CN1909537A - 用于提高多小区正交频分多址－时分多址系统容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于多小区正交频分多址－时分多址通信系统的资源分配方法，包括以下步骤：无线网络控制器根据各个基站所属小区的业务负载情况，按从高到低的顺序，对各个小区进行排序，以确定各小区资源分配的顺序；按照上述顺序，由基站对每个小区内的移动终端进行资源分配。所述基站的资源分配步骤包括针对特定时隙进行以下操作：针对特定载波，计算各个移动终端的、与所述特定载波相对应的载波端所支持的传输速率；对各个移动终端的载波端所支持的传输速率进行比较，确定传输速率最大的移动终端；将所述特定载波分配给该移动终端；针对下一载波，重复上述操作，直至将全部载波分配给相应的移动终端为止；针对下一时隙，重复上述操作。

Description

用于提高多小区正交频分多址-时分多址系统容量的方法

技术领域

本发明涉及无线信息传输领域，特别是采用OFDM技术的无线局域网、固定无线接入、移动通信、地面数字电视广播等信息传输系统和标准，更具体地讲，本发明涉及用于提高多小区正交频分多址-时分多址(OFDMA-TDMA)系统容量的方法，提出了一种用于多小区OFDMA-TDMA通信系统的资源分配方法以及一种干扰消除方法。

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。在新一代无线系统中，从物理层、媒体接入控制层到网络层，将广泛采用一些新技术，如正交频分复用(OFDM)等。

OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，整个宽带频率选择性信道被分成相对平坦的子信道，同时，在每个OFDM符号间插入循环前缀(CP)作为保护间隔(GI)，大大降低了符号间干扰(ISI)。由于OFDM具有抗多径能力强等优点，它已在xDSL、DVB、DAB和WLAN、IEEE 802.16等系统中得到成功应用。目前，在第三代移动通信标准化组织(3GPP)的长期演进计划(LTE)中，也把它作为提高下(上)行信道传输速率和容量的关键技术。

已提出的OFDM系统，均支持多用户接入。在多用户OFDM系统中，多址方式的选择是一个重要问题。现有的多址方式，如时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)都可用于OFDM系统。在OFDM TDMA系统中，每个移动终端占有不同时隙，在每个时隙内，所有子载波都分配给同一移动终端。TDMA的优点可以根据不同的数据率动态分配时隙，接收机在指定时隙中接收基站发送给它的信息，降低了接收机功耗。欧洲无线局域网标准HiperLAN/2的媒体接入控制(MAC)协议采用了TDMA。在OFDM FDMA中，在每个OFDM符号内，为每个移动终端分配所有载波中的一部分子载波，也称为正交频分多址(OFDMA)。其优点是当发射端已知信道状态信息(CSI)时，可以为每个移动终端动态分配子载波，它已用于有线电视CATV传输系统中。

采用OFDMA与TDMA相结合的混合多址技术OFDMA-TDMA具有二者的优点，它可以在每个时隙内为不同移动终端分配载波，提供了精细、灵活的时频资源分配，可获得多用户分集增益，且消除了小区内干扰。该技术已应用到基于OFDM的新型无线通信系统，例如，在宽带无线接入IEEE 802.16标准和以Flash-OFDM为基础的IEEE 802.20标准中，均采用OFDMA-TDMA作为多址接入方式。近来，在3GPP LTE提案中，一些公司也建议把OFDMA-TDMA作为下行传输方式。OFDMA-TDMA具有两种不同实现方法，一类是频率分集的OFDMA-TDMA，其特点是在各时隙，随机地给移动终端分配频域子载波，如图1(a)所示；另一类是频域调度的OFDMA-TDMA，其特点在每个时隙，采用调度算法给移动终端分配载波，如图1(b)所示。第一类OFDMA-TDMA已应用于IEEE 802.16标准中，第二类OFDMA-TDMA系统具有频谱效率高的优点，且通过频域OFDM子载波调度，可抑制小区间干扰，支持复用因子为1的多小区系统频率复用，即网络中所有小区使用同一频率。目前对该类系统的研究还较少。在本发明中，针对它在多小区通信环境下易受到小区间干扰的问题，提出了一种基于干扰估计的干扰避免资源分配方法，以提高系统容量和通信质量。

