CN103117976A - 基于相关聚类的无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相关聚类的无线资源分配方法，该方法的具体步骤包括：(1)获得链路增益矩阵；(2)获得链路速率矩阵；(3)获得相关系数矩阵；(4)找出最小相关系数；(5)更新待分配资源矩阵；(6)计算相关距离；(7)更新待分配资源矩阵；(8)对待分配资源方阵运用匈牙利算法进行子载波分配；(9)进行资源聚类。本发明克服了多次匈牙利分配方法和比例分配方法实现复杂度高的缺点，能够提供更低的计算复杂度。本发明能够提供更加接近速率最大值方法的分配速率，性能优于比例分配方法和多次匈牙利分配方法。本发明克服了比例分配方法对链路速率矩阵的局限性，适用于任何的链路速率矩阵。

Description

基于相关聚类的无线资源分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线蜂窝通信系统领域中的无线资源分配方法。本发明可应用在无线蜂窝通信系统中，对无线链路和子载波资源进行分配，使得子载波能够提供最大的链路速率，同时保证链路之间的公平性。

背景技术

在无线蜂窝通信系统中，由于链路数通常小于待传输的子载波数，而不同子载波在不同链路上的分配会产生一定的速率差距。有限子载波资源的分配方案，对系统的性能有很大的影响。现有的资源分配方法主要有：比例公平方法，匈牙利算法，最大值方法。

西门子(中国)有限公司申请的专利“多载波无线通信系统的子载波分配方法”(专利申请号200510115002，公开号CN1972266A)中，公开了一种多载波无线通信系统中的子载波分配方法，其步骤为：(1)将系统拥有的子载波沿频率轴划分为子频带，每个子频带由沿频率轴依次排列，并且至少包含一个系统所拥有的子载波。(2)对所述子频带上的无线信道冲激响应功率进行测量；(3)系统中的控制节点依据所述无线信道冲激响应功率的测量值为所述系统中的用户终端分配供其使用的子频带。最终分配完成。该方法的不足是：由于控制节点对用户终端使用的子频带上的无线信道冲击响应功率进行监视，对于业务量比较大的情况下，需要频繁的分配信道，这种监视很耗费资源。

文献[1]Fanglei Sun，Mingli You，Jin Liu，Pinging Wen，Shaoquan Wu“JointFrequency-spatial Resource Allocation with Bipartite Matching in OFDM-MIMOSysterms”(978-1-4244-2517-4/09.2009IEEE)中提出的比例公平方法。比例公平方法其基本思想是利用论文中给出的公式，确定每一种链路的比例系数，然后将子载波与链路的速率矩阵按照比例系数转化为方阵，最后利用匈牙利算法进行最终分配，但是其比例系数的确定仅仅局限于矩阵元素大于1的情况，根据文献[2]Ioannis G.Fraimis，Stavros A.Kotsopoulos“QoS-Based Proportional Fair Allocation Algorithm for OFDMAWireless Cellular Systerms”(IEEE COMMUNICATIONS LETTERS，VOL.15，NO.10，OCTOBER2011)]中所提出的确定链路速率矩阵的方法，会得到链路速率矩阵元素都小于1的情况，此时比例公平方法就不适用，并且由于依据比例系数将矩阵转化为方阵，增加了矩阵的规模将会使得计算复杂度增大。

发明内容

本发明在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于相关聚类的无线资源分配方法。本发明将图论知识引入到无线蜂窝通信系统的资源分配问题中，提出了资源聚类的概念，对于某些具有一定相似度的资源进行聚类，分给相同的用户，在一定程度上减小了计算的复杂度。

本发明实现的基本思路是：利用子载波对于链路之间的速率关系，合理的表达出相互子载波之间的相关性，利用最大相关性准则进行子载波之间的聚类，分配给相同的链路，实现子载波资源对于链路的分配。

