CN1815933A - Ofdma系统频率时间二维无线资源调度模型及其调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信领域，尤指一种OFDMA系统频率时间二维无线资源调度模型及其调度方法。本发明深入分析OFDMA系统资源调度问题，提出频率时间二维动态资源调度的系统模型及基于OFDMA帧的资源调度策略；并提出了高效的OFDMA系统频率时间二维资源调度方法，将非线性规划的最优化问题转换为线性规划的最优化问题，进而转换为简单的两步调度方法，极大降低了调度的复杂度。本发明充分利用OFDM系统在频率域和时间域的衰落特性，最大限度的利用无线信道容量，达到较高的频谱效率及系统容量。

Description

OFDMA系统频率时间二维无线资源调度模型及其调度方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种OFDMA系统频率时间二维无线资源调度模型及其调度方法。

背景技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing：正交频分复用)是一种特殊的多载波传输技术，它将一个较宽的传输带宽分割成互相正交的多个子载波用于并行传输数据。当然，OFDM也可视为一种调制技术或复用技术。OFDM技术的一个最大优势就是对抗多径衰落。由于整个传输带宽被分成多个窄带的子载波，因而每个子载波内，信号可视为平坦衰落的。在单载波调制系统中，信道的衰落将会影响到整个信号带宽；然而在OFDM多载波调制系统中，只有一小部分子载波被衰落。这些由衰落子载波引起的错误可以通过使用纠错码进行纠正。当前，OFDM技术已经应用在基于移动射频FM信道的宽带数字通信系统、高比特率数字用户线(HDSL：1.6Mbps)，非对称数字用户线(VDSL：100Mbps)，数字音频广播(DAB)，陆地数字视频广播(DVB-T)和高清晰度电视(HDTV)陆基广播系统等等。

当前，许多文献研究了OFDM系统中的自适应子载波、比特和功率分配方法[C.Y.Wong，R.S.Cheng，K.B.Letaief，and R.D.Murch，“Multiuser OFDM with adaptive subcarrier，bit，and power allocation，”IEEEJ.Select.Areas Commun.，vol.17，pp.1747-1758，Oct.1999；C.Y.Wong，C.Y.Tsui，R.S.Cheng，and K.B.Letaief，“A real-time subcarrier allocation scheme formultiple access downlink OFDM transmission，”in IEEE Proc.VTC’99，vol.2，1999，pp.1124-1128；H.Yin and L.Hui，“An efficient multiuser loading algorithm for OFDM-based broadband wirelesssystems，”in Proc.IEEE GLOBECOM，vol.1，2000，pp.103-107.]。这些文献表明，当信道状况信息(CSI：channel state information)在发送端已知时，通过利用多用户分集及频率分集，进行资源分配，系统容量可以得到很大的提高。然而，当前的这些分配方式从子载波(频域)的角度去考虑资源分配，利用子载波之间衰落的不相关性和多用户分集，而没有考虑到衰落信道的时域变化，这时系统不能取得很高的吞吐量或频谱效率；如果衰落信道的时域变化信息也能够在发送端已知，就可以利用其带来时间分集以及相应的多用户分集以进一步提高频谱效率(系统容量)。

发明内容

本发明的目的即为在OFDMA系统中，在频域和时域联合进行自适应无线资源调度，以充分利用OFDM系统在频率域和时间域的衰落特性，即最大限度的利用无线信道容量，达到较高的频谱效率(系统容量)。

对于多用户通信系统，利用OFDM的一种途径是通过OFDM-TDMA和OFDM-CDMA，这里不同的用户分配不同的时隙或扩频码。然而，采用这种方式每个用户必须在整个频段上发射信号，这将导致由于深衰落和窄带干扰带来的性能下降。这时，可以将整个频段划分为频率块(frequency block：一个或一组OFDM子载波)，这样多址接入可以通过正交频分多址接入(OFDMA：OrthogonalFrequency Division Multiplexing Access，正交频分复用多址接入)的形式。如图1所示，在下行OFDMA系统中，每个用户分配给一组频率块，而在同一时刻每个块只分配给一个用户。OFDMA相对于OFDM-TDMA和OFDM-CDMA的一个优点是它消除了小区内干扰(intra-cell interference)。

如图2所示，本发明的OFDMA系统资源调度在频率、时间域中同时进行，每帧调度一次，这样分配的好处不仅能够带来系统容量的提高，而且由于系统资源在频-时两域中的划分带来更高的分配自由度。同时，这种新的资源分配算法每帧调度一次，而不是每个OFDM符号或每个时隙调度一次，调度的复杂度相对于其它方法得到极大的降低。

