CN103228048B - 一种基于偏移单载波调制的上行多用户频域资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多天线卫星移动通信偏移单载波OSC调制频域资源分配的方法，实现对频域资源连续分配，该方法是：计算每个资源块RB上等效信干噪比；对整个频谱资源进行分组，计算每组的和速率；计算用户瞬时传输速率与平均传输速率比值，将所得所有用户的比值从大到小排列；选择<i>u</i>个用户峰值点，<i>u</i>为用户传输个数；对所有用户瞬时传输速率从大到小排序，根据瞬时传输速率采用贪心算法对此<i>u</i>个用户进行连续资源分配。本发明的多天线卫星移动通信OSC调制资源调度算法能够提高卫星发射端功放效率，降低A/D与D/A复杂度，同时提高吞吐率。

Description

一种基于偏移单载波调制的上行多用户频域资源分配方法

技术领域

本发明涉及卫星移动通信领域，尤其涉及多天线OSC调制下的频域资源分配方法。

背景技术

随着全球化进程加速，人们对移动通信需求日益增加，移动通信市场出现了地面移动通信系统和卫星移动通信系统并存的局面。卫星移动通信系统又以不受地理环境、气候条件的限制、在卫星覆盖区域内无通信盲区等特点而得到广泛应用。卫星系统属于长距离无线信号传输系统，因此是一个功率受限的系统。正交频分复用多载波技术具有抗频率选择性衰落的特点，是LTE无线通信关键技术之一。然而OFDM会带来信号包络变大，从而降低功放效率，因此不适用于卫星通信。可以采用偏移单载波(OSC)调制方式以降低峰均比、提高功放效率。对OSC技术的描述在专利CN201210201441.9中给出。

无线资源是一种稀缺资源，移动通信中如何对这一稀缺资源进行有效的分配将会对吞吐率、频谱利用率产生重要影响。由于卫星链路对功放效率要求较高，因此不能直接采用LTE下行链路资源调度算法。LTE上行链路每个用户所分配资源具有连续性，这样降低了峰均比，受此启示，卫星链路的上下行资源调度均采用连续资源分配方式。当每个时刻调度用户较多时，在卫星端用户功放效率也会降低，本发明中为了进一步降低峰均比，设置了每次调度用户数量上限值。本发明采用比例公平调度准则，参考论文DataThroughputofCDMA-HDRaHighEfficiency-HighDataRatePersonalCommunicationWirelessSystem(IEEEVTC2000)：

${\mathrm{\&lambda;}}_{i,c}=\frac{r_{i,c}\left(t\right)}{R_i^{\mathrm{\&alpha;}}\left(t\right)}---\left(0.1\right)$

其中λ_i,c表示第i个用户的第c个资源块上的频率资源调度的度量值，r_i,c(t)为t时刻用户i在频率资源块c上的传输速率，R_i(t)为t时刻用户i的平均速率。如果α>1，资源倾向于分配给平均速率R_i(t)更低的用户，提高公平性；当α<1，资源倾向于分配给平均速率R_i(t)更高的用户，提高吞吐率。本算法可以根据不同QOS需求调整α控制指数大小，达到自适应的目的。

发明内容

本发明中分别考虑公平性与吞吐量两个指标，先根据公平性准则选择调度用户，再根据用户信息速率大小对所选择用户进行资源分配，这样既能达到公平性要求，又能提高系统吞吐量。卫星通信中为了保证功放效率，每次调度用户个数有限制，因此可以先根据公平性准则选择调度用户，再根据用户信息速率进行资源分配，具体实施步骤如下：