参考文献列表：

[1]3GPP R1-050390，ZTE，EUTRA Uplink Multiple Access forDownlink and Uplink，RAN1 41bis。

[2]G.J.Pottie发表在IEEE personal communication、1995年10月、第2卷、第5号、第50～67页上的、题为“System design choicesin personal communications”的文章。

[3]Israel Koffman和Vincentzio Roman发表在IEEECommunications Magazine、2002年4月上的、题为“BroadbandWireless Access Solutions Based on OFDM Access in IEEE 802.16”的文章。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多小区OFDMA-TDMA通信系统的资源分配方法，能够根据容量来分配资源，达到提高系统容量和误比特率性能的目的。

在多小区OFDMA-TDMA系统中，基站负责一个小区内移动终端间的资源分配，无线网络控制器RNC负责若干个小区间的资源调度。对多小区系统资源分配的目的是获得最大容量(频谱效率)。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提出了一种用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，包括以下步骤：无线网络控制器根据各个基站所属小区的业务负载情况，按从高到低的顺序，对各个小区进行排序，以确定各小区资源分配的顺序；按照上述顺序，由基站对每个小区内的移动终端进行资源分配，所述基站的资源分配步骤包括针对特定时隙进行以下操作：针对特定载波，计算各个移动终端的、与所述特定载波相对应的载波端所支持的传输速率；对各个移动终端的载波端所支持的传输速率进行比较，确定传输速率最大的移动终端；将所述特定载波分配给该移动终端；针对下一载波，重复上述操作，直至将全部载波分配给相应的移动终端为止；针对下一时隙，重复上述操作。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提出了一种用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，包括以下步骤：无线网络控制器根据各个基站所属小区的业务负载情况，按从高到低的顺序，对各个小区进行排序，以确定各小区资源分配的顺序；按照上述顺序，由基站对每个小区内的移动终端进行资源分配，所述基站的资源分配步骤包括针对特定时隙进行以下操作：针对特定载波组，计算各个移动终端的、与所述特定载波组相对应的载波端组所支持的传输速率；对各个移动终端的载波端组所支持的传输速率进行比较，确定传输速率最大的移动终端；将所述特定载波组分配给该移动终端；针对下一载波组，重复上述操作，直至将全部载波分配给相应的移动终端为止；针对下一时隙，重复上述操作。

为了更好地实现上述目的，本发明还提出了一种用在前述资源分配方法中的干扰删除方法，包括：保存目标载波的接收信号；对接收信号作硬判决解调为比特流；把该比特流重新调制为符号；利用与该载波对应的信道增益乘以恢复符号得到经信道传播后的符号；以及从接收符号中减去恢复信号，得到目标载波端的干扰信号。

本发明针对多小区系统，提出一种干扰消除方法，并根据容量和(系统频率效率)最大原则和干扰消除后的信噪比分配资源，达到提高系统容量和误比特率性能的目的。

附图说明

下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1示出了OFDMA-TDMA示例的示意图；

图2是示出了多小区OFDMA-TDMA的示意图；

图3示出了RNC对所管理的基站进行资源分配的流程图；

图4示出了基站对接入移动终端进行资源分配的方法的流程图；以及

图5示出了每个子载波端的小区间干扰估计、删除流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。所描述的各种数值并非用于限定本发明，这些数值可以根据本领域普通技术人员的需要进行任何适当的修改。