无线资源在频率域和时间域进行划分，整个频段划分为N个频率块(frequencyblock)，每个块由相邻的一组子载波构成，时间帧被分成I个时隙，每个时隙可以由一个或结构OFDM符号组成。这样，基本的传输数据的频率资源就是频率-时间格(frequency-time grid)。一帧中总共就有N*I个这样的频率-时间格，每个用户可以分配给一个或多个这样的格，按照其对资源的要求。为了简化，将位于在第n个频率块的第i个时隙上的格表示为第(n，i)个频率-时间格。

资源调度的任务是就是在接入用户中分配这些资源块，同时对每个资源块分配其发射功率和调制与编码方案(MCS)。资源分配的目标就是最大化总的吞吐量，同时保证每个用户的QoS需求，例如数据速率要求，误码率要求，公平性等。

考虑一个下行OFDM系统，一个基站(Base station)服务K个用户，第k个用户在当前帧中的数据速率要求为R_k比特/帧，其业务的误码率要求为BER_k，即取得的误码率必须不低于该值。

用γ_k表示第k个用户接收到的信号噪声比，这样可以获得的数据速率将是目标BER和信噪比的函数[4]，即T_k＝Func(BER_k，γ_k)。Func是一个在一定误码率BER和信噪比下所能取得的吞吐量的函数。

根据文献[A.J.Goldsmith，S.G.Chua，“Variable-Rate Variable-Power MQAM for Fading Channels”，IEEETrans.Commun.Vol.45，NO.10，pp.1218-1230，Oct. 1997；X.Qiu and K.Chawla，“On the Performance of AdaptiveModulation in Cellular Systems”，IEEE Trans.Commun.Vol.47，pp.884-895.June 1999]，假设使用QAM调制方式以及理想相位检测，可以认为可获得的数据速率为信噪比和误码率的一个函数，即

T_k＝log₂(1+α_kγ_k)bps/Hz

这里α_k为一个常数，表示第k个用户的误码率要求BER_k，它可以认为是M-ray QAM与香农(Shannon)容量之间的信噪比差异，例如，对于加性高斯白噪信道(AWGN)，可以表示为

α_k＝1.5/(-ln(5BER_k))。

于是，对于第(n，i)个频率-时间格，第k个用户在该资源块上可获得的速率为

$c_{n,i,k}=\mathrm{\ΔB}*\mathrm{\ΔT}*{\log }_2(1+{\mathrm{\α}}_k{\mathrm{\γ}}_{n,i,k})$

(1)

其中，ΔB和ΔT分别表示基本资源块的频带宽度和时隙长度。

定义ρ_n，i，K为频率-时间格(n，i)对第k个用户的分配指示符，ρ_n，i，k＝1表明(n，i)个资源块分配给了第k个用户，由于资源分配的唯一性，有

ρ_n，i，k′＝0k′≠k

第k个用户在一帧中可获得的数据速率为

它应该不小于目标数据速率R_k，即Δk＝r_k-R_k≥0

于是一个调度帧中总的吞吐量将是每个用户所取得的数据速率之和，即

多用户资源调度的目标是最大化系统吞吐量，同时满足每个用户的数据速率要求和误码率BER要求，这样，调度问题(优化问题)可以写成下面的形式

$\underset{{\mathrm{\ρ}}_{n,i,k},c_{n,i,k}}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{n,i,k}{c}_{n,i,k}---\left(2\right)$

s.t.(s.t.：subject to，服从于)：

$r_k=\frac{1}{T}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{n,i,k}{c}_{n,i,k}\≥R_k---\left(2\right)$

ifρ_n，i，k＝1，thenρ_n，i，k′＝0k′≠k                        (3)