图1为频域资源划分图，根据图中频域资源划分，计算用户第c个频域资源块上等效信干噪比eff_SINR，其中，1≤c≤N_rb，N_rb为频域资源块总数。

a)频域资源分配步骤：卫星将用户终端上报的信道质量信息转发给地面信关站，信关站根据用户终端所报信道质量信息为每个用户分配频域资源，并利用卫星将频域资源分配信息通过控制信道发送给小区用户，进行频域资源分配时不同用户终端所占频域资源不同；

b)小区用户根据频域分配信息选择频域资源进行信号传输，其步骤为：用户设备UE₁,…,UE_u(userequipment)，1≤u≤N，u为同时传输数据的用户数，N为小区中同时传输数据的用户个数上限值。每个用户待发送比特信息经过差错控制编码、交织和基带符号映射操作，获得基带调制符号。所得基带调制符号通过空分复用层映射到L层上，其中1≤L≤n_T，n_T为发送端天线数。在每层上，将每个用户的基带调制符号按长度M划分为块，并将其实部和虚部分离，得到长度为2M的实值基带调制符号矢量，分别对每层上2M点实值基带调制符号矢量做2M点广义傅里叶变换和频域成型，最后通过预编码矩阵，将L层上的频域成型后的符号映射到n_T根发送天线上，再对每根天线上的数据做IFFT变换，并插入CP(cyclicprefix)后发送出去。卫星接收用户设备的发送信号，然后将其转发到信关站并进行信号处理。

信关站频域资源分配的具体方法为：

步骤1：计算每个用户每层上每个实值基带调制符号的信干噪比值，其中信干噪比值等于期望信号功率比上信号干扰功率与噪声功率之和，期望信号功率为信号干扰功率与噪声功率之和为其中B＝U^HA，[B]_m,m表示矩阵B第m行的第m列元素，表示[B]_m,m取值的共轭运算，表示取实部运算，均衡矩阵U＝[C-AA^T(C^*)^-1(AA^T)^*]^-1[A-(AA^T)(C^*)^-1A^*]，C＝AA^H+σ²I，B和C为计算中间值，并无实际物理意义，I为单位阵，σ²为噪声方差，等效信道矩阵 $A=(Q^H\&CircleTimes;I_{n_R})\mathrm{\&Omega;}(Q\&CircleTimes;I_{n_T})W(\mathrm{\&Lambda;}\&CircleTimes;I_{n_T})(F_{2M}\&CircleTimes;I_L),$ Q为子载波映射矩阵，它的映射起始与结束位置由所分配频域资源决定，Q^H为Q的共轭转置矩阵，A^T为A的转置矩阵，A^*为A的共轭矩阵，C^-1为C的逆矩阵，表示对角元素个数为n_R个的单位阵，表示对角元素个数为n_T个的单位阵，Ω为信道矩阵H特征值分解得到的分块对角阵，W为预编码矩阵分块阵，Λ为频域成型矩阵，它是一个2M×2M的对角矩阵，其对角线上元素是频域成型函数的2M个采样值，F_2M为广义傅里叶变换矩阵，其第(m,n)个元素为为矩阵或向量的Kronecker积。设频域有N_rb个频域资源块，其中每个频域资源块频域上占12个子载波，时域上占7个OFDM符号，由前述所得每个用户第l层上的第n个实值基带调制符号的信干噪比值SINR_l,n，1≤l≤L,1≤n≤2M，计算第c频域资源块上的等效信干噪比eff_SINR_c，1≤c≤N_rb，根据各个用户频域资源块上的等效信干噪比值计算第i个用户的第c个频域资源块上的和速率r_i,c。

步骤2：将N_rb个频域资源块分为N_sub个子带，前N_sub-1个子带中每个子带上频域资源块的个数为最后一子带个数根据步骤1所得每个用户每个频域资源块上的和速率，计算每个用户每个子带上的和速率；

