CN1674572B - 正交频分多路复用通信系统中的副载波分配的设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种设备和方法，能够在正交频分多路复用(OFDMA)移动通信系统中为多个用户分配副载波，并且通过多个天线发射副载波到用户。副载波分配方法通过考虑期望的比特率和功率分配而减少了传输功率。副载波被最佳地分配给每个天线，以便减少峰值对平均值功率比(PARR)，并且改善服务质量(QoS)。该设备和方法适用于多用户并且通过多单元天线获得空间分集增益。

Description

正交频分多路复用通信系统中的副载波分配的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种移动通信系统。更具体而言，本发明涉及一种用于在多输入多输出(MIMO)正交频分多路复用(OFDM)移动通信系统中分配副载波的设备和方法。

背景技术

由于20世纪70年代末期蜂窝无线移动电信系统在美国的发展，语音通信业务已经通过作为第一代(1G)模拟类型移动通信系统的高级移动电话业务(AMPS)系统而被提供给用户。随后，在20世纪90年代的中期，发展了2G移动通信系统。另外，为了提供高速数据业务，而在20世纪90年代末期提出了作为3G移动通信系统的国际移动电信-2000(IMT-2000)。最近，IMT-2000业务已经被部分地提供给用户。

当前，3G移动通信系统正演进为4G移动通信系统。除了专门地提供无线通信服务的先前的移动通信系统之外，4G移动通信系统可以通过有效地合并无线通信网络和有线通信网络来提供有线/无线通信服务。为了实现这些，现在正对在4G移动通信系统中发送高速数据服务的技术进行标准化。

当通过以上移动通信系统中的无线信道发送信号时，由于在发射机和接收机之间存在的各种干扰，使得所发送的信号遭受多径干扰。由最大延迟扩展和信号的发送周期来确定具有多路径的无线信道的特性。如果信号发送周期比最大延迟扩展长，则干扰可能不会出现在连续信号之间，并且信道的频率特性被确定为频率非选择性衰落。

然而，如果当发送具有短码元间隔的高速数据时使用单载波方案，则可能增加码元间干扰，致使信号失真。从而，可能增加接收端均衡器的复杂度。

为了解决以上单载波方案的问题，已经提出了正交频分多路复用(OFDM)方案。根据OFDM方案，多载波被用于发送数据。OFDM方案是一种多载波调制(MCM)方案，其中串行码元阵列被转换成并行码元阵列，其被调制为多个副载波，也就是，多个彼此正交的副载波信道。

采用上述MCM方案的系统在20世纪50年代末已经在军用HF电台中首次采用。另外，从20世纪70年代末以来，一直在开发用于叠加多个正交副载波的OFDM方案。然而，很难实现多载波之间的正交调制，因此存在向实际的系统直接应用OFDM方案的限制。在1971年，Weinstein等宣布通过利用离散傅里叶变换(DFT)，能够有效地执行利用OFDM方案的调制/解调。从这一点上来看，OFDM方案的技术已得到了快速发展。另外，由于已经提出了保护间隔方案和循环前缀(CP)保护间隔插入方案，因此能够进一步减少系统上的多路径和延迟扩展的消极作用。

因而，近来OFDM方案已经被广泛地应用于数字传输技术，诸如数字音频广播(DAB)、无线局域网(WLAN)、和无线异步传输模式(WATM)。也就是说，因为已开发了数字信号处理技术，诸如快速傅里叶变换(FFT)和快速傅里叶逆变换(IFFT)，所以能够在实际的系统中采用由于硬件复杂性而很少使用的OFDM方案。

OFDM方案类似于频分多路复用(FDM)方案。尤其是，OFDM方案发送多个副载波同时保持它们之间的正交性，由此当发送高速数据时获得最佳的传输效率。另外，由于OFDM方案具有较高的频率利用率并且表现出对多径衰落的出众的忍耐力，因此当发送高速数据时它可以获得最佳的传输效率。

另外，由于OFDM方案使用重叠的频谱，所以其能够获得较高的频率利用率。此外，OFDM方案表现出对频率选择性衰落和多径衰落的出众的抵抗力，通过利用保护间隔而减少了码元间干扰(ISI)的影响，简化了均衡器结构，并且减少了脉冲类型的噪声。因而，在通信系统中确实使用OFDM方案。

在下文中，将参考图1来描述采用传统OFDM方案的通信系统的结构。

图1是示出了传统OFDM移动通信系统的发射机的图。OFDM移动通信系统包括发射机100和接收机150。

发射机100包括编码器104、码元映射器106、串/并变换器108、引导码元插入器110、IFFT单元112、并/串变换器114、保护间隔插入器116、数模转换器118、和射频(RF)处理器120。

在发射机100中，具有用户数据比特和控制数据比特的用户数据102被输出到编码器104。一旦接收到用户数据102，编码器104就通过预定的编码方案对用户数据102进行编码，并且发送该数据到码元映射器106。在这里，编码器104可以通过具有预定码率的turbo编码方案或者卷积编码方案对用户数据102进行编码。码元映射器106通过预定的调制方案对编码比特进行调制，由此产生调制码元并且发送该调制码元到串/并变换器108。在这里，预定的调制方案包括二进制移相键控(BPSK)方案、四相移相键控(QPSK)方案、正交调幅(16QAM)方案、或者正交调幅(64 QAM)方案。

一旦从码元映射器106接收到串行调制码元，串/并变换器108就将串行调制码元转换为并行调制码元，并且发送该并行调制码元到引导码元插入器110。因而，引导码元插入器110将引导码元插入到该并行调制码元中，并且发送该具有引导码元的并行调制码元到IFFT单元112。一旦从引导码元插入器110接收到信号，IFFT单元112就对该信号执行N点IFFT并且发送该信号到并/串变换器114。

