CN103401670A - Lte 下行系统中一种两步式资源块分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了LTE下行系统中一种两步式资源块分配方法，首先根据用户的优先级给每个用户分配相应的调度块；再调整分配给每个用户的调度块个数，即先假设取消某个用户信道状态最差的调度块，若此时的数据速率大于等于取消前的数据速率，则取消该调度块，否则不取消；再假设用被取消的调度块替换其他用户的信道状态最差的调度块，若替换后的数据速率大于替换前的数据速率，则替换该调度块，否则不替换；以此类推；最后将剩余调度块分配给MCS较小的用户。本发明提高了用户的数据传输速率，使资源更加有效的被利用，也使整个系统的吞吐量得到了提升，并获得了更加灵活的分配方案，但却没有引入很大的计算复杂度。

Description

LTE 下行系统中一种两步式资源块分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及LTE下行系统中一种两步式资源块分配方法。

背景技术

相比于2G和3G网络，LTE系统能够提供更高的传输速率和更好的传输质量。因此，LTE系统也成为当下研究的热点。近年来，随着新无线通信业务的不断涌现以及人们对通信质量要求的不断上升，无线资源日显紧缺。通信系统一直面临这样的挑战——利用有限的资源来满足日益增长的用户数和更高的数据速率需求。面对现在通信的局面，以及通信信道的特性，如何在有限的资源情况下提高系统容量并满足用户的服务质量要求，成为通信系统中亟待解决的问题。

构成一个信道的资源包括许多，由1G系统的频带，到2G系统的时隙，再到3G时代的频域、时隙和码道。现如今，以正交频分（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM）技术为基础的LTE系统，其资源主要指的是子载波、各子载波上的功率，以及比特在子载波上传输。资源分配有两个不同的分配原则：最大化总的数据速率和最小化总的发送功率。最大化总的传输速率就是在分配的过程过以数据传输为目标，使得分配到各用户的资源都能尽可能多的传输数据。同理，最小化总的发送功率就是功率最小为分配目标。

OFDMA技术是LTE下行传输系统中的一个重要的传输机制。OFDM系统中的资源分配技术已经有了很广泛的研究。在OFDM系统中，每个子载波作为独立的调度块，分配给每个用户不同子载波都可以使用不同的调制编码方式。不同于OFDM系统，在LTE系统中，每12个子载波组合成为一个资源块，两个连续的资源块作为一个最小的调度块。同时，LTE下行系统中规定，分配给同一个用户的所有调度块必须使用相同的调试编码方式，然而该调制编码方式由信道状态最差的调度块决定。文献[1]（R.Kwan,C.Leung,and J.zhang,“Resource allocation in an LTEcellularcommunication system,”IEEE Int.Conf.Commun.,pp.1-5,June2009.）首先讨论了这个问题，并且给出了最优和次优的分配算法。此后，有很多的文献研究此类问题。

LTE下行系统中的资源块分配也有了比较广泛的研究，比较经典的分配算法有最大速率算法和比例公平算法。最大速率算法以用户系统的最大的传输速率为目标，没有考虑用户的公平性。文献[2]（R.Kwan,C.Leung,and J.zhang,“Proportionalfair multiuser schedulingin LTE,”IEEE Signal Process.Lett.,vol.16,pp.461-464,June2009.）给出了一种LTE下行系统中比例公平的分配机制，该算法分为优先级确定和资源块分配两部分，很好的保证了各个用户的公平性，但是却没有考虑用户的需求。文献[3]（Yinqing Zhou,Lin Tian,Gang Sun,and Shi Jinglin,“QoSguaranteedresource block allocation algorithm for LTE systems,”IEEE WiMob,pp.304-312.Oct.2011.）提出了一种服务质量（Quality of Service，Qos）保证的资源块分配方法。该方法（Qos算法）是根据比例公平原则给每个用户分配资源，同时对没有达到最小数据速率的用户继续分配资源，直到达到需求为止。该方法的优点是均衡了用户的公平性和用户的速率需求，但是也存在着以下的不足。首先系统的性能受限于最差信道状态的调度块，信道状态较好的调度块没有得到有效的利用；随着用户速率需求的提高，优先级较小的用户的性能就不能得到保证；将剩余的调度块只分配给优先级最高的用户，也没有使得这些资源得到有效的利用。

