CN102083191A - 资源分配方法及装置、数据传输方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种资源分配方法及其装置和一种数据传输方法及其设备，本发明的资源分配方法包括：检测授权频谱中未被占用的频谱，以及无线环境参数；当资源分配周期到达时，将检测出的当前未被占用的频谱资源分配给用户；以及，根据当前的无线环境参数，为用户分配发射功率，使分配给各用户的功率在为获得更高信干比而提高发射功率以及在根据用户吞吐量与用户受到的干扰的关系来降低发射功率之间获得平衡。采用本发明可有效利用频谱空穴，提高频谱利用率，并提高系统吞吐量。

Description

资源分配方法及装置、数据传输方法及设备

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种资源分配方法及装置，以及一种数据传输方法及设备。

背景技术

随无线网络的飞速发展，以TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步的码分多址技术)为代表的面向市场多业务3G技术正逐步进入商业应用领域，TD-SCDMA采用了CDMA通信方式，规划初期在授权的2010MHz～2025MHz频段(共9个频点)开展业务，因TD-SCDMA频段的路径衰耗、CDMA技术存在的用户间和同频干扰，实际测试中TD-SCDMA的有效覆盖范围在250～300米之间(场强电平-95dBm以上)，单载波HSDPA(高速下行分组接入技术)带宽下载速率1M左右，这样同时保障3个以上用户良好视频感受已非常困难。

作为第4代(4G)无线移动通信高速数据传输系统的OFCDM(Orthogonal Frequency Code Division Multiplexing，正交多载波码分)技术结合了OFDM与CDMA技术的优点，利用OFDM各子载波正交特性可有效的降低用户间干扰，且OFCDM技术中的多路传输有效地提高了系统的鲁棒性，从而灵活地分配频谱资源以实现网络带宽自适应调节。

考虑功率控制和自适应调制技术是实现无线资源高效分配的重要手段，其中功率控制可以根据不同用户的QoS(服务质量)需求，有效地降低UE(用户设备)间干扰和噪声影响，自适应调制技术可进一步提高网络吞吐量。然而通常的功率控制算法在实现网络吞吐量最优时，必然影响部分用户的QoS，如SIR(信号干扰比)性能，为此采用HARQ(Hybrid automatic repeat request，混合自动重传请求)将MAC(介质访问控制)层接收的错误信息纠错请求重传，以满足认知用户的QoS需求，可有效地解决用户的QoS需求和网络吞吐量提高的矛盾。

随着3G网络在国内的全面布置，TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000必将在未来很长的时间内共存，与此同时以OFDM为核心的3GPP LTE(Long Time Evolutin，长期演进)系统是近年3GPP启动的最大新技术研发项目，这样以OFDM和CDMA技术为核心的无线网络必然在很长的一段时间内共存，因此存在3G网络和TD-LTE网络有效融合的问题，而未来的无线网络以智能异构泛在多业务为特征，这样研究结合OFDM和CDMA技术的具有认知功能的多业务融合网络具有重要的理论和实际应用价值。

目前，作为第4代无线移动通信高速数据传输OFCDM系统，经典的SIR平衡功率控制算法为保证不同UE的SIR完全一致，增加了强衰落信道对系统的干扰，一定程度上降低了网络吞吐量，无法达到资源分配的最优。

发明内容

本发明实施例提供了一种资源分配方法及装置，以及一种数据传输方法及设备，用以解决现有通讯系统中的功率控制方法影响网络吞吐量的问题。

本发明实施例提供的资源分配方法，包括：

检测授权频谱中未被占用的频谱，以及无线环境参数；

当资源分配周期到达时，将检测出的当前未被占用的频谱资源分配给用户；以及，根据当前的无线环境参数，为用户分配发射功率，使分配给各用户的功率在为获得更高信干比而提高发射功率以及在根据用户吞吐量与用户受到的干扰的关系来降低发射功率之间获得平衡。

本发明实施例提供的资源分配装置，包括：

场景认知单元，用于检测授权频谱中未被占用的频谱，以及无线环境参数；

功率控制单元，用于在资源分配周期到达时，将所述场景认知单元检测出的当前未被占用的频谱资源分配给用户；以及，根据所述场景认知单元检测出的当前的无线环境参数，为用户分配发射功率，使分配给各用户的功率在为获得更高信干比而提高发射功率以及在根据用户吞吐量与用户受到的干扰的关系来降低发射功率之间获得平衡。

本发明实施例提供的数据传输方法，包括：

采用上述资源分配方法为用户分配资源；

根据为所述用户分配的资源，对该用户的待发送数据进行正交多载波码分OFCDM调制，并将调制后的数据进行发送。

本发明实施例提供的数据传输设备，包括：上述资源分配装置，以及数据处理装置，其中，所述数据处理装置包括：

OFCDM调制单元，用于根据为所述用户分配的资源，对该用户的待发送数据进行OFCDM调制；

信号发射单元，用于将所述OFCDM调制单元调制后的数据信号进行发送。

本发明的上述实施例，一方面，通过感知频谱空穴，即，授权频谱中未被占用的频谱，方便了离散频谱信息的获取和利用，通过利用空闲的离散频谱，提高了频谱利用率；另一方面，在功率控制过程中引入用户吞吐量和受到的干扰等因素，丰富了功率控制的依据，使功率控制结果能够尽量减小对系统吞吐量的影响，与现有功率控制方法相比，提高了系统吞吐量。

附图说明

图1a、图1b为本发明实施例提供的数据传输装置10的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的数据传输装置10的信号发射流程示意图；

图3a、图3b为本发明实施例提供的数据传输装置20的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的数据传输装置20的调制方式选取流程示意图；