为实现上述目的，本发明实现如下：

(1)获得链路增益矩阵

采用信道模型获得链路增益矩阵，获得的链路增益矩阵的列数大于行数；

(2)获得链路速率矩阵

采用链路速率公式，将增益矩阵转化为链路速率矩阵；

(3)获得相关系数矩阵

采用相关系数公式，依次计算出所有子载波之间的相关系数，组成相关系数矩阵；

(4)找出最小相关系数

从相关系数矩阵中找出所有相关系数对应元素的最小相关系数；

(5)更新待分配资源矩阵

将最小相关系数在相关系数矩阵中的行数和列数所对应的两个子载波，添加到待分配的资源矩阵中；

(6)计算相关距离

利用相关距离公式，分别计算出没有进入待分配资源矩阵中的子载波和待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离；

(7)更新待分配资源矩阵

7a)从步骤(6)计算出的没有进入待分配资源矩阵中的子载波的相关距离中找出相关距离最小的子载波，将该子载波添加到待分配资源矩阵中，对待分配资源矩阵进行更新；

7b)对于更新后的待分配资源矩阵，利用相关距离公式，计算出没有进入待分配资源矩阵中的子载波和更新后待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离；

7c)找出步骤7b)中相关距离最小的子载波，将该子载波添加到待分配资源矩阵中，对待分配资源矩阵进行更新，执行步骤7b)计算更新后的待分配资源矩阵，直到待分配资源矩阵为方阵，执行步骤(8)对待分配资源方阵进行子载波分配；对于没有进入待分配资源矩阵的子载波，执行步骤(9)进行资源聚类；

(8)子载波分配

对待分配资源方阵运用匈牙利算法进行子载波分配，得到每个子载波传输信息所对应的链路；

(9)进行资源聚类

从步骤(3)的相关系数矩阵中，找出与步骤7c)没有进入待分配资源方阵的子载波相关系数最大、待分配资源矩阵的子载波；将没有进入待分配资源方阵的子载波分配给与相关系数最大的待分配资源矩阵中子载波所对应的链路，完成资源聚类。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明通过计算相关距离，找出了与链路数目相同个子载波进行分配，克服了现有技术中比例分配方法和多次匈牙利方法进行所有子载波资源分配的实现复杂度高的缺点，使得本发明实现的复杂度明显降低。

第二，由于本发明对待分配资源方阵利用匈牙利算法进行分配，克服了现有技术中比例分配方法由于链路之间的相关性而导致速率较低的缺点，使得本发明能够提供高于比例分配方法的速率。

第三，由于本发明采用了资源聚类的方法，将速率矩阵转化为待分配资源方阵，克服了现有技术中比例分配方法利用比例关系来将速率矩阵转化为方阵时候产生的系数无法求解的缺点，使得本发明适用于任何情况下的速率矩阵，增大了对于速率矩阵的适用范围。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的仿真曲线图；

图3为本发明资源聚类后的通信链路图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步的详细描述。

步骤1，采用六径瑞利衰落模型获得链路增益矩阵。

本发明的实施例是，采用ITU-RM.1225建议的IMT-2000VehicularModelA信道模型，获得6个子载波与3个链路之间的链路增益矩阵；IMT-2000Vehicular Model A信道模型参数如下表：

仿真环境及参数

步骤2，获得链路速率矩阵。

采用链路速率公式，将链路增益矩阵转化为链路速率矩阵。

$a_{\mathrm{hj}}={\log }_2(1-\frac{1.5}{\ln \left(5\mathrm{BER}\right)}\frac{P_{\mathrm{hj}}{g}_{\mathrm{hj}}^2}{N_0\frac{\mathrm{\Φ}}{N}})$

其中，a_hj表示子载波j分配到链路h的速率；

表示子载波j在链路h上的信噪比，可表示为

γ₀表示任意链路的信噪比，g_hj表示子载波j分配到链路h的链路增益，为步骤1中链路增益矩阵的第h行，第j列元素，p_hj表示子载波j在链路h上的传输功率，N₀表示任意链路上的噪声功率谱密度，

