CN109286480B - 基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法；包括：建立信道增益矩阵，对于子载波集合中的每一个子载波，在其未选择过的信道中选择一个信道质量最好；更新子载波候选用户的集合以及用户的候选子载波集合；检测是否满足每一个用户的候选子载波数量不少于其需求数量；选择用户进行子载波分配；根据分配结果更新相关集合变量。本发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等。

Description

基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：无线移动通信系统中由于无线频谱资源的稀缺决定了频谱资源分配在系统性能方面的重要性，伴随移动通信网络的飞速发展和业务需求的爆炸式增长，有限的无线频谱资源与高速率、高容量数据业务不断提高的服务质量需求之间的矛盾日益尖锐，迫切需要既能提高网络整体性能又可以支持高质量多媒体业务的无线频谱资源分配策略。于是具有较高的频谱效率及能量效率的正交频分多址进入了通信人的视野。正交频分多址是正交频分复用技术的演进，在利用正交频分复用技术对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。作为LTE-A、LTE等协议中的核心接入技术，正交频分多址同时也是IEEE 802.22无线区域网络的候选接入方法，并且在5G时代，正交频分多址仍会被广泛使用。但是，在日益紧张的频谱资源面前，如何进一步提高频谱利用率即如何在正交频分多址系统中高效动态分配子载波已经成为了通信领域研究的热点问题。目前已有的子载波分配算法中。性能较好的是匈牙利算法，虽然可以获得最优的分配结果，但是其过高的复杂度限制这一算法的使用，为降低复杂度，又提出了贪婪算法，但贪婪算法不能够保证用户的公平性，最后获得子载波的用户很可能无法获得通信信道或者获得质量很差的信道，质量很差的信道在这里简单理解为信道的信噪比比较低，导致信道质量比较差的原因很复杂，这是不需要去考虑提升指定信道的质量，而是对于所有给定的信道中选出质量高的信道集合满足我通信需求，这里解决的主要是系统公平性的问题，在保证公平的前提下，即避免为实现个别用户的最佳通信质量而致使别的用户无信道可用或者信道质量很差，尽可能的提升用户的信道质量。算法复杂度是指系统完成分配所需要的计算量。算法复杂度越高，所需要的计算量越大。

综上所述，现有技术存在的问题是：实现最优解但是算法复杂度很高；降低了算法复杂度，但是无法保证系统的公平性。

解决上述技术问题的难度和意义：解决上述问题之后，就可以实现在低复杂度的前提下设计一个公平性较高的子载波分配算法并保证系统的分配结果达到或者接近最优的分配结果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法。

本发明是这样实现的，一种基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法，所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法包括：建立信道增益矩阵，对于子载波集合中的每一个子载波，在其未选择过的信道中选择一个信道质量最好；更新子载波候选用户的集合以及用户的候选子载波集合；检测是否满足每一个用户的候选子载波数量不少于其需求数量；选择用户进行子载波分配；根据分配结果更新相关集合变量。

进一步，所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法建立信道增益矩阵V，V＝[V₁，V₂…V_M]，其中V_j表示子载波j对应的用户信道质量向量即V_j＝[V_1，j，V_2，j…V_k，j]^T,j∈{1，2…M}；对于子载波

中每一个子载波j选择一个在其未选择过的信道中选择一个信道质量最好的信道

和V_k，j定义为：

V_k，j的定义式如下：

其中，V_k，j为用户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上的的噪声功率。U_j是子载波j的候选用户的集合，其被初始化为空集。

为用户k的候选子载波的序号集合，其被初始化为空集；

为需求未满足用户的序号集合，其被初始化为L，其中L为包含所有用户的序号集合；Q_k为用户k需要支持的并行数据流数量，也就是用户k需求的子载波的数量；

为未被分配子载波的序号集合，其被初始化为R，其中R为包含所有子载波的序号集合；F_k为用户k分配到的子载波序号集合，初始化为空集；每一个候选子信道，会对应一个候选子载波与一个候选用户。