图5为本发明实施例提供的数据传输装置30的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的数据传输装置30的数据重传流程示意图；

图7为本发明实施例的仿真结果示意图之一；

图8为本发明实施例的防止结果示意图之二。

具体实施方式

考虑到OFCDM作为未来的第4代无线移动通信设计的高速数据传输系统，在OFCDM通信方式下数据先通过CDMA扩频再进行OFDM调制，有效地保证了不同的UE用户数据在频域上的正交性，消除了子载波间的干扰；而OFCDM技术将各个UE的频谱(如TD-SCDMA频段)的N个子载波划分为N/SF个载波组，每组子载波传送相同的信息数据(SF倍)，可保证不同UE频谱带宽的需要以及通信系统鲁棒性，提高了网络整体性能。

但是，目前作为第4代无线移动通信高速数据传输OFCDM系统的研究集中在无线频谱连续区域，这种方式不利于充分利用离散频谱，而认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术方便了离散频谱探测。

根据现行的频率使用政策，大多采用许可证制度，将频谱资源授权给一些授权用户使用，而实际中并非全部频谱资源都是全天候占用授权频段，一些频带部分时间内并没有用户使用，该部分频谱称为频谱空穴。认知无线电具有频谱感知特性，可以检测出频谱空穴，从而为利用频谱空穴提供了可能。认知无线电技术中，将工作频段的原有授权用户称为主要用户(Primary User，PS)，而认知无线电用户为次要用户(Secondary User，SU，也称无线认知用户)，通过在授权频段上实现了无线认知用户的接入提高了频谱利用率。

因此，本发明实施例将基于CDMA技术的3G网络通信技术和以OFDM技术为核心的TD-LTE网络通信技术相融合，以OFCDM平台为基础，兼顾未来无线网络的认知特性(无线电认知特性)，提出了面向4G应用的信号传输技术。

本发明实施例所提供的信号传输技术，在利用认知无线电频谱感知特性提高离散频谱利用率的基础上，在物理层采用基于SIR的功率控制方法和自适应选择调制方式以提高网络吞吐量；进一步地，在MAC层通过HARQ技术将处于深度衰落环境低于误码率(BER)阈值或误码率要求的错误数据重传，从而有效地降低了不同UE之间发射功率的消耗和中断概率，并进一步提高了网络吞吐量，实现了不同UE共享频谱资源的公平性。

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

参见图1a和图1b，为本发明实施例提供的数据传输装置10的结构示意图，其中，图1a为数据传输装置10的功能结构框图，图1b为结合硬件连接的结构框图。该数据传输装置10中，在数据发送方向上，与数据处理相关的单元可包括：数据预处理单元101、OFCDM调制单元102、信号发射单元103；与资源分配相关的单元可包括：场景认知单元104、功率控制单元105、调制方式选择单元106；其中，与资源分配相关的单元构成了数据传输装置10的资源分配装置。数据传输装置10既可配置在基站设备中，也可配置在移动终端中。

数据传输装置10中各单元的功能包括：

场景认知单元104：借助CR技术，通过频谱感知检测频谱空穴，通过网络感知检测无线环境参数(如信道状态，吞吐量、误码率、信号干扰，其他UE的功率信息等)，通过业务感知预测用户行为，其检测结果可为功率控制单元105进行功率控制提供依据，以及为调制方式选择单元106提供选择调制方式的依据；

功率控制单元105：为待发送数据分配信号发射功率以及对发射功率进行控制和调整；该单元一方面，可根据场景认知单元104检测出的频谱空穴，设置子载波功率控制因子d_k，以便自适应调整频率子载波数目(如d_k＝0表示自载波不可用，d_k＝1表示子载波可用)，达到利用离散频谱的目的；另一方面，根据场景认知单元104检测出的网络环境参数，利用本发明实施例提供的功率控制方法调整分配的发射功率；

调制方式选择单元106：为待发送数据选择调制方式；该单元可通过现有信号调制方式地选择机制实现；

数据预处理单元101：对传输给数据传输装置10的待发送数据进行串并转换等处理，将待发送数据转换为多路信号传输给OFCDM调制单元102进行信号调制；该单元可通过现有数据预处理技术实现；

OFCDM调制单元102：根据功率控制单元105的功率控制结果，以及根据调制方式选择单元106所选择的调制方式，对数据预处理单元101处理后的数据进行信号调制，以形成能够通过信号发射单元103发射的信号；该单元可通过现有OFCDM信号调制技术实现；如图1b所示，该单元将N个载波分成SF组，每路信号与扩频序列C_k＝[c_k(1)，...，c_k(n)，...，c_k(N)](n表示第n个载波，扩频增益为N)相乘，经过傅立叶逆变换(IFFT)和并串变换加保护间隔等处理后，形成可输出到信号发射单元103发射的信号；

信号发射单元103：将OFCDM调制单元104调制后的信号进行发射；该单元可通过现有信号发射技术实现，如通过现有天线装置实现。

数据传输装置10中的场景认知单元104可周期性地检测频谱空穴、无线环境参数和用户行为等信息，并可进一步将其保存到CR共享数据库单元108中，以方便其他单元使用其中的数据。

基于数据传输装置10的信号发送流程可如图2所示。当需要发送某无线认知用户(如UE_k)的数据时，为UE_k分配资源以及发送数据的流程，主要包括：

步骤201、数据预处理单元101接收上层传输来的UE_k的待发送数据。

步骤202、数据预处理单元101对待发送数据进行串并转换等处理。

步骤203、功率控制单元105为UE_k的待发送数据分配功率，并进行功率控制，功率控制操作包括：

从CR共享数据库单元108中获取UE_k的吞吐量数据、UE_k受到的干扰数据(如同组子载波UE间干扰、邻区干扰等)，利用本发明实施例所提供的功率效用函数进行功率控制；

