CN1960198B - 用于正交频分多址系统的子载波、比特、功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于正交频分多址系统的子载波、比特、功率分配方法，包括以下步骤：基于各个用户在增加一个子载波时所引起的功率减小量，进行子载波数目的分配，从而确定各个用户所需的子载波数目；根据所确定的各个用户的子载波数目，计算各个用户在一个子载波上发送的平均比特数，并根据发送所述平均比特数所需的功率值确定具体分配给各个用户的子载波；为每个用户，根据单用户注水算法进行比特加载。

Description

用于正交频分多址系统的子载波、比特、功率分配方法

技术领域

本发明涉及正交频分多址(OFDMA)系统，尤其涉及一种用于OFDMA系统的子载波、比特、功率分配方法。

背景技术

随着移动通信技术的迅速发展和用户需求的快速增长，音频、视频、图像、以及互联网等多媒体业务将成为未来移动通信的主导业务，而这些业务对于无线链路传输能力的要求明显提高(峰值业务速率大于20Mbps)，在此情况下，正交频分复用(OFDM)技术逐渐崭露头角。OFDM技术将高速的数据流调制为频谱交叠的多个并行低速数据流发送。由于OFDM符号周期显著增长，因此提高了OFDM符号抗多径时延的能力，并且引入保护间隔可以完全消除由多径时延引起的符号间干扰(ISI)，目前OFDM技术已经被几个标准采用，而且已基本被公认为B3G(超三代移动通信系统)的物理层基本技术之一。正交频分多址(OFDMA)系统就是通过将正交相邻的子载波灵活地分配给不同的用户，使得在通信系统中实现了多用户的同时接入，提高了系统容量，能够动态变化资源分配方案，满足大动态范围内的速率传输能力和未来移动通信系统多用户多业务的服务质量(QoS)需求，因此OFDMA是B3G系统极有可能采用的多址方案之一。

对于OFDMA系统的子载波、比特、功率分配方法，现有技术中性能比较好的是多用户贪婪注水方法。该方法首先按照单用户注水算法将所要发送的比特分配到所有子载波上进行发送，然后根据多个用户不能同时共享一个子载波的原则将同时分配给多个用户的子载波列为“冲突子载波”，然后要将加载在这些“冲突子载波”上的比特重新在其他子载波上进行分配，这样就会引起功率的增加，最严重的是导致为了解决这些“冲突子载波”而引起的复杂的处理程序，这种分配方法不能满足未来移动通信系统提高系统性能，降低成本的要求。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于正交频分多址(OFDMA)系统的低复杂度的子载波、比特、功率分配方法，其显著降低通信系统发送端发送信息的功率消耗及无线资源分配的复杂度，从而改善通信系统的性能，降低经济成本。

在根据本发明的子载波、比特、功率分配方法，首先确定各用户所需的子载波数目。为保证用户的公平性，先假定分配给各用户的子载波数目为1，首先结合信道信息求出每个用户的平均信道增益，然后按照注水原理的思想逐一给用户增加子载波，将增加一个子载波后发送功率减少最大的用户的子载波数目加1，直至将所有子载波数目在各用户中分配完毕。

然后确定具体分配给用户的子载波。根据已经分配给用户的子载波数目，可以得到每个用户在每个子载波上发送的平均比特数，对每个用户而言，可以进一步求出在每个子载波上发送这些比特数所需要的功率；遍历所有用户，找出所需发送功率最小的子载波及其对应的用户，然后将此子载波分配给该用户，采用同样的方法继续分配剩余的子载波，直至子载波全部分配给用户。为了进一步降低运算复杂度，在此步骤中，可以根据每个子载波对应的信道增益来分配子载波，即遍历所有用户，找出最大信道增益对应的子载波，并将其分配给对应的用户，采用同样的方法继续分配剩余的子载波，直至子载波全部分配给用户。

