CN105744605B - 一种基于功率最小化的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率最小化的资源分配方法，特点是包括以下步骤：由基站在任意一个双时隙的第一时隙中将N个子载波分配给相应的移动终端并确定基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目；在该双时隙的第一时隙中对实际分配给每个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配；由基站在该双时隙的第二时隙中将N个子载波分配给相应的移动终端并确定基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目；在该双时隙的第二时隙中对实际分配给每个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配；优点是有效实现了降低能量消耗的效果，保证了不同移动终端需要达到的速率要求，并且降低了计算处理的复杂度。

Description

一种基于功率最小化的资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种通信领域的资源分配方法，尤其是一种基于功率最小化的资源分配方法。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对无线通信的体验要求也越来越高，以主LTE-Advanced(LTE-A)为代表的第四代移动通信系统(4G)成为了科技人员的热门研究对象，其中，正交频分多址((Orthogonal frequency-division multiplexing，简称OFDMA)接入技术是4G系统的关键技术之一，它可以让多个移动终端在正交的子载波上同时传输数据，并且可以有效地降低多径衰落引起的码间干扰(Inter-symbol Interference，简称ISI)从而提高频谱利用率。

下行链路是指信号从基站到移动终端的物理信道，下行链路的资源分配问题是4G系统等无线通信系统中的一个关键问题，由于基站到不同的移动终端的通信环境不同，对于不同的移动终端，即便是同样的子载波，其产生的信道增益也有差别，因此对子载波的不同的分配方法直接影响整个下行链路系统的容量；此外，对各个子载波上的功率的不同分配方式也直接影响着各个子载波的信道容量和整个下行链路系统的能量消耗。

数据传输速率最大化/功率最小化是资源分配问题中的一类问题。移动终端往往需要保证在移动终端电池充满电后到下次需要充电之前具有较长的使用时间，因此在保证下行链路具有满足要求的数据传输速率的前提下，需要通过降低移动终端在进行数据传输时的系统能耗来满足移动终端对移动终端的使用时间要求。

现有的无线通信系统中，通常采用功率最小化的方法来降低移动终端在进行数据传输时的系统能耗。目前功率最小化的方法通常都是采用瞬时的功率最小化的方法，即在保证具有一定的数据传输速率的前提下，将移动终端在进行数据传输时在每个时隙内产生的系统能耗进行逐一的最小化处理，然而，该种瞬时的功率最小化方法只能得到局部的优化结果，对移动终端在进行数据传输时产生的系统能耗进行降低的效果仍然不够理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于功率最小化的资源分配方法，其在下行链路中联合双时隙对多个移动终端子载波和功率进行分配，并且能够在满足移动终端单位时隙目标速率的条件下，使每个移动终端消耗的能量最小，从而达到降低整个下行链路系统的能耗的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种基于功率最小化的资源分配方法，包括以下步骤：

①定义待进行资源分配的一个下行链路为待分配下行链路，该待分配下行链路中存在一个基站和K个移动终端，定义每两个相邻的时隙为一个双时隙，定义一个双时隙中的前一个时隙为第一时隙，在同一个双时隙中的后一个时隙为第二时隙，基站在每个双时隙的第一时隙和第二时隙先后通过与该双时隙对应的一条传输信道中的N个子载波向移动终端传输一次数据，其中，K≥2，N≥2；

②对于任意一个双时隙，在该双时隙的第一时隙中进行资源分配，具体过程为：

②-1获取基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波的传输速率，将基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波的传输速率记为r_1,k,n，r_1,k,n＝log₂(1+P_1,k,n×H_1,k,n)，其中，1≤k≤K，1≤n≤N，P_1,k,n表示基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时在第n个子载波上的发射功率，H_1,k,n表示基站在该双时隙中的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

②-2获取基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时N个子载波上的平均信道增益，将基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到第k个移动终端时N个子载波上的平均信道增益记为H_1,k，然后采用贪婪算法的优化方案获取每个移动终端在该双时隙的第一时隙中应该占用的子载波的数目，将第k个移动终端在该双时隙的第一时隙中应该占用的子载波的数目记为m_1,k，该贪婪算法的优化方案为：

满足以下约束条件：

约束条件一：

约束条件二：

其中，符号“min”表示最小化，R_k表示该双时隙内第k个移动终端的目标数据速率，B_max表示与待分配下行链路对应的整个系统的最大调制比特数，为向上取整符号；

②-3由基站在该双时隙的第一时隙中将N个子载波依次分配给相应的移动终端，并确定基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目；

②-4根据注水算法的原理在该双时隙的第一时隙中对实际分配给每个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配；

③在该双时隙的第二时隙中进行资源分配，具体过程为：

③-1获取基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波的传输速率，将基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波的传输速率记为r_2,k,n，r_2,k,n＝log₂(1+P_2,k,n×H_2,k,n)，其中，1≤k≤K，1≤n≤N，P_2,k,n表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时在第n个子载波上的发射功率，H_2,k,n表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

③-2获取基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到任意一个移动终端时与该移动终端对应的N个子载波上的平均信道增益，将基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到第k个移动终端时与第k个移动终端对应的N个子载波上的平均信道增益记为H_2,k，然后采用贪婪算法的优化方案获取每个移动终端在该双时隙的第二时隙中应该占用的子载波的数目，将第k个移动终端在该双时隙的第二时隙中应该占用的子载波的数目记为m_2,k，该贪婪算法的优化方案为：