λ_i,g表示第i个用户的第g个子带的频域资源调度的度量值，它等于第i个用户的第g个子带和速率与第i个用户平均速率的比值，用户平均速率更新见权利要求7。

第g个子带和速率等于此子带上所有频域资源块的和速率相加，即r_i,g＝Σr_i,c，g取值范围是1,2，…,N_sub。

步骤3：将所有用户所有子带上的频域资源调度的度量值λ_i,g从大到小排序得到向量V₁，从V₁中选择不大于N个用户进行调度，N为同时传输数据的用户上限数，N的选择由卫星传输信号能力决定，具体方法如下：

u表示V₁中已被调用用户个数，初始值为0，k表示V₁中第k个元素，J为被调用用户集合，初始为空集。从k＝1开始，如果第i个用户在集合J中，则k＝k+1，否则将i放入J中，同时u＝u+1，并判断u是否大于等于N，如果小于N，则k＝k+1继续判断直到u等于N，或当k指向V₁中最后一个元素后结束选择，此时所选调度用户个数为u。

步骤4：对频域资源进行连续分配，具体如下：

按步骤2)所述将频域资源块分成N_sub个子带的方式，计算被选中的u个用户的和速率，设第j个用户的第g个子带的和速率r_j,g，j的取值范围是1≤j≤u，其中g取值范围是1,2，…,N_sub，并将r_j,g从大到小进行排序得到向量V₂，S表示没有被分配的子带的集合，初始值为S＝{1,2,3，…,N_sub}，Z_j保存已分配给用户j的子带，初始为空集，用下标k表示V₂中第k个元素且k初值为1。开始时选择V₂中第k个值，为了说明方便假设第k个值是第j个用户的第g个子带的和速率r_j,g，如果Z_j为空集或者Z_j中存在数值x满足|x-g|＝1，则将g分配给用户j，即将g添加到集合Z_j中，同时将k值设为1，将值g从S集合中删除，并将V₂中所有用户的第g个子带的和速率删除；如果Z_j不为空，且Z_j中不存在数值x满足|x-g|＝1，则将k值加1，如此反复，直到S为空则结束分配。

步骤5：根据步骤4)频域资源分配情况，更新所有用户平均速率，将时间窗口向后滑动一个时隙，这样时间窗口中距当前时刻最远的和速率滑出时间窗口，当前时刻的和速率滑入时间窗口，将时间窗口内的各个和速率相加并除以时间窗口长度，得到平均传输速率，如果当前用户没有被调度，则此用户当前的和速率为0。

附图说明

图1为与本发明具体实施例一致的频域资源划分图；

图2为与本发明具体实施例一致的不同用户频域资源分配结果。

具体实施方案

设单小区中活动用户数为N_u，系统带宽为N_rb个频域资源块。每个用户每时隙可以分配多个连续频域资源块，但是1个频域资源块最多只能分配给1个用户，同时假设每个用户都有数据要发送。用x_i,c(t)表示第c个频域资源块是否分配给第i个用户，x_i,c(t)＝1表示t时刻将第c个频域资源块分配给第i个用户。信道质量根据频域资源块的不同、用户位置不同以及时间的变化而变化。用r_i,c(t)表示t时刻用户i在第c个频域资源块上的和速率。调度算法具体实施步骤如下：

步骤1：对于第i个用户的第c个资源块，1≤c≤N_rb，根据公式(1.2)～(1.6)计算各层上每个传输符号的信干噪比值，根据信干噪比值由公式(1.7)～(1.11)选择预编码矩阵和传输层数并计算和速率。由公式(1.12)计算等效信干噪比，由公式(1.13)计算第i个用户的第c个频域资源块上和传输速率r_i,c。

U＝[C-AA^T(C^*)^-1(AA^T)^*]^-1[A-(AA^T)(C^*)^-1A^*](0.3)

C＝AA^H+σ²I(0.4)

B＝U^HA(0.5)

$A=(Q^H\&CircleTimes;I_{n_R})\mathrm{\&Omega;}(Q\&CircleTimes;I_{n_T})G(\mathrm{\&Lambda;}\&CircleTimes;I_{n_T})(F_{2M}\&CircleTimes;I_L)---\left(0.6\right)$

$I_{k,n}(W,L)=\underset{l=1}{\overset{L}{\&Sigma;}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{k,n,l}(W,L\left)\right)---\left(0.7\right)$