将每个用户所需要发送的比特按照单用户注水算法在分配的子载波上进行发送。

根据本发明的方法结合信道信息，采用三个步骤来降低发送端发送信息时所需要的功率，每一个步骤都在平均意义上使得发送功率最小，这种三步联合的分配方案也可以达到复杂度的显著降低。因此，根据本发明的方法不仅实现复杂度较低，而且性能要优于其他的分配方法。

根据本发明，提供了一种用于正交频分多址系统的子载波、比特、功率分配方法，包括以下步骤：基于各个用户在增加一个子载波时所引起的功率减小量，进行子载波数目的分配，从而确定各个用户所需的子载波数目；根据所确定的各个用户的子载波数目，计算各个用户在一个子载波上发送的平均比特数，并根据发送所述平均比特数所需的功率值确定具体分配给各个用户的子载波；为每个用户，根据单用户注水算法进行比特加载。

附图说明

下面参照附图结合优选实施例进一步描述本发明。其中：

图1示出了可用于根据本发明的分配方法的OFDMA系统的框图。

图2示出根据本发明的资源分配方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了可用于根据本发明的分配方法的系统框图。此系统为OFDMA系统。图1中详细地表示了系统中的子载波、比特、功率分配模块。

图2表示了根据本发明的子载波、比特、功率分配方法的流程图。如图2所示，根据本发明的分配方法首先按注水原理、结合平均信道增益、根据各用户每增加一个子载波所引起的功率减小来进行子载波数目的分配，从而确定各个用户所需的子载波数目。然后，根据发送各用户在为其分配的每个子载波上平均发送的比特数所需的功率值，确定具体分配给各用户的子载波。最后，按单用户注水算法进行比特加载。

根据本发明的分配方法中每一个步骤都在平均意义上使得发送功率最小，并且这种三步联合的分配方案也可以达到复杂度的显著降低。

以下详细介绍根据本发明的子载波、比特、功率分配方法。假设系统中有K个用户、N个子载波。用户k需要发送的比特数为R_k。

第一步，为每个用户确定该用户所需子载波的数目。

首先假设初始时分配给每个用户的子载波数目为1。然后执行以下详细描述的过程，以确定一个用户，将分配给这个用户的子载波的数目加1。重复执行这个确定过程，直到全部N个子载波被分配完毕。

以下介绍这个确定过程：

假设在执行确定过程之前，对于用户k，分配给用户k的子载波数目为N_k，则每个子载波发送的平均比特数为R_k/N_k，其中R_k为用户k需要发送的总比特数。假设为用户k增加一个子载波，即N_k＝N_k+1，则每个子载波发送的平均比特数为R_k/(N_k+1)。根据以下公式(1)和(2)：

$f_k\left(r\right)=\frac{N_0}{3}{\left[Q^{-1}\left(\frac{{\mathrm{BER}}_k}{4}\right)\right]}^2\·(2^r-1)---\left(1\right)$

其中，f_k(r_k，n)是接收端为了接收用户k在子载波n上所发送的r_k，n个比特所需的接收功率，N₀是噪声功率谱密度，BER_k是业务的误码率QoS需求。

$P_{k,n}=\frac{f_k\left(r_{k,n}\right)}{g_{k,n}^2}---\left(2\right)$

其中，P_k，n为发送端对应的发送功率，g_k，n为子载波对应的信道增益。则可以得到，当分配给用户k的子载波数目从N_k增加N_k+1时，则在一个OFDM符号内发送R_k个比特所需功率的减少值△P_k为

$\mathrm{\Δ}{P}_k=\frac{N_k*f_k(R_k/N_k)-(N_k+1)*f_k(R_k/(N_k+1))}{{{\tilde{g}}_k}^2}---\left(3\right)$

其中，是用户k所分配到的子载波信道增益的均方根，即：

${\tilde{g}}_k=\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\left(g_{k,n}\right)\right|}^2/N}---\left(4\right)$

