CN1870456A - 一种正交频分复用系统的实时业务资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明正交频分复用系统的实时业务资源分配方法，特征是调度模块将分组分成多个优先级，根据子载波与功率联合分配算法的反馈信息、用户信道状态、队列状态、业务的服务质量要求和队首分组时延决定分组调度次序；子载波与功率联合分配模块根据调度模块提供的分组排序结果、用户信道状态信息和用户队列中的分组数量，在满足一定误比特率要求的前提下，先为高优先级的分组分配子载波，再为低优先级的分组分配子载波，从而减少了子载波分配的步骤，并在必要时通过开启迭代子载波交换单元达到不减小系统容量的目的，通过开启子载波释放单元达到最小化系统丢包率的目的。因此，可以减小实时业务的丢包率，提高系统容量，并为用户提供满意的服务。

Description

一种正交频分复用系统的实时业务资源分配方法

技术领域：

本发明属于正交频分复用(OFDM)移动通信技术领域，特别涉及OFDM通信系统中的资源分配方法。

背景技术：

传统的OFDM资源分配研究集中在比特分配和功率分配两个方面，例如《国际电子与电气工程师协会通信选题杂志》(IEEE J.on Select Areas.Commun，Volume 17，No 10，1999，pp 1747-1758)中提到的一种多用户自适应子载波、比特和功率分配算法。由于这些算法在分配过程中没有考虑业务到达的随机特性、用户队列状态、用户对服务质量(Quality of Service，QoS)的要求等，因而难于为用户提供满意的服务。

《国际通信会议》(International Conference on Communications，Volume 5，2004，pp2949-2953)中提到的一种资源分配的方法，由于没有考虑用户队列中的分组对等待时延的约束，从而增加了实时业务的丢包率，减小了系统容量；此外，该方法假设用户队列长度无限大，但实际系统总是有限的，与这种假设差距很大。

发明内容：

本发明提出一种正交频分复用系统的资源分配方法，考虑了业务达到的随机特性、业务对等待时延的要求、用户队列状态、用户对服务质量的要求和系统对用户队列长度的限制，采用先将用户队列中的分组分成多个优先级，然后进行资源分配的方法，可以减小实时业务的丢包率，提高系统容量，并为用户提供满意的服务。

本发明正交频分复用系统的实时业务资源分配方法，包括调度模块和自适应子载波与功率联合分配模块；基站为每个用户提供有限长度的队列，队列长度是分组的峰值到达速率和可以忍受的最大等待时延的乘积，基站还为每个用户的业务队列建立并维护标签，标签记录相应的用户标识符、分组标识符、用户分配到的子载波标识符、用户队列中的分组数量、各分组的等待时延和分组可以忍受的最大等待时延；基站将实时业务的数据输入到各用户独立的队列中，队列中分组的服务次序是先到先服务；基站端通过广播信道通知队列中分组数量非零的用户进行信道估计；用户通过无差错的反馈信道将信道估计结果汇报给基站；基站侧的资源分配算法每帧执行一次，每次分配过程中只将一个子载波分配给一个用户，各子载波采用相同的调制方式；在一帧的起始时刻，调度模块为用户排序，并将排序后的用户标识符序列和用户队列中的分组提供给自适应子载波与功率联合分配模块；自适应子载波与功率联合分配模块先根据用户反馈的信道状态信息将用户的子载波按照增益递减排序，得到各用户的子载波增益递减序列，再根据调度模块提供的用户标识符序列和用户队列中的分组信息为用户队列中的分组分配子载波，并将每个用户可以发射的分组数量反馈给调度模块；