满足以下约束条件：

约束条件一：

约束条件二：

其中，符号“min”表示最小化，R_2,k表示基站在该双时隙的第二时隙中需要分配给第k个移动终端的数据速率，R_2,k＝2R_k-R_1,k；

③-3由基站在该双时隙的第二时隙中将N个子载波依次分配给相应的移动终端，并确定基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目；

③-4根据注水算法的原理在该双时隙的第二时隙中对实际分配给每个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配。

所述的步骤②-3的具体过程如下：

②-3-1将基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波上的信道增益按各个子载波的序号顺序排列形成每个移动终端对应的第一列向量，其中，每个移动终端对应的第一列向量的维数为N×1维，第k个移动终端对应的第一列向量中的第n个元素为基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

由K个第一列向量按各移动终端的序号顺序横向排列构成第一待处理信道增益矩阵H₁(K,N)，其中，H₁(K,N)中的第k个列向量为第k个移动终端对应的第一列向量；

②-3-2将H₁(K,N)中的最大值记为H₁(k^*,n^*)，其中，1≤k^*≤K，1≤n^*≤N，H₁(k^*,n^*)表示基站在该双时隙的第一时隙中通过第n^*个子载波将数据传输到第k^*个移动终端时第n^*个子载波上的信道增益；然后将第n^*个子载波分配给第k^*个移动终端，并对H₁(K,N)进行更新，即将H₁(K,N)中的第n^*行中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H'₁(K,N)；再令H₁(K,N)＝H'₁(K,N)，其中，H₁(K,N)＝H'₁(K,N)中的“＝”为赋值符号；

②-3-3统计当前已分配给每个移动终端的子载波的数目，当任意一个移动终端当前已分配的子载波的数目均小于该移动终端应该占用的子载波的数目的两倍时，返回步骤②-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第一时隙中未被分配的子载波继续分配到移动终端；当存在一个移动终端满足下述条件：该移动终端当前已分配的子载波的数目等于该移动终端应该占用的子载波的数目的两倍时，完成在该双时隙的第一时隙中将子载波分配到该移动终端的分配过程，假设该移动终端为第i"个移动终端，然后执行步骤②-3-4，其中，1≤i"＜K；

②-3-4对H₁(K,N)进行更新，即将H₁(K,N)中的第i"列中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H"₁(K,N)，再令H₁(K,N)＝H"₁(K,N)，其中，H₁(K,N)＝H"₁(K,N)中的“＝”为赋值符号；

②-3-5若H₁(K,N)中存在一个元素的值不为零，则返回步骤②-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第一时隙中尚未分配的子载波分配到其它未完成分配的移动终端中；

若H₁(K,N)中的所有元素的值均为零时，则完成在该双时隙的第一时隙中将子载波分配到移动终端的过程，并确定基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，将基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的子载波的数目记为t_1,k。

所述的步骤②-4中在该双时隙的第一时隙中对实际分配给第k个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配的具体过程如下：

②-4-1将该双时隙的第一时隙中基站需要分配给第k个移动终端的数据速率记为R_1,k，

②-4-2当t_1,k＝0时，不进行功率分配，直接执行步骤②-4-7；当t_1,k≥1时，将在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的所有子载波上的信道增益按从大到小的顺序排列，构成一个第一集合，记为h₁(k,t_1,k)，然后执行步骤②-4-3，其中，h_1,k,1表示h₁(k,t_1,k)中的最大值，表示h₁(k,t_1,k)中按数值从大到小排列第n₁位的值，1≤n₁≤t_1,k，表示h₁(k,t_1,k)中的最小值；

②-4-3将该双时隙的第一时隙中第k个移动终端的注水线记为K_1,MA,k，

②-4-4将与对应的子载波上应加载的功率记为

②-4-5判断是否成立，如果成立，则对h₁(k,t_1,k)进行更新，即将h₁(k,₁t_,k)中的删除，完成在该双时隙的第一时隙中对与该被删除的对应的子载波上应加载的功率的分配过程，并令t_1,k＝t_1,k-1，从而得到一个新的集合，记为h₁'(k,t_1,k)，再令h₁(k,t_1,k)＝h₁'(k,t_1,k)，然后返回步骤②-4-2继续执行，其中，t_1,k＝t_1,k-1和h₁(k,t_1,k)＝h₁'(k,t_1,k)中的“＝”为赋值符号；否则，直接执行步骤②-4-6；

②-4-6获取h₁(k,t_1,k)中与每个元素对应的子载波上应加载的功率，将h₁(k,t_1,k)中与第n₁'个元素对应的子载波上应加载的功率记为 然后在h₁(k,t_1,k)中与每个元素对应的子载波上分配应加载的功率，将分配给与对应的子载波；再执行步骤②-4-7，其中，1≤n₁'≤t_1,k；

②-4-7完成在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的各个子载波上应加载的功率的分配过程。

所述的步骤③-3的具体过程如下：

③-3-1将基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波上的信道增益按各个子载波的序号顺序排列形成每个移动终端对应的第二列向量，其中，每个移动终端对应的第二列向量的维数为N×1维，第k个移动终端对应的第二列向量中的第n个元素为基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