进一步，所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法选择用户标准为：

(1)拥有候选子载波数所需子载波数与所需子载波数值差最小的用户加入集合F′；

(2)对于集合F′中的用户：

将k′所拥有的最佳候选子载波j′分配给用户k′更新F_k；

进一步，所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法根据分配结果更新相关集合变量

和

从集合

中剔除子载波序号j′；用户k′已被分配Q_k′个子载波，从集合

中剔除子用户k′，并将用户k′从所有子载波的候选用户集合U中删除；将载波j’从

中所有用户的

中删除。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法的无线移动通信系统。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法的无线频谱资源分配系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提出的候选信道匹配法可以最大化提升所有用户的信道平均质量，同时也最大化子载波分配的最强信道质量，从而可使正交频分多址系统获得通信可靠性，频谱效率与公平性的最佳权衡。本发明提出基于候选信道匹配法的子载波分配能够取得较高的用户通信公平性。

本发明提出基于候选信道匹配法的子载波分配需要较低的复杂度。所需最大复杂度为

其中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，

表示需要进行子载波补充分配次数，实验数据表明，在实际正交频分多址系统中，当子载波数量小于64时

的平均次数不超过2，即本发明的算法具有较低的复杂度。

本发明在进行子载波分配前，通过N轮循环保证每位用户拥有不低于其需求的候选子载波数，在分配子载波时通过

次的补充循环保证每一轮分配开始时每位用户都拥有不低于其需求的候选子载波数。本发明至多只需要M分配轮即可完成子载波分配，其中M为子载波的总数。然而，大多数现有子载波方案需要的分配轮远远大于M。本发明不需要预先处理或变换用于分配的信道质量矩阵V。本发明通过M分配轮即可得到唯一分配结果，不需要额外的步骤检测对比其他分配结果。在对于正交频分复用系统性能的提升与系统用户容量有关，用户数越大其表现越优异。本发明所需要的最大复杂度为

而现有需求最低复杂度的子载波分配方案为贪婪算法，其所需最大复杂度为O(KM)。因此，本发明和贪婪算法所需复杂度为同一数量级。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的基于具体实例的两轮候选子载波搜寻结果图。

图4是本发明实施例提供的基于具体实例的第一轮候选子载波匹配结果图。

图5是本发明实施例提供的基于具体实例的第二轮候选子载波匹配结果图。

图6是本发明实施例提供的基于具体实例的第六轮候选子载波匹配结果图以及第五轮分配后剩余矩阵示意图。

图7是本发明实施例提供的基于具体实例的结果图。

图8是本发明实施例提供的在不同信噪比下，系统平均误比特率的仿真图。

图9是本发明实施例提供的在不同信噪比下，系统平均频谱效率的仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前实现最优解但是算法复杂度很高；降低了算法复杂度，但是无法保证系统的公平性。本发明在保证通信可靠性与频谱效率的前提下，提出候选信道匹配法的子载波分配方案，在保证较低复杂度的前提下，最大化提升用户的信道质量。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法包括以下步骤：

S101：建立信道增益矩阵，对于子载波集合中的每一个子载波，在其未选择过的信道中选择一个信道质量最好；

S102：更新子载波候选用户的集合以及用户的候选子载波集合；

S103：检测是否满足每一个用户的候选子载波数量不少于其需求数量，满足进行S104，不满足进行S101；

S104：选择用户进行子载波分配；

S105：根据分配结果更新相关集合变量；

S106：重复S103-S105，直至每个用户被分配到所需数量的子载波。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例考虑单小区正交频分多址系统的下行通信，假设有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。此外，已知信道质量矩阵V为：V＝[V₁，V₂…V₈]，其中：