一旦从IFFT单元112接收到信号，并/串变换器114就将该信号转换成串行信号并且发送该串行信号到保护间隔插入器116。已经从并/串变换器114接收到串行信号的保护间隔插入器116将保护间隔信号插入到该串行信号中并且发送该信号到数模转换器118。当OFDM信号从OFDM通信系统发送出去时，保护间隔的插入对于去除在先前的码元发送持续时间期间所发送的OFDM码元和在当前OFDM码元发送持续时间期间所发送的OFDM码元之间的干扰是必须的。已提出了这样的保护间隔，使得空值(null)数据被插入到具有预定间隔的保护间隔。然而，当空值数据被发送到保护间隔时，如果接收机错误地估计OFDM码元的起点，则可以出现副载波之间的干扰，以致可能增加错误判断所接收的OFDM码元的可能性。这样，使用“循环前缀”方案或者“循环后缀”方案，其中，在“循环前缀”方案中，时间域中OFDM码元的预定的最后比特被复制并且被插入到有效的OFDM码元中，在“循环后缀”方案中，时间域中OFDM码元的预定的第一比特被复制并且被插入到有效的OFDM码元中。

一旦从保护间隔插入器116接收到信号，数模转换器118就将该信号转换成模拟信号并且发送该模拟信号到RF处理器120。RF处理器131包括滤波器和前端单元。RF处理器131在对该信号进行RF处理之后通过Tx(发射)天线将从数模转换器118输出的信号发送到大气。

在下文中，将描述接收机150的结构。接收机150的结构与发射机100的结构相反。

接收机150包括RF处理器152、模数转换器154、保护间隔去除器156、串/并变换器158、IFFT单元160、引导码元提取器162、信道估计器164、均衡器166、并/串变换器168、码元去映射器170、解码器172和数据接收器174。

首先，当从发射机100发送的信号正经过多径信道时，噪声被加到该信号上。随后，该信号通过接收天线被发送到接收机150。通过接收天线接收的信号被输入到RF处理器152。RF处理器152对通过接收信号接收的信号进行下变换，以便信号具有中频带并且发送该信号到模数转换器154。模数转换器154将该RF处理器152的模拟信号转换为数字信号并且发送该数字到保护间隔去除器156。

一旦从模数转换器154接收到数字信号，保护间隔去除器156就去除保护间隔信号并且发送串行信号到串/并变换器158。从保护间隔去除器156接收串行信号的串/并变换器158将该串行信号转换为并行信号并且发送该并行信号到IFFT单元160。IFFT单元160对从保护间隔去除器156输出的并行信号执行N点IFFT，并且发送该信号到均衡器166和引导码元提取器162。一旦从FFT单元160接收到信号，均衡器166就对该信号执行信道均衡并且发送该信号到并/串变换器168。并/串变换器168将并行信号转换为串行信号，并且发送该串行信号到码元去映射器170。

同时，从IFFT单元160输出的信号被输入到引导码元提取器162中，以便引导码元提取器162从IFFT单元160的信号检测引导码元。由引导码元提取器162检测的引导码元被发送到信道估计器164。这样，信道估计器164通过利用从引导码元提取器162输出的引导码元来执行信道估计并且发送该信道估计结果到均衡器166。另外，接收机150产生与该信道估计结果对应的信道质量信息(CQI)，并且通过CQI发射机(未示出)而发送该CQI到发射机100。

码元去映射器170通过预定的解调方案解调从并/串变换器168输出的信号，并且发送该解码信号到解码器172。一旦从码元去映射器170接收到该解调信号，解码器172就通过预定的解码方案对解调信号进行解码，然后输出该解调信号。接收机150中采用的解调和解码方案对应于发射机100中采用的调制和编码方案。

近来，已经积极地研究OFDM方案作为用于4G移动通信系统和下一代通信系统的代表性的通信方案。如上所述，OFDM为了改善频率利用率而使用多个具有正交性的副载波，采用快速傅里叶逆变换和快速傅里叶变换(FFT)以便容易地处理高速数据，并且为了改善对多径衰落的忍耐力而利用了“循环前缀”。另外，OFDM方案适用于多输入和多输出(MIMO)系统。

用于单用户的OFDM方案不同于用于多个用户的OFDM方案。用于多个用户的OFDM方案必须分配副载波，使得副载波不彼此重叠，同时考虑每个用户的传输率和传输功率。这样，已经提出了各种副载波分配方法用于OFDM方案。其中一个方法是通过利用基于拉格朗日(Lagrange)最优化方法的算法而最小化总的传输功率1同时利用用于每个用户的比特率作为限制。然而，尽管拉格朗日最优化方法能够获得最佳解决方案，但该算法很复杂并且具有低的收敛速度。

为了获得较快的速度，已经提出了两级副载波分配方案，其中确定了分配给每个用户的副载波的数量和传输功率，并且副载波被分配给每个用户，以便能够获得最大数据传输率。这时，Hungarian算法被用于副载波分配，这使得即便用户的数量很小也产生复杂度。此外，水填充(water-filling)算法被用于多用户。

如图1所示，存在对从单天线结构获得最佳的天线分集增益的限制。这样，已经提出了利用多单元天线的分集方案。利用多单元天线的发送分集方案包括开环方案和闭环方案。开环方案没有反馈信息并且包括时空方案，该时空方案包含时空块码(STBC)、时空格码(STTC)和分层时空码。闭环方案具有反馈信息并且包括发射天线阵方案，其中每个天线发送副载波，同时通过基于通过天线发送的信号的信道信息计算权重，而向副载波增加权重。