代表信道中任意子载波带宽，Φ表示信道带宽，N表示信道中总载波个数；BER表示信道的误码率，取值范围为10^-6到10^-5。

本发明的实施例是，设置不同子载波等功率分配在链路上；将任意链路的信噪比γ₀设置为15db；信道带宽Φ为2M，信道中总载波数N为1024；；信道误码率BER设置为10^-5。

步骤3，获得相关系数矩阵。

采用如下相关系数公式，计算出所有子载波之间的相关系数，组成相关系数矩阵。

$c_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{hi}}{a}_{\mathrm{hj}}}{\sqrt{\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{hi}}^2}\×\sqrt{\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{hj}}^2}}$

其中，c_ij表示子载波i和子载波j之间的相关系数；a_hi表示子载波i分配到链路h上的速率，a_hj表示子载波j分配到链路h上的速率，分别对应步骤2中链路速率矩阵中的a_hi，a_hj；n表示链路的个数，与步骤1的链路增益矩阵行数相等。

本发明的实施例是将子载波的个数n设置为3。

步骤4，比较步骤3中的相关系数矩阵中各元素的大小，从中找出所有元素的最小相关系数。

步骤5，更新待分配资源矩阵。

将最小相关系数在相关系数矩阵中的行数和列数所对应的两个子载波，添加到待分配资源矩阵中。

步骤6，计算相关距离。

利用如下相关距离公式，分别计算没有进入待分配资源矩阵中的子载波和待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离。

$d_r=\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{rk}}^2$

其中，d_r表示没有进入待分配资源矩阵的子载波r与待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离；c_rk表示没有进入待分配资源矩阵的子载波r与待分配资源矩阵中的子载波k的相关系数；p表示待分配资源矩阵中子载波的个数。

步骤7，更新待分配资源矩阵。

7a)比较步骤6计算出的没有进入待分配资源矩阵中的子载波与待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离的大小，从中找出最小的相关距离，将该最小相关距离对应的子载波添加到待分配资源矩阵中对待分配资源矩阵进行更新；

7b)对于更新后的待分配资源矩阵，利用步骤6的相关距离公式，计算出没有进入待分配资源矩阵中的子载波和更新后待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离；

7c)比较步骤7b)中所有相关距离的大小，从中找出最小的相关距离，将该最小相关距离对应的子载波添加到待分配资源矩阵中对待分配资源矩阵进行更新，转至步骤7b)，直到待分配资源矩阵为3阶方阵，转至步骤8，对于没有进入待分配资源矩阵的子载波，转步骤9。

步骤8，对待分配资源方阵运用匈牙利算法进行子载波分配。

8a)用待分配资源方阵中的最大元素减去该方阵中的每个元素得到效益方阵；将待分配资源方阵转化为效益方阵；

8b)将效益方阵的每行元素分别减去该行的最小元素，每一列分别减去该列的最小元素，修正效益方阵，使之变成每一行和每一列至少有一个零元素的缩减方阵；将效益方阵转化为缩减方阵；

8c)首先，在缩减方阵中未被直线通过并且包含零元素最少的行或列中圈出一个零元素；其次，通过这个零元素做一条竖线或横线，重复该步直到可以圈出3个不同行不同列的零元素时，转8e)；若不能圈出3个不同行不同列的零元素，转下步；做出覆盖所有零元素的最少数量的直线集合；

8d)首先，在没有直线覆盖的方阵部分找出最小元素，对没有画直线的各元素都减去该最小元素；其次，对画了横线和竖线交叉处的各元素都加上该最小元素；最后，对画了一根竖线或横线的各元素保持不变，完成缩减方阵修改，返回8b)；

