CN107124256B - 正交频分多址系统的子载波分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向排除最差信道方法的正交频分多址系统子载波分配方法，主要解决现有技术无法进行动态调整分配顺序且复杂度较高的问题。其方案其实现过程为：1)构建信道质量矩阵；2)从信道质量矩阵中找出最差信道质量；3)对最差信道质量对应的用户与子载波进行预分配，选择子载波分配模式；4)用选定的模式进行子载波分配；5)利用子载波分配信息更新相关集合变量；6)通过检测相关集合判断子载波分配是否完成，若未完成则从上述步骤2开始重复进行。该方法不仅能够获得通信可靠性和频谱效率的最佳权衡，保证较高的用户通信公平性，同时具有较低复杂度，有较好的实用价值，可用于多载波通信中的频谱资源分配。

Description

正交频分多址系统的子载波分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种子载波分配方法，可用于多载波通信中的频谱资源分配。

背景技术

正交频分多址技术OFDMA作为LTE、LET-A等协议中的核心接入技术，已被广泛应用于无线移动通信中。由于正交频分多址技术可使通信系统获得较高的频谱效率及能量效率，因此，未来5G移动通信将会继续广泛应用该多址接入技术。然而，有效利用频谱资源，也就是高效动态分配子载波已成为在未来通信中实现正交频分多址技术的核心研究热点。

关于正交频分多址系统中的子载波分配问题，大多数现有研究的设计目标为最大化系统的速率和频谱效率。然而，忽略了另外一个重要的通信性能指标，也就是如何通过子载波分配提高系统的通信可靠性。当子载波分配设计目标为系统通信可靠性时，相应的优化问题将会是离散非凸优化问题，其求解复杂度为NP hard。因此，在正交频分多址系统中，子载波分配的现有研究大多集中在如何设计低复杂度次优分配方案。

若基于最优化系统的通信可靠性，现有研究应用匈牙利算法可取得最优分配结果，但其要求非常高的复杂度。然而，其他现有子载波分配的次优方法有许多缺陷。例如，非常著名的贪婪方法Greedy，其根据分配要求，依次给每个用户分配当前可选的最好子载波。这样以来，最后被分配的用户往往没有可选子载波，从而导致相应信道质量很差，进而使系统的通信可靠性大大降低。为了解决Greedy方法的重大缺陷，现有研究提出了最差载波避免方法WSA,其通过预先分配排序，有效避免了较差信道的分配，从而提高系统通信可靠性。基于类似设计思路，现有研究还提出了其他方法，例如：最差用户优先贪婪方法WUF。然而，WSA和其他类似方法的最大缺陷是不能够动态调整分配顺序，同时忽略了最大化最强信道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种正交频分多址系统的子载波分配方法(BWSA)，以动态调整分配顺序，降低子载波分配的复杂度，实现正交频分多址系统的最佳通信可靠性与频谱效率的权衡。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

(1)构建信道质量矩阵A：

其中

表示用户k在子载波j上的信道质量，|h_k,j|²为用户k在子载波j上的信道增益，N_k,j为用户k在子载波j上的噪声功率,M和K分别为正交频分多址系统中子载波总数量和用户总数量；

