CN102724670B - 一种用于sc-fdma系统中的动态资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法，包括：(1)参数初始化步骤；(2)子载波调度步骤；(3)功率分配步骤。本发明的方法在每次迭代过程中单个用户可行性子载波集合元素最多为2，然后从中选取信道质量最好的进行功率比较，能够很好的降低子载波调度复杂度；该方法优先保证频谱效率，当频谱效率达到系统要求后，能量效率则成为主要优化目标，使得传输单位数据比特所耗能量最小，以提高能源利用率，使得通信更为节能环保。

Description

一种用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法

技术领域

本发明属于无线与移动通信技术领域，具体涉及单载波频分复用系统中的动态资源分配方法。

背景技术

单载波频分复用（SC-FDMA，Single Carrier-Frequency Division Multiplexing Access）是宽带无线通信中一种低峰均比(PAPR，Peak to Average Power Ratio)多址接入技术，已被长期演进(LTE，Long Term Evolution)采纳为上行接入标准。SC-FDMA系统具有数据传输速率高和抗干扰能力强，峰均比低等优点受到了广泛重视。但是，在传统的SC-FDMA系统中，系统的性能却要受到最差子信道的限制。为了减少这种限制，以便更充分的利用系统资源(带宽和功率)，可以采用动态自适应技术。现有资源分配方法基本上只关注频谱效率的提高，而忽视能量效率。Ian C.Wong等人提出了一种基于子载波分割的穷搜索的频谱效率最优化的方法，该算法思想简单，列举出多用户所有可能的子载波分配结果，然后依次比较其频谱效率，从中选取最优的组合以达到性能最佳，但是该算法复杂度太高。

Greedy算法则是每次迭代搜索过程中只选取用户可能的分配子载波集合并依次比较容量增加最多的用户和对应子载波进行分配，然后进行分配直到所有子载波分配完毕，但是该算法并没有在每次迭代过程中更新各用户信噪比，并且每次都是以最大功率进行发射，没有考虑公平性以及能量效率问题。具体可参见I.C.Wong，O.Oteri，and W.McCoy，″Optimal resource allocation in uplink SC-FDMA systems，″Wireless Communications，IEEETransactions on，vol.8，pp.2161-2165，2009.

发明内容

本发明的目的是解决SC-FDMA系统中在现有的资源分配方法存在的上述问题，提出了一种用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法，包括：(1)参数初始化步骤；(2)子载波调度步骤；(3)功率分配步骤；其中，

所述参数初始化步骤具体包括初始化如下参数：

系统带宽B，子载波数目N，用户数目K，各用户要求的最小速率各用户在各子信道的信道增益h_k，n，其中，k=1，2，…，K;n=1，2，…，N，噪声功率σ²，目标误比特率P_k，e，各用户允许的最大传输功率P_k，max，各用户电路功率P_k，ckt，信噪比差额Γ，单个子载波带宽，各子信道信道增益噪声比γ_k，n；

所述子载波调度步骤对所有子载波进行分配，分配给不同的用户，具体包括如下分步骤：

(21).单个用户的功率在已分配的子载波上采用等功率发射且分配的子载波集中式映射，把每个用户已分配的子载波集合N_k设为空集各用户可行性子载波集合未分配子载波集合为全集S={1，2，…，N}，各用户已分配的子载波数目m_k=0，未分配子载波用户集合为K_E，临时用户集合为D={1，2，…，K}；

(22).选取每个用户最差的子信道，计算出各用户传输速率为时所需的最小功率，并将该功率作为参考功率；

(23).计算出所有用户在可行性子载波集合中信道质量最好的子载波序号，记为n_k，并计算当传输速率为时所需的总功率

(24).计算所有用户的功率减少量选取功率减少量最大的用户序号的用户，将步骤(23)中对应的子载波分给用户更新该用户已分配子载波集合、各用户已分配的子载波数目、可行性子载波集合、未分配子载波集合、未分配子载波的用户集合；

当剩余子载波数目等于未分配子载波用户数目时，D=K_E；

(25).重复步骤（23）至（24），直至所有子载波都分配完毕；

所述功率分配步骤根据已分配的子载波集合，进行各用户功率分配，具体包括如下步骤：

(31).计算各个用户在已分配子载波集合发送最低速率时所需的最小功率P_k，min；

(32).计算出各个用户在已分配子载波集合上无功率限制要求及无速率约束条件下的功率

(33).计算出各个用户满足频谱效率要求下的最优能效时的功率P_k,opt(N_k)： $P_{k,\mathrm{opt}}\left(N_k\right)=\min (\max (P_k^{*},P_{k,\min }),P_{k,\max }).$