从CR共享数据库单元108中获取场景认知单元104所检测出的频谱空穴，并根据该频谱空穴生成UE_k的子载波功率控制因子d_k。d_k为一由0或/和1组成的数值序列[d₀，d1，...，d_N]，其中的元素个数N为授权频谱空间映射为子载波的个数(即授权频谱空间下的子载波个数)，该数值序列按照频谱顺序(即子载波的顺序)排列，其中的每个元素值表示对应子载波是否位于频谱空穴，例如，元素值为0表示该元素对应的频谱段不是频谱空穴，该频谱段对于UE_k不可用，元素值为1表示该元素对应的频谱段是频谱空穴，该频谱段对于UE_k可用。这样，通过子载波功率控制因子d_k，可以得知整个授权频谱空间下的哪些子载波对于UE_k可用。

步骤204、调制方式选择单元106为待发送数据选择调制方式。

所选择的信号调制方式可包括BPSK(Binary Phase Shift Keying，双相移相键控)、QPSK(四相相移键控)、M-QAM(正交幅度调制)。

步骤205、OFCDM调制单元102根据功率控制单元105提供的UE_k的子载波功率控制因子d_k以及功率控制结果，调制方式选择单元106所选择的调制方式，对待发送数据进行信号调制处理。

该步骤中，OFCDM调制单元102将UE_k对应的待发送数据调制为子载波时，根据UE_k的功率控制因子d_k选择其中元素值为1的元素所对应的子载波，将数据调制到这些子载波上，相当于利用频谱空穴发送数据。

步骤206、信号发射单元103将OFCDM调制单元102调制后的信号进行发射。

发射出去的信号经无线通信网络传输到信号接收端后，在接收端通过相应的反变换、信道估计和译码判决等过程，得到原发送数据。

图2所示流程中的步骤203～步骤204是数据发送过程中的资源分配流程。

下面对上述流程的步骤203中，功率控制单元105所使用的功率效用函数进行详细描述。在描述本发明实施例所使用的功率效用函数之前，首先对该函数所用到的物理参数进行描述：

考虑M个UE的N个子载波OFCDM的上行链路，每组子载波数目为K＝(N/SF)个，因OFCDM子载波的正交性，不同UE之间干扰主要决定于由同组子载波CDMA扩频符号干扰，则不妨设任意组第k个UE的信号干扰比(信干比，SIR)为γ_k

${\mathrm{\γ}}_k\left(P_k\right)=\frac{h_{\mathrm{kk}}{P}_k}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{kk}}+{\mathrm{\χ}}_k+{\mathrm{\υ}}_k}...\left[1\right]$

其中，h_kk表示第k个UE的链路增益；P_k为第k个UE的发射功率；Г_kk为同组子载波UE间干扰，χ_k为临区干扰；噪声υ_k的均值为0，方差为δ²。

选取香农容量计算网络吞吐量，第k个UE的吞吐量C_k(γ_k)和网络吞吐量T(γ(P))可表示为：

C_k(γ_k)＝log₂(1+lγ_k(P)).................................[2]

$T\left(\mathrm{\γ}\left(P\right)\right)=C_1+C_2+...+C_M=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{l\γ}}_k\left(P\right))...\left[3\right]$

其中，l＝1.5/[-ln(5BER)]，BER是根据误码率要求所规定的误码率(即规定的误码率最高限)，l取值由调制方式和BER取值决定。

为降低不同UE发射功率消耗，满足不同UE的SIR需求，并兼顾不同UE的网络认知行为，本发明实施例借助微观经济学的博弈理论，研究物理层的功率控制问题，并设计了以下功率效用函数：

第k个UE的功率控制效用函数u_k为：

$u_k(P_k,{\mathrm{\γ}}_k\left(P_k\right))={\mathrm{\α}}_k{({\mathrm{\γ}}_k\left(P_k\right)-{\mathrm{\γ}}_k^{\mathrm{tar}})}^2-{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\π}}_k{P}_k...\left[4\right]$

其中，P_k表示该UE的发射功率；α_k和β_k为常量，其取值可根据UE对功率与SIR的需求灵活调整；γ_k(P_k)表示该UE的SIR，可通过式[1]计算得到；

表示设定的SIR目标值，该阈值取决于UE的业务属性，如语音业务的SIR目标值可选取较高值，数据业务值相对较低。π_k是负变量的网络认知函数，可表示为：

${\mathrm{\π}}_k=\frac{{\∂C}_k}{\∂({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{kk}}+{\mathrm{\χ}}_k)}...\left[5\right]$

其中，C_k表示该UE的吞吐量，可通过式[2]计算得到；Г_kk为同组子载波UE间干扰，χ_k为临区干扰，可通过场景认知单元104检测到；

表示导数运算。

式[4]中的

表示该UE的SIR与SIR目标值的关系，π_k则表示该UE的吞吐量与其受到的干扰的关系。可见，u_k的设计兼顾了各个UE的SIR、吞吐量和发射功率的消耗，通过π_kP_k可降低功率消耗，实现网络吞吐量最优为目标，π_k的设计体现了为不同UE以最小的干扰实现网络吞吐量的优化。

为验证本发明实施例所提供的功率效用函数的合理性，可采用如下验证方法：

应用纳什均衡条件，对式[1]表示的效用函数简单推导，可得

$p_k={\mathrm{\γ}}_k^{\mathrm{tar}}\×\frac{p_k}{{\mathrm{\γ}}_k}+\frac{{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\π}}_k}{{2\mathrm{\α}}_k}{\left(\frac{p_k}{{\mathrm{\γ}}_k}\right)}^2...\left[6\right]$