由以上的论述可以得出，传统的资源分配方法各有优缺点。最大速率算法能够获得较高的系统吞吐量，但是没有考虑用户分配的公平性，使得有的用户资源过剩，而有的用户无法达到最小速率需求。比例公平算法很好的考虑了用户的公平性，使得每个用户都能分配到相应的资源，然而却没有考虑用户的速率需求，使得一些用户不能达到其最小速率需求。Qos保证的算法，综合的考虑了用户公平性和速率需求，但是由于分配规则的限定，系统的总体性能受到限制以及部分用户的需求还是不能很好的满足。

发明内容

本发明的目的在于提供LTE下行系统中一种两步式资源块分配方法，该方法不仅综合考虑了用户的速率需求和用户分配的公平性，而且使得分配给用户的资源被利用的更加充分。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1）确定初始的分配策略并分配调度块：

按照所有用户的优先级从高到低的顺序确定每个用户分配调度块的顺序，并将第k个进行分配的用户记为用户k，再确定每个用户需要的调度块的个数，并给每个用户分配相应个数的调度块，其中用户k所需要的调度块的个数N_k由下式得到，

表示用户k的平均信道信息，R_k是用户k最小数据速率需求，K是系统中总的用户数，N是系统中调度块的总数，且N≥N₁+N₂+……+N_k；

2）调整分配给每个用户的调度块的个数

在步骤1）完成后，再按照用户分配调度块的顺序依次调整分配给每个用户的调度块的个数，具体步骤为：

2-1）假设取消用户1的N₁个调度块中信道状态最差的一个调度块，计算此时用户1所能达到的数据速率，若此时的数据速率大于等于取消之前的数据速率，则取消用户1的该调度块，即给用户1分配N₁－1个调度块，再依次进行步骤2-2）和步骤2-3）；若取消调度块后的数据速率小于取消之前的数据速率，则不取消用户1的该调度块，然后直接进行步骤2-3）；

2-2）当给用户1分配N₁－1个调度块时，假设用步骤2-1）中被取消的调度块替换用户2的N₂个调度块中信道状态最差的一个调度块，若替换后的数据速率大于替换之前的数据速率，则替换用户2的该调度块，否则不替换用户2的该调度块；

2-3）继续假设取消用户2的N₂个调度块中信道状态最差的一个调度块，计算此时用户2所能达到的数据速率，若此时的数据速率大于等于取消之前的数据速率，则取消用户2的该调度块，即给用户2分配N₂－1个调度块；否则不取消用户2的该调度块；被取消后未进行替换的调度块和被替换掉的调度块都成为系统中的自由调度块；

2-4）按照步骤2-1）至步骤2-3）中的规则递推，判断系统中所有自由调度块中的每一个调度块是否替换用户3的信道状态最差的一个调度块，再判断用户3是否取消其信道状态最差的一个调度块，直至判断用户k是否取消其信道状态最差的一个调度块，并在满足条件时取消用户k的该调度块；最终得到的所有自由调度块和系统中初始分配剩余的调度块一起组成剩余调度块；

3）分配剩余调度块

将剩余调度块中的每个调度块的MCS与经过步骤2）处理后的每个用户的MCS进行比较，当某个用户的MCS小于等于某个调度块的MCS时，将该调度块分配给该用户，否则不分配；此时即完成了LTE下行系统中的两步式资源块分配。

所述的步骤1）中的优先级采用以下三种中的任意一种，

第一种：p_k=1/R_k

第二种： $p_k={\stackrel{\‾}{c}}_k=\frac{1}{c_k}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k,n}$

第三种： $p_k={\mathrm{\σ}}_k^2/R_k,{\mathrm{\σ}}_k^2=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(c_{k,n}-{\stackrel{\‾}{c}}_k)}^2$

其中p_k表示用户k的优先级，c_k,n表示用户k在第n个调度块上的信道状态信息，R_k是用户k最小数据速率需求，

表示用户k的平均信道信息，N是系统中调度块的总数。

所述的步骤1）中的优先级采用下式表示，

$p_k={\mathrm{\σ}}_k^2/R_k,{\mathrm{\σ}}_k^2=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(c_{k,n}-{\stackrel{\‾}{c}}_k)}^2$