进一步的，所述参数初始化步骤还包括初始化功率放大器效率倒数α及各个用户电路功率的静态功率P_k，s，k=1，2，…，K。

上述的具体计算过程如下：

求解单个用户能效表达式，并对功率进行求导，令导数为零

$u_{k,\mathrm{EE}}=\frac{R_{k,\mathrm{un}}}{\mathrm{\α}{P}_{k,\mathrm{un}}+P_{k,\mathrm{ckt}}}$

其中，P_k，un、P_k，un分别表示用户k无最小速率要求及功率限制时所能达到的速率、功率；然后对能效进行求导：

$\frac{\∂u_k}{\∂P_k}=0$

即可求解出该用户在已分配子载波集合上无功率限制且无速率约束的最优功率：

$P_k^{*}=\left\{\exp \right[W_0(\frac{P_{k,s}}{\mathrm{\αe\Γ}\underset{n\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}}}-e^{-1})+1]-1\}\mathrm{\Γ}\underset{n\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}};$

其中，W₀(·)为Lambert函数，e为自然常数，即自然对数的底，P_k，s为用户电路功率P_k，ckt中的静态功率。

本发明的有益效果：本发明通过分析频谱效率与能量效率的关系以及子载波分配的约束条件，提出了一种用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法。本发明的方法在每次迭代过程中单个用户可行性子载波集合元素最多为2，然后从中选取信道质量最好的进行功率比较，能够很好的降低子载波调度复杂度；该方法优先保证频谱效率，当频谱效率达到系统要求后，能量效率则成为主要优化目标，使得传输单位数据比特所耗能量最小，以提高能源利用率，使得通信更为节能环保，有效降低了终端设备能耗，延长终端设备续航时间。

附图说明

图1是本发明的用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法的流程示意图。

图2是本发明的用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法的子载波调度步骤的流程示意图。

图3是本发明的用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法的功率分配步骤的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，给出本发明的具体实施例。在阐述具体实施方式之前，首先介绍其中所用的数学模型：

本发明方法所使用的数学模型为：以最大化各用户能效(EE)和问题作为系统优化目标，基站和终端设备均配置为单天线，假设基站可以准确的得到各个子信道的信道状态信息(CSI)，信道是频率选择性衰落信道。

最优化问题的数学模型可描述为：

$\underset{N_k\∈N,P_k}{\max }U=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R_k}{\mathrm{\α}{P}_k+P_{k,\mathrm{ckt}}}$

s.t.

$N_k^{l+1}-N_k^l=1,\∀l\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·,|N_k|-1\}$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\∪}}{N}_k=\{\mathrm{1,2},\·\·\·,N\}$

$P_k\≤P_{k,\max },\∀k\∈K$

各参数物理意义同步骤（1），电路功率包括固定功率和动态功率两部分，动态功率与传输速率成正比，P_k，ckt=P_k，s+ξR_k，(ξ≥0)，其中第一个约束条件表示任意一个子载波只能分配给一个用户，第二个约束条件表示分配给任意用户的子载波集合必须是连续的，第三个约束条件表示所有子载波都必须分给用户，第四个约束条件表示各用户须满足最低传输速率要求，最后一个约束条件表示各用户总传输功率受限。

采用迫零检测时，信号经过迫零均衡后等效信噪比为：

${\mathrm{\γ}}_k\left(N_k\right)=\frac{P_k}{\underset{n\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}}}$

其中，P_k为用户传输总功率，γ_k，n＝|h_k，n|²/σ²为用户k在子信道n上的信道增益噪声比(CNR)，假设各子信道的噪声功率均相等。此时，用户k在子载波集合N_k上的传输速率为：

$R_k=\left|N_k\right|W{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\γ}}_k\left(N_k\right)}{\mathrm{\Γ}})$

其中，信噪比差额Γ是由调制方式和误比特率所决定，假设各子载波都使用M-QAM调制，不考虑信道编码，Γ与误比特率P_k，e之间关系为：

本发明的用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法，流程示意图如图1所示，包括：(1)参数初始化步骤；(2)子载波调度步骤；(3)功率分配步骤；其中，

这里的步骤(1)参数初始化步骤具体包括初始化如下参数：

系统带宽B，子载波数目N，用户数目K，各用户要求的最小速率各用户在各子信道的信道增益h_k，n，其中，k=1，2，…，K;n=1，2，…，N，噪声功率σ²，目标误比特率P_k，e，各用户允许的最大传输功率P_k，max，各用户电路功率P_k，ckt，信噪比差额Γ，单个子载波带宽W，各子信道信道增益噪声比γ_k，n。

这里，可以根据误比特率计算出实际调制方式下的信噪比差额Γ；可以根据系统带宽和子载波数目计算出等分后的单个子载波带宽W=B/N；可以根据信道增益及噪声功率计算出各子信道信道增益噪声比g_k，n＝γ_k，n/Γ，γ_k，n＝|h_k，n|²/σ²。

