CN103067328A - 一种ofdma 系统中基于效用的无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，为系统中的所有用户提供效用函数，该效用函数将信道状态信息（CSI），时延，业务QoS系数，数据队列状态信息（QSI）和用户已发数据包数量综合考虑；然后在基站总功率和分配给每条子载波上的功率受限的情况下，使用每个用户的效用函数之和作为资源分配的目标；最后，根据所设计的效用函数，为用户分配资源达到资源分配的目标。本发明通过在效用函数中综合考虑CSI，时延，业务QoS系数，QSI和用户已发数据包数量多方面因素的影响，与传统的资源分配方法相比，可以在系统吞吐量、时延性和用户公平性之间达到更好地均衡。

Description

一种OFDMA 系统中基于效用的无线资源分配方法

技术领域

本发明属于无线资源分配技术领域，涉及一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法。 

背景技术

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)是以OFDM技术为基础发展起来的，它的基本思想是将高速数据流分散到多个子载波上传输，这些子载波之间是相互正交的。从而大幅度地降低了子载波上的符号速率，使符号的持续时间加长，因此可以抵抗时延扩展，大大减小了符号间干扰。OFDM调制中，各个子载波之间是相对独立的，每条子载波可以有自己特定的调制方式和发射功率电平，OFDMA与常规的频分复用FDMA相似，但是FDMA需要有保护频带，而OFDMA不需要保护频带，避免了频带资源的浪费。 

在无线网络中，无线频谱资源稀缺，无线资源被越来越多的用户所共享，无线资源的分配和调度方法是无线网络研究的重要课题。随着对多媒体业务支持需求的日益增长，例如：国际协议电视，在线游戏和远程医疗等，所需的传输带宽也要随之增长。带宽的增长导致了系统性能的下降，这时因为频率选择性衰落会引起的符号间干扰。正交频分多址(OFDMA)物理层(PHY)和媒体接入控制(MAC)技术避免了频率选择性，另外，OFDMA分配一组可用的子载波集给每个用户而不需要在整个带宽范围传输，因此，可以节省传输功率。而且，当子载波增益随着时间变化的同时，OFDMA可以利用多用户特性更新它的子载波分配，得到多用户分集增益。多用户OFDMA系统的自适应资源分配，通过利用多用户分集，在不增加网络设施的情况下，也可以达到更高的频谱效率。 

在3GPP LTE的标准化进程中，OFDMA已经成为下行链路的主流多址 方案，同时OFDM技术也是上行链路的热门技术。WiMAX论坛的调制方案也选择OFDMA。OFDMA也成为IEEE802.16中的核心物理层技术，IEEE802.16d标准和802.16e标准分别提出了固定带宽无线接入和移动带宽无线接入标准。 

正是由于带宽和功率资源是有限的，基站需最大效率地分配它们。传统关于OFDMA资源分配的研究大多都只集中在物理层，然而基于分层的网络结构不利于资源的有效利用。在只考虑物理层优化时，通常分组被假设成无限长，而实际系统中，数据分组的到达是随机的，所以会导致资源的浪费，降低频谱资源利用率和用户的QoS等级。 

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，可以更好地结合物理层和MAC层特征，从而更加有效地分配资源。 

本发明是通过以下技术方案来实现： 

一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，包括以下步骤： 

1）在单小区多用户下行OFDMA系统中，M个用户被同一个基站服务，共有K种可选择的调制方式，系统被分成N条相互正交的子载波，所有用户的数据包到达过程服从泊松分布，每个时隙都有新的数据包到达，用户的数据队列长度L等于当前时隙新到达的数据包量与队列中剩余数据包量之和； 

用户在子载波上的效用函数为μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)，μ_nmk的值表示将子载波n∈{1,...,N}分配给任意用户m∈{1，...,M}并且采用调制方式k∈{1,...,K}所能得到的收益； 

μ_nmk不仅考虑可达速率r，时延τ和用户QoS系数α的影响，还将用户的数据队列长度L和已发数据包数量N_t的信息考虑在内；效用函数μ_nmk是r，τ和L的单调递增函数，是N_t的单调递减函数； 