能够相对于开/闭环方案而利用天线选择性发射分集方案。在开环方案的情况下，相同数量的副载波被分配给每个天线。例如，如果提供了两个天线，则奇数副载波被分配给第一天线并且偶数副载波被分配给第二天线。在闭环的情况下，通过利用天线的信道信息，而将副载波分配给具有较高的信道特性的天线，因此相同数量或者不同数量的副载波被分配给每个信道。

已经提出了各种算法用于在OFDM方案中分配副载波。然而，这样的算法仅仅适用于单天线结构和目标二维(时间-空间)资源分配。在实际多单元天线环境下，很少执行对于三维(时间-频率-空间)资源分配算法的研究。另外，当通过OFDM方案分配副载波到天线时，单天线结构对于一个天线使用多个副载波是必须的，因此峰值对平均值功率比(PARR)可能增加。

如果PARR增加，则模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的复杂度同时增加并且射频功率放大器的效率可能减少。为了减少PARR，提出了编码方案和削波(clipping)方案。然而，这不仅难以发现能够相对于多个副载波减少PARR的代码，而且可能增加带内频率和带外频率之间的干扰。另外，多单元天线可用于减少PARR。如果相同数量的副载波被分配给每个天线，则PARR能够相对于N个副载波以10logN/n的比率降低，在这里N是副载波的数量并且n是天线的数量。然而，当副载波被分配给每个天线时，必须有效地调整副载波的数量。

同时，除PARR之外，在OFDM方案中必须考虑传输功率。在多用户环境下，分配给每个用户的副载波的功率必须被正确地调整，以便减少用户之间的干扰。由于发射分集方法的开环方案不接收来自接收端的反馈信息，所以可能不出现额外开销。然而，即使在低级天线信道状态中也必须发送副载波到天线，因此可能出现性能降低。闭环方案基于天线的信道状态而分配副载波到每个天线，因此闭环方案表现出优越的性能。然而，闭环方案由于它的反馈信息可以导致额外开销，因此必须减少额外开销。另外，闭环方案通过利用各种信道估计信息来最优化传输功率，因此需要复杂的算法。尤其是，拉格朗日(Lagrange)最优化算法表现出在实际系统中几乎不可能实现的复杂度。另外，已经提出了各种简化的次优算法，但是不必要地要求重叠循环和多个分类操作。

发明内容

因此，作出了本发明以解决上述现有技术中存在的问题，并且本发明的目的是提供一种设备和方法，能够在正交频分多路复用(OFDMA)移动通信系统中为多个用户有效地分配副载波并且通过多单元天线而发送副载波到用户。

为了实现该目的，提供一种设备和方法，用于在多输入多输出(MIMO)OFDMA移动通信系统中分配多个副载波到至少一个用户设备并且将分配的副载波与多个天线中的一个进行映射。该设备和方法包括从多个用户设备接收与有关该天线的副载波相关的信道信息；基于该信道信息而确定将分配给每个用户设备的副载波的数量；以及根据信道信息和副载波的数量而分配副载波到每个用户设备和发射天线。

附图说明

从以下结合附图进行的详细说明中，本发明的上述及其他目的、特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1是示出了传统正交频分多路复用(OFDM)系统的无线电收发机的结构的方框图；

图2示出了根据本发明第一实施例的多输入多输出(MIMO)OFDMA系统的结构的方框图；

图3是示出了根据本发明第一实施例的MIMO OFDM方案中的副载波分配过程的流程图；

图4是示出了根据本发明第一实施例的用于确定将分配给每个用户的副载波的数量的过程的流程图；

图5是示出了根据本发明第一实施例的确定用于每个用户的天线和副载波的过程的流程图；

图6是示出了根据本发明第二实施例的MIMO OFDM系统的结构的方框图；

图7是示出了根据本发明第二实施例的用于为每个用户分配副载波的过程的流程图；以及

图8是示出了本发明的测试结果的图表。

具体实施方式

以下，将参考附图来描述本发明的实施例。

在以下的详细说明中，将描述本发明的有代表性的实施例。另外，为了简明起见，将省略对合并在这里的已知功能和配置的详细说明。

本发明的实施例提供了用于在多输入多输出(MIMO)正交频分多路复用(OFDM)系统中有效地分配副载波到每个天线和每个用户的算法。根据本发明的用于分配副载波的系统能够减少传输功率和峰值对平均值功率比(PARR)，满足用户对服务质量的需求。

另外，作为一种用于多个用户的OFDM方案的所使用的OFDMA方案必须为每个用户分配不同的副载波。然而，一个副载波能够被确定为用于多个用户的最佳副载波。

因此，在本发明的一个实施例中，基于每个用户需要的比特率和信道信息来确定副载波的最佳数量和总的传输功率，然后副载波被分配给每个用户。另外，本发明的实施例提供了一种MIMO OFDMA系统，能够根据天线的信道环境而有效地分配副载波，由此减少PARR和改善频率利用率。

为了选择分配给每个用户的副载波和最佳天线，需要通过天线发送的每个副载波的信道信息。信道信息在接收端被计算，并且通过反馈信道被发送给发射终端。如果大量的副载波被发送到发射终端，则必须考虑反馈信息的计算、反馈信息的可靠性、以及反馈路径的延迟。

另外，在本发明的一个实施例中，提供了一种闭环发射分集的自适应副载波分配(ASA)方案中的副载波分配算法。根据ASA方案，副载波的信道信息通过反馈信道被发送到发射终端，并且然后，通过考虑天线选择性发射分集而根据副载波分配算法将副载波分配给每个天线。

