CN102497260A - 单载波频分多址中继系统中的资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种单载波频分多址中继系统中的资源分配方法。包括基站根据用户和中继反馈的最新信道状态信息，并基于前期资源块分配过程执行后的传输数据速率均值，以正比公平为优化目标，首先为每个用户确定资源块的起始位置；考虑单载波频分多址的资源块相邻限制，把剩余资源块逐个分配给用户，在每次分配中，以最大化正比公平权重和为目标，进行用户和资源块的配对；最后更新用户的传输数据速率均值，为下一次分配提供依据。本发明引入正比公平原则，与传统算法相比，能提升用户间的公平性，并增大系统的数据吞吐量。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种单载波频分多址中继系统中的资源分配方法。
背景技术
在未来的移动通信系统中，高带宽、高速率的数据服务是必不可少的，这就要求无线通信技术能有效消除无线信道衰落对传输的不利影响，并达到更高的频谱效率，同时还要兼顾用户间的公平性。
单载波频分多址（single carrier frequency division multiple access，SC-FDMA）是除正交频分多址（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）之外的一种适合于宽带移动通信的多址接入技术。SC-FDMA 与OFDMA 具有相似的总体性能和计算复杂度，但由于SC-FDMA 采用单载波调制，其发送信号的功率峰均比较低，因此，SC-FDMA 更适合被用于上行链路。目前SC-FDMA 已被下一代移动通信系统3GPP-LTE 以及LTE-Advanced 标准采纳为上行多址接入方案。
另一方面，随着带宽需求的增大，数据率的提高，为对抗恶劣的无线传输环境，提高无线传输的频谱效率并改善链路的可靠性，先进的调制编码和多天线（multiple input multiple output, MIMO）技术得以广泛应用，然而，由于受移动终端的体积等其它因素限制，终端上较难配置多根天线。近年来的新型无线中继协作通信技术，通过让参与通信的各实体之间相互协作共享，形成“虚拟天线阵”，提升了传输性能。3GPP-LTE-Advanced标准也采纳协作中继技术提高小区覆盖范围、扩大系统容量和提供热点覆盖。中继协助的SC-FDMA 系统能在大范围衰落的环境中得到空间分集增益，降低无线信道衰落对传输可靠性的影响，并且增加可达的系统吞吐量。
在SC-FDMA中继系统中采用灵活的资源分配可以进一步改善系统性能。但不同于OFDMA 系统中一个用户可以任意地分得多个子信道，在SC-FDMA 系统中，用户只能被分配相邻的多个子信道(如图1 所示)，这使得SC-FDMA 系统的资源分配成为了一个较为复杂的组合优化问题。I. C. Wong等人提出的最优算法以最大化系统吞吐量为目标，将原始问题转化为集合划分问题，并借鉴其在运筹学中的研究成果，求出该资源分配的最优解（参见文献“I. C. Wong, O. Oteri, and W. McCoy. Optimal Resource Allocation in Uplink SC-FDMA Systems [J], IEEE Transactions on Wireless Communications. 2009, 8(5): 2161 - 2165.”，）该算法虽然保证了高的吞吐量，但计算复杂度很高，且系统的公平性很差。
为了保证用户之间的公平性，S.-B. Lee 等人提出将正比公平分组调度算法应用在SC-FDMA 系统中（参见文献“S.-B. Lee, I. Pefkianakis, A. Meyerson, S. Xu, S. Lu. Proportional Fair Frequency-Domain Packet Scheduling for 3GPP LTE Uplink [C], Proceedings of IEEE INFOCOM’ 09. Rio de Janeiro, Brazil: IEEE Press, 2009:2611-2615”。）他们提出的贪婪试探性算法以最大化系统的对数效用函数 