由K个第二列向量按各移动终端的序号顺序横向排列构成第二待处理信道增益矩阵H₂(K,N)，其中，H₂(K,N)中的第k个列向量为第k个移动终端对应的第二列向量；

③-3-2将H₂(K,N)中的最大值记为H₂(k',n')，其中，1≤k'≤K，1≤n'≤N，H₂(k',n')表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n'个子载波将数据传输到第k'个移动终端时第n'个子载波上的信道增益；然后将第n'个子载波分配给第k'个移动终端，并对H₂(K,N)进行更新，即将H₂(K,N)中的第n'行中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H'₂(K,N)；再令H₂(K,N)＝H'₂(K,N)，其中，H₂(K,N)＝H'₂(K,N)中的“＝”为赋值符号；

③-3-3统计当前已分配给每个移动终端的子载波的数目，当任意一个移动终端当前已分配的子载波的数目均小于该移动终端应该占用的子载波的数目时，返回步骤③-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第二时隙中未被分配的子载波继续分配到移动终端；当存在一个移动终端满足下述条件：该移动终端当前已分配的子载波的数目等于该移动终端应该占用的子载波的数目时，完成在该双时隙的第二时隙中将子载波分配到该移动终端的分配过程，假设该移动终端为第s个移动终端，然后执行步骤③-3-4，其中，1≤s＜K；

③-3-4对H₂(K,N)进行更新，即将H₂(K,N)中的第s列中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H"₂(K,N)，再令H₂(K,N)＝H"₂(K,N)，其中，H₂(K,N)＝H"₂(K,N)中的“＝”为赋值符号；

③-3-5若H₂(K,N)中存在一个元素的值不为零，则返回步骤③-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第二时隙中尚未分配的子载波分配到其它未完成分配的移动终端中；

若H₂(K,N)中的所有元素的值均为零时，则完成在该双时隙的第二时隙中将子载波分配到移动终端的过程，并确定基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，将基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的子载波的数目记为t_2,k。

所述的步骤③-4中在该双时隙的第二时隙中对实际分配给第k个移动终端各个子载波上应加载的功率进行分配的具体过程如下：

③-4-1当t_2,k＝0时，不进行功率分配，直接执行步骤③-4-6；当t_2,k≥1时，将在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的所有子载波上的信道增益按从大到小的顺序排列，构成一个第二集合，记为h₂(k,t_2,k)，然后执行步骤③-4-2，其中，h_2,k,1表示h₂(k,₂t_,k)中的最大值，表示h₂(k,t_2,k)中按数值从大到小排列第n₂位的值，1≤n₂≤t_2,k，表示h₂(k,t_2,k)中的最小值；

③-4-2将该双时隙的第二时隙中第k个移动终端的注水线记为K_2,MA,k，

③-4-3将与对应的子载波上应加载的功率记为

③-4-4判断是否成立，如果成立，则对h₂(k,t_2,k)进行更新，即将h₂(k,t_2,k)中的删除，完成在该双时隙的第二时隙中对与该被删除的对应的子载波上应加载的功率的分配过程，并令t_2,k＝t_2,k-1，从而得到一个新的集合，记为h₂'(k,t_1,k)，再令h₂(k,t_2,k)＝h₂'(k,t_2,k)，然后返回步骤③-4-1继续执行，其中，t_2,k＝t_2,k-1和h₂(k,t_2,k)＝h₂'(k,t_2,k)中的“＝”为赋值符号；否则，直接执行步骤③-4-5；

③-4-5获取h₂(k,t_2,k)中与每个元素对应的子载波上应加载的功率，将h₂(k,t_2,k)中与第n₂'个元素对应的子载波上应加载的功率记为 然后在h₂(k,t_2,k)中与每个元素对应的子载波上分配应加载的功率，将分配给与对应的子载波上；再执行步骤③-4-6，其中，1≤n₂'≤t_2,k；

③-4-6完成在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的各个子载波上应加载的功率的分配过程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在对存在一个基站和多个移动终端的待分配下行链路中进行资源分配时，采用了将每两个相邻的时隙作为一个双时隙联合考虑进行资源分配的方案，即在一个双时隙的第一时隙中由基站优先分配信道增益大的子载波到相应的移动终端，并且若移动终端对应的子载波的信道增益非常大，则会在该双时隙的第一时隙中对原先默认在该双时隙的第二时隙中传输的部分或全部数据进行提前传输；在该双时隙的第二时隙中，基站在优先分配信道增益最大的子载波到相应的移动终端的原则下继续将该双时隙内剩余的数据传输到各个移动终端中；本发明的资源分配方法既保证了在同一个双时隙内优先将各个子载波按信道增益从大至小的顺序依次分配给相应的移动终端，有效实现了降低能量消耗的效果，又保证了不同移动终端需要达到的速率要求；本发明的资源分配方法中采用先进行子载波分配再对子载波上应加载的功率进行分配的先后两步，既保证了在对存在一个基站和多个移动终端的待分配下行链路中进行资源分配时产生的能耗较小，又降低了计算处理的复杂度。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为不同用户数量下本发明方法与其他两种方法的资源分配性能的仿真比较示意图；