传统的OFDMA大多用于资源受限的非蜂窝移动通信系统，目前3GPP也在积极推进将其用于干扰受限的蜂窝通信系统中。为使OFDMA-TDMA能适用于多小区(蜂窝)无线通信系统中，一些移动通信技术标准，如IEEE 802.20采用了以跳频方式扩频OFDMA-TDMA为基础的传输技术，通过对不同小区分配不同的跳频码来区分小区，可获得干扰平均效果。参考文献[2]的研究表明，通过载波调度进行干扰避免的多用户OFDMA系统频谱效率比干扰平均的OFDMA高2～3倍。因为在多用户OFDMA系统中，对某一载波而言，从不同移动终端的角度来看，它对应的信道增益不同。若它对应一个移动终端的信道为深衰落，而对应另一个移动终端的信道条件较好，通过载波调度、分配，可获得多用户分集增益。

多小区OFDMA-TDMA系统如图2所示，每个小区中的移动终端与该小区的基站Node B通信，若干个基站共同接入一个无线网络控制器RNC，并由RNC接入IP网络。基站负责一个小区内移动终端间的资源分配，RNC负责若干个小区间的资源调度。

图3示出了RNC对所管理的基站进行资源分配的流程图。对该多小区通信系统资源分配的目标是希望获得最大容量(频谱效率)。按照该目标，所述资源分配方法描述如下：RNC端根据各个基站所属小区的业务负载情况按从高到低进行排序，以确定各小区资源分配的顺序；然后，由基站对每个小区内的移动终端进行资源分配。

每个小区内的移动终端与基站间采用OFDMA-TDMA技术体制进行通信。在OFDMA-TDMA系统中，待分配的资源包括时间和频率资源，如图1(b)所示。其中，频率资源是指OFDM符号中的各个子载波，时间资源的分配单位为时隙(time slot)，它由若干个符号(symbol)组成。对小区内的每个子载波，根据把它分配给最高速率移动终端的原则进行调度。

图4示出了基站对接入移动终端进行资源分配的方法的流程图。具体地讲，将根据本发明的方法描述如下：

在步骤401，对时隙计数进行初始化，时隙初始计数，t＝1，时隙总数T。在步骤402，对载波计数进行初始化，载波初始计数，n＝1，总载波数N。在步骤403，对移动终端计数进行初始化，移动终端初始计数，u＝1，总移动终端数U。在步骤404，针对移动终端u，计算第n个载波受到的小区间干扰信号。在步骤405，针对移动终端u的、与第n个载波相对应的第n个载波端，计算删除小区间干扰后的信道噪声比。在步骤406，根据信噪比的大小确定移动终端u的第n个载波端所支持的传输速率。在步骤407，更新移动终端计数u＝u+1，并在步骤408进行判断，若u不大于U，则返回步骤404，否则，执行下一步骤409。在步骤409，比较速率值的大小，确定速率最大的移动终端u。在步骤410，将载波n分配给移动终端u。在步骤411，更新载波计数n＝n+1，并在步骤412进行判断，若n不大于N，则返回步骤403，否则，执行下一步骤413。在步骤413，更新时隙计数t＝t+1，并在步骤414进行判断，若t不大于T，则返回步骤402，否则，资源分配结束。

更具体地讲，将通过以下具体示例对上述方法加以说明。

设某小区内，OFDMA载波数为2048，有3个移动终端，若从时隙t1开始操作，步骤如下：

初始化，记录以下参数，时隙初始计数，t＝1，时隙总数T；载波初始计数，n＝1，总载波数N＝2048；移动终端初始计数，u＝1，总移动终端的数量U＝3。

在移动终端u端，计算第n个载波受到的小区间干扰信号，设为i。

移动终端u的第n个载波端，计算删除小区间干扰后的信道噪声比 $\mathrm{SNR}=\frac{P_r}{N_0},$ 而未删除干扰时信道干扰噪声比 $\mathrm{SINR}=\frac{P_r}{N_0+P_i},$ P_r、P_i、N₀分别为接收信号、干扰和噪声的功率，显而易见，通过干扰删除提高了信噪比。