其特征在于：

所述调度模块产生高优先级分组用户标识符序列和低优先级分组用户标识符序列，包括：初始化单元在每帧的起始时刻根据上一次资源分配结束后子载波与功率联合分配模块的反馈丢弃等待时延大于等于该分组可以忍受的最大等待时延的分组、将用户分配到的子载波标识符进行清零、为上一帧时间内到达的分组建立新的分组标识符、统计用户队列剩余的分组数量和记录用户队首分组的等待时延，并将等待时延等于该用户分组可以忍受的最大等待时延与帧长之差的队首分组标记为“处于被丢弃边沿的分组”，将其他分组标记为“普通分组”；调度因子计算单元按照公式 $G_k=J(T_{P_{\mathrm{fk}}},{\left|h^k\right|}^2)$ 计算每一个队列中剩余分组数量非零的用户k的调度因子，式中T_pfk表示用户队列中最先到达的分组P_fk已经等待的时延， ${\left|h^k\right|}^2=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\∑}}{\left|h_n^k\right|}^2,$ 其中h_n ^k表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益的幅度，N是系统子载波总数；计算结束后，排序单元将用户的调度因子递减排序，得到用户调度因子递减序列；分类单元先开辟高优先级分组用户标识符序列和低优先级分组用户标识符序列两个空序列，再将调度因子递减序列中具有“处于被丢弃边沿的分组”的用户标识符依次放入高优先级分组用户标识符序列，将具有“普通分组”的用户标识符依次放入低优先级分组用户标识符序列，然后进入自适应子载波与功率联合分配过程；自适应子载波与功率联合分配模块包括：子载波排序单元根据用户反馈的信道状态信息，将分组数量非零的用户的子载波按照增益递减排序，得到各用户的子载波增益递减序列；高优先级分组子载波与功率联合分配单元依次为高优先级分组用户标识符序列中的用户的队首分组分配该用户子载波增益递减序列中的空闲子载波，记录每个用户分配到的子载波的标识符，计算并记录分配给这些子载波的发射功率，直到没有队首分组需要被发射，或系统空闲子载波数为零；然后，低优先级分组子载波与功率联合分配单元依次为低优先级分组用户标识符序列中的用户的普通分组分配该用户子载波增益递减序列中的空闲子载波，记录每个用户分配到的子载波的标识符，计算并记录分配给这些子载波的发射功率，直到没有分组需要被发射，或系统空闲子载波数为零；分配结束之后，发射总功率计算单元对分配给各个子载波的发射功率累计求和，将得到发射总功率并送入判决单元；如果判决单元收到的判决值大于基站发射总功率限制，则迭代子载波交换单元开始工作，所述迭代子载波交换单元对于系统中的任意一对用户(k，k′)，首先分别在它们分配到的子载波标识符所记录的子载波集合中计算各子载波的功率节约因子，降序排列后得到用户k的功率节约因子集合{ΔS_n，m ^k，k′}_m＝1 ^Sk和用户k′的功率节约因子集合{ΔS_n′，m ^k′，k}_m＝1 ^Sk′，m表示子载波在集合中的位置；然后，找到所有满足 $({\mathrm{\ΔS}}_{n,m}^{k^{\′},k}+{\mathrm{\ΔS}}_{n^{\′}m}^{k,k^{\′}})>0\∀m\∈\min (N_k,N_{k^{\′}})$ 的子载波对，交换并更新分配给每个子载波的发射功率；其中，N_k是分配给第k个用户的子载波数，N_k′是分配给第k′个用户的子载波数，ΔS_n ^k，k′是第n个子载波的功率节约因子；再更新子载波分配结果、分配给用户的子载波的标识符和分配给各子载波的发射功率；子载波交换结束之后，发射总功率计算单元重新计算发射总功率并送入判决单元；如果判决单元收到的判决值仍大于基站发射功率限制，则子载波释放单元从最后一个分配到子载波的分组开始，按照分组分配到子载波的先后次序的逆序，依次释放分配给各分组的子载波，当承载被选中分组的子载波被释放完之后，更新该分组所属用户分配到的子载波的标识符并将分配给这些子载波的发射功率清零，直到判决单元收到的判决值不超过基站发射总功率限制；最后，统计反馈单元记录本次资源分配的结果，并将每个用户可以发射的分组数量反馈给调度模块的初始化单元。对于任意用户k，所述调度因子 $G_k=J(T_{P_{\mathrm{fk}}},{\left|h^k\right|}^2)$ ，满足约束条件 ${\∂G}_k/{\∂T}_{P_{\mathrm{fk}}}\≥0,$ G_k/|h^k|²≥0，且可以表达为包括：用户间的调度次序由等待时延决定的表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}},$ 由信道质量决定的表达式G_k＝|h^k|²或由信道质量和等待时延的乘积决定的表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}\·{\left|h^k\right|}^2$ 在内的多种形式。