V₁＝[0.43，4.95，1.78，2.51，2.11，9.53，4.83，5.45]^T

V₂＝[5.19，14.91，2.71，0.33，1.23，1.34，2.58，0.48]^T

V₃＝[0.16，0.48，0.54，8.87，5.17，0.63，1.16，0.84]^T

V₄＝[5.27，2.04，3.14，0.49，4.37，3.36，2.14，1.68]^T

V₅＝[3.24，0.79，6.58，0.41，1.72，3.90，0.56，3.74]^T

V₆＝[1.59，16.91，5.25，2.22，1.82，3.07，8.15，2.11]^T

V₇＝[1.94，0.50，0.92，5.97，3.12，1.27，4.26，5.38]^T

V₈＝[4.25，0.36，0.99，1.55，0.23，5.15，1.87，0.05]^T

基于上述实例，本发明的实现步骤如图2所示。在图3-图7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。

本发明实施例提供的基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法具体包括以下步骤：

(1)第一轮候选子载波寻找步骤如下：

步骤一：为信道质量矩阵中每一个子载波选出当前可选的最佳信道质量，其中已被该子载波选择过的用户不在被选择之列，譬如，对于子载波1来说，其可以选择的最佳信道质量V_k，1＝V_6，1＝9.53，更新子载波1的已选择用户集U₁，由U₁＝{}，变为U₁＝{6}，同时更新用户6的候选子载波集，由

更新为

对于子载波2来说，其可以选择的最佳信道质量V_k，2＝V_2，2＝14.91，更新子载波2的已选择用户集U₂，由U₂＝{}，变为U₂＝{2}，同时更新用户2的候选子载波集，由

更新为

对于子载波8来说，其可以选择的最佳信道质量V_k，8＝V_6，8＝5.15，更新子载波8的已选择用户集U₈，由U₈＝{}，变为U₈＝{6}，同时更新用户6的候选子载波集，由

更新为

步骤二：检测候选子载波搜选工作是否结束：检测是否每一位用户得到的候选子载波数量不低于其要求数Q_k，对于用户1，其候选子载波集合

数量为1，则用户1得到的候选子载波数量不低于其要求数Q₁，但是对于用户4其候选子载波集合

数量为0，说明子载波搜寻工作尚未完成，需要进行第二轮子载波搜寻。

(2)第二轮候选子载波寻找步骤如下：

步骤一：为信道质量矩阵中每一个子载波选出当前可选的最佳信道质量，譬如，对于子载波1来说，其可以选择的最佳信道质量V_k，1＝V_8，1＝5.45，更新子载波1的已选择用户集U₁，由U₁＝{6}，变为U₁＝{6，8}，同时更新用户8的候选子载波集，由

更新为

对于子载波2来说，其可以选择的最佳信道质量V_k，2＝V_1，2＝5.19，更新子载波2的已选择用户集U₂，由U₂＝{2}，变为U₂＝{1，2}，同时更新用户1的候选子载波集，由

更新为

对于子载波8来说，其可以选择的最佳信道质量V_k，8＝V_1，8＝4.25，更新子载波8的已选择用户集U₈，由U₈＝{6}，变为U₈＝{1，6}，同时更新用户1的候选子载波集，由

