CN109474413B - 一种用于ofdma系统多下行用户多载波的分配方法 - Google Patents

Abstract

一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，包括：步骤1，将每个子载波能够匹配的多个下行用户组成一个用户集合，找出所有子载波对应用户集合中重复出现的下行用户；步骤2，对于重复用户，将所有能够与其匹配的子载波组成一个子载波集合，取出其中能使该用户速率达到最大的子载波；步骤3，该子载波对应用户集合中保留该用户，其余子载波对应用户集合中删除该用户；步骤4，判断是否所有重复用户都完成初步分配，如否，返回步骤2，如是，进入步骤5；步骤5，从每个子载波对应用户集合中找出获得最大速率的用户，完成用户与子载波的分配。本发明可以有效解决子载波与下行用户匹配时的冲突问题，并且可以使下行链路总速率尽可能大。

Description

一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法

技术领域

本发明属于物联网中终端设备的接入技术领域，尤其涉及一种用于OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址)系统多下行用户多载波的分配方法。

背景技术

OFDMA是在OFDM基础上发展起来的一种多址接入技术，现已成为3GPP LTE的下行链路的主流多址方案。OFDMA技术与OFDM技术相比，用户可以选择条件较好的子载波进行数据传输，而不像OFDM技术那样，一个用户在整个频带内发送。通过把可用带宽资源分配给需要的用户，显著提高系统性能，因此OFDMA系统中的资源分配问题一直是当今通信领域研究的热点。

然而，在OFDMA系统中，由于采用全双工的传输方式，其中的资源分配问题更具挑战性，尤其是在一些用户设备不具有全双工能力等场景中。此外，要使资源得到最佳分配，通常要求子载波和功率进行联合分配，其中必然会涉及非线性非凸问题的求解，意味着计算复杂度会很高，不能满足实时性要求高的系统。

近年来，不少文献中也提出了各种多用户与多载波分配的方案。

例如：

1、速率比例公平约束下的的自适应子载波分配方案

该方案分配时，用户的速率事先满足一定的比例，基站先随机为用户分配子载波，当分配到第i个用户时，在未分配的子载波中选择信道增益较好的子载波分配给当前用户。

2、基于最小容量最大化算法的子载波分配方案

该方案先为每个子载波分配相等的功率，再依次为每个用户分配一个信道条件较好的子载波，在最大化最小速率的前提下，每次为速率最小的用户分配一个子载波，以此最大化系统容量。

3、基于婚姻匹配算法(Gale-Shapley)的多用户与多载波分配方案该方案是目的是在子载波与用户中间达到最优分配，即互相都没有更好的选择。在此方案中，要先在子载波和用户之间按照匹配程度排好序，子载波先选择与其最匹配的用户，然后开始迭代。在每轮迭代过程中，子载波选择用户时有两种情况:(a)该用户未被别的子载波选择，用户就与其匹配成功。(b)该用户已经被选择(匹配)，则用户将已匹配的子载波与当前子载波比较，若发现当前子载波更匹配，就换成与当前子载波匹配，否则保留原匹配子载波。重复上述迭代，直到所有子载波都找到匹配的用户，达到一个匹配稳定的情况。

上述的方案虽然很好的解决了多载波与多用户分配的问题，但是这些方案都有一定程度的缺陷。方案一以固定用户速率比例进行资源随机分配，没有考虑到优化吞吐量的问题。方案二从系统吞吐量来说，还是有所降低，而且当用户最小速率相同即发生冲突的情况没有考虑进去。方案三基于婚姻匹配算法，要求用户数和子载波数必须相同时才适用，有很大的局限性，也是开始并没有考虑按匹配程度排序时出现冲突的情况。

此外，上述方案都是在子载波与用户之间不受限地分配，也就是每个子载波都有与每个用户匹配的可能性，但在本发明所考虑的应用场景中，考虑到上行用户对下行用户的干扰问题，因此每个子载波只能选取部分用户进行分配，且每个子载波所选的部分用户也是不全相同的。在此应用场景下，考虑重复出现的用户，使下行速率尽可能大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，该方法充分考虑分配过程中出现的冲突情况，在子载波与用户之间分配受限情况下,可以有效解决子载波与下行用户匹配时的冲突问题，并且可以使下行链路总速率尽可能大，具体技术方案如下：