(2)从信道质量矩阵A中找出最差的信道质量值

其中，k^*与j^*分别为信道质量最差时用户以及子载波的序号，

为可选择用户序号的集合，其被初始化为L，L为包含所有用户序号的集合，

为可选择子载波序号的集合，其被初始化为R，R为包含所有子载波序号的集合；

(3)选择最差子载波排除模式或最差用户排除模式：

(4)按照(3)选定的模式进行子载波分配，获得最佳可选信道质量：

若被选模式为最差用户排除模式，找出子载波j^*所能选择的最佳用户

并将子载波j^*分配给用户k′；

若被选模式为最差子载波排除模式，找出用户k^*所能选择的最佳子载波

并将子载波j′分配给用户k^*；

(5)根据分配结果更新集合

和集合

若被选模式为最差用户排除模式，则从集合

中剔除子载波j^*，同时对于已被分配Q_k′个子载波的用户k′，将其从集合

中剔除掉，其中，Q_k′为用户k′可支持的并行数据流数量，即用户k′需求的子载波的数量；

若被选模式为最差子载波排除模式，则从集合

中剔除子载波j′，同时对于已被分配

个子载波的用户k^*，将其从集合

中剔除掉，其中，

为用户k^*可支持的并行数据流数量，即用户k^*需求的子载波的数量；

(6)检查可选择用户序号集合

与可选择子载波序号集合

是否为空集：

若

为空集或集合

为空集，则子载波分配完成；

若集合

与集合

均不是空集，则子载波分配未完成，返回步骤(2)。

本发明具有以下优点：

1.本发明通过对比选择最差子载波排除模式与最差用户排除模式，可同时最大化子载波分配的最差信道质量与最强信道质量，从而使正交频分多址系统获得通信可靠性和频谱效率的最佳权衡。

2.本发明通过动态调整分配顺序，能够取得较高的用户通信公平性。

3.本发明通过M分配轮即可得到最佳分配结果，不需要预先处理或变换用于分配的信道质量矩阵，复杂度较低，所需最大复杂度仅为

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明实施例的实现示意图；

图3是本发明在不同信噪比下的平均比特错误概率仿真图；

图4是本发明在不同信噪比下的平均频谱效率仿真图；

图5是本发明在不同信噪比下的频谱效率概率密度仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实例和效果做进一步详细说明。

在正交频分多址系统中，频谱资源被切分成许多个正交的子载波，每个用户的信息被承载在多个正交的子载波进行传输，以实现正交并行通信。因此，如何有效分配子载波资源，将很大程度影响正交频分多址通信系统的频谱效率、通信可靠性、公平性及其他系统性能。本发明正是解决如何在正交频分系统中有效分配子载波的问题。

以下以一个具体应用场景进行详细描述：

假设在单小区正交频分多址系统的下行通信中，有M＝8个子载波和K＝8个用户，每个用户必须被分配Q＝1个子载波。

参照图1，本实例的实现步骤如下：

步骤1，构建信道质量矩阵A。

其中

表示用户k在子载波j上的信道质量，|h_k,j|²为用户k在子载波j上的信道增益，N_k,j为用户k在子载波j上的噪声功率,

本实例的k与j取值范围均为0到7，M和K分别为正交频分多址系统中子载波总数量和用户总数量，取值均为8；

利用计算得到的信道质量A_k,j按以如下规则构建信道质量矩阵：

设矩阵最左一列的序号为用户序号，最上一行的序号为子载波序号，将信道质量按照用户与子载波序号进行排列，可组成相应的信道质量矩阵A：

步骤2，找出当前信道质量矩阵中的最差信道质量。

从信道质量矩阵A中找出最差的信道质量值

其中，k^*与j^*分别为信道质量最差时用户以及子载波的序号，

为可选择用户序号的集合，其被初始化为L，L为包含所有用户序号的集合，

为可选择子载波序号的集合，其被初始化为R，R为包含所有子载波序号的集合；

本实例通过比较当前所有的信道质量可得最差信道质量

其中k^*与j^*分别为信道质量最差时用户以及子载波的序号，取值范围均为0到7。由于此时尚未进行分配，所有用户与子载波均可被选择分配，即用户序号集合

可选子载波序号集合

步骤3，选择最差子载波排除模式或最差用户排除模式。

(3a)根据最差信道质量所对应的子用户和子载波，以信道质量最大为目标分别进行预分配，在预分配后子用户和子载波的信道质量中选取最小的信道质量作为第二差信道质量；

(3b)对不同预分配下的第二差信道质量进行比较：

若子用户预分配时的第二差信道质量比子载波预分配时的第二差信道质量小，则选择最差子载波排除模式；

若子载波预分配时的第二差信道质量比子用户预分配时的第二差信道质量小，则选择最差用户排除模式。

本实例对最差信道质量A_7,7所对应的第7个用户和第7个子载波以信道质量最大为目标分别进行预分配，通过比较第7个用户与第7个子载波对应的所有信道质量，取最小信道质量为第二差信道质量，得到对第7个用户进行预分配后可避免的第二差信道质量为A_0,0＝0.45，对第7个子载波进行预分配后可避免的第二差信道质量为A_4,7＝0.23，由于A_4,7小于A_0,0，所以本次分配采用最差用户排除模式。