其中p_k表示用户k的优先级，c_k,n表示用户k在第n个调度块上的信道状态信息，R_k是用户k最小数据速率需求，

表示用户k的平均信道信息，N是系统中调度块的总数。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明从以下几个方面提高了用户的性能。首先，对于一个用户，当取消其信道状态最差的调度块后的数据速率大于等于取消之前的数据速率时，取消该用户的该调度块，因此本发明通过取消用户信道状态最差的调度块可以使得用户的MCS变大，从而使得其数据传输速率得到提升。其次，被取消的调度块成为自由调度块，可以分配给其他的用户，相当于增加了可分配调度块的个数；当用自由调度块替换其他用户信道状态最差的调度块后的数据速率大于替换之前的数据速率时，则进行替换，因此本发明可以通过将自由调度块分配给其他用户，从而使得其他用户获得信道状态更好的调度块，提高其他用户的数据传输速率。另外，本发明还将剩余调度块进行了合理分配，当用户的MCS小于等于剩余调度块的MCS时，将剩余调度块分配给该用户，分配后不会使得用户的MCS变小，而且会提高用户的数据传输速率，使得资源更加有效的被利用，也使得整个系统的吞吐量得到了提升。本发明适当的放松了最差信道状态的调度块对用户数据速率的限制，使得系统性能得到的很好的提升，并获得了更加灵活的分配方案，但是却没有引入很大的计算复杂度。

进一步的，本发明提出的第三种优先级的判断方法结合了信道状态和最小数据速率需求，使得优先级的判断方法更合理，可以从另一个方面提升系统的性能。

附图说明

图1为LTE下行系统中资源分配的系统模型图；

图2为本发明资源分配的流程图；

图3为本发明重分配方案的示例图；

图4为本发明在三种不同优先级下的系统吞吐量的仿真曲线图；

图5为不同资源分配方法下的用户公平性的仿真曲线图；

图6为不同资源分配方法下的系统吞吐量的仿真曲线图；

图7为不同资源分配方法下的未达到需求的速率和用户数关系的仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明针对的是长期演进（Long Term Evolution，LTE）下行系统中的资源块分配方法。LTE系统规定分配给同一个用户的所有调度块使用相同的调制编码方案（Modulation and Coding Scheme，MCS），而这个调制编码方案由分配给该用户的所有调度块中信道状态最差的调度块决定。显然，系统的性能受限于信道状态最差的调度块。为了解决这个问题，本发明提出了一种资源有效利用的块分配方案。首先根据比例公平准则计算出每个用户需要的调度块的个数以及每个用户的优先级，并给每个用户分配相应的调度块。对于一个特定用户，如果取消其信道状态最差的调度块，该用户的MCS就由信道状态次差的调度块决定，从而该用户的MCS上升一个层次。因此，如果取消其最差信道状态的调度块能够使得该用户的数据速率提高，则取消这个调度块的分配，否则不做任何处理。这些被取消的调度块便成为自由的调度块，可以分配给其他的用户，相当于增加了可分配调度块的个数。最后，当满足所有用户的最小数据速率需求之后还存在剩余调度块，则将剩余调度块分配给MCS小于等于剩余调度块MCS的用户，从而使得分配剩余调度块不会改变用户的MCS。仿真结果表明，本发明不仅能够获得更高的系统吞吐量，而且没有引入太高的复杂度。

在LTE下行系统中，为了简化传输处理，对于资源分配有以下的规定：

a.每个用户分配到的所有调度块必须使用相同的MCS

b.用户的MCS由分配给该用户的调度块中信道状态最差的调度块决定

由于以上的规定，系统的吞吐量受到了限制。

图1是LTE下行系统中资源分配的系统模型图。从图1中可以看出，一个小区中有5个用户分布在基站的周围。每个用户将信道状态信息反馈给基站，基站根据这些反馈的信息给每个用户分配资源。图1中可见，分配给每个用户的调度块具有不同的MCS，然而每个用户的MCS是由信道状态最差的调度块决定的，例如用户2（U2）有6个调度块，6个调度块的MCS分别是9、8、7、6、5和4，用户2的MCS是4；用户3有3个调度块，3个调度块的MCS分别是11、10和9，用户3的MCS是9。