该系统资源调度问题是一个非线性规划问题(NP：Nonlinear Programming)。

我们知道，多载波系统最优的功率分配是注水(water-filling)分配[I.Kalet，“Themultitone channel”，IEEE Trans.Commun.，vol.37，pp.119-124，Feb.1989；T.J.Willink and P.H.Wittke，“Optimizationand performance evaluation of multicarrier transmisssion”，IEEE Trans.Inform.Theory，vol.43，pp.426-440，Mar.1997]，然而，由于没有有效的方法去计算每次的注水水平(water-filling level)，需要通过多次迭代过程去计算每次的注水水平，这样注水分配将带来极高的系统调度复杂度。当前有许多文献[E.Biglieri，J.Proakis，and S.Shamai，“Fading channels：Information-theoretic and communications aspects”，IEEE Trans.Inform.Theory，vol.44，pp.2619-2692，Oct.1998；Jiho Jang，K.B.Lee，“Transmit power adaptation for multiuser OFDM systems”，IEEE J.Select.Areas Commun.，vol.17，pp.1747-1758，Oct.1999]指出，当发送端已知信道状况信息的情况下(例如注水分配)，系统所取得的容量只比接收端知道信道状况时(例如等功率分配)有很小的提高，特别是当用户数较多时。本发明中，对每个频率-时间资源块采用等功率分配，即

$p_{n,i,k}=\frac{P_0}{N}$ 如果ρ_n，i，k＝1，这里P₀为总的发射功率；

在等功率分配下，用户在每个频率-时间格上所能取得的数据c_n，i，k可以通过(1)式获得，这样系统资源优化分配的问题将由原来的非线性规划(NP)简化为线性规划(LP：Linear Programming)问题，并有N*I*K个变量和N*I+K个限制条件。然而，这时问题的最优解仍然随着限制条件和变量的数目的增加而指数增长。

为了解决线性规划问题所带来的复杂度，以保证系统资源调度能够实时进行，我们提出两步的分配策略，也就是步骤I的初始资源分配和步骤II的迭代资源分配，在极大的降低算法复杂度的前提下(调度器能够实时对OFDMA系统资源进行调度)，以取得次优的调度分配。该系统调度又根据不同的实际情况分为两种方法--方法A和方法B两种调度方法的性能比较如表1所示。综合考虑，方法B在性能上优于方法A，但其复杂度较高，如果OFDMA系统调度器速度较高时，可以使用方法B；否则可以使用方法A。

表1方法A和方法B性能比较

比较条目	方法A	方法B
			调度复杂度所取得的吞吐量频谱效率调度公平性	较低较低较低较好	较高较高较高略逊于方法A

调度方法A：其基本思想是在资源分配过程中将资源从最大满足的用户重新分配给最不满足的用户，它更多的考虑用户业务的需求，调度框图如图3所示。具体步骤如下：

步骤I：

初始分配采用最好优先分配，即每个频率-时间块首先分配给能够在该资源块上取得最大吞吐量的用户，只要该用户还没有达到其要求的目标速率，否则该资源块被分配给其他未达到目标速率而又能在该资源块上取得最大吞吐量的用户。

最好优先分配虽然不能取得很高的系统吞吐量，但可以获得较好的公平性。

步骤II：

1)初始化最好优先分配之后的满足用户集合K＝{k|Δ_k＞0}和不满足用户集合 K＝{k|Δ_k＜0}；

2)在满足用户集合K中选择所取得最多服务的用户k，即 $k=\arg \underset{j\∈K}{\max }{\mathrm{\Δ}}_j,$ 更新K；

a)找出原先分配给k并且所取得的吞吐量最小的频率-时间块，即前提是如此重新分配后用户k不至于达不到要求，这里 表示第k个用户所分配的频率-时间块集合；将该资源块分配给不满足集合 K中能在该格上取得最大吞吐量的用户 k；

b)重复a)直到重新分配一个资源后用户k不满足或用户 k已经得到满足。

3)重复2)直到集合K或 K为空，即 K＝φ或K＝φ。

调度方法B：定义 ${\mathrm{\δ}}_{n,i,k}=\frac{c_{n,i,k}}{c_{n,i,k_{n,i}^{*}}},(k\≠k_{n,i}^{*})$ 为一个价值函数(cost function)，描述第k个用户在第(n，i)个资源块上的吞吐量和该资源块上所能取得的最大吞吐量之间的比值。在调度过程中，使用该价值函数表示用户在该资源块所能取得的数据量的大小。

在资源调度过程中，方法B搜索所有的资源块以找到最大吞吐量的块，也就是方法B不仅考虑用户之间的公平性，而且更多的考虑系统总的吞吐量，因此它可以获得更高的频谱效率；

调度方法B的具体步骤如下：

步骤I：

对所有N*I个资源块进行最大化分配，即每个资源块都分配给能够在该资源块上取得最大吞吐量的用户。

步骤II：

1)初始化未分配频率块集合 和时隙集合I＝{1，2，...，I}(初始化时未分配频率块和时间块为整个频段和帧长)；初始化不满足用户集合 K，即K＝{k|Δ_k＝r_k-R_k＜0}