图3为不同合目标速率下本发明方法与其他两种方法的资源分配性能的仿真比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种基于功率最小化的资源分配方法，其流程示意图如图1所示，包括以下步骤：

①定义待进行资源分配的一个下行链路为待分配下行链路，该待分配下行链路中存在一个基站和K个移动终端，定义每两个相邻的时隙为一个双时隙，定义一个双时隙中的前一个时隙为第一时隙，在同一个双时隙中的后一个时隙为第二时隙，基站在每个双时隙的第一时隙和第二时隙先后通过与该双时隙对应的一条传输信道中的N个子载波向移动终端传输一次数据，其中，K≥2，N≥2；

②对于任意一个双时隙，在该双时隙的第一时隙中进行资源分配，具体过程为：

②-1获取基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波的传输速率，将基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波的传输速率记为r_1,k,n，r_1,k,n＝log₂(1+P_1,k,n×H_1,k,n)，其中，1≤k≤K，1≤n≤N，P_1,k,n表示基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时在第n个子载波上的发射功率，H_1,k,n表示基站在该双时隙中的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

②-2获取基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时N个子载波上的平均信道增益，将基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到第k个移动终端时N个子载波上的平均信道增益记为H_1,k，然后采用贪婪算法的优化方案获取每个移动终端在该双时隙的第一时隙中应该占用的子载波的数目，将第k个移动终端在该双时隙的第一时隙中应该占用的子载波的数目记为m_1,k，该贪婪算法的优化方案为：

满足以下约束条件：

约束条件一：

约束条件二：

其中，符号“min”表示最小化，R_k表示该双时隙内第k个移动终端的目标数据速率，B_max表示与待分配下行链路对应的整个系统的最大调制比特数，为向上取整符号；

②-3由基站在该双时隙的第一时隙中将N个子载波依次分配给相应的移动终端，并确定基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，具体过程如下：

②-3-1将基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波上的信道增益按各个子载波的序号顺序排列形成每个移动终端对应的第一列向量，其中，每个移动终端对应的第一列向量的维数为N×1维，第k个移动终端对应的第一列向量中的第n个元素为基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

由K个第一列向量按各移动终端的序号顺序横向排列构成第一待处理信道增益矩阵H₁(K,N)，其中，H₁(K,N)中的第k个列向量为第k个移动终端对应的第一列向量；

②-3-2将H₁(K,N)中的最大值记为H₁(k^*,n^*)，其中，1≤k^*≤K，1≤n^*≤N，H₁(k^*,n^*)表示基站在该双时隙的第一时隙中通过第n^*个子载波将数据传输到第k^*个移动终端时第n^*个子载波上的信道增益；然后将第n^*个子载波分配给第k^*个移动终端，并对H₁(K,N)进行更新，即将H₁(K,N)中的第n^*行中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H'₁(K,N)；再令H₁(K,N)＝H'₁(K,N)，其中，H₁(K,N)＝H'₁(K,N)中的“＝”为赋值符号；

②-3-3统计当前已分配给每个移动终端的子载波的数目，当任意一个移动终端当前已分配的子载波的数目均小于该移动终端应该占用的子载波的数目的两倍时，返回步骤②-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第一时隙中未被分配的子载波继续分配到移动终端；当存在一个移动终端满足下述条件：该移动终端当前已分配的子载波的数目等于该移动终端应该占用的子载波的数目的两倍时，完成在该双时隙的第一时隙中将子载波分配到该移动终端的分配过程，假设该移动终端为第i"个移动终端，然后执行步骤②-3-4，其中，1≤i"＜K；

②-3-4对H₁(K,N)进行更新，即将H₁(K,N)中的第i"列中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H"₁(K,N)，再令H₁(K,N)＝H"₁(K,N)，其中，H₁(K,N)＝H"₁(K,N)中的“＝”为赋值符号；

②-3-5若H₁(K,N)中存在一个元素的值不为零，则返回步骤②-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第一时隙中尚未分配的子载波分配到其它未完成分配的移动终端中；

若H₁(K,N)中的所有元素的值均为零时，则完成在该双时隙的第一时隙中将子载波分配到移动终端的过程，并确定基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，将基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的子载波的数目记为t_1,k。

②-4根据注水算法的原理在该双时隙的第一时隙中对实际分配给每个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配，其中在该双时隙的第一时隙中对实际分配给第k个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配的具体过程如下：

②-4-1将该双时隙的第一时隙中基站需要分配给第k个移动终端的数据速率记为R_1,k，

②-4-2当t_1,k＝0时，不进行功率分配，直接执行步骤②-4-7；当t_1,k≥1时，将在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的所有子载波上的信道增益按从大到小的顺序排列，构成一个第一集合，记为h₁(k_1,,k)t，然后执行步骤②-4-3，其中，h_1,k,1表示h₁(k,t_1,k)中的最大值，表示h₁(k,t_1,k)中按数值从大到小排列第n₁位的值，1≤n₁≤t_1,k，表示h₁(k,t_1,k)中的最小值；