实施例1

根据本发明的第一实施例，在发送用户信号之前，获得用于天线中的所有副载波的信道信息。随后，通过利用该信道信息而发射用户信号。另外，为了信道状态变化，而在预定的时间流逝之后反馈信道信息。这时，信道信息量是M×N，其中M是天线的数量，以及N是副载波的数量。

在根据本发明第一实施例解释副载波分配算法之前，将描述需要从每个用户设备发送到用于副载波分配的基站的信道信息。

根据本发明的第一实施例，确定在OFDMA方案中分配给每个用户的副载波的数量n_k。随后，通过比特装入(loading)算法确定分配给每个用户的副载波。当OFDMA方案被应用于MIMO系统时，通过比特装入算法确定分配给每个天线的副载波。这时，可以通过考虑每个用户需要的最小比特率B_min(k)以及每个天线和每个用户之间的平均信道增益噪声比(CNR)u_k，来确定分配给每个用户的副载波的数量以及传输功率。

信道的CNR(也就是说，Uk)被表示为等式1：

等式1

${\mathrm{\μ}}_k=\frac{1}{M}\frac{1}{N}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_{k,m,n}$

在等式1中，M是天线的数量，N是副载波的数量，并且Φ_k，m，n是当第n个副载波通过第k个天线和第m个天线之间的信道时的CNR。

另外，如果用户k的码元差错率是P_e(k)，并且信噪比(SNR)间隙是γ_e，SNR间隙(即γ_e)和CNR(即Φ_k，m，n)被表示为等式2和3。

等式2

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{1}{3}{\left[Q^{-1}\left(\frac{P_e\left(k\right)}{4}\right)\right]}^2$

等式3

${\mathrm{\Φ}}_{k,n,m}=\frac{{\left|H_{k,m,n}\right|}^2}{{\mathrm{\γ}}_{k{\mathrm{\σ}}^{2}n,m}}$

在等式2中，H_k，n，m是用于第k个用户、第n个副载波、和第m个天线的信道增益系数，并且σ² _n，m是用于通过第m个天线的第n个副载波的噪声功率。由于发射机在ASA方案中通过反馈信道从每个用户获得CNR，因此能够对于所有信道获得CNR。因此，如果用户的数量是K，则从所有用户接收的信道信息量是K×M×N。基于经由反馈信道获得的Φ_k，m，n通过副载波分配算法来确定分配给每个用户的副载波。另外，比较对于每个副载波频率的每个天线的信道信息，并且通过利用天线选择性分集，用户信号通过具有优越的信道特性和频率的天线而发射。

例如，如果两个用户使用两个天线，则相对于第n个副载波形成四个反馈信道Φ_1，n，1、Φ_1，n，2、Φ_2，n，1和Φ_2，n，2。这时，通过利用与每个用户对应的Φ_k，n，1和Φ_k，n，2的平均来获得分配给每个用户的副载波的数量n_k，并且副载波被分配给表现出优越信道特性的天线。

如果传统信号天线系统用于多用户，当分配副载波时可能仅存在单天线的信道特性，因此不能获得分集效应。也就是说，随着天线数量的增加，所有信道中的劣质信道特性的可能性减少，因此能够改善分集效应并且能够减少误码率。另外，能够减少空值创建的可能性，使得能够改善数据传输率。

在下文中，将描述根据本发明第一实施例的在MIMO OFDMA方案中用于分配副载波到每个用户的设备和方法。

图2是示出了根据本发明第一实施例的用于通过分配副载波而收发数据的MIMO OFDMA系统的结构的方框图。

参考图2，用于K个用户201的数据通过副载波分配器203基于每个用户的信道信息而被分配给预定的天线和副载波。这样，通过快速傅里叶逆变换(IFFT)205和213、保护间隔插入器207和215、并/串变换器209和217以及天线211和219根据副载波的分配信息而发射副载波。

图2示出了包括m个发射天线以及K个用户的MIMO OFDM系统。另外，使用N个副载波并且采用闭环发射分集的ASA方案。图2中示出的发射机的结构基本上和图1中示出的发射机结构相同。然而，由于在具有多单元天线的MIMO系统中，不同的副载波被分配给每个天线，因此可以在每个天线中执行IFFT之后的过程。传统的OFDMA系统包括单天线结构，因此副载波被分配给每个用户。然而，MIMO OFDM系统必须分配副载波到每个用户和每个天线。稍后将参考图3到5描述根据本发明一个实施例的借助于副载波分配器的副载波分配算法。

同时，M×K个信道Φ_1，n，1、Φ_2，n，1、...Φ_K，n1...Φ_1，n，M、Φ_2，n，M、...、以及Φ_K，n，M形成在每个发射天线221以及223和每个天线之间。另外，每个信道具有用于N个副载波的信道响应。当从接收机向发射机反馈信道信息时，包括在每个信道中的N个信息被发射，因此K×M×N个信息被反馈。每个用户的接收机的结构基本上和图1中示出的接收机的结构一致，除了根据本发明一个实施例的图2中示出的接收机通过基于与副载波分配器所分配的副载波相关的信息解调它自身的副载波来获得用户信号。

图3是示出了根据本发明第一实施例的MIMO OFDM方案中的副载波分配过程的流程图。

参考图3，基站对于每个用户接收与每个天线的副载波相关的信道信息(步骤301)。如等式1中所示，信道信息量是K×M×N，其对应于与每个用户的每个副载波相关的信道信息的数量。