2)从不满足用户集合 K中选择服务最少的用户，即 $\stackrel{\_}{k}=\mathrm{ar}\underset{k\∈\stackrel{\_}{K}}{g\min }{\mathrm{\Δ}}_k,$ 并更新K，即 K＝ K-{ k}

a)在未分配频率块集合和时隙集合中选择取得最大价值函数δ的资源块(n，i)；

b)如果重新分配该资源块使得原先的用户不满足，即 $r_{k_{n,i}^{*}}-c_{n,i,k_{n,i}^{*}}<R_{k_{n,i}^{*}},$ 表明该资源块将不能再被分配，将该资源块从不满足资源块集合中去掉，即

和I＝I-{i}，转向c)；否则将该资源块(n，i)分配给用户 k，即 ${\mathrm{\&rho;}}_{n,i,\stackrel{\_}{k}}=1,$ 并更新

和I＝I-{i}；

c)重复执行a)和b)直到用户 k获得满足，即 ${\mathrm{\&Delta;}}_{\stackrel{\_}{k}}=r_{\stackrel{\_}{k}}-R_{\stackrel{\_}{k}}>0;$

3)重复执行2)直到不满足用户集合 K为空，即 K＝φ。

根据整型线性规划理论[G.V.Reklaitis，A.Ravindran，and K.M.Ragsdell，Engineering Optimization，Methods and Applications.New York：Wiley，1983]可知，对于一个任意由n个整型变量的的问题，线性规划的子问题最少有 个。同时，解决一个具有m个限制条件，n个整型变量的子问题的迭代次数为2(m+n)，而每次迭代需要(nm-m)次乘法运算，(nm-m)次加法运算以及(n-m)次比较运算。在本问题求解中共有N*I*K个变量和N*I+K个限制条件，表2给出了整型规划和调度方法A、B之间的运算复杂度的比较。

可以看出，方法A和方法B相对于整型规划其算法复杂度得到极大的降低，适合于实时对系统资源进行调度；同时，方法B由于进行更多的迭代运算可以找出更高吞吐量的调度方案，相对于方法A复杂度较高。

表2调度方法复杂度分析比较

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和效果：

1、本发明区别于以往的只在频域进行调度的方法，资源调度在频率时间二维中同时进行，充分利用了频率域与时间域的衰落特性，提高了系统的频谱效率(吞吐量)；

2、本发明的系统资源调度每帧进行一次，单位时间内的调度复杂度得到极大的降低，有利于实时对系统资源进行调度；

3、本发明将调度优化中的非线性规划问题转换为线性规划问题，并在调度中提出了两步的分配策略，进一步降低了调度的复杂度。

附图说明

图1为OFDMA系统框图

图2为OFDMA帧结构及频率-时间格资源分配

图3为本发明调度方法A流程框图

图4为本发明调度方法B流程框图

图5为本发明在不同WSNR下的outage概率性能比较

图6为本发明不同WSNR下的频谱效率性能比较

图7为本发明不同用户数下的频谱效率性能比较

图8为本发明不同用户数下outage概率性能比较

具体实施方式

为了对本发明进一步了解，下面我们进行仿真分析与验证：

仿真中用WSNR(Worst SNR)表示小区内最差信噪比，其定义为用户在小区边缘时的信噪比值(SNR)，而且不考虑阴影衰落和快衰落的影响。

为了便于不同方法之间的比较，在对OFDMA帧进行调度中同时还仿真了OFDM-TDMA和随机分配两种调度方法：OFDM-TDMA调度方法就是分配时隙给不同的用户，每个用户在一个时隙中占用整个频段；而随机资源分配是将频率-时间块随机分配给用户。

在5GHz频段下仿真了一个下行OFDMA小区的资源调度性能。路径损耗因子选择n＝4，阴影衰落标准偏差为10dB；信道模型为三径瑞利衰落信道，r.m.s.时延扩展为286ns。

表3系统仿真参数

条目	取值
		载波频率	5.0GHz
子载波数目Nc	256
		频率块数目N	64
带宽	5.12MHz
		帧长T	2ms
时隙数I	8
		多普勒频偏fD	400Hz(80km/hour)
信道模型	3径锐利衰落信道r.m.s.时延扩展为0.2862usec(286ns)
		目标误码率BER	1E-5
WSNR	-6～24dB
		小区半径	600m
路径损耗因子n	4
		阴影衰落标准偏差	10dB
用户数目	4
		用户分布	均匀分布
数据速率	4000，4000，8000，8000比特/帧

