求28所述的资源分配方法，其中

如果所选子带上的剩余资源足以满足所选用户的剩余需求，则将所选用户从剩余用户集中移除，并按照信道质量从高到低的顺序，从剩余用户集中选择另一用户。

31.根据权利要求18或25所述的资源分配方法，其中

在剩余资源分配步骤，计算剩余用户集中每一个用户相对于剩余资源集中每一个子带的竞争力，选择具有最大竞争力的用户和子带，并将所选子带上的剩余资源分配给所选用户，其中用户对于子带的竞争力是对根据用户向BS反馈的信道质量而向该用户分配该子带上的资源的可能性的衡量。

32.根据权利要求31所述的资源分配方法，其中

如果所选子带上的剩余资源不足以满足所选用户的剩余需求，则将所选子带从剩余资源集中移除，并将所选用户的剩余需求替换为此次分配之后的剩余需求。

33.根据权利要求31所述的资源分配方法，其中

如果所选子带上的剩余资源足以满足所选用户的剩余需求，则将所选用户从剩余用户集中移除，然后计算当前剩余用户集中每一个用户相对于当前剩余资源集中每一个子带的竞争力，选择具有最大竞争力的用户和子带，并将所选子带上的剩余资源分配给所选用户。

34.根据权利要求19、20、32和33中任一项所述的资源分配方法，其中

在剩余资源分配步骤进行剩余资源分配，直到剩余资源集或剩余用户集为空为止。

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