这里的步骤(2)子载波调度步骤对所有子载波进行分配，分配给不同的用户，具体包括如下分步骤：

(21).单个用户的功率在已分配的子载波上采用等功率发射且分配的子载波集中式映射，把每个用户已分配的子载波集合N_k设为空集各用户可行性子载波集合未分配子载波集合为全集S={1，2，…，N}，各用户已分配的子载波数目m_k=0，未分配子载波用户集合为K_E，临时用户集合为D={1，2，…，K}；

(22).选取每个用户最差的子信道，计算出各用户传输速率为时所需的最小功率，并将该功率作为参考功率；

(23).计算出临时用户集合D中所有用户在可行性子载波集合中信道质量最好的子载波序号，记为 并计算当传输速率为时所需的总功率

(24).计算临时用户集合D中所有用户的功率减少量选取功率减少量最大的用户序号的用户，将步骤(23)中对应的子载波分给用户更新该用户已分配子载波集合、各用户已分配的子载波数目、可行性子载波集合、未分配子载波集合、未分配子载波的用户集合；

这里，未分配子载波集合 这里，“\”运算表示从集合中去除某个元素，比如表示从K_E中去除掉元素

当剩余子载波数目等于未分配子载波用户数目时，即|S|=|K_E|，D=K_E。这样做的目的是基于如下考虑：

在分配过程中，有可能会导致某些用户从始自终都没分配到任何子载波，即带宽，那么这些没有分配到子载波的用户因为得不到资源有可能会被迫中断服务，为了解决这个问题，就在分配过程中剩下的子载波数目等于这些没有分配到任何子载波用户数目时，剩下的子载波将在这些用户中进行分配。

(25).重复步骤（23）至（24），直至所有子载波都分配完毕，即时。

这里的步骤(3)功率分配步骤根据已分配的子载波集合，进行各用户功率分配，具体包括如下步骤：

(31).计算各个用户在已分配子载波集合发送最低速率时所需的最小功率P_k，min；

这里，P_k，min的计算可通过如下过程进行：

(32).计算出各个用户在已分配子载波集合上无功率限制要求及无速率约束条件下的功率

(33).计算出各个用户满足频谱效率要求下的最优能效时的功率P_k，opt(N_k)： $P_{k,\mathrm{opt}}\left(N_k\right)=\min (\max (P_k^{*},P_{k,\min }),P_{k,\max }).$

其中，P_k，min，P_k，max分别表示用户k(1≤k≤K)最小速率传输所需最低功率，无最小速率约束及功率限制时最优总功率，以及用户所允许最大发射总功率。

在此，所述参数初始化步骤还包括初始化功率放大器效率倒数α及各个用户电路功率的静态功率P_k，s(k=1，2，…，K)。其中功率放大器为通信系统中常用器件，其效率定义为输出功率与输入功率的比值。

下面给出一种计算的过程：

求解单个用户能效表达式，并对功率进行求导，令导数为零：

$u_{k,\mathrm{EE}}=\frac{R_{k,\mathrm{un}}}{\mathrm{\α}{P}_{k,\mathrm{un}}+P_{k,\mathrm{ckt}}}$

其中R_k，un，P_k，un，P_k，ckt分别表示用户k(1≤k≤K)无最小速率要求及功率限制时所能达到的速率，功率，以及对应的电路功率，且电路功率包含静态电路功率和动态功率两部分，即P_k，ckt=P_k，s+ξR_k，(ξ≥0)，ξ表示单位比特所消耗的功率。然后对能效进行求导：

$\frac{\∂u_k}{\∂P_k}=0$

即可求解出该用户在已分配子载波集合上无功率限制且无速率约束的最优功率：

$P_k^{*}=\left\{\exp \right[W_0(\frac{P_{k,s}}{\mathrm{\αe\Γ}\underset{n\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}}}-e^{-1})+1]-1\}\mathrm{\Γ}\underset{n\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}};$

其中，W₀(·)为Lambert函数，e为自然常数，即自然对数的底P_k，s为用户电路功率P_k，c中的静态功率。这里的W₀(·)实数分支的定义域为[-e^-1，+∞)且单调递增，其值域为[-1，+∞)，且为正实数，因此总存在且唯一。

本发明的方法不需要迭代搜索求解最优功率，可大幅度降低计算复杂度，能够很好的应用于实际系统，并且能够使得系统在满足一定频谱效率要求下，最大化能源利用率，达到节能环保通信的目的，减少终端能耗，延长设备工作时间。