根据以上等式(3)，为所有用户计算当其子载波数目增加1时的功率减少值△P_k，并从所有用户的功率减少值△P_k中挑出最大值，即确定将分配给这个最大值所对应的用户的子载波数目加1。

然后重复以上确定过程，采用同样的比较功率减少值的方法将剩余的子载波逐一分配给用户，直到全部N个子载波被分配完毕。

第二步骤，在确定了系统中每个用户所需要的子载波的数目后，为每个用户从系统可用子载波中挑选出所需要的具体的子载波。

假设对用户k而言，在上一步骤中确定分配给该用户的子载波数目为N_k，则第n个子载波上发送(R_k/N_k)个比特所需的功率为：

$P_{k,n}=\frac{f_k(R_k/N_k)}{{g^2}_{k,n}}---\left(5\right)$

因此，对每个用户以及每个子载波而言，可以得到N*K个功率值P_k，n组成的矩阵P

$P=\left[\begin{array}{ccccc}{P}_{\mathrm{1,1}}& P_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& \·\·\·& P_{1,N}\\ P_{\mathrm{2,1}}& P_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& \·\·\·& P_{2,N}\\ \·\·\·& \·\·\·& P_{k,n}& \·\·\·& \·\·\·\\ \·\·\·& \·\·\·& P_{k+1,n}& \·\·\·& \·\·\·\\ P_{K,1}& \·\·\·& \·\·\·& \·\·& P_{K,N}\end{array}\right]---\left(6\right)$

用P_k，n ^*表示矩阵P中的最小值P_k，n。找出P_k，n ^*，并将其所对应的子载波n分配给相应的用户k，因为最小值P_k，n意味着用户k在子载波n上传输信息所需要的功率最少。并设置P_k，n＝∞。采用同样的办法继续找寻矩阵P中的P_k，n ^*，直至每个用户都分配到了所需的子载波数。

第三步骤，将用户所要传输的比特信息加载到所分配到的子载波上。因为通过前两个步骤，分配给用户的子载波已经确定，因此可以采用单用户注水算法进行比特加载。定义用Ω_k表示用户k分配到的子载波集合，△P_k，n为对用户k而言，在子载波n(n属于Ω_k)上多加载一个比特时的功率增加量，即

$\mathrm{\Δ}{P}_{k,n}=\frac{f_k(r_{k,n}+1)-f_k\left(r_{k,n}\right)}{g_{k,n}^2}---\left(7\right)$

找出Ω_k中最小的△P_k，n所对应的子载波，并将其发送的比特数加1。重复以上过程，将用户k待发送的比特加载到Ω_k的子载波上。其他用户的比特加载方法相同。

以上已经详细地介绍了根据本发明的子载波、比特、功率分配方法的完整过程。

但是，在根据本发明的分配方法中，为了进一步降低运算复杂度，可以对第二个步骤、即为用户确定具体的子载波的步骤进行修改。

因为发送信息所需要的功率主要受信道增益g_k，n的影响，因此可以信道增益代替发送功率，即用以下矩阵G代替前面所述矩阵P

$G=\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{\mathrm{1,1}}& g_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& \·\·\·& g_{1,N}\\ g_{\mathrm{2,1}}& g_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& \·\·\·& g_{2,N}\\ \·\·\·& \·\·\·& g_{k,n}& \·\·\·& \·\·\·\\ \·\·\·& \·\·\·& g_{k+1,n}& \·\·\·& \·\·\·\\ g_{K,1}& \·\·\·& \·\·\·& \·\·& g_{K,N}\end{array}\right]---\left(8\right)$

但是，由于P_k，n与g² _k，n成反比例关系，因此在这种情况下，需要确定g_k，n的最大值。用g_k，n ^*表示P中的最大值g_k，n。找出g^k，n*，并将其所对应的子载波n分配给相应的用户k，因为最大值g_k，n意味着用户k在子载波上n的信号增益最大，并因此意味着用户k在子载波上n传输信息所需要的功率最少。设置g_k，n＝-∞。采用同样的办法继续找寻矩阵G中的g_k，n ^*，直至为每个用户都分配所需的子载波数。