2）资源分配在每条子载波上执行，在分配时找到子载波分配矩阵I_N×M×K使 OFDMA系统总效用最大化，该矩阵表示每条子载波分配给了哪个用户及其调制方式和每个用户分配到了哪些子载波； 

I_nmk是子载波分配指示矩阵I_N×M×K中的任意元素，表示子载波n是否已分配给调制方式为k的用户m，它的取值为0或1，I_nmk∈{0,1}； 

当I_nmk=1时，表示子载波n已分配给调制方式为k的用户m；当I_nmk=0时，则没有将子载波n分配给调制方式为k的用户m； 

采用拉格朗日数乘法进行优化，优化目标为

其中λ_n,n=1,...,N，λ_n子载波n所对应的非负的拉格朗日乘子，p_nmk为分配给子载波n的功率； 

约束条件包括

n=1,...,N，其中P_BS为基站总功率，P_sub为分配给每条子载波的最大限制功率。 

具体的，包括以下操作： 

初始化：所有子载波的分配在每个时隙的开始进行，每一条子载波在未分配前，不属于任何用户，初始化子载波分配矩阵I_N×M×K=0和所有拉格朗日乘子λ_n=0,n=1,...,N； 

子载波预分配：按步骤2）进行子载波预分配，子载波分配给在其上传输具有最大效用的用户及调制方式，根据调制方式和用户在该子载波上的信噪比，得到子载波所需要的功率，该功率不大于能分配给该子载波的最大限制功率； 

在满足子载波功率限制的条件下，如果一个用户在某条子载波上可选择的调制方式有两个以上，则该子载波选择使其效用值最大的调制方式； 

在所有的子载波都预分配完毕后，计算出子载波的功率之和，与基站总功率相比较，如果超出基站总功率则要进行子载波重新分配，否则则得到分 配结果； 

重新分配：当子载波的功率之和超过基站总功率时，首先在所有子载波中找出分配到功率最多的子载波n′，n′当前属于的用户m′，以及选择的调制方式k′，此时子载波分配矩阵中对应子载波n′的元素I_n′m’k'=1； 

对子载波n'重新分配用户和功率，重新寻找的新用户m″以及调制方式k″，当满足 $(m^{\′\′},k^{\′\′})=\underset{m,k}{\arg \min }({\mathrm{\μ}}_{n^{\′}{m}^{\′}{k}^{\′}}-{\mathrm{\μ}}_{n^{\′}{m}^{\′\′}{k}^{\′\′}}-{\mathrm{\λ}}_{n^{\′}}(p_{n^{\′}{m}^{\′}{k}^{\′}}-p_{n^{\′}{m}^{\′\′}{k}^{\′\′}}))$ 时，子载波n′找到新用户m″及新的调制方式k″；然后重新分配子载波n′的功率，更新子载波分配矩阵I_N×M×K中对应子载波n'的元素：I_n'm'k'=0,I_n'm″k″=1和相应的拉格朗日乘子： 

λ_n'=λ_n'+μ_n'm'k'-μ_n'm″k″-λ_n'(p_n'm'k'-p_n′m″k')； 

再计算出所有子载波上的功率之和，并与基站总功率进行比较，直到满足基站总功率限制为止。 

所述所有用户在任意一条子载波上都有其效用值μ_nmk，用户获得该子载波的优先性取决于其效用值，效用值越大，优先性越高。 

所述一个用户可分得多条子载波，每条子载波最多只能分配给一个用户。 

根据μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)函数的特征性质，遵循指数准则、比例准则，设计出不同形式的效用函数。 

所述的μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)为以下效用函数之一： 

$f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α},)=\frac{L_q}{L_a*N_t}*{\mathrm{\αre}}^{\mathrm{\τ}},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α},)=\frac{\mathrm{\αLr\τ}}{N_t},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})={\mathrm{\αr\τe}}^{\frac{L}{N_t}},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})=\frac{{\mathrm{\αLe}}^{b(r+\mathrm{\τ})}}{N_t},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})=\mathrm{r\αL}\left({b+e}^{\frac{\mathrm{\τ}}{N_t}}\right),$