为目标，既保证了系统吞吐量，又考虑了用户间的公平性，但该算法易受到频域小范围变化的影响，无法达到理想的频谱利用率。针对上述算法的不足，他们又提出一种改进型的分组式贪婪算法，但在该算法中资源块分组的长度是固定的，缺乏灵活性，因此与最优算法的性能仍有一定差距。而且这些文献都没有考虑资源分配算法在中继协助的SC-FDMA 系统中的应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种SC-FDMA中继系统中的资源分配方法，以保证用户在正比公平性的条件下，灵活地自适应分配资源块，最终提升用户间的公平性，并提高系统的频谱效率。
本发明提供的SC-FDMA中继系统中的资源分配方法，具体步骤如下：
步骤1：基站接收用户和中继反馈的最新信道状态信息，并调用前期资源块分配过程执行后的传输数据速率均值。
所述的信道状态信息包括：用户到基站的直传信道状态信息以及用户以中继协助通信方式到基站的中继信道状态信息。
所述的直传信道状态信息为：用户到基站的信道增益
，其中：
表示用户序号，
表示用户集合，M为用户总数，
表示资源块序号，表示可用的资源块集合，K为资源块总数。
所述的中继信道状态信息包括：用户到中继的信道增益
以及中继到基站的信道增益
。
所述的前期资源块分配过程执行后的传输数据速率均值是指：由本次分配之前执行的资源块分配过程得到的每个用户的传输数据速率均值
。
步骤2：基站根据正比公平权重，为每个用户确定资源块的起始位置；
所述的正比公平权重为：
其中，
为用户m在资源块k上的即时传输数据速率，可表示为：
其中
表示用户在每个资源块上的发射功率，
表示中继在每个资源块上的发射功率，N为每个资源块上的噪声功率。
基站根据用户数将所有资源块分为
个大小相同的资源块分组
，组内的资源块都是相邻的。计算所有用户在各个资源块分组上的正比公平权重和
，并将它们从大到小排序形成集合
。
取出集合
中的第一个元素
，则资源块分组c对于用户m是最优的。将分组c中正比公平权重最大的资源块分配给用户m，即确定用户m的资源块起始位置。分配完成后，将集合
中所有与资源块分组c和用户m相关的元素去除。
在下一次迭代时取出新的集合
中的第一个元素，并确定另一名用户的资源块起始位置。经过M次迭代，可以找到每个用户最优的资源块分组，并确定所有用户的资源块起始位置。
步骤3：考虑SC-FDMA的资源块相邻限制，把剩余资源块逐个分配给用户，在每次分配中，以最大化正比公平权重和为目标，进行用户和资源块的配对。
由于在SC-FDMA系统中，每个用户只能被分配相邻的多个资源块，因此当一个用户已被分配一个或多个资源块时，只有与已分配资源块相邻的资源块可以被分配给该用户。
在每次分配中，对于所有用户和每个用户可以被分配的所有资源块，计算当某一资源块被分配给某个用户后系统总的权重和，即
其中
，
表示资源块k已被分配给用户m。
在所有可能的分配中，具有最大权重和的用户和资源块配对
赢得这一次的分配。
当资源块分配完毕，即所有资源块已全部分配给用户时，进入步骤4，否则继续分配资源块。
步骤4：更新用户的传输数据速率均值，为下一次分配提供依据。
当本次资源块分配完毕后，应根据用户的即时传输速率更新传输数据速率均值，即：
其中T表示已完成分配次数。
本发明实现了SC-FDMA中继系统的资源分配。首先确定每个用户的资源块起始位置，以保证用户间的公平性，并尽量提高系统吞吐量。在接下来的资源块分配中，考虑资源块相邻限制，并以最大化正比公平权重和为目标，进行用户和资源块的配对。资源块分配结束后，还需要根据本次分配结果，更新用户的平均传输数据速率，作为下一次分配的依据。
本发明的优点在于：在未来的移动通信系统中，系统吞吐量和用户间的公平性缺一不可，而正比公平原则的引入能很好地达到两者之间的平衡。引入中继后，网络拓扑结构发生改变，资源分配问题也变得更加复杂。本发明提出了一种方法，通过确定用户的资源块起始位置，确定了每个用户最优的分配区域，保证每个用户都能被分配一定的资源，且不易受到频域小范围变化的影响。该算法具有较低的计算复杂度，在保证系统满足正比公平原则的前提下，明显增加了频谱利用率。
附图说明
图1所示为SC-FDMA的子信道相邻限制示意图。
图2所示为采用SC-FDMA技术的单扇区上行中继网络模型示意图。
图3所示为本发明的分配流程示意图。