8e)对于步骤8c)中圈出的不同行不同列的3个零元素，表示将零元素在缩减方阵中所在列号的子载波分给所在行号的链路；得到子载波传输信息所对应的链路。

步骤9，进行资源聚类。

从步骤3的相关系数矩阵中，找出与步骤7c)没有进入待分配资源方阵的子载波相关系数最大、待分配资源矩阵的子载波；将没有进入待分配资源方阵的子载波分配给与相关系数最大的待分配资源矩阵中子载波所对应的链路，完成资源聚类。

下面结合附图2和图3对本发明的效果做详细描述。

1.仿真条件

仿真500次链路增益矩阵，对于不同的链路增益矩阵分别计算出分配完子载波后，能够提供的链路速率，将链路速率的最大值和最小值作为仿真链路速率范围，平均采样5000个点，统计出不同方法的链路速率累计分布函数(CDF)值。

2.仿真内容和结果分析

图2是四种子载波分配方法的性能仿真。图中加粗实线表示速率最大值方法获得的性能曲线；图中实线代表本发明方法获得的性能曲线；图中虚线代表比例分配方法获得的性能曲线；图中点划线表示多次匈牙利算法获得的性能曲线。由图2可以看出，对于相同的CDF值，实线比虚线靠右并且接近加粗实线，虚线比点划线靠右。从而可以看出，本发明的算法实现的链路速率大于比例公平算法的链路速率并且接近速率最大值方法，而多次匈牙利方法的链路速率最小。速率最大值方法，该方法只考虑了子载波对于最佳链路的速率，不能保证所有链路都可以分配到子载波，子载波分配不公平，进行仿真只是将其作为速率的上界，提供参考意义。

图3为本发明的资源聚类后的通信链路图。该图表示6个子载波经过资源聚类后与3条链路之间的分配关系。图3中所显示的子载波1，子载波4，子载波5是采用匈牙利分配算法进行子载波分配。分配结果是子载波1分配给链路1；子载波4分配给链路2；子载波5分配给链路3。采用步骤3中的相关系数矩阵，图3显示了子载波1和子载波2进行资源聚类分配给链路1；子载波3，子载波4，子载波6进行资源聚类分配给链路2；子载波5，不进行资源聚类，独立的分配给链路3。

Claims (6)

1.基于相关聚类的无线资源分配方法，具体步骤如下：

(1)获得链路增益矩阵

采用信道模型获得链路增益矩阵，获得的链路增益矩阵的列数大于行数；

(2)获得链路速率矩阵

采用链路速率公式，将增益矩阵转化为链路速率矩阵；

(3)获得相关系数矩阵

采用相关系数公式，依次计算出所有子载波之间的相关系数，组成相关系数矩阵；

(4)找出最小相关系数

从相关系数矩阵中找出所有相关系数对应元素的最小相关系数；

(5)更新待分配资源矩阵

将最小相关系数在相关系数矩阵中的行数和列数所对应的两个子载波，添加到待分配的资源矩阵中；

(6)计算相关距离

利用相关距离公式，分别计算出没有进入待分配资源矩阵中的子载波和待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离；

(7)更新待分配资源矩阵

7a)从步骤(6)计算出的没有进入待分配资源矩阵中的子载波的相关距离中找出相关距离最小的子载波，将该子载波添加到待分配资源矩阵中，对待分配资源矩阵进行更新；

7b)对于更新后的待分配资源矩阵，利用相关距离公式，计算出没有进入待分配资源矩阵中的子载波和更新后待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离；

7c)找出步骤7b)中相关距离最小的子载波，将该子载波添加到待分配资源矩阵中，对待分配资源矩阵进行更新，执行步骤7b)计算更新后的待分配资源矩阵，直到待分配资源矩阵为方阵，执行步骤(8)对待分配资源方阵进行子载波分配；对于没有进入待分配资源矩阵的子载波，执行步骤(9)进行资源聚类；

