CN101567833A - 基于业务模型的多用户ofdm系统子载波分配方案 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于业务模型和公平性的动态子载波、功率分配和比特加载方案，适用于正交频分多址(OFDMA)系统。子载波、功率分配和比特加载的原则是：基站根据用户的业务统计特性，将资源分配分为两组，一组为固定速率组，一组为变速率组，每组分别采用提出的RA和MA算法进行子载波分配，然后基于纳什均衡对这两组分配后的结果进行调整，得出最终的子载波分配方案，然后对每个用户基于单用户注水原理进行功率和比特加载。与传统的子载波分配方案相比，本方案能在提升系统容量和保持一定服务质量(Qos)的同时，降低了发射功率的要求，同时保持了很好的公平性。

Description

基于业务模型的多用户OFDM系统子载波分配方案

技术领域

本发明涉及无线通信系统，尤其涉及一种用于正交频分多址系统的动态子载波分配方案。

背景技术

在OFDM系统中，如果发射方知道子信道的瞬时信道增益，采用自适应调制能极大地提高系统性能。对于信道增益较大的子载波采用高阶调制，加载更多的比特；处于深度衰落的子载波采用低阶调制或者零比特加载。在传统的多址方式中，我们可以将小同的OFDM符号分配给小同的用户，即OFDM+TDMA方式；也可以将一个OFDM符号中的小同子载波分配给小同的用户，即OFDM+FDMA方式。小过，这些多址方式都是静态的，即预先确定资源在各个用户之间的分配情况，没有考虑信道的状况，在整个传输过程中都不作调整。由于频率选择性和时间选择性衰落的影响，很可能分配给某些用户的子载波(或者OFDM符号)由于处在深度衰落中而无法有效传输数据。由于用户通常是随机分布在小区中的，因此处于小同位置的用户所经历的信道状况往往是相互独立的；也就是说对于某些用户而言“恶劣”的子载波可能对于其他用户来说是“适宜”进行传输的。因此，多用户OFDM系统中如果采用静态多址方式，每个用户独占事先分配好的子载波或在事先分配好的时隙独占所有子载波，在自适应调制时，有些子载波可能存在处于深度衰落从而会被遗弃而不被使用。这些被浪费的子载波，对于其他用户而言，可能并不是处于深度衰落，而且有可能信道条件较好，但却不能被其他用户使用，这无疑是一种浪费。

作为自适应传输技术的一种，自适应OFDM子载波分配正是利用小同用户在相同子载波上衰落情况各异的特性，动态地根据信道状况在用户间分配子载波资源，从而获取“多用户分集”的效果。当系统中用户数越多时，某个时刻或某个频率上，越有可能有用户处于很好的信道状况，如果让其占用信道进行传输，那么能够获得的增益也就越大。自适应OFDM子载波分配算法的研究大致可以根据设计目标分为两类，一类是在满足一定速率和误码率要求下，尽可能减小总的发射功率。另一类是在额定功率下使传输速率最大化。在传统的关于多用户OFDM系统中资源优化分配的研究中，都是把一个子载波当作最小的资源粒度进行分配。这样做能够充分地利用OFDM系统的多用户分集和频率选择性分集效果。然而，这种方法存在两个最大的缺点：第一，无论是MA算法还是RA算法，它们都假定只有一种业务类型，要么是速率固定最小化功率，要么是速率不固定功率固定最大化速率，而真实的情况确实系统运行时有的业务是速率固定的，有的业务是速率非固定的，只有同时考虑这两种业务的存在，算法才具有普遍性。第二，这些算法在最大化系统性能的标准上都采用了总系统性能最优的评价标准，忽视了个体之间的公平性问题。

发明内容

本发明的目的是将上层业务类型和多用户自适应子载波分配方案向结合，满足不同业务的服务质量(Qos)的同时，保持较大的系统容量，同时使发射功率最小化，对各种业务需求保持公平性。本方案计算复杂度较低，可以满足各种实时业务的需求。