图4所示为中继协助的SC-FDMA系统频谱利用率示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，本实例采用的是一个多用户SC-FDMA系统的单扇区上行中继网络。系统带宽为10MHz，共分为48个资源块，每个资源块由12个相邻的子载波构成。在网络中的每个基站配备两个接收天线，并对接收信号执行最大比合并。基站站间距离为500m，中继站架设在距离基站250m处。用户发射功率上限
=200mW，加性高斯白噪声的功率为-160dBm/Hz。
信道建模为有L=4条路径的频率选择性衰落信道，路径损耗模型为
其中
是用户和基站，用户和中继或者中继和基站间的距离，单位为千米（km）。
是阴影参数，它是一个正态分布的随机变量，均值为0dB，对于用户和基站，用户和中继以及中继和基站间的链路，其标准差分别为
=8.0dB，
=10.0dB和
=6.0dB。
本实例具体通过以下步骤实现：
步骤1：多用户SC-FDMA系统的单扇区上行中继网络如图2所示。用户可以通过点对点直接通信的方式给基站发射信号，同时也可以通过中继协助的方式将信号转发给基站。在第一个时隙，用户m发射信息
（m=0,1,….,M-1），它们被中继站和基站同时接收。在第二个时隙
，中继将接收到的信号转发给基站。基站和中继接收到的信号表达式为：
式中
表示基站从直接路径接收到的信号，
表示中继从用户端接收到的信号，表示基站从中继接收的信号；
，
和
分别是用户m和基站间，用户m和中继间以及中继和基站间第l条路径的复路径增益；
，
，
均为加性高斯白噪声；表示用户在每个资源块上的发射功率，值为
；
表示中继在每个资源块上的发射功率。
对应于
和
，频域接收信号
、
和
可以表示为：
式中
、
和
是分别是用户和基站、用户和中继以及中继和基站之间第k个子信道的信道增益；、
和
分别是用户和基站、用户和中继以及中继和基站之间第k个子信道的噪声分量。
是零平均噪声，方差为：
式中N是
、
和的噪声功率。
则用户m在第k个资源块上的发射速率为：
基站根据用户和中继反馈的信息，利用上式可以计算出
，而后可调用基站存储的用户长期传输数据速率均值
，利用
计算出用户m在资源块k上的正比公平权重。
步骤2：基站根据用户数M=10将所有资源块分为12个由4个相邻的资源块组成的分组
。计算所有用户在各个资源块分组上的正比公平权重和
，并将它们从大到小排序形成集合
。
取出集合
中的第一个元素
，它表示了当前具有最大权重和的用户和资源块分组配对(m, c)。对于用户m，从分组c中找到正比公平权重最大的资源块，完成用户m的资源块初次分配，即确定资源块的起始位置。确定用户m的资源块起始位置后，将集合
中所有与资源块分组c和用户m相关的元素去除。
在下一次迭代时取出新的集合中的第一个元素，并确定另一名用户的资源块起始位置。经过10次迭代，可以找到每个用户最优的资源块分组，并确定所有用户的资源块起始位置。
如此分配后，48个资源块仅分配了10个资源块，但却确定了每个用户最优的分配区域，同时保证了系统容量和用户间的公正性。在后续步骤将分配剩余的38个子载波。
步骤3：在SC-FDMA系统中，每个用户只能被分配相邻的多个资源块。而经过上一步，每个用户都已被分配了一个资源块，所以只有在已分配资源块左边和右边的资源块可以被分配给该用户。
在每次分配中，对于所有的10个用户和他们可以被分配的所有资源块，计算当某一资源块被分配给某个用户后系统总的权重和，即：
其中
，
表示资源块k已被分配给用户m。
在所有可能的分配中，寻找具有最大权重和的用户和资源块配对
，为用户m分配资源块k。
计算资源块已经被分配的个数，如果资源块分配数达到48，则表明资源块已全部分配给用户，进入步骤4；否则返回步骤3，继续分配子载波。
步骤4：本次资源块分配完毕后，可得到用户的即时传输速率，此时平均传输数据速率更新为：
其中T表示已完成分配次数。
将作为下一次分配的依据。
上述步骤完成了SC-FDMA中继系统的资源分配，具体流程如图3所示。
为了说明本实施例的优越性，这里比较了四种方案：本实施例的算法，贪婪试探性算法，分组式贪婪算法，最优算法。
图4给出了用户数分别为5,10,15,20时系统的频谱利用率。为了更直观地比较各个方案的正比公平性，表1给出了四种方案分配后系统的对数效用函数
。
表1 四种方案的系统对数效用函数
| 用户数 | 贪婪试探性算法 | 分组式贪婪算法 | 本实施例的算法 | 最优算法 |
| 5 | 31.374528 | 31.372544 | 31.557934 | 31.601073 |
