CN102448068A - 长时演进系统中一种动态的资源块分配方法 - Google Patents

长时演进系统中一种动态的资源块分配方法 Download PDF

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CN102448068A CN2011103807767A CN201110380776A CN102448068A CN 102448068 A CN102448068 A CN 102448068A CN 2011103807767 A CN2011103807767 A CN 2011103807767A CN 201110380776 A CN201110380776 A CN 201110380776A CN 102448068 A CN102448068 A CN 102448068A
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朱洪波
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Abstract

本发明提供了一种用于LTE-A系统中基于资源块的动态资源分配方法，它根据信道的多普勒频移和多径时延扩展两个参数实时的调整资源块的时域和频域的尺寸；在处理资源块时，将每个资源块抽象为一个点，在其内部平等的对待所有的子载波，平均分配功率和比特，并用所有载波的增益的平均值表征该块的增益；在分配资源块时，先用贪心法为所有的用户分配其最好的块，然后针对那些被多个用户共用的块，为各个用户建立优先权，并据此调解各用户，既降低了复杂性又保证了各用户的公平性。

Description

长时演进系统中一种动态的资源块分配方法
技术领域
本发明是一种用于下一代移动通信系统中物理层资源块分配的调度方案，属于移动通信技术领域。
背景技术
为了应对人们对移动通信系统的高速率和大容量的要求，下一代移动通信系统选择正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing , OFDM）作为其关键技术之一，该技术把一段频带分成若干个相互正交的小频带，并独立调制，使得频谱效率大幅提高；此外该技术还有很强的抗多径和抗码间干扰的能力。
然而，由于划分子带后子载波的数量急剧增长，这使得算法的复杂度和处理时延大幅增加，甚至不可接受。为此，LTE-A（Long Term Evolution Advanced）标准把资源分配的粒度由子载波改为了资源块（Resource Block, RB），一个资源块包括频域上连续若干个子载波和时域连续若干个符号，每个资源块由某一个用户独占，有效的降低了资源分配的工作量。
当然，颗粒度的增加会牺牲系统的部分性能，因为信道的分集特性不能充分利用，考虑到无线信道的多样性，这种单一固定的资源块分配方案并不能很好地适应各种环境。主要表现为：一方面，在较为恶劣的环境下系统的性能损失过多，以当前开通的高铁350公里的速度为例，若选择2GHz载频，则计算出的最大多普勒频移高达648Hz！在如此高的多普勒频移下，资源块引起的性能损失或许让人们无法接受；另一方面，在室内等环境下，多普勒频移和多径时延都较小，资源块则还有进一步放大的余地。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种动态的资源块分配方案，它根据无线信道的质量，选择大小合适的资源块，以提高系统的容量或降低比特差错概率。
技术方案：本发明中设定了三种尺寸的资源块，系统通过良好的信道估计监视当前信道的质量，并据此选择一种模式工作，在各模式间设置切换的触发阈值，达到阈值即执行切换；系统以总功率最小为优化目标建立非线性数学模型，应用贪婪算法和注水法为各用户分配载波和功率，并通过建立用户优先权消解各用户间的冲突，使得系统总的发射功率最小，又兼顾了各用户之间的公平性。
该方法包括：
a．当信道多径时延扩展                                                
Figure 407164DEST_PATH_IMAGE002
小于37纳秒时，资源块频域取为24个子载波，当
Figure 2011103807767100002DEST_PATH_IMAGE005
介于37纳秒到370纳秒时，资源块频域取12个子载波，当
Figure 615258DEST_PATH_IMAGE006
大于等于370纳秒时，频域取6个子载波；当多普勒频移小于70赫兹时，资源块时域取为14个符号，当介于70赫兹到150赫兹时，时域取7个符号，当
Figure 22951DEST_PATH_IMAGE008
大于150赫兹时，时域取4个符号；
b．将资源块作为资源分配的最小单位，资源块的增益为其内部所有符号内的载波的平均值，一个资源块内的所有载波等同处理，分配的比特和功率都是一样的；
c．根据每个用户的数据速率要求
Figure 2011103807767100002DEST_PATH_IMAGE013