所述调度模块的工作原理如下：

对于具有等待时延约束的分组，如果分组延时超过了该分组可以忍受的最大等待时延，这些分组就会被丢弃。为了减小系统的丢包率，需要给予“处于被丢弃边沿的分组”较高的优先级。因为，如果这些分组在本次资源分配过程中不能够被发射出去，就会因为等待时延过长而被丢弃，增加系统丢包率。因此，本专利将用户的分组分为两个优先级：处于被丢弃边沿的分组，具有较高优先级P₁；普通分组，具有较低优先级P₂。在此基础上，用分组所归属的用户的优先级来对等级相同的分组之间的优先级进行进一步地划分。相对于优先级比较低的用户的分组，为优先级比较高的用户的同等级分组赋予较高的优先级。

所述调度模块使用调度因子表征用户的优先级，调度因子值越大的用户等级越高。这里，调度因子的定义考虑了两个方面：一是媒体接入子层的业务时延特性，即如果用户分组的时延越大，其被调度的可能性也越大；因为，时延是实时业务的一个重要的性能指标，也是衡量用户对系统提供的服务的满意程度的一个重要参数；等待时延越长的用户对系统的满意度越低；反之，对系统提供的服务越满意；二是物理层的信道状态信息，也就是说，如果用户的信道条件越好，该用户的分组就越有可能被基站优先调度发射；在发射总功率受限的系统中，优先调度发射信道条件好的用户的分组，可以提高系统的资源利用率和功率效率。因此，用户的调度因子是基于用户时延和信道增益的非减函数，综合考虑了媒体接入子层和物理层的跨层特性。

这样，所述调度模块可以得到两个序列，一个是具有优先级为P₁的分组的高优先级分组用户调度因子递减序列{G_k}_k＝1 ^K，p1，另一个是具有优先级为P₂的分组的低优先级分组用户调度因子递减序列{G_k}_k＝1 ^K，p2。

所述自适应子载波与功率联合分配模块，不但需要利用调度模块提供的信息，如高优先级分组用户调度因子递减序列{G_k}_k＝1 ^K，p1、低优先级用户调度因子递减序列{G_k}_k＝1 ^K，p2、高优先级分组和低优先级分组等，而且要将分配结果反馈给调度模块。其工作原理如下：