其中L_q是用户数据队列长度，L_a是所有用户平均数据队列长度，b是大于0的常数，QoS系数α由用户的业务类型来决定。 

所述的α表述为

所述的调制方式有4种，分别为：BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： 

本发明公开的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，是一种适用于OFDMA系统上下行链路的跨层资源分配方案，采用的效用函数综合考虑了用户的数据队列长度L，已发数据包数量N_t，可达速率r，时延τ和用户QoS系数α的影响，在保证实时业务时延性要求的同时，也提高了用户之间的公平性。 

有些方法虽然保证了系统吞吐量，但无法保证用户之间的公平性要求；有的方法则相反。而本发明公开的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，为了达到两者的平衡折中，在效用函数中多增加了用户的数据队列长度和已发数据包数量这两个因素，因此一个用户不能总是在通信，如果用户继续通信，则已发数据包数量增大，从而该用户效用值减小，无法再分配到资源；如果信道条件差，特别是处于小区边缘的用户，长时间得不到传输资源，因此队列长度会急剧增加，并且已发数据包数量也同时在减小，从而使效用值增大，被分配到资源的优先级上升。 

本发明公开的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，根据系统的效用函数进行子载波、功率以及比特的分配，不同的系统可以根据自身的条件以及所要达到的目标性能，依照f(L,N_t,r，τ,α)的特征性质，设计出符合其要求的效用函数，更好地服务用户。 

附图说明

图1给出了OFDMA系统下行资源分配模型； 

图2给出了OFDMA系统上行资源分配模型； 

图3给出了物理层和MAC层之间的跨层资源分配结构图； 

图4给出了系统System1,System2和System3中平均每时隙系统的总吞吐量； 

图5给出了3个系统的时延性能； 

图6给出了在50个时隙中，当分组到达率为8时，System1每个用户接收和发送数据包的情况； 

图7给出了在50个时隙中，当分组到达率为8时，System2每个用户接收和发送数据包的情况； 

图8给出了在50个时隙中，当分组到达率为8时，System3每个用户接收和发送数据包的情况。 

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 

图1为OFDMA系统下行资源分配模型。发送端基站根据用户反馈的信道状态信息和各个用户的数据队列状态信息，将不同用户的数据分配到最合适的子载波上，并为子载波选择调制编码方案和分配功率，信道状态信息是由用户利用专门的信道反馈给基站，资源分配结果信息也同样利用专门的信道传给用户。资源分配完毕后，所有数据执行逆快速傅立叶变换（IFFT）和并串变换；在每个OFDM符号前面插入循环前缀。经过以上处理后的OFDM符号通过频率选择性信道到达接收端，接收端实行相反的信号处理，即先去掉OFDM符号前的循环前缀，再进行串并转换和快速傅立叶变换（FFT），用户根据基站发送的资源分配信息从相应的子载波提取用户数据。 

类比下行资源分配，上行资源分配模型如图2所示。与下行资源分配不 同的是：上行资源分配由基站端执行，信道状态信息不需要用户反馈，而是由基站本身来估计；资源分配结果通过下行信道发送给用户，用户根据此信息可以知道所分配到的资源，并利用分配到的资源传送自己的数据。 

参见图3，本发明公开的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，是一种适用于OFDMA系统上下行链路的跨层资源分配方案，采用的效用函数综合考虑了用户的数据队列长度L，已发数据包数量N_t，可达速率r，时延τ和用户QoS系数α的影响，在保证实时业务时延性要求的同时，也提高了用户之间的公平性。 

考虑单小区多用户下行OFDMA系统，用户总数为M，共有K种可选择的调制方式，所有用户被同一个基站服务，系统总带宽为B，被分成N条相互正交的子载波，每条子载波上经历平坦衰落，分实时业务和非实时业务，所有用户的数据被封装成具有固定大小的数据包。 