②-4-3将该双时隙的第一时隙中第k个移动终端的注水线记为K_1,MA,k，

②-4-4将与对应的子载波上应加载的功率记为

②-4-5判断是否成立，如果成立，则对h₁(k,₁t_,k)进行更新，即将h₁(k,₁t_,k)中的删除，完成在该双时隙的第一时隙中对与该被删除的对应的子载波上应加载的功率的分配过程，并令t_1,k＝t_1,k-1，从而得到一个新的集合，记为h₁'(k,t_1,k)，再令h₁(k,t_1,k)＝h₁'(k,t_1,k)，然后返回步骤②-4-2继续执行，其中，t_1,k＝t_1,k-1和h₁(k,t_1,k)＝h₁'(k,t_1,k)中的“＝”为赋值符号；否则，直接执行步骤②-4-6；

②-4-6获取h₁(k,t_1,k)中与每个元素对应的子载波上应加载的功率，将h₁(k,t_1,k)中与第n₁'个元素对应的子载波上应加载的功率记为 然后在h₁(k,t_1,k)中与每个元素对应的子载波上分配应加载的功率，将分配给与对应的子载波；再执行步骤②-4-7，其中，1≤n₁'≤t_1,k；

②-4-7完成在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的各个子载波上应加载的功率的分配过程；

③在该双时隙的第二时隙中进行资源分配，具体过程为：

③-1获取基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波的传输速率，将基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波的传输速率记为r_2,k,n，r_2,k,n＝log₂(1+P_2,k,n×H_2,k,n)，其中，1≤k≤K，1≤n≤N，P_2,k,n表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时在第n个子载波上的发射功率，H_2,k,n表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

③-2获取基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到任意一个移动终端时与该移动终端对应的N个子载波上的平均信道增益，将基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到第k个移动终端时与第k个移动终端对应的N个子载波上的平均信道增益记为H_2,k，然后采用贪婪算法的优化方案获取每个移动终端在该双时隙的第二时隙中应该占用的子载波的数目，将第k个移动终端在该双时隙的第二时隙中应该占用的子载波的数目记为m_2,k，该贪婪算法的优化方案为：

满足以下约束条件：

约束条件一：

约束条件二：

其中，符号“min”表示最小化，R_2,k表示基站在该双时隙的第二时隙中需要分配给第k个移动终端的数据速率，R_2,k＝2R_k-R_1,k。

③-3由基站在该双时隙的第二时隙中将N个子载波依次分配给相应的移动终端，并确定基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，具体过程如下：

③-3-1将基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波上的信道增益按各个子载波的序号顺序排列形成每个移动终端对应的第二列向量，其中，每个移动终端对应的第二列向量的维数为N×1维，第k个移动终端对应的第二列向量中的第n个元素为基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

由K个第二列向量按各移动终端的序号顺序横向排列构成第二待处理信道增益矩阵H₂(K,N)，其中，H₂(K,N)中的第k个列向量为第k个移动终端对应的第二列向量；

③-3-2将H₂(K,N)中的最大值记为H₂(k',n')，其中，1≤k'≤K，1≤n'≤N，H₂(k',n')表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n'个子载波将数据传输到第k'个移动终端时第n'个子载波上的信道增益；然后将第n'个子载波分配给第k'个移动终端，并对H₂(K,N)进行更新，即将H₂(K,N)中的第n'行中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H'₂(K,N)；再令H₂(K,N)＝H'₂(K,N)，其中，H₂(K,N)＝H'₂(K,N)中的“＝”为赋值符号；

③-3-3统计当前已分配给每个移动终端的子载波的数目，当任意一个移动终端当前已分配的子载波的数目均小于该移动终端应该占用的子载波的数目时，返回步骤③-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第二时隙中未被分配的子载波继续分配到移动终端；当存在一个移动终端满足下述条件：该移动终端当前已分配的子载波的数目等于该移动终端应该占用的子载波的数目时，完成在该双时隙的第二时隙中将子载波分配到该移动终端的分配过程，假设该移动终端为第s个移动终端，然后执行步骤③-3-4，其中，1≤s＜K；

③-3-4对H₂(K,N)进行更新，即将H₂(K,N)中的第s列中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H"₂(K,N)，再令H₂(K,N)＝H"₂(K,N)，其中，H₂(K,N)＝H"₂(K,N)中的“＝”为赋值符号；

③-3-5若H₂(K,N)中存在一个元素的值不为零，则返回步骤③-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第二时隙中尚未分配的子载波分配到其它未完成分配的移动终端中；

若H₂(K,N)中的所有元素的值均为零时，则完成在该双时隙的第二时隙中将子载波分配到移动终端的过程，并确定基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，将基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的子载波的数目记为t_2,k；

③-4根据注水算法的原理在该双时隙的第二时隙中对实际分配给每个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配，其中在该双时隙的第二时隙中对实际分配给第k个移动终端各个子载波上应加载的功率进行分配的具体过程如下：

③-4-1当t_2,k＝0时，不进行功率分配，直接执行步骤③-4-6；当t_2,k≥1时，将在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的所有子载波上的信道增益按从大到小的顺序排列，构成一个第二集合，记为h₂(k_2,,k)t，然后执行步骤③-4-2，其中，h_2,k,1表示h₂(k,₂t_,k)中的最大值，h_2,k,n2表示h₂(k,t_2,k)中按数值从大到小排列第n₂位的值，表示h₂(k,t_2,k)中的最小值；