一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，包括如下步骤：

步骤1，将每个子载波能够匹配的多个下行用户组成一个用户集合，找出所有子载波对应用户集合中重复出现的下行用户i；

步骤2，对于重复用户i，将所有能够与其匹配的子载波组成一个子载波集合，取出其中能使该用户速率达到最大的那个子载波；

步骤3，该子载波对应用户集合中保留该用户，其余子载波对应用户集合中删除该用户；

步骤4，判断是否所有重复用户都完成初步分配，如果不是，返回步骤2，如果是，进入步骤5；

步骤5，从每个子载波对应用户集合中找出能够获得最大速率的用户，完成用户与子载波的分配。

进一步地，用户总数量约为子载波总数的1.5倍，可以进行合理的匹配。

进一步地，子载波与用户之间的分配受限，即每个子载波只能选取部分用户进行分配，且每个子载波所选的部分用户也是不全相同的。

进一步地，所述步骤2中，根据用户速率公式的计算来进行用户速率的比较，公式如下：

其中，p^d是基站平均分配给下行用户的功率，

表示信干噪比，由下式得出：

其中

是第j个子载波对应的上行用户对第i个下行用户的干扰增益，gⁱ _j是第j个子载波第i个用户的下行链路信道增益，根据上以上公式就可取出其中能使用户速率较大的子载波。

进一步地，所述链路信道增益已经考虑了路径损耗和瑞利衰落，并且被噪声功率N₀归一化，满足均值为1的指数分布。

进一步地，所述步骤5中，每个子载波匹配完成后，可以计算出下行链路总速率R_d，如下式：

其中

即每个子载波最多与一个下行用户匹配，并且有：

对于与现有技术相比，本发明考虑到子载波与用户分配时受限的情况，可以有效解决子载波与下行用户匹配时的冲突问题，并且可以使下行链路总速率尽可能大。

附图说明

图1为本发明所述OFDMA系统下的具体应用场景图；

图2为本发明所述用于OFDMA系统多下行用户多载波分配方法流程图示意；

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，包括如下步骤：

步骤1，将每个子载波能够匹配的多个下行用户组成一个用户集合，找出所有子载波对应用户集合中重复出现的下行用户i。

步骤2，对于重复用户i，将所有能够与其匹配的子载波组成一个子载波集合，取出其中能使该用户速率达到最大的那个子载波。

所述步骤2中，根据用户速率公式的计算来进行用户速率的比较，公式如下：

其中，p_d是基站平均分配给下行用户的功率，

表示信干噪比，由下式得出：

其中

是第j个子载波对应的上行用户对第i个下行用户的干扰增益，gⁱ _j是第j个子载波第i个用户的下行链路信道增益，根据上以上公式就可取出其中能使用户速率较大的子载波。

步骤3，该子载波对应用户集合中保留该用户，其余子载波对应用户集合中删除该用户。

步骤4，判断是否所有重复用户都完成初步分配，如果不是，返回步骤2，如果是，进入步骤5。

步骤5，从每个子载波对应用户集合中找出能够获得最大速率的用户，完成用户与子载波的分配。

所述步骤5中，每个子载波匹配完成后，可以计算出下行链路总速率R_d，如下式：

其中

即每个子载波最多与一个下行用户匹配，并且有：

进一步地，用户总数量约为子载波总数的1.5倍，可以进行合理的匹配。同时，子载波与用户之间的分配受限，即每个子载波只能选取部分用户进行分配，且每个子载波所选的部分用户也是不全相同的。

参阅图1，在本发明具体实施例中，给定OFDMA系统中每个上行用户的功率P^u＝25(dBm)，基站分配给下行链路的总功率P_BS＝42(dBm)，频带为10MHz分成50个子载波，每个子载波带宽为180kHz，下行用户设备总数为75，其中，所有的信道增益被噪声功率N₀归一化并满足均值为1的指数分布。基于图1，本实施所述一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法具体步骤如下：

首先，对于50个子载波S₁,S₂,...S₅₀，先考虑到上行用户对下行用户产生的干扰问题，子载波与用户之间的分配受限，子载波只能与部分用户进行分配。这里从75个用户中为每个子载波抽取干扰较小的若干用户放入对应的用户集合，这种情况下，每个用户集合中的用户数不全相同，分别为N1,N2,...N50，此外，集合与集合之间的用户也不全相同，用：