和每个资源块上允许加载的最大比特数
Figure 2011103807767100002DEST_PATH_IMAGE015
为每个用户分配最少的资源块数目
Figure 2011103807767100002DEST_PATH_IMAGE017
，然后将剩余的资源块分给每个用户，对于任意用户
Figure 2011103807767100002DEST_PATH_IMAGE019
，随着获得的资源块增多，该用户所需的功率是下降的，下降的功率用代价函数
Figure 2011103807767100002DEST_PATH_IMAGE021
表示，选取功率下降最多的用户，即代价函数最小的用户，将他的资源块数增加1，直到分配完所有的资源块；
d．确定了所有用户应分配的资源块的数目后，先忽略彼此之间可能的冲突，用贪心法为每个用户分配其最好的资源块：
d1）.  m=1；
d2）. 判断用户
Figure 42379DEST_PATH_IMAGE022
已得的资源块数是否达到所确定的资源块数目，若达到，则该用户所需的子载波已分配完毕，转d4），否则，转d3）；
d3）. 查找用户的所有资源块中平均信道增益最大的一个，将该资源块分配给用户
Figure 626517DEST_PATH_IMAGE019
，转d2）；
d4）. 用户
Figure 764106DEST_PATH_IMAGE022
已经分配完毕，判断
Figure 771245DEST_PATH_IMAGE024
是否成立，若成立，则进行下一个用户的分配，，转d2）；否则，说明所有用户已分配完毕，结束循环；
e．前面的分配可能会发生一个资源块被分配给多个用户的情况，这是不允许的，称这种情况为冲突，对所有的块进行遍历，针对有冲突的块，首先为在其上冲突的用户建立优先权，它定义为该用户的平均信道增益的比值与该用户已分得的资源块的信道平均增益，把冲突块
Figure 56275DEST_PATH_IMAGE028
分配给优先权最大的用户，消除其他冲突用户在资源块
Figure 666773DEST_PATH_IMAGE028
上的分配；完成一次遍历后，因为后面的调节可能造成前面的资源块再次冲突，所以需要重复遍历，直到所有的快上都不存在冲突；
f．在所有用户的所有资源块都分配好以后，根据信道状况为每个用户分配比特，在一个资源块内所有的子载波平均分配功率和比特。
有益效果：本发明提供了一种LTE-A系统中动态资源块分配的方法，该方法充分利用了无线信道的时变特性，及时调整系统的资源块大小，可以更好的适应环境，在为每个用户分配资源块时，为每个用户建立不同的优先权，既保证了各用户的公平性，又可以为其提供差异化服务。
 
附图说明
图1是系统的整体架构；
图2是LTE-A系统下资源网格的结构示意图。
具体实施方式
本发明所考虑的OFDM系统结构如图1，假设有M个用户，N个子载波，按照当前LTE-A的标准，资源块RB大小为时域
Figure 263976DEST_PATH_IMAGE030
，频域
Figure 502059DEST_PATH_IMAGE032
，子载波间隔为15kHz。由于所有的子载波之间是正交的，每个子载波只允许被一个用户使用，所以各用户之间不会有干扰。
初始阶段，基站首先完成信道估计，估算当前的信道质量，主要是测算多普勒频移
Figure 554853DEST_PATH_IMAGE034
和多经时延扩展
Figure 903795DEST_PATH_IMAGE036
两个参数，选择对应的RB尺寸；然后进行载波、比特、功率分配，并通过信令告知各用户。
进入正常通信阶段后，基站实时监测各个用户的信道变化情况，如果发现
Figure 89926DEST_PATH_IMAGE034
或
Figure 498911DEST_PATH_IMAGE036
触发了RB尺寸的阈值，则相应的做出调整。根据无线通信的相关知识，多普勒频移主要反映了信道的频率色散特性，所以RB的时域大小应据此调整；而多经时延扩展主要反映了信道的时间色散特性，所以RB的频域大小应据此调整，参数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
     
Figure DEST_PATH_IMAGE041
其中表示每个资源块包含的子载波个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
表示每个资源块包含的符号数。这里的OFDM的资源调度是在频域和时域同时进行的，对于一个资源网格，包含
Figure DEST_PATH_IMAGE047
个资源块，子载波总数
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，而一个符号上的一个子载波就是一个资源元素（resource element），它可以由索引
Figure DEST_PATH_IMAGE051
唯一标识，，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
。具体资源网格结构图见图2.