在上述单小区多用户下行OFDMA系统中进行无线资源分配，首先，为系统中的所有用户提供效用函数，该效用函数将信道状态信息（CSI），时延，业务QoS系数，数据队列状态信息（QSI）和用户已发数据包数量综合考虑；其次，在基站总功率和分配给每条子载波上的功率受限的情况下，使用每个用户的效用函数之和作为资源分配的目标；最后，根据效用函数，为用户分配资源达到资源分配的目标。 

所述的效用函数的给出为： 

每个时隙的持续时间为T_s秒，任意调制方式为k∈{1,..,K}的用户m∈{1,..,M}在子载波n∈{1,..,N}上的信道状态信息（CSI），即信噪比（SNR）ρ_nmk(t)在基站端是已知的，并且在一个时隙内保持不变。用户m在子载波n上可达的传输速率r_nmk(t)和所需功率p_nmk(t)与调制方案的选择有关，它们之间的关系为 

r_nmk(t)=log₂(1+βp_nmk(t)ρ_nmk(t))              (1) 

其中β称为信噪比误差，通常用来弥补实际值与理论值之间的差异，是与误码率有关的函数，表示为 

$\mathrm{\β}=\frac{1.5}{-\ln \left(5\mathrm{BER}\right)}---\left(2\right)$

在每个时隙开始，所有用户都有新数据包到达，因此，用户的数据队列长度等于当前时隙新到达的数据包量与队列中剩余数据包量之和。在多用户环境中，不同用户的信道特征假设是互相独立的，因此，用户在某些子载波上可能会经历深衰落，而在另外的子载波上却不会，同样，每条子载波对一些用户来说信道条件是好的，而对另外一些用户却不理想。 

资源分配在每条子载波上执行，一个用户可以分得多条子载波，但每条子载波最多只能分配给一个用户。所有用户在任意一条子载波上都有自己的效用值，用户获得该子载波的优先性取决于其效用值，值越大，优先性越高，反之亦然。 

定义I_N×M×K，P_BS，P_sub分别代表子载波分配指示矩阵，基站总功率和每条子载波上的最大限制功率。在支持实时业务和非实时业务的系统中，优化问题的目标为 

$\underset{I_{N\×M\×K}}{\max }U---\left(3\right)$

其中U是所有用户的效用和。 

功率限制条件有两个，一个是基站总功率限制，如公式(4) 

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{nmk}}{I}_{\mathrm{nmk}}\≤P_{\mathrm{BS}}---\left(4\right)$

另一个是分配给每条子载波上的功率限制，如公式(5) 

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{nmk}}{I}_{\mathrm{nmk}}\≤P_{\mathrm{sub}},n=1,...,N---\left(5\right)$

其中I_nmk是子载波分配指示矩阵I_N×M×K中的一个元素，表示子载波n是否已分 配给调制方式为k的用户m，取值为0或1，即 

I_nmk∈{0,1}                   (6) 

当I_nmk=1时，子载波n已分配给调制方式为k的用户m；当I_nmk=0时，则没有分配给用户m。同时，每条子载波在分配时，只能分配给一个用户，因此有 

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nmk}}=1,n=1,...,N---\left(7\right)$

上述资源分配优化问题的目标就是找到合适的子载波分配矩阵I_N×M×K来使系统总效用最大化，该矩阵表示每条子载波分配给了哪个用户及其调制方式和每个用户分配到了哪些子载波。效用函数μ_nmk的值表示将子载波n分配给任意用户m并且采用调制方式k所能得到的收益。μ_nmk不仅考虑可达速率r，时延τ和用户QoS系数α的影响，还将用户的数据队列长度L和已发数据包数量N_t的信息考虑在内，即 

μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)                (8) 

这样结合物理层和MAC，将效用函数设计为可达速率r，时延τ，业务QoS系数α，数据队列长度L和用户已发数据包数量N_t的函数。物理层的影响表现在可达速率r上，r是与信道状态信息有关的函数，信道越好，可达速率越大，反之亦然；MAC层的影响通过数据队列长度来体现，数据队列长度可以是每用户的数据队列长度，也可以是所有用户平均数据队列长度和所有用户数据队列长度之和等；τ和α是与业务相关的参数；考虑因素N_t是为了更好地实现用户间的公平性。 