随后，基站确定每个用户的副载波的数量(步骤303)并且分配副载波到用户和天线(步骤305)。这时，必须通过考虑每个天线和每个副载波的信道信息而将副载波分配给每个用户。

根据本发明第一实施例的用于分配副载波的方法包括两个步骤：确定要分配给每个用户的副载波的数量，并分配副载波到每个用户和每个天线。

-第一步骤：确定要分配给每个用户的副载波的数量

为了分配副载波到每个用户和每个天线，必须确定要分配给每个用户的副载波的数量。必须通过考虑最小比特率B_min(k)和最大发射能量E_max(k)来确定要分配给每个用户的副载波的数量n_k。如果最大发射能量E_max(k)小，则即使所有的副载波被分配给一个用户，也不能获得期望的比特率。在这种情况下，必须减少比特率或者增加传输功率。另外，如果分配给所有用户的副载波的数量少于或者多于副载波的数量，则必须通过去除一些副载波来调整最大发射能量或者副载波的数量。

必须最初确定要分配给每个用户的副载波的数量n_k。这时，副载波的初始数量n_k被确定为如等式4所示。

等式4

n_k＝|B_min(k)/b_max|

参考等式4，确定初始数量n_k，使得每个码元的最大比特数b_max能够被应用于所有的副载波，并且通过副载波的初始数量n_k、平均CNR和最小比特率而确定每个用户的总的发射能量E_T(k)。

如果分配给每个用户的副载波之和小于副载波的总数，则通过利用额外的副载波来调整每个用户的发射能量，由此增加要分配的副载波的数量。也就是说，当每个用户的总发射能量E_T(k)大于最大发射能量E_max(k)时，副载波的数量n_k逐一增加，以便保持总的发射能量E_T(k)低于最大发射能量E_max(k)。如果分配给每个用户的副载波之和小于副载波的总数，则减少最大发射能量E_max(k)。

另外，如果分配给每个用户的副载波之和大于副载波的总数，则定义新的发射能量E_new(k)，其中分配给每个用户的副载波的数量减少一个，由此减少副载波的数量，同时最小化新的发射能量E_new(k)和总的发射能量E_T(k)之间的间隔。

-第二步骤：分配副载波到每个用户和每个天线

当分配副载波到每个用户时，接收副载波的用户的优先权是非常重要的。该优先权包括参考优先权和实际优先权。

能够基于在步骤1中分配给每个用户的副载波的数量如等式5中所示来定义参考优先权：

等式5

$p\left(k\right)=\frac{n_k}{N},\∀k$

实际的优先权能够定义为如等式6中所表示的：

等式6

$p\left(k\right)=\frac{n_k}{\underset{k^{\′}=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{k^{\′}}},\∀k$

参考等式6，无论每个用户什么时候接收副载波，都可确定实际优先权，同时逐一减少副载波的数量(n_k＝n_k-1)。

当根据上述方法确定优先权时，具有最佳CNR并没有被分配给其他用户的副载波被分配给具有最大数量的副载波的用户k，并然后逐一减少所分配的副载波的数量(n_k＝n_k-1)。另外，定义了包括用于每个用户的天线和副载波的副载波分配矩阵A。随后，副载波组件(也就是说，用于对应天线的副载波)被设置为1。例如，如果提供两个天线，并且用于用户k的两个天线中的信道的CNR分别是Φ_k，n，1和Φ_k，n，2，则基于信道CNR而对副载波进行彼此比较，由此找到具有最佳CNR的副载波n。同时，选择具有优越的信道状态的天线来发射信号。

当已经完成了用于具有最大数量的副载波的用户的副载波分配时，对于所有用户重新计算实际优先权，以便将副载波顺序地分配到相对于参考优先权具有最大差的用户，也就是说，具有多个副载波并且到那里的副载波分配被延迟的用户。这样，在剩余的副载波中，具有最佳CNR并且其副载波分配矩阵A不为“1”的副载波被分配。

在下文中，将参考图4和5详细地描述副载波分配过程。

图4是示出了根据本发明第一实施例的用于确定要分配给每个用户的副载波的数量的过程的流程图。

参考图4，基于每个用户所需的最小发射比特率和最大发射能量根据反馈信道信息，而将副载波正确地分配给每个用户。

在步骤401，用于每个用户的副载波的数量被初始化。基于每个用户需要的最小比特率B_min(k)而将最小副载波n_k分配给每个用户，并且计算用于每个用户的总的发射能量E_T(k)。

随后，分配给每个用户的副载波之和与副载波的总数N进行比较(步骤403)。如果分配给每个用户的副载波之和大于副载波的总数，则必须减少分配给每个用户的副载波数量。另外，如果分配给每个用户的副载波之和小于于副载波的总数，那么必须通过利用额外的副载波而进一步分配副载波给每个用户。如果在步骤403和405确定分配给每个用户的副载波之和与副载波的总数相同，它表示对于每个用户的副载波分配已经完成，因此副载波分配过程结束。

另外，如果在步骤403确定分配给每个用户的副载波之和小于副载波的总数，则必须逐一增加副载波的数量，直到每个用户的总发射能量不超过分配给每个用户的最大能量为止。也就是说，在步骤415，用户k的值被设置为1，并且在步骤417确定是否增加了副载波的数量。

随后，在步骤419，如果用于该用户k的总的发射能量E_T(k)小于最大发射能量E_max(k)，那么不增加用于用户k的副载波的数量。另外，如果该用户k的总的发射能量E_T(k)大于最大发射能量E_max(k)，那么在步骤421，分配给用户k的副载波的数量增加一(n_k＝n_k+1)。也就是说，如果用于用户k的总的发射能量E_T(k)大于最大发射能量E_max(k)，则增加分配给用户k的副载波数量，由此防止用于用户k的总的发射能量E_T(k)超过最大发射能量E_max(k)。然后，在步骤423，对于增加的副载波计算总发射能量E_T(k)。对于每个用户而重复地执行上述步骤。