自适应子载波与功率联合分配模块先为{G_k}_k＝1 ^K，p1中用户的队首分组分配子载波，再为{G_k}_k＝1 ^K，p2中用户的分组分配子载波，当需要的发射功率大于基站限制的最大发射功率时，通过开启迭代交换子载波单元减小需要的发射总功率，如果迭代交换之后的仍无法满足基站对最大发射功率的限制，子载波释放单元才通过释放子载波的方法，达到满足基站对最大发射功率限制的目的。其优点是，当信道条件比较好时，在保证满足基站发射功率约束的条件下尽量减少子载波分配步骤；当信道条件比较差时，通过迭代交换子载波的方法，在保证接收端的接收信噪比满足需求的基础上，减少了分配给各个子载波的发射功率，达到了保证迭代交换前后系统发射分组数量保持不变的目的，从而为用户提供了满意的服务；当信道条件很差时，在分配给每个子载波的发射功率已经被最小化的前提下，保证只有当没有“处于被丢弃边沿的分组”需要被发射时，才发射“普通分组”，从而减小了系统丢包率，提高了系统容量。这是因为，当信道质量比较好时，不需要迭代子载波交换单元和子载波释放单元工作即可满足所有约束条件，从而减少了子载波分配步骤；当信道质量比较差时，迭代子载波交换单元可以在保证接收端的接收信噪比满足需求的基础上最小化分配给每个子载波的发射功率，从而不需要释放子载波即可满足所有约束条件，这样在迭代交换子载波前后系统发射的分组数量没有被减少，而且为用户提供了满意的服务；当信道质量很差且需要通过释放子载波的方法减小发射功率时，子载波释放单元释放子载波的顺序是：从最后一个分配到子载波的分组开始，按照分组分配到子载波的先后次序的逆序，依次释放分配给各分组的子载波，直到发射总功率不大于基站限制的最大发射功率。由于“处于被丢弃边沿的分组”比“普通分组”优先分配到子载波，因此只有当没有承载“普通分组”的子载波可以被释放且仍无法满足基站对最大发射功率的限制时，才会释放承载“处于被丢弃边沿的分组”的子载波。

自适应子载波与功率联合分配模块的算法，可以用下面的式子描述：

$S=\min \underset{k=1}{\overset{K}{\∑}}{S}_i^k---\left(1\right)$

其约束条件为： $A_{i,n}^k=1,A_{i,n}^{k^{\′}}=0,\∀k\≠k^{\′},n\∈[1,N]---\left(2\right)$

$\underset{n=1}{\overset{N}{\∑}}{A}_{i,n}^k=N_k---\left(3\right)$

S≤S_max                                                (4)

其中，K为系统用户数； $A_{i,n}^k=1$ 表示第k个用户在第i帧分配到了第n个子载波；由于接收方无法同时从同一子载波上检测出多个用户的数据，所以对于任意子载波n，当 $A_{i,n}^k=1$ 时，有 $A_{i,n}^{k^{\′}}=0,$ k′≠kk′∈[1，K]；S_max为基站限制的最大发射功率；式(2)保证每个OFDM符号内只将一个子载波分配给一个用户；式(3)保证用户分配到的子载波数满足业务要求；式(4)保证系统发射总功率不超过基站限制的最大发射功率；S_i ^k表示在第i帧分配给第k个用户的发射功率，其计算如公式(5)所示：

$S_i^k=\underset{n=1}{\overset{N}{\∑}}{S}_{i,n}^k---\left(5\right)$

其中S_i，n ^k表示第i帧分配给第k个用户的在第n个子载波上的发射功率，其计算如公式(6)所示：

$S_i^k=\frac{f\left(b\right)}{{\left|h_{i,n}^k\right|}^2}\·A_{i,n}^k\·{\mathrm{\σ}}_n^2---\left(6\right)$

其中，h_i，n ^k表示第k个用户在第i帧的起始时刻估计的在第n个子载波上的信道增益的幅度，σ_n ²为每个子载波上的噪声功率，b为一个OFDM符号携带的信息比特数，f(b)表示对于给定的误比特率要求，接收端所需要的接收信噪比，其计算如公式(7)：

$b=\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{f\left(b\right)}{\mathrm{\Γ}})---\left(7\right)$

其中，对于QPSK调制，Г可以用 $\frac{1}{3}{\left[Q^{-1}\left(\frac{\mathrm{BER}}{4}\right)\right]}^2$ 近似。

如果第n个子载波没有被分配给任何用户，则S_n＝0。

与现有技术相比较，本发明在资源分配过程中考虑了业务到达的随机特性、用户队列状态、用户对服务质量的要求，并充分考虑了实时业务分组等待时延过长就会被丢弃的特性，在调度模块中根据分组等待时延与其可以忍受的最大等待时延之间的关系将用户的分组分成多个优先级，并使用具有跨层特性的调度因子表征用户的优先级和等级相同的分组之间的优先级；在此基础上，自适应子载波与功率联合分配模块先为高优先级的分组分配子载波，再为低优先级的分组分配子载波，从而减少了子载波分配的步骤，并在必要时通过开启迭代子载波交换单元达到不减小系统容量且为用户提供满意服务的目的，通过开启子载波释放单元达到最小化系统丢包率的目的。故本发明可以减小实时业务的丢包率，提高系统容量，并为用户提供满意的服务。