用户m在子载波n上的r值越大，表示信道条件越好，因此将子载波n分配给用户m会获得较大的吞吐量；如果用户很久没有得到资源传输数据，时延τ和数据队列的长度L均会不断增大，若该用户是实时用户那么时延性将不 会满足；因此，效用函数μ_nmk是r，τ和L的单调递增函数。 

在多用户系统中，考虑到公平性，一个用户不能总是在通信，如果用户继续通信，则已发数据包数量N_t增加，因此效用函数μ_nmk是N_t的单调递减函数。这样一来，当N_t继续增加时，该用户效用值便一直减小到无法再分配到资源；如果信道条件差，特别是处于小区边缘的用户，长时间得不到传输资源，L会不断增加同时N_t也在不断减小，从而效用值增大，被分配到资源的优先级上升。 

在每个时隙的开始都会重新计算相应的效用值，根据此效用值来执行子载波的分配。这里以基于拉格朗日数乘的启发式算法为例来说明资源分配的过程。拉格朗如数乘法将有约束条件的优化问题转化成无约束条件的优化问题，有 

$\max \left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nmk}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{nmk}}-{\mathrm{\λ}}_n{p}_{\mathrm{nmk}})\right)---\left(9\right)$

其中λ_n,n=1,...,N，λ_n子载波n所对应的非负的拉格朗日乘子。 

所以给出为系统中的所有用户提供效用函数为： 

在单小区多用户下行OFDMA系统中，M个用户被同一个基站服务，共有K种可选择的调制方式，系统被分成N条相互正交的子载波，所有用户的数据包到达过程服从泊松分布，每个时隙都有新的数据包到达，用户的数据队列长度L等于当前时隙新到达的数据包量与队列中剩余数据包量之和； 

用户在子载波上的效用函数为μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)，μ_nmk的值表示将子载波n∈{1,...,N}分配给任意用户m∈{1，...,M}并且采用调制方式k∈{1，...,K}所能得到的收益； 

μ_nmk不仅考虑可达速率r，时延τ和用户QoS系数α的影响，还将用户的数据队列长度L和已发数据包数量N_t的信息考虑在内；效用函数μ_nmk是r，τ和 L的单调递增函数，是N_r的单调递减函数； 

2）资源分配在每条子载波上执行，在分配时找到子载波分配矩阵I_N×M×K使OFDMA系统总效用最大化，该矩阵表示每条子载波分配给了哪个用户及其调制方式和每个用户分配到了哪些子载波； 

I_nmk是子载波分配指示矩阵I_N×M×K中的任意元素，表示子载波n是否已分配给调制方式为k的用户m，它的取值为0或1，I_nmk∈{0,1}； 

当I_nmk=1时，表示子载波n已分配给调制方式为k的用户m；当I_nmk=0时，则没有将子载波n分配给调制方式为k的用户m； 

采用拉格朗日数乘法进行优化，优化目标为

其中λ_n,n=1,...,N，λ_n子载波n所对应的非负的拉格朗日乘子，p_nmk为分配给子载波n的功率； 

约束条件包括 $\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{nmk}}{I}_{\mathrm{nmk}}\≤P_{\mathrm{BS}}$ 和 $\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{nmk}}{I}_{\mathrm{nmk}}\≤P_{\mathrm{sub}}$ n=1,...,N，其中P_BS为基站总功率，P_sub为分配给每条子载波的最大限制功率。 

在进行资源分配时包括以下操作： 

初始化：所有子载波的分配在每个时隙的开始进行，每一条子载波在未分配前，不属于任何用户，初始化子载波分配矩阵I_N×M×K=0和所有拉格朗日乘子λ_n=0,n=1,...,N； 

子载波预分配：按步骤2）进行子载波预分配，子载波分配给在其上传输具有最大效用的用户及调制方式，根据调制方式和用户在该子载波上的信噪比，得到子载波所需要的功率，该功率不大于能分配给该子载波的最大限制功率； 