如果在步骤417确定用于每个用户的副载波分配过程已经完成，则再次确定分配给每个用户的副载波之和是否超过副载波的总数(步骤425)。如果，尽管通过上述过程增加了分配给每个用户的副载波数量，即当增加额外的副载波时，但是分配给每个用户的副载波之和仍然小于副载波的总数，那么在步骤427，分配给每个用户的最大能量，即用于每个用户的最大发射能量E_max(k)被减少预定值。然后，对于每个用户，重复地执行副载波分配增加过程。也就是说，如果尽管已经进一步分配副载波给每个用户以防止总的发射能量超过最大发射能量E_max(k)，但是一些能够被分配给用户的副载波仍然剩余，那么用于每个用户的最大发射能量E_max(k)被设置为更小的值，以便进一步分配副载波到每个用户。这样，最大发射能量E_max(k)能够被连续地减少预定值，直到所有的副载波已经被分配给每个用户为止。

相反，如果在步骤403和405中确定分配给每个用户的副载波之和大于副载波的总数，通过步骤407到413而连续减少分配给每个用户的副载波数量。在步骤407，分配给每个用户的副载波的数量减少1并且基于分配给每个用户的副载波而计算新的发射能量E_new(k)。在步骤409，按照新的发射能量E_new(k)和总的发射能量E_T(k)之间的间隙差的次序来排列用户。

然后，在步骤411，用于具有最小间隙差的用户的副载波的数量被逐一减少。在步骤413，总的发射能量E_T(k)变成当副载波的数量已经改变时所获得的能量值。

因此，有可能通过考虑用于每个用户的最大发射能量来有效地分配副载波到每个用户。

如果已经确定了要分配给每个用户的副载波数量，则副载波根据图5中示出的预定过程被分配给每个用户和每个天线。

图5是示出了根据本发明第一实施例的用于分配副载波和天线给每个用户的过程的流程图。

参考图5，在步骤501，副载波分配矩阵A_k，n，m被设置为“0”。副载波分配矩阵A表示每个用户k在每个天线中的副载波的使用。另外，为了分配副载波，基于等式5而计算参考优先权P₀(k)，并且确定副载波的集合S₁，其中按照n_k值的顺序排列副载波，由此选择将向其分配最大数量的副载波的用户。

随后，在步骤503，通过利用第k个用户的反馈信道信息而获得Φ^-1 _k，n，m，并且检索具有最小值的副载波n和天线m。随后，在步骤505，n_k值减少1，并且在步骤507，与从副载波分配矩阵A检索的副载波和天线对应的A_k，n，m被改变为“1”。

此后，在步骤509，检查是否已经完成对于所有的副载波的分配。如果仍然剩余要分配给用户的副载波，则在步骤511，根据等式6计算实际优先权。随后，在步骤513，选择在实际优先权和参考优先权之间具有最大差值的用户。另外，在通过利用选择的用户的反馈信道信息获得Φ^-1 _k，n，m之后，在步骤515中检索具有最小值的副载波n和天线m。然后，在步骤517，n_k值减少1，并且在步骤519，与从副载波分配矩阵A检索的副载波和天线对应的A_k，n，m被改变为“1”。重复执行这样的过程，直到n_k变成“0”为止，因此所有的副载波能够被分配给每个用户和每个天线。

实施例2

在下文中，将参考图6和7描述根据本发明第二实施例的用于分配副载波的设备和方法。

首先，将参考图6描述根据本发明第二实施例的MIMO OFDMA系统中的发射机的结构。参考图6，用户数据借助于串/并变换器601而被转换成并行数据并且借助于群组分配器603被分成至少一个副载波群605和607。如果在副载波单元中分配该群组，则群组尺寸L＝1。多个副载波合并作为一个群组。

根据从接收机617和619接收的信道信息借助于群组分配控制器611而执行这样的群组分配。在考虑每个用户的每个天线中的副载波的信道状态的同时，分配群组。每个群组的副载波被乘以预定的相，然后，在每个群组中将这些副载波彼此合并。基于群组分配控制器611的群组分配信息而处理的信号借助于天线分配器609被分配给多个天线613和615。

在图6中，如果天线的数量是M并且副载波的数量是N，则传输信号被表示为等式7：

等式7

$s\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{n}g(t-i{T}_s)e^{-f2\mathrm{\πn\Δfi}}$

在等式7中，T_s是码元间隔的长度，d_n是正交幅度调制(QAM)数据码元并且g(t)是矩形波滤波器。另外，Δf是副载波之间的频率间隔，并且被表示为等式8：

等式8

$\mathrm{\Δf}=\frac{{\mathrm{\ω}}_n-{\mathrm{\ω}}_{n-1}}{2\mathrm{\π}},n=\mathrm{1,2}...,N-1$

如果第n个副载波被分配给第k个用户，并且通过第m个发射天线被发射，那么通过第m个发射天线发射的传输信号S^(m)(t)被表示为等式9：

等式9

$S^{\left(m\right)}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\χ}}_{k,m,n}{d_n}^{\left(m\right)}g(t=i{T}_s)e^{-j2\mathrm{\πn\Δft}}$

在等式9中，χ是表示副载波分配的分配指示符。如果第n个副载波被分配给第k个用户并且通过第m个发射天线被发射，则χ_k，m，n＝1。

这时，根据副载波分配算法确定副载波分配，并且通过利用反馈信道信息，即，从用户设备发射到基站的信道质量指示符(CQI)而在基站中有效地执行副载波分配过程。使用信号干扰功率比(SIR)以便创建CQI信息。