在频率选择性信道中，每个资源块的时域和频域都有很大的相关性，本发明用一个资源块的所有载波增益的平均值表征该资源块的增益。资源分配算法选用具有公平性的次优算法，分为三个部分：第一步，计算每个用户的平均信道增益，根据每一个用户的速率要求，确定每个用户应分配的资源块的数目；第二步，计算每个用户的优先级，进行资源块分配；第三步，运用注水法为每个用户分配功率和比特，在每个资源块内部的载波衰落差异较小，故在它们之间使用平均功率分配。
本发明是在LTE-A系统下，一种基于动态资源块的资源分配方法。在LTE-A系统中，记用户
Figure 517866DEST_PATH_IMAGE019
的第
Figure DEST_PATH_IMAGE057
符号的第
Figure DEST_PATH_IMAGE059
子载波的增益为
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，令
Figure DEST_PATH_IMAGE063
表示实现可靠接收
Figure DEST_PATH_IMAGE065
比特所需的最小功率，则发射端的发射功率为
Figure DEST_PATH_IMAGE067
                                                  (1)
若采用MQAM调制技术，则
Figure DEST_PATH_IMAGE069
可以写为
Figure DEST_PATH_IMAGE071
                                  (2)
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为加性高斯白噪声的单边功率谱密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE075
为该用户可以容忍的最大比特差错概率。如此，把一个资源网格（Resource Grid, RG）中所有用户在所有载波上的发射功率求和，便得到发射总功率：
Figure DEST_PATH_IMAGE077
       (3)
设这M个用户的数据速率为
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，单位是bits/block，则为了保证各个用户的相对公平，数据速率应满足下式
Figure DEST_PATH_IMAGE081
                                 (4)
进一步可以得到系统的优化目标如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE083
                              (5)
s.t.
Figure DEST_PATH_IMAGE085
  (6)
由目标（5）和约束（6）所确定的优化问题已被证明是NP-hard问题，若通过拉格朗日增广函数求最优解，则其复杂程度很大。本发明运用一种次优的算法，既有较高的载波效率又可以保证用户之间的相对公平性。具体实施步骤如下：
1）信道估计与参数预置
首先要求系统可以进行良好的信道估计，移动台开机与基站取得联系后，基站（或移动台）即开始估计当前无线信道的质量，主要测量两个参数：多普勒频移
Figure 322618DEST_PATH_IMAGE086
和多经时延扩展
Figure DEST_PATH_IMAGE087
，根据这两个值的大小，设置初始的资源块大小。
资源块（Resource Block，RB）是一个时域上包含若干连续的符号，频域上包含若干连续的载波的物理块，符号数记为
Figure 823875DEST_PATH_IMAGE088
，子载波数记为
Figure DEST_PATH_IMAGE089
。物理资源块是分配的最小单位，即一个资源块RB不允许多个用户共享。它的大小的确定对于系统的性能有至关重要的影响，根据，
Figure 802992DEST_PATH_IMAGE036
确定资源块尺寸的关系如下式：
Figure 294541DEST_PATH_IMAGE090
     
Figure DEST_PATH_IMAGE091
  (7)
2）资源块的抽象处理
由于资源块是分配的最小单位，故将其作为一个点处理。设
Figure DEST_PATH_IMAGE093
表示用户
Figure 281214DEST_PATH_IMAGE019
在第
Figure 855284DEST_PATH_IMAGE028
个资源块的第