采用牛顿迭代法可选取下面的迭代式

$p_k^{(n+1)}=p_k={\mathrm{\γ}}_k^{\mathrm{tar}}=\frac{p_k^{\left(n\right)}}{{\mathrm{\γ}}_k^{\left(n\right)}}+\frac{{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\π}}_k}{{2\mathrm{\α}}_k}{\left(\frac{p_k^{\left(n\right)}}{{\mathrm{\γ}}_k^{\left(n\right)}}\right)}^2...\left[7\right]$

根据隐函数理论和Sung-Leung收敛标准I-II，上式在满足

且

时可证收敛标准I成立，则发射功率收敛于全局唯一的最优解。

根据以上数据传输装置10及其所实现的数据传输流程可以看出，一方面，通过引入无线电感知技术来感知频谱空穴，方便了离散频谱信息的获取，并通过功率控制因子来调整所用的系统子载波，将已被占用的频谱发送功率置0，从而保证了已占用频谱的其它UE正常通信，并可利用空闲的离散频谱，提高频谱利用率；另一方面，在功率控制过程中引入UE吞吐量和受到的干扰等因素，丰富了功率控制的依据，使功率控制结果能够尽量减小对系统吞吐量的影响，与现有功率控制方法相比，提高了系统吞吐量。

对数据传输装置10中的调制方式选择单元106进行改进得到调制方式选择单元206，并用改进后的调制方式选择单元206代替数据传输装置10中的调制方式选择单元106，可以得到本发明实施例提供的数据传输装置20。

参见图3a和图3b，为本发明实施例提供的数据传输装置20的结构示意图，其中，图3a为数据传输装置20的功能结构框图，图3b为结合硬件连接的结构框图。该数据传输装置20中，与数据处理相关的单元可包括：数据预处理单元101、OFCDM调制单元102、信号发射单元103；与资源分配相关的单元可包括：场景认知单元104、功率控制单元105、调制方式选择单元206；其中，与资源分配相关的单元构成了数据传输装置20中的资源分配装置。数据传输装置20既可配置在基站设备中，也可配置在移动终端中。

数据传输装置20中，除了调制方式选择单元206的调制方式选择方式与数据传输装置10不同以外，其他单元的结构和功能与数据传输装置10基本相同，在此不再赘述。

数据传输装置20中的场景认知单元104可周期性地预测频谱空穴、信道状态和用户行为等信息，并将其保存到CR共享数据库108中，以方便其他单元使用其中的数据。

基于数据传输装置20的信号发送流程基本与图2所示的流程相同，仅在数据调制方式选择的步骤中有所不同。调制方式选择单元206所实现的调制方式选择流程，如图4所示，可包括以下步骤：

步骤401、调制方式选择单元206从CR共享数据库108中获取UE_k的吞吐量数据以及表征其受到的干扰的数据(如同组子载波UE间干扰、邻区干扰)，并根据功率控制单元105分配的功率计算出UE_k的SIR，可根据公式[1]计算SIR。

步骤402、调制方式选择单元206根据计算出的SIR，以及SIR和信号调制方式的对应关系(该对应关系可预设在调制方式选择单元206中)，选取与UE_k的SIR对应的信号调制方式，作为对UE_k的待发送数据进行信号调制的方式。

SIR和信号调制方式的对应关系设置原则是：考虑到BPSK、QPSK和M-QAM的编码效率是逐渐上升的，M-QAM方式还具有多种调制阶数，并且调制阶数越高编码效率越高；因此，对于SIR高的用户数据采用编码效率高的调制方式可以增加网络吞吐量。基于上述原则，本发明实施例通过设置SIR阈值的方式将由SIR阈值界定的SIR数值区间与调制方式建立对应关系，以及通过将UE的SIR与SIR阈值进行比较来选取调制方式。SIR阈值的个数与可选用的调制方式数量和种类相关，例如，如果可选用的调制方式包括BPSK和QPSK，则仅需设置1个SIR阈值，当前UE的SIR低于该SIR阈值时则为其现在BPSK调制方式，否则为其选择QPSK调制方式；同理，如果可选用的调制方式包括BPSK、QPSK和M-QAM，则至少需设置2个SIR阈值，对于M-QAM的不同调制阶数，还可设置对应的SIR阈值。

SIR阈值大小的设置，可依据网络仿真结果或网络统计数据来设定。

较佳地，调制方式选择单元206估计出UE_k的SIR后，如果该SIR低于系统规定的最低限度的SIR(该SIR小于上述的SIR阈值)，则调制方式选择单元206不再为该UE的待发送数据选择调制方式，数据传输装置20放弃对该UE的待发送数据的传输，以等待下一个调度周期再处理，只有在估计出的SIR高于系统规定的最低限度的SIR时，才按照上述方式选取相应的调制方式。

根据以上数据传输装置20及其所实现的数据传输流程可以看出，一方面，通过引入无线电感知技术来感知频谱空穴，以利用检测出的频谱空穴来传输信号，从而提高了系统频谱利用率；另一方面，在功率控制过程中引入UE吞吐量和受到的干扰等因素，丰富了功率控制的依据，使功率控制结果能够尽量减小对系统吞吐量的影响，与现有功率控制方法相比，提高了系统吞吐量；另外，通过依据用户的信干比进行信号自适应调制，进一步提高了系统的吞吐量。