在资源分配算法中有两种优化目标，一个是最大化用户的传输速率，另一个是最小化用户的发射功率。本发明的优化目标是最大化用户的数据传输速率。

首先确定一个调度块在单位时间内所能传输的数据速率

为：

$r_{\mathrm{au}}^j=\frac{r^j{N}_{\mathrm{au}}}{T_s}$

其中，r^j是当MCS为j时的符号传输速率，N_au是一个调度块中所包含的符号数，T_s是一个OFDM符号的持续时间。

定义二进制数a_k,n为资源分配指示，如果a_k,n=1则表示第n个调度块分配给了用户k（Uk）。由于在LTE系统中一个调度块只能分配给一个用户，如果a_k,n=1则

。另外，变量b_k,j用于标识用户k是否选择了第j个MCS。设向量c_k=[c_k,1,c_k,1,…c_k,N]^T为用户k反馈的CQI等级，N_k为分配给用户k的调度块的个数。基站总是在可分配的调度块中选择信道状态最好的N_k个调度块分配给用户k。第k个用户可以达到的数据速率r_k可以表示为：

$r_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k,j}{r}_{\mathrm{au}}^j$

从而，最大化用户的数据传输速率的优化问题可以表述为：

$\underset{a_{\text{k,n}},b_{k,j}}{\max }\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k,j}{r}_{\mathrm{au}}^j$

限制条件为：

$r_k\≥R_k,\∀k$

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k,n}=1,\∀n,a_{k,n}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$

$\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{k,j}=1,\∀k,b_{k,j}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}$

其中，R_k是用户k最小数据速率需求，K表示系统中总的用户数，N表示系统中总的调度块个数，J表示系统中总的MCS个数。

第一个限制条件保证了每个用户获得的数据速率要满足最小传输速率的需求；第二个限制条件说明一个调度块只能分配给一个用户；第三个限制条件表明一个用户只能选择唯一的调制编码方式。另外还有第四个限制条件，即用户的调制编码方式由分配给该用户的调度块中信道状态最差的调度块决定的。因此可见求出这个优化问题的最优解会面临很高的计算复杂度，因此，本发明倾向于低复杂度的次优算法。

本发明提出的算法降低了最差信道状态的调度块对用户数据速率的影响，从而获得了更高的系统吞吐量，资源块的分配也更加灵活，并且用户的公平性也得到了提高。

图2给出了本发明的资源分配的系统流程图，首先根据比例公平准则计算出每个用户需要的调度块的个数以及每个用户的优先级，然后对每个用户分配资源。如果用户k获得的数据速率r_k没有达到其最小数据速率需求R_k，则继续给该用户分配资源。对于每个用户，假设取消其信道状态最差的一个调度块，并计算此时该用户获得的数据速率r_k’。如果该数据速率大于取消前的数据速率r_k，则取消该调度块。当所有的用户都达到最小数据速率需求之后，分配剩余的调度块。由图中可以看出分配过程主要分为三个部分：确定初始的分配策略并分配调度块，调整分配给每个用户的调度块的个数，以及分配剩余调度块。

1.确定初始的分配策略并分配调度块

初始的分配策略就是根据比例公平机制确定每个用户需要的调度块的个数和每个用户的优先级。按照所有用户的优先级从高到低的顺序确定每个用户分配调度块的顺序，并将第k个进行分配的用户记为用户k，再确定每个用户需要的调度块的个数，并给每个用户分配相应个数的调度块。

传统的比例公平算法认为每个用户需要的调度块的个数和用户的最小数据速率需求成正比，也就是说用户需要达到越高的数据速率，就要给该用户分配更多的资源。在本发明中，每个用户需要的调度块的个数和用户最小数据速率需求成正比，和平均信道状态信息反比。

$\frac{R_1}{{\stackrel{\‾}{c}}_1}:\frac{R_2}{{\stackrel{\‾}{c}}_2}:...:\frac{R_k}{{\stackrel{\‾}{c}}_k}=N_1:N_2:...:N_k$

上面的公式从数学上表述了本发明中的比例公平规则，其中

表示用户k的平均信道信息，R_k是用户k最小数据速率需求。很显然，数据速率需求越高，需要越多的资源来满足。同时信道状态越差，也需要更多的资源来满足用户的传输需求。在本发明中认为较低数据速率需求的用户会被先分配，从而使得这些用户能获得高的MCS，并且其余的用户会有更高的可能性达到其数据速率需求。因此更低的最小数据速率需求，会获得更高的优先级。