更新为

步骤二：检测候选子载波搜选工作是否结束：检测是否每一位用户得到的候选子载波数量不低于其要求数Q_k，例如对于用户1，其候选子载波集合

数量为3，则用户1得到的候选子载波数量不低于其要求数Q₁；对于用户Q₇其候选子载波集合

数量为1，则用户7得到的候选子载波数量不低于其要求数Q₇。经检测子载波搜寻工作完成，可以进入子载波分配环节。

(3)第一轮候选子载波分配步骤如下：

步骤一：为所有用户进行优先级排序，选出优先级最高的用户分配子载波。首先计算每位用户其拥有的候选子载波数与其要求数Q之差，如对于用户1，其拥有的候选子载波集合

拥有候选子载波数为3，所需要的候选子载波Q₁为1，其优先级为候选子载波数与Q₁之差2；对于用户3，其拥有的候选子载波集合

拥有候选子载波数为1，所需要的候选子载波Q₃为1，其优先级为候选子载波数与Q₃之差0。

步骤二：选出所有优先级最小的用户组成集合F′，当前优先级最小的用户为用户3和用户7均为0，需要根据这两个用户所拥有的最差子载波质量决定谁拥有最高的优先级，用户3拥有候选子载波为子载波5，拥有最差信道质量为6.58，用户7拥有候选子载波为子载波6，拥有最差信道质量为8.15，因为6.58＜8.15所以用户3拥有最高优先级，本轮为用户3分配子载波。

步骤三：用户3拥有的候选子载波集合为

拥有的最佳候选子载波为5，所以将子载波5分配为用户3。更新用户3通信需求数Q₃即Q₃＝Q₃-1，并将子载波5从所有用户的候选子载波集合中删除，从子载波集合

中删除。

步骤四：检测用户3的通信需求是否得到满足即Q₃是否为0：现在Q₃＝0，将用户3从所有子载波的候选用户集合中删除，并将用户3从用户合集

中删除。

步骤五：检测目前候选子载波数是否足够：检测是否每一位用户得到的候选子载波数量不低于其要求数Q_k：当前每一位用户得到的候选子载波数量仍不低于其要求数Q_k，继续进行下一轮候选子载波分配工作。

(4)第二轮候选子载波分配步骤如下：

步骤一：为所有用户进行优先级排序，选出优先级最高的用户分配子载波。首先计算每位用户其拥有的候选子载波数与其要求数Q，如对于用户1，其拥有的候选子载波集合

拥有候选子载波数为3，所需要的候选子载波Q₁为1，其优先级为候选子载波数与Q₁之差2；对于用户7，其拥有的候选子载波集合

拥有候选子载波数为1，所需要的候选子载波Q₇为1，其优先级为候选子载波数与Q₇之差0。

步骤二：选出所有优先级最小的用户组成集合F′，目前优先级最小的用户仅为用户7，则为用户7分配候选子载波。

步骤三:用户7拥有的候选子载波集合为

拥有的最佳候选子载波为6，所以将子载波6分配为用户7。更新用户3通信需求数Q₇即Q₇＝Q₇-1，并将子载波6从所有用户的候选子载波集合中删除，从子载波集合

中删除。

步骤四:检测用户7的通信需求是否得到满足即Q₇是否为0：现在Q₇＝0，将用户7从所有子载波的候选用户集合中删除，并将用户7从用户集合

中删除。

步骤五：检测目前候选子载波数是否足够：检测是否每一位用户得到的候选子载波数量不低于其要求数Q_k：当前每一位用户得到的候选子载波数量仍不低于其要求数Q_k，继续进行下一轮候选子载波分配工作。

(5)第六轮候选子载波分配步骤如下：

步骤一：为所有用户进行优先级排序，选出优先级最高的用户分配子载波。首先计算每位用户其拥有的候选子载波数与其要求数Q，目前用户集合为

子载波集合

如对于用户4，其拥有的候选子载波集合

拥有候选子载波数为7，所需要的候选子载波Q₄为1，其优先级为候选子载波数与Q₄之差0；对于用户6，其拥有的候选子载波集合

拥有候选子载波数为2，所需要的候选子载波Q₆为1，其优先级为候选子载波数与Q₆之差1。

步骤二：选出所有优先级最小的用户组成集合F′，目前优先级最小的用户仅为用户4，则为用户4分配候选子载波。

步骤三:用户4拥有的候选子载波集合为

拥有的最佳候选子载波为7，所以将子载波7分配为用户4。更新用户4通信需求数Q₄即Q₄＝Q₄-1，并将子载波7从所有用户的候选子载波集合中删除，从子载波集合

中删除。

步骤四:检测用户4的通信需求是否得到满足即Q₄是否为0：现在Q₄＝0，将用户4从所有子载波的候选用户集合中删除，并将用户4从用户集合

中删除。

步骤五：检测目前候选子载波数是否足够：检测是否每一位用户得到的候选子载波数量不低于其要求数Q_k：当前每一位用户得到的候选子载波数量仍不低于其要求数Q_k，继续进行下一轮候选子载波分配工作。