③-4-2将该双时隙的第二时隙中第k个移动终端的注水线记为K_2,MA,k，

③-4-3将与对应的子载波上应加载的功率记为

③-4-4判断是否成立，如果成立，则对h₂(k,t_2,k)进行更新，即将h₂(k,t_2,k)中的删除，完成在该双时隙的第二时隙中对与该被删除的对应的子载波上应加载的功率的分配过程，并令t_2,k＝t_2,k-1，从而得到一个新的集合，记为h₂'(k,t_1,k)，再令h₂(k,t_2,k)＝h₂'(k,t_2,k)，然后返回步骤③-4-1继续执行，其中，t_2,k＝t_2,k-1和h₂(k,t_2,k)＝h₂'(k,t_2,k)中的“＝”为赋值符号；否则，直接执行步骤③-4-5；

③-4-5获取h₂(k,t_2,k)中与每个元素对应的子载波上应加载的功率，将h₂(k,t_2,k)中与第n₂'个元素对应的子载波上应加载的功率记为 然后在h₂(k,t_2,k)中与每个元素对应的子载波上分配应加载的功率，将分配给与对应的子载波上；再执行步骤③-4-6，其中，1≤n₂'≤t_2,k；

③-4-6完成在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的各个子载波上应加载的功率的分配过程。

假设所有信道都是相互独立的，且每个信道选取6径频率选择性Rayleigh衰落信道，最大多普勒频移为60Hz，时延扩展为50μs，子载波个数为256，带宽为1MHz，噪声功率为-36dB，最大调制比特数为16，所有仿真结果取1000次Monte-Carlo(蒙特卡洛)仿真的平均值。图2为基于以上假设时，在系统中具有不同用户数量(即移动终端的数量)的情况下，在多用户通信系统中采用本发明所述的资源分配方法分别与基于贪婪算法和注水算法相互结合的资源分配方法及基于贪婪算法和等功率算法相互结合的资源分配方法的资源分配性能的仿真比较示意图。为了反映无线通信业务中各业务对速率的不同需求，将不同用户的目标数据速率分别设置为1～10bits/sec的数值范围之内的不同数值。从图2中可以看出，在系统具有任意一个固定的用户数量时，采用本发明的资源分配方法的总发射功率最小；而且随着用户数量的增加，虽然三种方法的总发射功率都逐渐增大，但是采用本发明的资源分配方法的总发射功率始终是分别采用三种方法产生的总发射功率中最小的。

图3为基于以上假设时，在系统中具有不同的合目标数据速率(合目标数据速率是指所有用户的目标数据速率之和)时，采用本发明所述的资源分配方法与分别与多用户通信系统中基于贪婪算法与注水算法相互结合的资源分配方法及多用户通信系统中基于贪婪算法与等功率算法相互结合的资源分配方法的资源分配性能仿真比较示意图，其中将总的用户数量设置为10。从图3中可以看出，对于系统中具有任意一个固定的合目标速率时，三种资源分配方法中采用本发明所述的资源分配方法的总发射功率最小；随着合目标速率的逐渐增大，三种方法的总发射功率都都逐渐增大，然而采用本发明所述的资源分配方法的总发射功率一直保持最小。

综上所述，采用本发明的资源分配方法能够有效提高系统的资源分配性能，降低资源分配时产生的总发射功率，因此大大减小了资源分配时整个下行链路系统的总能耗。

Claims (2)

1.一种基于功率最小化的资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：

①定义待进行资源分配的一个下行链路为待分配下行链路，该待分配下行链路中存在一个基站和K个移动终端，定义每两个相邻的时隙为一个双时隙，定义一个双时隙中的前一个时隙为第一时隙，在同一个双时隙中的后一个时隙为第二时隙，基站在每个双时隙的第一时隙和第二时隙先后通过与该双时隙对应的一条传输信道中的N个子载波向移动终端传输一次数据，其中，K≥2，N≥2；

②对于任意一个双时隙，在该双时隙的第一时隙中进行资源分配，具体过程为：

②-1获取基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波的传输速率，将基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波的传输速率记为r_1,k,n，r_1,k,n＝log₂(1+P_1,k,n×H_1,k,n)，其中，1≤k≤K，1≤n≤N，P_1,k,n表示基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时在第n个子载波上的发射功率，H_1,k,n表示基站在该双时隙中的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

②-2获取基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时N个子载波上的平均信道增益，将基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到第k个移动终端时N个子载波上的平均信道增益记为H_1,k，然后采用贪婪算法的优化方案获取每个移动终端在该双时隙的第一时隙中待占用的子载波的数目，将第k个移动终端在该双时隙的第一时隙中待占用的子载波的数目记为m_1,k，该贪婪算法的优化方案为：

满足以下约束条件：

约束条件一：

约束条件二：

其中，符号“min”表示最小化，R_k表示该双时隙内第k个移动终端的目标数据速率，B_max表示与待分配下行链路对应的整个系统的最大调制比特数，为向上取整符号；

②-3由基站在该双时隙的第一时隙中将N个子载波依次分配给相应的移动终端，并确定基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，具体过程如下：