Figure 414965DEST_PATH_IMAGE057
符号的第
Figure 430195DEST_PATH_IMAGE059
号子载波上的信道增益，用该RB内的所有子载波的增益的平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE095
代替该资源块：
Figure DEST_PATH_IMAGE097
                   (8)
更进一步，对
Figure DEST_PATH_IMAGE099
求平均即得用户的平均信道增益
Figure DEST_PATH_IMAGE101
，它可以粗略的反映每个用户的信道质量。
假设每个资源块上最多可以分配
Figure 575099DEST_PATH_IMAGE015
个比特，则要满足用户
Figure 813838DEST_PATH_IMAGE019
速率为
Figure 949153DEST_PATH_IMAGE013
的传输要求，至少需要分配
Figure DEST_PATH_IMAGE103
个资源块，以满足他们的最低速率要求，如果有剩余的块再根据用户的平均信道增益择优分配。
考察功率函数
Figure DEST_PATH_IMAGE105
的凸凹性，易知在上是凸函数，则其随着比特的增加，功率的增加将越来越快；若以最小功率为目标，则这将自然地限制信道好的用户分配过多的功率，信道差的用户分配不到功率的情况。
下面利用每个用户的平均信道增益
Figure DEST_PATH_IMAGE111
进一步调整各个用户分配的资源块数目。步骤如下：
Step1:初始化变量，令
Figure DEST_PATH_IMAGE113
，表示开始每个用户分配的资源块数都是零。
Step2:判断
Figure DEST_PATH_IMAGE115
是否成立；若成立，转step3，否则结束； 
Step3:尝试为用户
Figure 169306DEST_PATH_IMAGE022
增加一个载波，计算其功率代价函数
Figure DEST_PATH_IMAGE117
如(9)式：
Figure DEST_PATH_IMAGE119
           (9)
      计算所有用户的代价函数，转step4;
Step4:选择代价函数最小的用户
Figure DEST_PATH_IMAGE121
，该用户分配的资源块数加1，即
Figure DEST_PATH_IMAGE123
，转step2;
3）资源块分配
在2）中每个用户分配的资源块的数目
Figure 2011103807767100002DEST_PATH_IMAGE125
已经确定了，下面主要解决资源块的指派问题。首先为每个用户分配他们各自最好的
Figure 93136DEST_PATH_IMAGE126
个载波，此时先忽略彼此之间可能的冲突。
Step1：从用户1开始分配，初始化循环变量
Figure 867057DEST_PATH_IMAGE128
，转step2；
Step2：设置集合
Figure 856879DEST_PATH_IMAGE130
记录用户
Figure 123299DEST_PATH_IMAGE022
所分得的载波序号，转setp3；
Step3：判断用户
Figure 831361DEST_PATH_IMAGE022
已得的资源块数是否达到
Figure 143394DEST_PATH_IMAGE125
，即判断集合
Figure 253301DEST_PATH_IMAGE132
中的元素个数是否等于
Figure 687694DEST_PATH_IMAGE125
。若达到，则该用户所需的载波已分配完毕，转step5；否则，转step4；
Step4：查找用户
Figure 885981DEST_PATH_IMAGE022
的所有资源块中增益最大的一个，序号
Figure 1705DEST_PATH_IMAGE134
，将该块加入集合
Figure 28436DEST_PATH_IMAGE132
，
Figure 633729DEST_PATH_IMAGE136
。然后，需要把
Figure 979698DEST_PATH_IMAGE138
块的增益清零，
Figure 961430DEST_PATH_IMAGE140
，以避免其对后续分配的干扰，转step3；
Step5：用户
Figure 780350DEST_PATH_IMAGE022
已经分配完毕，判断
Figure 494228DEST_PATH_IMAGE024
是否成立。若成立，则进行下一个用户的分配，，转step2；否则，说明所有用户已分配完毕，结束循环。