采用本发明所述的SC-FDMA能量效率与频谱效率折中的动态资源分配方法，与二进制穷搜索及Greedy方法相比，有效降低了计算复杂度。

本发明的方法具有以下优点：

1)为了保持SC-FDMA低峰均比特性，系统要求各用户分配的子载波必须连续即集中式子载波映射，而在每次迭代过程中单个用户可行性子载波集合元素最多为2，然后从中选取信道质量最好的进行功率比较，能够很好的降低子载波调度复杂度。

2)子载波调度步骤中可以保证每个用户至少能够分配到一个子载波，从而可以保证一定的公平性，避免用户业务传输中断。

3)当用户数目较多时，采用本方法同样可以达到较好的吞吐量，利用用户分集及相干带宽内信道质量基本一致，可以提高系统频谱效率。

4)由于每个用户在已分配的子载波上采用等功率分配，进一步降低了计算复杂度，而本发明的方法能够很好的直接求解最优功率，并得到最优功率闭式解，与现有能效优化算法相比，无需迭代逐步搜索，不仅降低实现复杂度还能准确得到最优解。

5)该方法优先保证频谱效率，当频谱效率达到系统要求后，能量效率则成为主要优化目标，使得传输单位数据比特所耗能量最小，以提高能源利用率，使得通信更为节能环保，有效降低了终端设备能耗，延长终端设备续航时间。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于SC-FDMA系统中的动态资源分配方法，包括：(1)参数初始化步骤；(2)子载波调度步骤；(3)功率分配步骤；其中，

所述参数初始化步骤具体包括初始化如下参数：

系统带宽B，子载波数目N，用户数目K，各用户要求的最小速率各用户在各子信道的信道增益h_k,n，其中，k＝1,2,...,K；n＝1,2,...,N，噪声功率σ²，目标误比特率P_k,e，各用户允许的最大传输功率P_k,max，各用户电路功率P_k,ckt，信噪比差额Γ，单个子载波带宽，各子信道信道增益噪声比γ_k,n，功率放大器效率倒数α及各个用户电路功率的静态功率P_k,s，k＝1,2,...,K；

所述子载波调度步骤对所有子载波进行分配，分配给不同的用户，具体包括如下分步骤：

(21).单个用户的功率在已分配的子载波上采用等功率发射且分配的子载波集中式映射，把每个用户已分配的子载波集合N_k设为空集各用户可行性子载波集合未分配子载波集合为全集S＝{1,2,...,N}，各用户已分配的子载波数目m_k＝0，未分配子载波用户集合为K_E,临时用户集合为D＝{1,2,...,K}；

(22).选取每个用户最差的子信道，计算出各用户传输速率为时所需的最小功率，并将该功率作为参考功率；

(23).计算出所有用户在可行性子载波集合中信道质量最好的子载波序号，记为n_k，并计算当传输速率为时所需的总功率

(24).计算所有用户的功率减少量P_k为用户传输总功率，选取功率减少量最大的用户序号的用户，将步骤(23)中对应的子载波分给用户更新该用户已分配子载波集合、各用户已分配的子载波数目、可行性子载波集合、未分配子载波集合、未分配子载波的用户集合；

当剩余子载波数目等于未分配子载波用户数目时，D＝K_E；

(25).重复步骤(23)至(24)，直至所有子载波都分配完毕；

所述功率分配步骤根据已分配的子载波集合，进行各用户功率分配，具体包括如下步骤：

(31).计算各个用户在已分配子载波集合发送最小速率时所需的最小功率P_k,min；

(32).计算出各个用户在已分配子载波集合上无功率限制要求及无速率约束条件下的功率

所述的的具体计算过程如下：

求解单个用户能效表达式，

其中，R_k,un，P_k,un，P_k,ckt分别表示用户k(1≤k≤K)无最小速率要求及功率限制时所能达到的速率，功率，以及对应的电路功率，且电路功率包含静态电路功率和动态功率两部分，即P_k,ckt＝P_k,s+ξR_k,(ξ≥0)，ξ表示单位比特所消耗的功率；

然后对能效进行求导，令导数为零，即可求解出该用户在已分配子载波集合上无功率限制且无速率约束的最优功率：

$P_k^{*}=\left\{\exp \right[W_0\left(\frac{P_{k,s}}{\mathrm{\αe\Γ}\underset{{n\∈N}_k}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}}}{-e}^{-1}\right)+1]-1\}\underset{{n\∈N}_k}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}};$

其中，W₀(·)为Lambert函数，e为自然常数，即自然对数的底，P_k,s为用户电路功率P_k,ckt中的静态功率；

(33).计算出各个用户满足频谱效率要求下的最优能效时的功率P_k,opt(N_k)： $P_{k,\mathrm{opt}}\left(N_k\right)=\min (\max (P_k^{*},P_{k,\min }),P_{k,\max }).$