附图说明：

图1是本发明正交频分复用系统的资源分配方法的原理框图。

图2是用户数与归一化分组时延的仿真曲线。

具体实施方式：

以下结合附图说明本方法的实施例。

实施例1：

本实施例使用带宽为20MHz、数据子载波数目为512的OFDM传输系统。信道采用COST207六径模型，最大多径时延为10us，六径在0～10us内等间隔分布，各径的功率谱密度满足通常的Jake模型。最大多普勒频偏为50Hz。每帧由一个OFDM符号构成。

业务源模型采用ON-OFF两状态马尔可夫Markov过程。激活期和静默期相互独立且服从指数分布(Efficiency of packet reservation multiple access，IEEE Trans.on Veh.Technol.，1991，vol.40：170-176.和Performance of PRMA：A packet voice protocol for cellular systems，IEEE Trans.on Veh.Technol.，1991，vol.40：584-598.)。从激活期到静默期的转移概率为γ＝1-exp(-T_f/t₁)，从静默期到激活期的转移概率为u＝1-exp(-T_f/t₂)，其中T_f为帧长，t₁和t₂分别为激活期和静默期的均值。

选用实时业务参数为：t₁＝5.0s，t₂＝4.05s，BER＝10^-6，T_max＝5ms，激活期数据速率为2.56Mbps，每个分组包括256个信息比特。

为了说明跨层自适应资源分配算法的性能，仿真中定义了三种调度因子的表达形式：

①用户间的调度次序由等待时延决定的表达式： $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}};$

②用户间的调度次序由信道质量决定的表达式：G_k＝|h^k|²；

③用户间的调度次序由信道质量和等待时延的乘积决定的表达式： $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}\·{\left|h^k\right|}^2,$ 这种表达式的定义体现了信道质量和等待时延互为作用的公平性。