以上分配所得的方案可能会有冲突，即不同的用户共用同一资源块，这是不允许的，所以必须把被争用的块调解给某一个用户。考虑到用户的公平性，首先为用户建立优先权
Figure 124634DEST_PATH_IMAGE142
。
定义优先权为用户
Figure 798061DEST_PATH_IMAGE022
该用户的总体平均值与已分配的资源块的增益平均值
Figure 10736DEST_PATH_IMAGE144
的比值，即：
                           (10)
其中
Figure 728867DEST_PATH_IMAGE148
表示集合
Figure 256800DEST_PATH_IMAGE132
的中元素的个数。
Figure DEST_PATH_IMAGE149
表征的是用户
Figure 765011DEST_PATH_IMAGE019
所分得的资源块与其本身的无线信道质量相比的好坏程度，因各个用户经历独立的衰落过程，所以只有相对的好坏才有比较意义。
Figure 646904DEST_PATH_IMAGE149
随着块的分配或调解，是一个变化的量。
下面借助优先权系数
Figure 446233DEST_PATH_IMAGE149
消解可能出现的冲突块，一次调解过程步骤如下：
Step1：初始化块序号
Figure DEST_PATH_IMAGE151
；转step2；
Step2：判断块是否在多于一个集合出现过；若没有，说明该块不存在冲突，转step5；否则，转step3消解冲突；
Step3：建立资源块
Figure 912646DEST_PATH_IMAGE028
的冲突用户集合
Figure DEST_PATH_IMAGE155
，并分别计算他们的优先权
Figure 75643DEST_PATH_IMAGE149
，
Figure DEST_PATH_IMAGE157
；选择最大的
Figure 868543DEST_PATH_IMAGE149
，令
Figure DEST_PATH_IMAGE159
，转step4；
Step4：用户
Figure DEST_PATH_IMAGE161
的优先权系数最大，表明当前他所分配的资源的公平性相对最低，所以把资源块
Figure 283398DEST_PATH_IMAGE028
分配给用户
Figure 139883DEST_PATH_IMAGE161
，调整其他用户。对于任意的且
Figure 903626DEST_PATH_IMAGE164
，将块从其集合
Figure 878109DEST_PATH_IMAGE132
中移除，
Figure 885248DEST_PATH_IMAGE166
，令避免其对后续调解的干扰；并且从该用户余下的块中选择增益最大的，即，将
Figure 929799DEST_PATH_IMAGE172
加入集合
Figure 466261DEST_PATH_IMAGE132
，转step5；
Step5：块序号加1，
Figure 1147DEST_PATH_IMAGE174
，转step2；
这样对所有的资源块遍历一次后，还不能完全解决，因为调解后面的块时可能会重新引起前面的冲突，所以需要重复执行上述调解过程，直到所有的资源块都不存在冲突。注意到，每一次调解后，至少被调解过的那些块是被清零的，冲突的情况总体上是在减少的，所以算法不会陷入无限循环之中。
4）注水算法加载比特
经过上面的分配处理，每个用户所分配的资源块已经确定，下面只需针对每个用户独立运用注水算法加载比特即可，由于本发明把资源块抽象为一个点，所以在每个资源块的内部平均分配比特。
根据前面的说明，在每个子载波上采用MQAM调制，而矩形MQAM调制因为实现简单受到了广泛的应用，它要求加载比特时以2个比特为步长。下面给出用户
Figure 973651DEST_PATH_IMAGE019
的比特加载算法步骤：
Step1：初始化变量，令
Figure DEST_PATH_IMAGE176
表示用户
Figure 151079DEST_PATH_IMAGE019
在块
Figure 500021DEST_PATH_IMAGE028
上分配的比特数，初始值为零，转step2；
Step2：判断用户
Figure 889414DEST_PATH_IMAGE022
在每个块上分配的数据
Figure DEST_PATH_IMAGE178
之和
Figure DEST_PATH_IMAGE180
是否成立。若成立，转step3；否则结束；
Step3：为所有的块