本发明的技术方案为：基站根据用户的业务统计特性，将资源分配分为两组，一组为固定速率组，一组为变速率组，每组分别采用提出的RA和MA算法进行子载波分配，然后基于纳什均衡对这两组分配后的结果进行调整，得出最终的子载波分配方案，然后对每个用户基于单用户注水原理进行功率和比特加载。与传统的子载波分配方案相比，本方案能在提升系统容量和保持一定服务质量(Qos)的同时，降低了发射功率的要求，同时保持了很好的公平性。

其中，业务分类有业务统计分类模块组成，用于将业务分为类型1和类型2。

BABS模块设计为业务1和业务2进行系统资源预分配，包括子载波和功率。同时，该模块负责系统过载预测和相应的拒绝服务处理策略。

MA模块为速率固定功率最小化子载波分配模块，RA模块为功率一定速率最大子载波分配模块。

本发明还包括基于纳什均衡的公平性调整模块，用来将两种业务分配的资源进行进一步调整，达到一个纳什均衡状态。

附图说明

图1为多用户OFDM系统自适应子载波、比特、功率分配系统框图

图2为多用户自适应子载波和功率分配模块详细设计图

图3为多用户带宽资源预分配(BABS)模块

图4为MA分配模块

图5为RA分配模块

图6为基于纳什均衡的动态调整方案

具体实施方式

下面结合附图详细的描述本发明：

图1为多用户OFDM系统自适应子载波、比特、功率分配系统框图。在发射端，来自K个用户的串行数据经子载波和比特分配模块加载到不同的子载波上。我们假定每个子载波的带宽远小于信道的相关带宽，并且所有用户在不同子载波上的瞬时信道增益都是已知的。利用信道信息，发射端运用联合子载波、比特、功率分配算法将不同的子载波分配给各个用户，并确定各子载波上的调制比特数。然后根据各个子载波上的调制比特数，自适应调制模块将选择合适的调制方式和功率级别。其中，联合子载波分配方案将会采用图2的设计方法实现。

图2为本发明的具体设计方案图，其中业务分类模块用于将业务进行分类，其输出结果作为初始化RA模块和MA模块的参数。图3为带宽资源预分配(BABS)模块根据信道状况和业务特点进行系统过载评估并分配系统资源，输出为RA和MA模块的系统资源预分配结果。

图4为MA分配模块，采用微型的BABS+ACG处理方案，通过BABS算法为每个用户分配子载波数目，然后通过ACG算法进行具体的子载波分配。

图5为RA分配模块，采用微型的BABS+RCG处理方案，通过BABS算法为每个用户分配子载波数目，然后通过RCG算法进行具体的子载波分配。

图6为基于纳什均衡的动态调整方案，以MA和RA预分配模块的结果作为输出，通过对MA中的子载波分配功率消耗向量和RA中的子载波分配速率衰减向量进行博弈调整得到最终的子载波分配方案。

最后为功率和比特加载模块，主要采用注水发则，输入为图6的子载波分配方案，依次对每个用户进行单用户自适应功率分配和比特加载，输出为每个子载波上的比特和功率分配。

Claims (5)

1.一种适用于正交频分多址系统的动态子载波、功率分配和比特加载方案，该方案的特征在于，基站根据用户的业务统计特性将用户分类，先用边界自适应(MA)算法和速率自适应(RA)算法进行子载波预分配，然后再利用纳什均衡算法进行调整，最后利用单用户注水原理进行功率分配和比特加载。

2.根据权利要求1所述的基于业务统计特性分类的特征在于：将固定速率业务如语音、多媒体等分为类型1，可变速率业务如数据业务分为类型2。

3.根据权利要求1所述的子载波预分配方案特征在于：对于类型1如语音、多媒体业务等，以满足速率需求，最小化功率为目标；对于类型2如数据业务等，以平均功率和最小传输速率为约束，最大化系统总的速率为目标。

4.根据权利要求1中所述的基于纳什均衡对两组类型间的子载波分配方案进行调整特征在于：以公平性为依据的效用函数判断是否调整，达到一个纳什均衡解。

5.根据权利要求1中所述的子载波分配方案中子载波的特征在于能根据信道特点预先计算每个用户所需的最少子载波数目，对系统过载进行检测，并提出了基于系统性能评估函数选择对系统性能影响最大的用户进行抑制。

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