附图1给出了本发明正交频分复用系统的资源分配方法的原理框图：基站端，在每帧的起始时刻，初始化单元1更新各接入用户队列的标签，包括根据上一次资源分配结束后统计反馈单元22反馈的每个用户可以发射的分组数量信号23丢弃等待时延大于等于该分组可以忍受的最大等待时延的分组、将用户分配到的子载波标识符进行清零、为上一帧时间内到达的分组建立新的分组标识符、统计用户队列剩余的分组数量、记录用户队首分组的等待时延，并将等待时延等于该用户分组可以忍受的最大等待时延与帧长之差的队首分组标记为“处于被丢弃边沿的分组”，将其他分组标记为“普通分组”，标记结束后送出初始化结束信号2：调度因子计算单元3根据初始化模块送出的初始化结束信号2开始结合所述用户调度因子的具体表达式，根据用户信道估计的结果和用户队首分组的等待时延计算分组数量非零的用户的调度因子；用户子载波排序单元10根据初始化模块送出的初始化结束信号2，开始将用户的子载波按照增益递减排序，得到各用户的子载波增益递减序列；计算结束后，调度因子排序单元4将用户的调度因子递减排序，得到用户调度因子递减序列{G_k}_k＝1 ^k；分类单元5先开辟高优先级分组用户标识符序列{G_k}_k＝1 ^K，p1和低优先级分组用户标识符序列{G_k}_k＝1 ^K，p2两个空序列，再依次将调度因子递减序列中具有“处于被丢弃边沿的分组”的用户标识符依次放入{G_k}_k＝1 ^K，p1，将具有“普通分组”的用户标识符依次放入{G_k}_k＝1 ^K，p2，然后将序列{G_k}_k＝1 ^K，p1即信号6和{G_k}_k＝1 ^K，p2即信号7分别送入高优先级分组子载波与功率联合分配单元8和低优先级分组子载波与功率联合分配单元11；高优先级分组子载波与功率联合分配模块8根据送入的高优先级分组用户标识符序信号6和用户子载波排序模块10中存储的各用户的子载波增益递减序列，从队首用户开始，在符合约束条件公式(2)和公式(3)的前提下依次为用户队列中的“处于被丢弃边沿的分组”分配用户子载波增益递减序列中的空闲子载波，记录每个用户分配到的子载波的标识符、按公式(6)和公式(7)计算分配给这些子载波的发射功率并保存，直到没有“处于被丢弃边沿的分组”需要被发射或系统空闲子载波数为零，并将已经分配了的子载波的标识符即信号9送入低优先级分组子载波与功率联合分配模块11；低优先级分组子载波与功率联合分配模块11根据输入的低优先级分组用户标识符序列信号7、已经被分配了的子载波的标识符信号9和用户子载波排序模块10中存储的各用户的子载波增益递减序列，从队首用户开始，在符合约束条件公式(2)和公式(3)的前提依次为用户队列中的“普通分组”分配用户子载波增益递减序列中的空闲子载波，记录每个用户分配到的子载波的标识符、按公式(6)和公式(7)计算分配给这些子载波的发射功率并保存，直到没有“普通分组”需要被发射或系统空闲子载波数为零；分配结束之后，发射总功率计算单元12根据分配给各子载波的发射功率，按照公式(5)和公式(1)计算需要的发射总功率，计算结果被送入发射功率判决单元13；功率判决单元13判断收到的判决值是否满足约束条件(4)，当不满足时，产生触发信号14送入释放子载波判决单元16，当该单元首次接收到触发信号14时，送出触发信号17；触发信号17触发迭代子载波交换单元19工作，更新每个用户分配到的子载波的标识符，并将更新后的分配给各个子载波的发射功率即信号21送入发射总功率计算模块12，发射总功率计算模块12根据迭代交换后的分配给各个子载波的功率信号21重新计算需要的发射总功率；如果发射功率判决单元13收到的判决值仍无法满足约束条件(4)，触发信号14触发释放子载波判决单元16送出触发信号18；触发信号18触发子载波释放单元20开始工作，从最后一个分配到子载波的分组开始，按照分组分配到子载波的先后次序的逆序，依次释放分配给各分组的子载波，当承载被选中分组的子载波被释放完之后，更新该分组所属用户分配到的子载波的标识符并将分配给这些子载波的发射功率清零，直到发射功率判决单元13收到的判决值满足约束条件(4)，才产生信号15触发统计反馈单元22记录每个用户分配到的子载波的标识符和分配给每个子载波的发射功率，并将每个用户可以发射的分组数量即信号23反馈给初始化模块1。

附图2为用户数与归一化分组时延的仿真曲线，曲线α、曲线β和曲线γ分别为调度因子采用表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}},$ $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}\·{\left|h^k\right|}^2$ 和表达式G_k＝|h^k|²时的仿真结果。当采用表达式G_k＝|h^k|²时系统支持的用户数最多；当采用表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}$ 时系统支持的用户数最少。

从图2的仿真曲线可看到：随着用户数的增加，归一化分组时延增加；当调度因子采用表达式G_k＝|h^k|²时系统容量最大，采用表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}\·{\left|h^k\right|}^2$ 时系统容量次之，采用表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}$ 时系统容量最小。这是因为，调度因子采用表达式G_k＝|h^k|²时，用户间的优先级由信道质量决定，这样一方面减小了优先级为P₁的分组消耗的发射功率，另一方面可以较充分地利于频域上的多用户分集增益，发送较多的优先级为P₂的分组，从而提高了系统容量，减小了分组时延。采用表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}$ 时，用户间的优先级由用户的等待时延决定，无法利于信道信息减少单个分组消耗的发射功率，这样优先级为P₁的分组有可能消耗大量的发射功率，从而减少了一个OFDM符号时间内发射的分组数量，增加了分组时延。采用表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}\·{\left|h^k\right|}^2$ 时，用户间的优先级由用户的等待时延和信道质量共同决定，所以性能介于前面提到的两种算法之间。