| 10 | 61.633199 | 62.123696 | 62.335131 | 62.417945 |
| 15 | 91.308106 | 92.278584 | 92.302092 | 92.399191 |
| 20 | 120.729589 | 121.725837 | 121.824118 | 121.948996 |
由图4和表1可以看出，采取本实施例的算法能明显增加系统吞吐量，同时很好地保证了系统的公平性。
本实施例解决了中继协助的SC-FDMA系统的资源分配问题，并引入了正比公平原则，既提高了系统吞吐量，又保证了用户间的公平性。通过用户的资源块初次分配，确定了每个用户最优的分配区域，既克服了传统的贪婪试探性算法易被频域小范围变化欺骗的缺点，降低了后续分配的复杂度，又比分组式贪婪算法更加灵活，并具有更高的频谱利用率。其性能已逼近最优算法，却具有低得多的计算复杂度。
Claims (4)
1.一种单载波频分多址中继系统中的资源分配方法，其特征在于具体步骤为：
步骤1：基站接收用户和中继反馈的最新信道状态信息，并调用前期资源块分配过程执行后的传输数据速率均值；
步骤2：基站根据正比公平权重，为每个用户确定资源块的起始位置；
步骤3：考虑单载波频分多址的资源块相邻限制，把剩余资源块逐个分配给用户，在每次分配中，以最大化正比公平权重和为目标，进行用户和资源块的配对；
步骤4：更新用户的传输数据速率均值，为下一次分配提供依据；
步骤1中所述的信道状态信息包括：用户到基站的直传信道状态信息以及用户以中继协助通信方式到基站的中继信道状态信息；所述的直传信道状态信息为：用户到基站的信道增益 
，其中：
表示用户序号，
表示用户集合，M为用户总数，
表示资源块序号，
表示可用的资源块集合，K为资源块总数；所述的中继信道状态信息包括：用户到中继的信道增益
以及中继到基站的信道增益
；
步骤1中所述的前期资源块分配过程执行后的传输数据速率均值是指：由本次分配之前执行的资源块分配过程得到的每个用户的传输数据速率均值
；
步骤2中所述的正比公平权重为：
其中，
为用户m在资源块k上的即时传输数据速率，表示为：
其中
表示用户在每个资源块上的发射功率，
表示中继在每个资源块上的发射功率，N为每个资源块上的噪声功率；
步骤2中，基站为每个用户确定资源块的起始位置的步骤为：基站根据用户数将所有资源块分为C个大小相同的资源块分组
，组内的资源块都是相邻的；M≤C≤K；计算所有用户在各个资源块分组上的正比公平权重和，并将它们从大到小排序形成集合
；根据集合
找到每个用户最优的资源块分组，再将分组中正比公平权重最大的资源块分配给用户，即确定该用户的资源块起始位置。
2.根据权利要求1所述的单载波频分多址中继系统中的资源分配方法，其特征在于步骤2根据集合
找到每个用户最优的资源块分组的步骤为：取出集合
中的第一个元素
，则资源块分组c对于用户m是最优的；确定了用户m的资源块起始位置后，将集合
中所有与资源块分组c和用户m相关的元素去除；在下一次迭代时取出新的集合中的第一个元素，并确定另一名用户的资源块起始位置；经过M次迭代，可以找到每个用户最优的资源块分组，并确定所有用户的资源块起始位置。
3.根据权利要求1所述的单载波频分多址中继系统中的资源分配方法，其特征在于步骤3中考虑单载波频分多址的资源块相邻限制，把剩余资源块逐个分配给用户，在每次分配中，以最大化正比公平权重和为目标，进行用户和资源块的配对的步骤为：在单载波频分多址系统中，每个用户只能被分配相邻的多个资源块，因此当一个用户已被分配一个或多个资源块时，只有与已分配资源块相邻的资源块可以被分配给该用户；在每次分配中，对于所有用户和每个用户可以被分配的所有资源块，计算当某一资源块被分配给某个用户后系统总的权重和，即：
其中
，
表示资源块k已被分配给用户m；
在所有可能的分配中，具有最大权重和的用户和资源块配对赢得这一次的分配；
当资源块分配完毕，即所有资源块已全部分配给用户时，进入步骤4，否则继续分配资源块。
4.根据权利要求1所述的单载波频分多址中继系统中的资源分配方法，其特征在于步骤4中所述更新用户的传输数据速率均值的步骤为：
当本次资源块分配完毕后，根据用户的即时传输速率更新传输数据速率均值，即：
其中T表示已完成分配次数。
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