②-3-1将基站在该双时隙的第一时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波上的信道增益按各个子载波的序号顺序排列形成每个移动终端对应的第一列向量，其中，每个移动终端对应的第一列向量的维数为N×1维，第k个移动终端对应的第一列向量中的第n个元素为基站在该双时隙的第一时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

由K个第一列向量按各移动终端的序号顺序横向排列构成第一待处理信道增益矩阵H₁(K,N)，其中，H₁(K,N)中的第k个列向量为第k个移动终端对应的第一列向量；

②-3-2将H₁(K,N)中的最大值记为H₁(k^*,n^*)，其中，1≤k^*≤K，1≤n^*≤N，H₁(k^*,n^*)表示基站在该双时隙的第一时隙中通过第n^*个子载波将数据传输到第k^*个移动终端时第n^*个子载波上的信道增益；然后将第n^*个子载波分配给第k^*个移动终端，并对H₁(K,N)进行更新，即将H₁(K,N)中的第n^*行中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H'₁(K,N)；再令H₁(K,N)＝H'₁(K,N)，其中，H₁(K,N)＝H'₁(K,N)中的“＝”为赋值符号；

②-3-3统计当前已分配给每个移动终端的子载波的数目，当任意一个移动终端当前已分配的子载波的数目均小于该移动终端待占用的子载波的数目的两倍时，返回步骤②-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第一时隙中未被分配的子载波继续分配到移动终端；当存在一个移动终端满足下述条件：该移动终端当前已分配的子载波的数目等于该移动终端待占用的子载波的数目的两倍时，完成在该双时隙的第一时隙中将子载波分配到该移动终端的分配过程，假设该移动终端为第i"个移动终端，然后执行步骤②-3-4，其中，1≤i"＜K；

②-3-4对H₁(K,N)进行更新，即将H₁(K,N)中的第i"列中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H"₁(K,N)，再令H₁(K,N)＝H"₁(K,N)，其中，H₁(K,N)＝H"₁(K,N)中的“＝”为赋值符号；

②-3-5若H₁(K,N)中存在一个元素的值不为零，则返回步骤②-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第一时隙中尚未分配的子载波分配到其它未完成分配的移动终端中；

若H₁(K,N)中的所有元素的值均为零时，则完成在该双时隙的第一时隙中将子载波分配到移动终端的过程，并确定基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，将基站在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的子载波的数目记为t_1,k；

②-4根据注水算法的原理在该双时隙的第一时隙中对实际分配给每个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配，具体过程如下：

②-4-1将该双时隙的第一时隙中基站需要分配给第k个移动终端的数据速率记为R_1,k，

②-4-2当t_1,k＝0时，不进行功率分配，直接执行步骤②-4-7；当t_1,k≥1时，将在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的所有子载波上的信道增益按从大到小的顺序排列，构成一个第一集合，记为h₁(k,t_1,k)， 然后执行步骤②-4-3，其中，h_1,k,1表示h₁(k,t_1,k)中的最大值，表示h₁(k,t_1,k)中按数值从大到小排列第n₁位的值，1≤n₁≤t_1,k，表示h₁(k,t_1,k)中的最小值；

②-4-3将该双时隙的第一时隙中第k个移动终端的注水线记为K_1,MA,k，

②-4-4将与对应的子载波上应加载的功率记为

②-4-5判断是否成立，如果成立，则对h₁(k,t_1,k)进行更新，即将h₁(k,t_1,k)中的删除，完成在该双时隙的第一时隙中对与该被删除的对应的子载波上应加载的功率的分配过程，并令t_1,k＝t_1,k-1，从而得到一个新的集合，记为h₁'(k,t_1,k)，再令h₁(k,t_1,k)＝h₁'(k,t_1,k)，然后返回步骤②-4-2继续执行，其中，t_1,k＝t_1,k-1和h₁(k,t_1,k)＝h₁'(k,t_1,k)中的“＝”为赋值符号；否则，直接执行步骤②-4-6；

②-4-6获取h₁(k,₁t_,k)中与每个元素对应的子载波上应加载的功率，将h₁(k,t_1,k)中与第n₁'个元素对应的子载波上应加载的功率记为 然后在h₁(k,t_1,k)中与每个元素对应的子载波上分配应加载的功率，将分配给与对应的子载波；再执行步骤②-4-7，其中，1≤n₁'≤t_1,k；

②-4-7完成在该双时隙的第一时隙中实际分配给第k个移动终端的各个子载波上应加载的功率的分配过程；

③在该双时隙的第二时隙中进行资源分配，具体过程为：

③-1获取基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波的传输速率，将基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波的传输速率记为r_2,k,n，r_2,k,n＝log₂(1+P_2,k,n×H_2,k,n)，其中，1≤k≤K，1≤n≤N，P_2,k,n表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时在第n个子载波上的发射功率，H_2,k,n表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

③-2获取基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到任意一个移动终端时与该移动终端对应的N个子载波上的平均信道增益，将基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到第k个移动终端时与第k个移动终端对应的N个子载波上的平均信道增益记为H_2,k，然后采用贪婪算法的优化方案获取每个移动终端在该双时隙的第二时隙中待占用的子载波的数目，将第k个移动终端在该双时隙的第二时隙中待占用的子载波的数目记为m_2,k，该贪婪算法的优化方案为：