根据信噪比大小确定移动终端u的第n个载波端所支持的传输速率，下表给出IEEE 802.16的调制、编码方式选择方案。

调制方式	QPSK	16QAM	64QAM
				SNR(dB)	-5	1	7.7
吞吐量kbps	178.1	428.1	668.7

若对载波n，测得3个移动终端干扰消除后的SNR分别为-3dB、10dB、2.5dB，利用上表可得这些移动终端在该载波上传输的速率分别为178.1，668.7，428.1kbps，故把载波n分配给移动终端2。

然后，针对下一个载波，利用上述步骤继续处理，直到所有载波分配完毕后进入下一个时隙。

上述步骤中采用了逐个载波分配的方式，在实际系统中，为便于实现离散傅氏变换，通常分配给每个移动终端的载波数为偶数，且相邻载波的信道常呈现出一定的相关性。为此，分配载波时，可以把相邻两个载波作为一个载波组进行分配，并取这两个载波的平均信道增益作为该载波组的增益，根据该组的增益计算它支持的速率，以及进行载波组的调度等操作。

为提高系统性能，上述步骤中引入了对当前待分配载波的干扰估计、消除步骤。因为对某一载波，在传输带宽已确定的条件下，移动终端利用该载波传输信息的速率取决于信道增益、噪声和干扰，即信道与干扰噪声之比SINR。若SINR高，在保证一定业务质量QoS的条件下可以采用高阶调制方式获得高的传输速率。多小区环境下，处在某一小区的移动终端常受到来自其他小区的移动终端信号的干扰。为克服这些小区间干扰影响，下面介绍所提估计并消除干扰的方法。

我们知道，CDMA系统采用不同扩频码来区分不同小区和移动终端。移动终端间干扰与移动终端的扩频码密切相关，通常选择有良好正交性和低互相关性特点的扩频码，且把码不正交产生的干扰看作高斯噪声。

与此不同，多小区OFDMA-TDMA系统中移动终端之间的干扰不能简单地视作噪声，因为，在某一OFDM符号时隙内，不同小区的移动终端可能在同一OFDM子载波发射或接收信号。对小区内的某一移动终端而言，期望信号和来自其他移动终端的干扰的载波频率相同，干扰实际上是叠加到该移动终端载波上的不同信道增益的调制符号，它具有分组传输的突发性，呈非高斯分布特征。

为估计出每个载波端的小区间干扰信号，本发明提出一种方法。其思想是计算某一载波端解调后符号与信道增益系数之积，然后取接收信号与该乘积之差即为该载波端的干扰信号。

图5示出了每个子载波端的小区间干扰估计、删除的流程图。根据本发明的方法的具体操作过程如下。

在步骤501，保存目标载波的接收信号。在步骤502，对接收信号作硬判决(对接收符号直接量化)以解调为比特流。在步骤503，把该比特流重新调制为符号。在步骤504，利用与该载波对应的信道增益乘以恢复符号得到经信道传播后的符号。在步骤505，从接收符号中减去恢复信号得到目标载波端的干扰信号。

下面分析其原理，设时隙t，某小区内移动终端u的子载波n发射信号为x_nu(t)，其对应的信道增益系数为h_nu(t)，该载波端的总干扰为i_nu(t)，则接收信号可以表示为下面给出的公式(1)。

r_nu(t)＝h_nu(t)x_nu(t)+i_nu(t)                          (1)

这里没有考虑噪声的影响，因为对每个载波端而言，接收的噪声功率较低。首先，对接收信号r_nu(t)采用硬判决方式和最小欧氏距离准则解调，把解调符号映射为比特流后，再把该比特流调制为符号。这些操作的目的是把接收信号解调、影射为与发射符号最接近的星座，它使得经信道传输的恢复符号与接收信号的误差最小，即得到公式(2)。