从而可以很轻易的得出用户k所需要的调度块的个数N_k。

其中：N是系统中调度块的总数，K是系统中总的用户数。每个用户需要的调度块数通过比例和取整运算求得，且N≥N₁+N₂+……+N_k。

2.调整分配给每个用户的调度块的个数

在LTE系统中，分配给同一个用户所有调度块必须使用相同的MCS，然而其MCS是由分配给该用户的调度块中信道状态最差的调度块决定的。只有这样才能保证所有用于数据传输的调度块能够正确的接收。然而，具有较好的信道状态的调度块不能被有效的利用，系统的性能也因此受到了限制。

由于以上的分配准则，而想到如果没有信道状态最差的调度块的分配，那么该用户的调制编码方式将会上升一个层次，从而有可能使得该用户获得的数据速率提高。本发明就是基于这个思想提出的。在一个用户进行了初始分配之后，假设取消最差的信道状态对应的调度块，然后计算此时该用户所能达到的数据速率。如果此时的数据速率高于取消信道状态最差的调度块之前获得的数据速率，则取消这个调度块的分配。

另外，这些被取消的调度块就变成了自由调度块，可以分配给其他的用户。相当于整个系统的可分配的调度块的数目增加了，从另一个方面提升了系统的性能。

按照用户分配调度块的顺序依次调整分配给每个用户的调度块的个数，具体步骤为：

2-1）假设取消用户1的N₁个调度块中信道状态最差的一个调度块，计算此时用户1所能达到的数据速率，若此时的数据速率大于等于取消之前的数据速率，则取消用户1的该调度块，即给用户1分配N₁－1个调度块，再依次进行步骤2-2）和步骤2-3）；若取消调度块后的数据速率小于取消之前的数据速率，则不取消用户1的该调度块，然后直接进行步骤2-3）；

2-2）当给用户1分配N₁－1个调度块时，假设用步骤2-1）中被取消的调度块替换用户2的N₂个调度块中信道状态最差的一个调度块，若替换后的数据速率大于替换之前的数据速率，则替换用户2的该调度块，否则不替换用户2的该调度块；

2-3）继续假设取消用户2的N₂个调度块中信道状态最差的一个调度块，计算此时用户2所能达到的数据速率，若此时的数据速率大于等于取消之前的数据速率，则取消用户2的该调度块，即给用户2分配N₂－1个调度块；否则不取消用户2的该调度块；被取消后未进行替换的调度块和被替换掉的调度块都成为系统中的自由调度块；

2-4）按照步骤2-1）至步骤2-3）中的规则递推，判断系统中所有自由调度块中的每一个调度块是否替换用户3的信道状态最差的一个调度块，再判断用户3是否取消其信道状态最差的一个调度块，直至判断用户k是否取消其信道状态最差的一个调度块，并在满足条件时取消用户k的该调度块；最终得到的所有自由调度块和系统中初始分配剩余的调度块一起组成剩余调度块；

图3给出了本发明重分配方案的示例。图3中同样给出了一个小区中的5个用户，每个用户分配到的调度块的个数与图1中相同。假设一个调度块中只传输一个符号。以用户2（U2）为例，信道状态最差的调度块被取消之后，用户2的MCS上升到了5，剩余5个调度块，然而此时的数据速率从原来的3.6096上升到4.3850。同时这个被取消的调度块在用户3（U3）处有了更好的信道状态，从而使得用户3分配到的调度块上升了一个阶层。相比于没有进行资源重分配，用户3的数据速率得到了提升。同理，用户4（U4）和用户5（U5）的数据速率也得到了提升。

在实际系统中，信道状态最差的调度块不止一个，因此可以获得的自由调度块也不止一个。虽然这些调度块在当前用户上的信道状态是最差的，但是在其他用户上或许更好，因此，这些自由调度块可以分配给比这个用户优先级低的其他用户，以获得更高的数据速率。

3.分配剩余调度块

当所有的用户都达到了其最小的数据速率之后，可能还会有一些剩余调度块。如果不对这些剩余调度块予以处理，则会造成资源的浪费，但是也不能将这些资源任意的分配给特定的用户。本发明将这些剩余的调度块分配给经过步骤2）处理后MCS较小的用户，并且保证每个用户的MCS不变。也就是说，对于每一个剩余调度块，将其MCS与经过步骤2）处理后的每个用户的MCS进行比较，当某个用户的MCS小于等于该调度块的MCS时，将该调度块分配给该用户，否则不分配。这样，一些用户分配到的调度块的数目增加，但是其MCS没有改变，那么系统获得的数据速率就会得到提升。