参见图5，描述了WSNR从-4dB到24dB时几种调度方法的outage概率性能比较，outage概率可以在一定程度上反映调度方法的公平性；从该图可以看出方法A和方法B相对于固定资源分配方法如OFDM-TDMA或随机分配能够取得更低的outage概率，例如在outag＝1E-1时有6dB和4dB的增益。同时，方法A和方法B与OFDM-TDMA或随机分配之间的差异随着WSNR值的增大而增大。从该仿真结果中还可以得到，在outage概率上，方法法A稍微优于方法B，这是由于方法A在资源分配过程中将资源从最大满足的用户重新分配给最不满足的用户，它更多的考虑用户业务的需求，而不是系统吞吐量。

图6仿真了四种调度方法的频谱效率性能，从图中可以得到，提出的两种方法A和B可以获得更多的系统容量，相对于OFDM-TDMA或随机资源分配。而且，当WSNR增大时，方法A和B相对于OFDM-TDMA或随机分配之间的差异也随之增大。在资源调度过程中，方法B搜索所有的资源块以找到最大吞吐量的块，也就是方法B不仅考虑用户之间的公平性，而且更多的考虑系统总的吞吐量，因此它可以获得更高的频率效率；例如，在WSNR＝12dB时，方法B相对于方法A有1bit/s/Hz的性能差异。

图7描述了在两种WSNR值时，频谱效率和用户数的比较。从图中可以看出，在不同的系统负载下(例如用户数)，方法B可以比方法A获得更高的系统容量。同时，当用户数增加时，频谱效率随之增长，当用户数到达一定程度时(例如，当WSNR为16dB时，方法A在K＝5或方法B在K＝7时)，频谱效率开始下降。这种现象是多用户分集所带来的负面效果：当用户数增多时，调度方不得不考虑整个小区中的所有用户的数据要求，很可能将更高吞吐量的资源分配给小区边缘的用户，该用户在这个资源块上却不能取得更高的吞吐量，这样不可避免的降低系统的容量。

图8描述了多用户环境下outage概率性能。从中可以看出调度方法A和方法B相比随机资源分配或OFDM-TDMA可以获得更低的outage概率，即使系统负载很高时，如K＝30时仍可以达到outage＝10^-2，WSNR＝24dB。同时，该图也反映出随着更高的WSNR，方法A与方法B之间的outage概率性能差别已经变得非常小。

Claims (3)

1、一种OFDMA系统频率时间二维无线资源调度模型及其调度方法，主要是将无线资源划分为频率-时间块，利用OFDMA系统在频率时间域二维特性，达到较高的系统容量，其特征在于：将线性规划的最优化问题转换为简单的两步调度方法，即第一步的初始资源分配和第二步的迭代资源分配。

2、根据权利要求1所述的OFDMA系统频率时间二维无线资源调度方法，当OFDMA系统调度器调度速度较低时，其步骤如下：

I：初始分配采用最好优先分配，每个频率-时间块首先分配给能够在该资源块上取得最大吞吐量的用户；

II：

1)初始化最好优先分配之后的满足用户集合和不满足用户集合；

2)在满足用户集合中选择所取得最多服务的用户，并更新相应集合；

a)找出原先分配并且吞吐量最小的频率-时间块；将该资源块分配给不满足集合中能在该资源格上取得最大吞吐量的用户；

b)重复a)直到重新分配一个资源后用户不满足或用户已经得到满足；

3)重复2)直到满足用户或不满足用户集合为空。

3、根据权利要求1所述的OFDMA系统频率时间二维无线资源调度方法，当OFDMA系统调度器调度速度较高时，其步骤如下：

I：对所有资源块进行最大化分配，即每个资源块都分配给能够在该资源块上取得最大吞吐量的用户；

II：

1)初始化未分配频率块集合和时隙集合，初始化时未分配频率块和时间块为整个频段和帧长；初始化不满足用户集合；

2)从不满足用户集合中选择服务最少的用户，并更新相应集合；

a)在未分配频率块集合和时隙集合中选择取得最大价值函数的资源块；

b)如果重新分配该资源块使得原先的用户不满足，表明该资源块将不能再被分配，将该资源块从不满足资源块集合中去掉，转向c)；否则将该资源块分配给用户，并更新；

c)重复执行a)和b)直到用户获得满足；

3)重复执行2)直到不满足用户集合为空。

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