本发明以提高用户的满意度为出发点，给出了一种用于OFDM系统下行链路实时业务的跨层资源分配算法。该方案充分考虑了实时业务分组等待时延过长就会被丢弃的特性，其算法的实现包括调度模块和自适应子载波与功率联合分配模块两部分。调度模块将用户的分组分成多个优先级，同一个优先级内分组的排序既考虑了用户队首分组的等待时延、队列状态、业务的时延要求、随机分组到达等媒体接入子层的特性，又考虑了物理层无线信道的时变特性等；自适应子载波与功率联合分配模块先为高优先级的分组分配子载波，再为低优先级的分组分配子载波，从而减少了子载波分配的步骤，并在必要时通过开启迭代子载波交换单元达到不减小系统容量且为用户提供满意服务的目的，通过开启子载波释放单元达到最小化系统丢包率的目的。故本发明可以减小实时业务的丢包率，提高系统容量，并为用户提供满意的服务。

Claims (2)

1、一种正交频分复用系统的实时业务资源分配方法，包括调度模块和自适应子载波与功率联合分配模块；基站为每个用户提供有限长度的队列，队列长度是分组的峰值到达速率和可以忍受的最大等待时延的乘积，基站还为每个用户的业务队列建立并维护标签，标签记录相应的用户标识符、分组标识符、用户分配到的子载波标识符、用户队列中的分组数量、各分组的等待时延和分组可以忍受的最大等待时延；基站将实时业务的数据输入到各用户独立的队列中，队列中分组的服务次序是先到先服务；基站端通过广播信道通知队列中分组数量非零的用户进行信道估计；用户通过无差错的反馈信道将信道估计结果汇报给基站；基站侧的资源分配算法每帧执行一次，每次分配过程中只将一个子载波分配给一个用户，各子载波采用相同的调制方式；在一帧的起始时刻，调度模块为用户排序，并将排序后的用户标识符序列和用户队列中的分组提供给自适应子载波与功率联合分配模块；自适应子载波与功率联合分配模块先根据用户反馈的信道状态信息将用户的子载波按照增益递减排序，得到各用户的子载波增益递减序列，再根据调度模块提供的用户标识符序列和用户队列中的分组信息为用户队列中的分组分配子载波，并将每个用户可以发射的分组数量反馈给调度模块；