本发明实施例所提供的数据传输装置10或数据传输装置20中，还可包括HRAQ控制单元109。该HARQ控制单元109所处理的是MAC层数据，对于数据接收端反馈的数据重传请求，HARQ控制单元109可对需要重传数据的物理层数据帧的BER进行估计，并通过将估计出的BER与规定的最低限度的BER(BER阈值)进行比较来决定是否重传该数据，如果估计出的数据帧BER高于设定的BER阈值，则决定重传数据，否则，可等到下一个HARQ周期再进行处理。

下面以在数据传输装置20中增加HARQ控制单元109后所形成的数据传输装置30(如图5所示)为例，描述HARQ控制单元109基于物理层数据帧的BRE实现HARQ的流程。当数据传输装置30将数据发送出去，接收端UE(此处设该UE为UE_k)首先对数据包进行纠错，若有错误不能纠正，发送数据包重传请求，同时丢弃错误的数据包，如图6所示，数据传输装置30根据该数据重传请求所执行的操作流程包括：

步骤601、数据传输装置30接收数据接收端发送的数据重传请求，HARQ控制单元109根据UE_k的反馈信息确定出需要为UE_k重传的数据。

该步骤中，数据传输装置30的场景认知单元104可根据数据重传请求将重传数据的相关信息发送给HARQ控制单元109，或存储到CR共享数据库单元108中供HARQ控制单元109查询，以便HARQ控制单元109能够获知需要为UE_k重传的数据。

步骤602、HARQ控制单元109判断为UE_k发送该重传数据的次数是否超过设定的最大重传次数；如果不是，则执行步骤603，否则执行步骤606。

考虑传输时延和最小数据缓存的要求，在无线网络中HARQ的最大重传次数

通常选择3或4(如通常TD-SCDMA系统的

为4)，当重传次数超过

而数据无法被接收端正确接收时，不再重传该数据包。

步骤603、HARQ控制单元109根据功率控制单元105为该重传数据分配以及调整的功率，根据调制方式选择单元206为该重传数据选择的调制方式，计算UE_k的该重传数据在接收端物理层的BER。

步骤604、HARQ控制单元109将估计出的BER与预先设置的BER阈值进行比较，如果低于BER阈值，则执行步骤605；否则执行步骤606；

步骤605、HARQ控制单元109决定为UE_k重传该数据，并进一步启动HARQ数据重传流程，如，启动与数据处理相关的单元对该重传数据进行数据预处理、信号调制以及将调制后的信号发送出去。

步骤606、HARQ控制单元109决定不对UE_k的数据重传请求执行HARQ数据重传流程。

图6所示流程中，根据调制方式的不同，计算BER的方法也不同。本发明实施例针对不同调制方式对网络吞吐量的影响，提供了BPSK、QPSK和M-QAM调制方式下BER的计算表达式，可分别表示为：

BPSK方式的BER：

$\mathrm{BER}=\frac{1}{\sqrt{2}}{\∫}_{\sqrt{2\mathrm{\γ}}}^{\∞}{e}^{\frac{-x^2}{2}}\mathrm{dx}=Q\left(\sqrt{2\mathrm{\γ}}\right)...\left[8\right]$

QPSK方式的BER：

$\mathrm{BER}=\frac{2}{\sqrt{2}}{\∫}_{\sqrt{2\mathrm{\γ}}}^2{e}^{\frac{{-x}^2}{2}}\mathrm{dx}=2Q\left(\sqrt{2\mathrm{\γ}}\right)...\left[9\right]$

M-QAM方式的BER：

$\mathrm{BER}\≈0.2\exp (-1.5\mathrm{\γ}/({\tilde{M}}_n-1)),{\tilde{M}}_n=2^n,n=\mathrm{1,2},..,N...\left[10\right]$

其中，γ表示SIR(可通过式[1]计算得到)，Q表示Q函数(Q函数是通信系统中常用的函数)，

表示调制阶数。

对于式[10]，不妨设等号成立，并根据预先设定的BER阈值计算M-QAM的不同调制阶数

下的SIR值，可得

$\tilde{M}\left(\mathrm{\γ}\right)=1+\frac{1.5}{-\ln \left(5\mathrm{BER}\right)}\mathrm{\γ}=1+\mathrm{l\γ}...\left[11\right]$

其中，表示不小于x的最小整数；BER≤ε，ε是根据系统需要特定设立的初始值(该初始值是系统误码率的需要，如ε＝0.001表示系统误码率低于0.001)；

设，物理层每帧包含N_phy个符号数，每帧数据包含MAC层的多个数据包；设每个数据包有N_pac比特，选择数据速率为

其中，为M-QAM的调制阶数；在每个数据包中包含N_pac/n个码元；每帧数据的数据符号为N_phy＝N_c+N_bN_pac/n，其中N_c为控制符号，N_b为每帧中数据包的数目。

若MAC层的每个数据包中的N_pac个数据比特具有相同非相关的BER，则物理层的误包率PER_phy可以通过误码率BER表示为

${\mathrm{PER}}_{\mathrm{phy}}=1-{\left(1-\mathrm{BER}\right)}^{N_{\mathrm{pac}}}...\left[13\right]$

为满足认知用户QoS(服务质量)性能，当最大重传次数为

满足最小传输时延和数据缓冲要求时，MAC层的误包率PER_mac可由PER_phy表示为

${\mathrm{PER}}_{\mathrm{phy}}^{(N_{\mathrm{arq}}^{\max }+1)}={\mathrm{PER}}_{\mathrm{mac}}...\left[14\right]$

假定MAC的瞬间误包率不超过PER_target，可得

${\mathrm{PER}}_{\mathrm{phu}}^{(N_{\mathrm{arq}}^{\max }+1)}={[1-{(1-\mathrm{BER})}^{N_{\mathrm{pac}}}]}^{(N_{\mathrm{arq}}^{\max }+1)}={\mathrm{PER}}_{\mathrm{mac}}\≤{\mathrm{PER}}_{t\arg \mathrm{et}}...\left[15\right]$