Figure DEST_PATH_IMAGE182
计算代价函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE184
，选出代价增加最小的资源块
Figure DEST_PATH_IMAGE186
，转step4；
Step4：将块
Figure 862180DEST_PATH_IMAGE138
分得的比特数加2，
Figure DEST_PATH_IMAGE188
，转step2；
对每个用户执行注水算法后，即可获得所有用户的比特分配方案，到此所有的资源分配都已完成。

Claims (1)

1.一种长时演进系统中基于资源块的动态资源分配方法，其特征在于该方法包括：
a．当信道多径时延扩展                                                
Figure 2011103807767100001DEST_PATH_IMAGE001
小于37纳秒时，资源块频域取
Figure 433276DEST_PATH_IMAGE002
为24个子载波，当
Figure 2011103807767100001DEST_PATH_IMAGE003
介于37纳秒到370纳秒时，资源块频域取12个子载波，当
Figure 382647DEST_PATH_IMAGE004
大于等于370纳秒时，频域取6个子载波；当多普勒频移
Figure 691793DEST_PATH_IMAGE005
小于70赫兹时，资源块时域取
Figure 271679DEST_PATH_IMAGE006
为14个符号，当
Figure 2011103807767100001DEST_PATH_IMAGE007
介于70赫兹到150赫兹时，时域取7个符号，当
Figure 358452DEST_PATH_IMAGE005
大于150赫兹时，时域取4个符号；
b．将资源块作为资源分配的最小单位，资源块的增益为其内部所有符号内的载波的平均值，一个资源块内的所有载波等同处理，分配的比特和功率都是一样的；
c．根据每个用户的数据速率要求
Figure 40408DEST_PATH_IMAGE008
和每个资源块上允许加载的最大比特数
Figure 2011103807767100001DEST_PATH_IMAGE009
为每个用户分配最少的资源块数目
Figure 325764DEST_PATH_IMAGE010
，然后将剩余的资源块分给每个用户，对于任意用户
Figure 76552DEST_PATH_IMAGE011
，随着获得的资源块增多，该用户所需的功率是下降的，下降的功率用代价函数
Figure 525987DEST_PATH_IMAGE012
表示，选取功率下降最多的用户，即代价函数最小的用户，将他的资源块数增加1，直到分配完所有的资源块；
d．确定了所有用户应分配的资源块的数目后，先忽略彼此之间可能的冲突，用贪心法为每个用户分配其最好的资源块：
d1）.  m=1；
d2）. 判断用户已得的资源块数是否达到所确定的资源块数目，若达到，则该用户所需的子载波已分配完毕，转d4），否则，转d3）；
d3）. 查找用户
Figure 976265DEST_PATH_IMAGE013
的所有资源块中平均信道增益最大的一个，将该资源块分配给用户
Figure 897953DEST_PATH_IMAGE011
，转d2）；
d4）. 用户
Figure 631423DEST_PATH_IMAGE013
已经分配完毕，判断
Figure 932479DEST_PATH_IMAGE014
是否成立，若成立，则进行下一个用户的分配，
Figure 67794DEST_PATH_IMAGE015
，转d2）；否则，说明所有用户已分配完毕，结束循环；
e．前面的分配可能会发生一个资源块被分配给多个用户的情况，这是不允许的，称这种情况为冲突，对所有的块进行遍历，针对有冲突的块
Figure 160384DEST_PATH_IMAGE016
，首先为在其上冲突的用户建立优先权，它定义为该用户的平均信道增益的比值与该用户已分得的资源块的信道平均增益，把冲突块分配给优先权最大的用户，消除其他冲突用户在资源块上的分配；完成一次遍历后，因为后面的调节可能造成前面的资源块再次冲突，所以需要重复遍历，直到所有的快上都不存在冲突；
f．在所有用户的所有资源块都分配好以后，根据信道状况为每个用户分配比特，在一个资源块内所有的子载波平均分配功率和比特。
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