其特征在于：

所述调度模块产生高优先级分组用户标识符序列和低优先级分组用户标识符序列，包括：初始化单元在每帧的起始时刻根据上一次资源分配结束后子载波与功率联合分配模块的反馈丢弃等待时延大于等于该分组可以忍受的最大等待时延的分组、将用户分配到的子载波标识符进行清零、为上一帧时间内到达的分组建立新的分组标识符、统计用户队列剩余的分组数量和记录用户队首分组的等待时延，并将等待时延等于该用户分组可以忍受的最大等待时延与帧长之差的队首分组标记为“处于被丢弃边沿的分组”，将其他分组标记为“普通分组”；调度因子计算单元按照公式 $G_k=J(T_{P_{\mathrm{fk}}},{\left|h^k\right|}^2)$ 计算每一个队列中剩余分组数量非零的用户k的调度因子，式中T_Pfk表示用户队列中最先到达的分组P_fk已经等待的时延， ${\left|h^k\right|}^2=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_n^k\right|}^2,$ 其中h_n ^k表示第k个用户在第n个子载波上的信道增益的幅度，N是系统子载波总数；计算结束后，排序单元将用户的调度因子递减排序，得到用户调度因子递减序列；分类单元先开辟高优先级分组用户标识符序列和低优先级分组用户标识符序列两个空序列，再将调度因子递减序列中具有“处于被丢弃边沿的分组”的用户标识符依次放入高优先级分组用户标识符序列，将具有“普通分组”的用户标识符依次放入低优先级分组用户标识符序列，然后进入自适应子载波与功率联合分配过程；自适应子载波与功率联合分配模块包括：子载波排序单元根据用户反馈的信道状态信息，将分组数量非零的用户的子载波按照增益递减排序，得到各用户的子载波增益递减序列；高优先级分组子载波与功率联合分配单元依次为高优先级分组用户标识符序列中的用户的队首分组分配该用户子载波增益递减序列中的空闲子载波，记录每个用户分配到的子载波的标识符，计算并记录分配给这些子载波的发射功率，直到没有队首分组需要被发射，或系统空闲子载波数为零；然后，低优先级分组子载波与功率联合分配单元依次为低优先级分组用户标识符序列中的用户的普通分组分配该用户子载波增益递减序列中的空闲子载波，记录每个用户分配到的子载波的标识符，计算并记录分配给这些子载波的发射功率，直到没有分组需要被发射，或系统空闲子载波数为零；分配结束之后，发射总功率计算单元对分配给各个子载波的发射功率累计求和，将得到发射总功率并送入判决单元；如果判决单元收到的判决值大于基站发射总功率限制，则迭代子载波交换单元开始工作，所述迭代子载波交换单元对于系统中的任意一对用户(k，k＇)，首先分别在它们分配到的子载波标识符所记录的子载波集合中计算各子载波的功率节约因子，降序排列后得到用户k的功率节约因子集合 ${\left\{\mathrm{\Δ}{S}_{n,m}^{k,k^{\′}}\right\}}_{m=1}^{S_k}$ 和用户k＇的功率节约因子集合 ${\left\{\mathrm{\Δ}{S}_{n^{\′},m}^{k^{\′},k}\right\}}_{m=1}^{S_{k^{\′}}},$ m表示子载波在集合中的位置；然后，找到所有满足 $(\mathrm{\Δ}{S}_{n,m}^{k^{\′},k}+\mathrm{\Δ}{S}_{n^{\′},m}^{k,k^{\′}})>0\∀m\∈\min (N_k,N_{k^{\′}})$ 的子载波对，交换并更新分配给每个子载波的发射功率；其中，N_k是分配给第k个用户的子载波数，N_k＇是分配给第k＇个用户的子载波数，ΔS_n ^k，k＇是第n个子载波的功率节约因子；再更新子载波分配结果、分配给用户的子载波的标识符和分配给各子载波的发射功率；子载波交换结束之后，发射总功率计算单元重新计算发射总功率并送入判决单元；如果判决单元收到的判决值仍大于基站发射功率限制，则子载波释放单元从最后一个分配到子载波的分组开始，按照分组分配到子载波的先后次序的逆序，依次释放分配给各分组的子载波，当承载被选中分组的子载波被释放完之后，更新该分组所属用户分配到的子载波的标识符并将分配给这些子载波的发射功率清零，直到判决单元收到的判决值不超过基站发射总功率限制；最后，统计反馈单元记录本次资源分配的结果，并将每个用户可以发射的分组数量反馈给调度模块的初始化单元。

2、如权利要求1所述正交频分复用系统的实时业务资源分配方法，特征在于对于任意用户k，所述调度因子 $G_k=J(T_{P_{\mathrm{fk}}},{\left|h^k\right|}^2),$ 满足约束条件 $\∂G_k/\∂T_{P_{\mathrm{fk}}}\≥0,$ G_k/|h^k|²≥0，且可以表达为包括：用户间的调度次序由等待时延决定的表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}},$ 由信道质量决定的表达式G_k＝|h^k|²或由信道质量和等待时延的乘积决定的表达式 $G_k=T_{P_{\mathrm{fk}}}\·{\left|h^k\right|}^2$ 在内的多种形式。

Images