在保证平均误包率PER低于PER_target的

调制阶数前提下，在多径瑞利信道单发单收天线情况下，接收端UE_k的SIR的概率密度为

$P_b\left(n\right)={\∫}_{{\mathrm{\γ}}^n}^{{\mathrm{\γ}}^{n+1}}P\left(\mathrm{\γ}\right)d_{\mathrm{\γ}}={\∫}_{{\mathrm{\γ}}^n}^{{\mathrm{\γ}}^{n+1}}\mathrm{\γ}{\left(\frac{R_c}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}\right)}^2\exp \left((-\frac{R_c}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}})\mathrm{\γ}\right)d_{\mathrm{\γ}}...\left[16\right]$

其中，式中变量R_c是与单发单收匹配的码率。

设

表示

调制阶数下的平均误包率可得

${\stackrel{\‾}{P}}_b\left(n\right)=\frac{1}{p_b\left(n\right)}{\∫}_{{\mathrm{\γ}}^n}^{{\mathrm{\γ}}^{n+1}}{\mathrm{PER}}_{\mathrm{phy}}P\left(\mathrm{\γ}\right)d_{\mathrm{\γ}}=\frac{1}{p_b\left(n\right)}{\∫}_{{\mathrm{\γ}}^n}^{{\mathrm{\γ}}^{n+1}}[1-{(1-\mathrm{BER})}^{N_{\mathrm{pac}}}]P\left(\mathrm{\γ}\right)d_{\mathrm{\γ}}...\left[17\right]$

若以所有发送数据包中接收数据错误的概率定义系统平均误包率，则物理层的系统平均误包率

可表示为

$\stackrel{\‾}{P}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{R}_n{\stackrel{\‾}{P}}_b\left(n\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{R}_n{P}_b\left(n\right)}...\left[18\right]$

式中R_n为信息率(R_n＝nR_c)，在

调制阶数下为R_n＝nR_c，则可发送的平均数据包为

$\stackrel{\‾}{N}(N_{\mathrm{arq}}^{\max },\stackrel{\‾}{P})=1+\stackrel{\‾}{P}+...+{\stackrel{\‾}{P}}^{N_{\mathrm{arq}}^{\max }}=\frac{1-{\stackrel{\‾}{P}}^{(N_{\mathrm{arq}}^{\max }+1)}}{1-\stackrel{\‾}{P}}...\left[19\right]$

发送数据的中断概率

为平均误包率和的函数，可表示为：

$P_{{\mathrm{out},N}_{\mathrm{arq}}^{\max }}=\stackrel{\‾}{N}(N_{\mathrm{arq}}^{\max },\stackrel{\‾}{P}){\∫}_0^{{\mathrm{\γ}}^1}P\left(\mathrm{\γ}\right)d_{\mathrm{\γ}}...\left[20\right]$

通过数据传输装置30及其实现的HARQ控制方式，可以看出，除了在频谱空穴利用、功率控制以及信号自适应调制等方面具有的优势以外，还在HARQ控制方面，根据对重传数据的BER进行估计来决定是否重传该数据，即，只有在重传数据的BER满足BER的最低要求时才重传数据，从而进一步提高了系统吞吐量。

通过系统仿真可进一步验证本发明实施例在系统吞吐量方面的优势。

系统仿真工具采用Matlab 7.01仿真工具，仿真条件包括：选取1000个不同场景的平均值，考虑多径瑞利信道环境，信道为4径瑞利信道模型，各径延迟相差一个码片周期，各径衰落幅度相差4dB，CDMA扩频码为64位的Walsh码，每组OFDM子载波数为64个，保护间隔为5个采样点，大于信道最大时延扩展数4个采样点。初始功率为

BER＝10^-3，

时，仿真中不考虑快衰落和阴影衰落的影响。图7给出了在自适应调制技术下本发明实施例所提供的功率控制方法和经典的SIR平衡功率控制方法的性能比较。

图7中的横坐标表示Average Power(即平均功率)值，纵坐标表示Total Throughput(即总吞吐量)值。由图7可知，在相同的误码率和功率消耗的情况下，本发明实施例所提供的功率控制方法较好的考虑了不同UE间和邻小区的干扰，网络吞吐量明显高于SIR平衡功率控制方法，从而有效地提高了单位功率吞吐量，具有更好的网络性能。

考虑到上述仿真中不分析前向纠错问题，图8比较了结合本发明实施例所提供的HARQ控制方法与功率控制方法对发送数据的中断概率影响，其中N_pac＝1080，PER_mac＝0.01。在图8中

是未采用HARQ技术的情况，

和

分别表示HARQ的重传次数为1次和3次。

图8中的横坐标表示UE number(即用户数)值，纵坐标表示Probability of outrage(即中断概率)值。由图8中曲线可知，HARQ控制技术可有效地降低发送数据的中断概率，在最小传输时延和数据缓冲允许条件下，随

的增加有效地实现了不同认知用户的QoS保障。

综上所述，本发明实施例借助CR技术的网络认知特性探测空闲频谱资源和相邻无线资源的网络特性，并通过对OFCDM系统的改进，尤其考虑了3G网络和TD-LTE网络的融合，构建了面向4G网络的无线通信技术方案(包括资源分配方法及其装置、数据传输方法及其装置)，该技术方案针对资源分配的跨层设计技术问题，在物理层提供了一种分布式功率控制方法，该方法考虑了网络吞吐量的提高和用户发射功率的有效控制，并通过自适应调制方法进一步提高网络吞吐量；在MAC层通过采用HARQ链路自适应方法，克服信道衰落和噪声的影响，将接收的错误信息请求重传，满足用户的QoS需求，实现用户公平高效的共享无线频谱资源，并降低不同UE之间发射功率的消耗和中断概率，从而提高网络吞吐量，实现了不同UE共享频谱资源的公平性。