步骤4，利用步骤3选定的模式进行子载波分配，获得最佳可选信道质量。

若被选模式为最差用户排除模式，找出子载波j^*所能选择的最佳用户

并将子载波j^*分配给用户k′；

若被选模式为最差子载波排除模式，找出用户k^*所能选择的最佳子载波

并将子载波j′分配给用户k^*；

本实例基于选择的最差用户排除模式进行子载波分配，找到第7个子载波对应的最强信道质量为A_5,7＝5.15,因此将第7个子载波分配给第5个用户。

步骤5，根据分配结果更新集合

和集合

若被选模式为最差用户排除模式，则从集合

中剔除子载波j^*，同时对于已被分配Q_k′个子载波的用户k′，将其从集合

中剔除掉，其中，Q_k′为用户k′可支持的并行数据流数量，即用户k′需求的子载波的数量；

若被选模式为最差子载波排除模式，则从集合

中剔除子载波j′，同时对于已被分配

个子载波的用户k^*，将其从集合

中剔除掉，其中，

为用户k^*可支持的并行数据流数量，即用户k^*需求的子载波的数量；

本实例中由于第7个子载波已被分配给第5个用户，因此，在集合

中去掉第7个子载波，在集合

中去掉第5个用户，则更新集合

为{0,1,2,3,4,5,6}，更新集合

为{0,1,2,3,4,6,7}。

步骤6，检查子载波分配是否完成。

若

为空集或集合

为空集，则子载波分配完成；

若集合

与集合

均不是空集，则子载波分配未完成，返回步骤(2)。

本实例中有8个子载波和8个用户，每个用户必须被分配1个子载波，所以总共需要进行八次分配，上述步骤仅完成了第一次分配，故当前可选子载波序号集合

不为空集，所以子载波分配未完成，则要返回步骤2进行下一次子载波分配。

下面结合图2对第二次到第八次的分配进行简要的叙述，

在图2中，最左一列的序号为用户序号，最上一行的序号为子载波序号。最右边一列圆形序号为分配顺序，且代表当前为最差子载波排除模式。最下边一行圆形序号为分配顺序，且代表当前为最差用户排除模式。在每轮分配中，三角形为当前可选的最差信道质量，正方形为当前可选的第二差信道质量，对号为分配结果。

第二次分配：最差信道质量为A_0,6＝0.16，最佳可排除的第二差信道质量为A_3,1＝0.33,选择的模式为最差用户排除模式，分配结果为将第6个子载波分配给第3个用户，对应的最强信道质量为A_3,6＝8.87。

第三次分配：最差信道质量为A_0,0＝0.45，最佳可排除的第二差信道质量为A_7,1＝0.48,选择的模式为最差用户排除模式，分配结果为将第0个子载波分配给第7个用户，对应的最强信道质量为A_7,0＝5.49。

第四次分配：最差信道质量为A_1,2＝0.50，最佳可排除的第二差信道质量为A_6,3＝0.56,选择的模式为最差用户排除模式，分配结果为将第2个子载波分配给第6个用户，对应的最强信道质量为A_6,2＝4.26。

第五次分配：最差信道质量为A_1,3＝0.79，最佳可排除的第二差信道质量为A_0,5＝1.59,选择的模式为最差子载波排除模式，分配结果为将第5个子载波分配给第1个用户，对应的最强信道质量为A_1,5＝16.91。

第六次分配：最差信道质量为A_4,1＝1.22，最佳可排除的第二差信道质量为A_4,3＝1.72,选择的模式为最差子载波排除模式，分配结果为将第4个子载波分配给第4个用户，对应的最强信道质量为A_4,4＝4.37。

第七次分配：最差信道质量为A_2,1＝2.78，最佳可排除的第二差信道质量为A_0,3＝3.24,选择的模式为最差子载波排除模式，分配结果为将第3个子载波分配给第2个用户，对应的最强信道质量为A_2,3＝4.37。