$I_s(W,L)=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}\underset{n=1}{\overset{N_{sym}}{\&Sigma;}}{I}_{k,n}(W,L)---\left(0.8\right)$

$W_{L,s}^{*}=\arg \underset{W\&Element;W_L}{max}{I}_s(W,L)---\left(0.9\right)$

$L^{*}=\arg \underset{L}{max}\underset{s=1}{\overset{N_{sub}}{\&Sigma;}}{I}_s(W_L^{*},L)---\left(0.10\right)$

$r_{k,n,l}^{*}=r_{k,n,l}(W_{L^{*}}^{*},L^{*})---\left(0.11\right)$

$eff\_SINR=I^{-1}\left(\frac{1}{{\mathrm{LN}}_{rb}N}\underset{l\&Element;L}{\&Sigma;}\underset{k\&Element;N_{rb}}{\&Sigma;}\underset{n\&Element;N}{\&Sigma;}I\right(r_{k,n,l}^{*}\left)\right)---\left(0.12\right)$

r_i,c＝log₂(1+eff_SINR)(0.13)

其中[B]_m,m表示矩阵B第m行的第m列元素，表示[B]_m,m取值的共轭运算，表示取实部运算，Q^H为Q的共轭转置矩阵，A^T为A的转置矩阵，A^*为A的共轭矩阵，C^-1为C的逆矩阵，σ²为噪声方差，W为预编码矩阵，I表示和速率，I表示单位阵，Q为子载波映射矩阵，表示对角元素个数为n_R个的单位阵，表示对角元素个数为n_T个的单位阵，Ω为信道矩阵H特征值分解得到的分块对角阵，G为预编码矩阵分块阵，Λ为频域成型矩阵，F_2M为广义傅里叶变换矩阵，其第(m,n)个元素为为矩阵或向量的Kronecker积。W^*＝argmaxI(W,L)表示使得I(W,L)达到最大的W的值，L表示层数，SINR为信干噪比，eff_SINR等效信干噪比，

步骤2：根据步骤1所得第i个用户的第c个频域资源块上的r_i,c，1≤i≤N_u，由式(1.1)计算λ_i,c值，将整个频域资源分为N_sub组，前N_sub-1个子带上频域资源块的个数为最后一个子带频域资源块数为由式(1.14)计算第i个用户的第g组的和速率λ_i,g。将所有用户所有组上的λ_i,g从大到小排序得向量V₁；

步骤3：从V₁中选择不大于N个用户进行调度，N为同时传输数据的用户上限数，具体方法如下：

u表示V₁中已被调用用户个数，初始值为0，k表示V₁中第k个元素，J为被调用用户集合，初始为空集。从k＝1开始，如果第i个用户在集合J中，则k＝k+1，否则将i放入J中，同时u＝u+1，并判断u是否大于等于N，如果小于N，则k＝k+1继续判断直到u＝N或当k指向V₁中最后一个元素后结束选择，此时所选调度用户个数为u。

步骤4：对频域资源进行连续分配，具体如下：

将选中的u个用户的和速率值r_j,c按公式(1.15)进行分组得到r_j,g，j的取值范围是1≤j≤u，并将r_j,g从大到小进行排序，得向量排序得向量V₂，其中g取值范围是1,2，…,N_sub。S表示没有被分配的子带的集合，初始值为S＝{1,2,3，…,N_sub}，Z_j表示已分配给用户j的子带，初始为空集，用k表示V₂中第k个元素下标且k初值为1。为了说明方便假设第k个值时第j个用户的的第g个子带的和速率r_j,g，如果Z_j为空集或者Z_j中存在数值x满足|x-g|＝1，则将g分配给用户j，即将g添加到集合Z_j中，同时将k值设为1，将值g从S集合中删除，并将V₂中所有用户的第g个子带的和速率删除；如果Z_j不为空，且Z_j中不存在数值x满足|x-g|＝1，则将k值加1，如此反复，直到S为空则结束分配；