诚然，本发明的上述实施例提供的数据传输技术方案不仅可应用于基于无线电感知的网络，使无线认知用户充分频谱空穴，还可应用于不采用无线电感知的网络，从而利用本发明实施例提供的功率控制方法，并可进一步结合本发明实施例提供的调制方式选择方法和HARQ控制方法，为主用户分配无线资源以及提供数据传输服务。本领域技术人员应该理解，如果将本发明实施例提供的功率控制方法、调制方式选择方法和HARQ控制方法应用于不采用无线电感知的网络，则需要对数据传输装置及其实现的资源分配流程和数据传输流程进行必要的改进。

另外，本发明的上述实施例不仅可适用于4G通信网络，也适用于3G通信网络，如存在用户干扰的CDMA通信网络。如果将本发明的上述实施例应用于3G通信网络，本领域技术人员应该理解，需要进行必要的调整，如，对于实现信号调制的单元应由3G通信网络的信号调制机制实现。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (19)

1.一种资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测授权频谱中未被占用的频谱，以及无线环境参数；

当资源分配周期到达时，将检测出的当前未被占用的频谱资源分配给用户；以及，根据当前的无线环境参数，为用户分配发射功率，使分配给各用户的功率在为获得更高信干比而提高发射功率以及在根据用户吞吐量与用户受到的干扰的关系来降低发射功率之间获得平衡。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线环境参数包括：用户吞吐量、同组子载波用户间干扰和邻区干扰；

根据如下功率控制效用函数分配发射功率：

$u_k(P_k,{\mathrm{\γ}}_k\left(P_k\right))={\mathrm{\α}}_k{({\mathrm{\γ}}_k\left(P_k\right)-{\mathrm{\γ}}_k^{\mathrm{tar}})}^2-{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\π}}_k{P}_k$

其中，P_k表示分配给用户k的发射功率，α_k和β_k为常量，

设定的信干比目标值，，γ_k(P_k)表示在分配的功率为P_k时的信干比，π_k表示为：

${\mathrm{\π}}_k=\frac{{\∂C}_k}{\∂({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{kk}}+{\mathrm{\χ}}_k)}$

其中，C_k表示用户k的吞吐量，Г_kk为用户k受到的同组子载波用户间干扰，χ_k为用户k受到的临区干扰，

表示导数运算。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信干比目标值根据用户的业务属性设置，其中，为时延要求高的业务所设置的信干比目标值比为时延要求低的业务所设置的高。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将当前未被占用的频谱资源分配给用户，具体为：

生成子载波功率控制因子序列，所述子载波功率控制因子序列中的元素与授权频谱的子载波顺序对应；

根据当前未被占用的频谱，将所述子载波功率控制因子序列中对应元素的值置为设定数值，表示所述元素对应的子载波当前未被使用；

将所述子载波功率控制因子序列中值为所述设定数值的元素所对应的子载波分配给用户使用。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据为用户分配的功率以及该用户受到的干扰确定用户的信干比；

根据确定出的信干比以及预设的用于调制方式判决的信干比阈值，为所述用户选择调制方式。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过多个信干比阈值划分得到多个信干比数值区间，按照数值从小到大的顺序，所述多个信干比数值区间依次对应双相移相键控BPSK、四相相移键控QPSK和正交幅度M-QAM调制方式；

为用户选择调制方式时，根据确定出的信干比确定该信干比所属的信干比数值区间，将该信干比数值区间对应的调制方式确定为所述用户选择的调制方式。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，M-QAM调制方式对应的信干比数值区间被多个调制阶数阈值划分得到多个信干比数值区间，按照数值从小到大的顺序，所述多个信干比数值区间对应调制阶数依次递增的M-QAM调制方式。

8.一种资源分配装置，其特征在于，包括：

场景认知单元，用于检测授权频谱中未被占用的频谱，以及无线环境参数；

功率控制单元，用于在资源分配周期到达时，将所述场景认知单元检测出的当前未被占用的频谱资源分配给用户；以及，根据所述场景认知单元检测出的当前的无线环境参数，为用户分配发射功率，使分配给各用户的功率在为获得更高信干比而提高发射功率以及在根据用户吞吐量与用户受到的干扰的关系来降低发射功率之间获得平衡。

9.如权利要求8所述的资源分配装置，其特征在于，所述场景认知单元检测出的无线环境参数包括：用户吞吐量、同组子载波用户间干扰和邻区干扰；

所述功率控制单元根据如下功率效用函数分配发射功率：

$u_k(P_k,{\mathrm{\γ}}_k\left(P_k\right))={\mathrm{\α}}_k{({\mathrm{\γ}}_k\left(P_k\right)-{\mathrm{\γ}}_k^{\mathrm{tar}})}^2-{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\π}}_k{P}_k$

其中，P_k表示分配给用户k的发射功率，α_k和β_k为常量，

设定的信干比目标值，，γ_k(P_k)表示在分配的功率为P_k时的信干比，π_k表示为：

${\mathrm{\π}}_k=\frac{{\∂C}_k}{\∂({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{kk}}+{\mathrm{\χ}}_k)}$

其中，C_k表示用户k的吞吐量，Г_kk为用户k受到的同组子载波用户间干扰，χ_k为用户k受到的临区干扰，

表示导数运算。

10.如权利要求8所述的资源分配装置，其特征在于，还包括：

调制方式选择单元，用于根据为用户分配的功率以及该用户受到的干扰确定用户的信干比，根据确定出的信干比以及预设的用于调制方式判决的信干比阈值，为所述用户选择调制方式。