${\hat{x}}_{\mathrm{nu}}\left(t\right)=\underset{{\hat{x}}_{\mathrm{nu}}\left(t\right)}{\min }\left|\right|r_{\mathrm{nu}}\left(t\right)-{\hat{x}}_{\mathrm{nu}}\left(t\right){\hat{h}}_{\mathrm{nu}}\left(t\right)\left|\right|---\left(2\right)$

其中，

为实际信道估计值，得到发射符号估值后，则该载波端接收的干扰信号为接收信号与经信道传播后的恢复符号之差，可由公式(3)表示。

$i_{\mathrm{nu}}\left(t\right)=r_{\mathrm{nu}}\left(t\right)-{\hat{h}}_{\mathrm{nu}}\left(t\right){\hat{x}}_{\mathrm{nu}}\left(t\right)---\left(3\right)$

最后，得到干扰信号删除后的SNR为|r_nu(t)-i_nu(t)|²/N₀。

通过干扰消除，一方面为载波调度提供了准确的信噪比信息，另一方面提高了系统的误比特率性能。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (8)

1、一种用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，包括以下步骤：

无线网络控制器根据各个基站所属小区的业务负载情况，按从高到低的顺序，对各个小区进行排序，以确定各小区资源分配的顺序；

按照上述顺序，由基站对每个小区内的移动终端进行资源分配，

所述基站的资源分配步骤包括针对特定时隙进行以下操作：

针对特定载波，计算各个移动终端的、与所述特定载波相对应的载波端所支持的传输速率；

对各个移动终端的载波端所支持的传输速率进行比较，确定传输速率最大的移动终端；

将所述特定载波分配给该移动终端；

针对下一载波，重复上述操作，直至将全部载波分配给相应的移动终端为止；

针对下一时隙，重复上述操作。

2、根据权利要求1所述的用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，其特征在于计算各个移动终端的载波端所支持的传输速率的步骤包括以下子步骤：

计算所述特定载波受到的小区间干扰信号；

计算删除小区间干扰后的信道噪声比；

根据所计算出的信道噪声比，确定各个移动终端的、与所述特定载波相对应的载波端所支持的传输速率。

3、一种用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，包括以下步骤：

无线网络控制器根据各个基站所属小区的业务负载情况，按从高到低的顺序，对各个小区进行排序，以确定各小区资源分配的顺序；

按照上述顺序，由基站对每个小区内的移动终端进行资源分配，

所述基站的资源分配步骤包括针对特定时隙进行以下操作：

针对特定载波组，计算各个移动终端的、与所述特定载波组相对应的载波端组所支持的传输速率；

对各个移动终端的载波端组所支持的传输速率进行比较，确定传输速率最大的移动终端；

将所述特定载波组分配给该移动终端；

针对下一载波组，重复上述操作，直至将全部载波分配给相应的移动终端为止；

针对下一时隙，重复上述操作。

4、根据权利要求3所述的用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，其特征在于所述载波组中的载波彼此间具有相关性。

5、根据权利要求4所述的用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，其特征在于所述载波组由载波信道具有相关性的两个载波构成。

6、根据权利要求3所述的用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，其特征在于计算各个移动终端的载波端所支持的传输速率的步骤包括以下子步骤：

计算所述特定载波组受到的小区间干扰信号；

计算删除小区间干扰后的信道噪声比；

根据所计算出的信道噪声比，确定各个移动终端的、与所述特定载波组相对应的载波端所支持的传输速率。

7、根据权利要求6所述的用于多小区正交频分多址-时分多址通信系统的资源分配方法，其特征在于将载波组中的各个载波的平均信道增益作为所述载波组的增益，并根据所述载波组的所述增益计算各个移动终端的载波端所支持的传输速率。

8、一种用于根据权利要求2或6所述的资源分配方法的干扰删除方法，包括：

保存目标载波的接收信号；

对接收信号作硬判决解调为比特流；

把该比特流重新调制为符号；

利用与该载波对应的信道增益乘以恢复符号得到经信道传播后的符号；以及

从接收符号中减去恢复信号，得到目标载波端的干扰信号。

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