具体地，第n个副载波被分配给第k个用户，并且第m个天线的信道的SIR是ρ _k，m，n，基于上述SIR值而创建CQI比特。根据本发明的一个实施例，信息被发送到每个群组，能够获得如等式10所表示的平均CQI值：

等式10

$\stackrel{\stackrel{\‾}{\left(g\right)}}{{\mathrm{\ρ}}_{k,m}}=\underset{n=L(g-1)}{\overset{\mathrm{Lg}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{k,n,m},g=\mathrm{1,2},...G$

同时，通过等式10获得的平均CQI值能够被量化为如等式11中所示的Q信息：

等式11

在等式11中，η_Q-2＞...＞η₁＞η₀是用于对CQI等级进行分类的阈值，并且SIR值基于该阈值而被量化为Q信息。随着CQI值的增加，信道质量被改善。如果λ^(g)k，m是具有高SIR的用于资源分配的信道，则分配指示符χ能够被表示为等式12：

等式12

χ_{k，m，g(L-1)}＝χ_{k，m，g(L-1)+1}＝…＝χ_k，m，gL＝1

如上所述，根据本发明的第二实施例，在用户设备中对于每个群组估计SIR信息，并且所估计的CQI信息被量化并且被发送到基站。一旦接收到量化的信道信息，基站就根据本发明的预定副载波分配算法而确定正确分配指示符的值。

在下文中，将参考图7描述用于通过利用在基站中接收的CQI信息为每个群组分配副载波的算法。根据两个规则执行该副载波分配算法。优选地，根据信道状态而周期性地执行副载波分配算法。

在说明图7之前，将描述用于本发明的参数。在下面的描述中，M是发射天线的数量，并且N是副载波的数量。另外，k是用户，g是副载波群组，m是天线。R_min(k)是每个用户设备需要的最小比特率，并且B_min(k)是每个用户设备需要的最小比特率。另外，B_d(k)是期望的比特率。R_min(k)和R_d(k)是用于该算法的临时参数。当分配一个副载波时，更新这样的参数。

通过考虑用户k需要的最小的比特率R_min(k)来确定根据本发明的第二实施例的副载波分配。另外，必须考虑λ^(g) _k，m，其是当第g个副载波被分配给第k个用户时的第m天线的CQI值。也就是说，分配具有高λ^(g) _k，m的副载波。

另外，在比特率基本上被分配给每个用户之后，必须选择高质量SIR(也就是说，)。在这里，高质量SIR指的是λ^(g) _k，m＞＝th(预定的阈值)。

参考图7，在步骤701，基站接收与每个用户的副载波群组和天线相关的CQI信息。另外，在步骤703初始化g、R_min和R_d。如果在步骤705中，g的值大于mod(g+d，G)，则在步骤707，d的值被重置为mod(d+v)G。否则，在步骤709，执行群组分配过程，同时逐一增加g的值。这时，d的值是为了随机资源分配的目的而用于分配来自不同位置的副载波的偏移值。

随后，在步骤711，对所有用户k检查最小比特率R_min(k)。如果最小比特率R_min(k)大于“0”，则执行步骤713。在步骤713，按照最小比特率R_min(k)的次序对用户进行重新排列。在步骤715，确定CQI值，同时固定k和g的值，由此确定m的最大值并且更新最小比特率R_min(k)。在步骤717，最终确定用于给定g的(k，m)并且更新R_d(k)。这样，将第g个副载波群组映射到用于第k用户的第m个天线。

R_d(k)是每个用户需要的数据率。R_min(k)和R_d(k)是用于副载波确定过程的临时参数。无论何时分配副载波，上述参数都被连续地更新。另外，对于副载波(或者群组)，逐一顺序地执行上述分配过程。如果在第g个副载波确定了(k，m)＝(a，b)，则分配指示符被表示为等式13：

等式13

同时，如果在步骤711确定最小比特率R_min(k)小于“0”，则执行步骤721。在步骤721，如果用于所有的k，m的CQI的最小值大于预定的阈值(th)，则在步骤719固定g。另外，对于g分配确保所有k，m的最大CQI的(k，m)。相反，如果在步骤721所有k，m的CQI的最小值小于预定的阈值(th)，则在步骤723确定确保最大Rd的k值，并在步骤725中固定k和g的值，以便确定具有最大CQI的m的值。

这样，通过利用从多个用户发射的副载波(群组)和用于每个天线的CQI，能够执行有效的分配过程。

根据本发明实施例的模拟测试结果

在下文中，将参考图8描述本发明的模拟测试结果。

用于模拟测试的测试环境如下：

通过链路级模拟执行测试，并且基于误码率(BER)检查性能。另外，ITUVeh.a模型被用于信道环境，总的路径是六个，移动速度是30km/h(多普勒频率＝55Hz)，并且衰落使用Jakes模型。对于用户信号执行1/2卷积编码和QPSK调制，并且使用512个副载波。对于两个用户和两个发射天线执行副载波分配算法测试，同时将每个用户的最小数据率设置为300，最大发射能量设置为30dB。

模拟测试结果在图8中示出。“传统”线表示包括一个用户和一个天线的传统OFDM系统的测试结果，而“建议”线表示根据本发明实施例的利用副载波分配算法的测试结果。假定用于从每个用户发射的所有副载波的信道信息是精确的。