11.如权利要求10所述的资源分配装置，其特征在于，所述调制方式选择单元具体用于：通过多个信干比阈值划分得到多个信干比数值区间，按照数值从小到大的顺序，所述多个信干比数值区间依次对应双相移相键控BPSK、四相相移键控QPSK和正交幅度M-QAM调制方式；为用户选择调制方式时，根据确定出的信干比确定该信干比所属的信干比数值区间，将该信干比数值区间对应的调制方式确定为所述用户选择的调制方式。

12.一种数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用如权利要求1至7之一所述的方法为用户分配资源；

根据为所述用户分配的资源，对该用户的待发送数据进行正交多载波码分OFCDM调制，并将调制后的数据进行发送。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

接收到用户的数据重传请求并确定还未达到最大重传次数后，为该用户分配发射功率；

根据分配的发射功率，估计该重传数据在接收端的误包率；

如果估计出的误包率低于设定的误包率阈值，则发送该数据；否则，放弃发送该数据。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，估计重传数据在接收端的误包率，包括：

根据所述重传数据的调制方式估计所述重传数据在介质访问控制MAC层的误码率；

根据重传数据在MAC层的误码率，按照如下公式估计所述重传数据在物理层的误包率：

${\mathrm{PER}}_{\mathrm{phy}}=1-{(1-\mathrm{BER})}^{N_{\mathrm{pac}}}$

其中，PER_phy为估计出的物理层的误包率，BER为MAC层的误码率，N_pac为MAC层每个数据包的比特数。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，根据所述重传数据的调制方式估计所述重传数据在MAC层的误码率，具体为：

如果所述重传数据的调制方式为BPSK，则MAC层的误码率为：

$\mathrm{BER}=\frac{1}{\sqrt{2}}{\∫}_{\sqrt{2\mathrm{\γ}}}^{\∞}{e}^{\frac{-x^2}{2}}\mathrm{dx}=Q\left(\sqrt{2\mathrm{\γ}}\right)$

如果所述重传数据的调制方式为QPSK，则MAC层的误码率为：

$\mathrm{BER}=\frac{2}{\sqrt{2}}{\∫}_{\sqrt{2\mathrm{\γ}}}^2{e}^{\frac{{-x}^2}{2}}\mathrm{dx}=2Q\left(\sqrt{2\mathrm{\γ}}\right)$

如果所述重传数据的调制方式为M-QAM，则MAC层的误码率为：

$\mathrm{BER}\≈0.2\exp (-1.5\mathrm{\γ}/({\tilde{M}}_n-1)),{\tilde{M}}_n=2^n,n=\mathrm{1,2},..,N$

其中，Q表示Q函数，γ表示根据为所述重传数据分配的功率得到的信干比，

表示调制阶数。

16.一种数据传输设备，其特征在于，包括：如权利要求8至11之一所述的资源分配装置，以及数据处理装置，其中，所述数据处理装置包括：

OFCDM调制单元，用于根据为所述用户分配的资源，对该用户的待发送数据进行OFCDM调制；

信号发射单元，用于将所述OFCDM调制单元调制后的数据信号进行发送。

17.如权利要求16所述的数据传输设备，其特征在于，还包括：

HARQ控制单元，用于接收到用户的数据重传请求并确定还未达到最大重传次数后，根据所述资源分配装置中的功率控制单元为该用户分配的发射功率估计该重传数据在接收端的误包率；如果估计出的误包率低于设定的误包率阈值，则启动所述OFCDM调制单元调制该数据；否则，通知所述OFCDM调制单元放弃调制该数据。

18.如权利要求17所述的数据传输设备，其特征在于，所述HARQ控制单元具体用于：

根据所述重传数据的调制方式估计所述重传数据在介质访问控制MAC层的误码率；

根据重传数据在MAC层的误码率，按照如下公式估计所述重传数据在物理层的误包率：

${\mathrm{PER}}_{\mathrm{phy}}=1-{(1-\mathrm{BER})}^{N_{\mathrm{pac}}}$

其中，PER_phy为估计出的物理层的误包率，BER为MAC层的误码率，N_pac为MAC层每个数据包的比特数。

19.如权利要求18所述的数据传输设备，其特征在于，所述HARQ控制单元具体用于：

根据所述重传数据的调制方式估计所述重传数据在MAC层的误码率，具体为：

如果所述重传数据的调制方式为BPSK，则MAC层的误码率为：

$\mathrm{BER}=\frac{1}{\sqrt{2}}{\∫}_{\sqrt{2\mathrm{\γ}}}^{\∞}{e}^{\frac{-x^2}{2}}\mathrm{dx}=Q\left(\sqrt{2\mathrm{\γ}}\right)$

如果所述重传数据的调制方式为QPSK，则MAC层的误码率为：

$\mathrm{BER}=\frac{2}{\sqrt{2}}{\∫}_{\sqrt{2\mathrm{\γ}}}^2{e}^{\frac{{-x}^2}{2}}\mathrm{dx}=2Q\left(\sqrt{2\mathrm{\γ}}\right)$

如果所述重传数据的调制方式为M-QAM，则MAC层的误码率为：

$\mathrm{BER}\≈0.2\exp (-1.5\mathrm{\γ}/({\tilde{M}}_n-1)),{\tilde{M}}_n=2^n,n=\mathrm{1,2},..,N$

其中，Q表示Q函数，γ表示根据为所述重传数据分配的功率得到的信干比，

表示调制阶数。

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