S₁:{d_1,1,d_2,1,...d_N1,1},S₂:{d_1,2,d_2,2,...d_N2,2},...S₅₀:{d_1,50,d_2,50,...d_N50,50}

来表示每个子载波对应的用户情况，集合中的d_i,j代表第j个子载波对应用户集合中的第i个用户。找出这些集合中重复出现的下行用户，比如说d_a,m和d_b,n都对应用户U_i。

对于重复出现的用户U_i，将所有能够与其匹配的子载波S_m,S_n再组成一个子载波集合U_i:{S_m,S_n}，根据如下的用户速率公式来进行用户速率的比较：

其中，p_d是基站平均分配给下行用户的功率，

表示信干噪比，由公式

表示，其中

是第j个子载波对应的上行用户对第i个下行用户的干扰增益，gⁱ _j是第j个子载波第i个用户的下行链路信道增益。取出其中能使用户速率较大的那个子载波，比如这里取为子载波S_m。

保留该子载波S_m中的该重复用户d_a,m，同时舍弃其余子载波S_n对应用户集合中的该重复用户d_b,n。

重复上述步骤直至重复用户都完成初步分配，这里就可以让每个重复用户都能够保留在使其速率较大的那个子载波用户集合中，并且解决了可能的冲突问题，方便进行进一步的比较分配。

对于每个子载波，找出其对应用户集合中剩余的速率最大的那个用户，完成匹配。

每个子载波匹配完成后，可以计算出下行链路总速率R_d，利用如下公式表示：

其中

即每个子载波最多与一个下行用户匹配，并且有：

优选的，研究子载波的分配情况时，先假设基站对下行用户是等功率分配的。由于本发明中一个子载波最后只能分给一个下行用户，因此分配完成的下行用户数和子载波数相同，每个下行用户数的功率可以用

来表示。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，将每个子载波能够匹配的多个下行用户组成一个用户集合，找出所有子载波对应用户集合中重复出现的下行用户i；

其中，每个子载波的用户集合是从若干个待匹配用户中为每个子载波抽取的干扰较小的若干用户构成的用户集合，这种情况下，每个子载波的用户集合中的用户数不全相同，分别为

，不同用户集合中的用户也不全相同，用：

,

,...

来表示每个子载波对应的用户情况，集合中的

代表第j个子载波对应用户集合中的第i个用户；

并找出集合中重复出现的下行用户，子载波m对应用户集合中的用户

和子载波n对应用户集合中的用户

都对应用户U_i，则U_i为重复出现的下行用户；

步骤2，对于重复用户i，将所有能够与其匹配的子载波组成一个子载波集合，取出其中能使该用户速率达到最大的那个子载波；

步骤3，该子载波对应用户集合中保留该用户，其余子载波对应用户集合中删除该用户；

步骤4，判断是否所有重复用户都完成初步分配，如果不是，返回步骤2，如果是，进入步骤5；

步骤5，从每个子载波对应用户集合中找出能够获得最大速率的用户，完成用户与子载波的分配。

2.根据权利要求1所述的一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，其特征在于：用户总数量为子载波总数的1.5倍，可以进行合理的匹配。

3.根据权利要求1所述的一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，其特征在于：子载波与用户之间的分配受限，即每个子载波只能选取部分用户进行分配，且每个子载波所选的部分用户也是不全相同的。

4.根据权利要求1所述的一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，其特征在于：

所述步骤2中，根据用户速率公式计算各个用户在其可匹配子载波上的速率，用户速率公式如下：

；

其中，j表示子载波标号，L表示子载波的数目；i表示用户标号，N_j表示子载波j对应用户集合中的用户数目；p^d是基站平均分配给下行用户的功率，

表示信干噪比，由下式得出：

；

其中，

是第j个子载波对应的上行用户U_j对第i个下行用户

的干扰增益，

是第j个子载波第i个用户的下行链路信道增益，根据以上公式就可取出其中能使重复用户速率最大的那个子载波。

5.根据权利要求4所述的一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，其特征在于：

链路信道增益被噪声功率N₀归一化，满足均值为1的指数分布。

6.根据权利要求1所述的一种用于OFDMA系统多下行用户多载波的分配方法，其特征在于：所述步骤5中，每个子载波匹配完成后，计算出下行链路总速率R_d，如下式：

；

其中，

，即每个子载波最多与一个下行用户匹配，并且有：

。

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