在满足子载波功率限制的条件下，如果一个用户在某条子载波上可选择的调制方式有两个以上，则该子载波选择使其效用值最大的调制方式； 

在所有的子载波都预分配完毕后，计算出子载波的功率之和，与基站总功率相比较，如果超出基站总功率则要进行子载波重新分配，否则则得到分配结果； 

重新分配：当子载波的功率之和超过基站总功率时，首先在所有子载波中找出分配到功率最多的子载波n′，n'当前属于的用户m′，以及选择的调制方式k，此时子载波分配矩阵中对应子载波n′的元素I_n′m′k'=1； 

对子载波n'重新分配用户和功率，重新寻找的新用户m″以及调制方式k″，当满足 $(m^{\′\′},k^{\′\′})=\underset{m,k}{\arg \min }({\mathrm{\μ}}_{n^{\′}{m}^{\′}{k}^{\′}}-{\mathrm{\μ}}_{n^{\′}{m}^{\′\′}{k}^{\′\′}}-{\mathrm{\λ}}_{n^{\′}}(p_{n^{\′}{m}^{\′}{k}^{\′}}-p_{n^{\′}{m}^{\′\′}{k}^{\′\′}}))$ 时，子载波n′找到新用户m″及新的调制方式k″；然后重新分配子载波n′的功率，更新子载波分配矩阵I_N×M×K中对应子载波n'的元素：I_n'm'k'=0,I_n'm″k″=1和相应的拉格朗日乘子： 

λ_n'=λ_n'+μ_n'm‘k’-μ_n'm″k″-λ_n′(p_n'm‘k’-p_n′m″k')； 

再计算出所有子载波上的功率之和，并与基站总功率进行比较，直到满足基站总功率限制为止。 

根据μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)函数的特征性质，遵循指数准则、比例准则，设计出不同形式的效用函数： 

μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)为以下效用函数之一： 

$f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α},)=\frac{L_q}{L_a*N_t}*{\mathrm{\αre}}^{\mathrm{\τ}},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α},)=\frac{\mathrm{\αLr\τ}}{N_t},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})={\mathrm{\αr\τe}}^{\frac{L}{N_t}},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})=\frac{{\mathrm{\αLe}}^{b(r+\mathrm{\τ})}}{N_t},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})=\mathrm{r\αL}\left({b+e}^{\frac{\mathrm{\τ}}{N_t}}\right),$

其中L_q是用户数据队列长度，L_a是所有用户平均数据队列长度，b是大 于0的常数，QoS系数α由用户的业务类型来决定，比如

具体的利用上述其中一种具体形式的效用函数

称之为效用函数3，将其与传统的只考虑可达速率r，时延τ和用户QoS系数α的影响，并且与

具有相似形式的效用函数μ_nmk=re^τ和μ_nmk=αre^τ，分别称作效用函数1和效用函数2，进行性能比较，包括系统吞吐量、实时用户的时延和用户之间的公平性的比较。 

并且系统参数设置如下： 

调制方式有4种，分别为：BPSK、QPSK、16QAM和64QAM； 

用户分布为均匀分布； 

用户数为10； 

子载波数为8； 

基站总功率为5W； 

子载波功率不超过1W； 

时隙数为50； 

用户数据分组长度为4096比特。 

对比结果如图4～图8所示： 

图4给出了系统System1,System2和System3中平均每时隙系统的总吞吐量，这三个系统分别采用效用函数1，2和3，图中横轴代表分组到达速率（包数/时隙/用户），取值范围是5:20，纵轴表示每时隙系统平均到达的分组数目/平均每时隙系统的总吞吐量，其中，最上面的“*”线表示每时隙系统平均到达的分组数目，其余3条线分别表示3个系统中，平均每时隙系统的总吞吐量。从图4的结果中可以看到使用效用函数1的系统1所能达到的吞 吐量最大，这是因为效用函数1没有考虑各用户之间的公平性，将多数子载波分配了给在其上具有好的信道条件的用户；由于充分考虑实时用户的时延性能，因此系统2的吞吐量最小；系统3所使用的效用函数3在吞吐量，时延及用户公平性之间做了折中，所达到的吞吐量比系统1稍小，但比系统2要大。 