下面结合仿真对本发明的应用效果做详细的描述。

1、仿真条件

在单小区正交频分多址系统的下行通信中，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，可分解路径为16。假设，每个用户有4个并行数据流，需要分配4个子载波。则16个用户需要64个正交子载波支持通信。信号调制方式为正交相移键控调制。系统总功率为64Watt。假设所有接收机的噪声功率相同。蒙特卡洛仿真次数为100000。

2、仿真内容

仿真1：在不同的平均信噪比情况下(0dB–8dB)，该通信系统应用本发明可获得的平均比特错误概率，仿真结果如图8所示。

由图8可见，本发明能够获得的平均比特错误概率非常的低，也就是通信可靠性非常高。本发明的通信可靠性远远高于现有子载波分配方法，如贪婪算法。同时，本发明的通信可靠性非常接近理论最优子载波分配方法，也就是匈牙利算法(其要求非常高的复杂度：O(M³))。

仿真2：在不同的平均信噪比情况下(0dB–8dB)，该通信系统应用本发明可取得的频谱效率，仿真结果如图9所示。假设采用信道质量反比例功率分配方法。

由图9可见，本发明能够获得很好的频谱效率，可使系统拥有较大的吞吐量增益。本发明的频谱效率优于现有贪婪算法子载波分配方法，同时非常接近最优子载波分配方法匈牙利算法。结合图8，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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法，其特征在于，所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法包括：建立信道增益矩阵，对于子载波集合中的每一个子载波，在未选择过的信道中选择一个信道质量最好；更新子载波候选用户的集合以及用户的候选子载波集合；检测是否满足每一个用户的候选子载波数量不少于其需求数量；选择用户进行子载波分配；根据分配结果更新相关集合变量；

所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法建立信道增益矩阵V，V＝[V₁，V₂ … V_M]，其中V_j表示子载波j对应的用户信道质量向量即V_j＝[V_1，j，V_2，j … V_k，j]T，j∈{1，2 … M}；对于子载波

中每一个子载波j选择一个在未选择过的信道中选择一个信道质量最好的信道

和V_k，j定义为：

V_k，j的定义式如下：

其中，V_k，j为用户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上的的噪声功率；U_j是子载波j的候选用户的集合，其被初始化为空集；

为用户k的候选子载波的序号集合，其被初始化为空集；

为需求未满足用户的序号集合，其被初始化为L，其中L为包含所有用户的序号集合；Q_k为用户k需要支持的并行数据流数量，也就是用户k需求的子载波的数量；

为未被分配子载波的序号集合，其被初始化为R，其中R为包含所有子载波的集合；F_k为用户k分配到的子载波序号集合，初始化为空集；每一个候选子信道，对应一个候选子载波与一个候选用户。

2.如权利要求1所述的基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法，其特征在于，所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法选择用户标准为：

(1)拥有候选子载波数所需子载波数与所需子载波数值差最小的用户加入集合F′；

(2)对于集合F′中的用户：

将k′所拥有的最佳候选子载波j′分配给用户k′更新F_k；

3.如权利要求1所述的基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法，其特征在于，所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法根据分配结果更新相关集合变量

和

从集合

和剔除子载波序号j′；用户k′已被分配Q_k′个子载波，从集合

中剔除子用户k′，并将用户k′从所有子载波的各自的候选用户集合U中删除；将载波j′从

中所有用户的各自的候选子载波集台

中删除。

4.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于候选信道匹配法正交频分多址系统子载波分配方法的无线移动通信系统。

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