步骤5：更新平均速率，由式(1.16)更新用户平均速率，其中C_i(t)表示当前时刻用户i的传输速率，1≤i≤N_u，由公式(1.17)计算所得。如果用户i当前没有被调度，则C_i(t)＝0，t_c为时间窗口的长度，它的取值会对性能造成一定影响，t_c的取值可以通过多次仿真比较获得。注意如果用户i当前没有被调度也要更新R_i(t)。

$R_i(t+1)=(1-\frac{1}{t_c})R_i\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{C}_i\left(t\right)---\left(0.16\right)$

$C_i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}{x}_{i,c}{r}_{i.c}\left(t\right)---\left(0.17\right)$

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双极化天线卫星移动通信偏移单载波OSC调制频域资源分配的方法，包括以下步骤：

a)频域资源分配步骤：卫星将用户终端上报的信道质量信息转发给地面信关站，信关站根据用户终端所报信道质量信息为每个用户分配频域资源，并利用卫星将频域资源分配信息通过控制信道发送给小区用户，进行频域资源分配时不同用户终端所占频域资源不同；

b)小区用户根据接收到的频域资源分配信息选择频域资源进行信号传输，其具体为：

用户设备UE₁,...,UE_u，1≤u≤N，u为同时传输数据的用户数，N为小区中同时传输数据的用户个数上限值，每个用户待发送比特信息经过差错控制编码、交织和基带符号映射操作，获得基带调制符号；

所得基带调制符号通过空分复用层映射到L层上，其中1≤L≤n_T，n_T为发送端天线数；

在每层上，将每个用户的基带调制符号按长度M划分为块，并将其实部和虚部分离，得到长度为2M的实值基带调制符号矢量，分别对每层上2M点实值基带调制符号矢量做2M点广义傅里叶变换和频域成型，最后通过预编码矩阵，将L层上的频域成型后的符号映射到n_T根发送天线上，再对每根天线上的数据做IFFT变换，并插入CP后发送出去；卫星接收用户设备的发送信号，然后将其转发到信关站并进行信号处理。

2.根据权利要求1所述的双极化天线卫星移动通信偏移单载波OSC调制频域资源分配的方法，所述步骤a)包括以下步骤：

1)计算每个用户每个频域资源块上的等效信干噪比值；

2)将N_rb个频域资源块分为N_sub个子带，并计算每个子带上的和速率；

3)选择u个调度用户；

4)为每个用户分配连续频域资源。

3.如权利要求1所述双极化天线卫星移动通信偏移单载波OSC调制频域资源分配的方法，其中：

所述信关站根据用户终端所报信道质量信息为每个用户分配频域资源具体包括以下步骤：

计算每个用户每层上每个实值基带调制符号的信干噪比值，其中信干噪比值等于期望信号功率比上信号干扰功率与噪声功率之和，期望信号功率为信号干扰功率与噪声功率之和为其中B＝U^HA，[B]_m,m表示矩阵B第m行的第m列元素，表示[B]_m,m取值的共轭运算，表示取实部运算，均衡矩阵U＝[C-AA^T(C^*)^-1(AA^T)^*]^-1[A-(AA^T)(C^*)^-1A^*]，C＝AA^H+σ²I,B和C为计算中间值，并无实际物理意义，I为单位阵，σ²为噪声方差，等效信道矩阵 $A=(Q^H\&CircleTimes;I_{n_R})\mathrm{\&Omega;}(Q\&CircleTimes;I_{n_T})G(\mathrm{\&Lambda;}\&CircleTimes;I_{n_T})(F_{2M}\&CircleTimes;I_L),$ Q为子载波映射矩阵，它的映射起始与结束位置由所分配频域资源决定，Q^H为Q的共轭转置矩阵，A^T为A的转置矩阵，A^*为A的共轭矩阵，C^-1为C的逆矩阵，表示对角元素个数为n_R个的单位阵，表示对角元素个数为n_T个的单位阵，Ω为信道矩阵H特征值分解得到的分块对角阵，G为预编码矩阵分块阵，Λ为频域成型矩阵，它是一个2M×2M的对角矩阵，其对角线上元素是频域成型函数的2M个采样值，F_2M为广义傅里叶变换矩阵，其第(m,n)个元素为 为矩阵或向量的Kronecker积；