图5给出了3个系统中实时用户的平均时延性能，图中横轴代表分组到达速率（包数/时隙/用户），取值范围是5:20，纵轴表示实时用户的平均时延（毫秒）。从图5的结果中可以看到系统3中实时用户的时延性能最好，系统2次之，系统1最差。这是因为在系统1中实时用户的时延对效用值的影响不大；系统2提高了实时用户时延对效用值的影响，但当出现信道条件极其差的实时用户时，时延对效用值的影响也不是很大；系统3使用的效用函数比系统2的效用函数多考虑了用户数据队列长度和每个用户已发送的数据包数，当出现信道条件极其差的实时用户时，数据队列长度和已发送数据包数就会对效用值产生较大的影响，因此实时用户的平均时延性能最好。 

图6给出了在50个时隙中，当分组到达率为8时，System1每个用户接收和发送数据包的情况，图中横轴代表所有用户的编号，取值为1:10的整数，其中1-5是非实时用户，6-10是实时用户，深色条形表示每用户到达的数据包量，浅色条形表示发送的数据包量。从图6的结果中可以看到，在系统1中，不管是实时用户还是非实时用户，信道条件好的用户获得资源传输数据的可能性越大，传输的数据就会越多。 

图7给出了在50个时隙中，当分组到达率为8时，System2每个用户接收和发送数据包的情况，图中横轴代表所有用户的编号，取值为1:10的整数，其中1-5是非实时用户，6-10是实时用户，深色条形表示每用户到达的数据包量，浅色条形表示发送的数据包量。在系统2中，由于更多地考虑实时用户的时延性能，增大了实时用户的效用值，所以资源几乎分配给了实时用户。 

图8给出了在50个时隙中，当分组到达率为8时，System3每个用户接收和发送数据包的情况，图中横轴代表所有用户的编号，取值为1:10的整数，其中1-5是非实时用户，6-10是实时用户，深色条形表示每用户到达的数据包量，浅色条形表示发送的数据包量。系统3的大部分资源分配给了实时用户，但还有部分子载波分配给了非实时用户，相比系统2，在保证实时用户时延性要求的同时，又提高了非实时用户传输的数据量。 

Claims (8)

1.一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在单小区多用户下行OFDMA系统中，M个用户被同一个基站服务，共有K种可选择的调制方式，系统被分成N条相互正交的子载波，所有用户的数据包到达过程服从泊松分布，每个时隙都有新的数据包到达，用户的数据队列长度L等于当前时隙新到达的数据包量与队列中剩余数据包量之和；

用户在子载波上的效用函数为μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)，μ_nmk的值表示将子载波n∈{1,...,N}分配给任意用户m∈{1，...,M}并且采用调制方式k∈{1，...,K}所能得到的收益；

_μnmk不仅考虑可达速率r，时延τ和用户QoS系数α的影响，还将用户的数据队列长度L和已发数据包数量N_t的信息考虑在内；效用函数μ_nmk是r，τ和L的单调递增函数，是N_t的单调递减函数；

2）资源分配在每条子载波上执行，在分配时找到子载波分配矩阵I_N×M×K使OFDMA系统总效用最大化，该矩阵表示每条子载波分配给了哪个用户及其调制方式和每个用户分配到了哪些子载波；

I_nmk是子载波分配指示矩阵I_N×M×K中的任意元素，表示子载波n是否已分配给调制方式为k的用户m，它的取值为0或1，I_nmk∈{0,1}；

当I_nmk=1时，表示子载波n已分配给调制方式为k的用户m；当I_nmk=0时，则没有将子载波n分配给调制方式为k的用户m；

采用拉格朗日数乘法进行优化，优化目标为

其中λ_n,n=1,...,N，λ_n是子载波n所对应的非负的拉格朗日乘子，p_nmk为分配给子载波n的功率；

约束条件包括 $\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{nmk}}{I}_{\mathrm{nmk}}\≤P_{\mathrm{BS}}$ 和 $\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{nmk}}{I}_{\mathrm{nmk}}\≤P_{\mathrm{sub}}$ n=1,...,N，其中P_BS为基站总功率，P_sub为分配给每条子载波的最大限制功率。