本发明的仿真是在LTE下行的系统级仿真平台上完成的。假设在多个用户均匀的分布在一个小区中，不考虑小区间干扰。用户与基站间的信道模型选择的是SCM信道。系统带宽为20MHZ对应于50个调度块。用户向基站反馈全部的信道状态信息。具体的各个参数设置如表1所示。所有的仿真结果都是由1000次以上的信道平均得到的。

表1.仿真参数表

图4给出了本发明在三种不同优先级下的系统吞吐量。这三种优先级可以分别表示为以下的公式：

第一种：p_k=1/R_k

第二种： $p_k={\stackrel{\‾}{c}}_k=\frac{1}{c_k}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k,n}$

第三种： $p_k={\mathrm{\σ}}_k^2/R_{k,}{\mathrm{\σ}}_k^2=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(c_{k,n}-{\stackrel{\‾}{c}}_k)}^2$

其中：p_k表示用户k的优先级，c_k,n表示用户k在第n个调度块上的信道状态信息，R_k是用户k最小数据速率需求，

表示用户k的平均信道信息，N是系统中调度块的总数。第一种优先级（优先级1）取决于用户的最小数据速率需求，也就是说用户数据速率需求越小，用户拥有更高的优先级。第二种优先级（优先级2）是由用户的信道状态信息决定的，很显然，信道状态越好的用户具有较高的优先级。第三种优先级（优先级3）是将最小数据速率和信道状态结合考虑，用户的信道状态用其方差来表征。也就是说给信道状态较好，数据速率需求较低的用户优先分配资源。

由仿真结果可以看出（图4），对于同一种分配算法——本发明提出的分配方法，第三种优先级呈现出了最好的系统吞吐量。也就是说综合考虑信道状态和数据速率需求的优先级设定方案，能够提高用户的系统性能。

图5给出了不同分配方法下用户公平性的仿真曲线图。在资源分配过程中，公平性作为一个基本的因素，用来衡量用户之间的分配是否合理。在本发明中，引入了公平性因子，用以判断用户的公平性。

$I=\frac{{\left(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_k\right)}^2}{K\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_k^2}$

上述公式给出了公平性因子的计算方法。其中I为公平性因子，K为系统中总的用户数，T_k是用户k平均数据速率。

可以看出公平性因子越接近于1，则表示对各用户的资源分配越公平。从图5中可以看出，最大速率算法呈现出了很差的公平性，随着用户数的增加，其公平性急剧下降。另外，本发明提出的分配方法（本发明算法）、Qos算法和比例公平算法（PF算法）具有比较接近的公平性，当用户数达到14时，其公平性因子不低于0.9。将这三种算法进行比较，可以看出，本发明提出的分配方法具有最好的公平性，而比例公平算法的公平性是三者中最差的。

图6给出了不同分配方法下统吞吐量的仿真曲线图。比较了最大速率算法、Qos算法、比例公平算法（PF算法）和本发明提出的分配方法（本发明算法）的系统吞吐量。由图6中可以看出，比例公平算法获得的系统吞吐量在四个算法中时最低的。相比于比例公平算法，Qos算法的吞吐量有了很大的提升。最大速率算法和本发明提出的分配方法获得了比较相近的系统吞吐量，当用户数较少的时候，本发明提出的分配方法的吞吐量甚至高于最大速率算法。由于LTE下行系统的分配规则的限制，最大速率算法分配到的资源不能得到有效的利用，但本发明提供的分配方法能够较好的利用资源。

图7给出了不同分配方法下未达到需求的速率和用户数关系。这里的未达到需求的速率是指所有用户中数据速率没有达到最小数据速率需求的部分的和。用公式表示为：

$r_u=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k,P_k=\left\{\begin{array}{cc}{R}_k-r_k& R_k>r_k\\ 0& R_k\≤r\end{array}\right.$

其中，r_u表示系统中总的未达到速率，r_k表示用户k达到的数据速率，R_k表示用户k最小数据速率需求，K为系统中总的用户数。

由图7中可以看出，比例公平算法（PF算法）由于没有考虑用户的数据速率需求，因此其未达到的速率随着用户数增加而急剧增加。相比较之下，Qos算法的未达到速率比比例公平算法低得多。而本发明提出的分配方法（本发明算法），在用户数小于12时一直维持为0。当用户数增加到18，其未达到速率也没有超过0.1Mbit/s。