(8)子载波分配

对待分配资源方阵运用匈牙利算法进行子载波分配，得到每个子载波传输信息所对应的链路；

(9)进行资源聚类

从步骤(3)的相关系数矩阵中，找出与步骤7c)没有进入待分配资源方阵的子载波相关系数最大、待分配资源矩阵的子载波；将没有进入待分配资源方阵的子载波分配给与相关系数最大的待分配资源矩阵中子载波所对应的链路，完成资源聚类。

2.根据权利要求1所述的基于相关聚类的无线资源分配方法，其特征在于，步骤(1)中所述的信道模型是一个六径瑞利衰落模型。

3.根据权利要求1所述的基于相关聚类的无线资源分配方法，其特征在于，步骤(2)中所述的链路速率公式如下：

$a_{\mathrm{hj}}={\log }_2(1-\frac{1.5}{\ln \left(5\mathrm{BER}\right)}\frac{P_{\mathrm{hj}}{g}_{\mathrm{hj}}^2}{N_0\frac{\mathrm{\Φ}}{N}})$

其中，a_hj表示子载波j分配到链路h的速率；

表示子载波j在链路h上的信噪比，可表示为γ₀表示任意链路的信噪比，g_hj表示子载波j分配到链路h的链路增益，为步骤(1)中链路增益矩阵的第h行，第j列元素，p_hj表示子载波j在链路h上的传输功率，N₀表示任意链路上的噪声功率谱密度，

代表信道中任意子载波带宽，Φ表示信道带宽，N表示信道中总载波个数；BER表示信道的误码率，取值范围为10^-6到10^-5。

4.根据权利要求1所述的基于相关聚类的无线资源分配方法，其特征在于，步骤(3)所述的相关系数公式如下：

$c_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{hi}}{a}_{\mathrm{hj}}}{\sqrt{\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{hi}}^2}\×\sqrt{\underset{h=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{hj}}^2}}$

其中，c_ij表示子载波i和子载波j之间的相关系数；a_hi表示子载波i分配到链路h的速率，a_hj表示子载波j分配到链路h的速率，分别对应步骤(2)中的链路速率矩阵中的a_hi，a_hj；n表示链路的个数，与步骤(1)的链路增益矩阵行数相等。

5.根据权利要求1所述的基于相关聚类的无线资源分配方法，其特征在于，步骤(6)，步骤7b)所述的相关距离公式如下；

$d_r=\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{r,k}^2$

其中，d_r表示没有进入待分配资源矩阵的子载波r与待分配资源矩阵中所有子载波的相关距离；c_r，k表示相关系数，r表示没有进入待分配资源矩阵的子载波，k表示待分配资源矩阵中的子载波；p表示待分配资源矩阵中子载波的个数。

6.根据权利要求1所述的基于相关聚类的无线资源分配方法，其特征在于，步骤(8)所述的匈牙利算法的步骤如下：

第一步，用待分配资源方阵中的最大元素分别减去该方阵中的每个元素，将差值组成效益方阵；

第二步，将效益方阵的每行元素分别减去该行的最小元素，每一列分别减去该列的最小元素，获得每一行和每一列至少有一个零元素的缩减方阵；

第三步，在缩减方阵中未被直线通过并且包含零元素最少的行或列中圈出一个零元素；通过该零元素做一条竖线或横线，重复该步直到圈出与效益方阵行数相同个不同行不同列的零元素时，转第五步；若不能圈出与效益方阵行数相同个不同行不同列的零元素，转下步；

第四步，在没有直线覆盖的方阵部分找出最小元素，对没有画直线的各元素都减去该最小元素；对画了横线和竖线交叉处的各元素都加上该最小元素；对画了一根竖线或横线的各元素保持不变，完成缩减方阵修改，返回第二步；

第五步，对第二步中圈出的不同行不同列的零元素，将零元素在缩减方阵中所在列号的子载波分配给所在行号的链路。

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