由理论分析与计算机仿真实验验证可知，根据本发明的子载波、比特、功率分配方法与现有技术中的多用户贪婪注水方法相比在节省发送功率以及信息处理复杂度方面都表现出明显的优势，尤其是在每个用户的信息比特数目固定，用户数变化的情况下，以及在系统内用户数目固定，每个用户的信息比特数目变化的情况下。

Claims (8)

1.一种用于正交频分多址系统的子载波、比特、功率分配方法，包括以下步骤：

计算每个用户在增加一个子载波时所引起的功率减少值；

确定所计算的功率减少值中的最大值；

将分配给所述最大值所对应的用户的子载波数目加1；

重复所述确定所计算的功率减少值中的最大值，和所述将分配给所述最大值所对应的用户的子载波数目加1的步骤，从而确定各个用户所需的子载波数目；

根据所确定的各个用户的子载波数目，计算各个用户在一个子载波上发送的平均比特数；

分别计算每个子载波发送每个用户的所述平均比特数所需的功率；

确定所计算的功率中的最小值；

将所述最小值所对应的子载波分配给相应的用户，并将这个最小值设置为无穷大，其中这个子载波不能再被分配给其他用户；

重复所述确定所计算的功率中的最小值，和所述将所述最小值所对应的子载波分配给相应的用户，并将这个最小值设置为无穷大的步骤，直到为每个用户都分配了所确定的子载波数目；

为每个用户，根据单用户注水算法进行比特加载。

2.根据权利要求1的方法，其中在所述子载波数目分配步骤中，分配给每个用户的子载波数目的初始值为1；并且重复执行所述子载波数目分配步骤，直到所有子载波被分配完毕。

3.根据权利要求1的方法，其中所述比特加载步骤包括：

计算分配给用户的每个子载波在多加载一个比特时的功率增加量；

确定所计算的功率增加量的最小值；

将所述最小值所对应的子载波的比特数加1。

4.根据权利要求3的方法，其中在所述比特加载步骤中，分配给每个子载波的比特数的初始值为1；并且重复执行所述比特加载步骤，直到所有比特被加载完毕。

5.一种用于正交频分多址系统的子载波、比特、功率分配方法，包括以下步骤：

计算每个用户在增加一个子载波时所引起的功率减少值；

确定所计算的功率减少值中的最大值；

将分配给所述最大值所对应的用户的子载波数目加1；

重复所述确定所计算的功率减少值中的最大值，和所述将分配给所述最大值所对应的用户的子载波数目加1的步骤，从而确定各个用户所需的子载波数目；

分别确定每个子载波在分配给每个用户时所对应的信道增益；

确定所确定的信道增益中的最大值；

将所述最大值所对应的子载波分配给相应的用户，并将这个最大值设置为无穷小，其中这个子载波不能再被分配给其他用户；

重复执行所述确定所确定的信道增益中的最大值，和将所述最大值所对应的子载波分配给相应的用户，并将这个最大值设置为无穷小的步骤，直到为每个用户都分配了所确定的子载波数目；

为每个用户，根据单用户注水算法进行比特加载。

6.根据权利要求5的方法，其中在所述子载波数目分配步骤中，分配给每个用户的子载波数目的初始值为1；并且重复执行所述子载波数目分配步骤，直到所有子载波被分配完毕。

7.根据权利要求5的方法，其中所述比特加载步骤包括：

计算分配给用户的每个子载波在多加载一个比特时的功率增加量；

确定所计算的功率增加量的最小值；

将所述最小值所对应的子载波的比特数加1。

8.根据权利要求7的方法，其中在所述比特加载步骤中，分配给每个子载波的比特数的初始值为1；并且重复执行所述比特加载步骤，直到所有比特被加载完毕。

Images