由图5-7可以看出，本发明提供的分配方法，具有最好的公平性，最低的未达到速率，且其系统吞吐量与现有算法中最好的系统吞吐量（最大速率算法）不相上下，但却能够较好的利用整个系统的资源，对调度块进行合理分配，提高用户的数据传输速率和整个系统的性能。仿真结果表明，本发明不仅能够获得更高的系统吞吐量，而且没有引入太高的复杂度。

Claims (3)

1.LTE下行系统中一种两步式资源块分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）确定初始的分配策略并分配调度块：

按照所有用户的优先级从高到低的顺序确定每个用户分配调度块的顺序，并将第k个进行分配的用户记为用户k，再确定每个用户需要的调度块的个数，并给每个用户分配相应个数的调度块，其中用户k所需要的调度块的个数N_k由下式得到，

表示用户k的平均信道信息，R_k是用户k最小数据速率需求，K是系统中总的用户数，N是系统中调度块的总数，且N≥N₁+N₂+……+N_k；

2）调整分配给每个用户的调度块的个数

在步骤1）完成后，再按照用户分配调度块的顺序依次调整分配给每个用户的调度块的个数，具体步骤为：

2-1）假设取消用户1的N₁个调度块中信道状态最差的一个调度块，计算此时用户1所能达到的数据速率，若此时的数据速率大于等于取消之前的数据速率，则取消用户1的该调度块，即给用户1分配N₁－1个调度块，再依次进行步骤2-2）和步骤2-3）；若取消调度块后的数据速率小于取消之前的数据速率，则不取消用户1的该调度块，然后直接进行步骤2-3）；

2-2）当给用户1分配N₁－1个调度块时，假设用步骤2-1）中被取消的调度块替换用户2的N₂个调度块中信道状态最差的一个调度块，若替换后的数据速率大于替换之前的数据速率，则替换用户2的该调度块，否则不替换用户2的该调度块；

2-3）继续假设取消用户2的N₂个调度块中信道状态最差的一个调度块，计算此时用户2所能达到的数据速率，若此时的数据速率大于等于取消之前的数据速率，则取消用户2的该调度块，即给用户2分配N₂－1个调度块；否则不取消用户2的该调度块；被取消后未进行替换的调度块和被替换掉的调度块都成为系统中的自由调度块；

2-4）按照步骤2-1）至步骤2-3）中的规则递推，判断系统中所有自由调度块中的每一个调度块是否替换用户3的信道状态最差的一个调度块，再判断用户3是否取消其信道状态最差的一个调度块，直至判断用户k是否取消其信道状态最差的一个调度块，并在满足条件时取消用户k的该调度块；最终得到的所有自由调度块和系统中初始分配剩余的调度块一起组成剩余调度块；

3）分配剩余调度块

将剩余调度块中的每个调度块的MCS与经过步骤2）处理后的每个用户的MCS进行比较，当某个用户的MCS小于等于某个调度块的MCS时，将该调度块分配给该用户，否则不分配；此时即完成了LTE下行系统中的两步式资源块分配。

2.根据权利要求1所述的LTE下行系统中一种两步式资源块分配方法，其特征在于：所述的步骤1）中的优先级采用以下三种中的任意一种，

第一种：p_k=1/R_k

第二种： $p_k={\stackrel{\‾}{c}}_k=\frac{1}{c_k}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k,n}$

第三种： $p_k={\mathrm{\σ}}_k^2/R_{k,}{\mathrm{\σ}}_k^2=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(c_{k,n}-{\stackrel{\‾}{c}}_k)}^2$

其中p_k表示用户k的优先级，c_k,n表示用户k在第n个调度块上的信道状态信息，R_k是用户k最小数据速率需求，

表示用户k的平均信道信息，N是系统中调度块的总数。

3.根据权利要求1所述的LTE下行系统中一种两步式资源块分配方法，其特征在于：所述的步骤1）中的优先级采用下式表示，

$p_k={\mathrm{\σ}}_k^2/R_{k,}{\mathrm{\σ}}_k^2=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(c_{k,n}-{\stackrel{\‾}{c}}_k)}^2$

其中p_k表示用户k的优先级，c_k,n表示用户k在第n个调度块上的信道状态信息，R_k是用户k最小数据速率需求，

表示用户k的平均信道信息，N是系统中调度块的总数。

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