正如能够从图8所理解的，与传统OFDM方案相比，建议的方案表现出优越的性能。当BER是0.01时，与传统OFDM方案相比，建议的方案的性能改进了6dB。因此，当使用副载波分配算法时，由于发射天线分集效应，能够改善移动通信系统的性能。

尽管已经参考本发明的特定实施例而示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种在多输入多输出(MIMO)正交频分多址(OFDMA)移动通信系统中分配多个副载波到至少一个用户设备的方法，该方法包括步骤：

从多个用户设备接收关于所述副载波的信道信息；

基于该信道信息确定要分配给每个用户设备的副载波的数量；

其特征在于：

该方法包括将所分配的副载波映射到该系统中的多个天线中的每一个，这是基于以下步骤进行的：

从多个用户设备接收关于所述天线中的每一个的副载波的信道信息；以及

根据该信道信息分配副载波到发射天线的每一个，

其中，如果分配给每个用户设备的副载波数量超过副载波的总数，则减少分配给当被分配的副载波的数量减少1时具有其能量和总能量E_T之间的最小间隙差的用户设备的副载波的数量。

2.根据权利要求1的方法，其中基于每个用户设备所需的最小比特率B_min来确定分配给每个用户设备的副载波的数量。

3.根据权利要求1的方法，其中，如果分配给每个用户设备的副载波数量少于副载波的总数，则减少用于每个用户设备的最大能量E_max，并且重复确定副载波数量的步骤。

4.根据权利要求1的方法，其中根据预定优先权来确定发射天线和副载波的位置。

5.根据权利要求4的方法，其中根据要分配的副载波的数量来确定该预定优先权。

6.根据权利要求1的方法，其中，当确定了关于预定用户设备的发射天线和副载波位置时，通过利用信道信息来选择具有最大信道增益噪声比CNR的副载波和天线。

7.一种在多输入多输出(MIMO)正交频分多址(OFDMA)移动通信系统中分配多个副载波到至少一个用户设备的设备，所述设备包括：

副载波分配器，用于基于从用户设备发射的关于副载波的信道信息来确定要分配给每个用户设备的副载波的数量，

其特征在于：

该设备适配为基于所述副载波分配器将所分配的副载波映射到该系统中的多个天线中的每一个，

该副载波分配器用于基于来自用户设备的关于所述天线中的每一个的副载波的信道信息来确定要分配给每个用户设备的副载波的数量，以及用于根据所述副载波的数量分配发射天线和副载波的位置，

其中，如果分配给每个用户设备的副载波数量超过副载波的总数，则减少分配给当被分配的副载波的数量减少1时具有其能量和总能量E_T之间的最小间隙差的用户设备的副载波的数量。

8.根据权利要求7的设备，其中基于每个用户设备所需的最小比特率B_min来确定分配给每个用户设备的副载波的数量。

9.根据权利要求7的设备，其中，如果分配给每个用户设备的副载波数量少于副载波的总数，则减少用于每个用户设备的最大能量E_max，并且重复确定副载波数量的步骤。

10.根据权利要求7的设备，其中根据预定优先权确定发射天线和副载波的位置。

11.根据权利要求10的设备，其中根据要分配的副载波的数量来确定该预定优先权。

12.根据权利要求7的设备，其中，当确定了关于预定用户设备的发射天线和副载波位置时，通过利用信道信息来选择具有最大信道增益噪声比CNR的副载波和天线。

13.一种在多输入多输出(MIMO)正交频分多址(OFDMA)移动通信系统中分配多个副载波到至少一个用户设备的方法，该方法包括步骤：

将副载波划分为几个副载波群组，并且从多个用户设备接收关于副载波群组的信道信息，

其特征在于：

该方法包括将所分配的副载波映射到该系统中的多个天线中的一个天线，这是基于以下步骤进行的：

从多个用户设备接收关于所述天线的每一个的副载波群组的信道信息；以及

分配发射天线和几个副载波群组中对于每个用户设备具有优越信道状态的副载波群组，

其中，根据每个用户设备所需的比特率确定副载波群组和发射天线的分配。

14.根据权利要求13的方法，其中信道信息具有通过借助于预定阈值量化信道的信号干扰功率比SIR而获得的值。

15.根据权利要求13的方法，其中以预定间隔重复执行该分配步骤。

16.根据权利要求13的方法，其中最初分配具有比预定用户设备的预定阈值大的信号干扰功率比SIR的副载波群组和发射天线。

17.一种在多输入多输出(MIMO)正交频分多址(OFDMA)移动通信系统中分配多个副载波到至少一个用户设备的设备，所述设备包括：

群组分配控制器，用于将副载波划分为几个副载波群组，并且从多个用户设备接收关于副载波群组的信道信息，

其特征在于：

该设备被适配为将所分配的副载波映射到该系统中的多个天线中的一个天线，这是基于以下部件进行的：

该群组分配控制器，其用于将副载波划分为几个副载波群组，并且从多个用户设备接收关于所述天线的每一个副载波群组的信道信息，以控制副载波群组分配和天线分配；

群组分配器，用于在群组分配控制器的控制下分配用户数据到副载波群组；以及

天线分配器，用于将在每个副载波群组中调制的信号分配到每个天线，

其中，群组分配控制器根据每个用户设备所需的比特率来分配副载波群组和发射天线。

18.根据权利要求17的设备，其中该信道信息具有通过借助于预定阈值量化信道的信号干扰功率比SIR而获得的值。

19.根据权利要求17的设备，其中群组分配控制器根据信道状态以预定间隔来重复分配副载波群组。

20.根据权利要求17的设备，其中群组分配控制器最初分配具有比预定用户设备的预定阈值大的信号干扰功率比SIR的副载波群组和发射天线。

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