其中频域有N_rb个频域资源块，每个频域资源块频域上占12个子载波，时域上占7个OFDM符号，由前述所得每个用户第l层上的第n个实值基带调制符号的信干噪比值SINR_l,n，1≤l≤L,1≤n≤2M，计算第c频域资源块上的等效信干噪比eff_SINR_c，1≤c≤N_rb，根据各个用户频域资源块上的等效信干噪比值计算第i个用户的第c个频域资源块上的和速率r_i,c。

4.如权利要求2所述双极化天线卫星移动通信偏移单载波OSC调制频域资源分配的方法，其中所述步骤2)具体为：

将N_rb个频域资源块分为N_sub个子带，前N_sub-1个子带中每个子带上频域资源块的个数为最后一子带个数计算每个用户每个子带上的和速率；

λ_i,g表示第i个用户的第g个子带的频域资源调度的度量值，它等于第i个用户的第g个子带和速率与第i个用户平均速率的比值；

第g个子带和速率等于此子带上所有频域资源块的和速率相加，即r_i,g＝Σr_i,c，g取值范围是1,2,...,N_sub。

5.如权利要求2所述双极化天线卫星移动通信偏移单载波OSC调制频域资源分配的方法：

将所有用户所有子带上的频域资源调度的度量值λ_i,g从大到小排序得到向量V₁，从V₁中选择不大于N个用户进行调度，N的选择由卫星传输信号能力决定，具体方法如下：

u表示V₁中已被调用用户个数，初始值为0，k表示V₁中第k个元素，J为被调用用户集合，初始为空集；

从k＝1开始，如果第i个用户在集合J中，则k＝k+1，否则将i放入J中，同时u＝u+1，并判断u是否大于等于N，如果小于N，则k＝k+1继续判断直到u等于N，或当k指向V₁中最后一个元素后结束选择，此时所选调度用户个数为u。

6.如权利要求5所述双极化天线卫星移动通信偏移单载波OSC调制频域资源分配的方法，其中所述步骤4)具体为：

按步骤2)所述将频域资源块分成N_sub个子带的方式，计算被选中的u个用户的和速率，设第j个用户的第g个子带的和速率r_j,g，j的取值范围是1≤j≤u，其中g取值范围是1,2，…,N_sub，并将r_j,g从大到小进行排序得到向量V₂，S表示没有被分配的子带的集合，初始值为S＝{1,2,3，…,N_sub}，Z_j保存已分配给用户j的子带，初始为空集，用下标k表示V₂中第k个元素且k初值为1；

开始时选择V₂中第k个值，假设第k个值是第j个用户的第g个子带的和速率r_j,g，如果Z_j为空集或者Z_j中存在数值x满足|x-g|＝1，则将g分配给用户j，即将g添加到集合Z_j中，同时将k值设为1，将值g从S集合中删除，并将V₂中所有用户的第g个子带的和速率删除；如果Z_j不为空，且Z_j中不存在数值x满足|x-g|＝1，则将k值加1，如此反复，直到S为空则结束分配。

7.如权利要求6所述双极化天线卫星移动通信偏移单载波OSC调制频域资源分配的方法，其特征在于：

根据步骤4)频域资源分配情况，更新所有用户平均速率，将时间窗口向后滑动一个时隙，这样时间窗口中距当前时刻最远的和速率滑出时间窗口，当前时刻的和速率滑入时间窗口，将时间窗口内的各个和速率相加并除以时间窗口长度，得到平均传输速率，如果当前用户没有被调度，则此用户当前的和速率为0。