2.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，包括以下操作：

初始化：所有子载波的分配在每个时隙的开始进行，每一条子载波在未分配前，不属于任何用户，初始化子载波分配矩阵I_N×M×K=0和所有拉格朗日乘子λ_n=0,n=1,...,N；

子载波预分配：按步骤2）进行子载波预分配，子载波分配给在其上传输具有最大效用的用户及调制方式，根据调制方式和用户在该子载波上的信噪比，得到子载波所需要的功率，该功率不大于能分配给该子载波的最大限制功率；

在满足子载波功率限制的条件下，如果在某条子载波上可选择的调制方式有两个以上，则该子载波选择使其效用值最大的调制方式；

在所有的子载波都预分配完毕后，计算出子载波的功率之和，与基站总功率相比较，如果超出基站总功率则要进行子载波重新分配，否则则得到分配结果；

重新分配：当子载波的功率之和超过基站总功率时，首先在所有子载波中找出分配到功率最多的子载波n′，n'当前属于的用户m′，以及选择的调制方式k′，此时子载波分配矩阵中对应子载波n′的元素I_n′mk'=1；

对子载波n'重新分配用户和功率，重新寻找的新用户m″以及调制方式k″，当满足 $(m^{\′\′},k^{\′\′})=\underset{m,k}{\arg \min }({\mathrm{\μ}}_{n^{\′}{m}^{\′}{k}^{\′}}-{\mathrm{\μ}}_{n^{\′}{m}^{\′\′}{k}^{\′\′}}-{\mathrm{\λ}}_{n^{\′}}(p_{n^{\′}{m}^{\′}{k}^{\′}}-p_{n^{\′}{m}^{\′\′}{k}^{\′\′}}))$ 时，子载波n′找到新用户m″及新的调制方式k″；然后重新分配子载波n'的功率，更新子载波分配矩阵I_N×M×K中对应子载波n'的元素：I_n'm'k′=0,I_n'm″k″＝1和相应的拉格朗日乘子：

λ_n'=λ_n'+μ_n'm'k'-μ_n'm″k″-λ_n'(p_n′m′k′-p_n′m″k″)；

再计算出所有子载波上的功率之和，并与基站总功率进行比较，直到满足基站总功率限制为止。

3.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，所有用户在任意一条子载波上都有其效用值μ_nmk，用户获得该子载波的优先性取决于其效用值，效用值越大，优先性越高。

4.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，一个用户可分得多条子载波，每条子载波最多只能分配给一个用户。

5.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，根据μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)函数的特征性质，遵循指数准则、比例准则，设计出不同形式的效用函数。

6.如权利要求5所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，所述的μ_nmk=f(L,N_t,r,τ,α)为以下效用函数之一：

$f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α},)=\frac{L_q}{L_a*N_t}*{\mathrm{\αre}}^{\mathrm{\τ}},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α},)=\frac{\mathrm{\αLr\τ}}{N_t},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})={\mathrm{\αr\τe}}^{\frac{L}{N_t}},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})=\frac{{\mathrm{\αLe}}^{b(r+\mathrm{\τ})}}{N_t},$

或 $f(L,N_t,r,\mathrm{\τ},\mathrm{\α})=\mathrm{r\αL}\left({b+e}^{\frac{\mathrm{\τ}}{N_t}}\right),$

其中L_q是用户数据队列长度，L_a是所有用户平均数据队列长度，b是大于0的常数，QoS系数α由用户的业务类型来决定。

7.如权利要求6所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，所述的α表述为

8.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，基站端已知所有用户在所有子载波上的信道状态信息，并且在一个时隙内保持不变，所述的调制方式有4种，分别为：BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。

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