满足以下约束条件：

约束条件一：

约束条件二：

其中，符号“min”表示最小化，R_2,k表示基站在该双时隙的第二时隙中需要分配给第k个移动终端的数据速率，R_2,k＝2R_k-R_1,k；

③-3由基站在该双时隙的第二时隙中将N个子载波依次分配给相应的移动终端，并确定基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，具体过程如下：

③-3-1将基站在该双时隙的第二时隙中通过N个子载波将数据传输到每个移动终端时各个子载波上的信道增益按各个子载波的序号顺序排列形成每个移动终端对应的第二列向量，其中，每个移动终端对应的第二列向量的维数为N×1维，第k个移动终端对应的第二列向量中的第n个元素为基站在该双时隙的第二时隙中通过第n个子载波将数据传输到第k个移动终端时第n个子载波上的信道增益；

由K个第二列向量按各移动终端的序号顺序横向排列构成第二待处理信道增益矩阵H₂(K,N)，其中，H₂(K,N)中的第k个列向量为第k个移动终端对应的第二列向量；

③-3-2将H₂(K,N)中的最大值记为H₂(k',n')，其中，1≤k'≤K，1≤n'≤N，H₂(k',n')表示基站在该双时隙的第二时隙中通过第n'个子载波将数据传输到第k'个移动终端时第n'个子载波上的信道增益；然后将第n'个子载波分配给第k'个移动终端，并对H₂(K,N)进行更新，即将H₂(K,N)中的第n'行中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H'₂(K,N)；再令H₂(K,N)＝H'₂(K,N)，其中，H₂(K,N)＝H'₂(K,N)中的“＝”为赋值符号；

③-3-3统计当前已分配给每个移动终端的子载波的数目，当任意一个移动终端当前已分配的子载波的数目均小于该移动终端待占用的子载波的数目时，返回步骤③-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第二时隙中未被分配的子载波继续分配到移动终端；当存在一个移动终端满足下述条件：该移动终端当前已分配的子载波的数目等于该移动终端待占用的子载波的数目时，完成在该双时隙的第二时隙中将子载波分配到该移动终端的分配过程，假设该移动终端为第s个移动终端，然后执行步骤③-3-4，其中，1≤s＜K；

③-3-4对H₂(K,N)进行更新，即将H₂(K,N)中的第s列中的全部元素置零，得到一个新的信道增益矩阵，记为H″₂(K,N)，再令H₂(K,N)＝H″₂(K,N)，其中，H₂(K,N)＝H″₂(K,N)中的“＝”为赋值符号；

③-3-5若H₂(K,N)中存在一个元素的值不为零，则返回步骤③-3-2继续执行，将N个子载波在该双时隙的第二时隙中尚未分配的子载波分配到其它未完成分配的移动终端中；

若H₂(K,N)中的所有元素的值均为零时，则完成在该双时隙的第二时隙中将子载波分配到移动终端的过程，并确定基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给每个移动终端的子载波的数目，将基站在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的子载波的数目记为t_2,k；

③-4根据注水算法的原理在该双时隙的第二时隙中对实际分配给每个移动终端的各个子载波上应加载的功率进行分配。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率最小化的资源分配方法，其特征在于所述的步骤③-4中在该双时隙的第二时隙中对实际分配给第k个移动终端各个子载波上应加载的功率进行分配的具体过程如下：

③-4-1当t_2,k＝0时，不进行功率分配，直接执行步骤③-4-6；当t_2,k≥1时，将在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的所有子载波上的信道增益按从大到小的顺序排列，构成一个第二集合，记为h₂(k,t_2,k)， 然后执行步骤③-4-2，其中，h_2,k,1表示h₂(k,t_2,k)中的最大值，表示h₂(k,t_2,k)中按数值从大到小排列第n₂位的值，1≤n₂≤t_2,k，表示h₂(k,t_2,k)中的最小值；

③-4-2将该双时隙的第二时隙中第k个移动终端的注水线记为K_2,MA,k，

③-4-3将与对应的子载波上应加载的功率记为

③-4-4判断是否成立，如果成立，则对h₂(k,t_2,k)进行更新，即将h₂(k,t_2,k)中的删除，完成在该双时隙的第二时隙中对与该被删除的对应的子载波上应加载的功率的分配过程，并令t_2,k＝t_2,k-1，从而得到一个新的集合，记为h₂'(k,t_1,k)，再令h₂(k,t_2,k)＝h₂'(k,t_2,k)，然后返回步骤③-4-1继续执行，其中，t_2,k＝t_2,k-1和h₂(k,t_2,k)＝h₂'(k,t_2,k)中的“＝”为赋值符号；否则，直接执行步骤③-4-5；

③-4-5获取h₂(k,t_2,k)中与每个元素对应的子载波上应加载的功率，将h₂(k,t_2,k)中与第n₂'个元素对应的子载波上应加载的功率记为 然后在h₂(k,t_2,k)中与每个元素对应的子载波上分配应加载的功率，将分配给与对应的子载波上；再执行步骤③-4-6，其中，1≤n₂'≤t_2,k；

③-4-6完成在该双时隙的第二时隙中实际分配给第k个移动终端的各个子载波上应加载的功率的分配过程。