第八次分配：将最后剩下的第1个子载波分配给第0个用户，对应的信道质量为A_0,1＝5.19，则分配结束。

经过八次分配之后，本实例最后可得到最佳的分配结果。

下面通过仿真图对本发明的效果作进一步说明：

1、仿真条件

假设在单小区正交频分多址系统的下行通信中，有M＝64个正交子载波和K＝16个用户，每个用户有Q＝4个并行数据流，即需要分配4个子载波。每个用户在每个子载波上的信道为独立频率选择性瑞利信道，则可分解路径为L_p＝16。在本次仿真中，假设所有接收机的噪声功率相同，系统总功率为P＝64Watt，信号调制方式为QPSK调制，蒙特卡洛仿真次数为100000。在仿真中用BWSA表示本文所提算法。

2、仿真内容

仿真1：在不同的平均信噪比情况下，应用本发明对上述正交频分多址通信系统可获得的平均比特错误概率进行仿真，结果如图3所示。

由图3可知，本发明能够获得的平均比特错误概率非常的低，所以通信可靠性远远高于现有的Greedy、WSA子载波分配方法，且本发明的通信可靠性非常接近理论最优子载波分配方法，即Hungarian方法。

仿真2：在不同的平均信噪比情况下，采用信道质量反比例功率分配方法，应用本发明对上述正交频分多址通信系统可获得的频谱效率进行仿真，结果如图4所示。

由图4可知，本发明能够获得很好的频谱效率，本发明的频谱效率优于现有的Greedy、WSA子载波分配方法，同时非常接近最优子载波分配方法Hungarian，可使系统取得较大的吞吐量增益。结合图2，可说明本发明可取得较优的通信可靠性和频谱效率的权衡。

仿真3：在不同的平均信噪比情况下，采用信道质量反比例功率分配方法，应用本发明对上述正交频分多址通信系统可获得的频谱效率概率密度进行仿真，结果如图5所示。

由图5可知，在不同的平均信噪比情况下，本发明可获得的频谱效率概率密度的曲线横向幅度明显小于现有的Greedy、WSA子载波分配方法，说明本发明能够使用户获得更好的通信公平性。

Claims (2)

1.一种正交频分多址系统的子载波分配方法，包括：

(1)构建信道质量矩阵A：

其中

表示用户k在子载波j上的信道质量，|h_k,j|²为用户k在子载波j上的信道增益，N_k,j为用户k在子载波j上的噪声功率,M和K分别为正交频分多址系统中子载波总数量和用户总数量；

(2)从信道质量矩阵A中找出最差的信道质量值

其中，k^*与j^*分别为信道质量最差时用户以及子载波的序号，

为可选择用户序号的集合，其被初始化为L，L为包含所有用户序号的集合，

为可选择子载波序号的集合，其被初始化为R，R为包含所有子载波序号的集合；

(3)选择最差子载波排除模式或最差用户排除模式；

(4)按照(3)选定的模式进行子载波分配，获得最佳可选信道质量：

若被选模式为最差用户排除模式，找出子载波j^*所能选择的最佳用户

并将子载波j^*分配给用户k′；

若被选模式为最差子载波排除模式，找出用户k^*所能选择的最佳子载波

并将子载波j′分配给用户k^*；

(5)根据分配结果更新集合

和集合

若被选模式为最差用户排除模式，则从集合

中剔除子载波j^*，同时对于已被分配Q_k′个子载波的用户k′，将其从集合

中剔除掉，其中，Q_k′为用户k′可支持的并行数据流数量，即用户k′需求的子载波的数量；

若被选模式为最差子载波排除模式，则从集合

中剔除子载波j′，同时对于已被分配

个子载波的用户k^*，将其从集合

中剔除掉，其中，

为用户k^*可支持的并行数据流数量，即用户k^*需求的子载波的数量；

(6)检查可选择用户序号集合

与可选择子载波序号集合

是否为空集：

若

为空集或集合

为空集，则子载波分配完成；

若集合

与集合

均不是空集，则子载波分配未完成，返回步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中选择最差子载波排除模式或最差用户排除模式，按如下步骤进行：

(3a)根据最差信道质量所对应的子用户和子载波，以信道质量最大为目标分别进行预分配，在预分配后子用户和子载波的信道质量中选取最小的信道质量作为第二差信道质量；

(3b)对不同预分配下的第二差信道质量进行比较：

若子用户预分配后的第二差信道质量比子载波预分配后的第二差信道质量小，则选择最差子载波排除模式；

若子载波预分配后的第二差信道质量比子用户预分配后的第二差信道质量小，则选择最差用户排除模式。

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