CN202153748U - 多用户正交频分复用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多用户OFDM系统，包括：系统资源初分配模块，用于根据各用户的数据速率要求以及信道特性，决定每个用户所分配到的子载波数，试探性地决定在每一个子载波上传送的比特数以及相应的功率；子载波调整模块，与系统资源初分配模块相连接，用于将分配给各用户的子载波进行比较，如果发现各用户之间交换子载波可以减小系统功率要求，则对子载波进行相应调整。本实用新型通过对经典的两步算法进行了调整，让每一步骤所追求的目标与系统总体的目标完全一致，使得分配算法能够快速收敛，降低了系统资源分配算法的复杂度，优化了系统的运行效率。在限定用户数据速率的条件下，实现系统发送功率的最小化，即裕量最优化准则。

Description

多用户正交频分复用系统

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，具体地说，涉及裕量最优化准则下的一种多用户正交频分复用(OFDM)系统。 

背景技术

在通信技术领域，通常情况下，在多用户系统中较多的是采用静态的时分复用(TDMA)或者频分复用(FDMA)作为接入方式。TDMA给每个用户分配一个固定的时隙去传输数据，FDMA给每个用户分配给一个固定的频段去传输数据。在这些分配好的时隙或者频段中，一个用户未使用的子信道不能给其他用户使用，而是白白地浪费。例如，对于一个用户处于深度衰落的子信道，对另外一个用户来说，未必是处于深度衰落之中的。实际上，一个子信道不太可能对所有用户均处于深度衰落状态。因此需要对多用户系统的信道资源进行合理的配置，使之发挥最大的作用。 

现有技术中一般采用经典的两步算法来对多用户系统的信道资源进行分配，但是经典的两步算法每一步骤所追求的目标与系统总体的目标不完全一致，使得现有的经典算法的复杂度比较高，影响了系统的运行。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多用户正交频分复用系统，降低了系统资源分配算法的复杂度，优化了系统的运行效率。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种多用户OFDM系统，包括： 

用户信道状态信息提供模块，提供各用户的信道状态信息； 

系统资源分配装置，与所述用户信道状态信息提供模块相连接，根据所述信道状态信息分配整个系统的信道资源； 

动态调制模块，分别与所述系统资源分配装置和多个用户数据相连接，根据 所述系统资源分配装置的指示选择对哪一个用户的数据进行动态调制，分配到不同的子载波上； 

IFFT并/串变化模块，与所述动态调制模块相连接，按照反快速傅里叶变换对所述子载波进行串/并变化； 

添加循环前缀及D/A转换模块，与所述IFFT并/串变化模块相连接，用于对所述子载波添加循环前缀以及进行D/A转换； 

天线，与所述添加循环前缀及D/A转换模块相连接，发送所述用户的数据； 

其中，所述系统资源分配装置包括： 

系统资源初分配模块，与所述用户信道状态信息提供模块相连接，根据各用户的数据速率要求以及信道特性，决定每个用户所分配到的子载波数，试探性地决定在每一个子载波上传送的比特数以及相应的功率； 

子载波调整模块，分别与所述系统资源初分配模块和所述动态调制模块相连接，将分配给各用户的子载波进行比较，并对所述子载波进行调整。 

可选地，所述每个用户所分配到的子载波数是根据每个用户的平均信道响应来决定的。 

可选地，所述系统分配给所有用户的总功率与所述子载波数成比例关系。 

可选地，所述每个子载波上最多只能传输6比特。 

可选地，所述信道特性包括子载波的信道增益与噪声方差的比。 

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点： 

本实用新型通过对经典的两步算法进行了调整，让每一步骤所追求的目标与系统总体的目标完全一致，使得分配算法能够快速收敛，降低了系统资源分配算法的复杂度，优化了系统的运行效率。在限定用户数据速率的条件下，实现系统发送功率的最小化，即裕量最优化准则。 

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中： 

图1为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统的结构示意图； 

图2为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统资源分配装置的结构框图； 

图3为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统资源分配装置的算法在不同误码率条件下系统给所有用户分配的子载波总数示意图； 

图4为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统资源分配装置的算法在不同误码率条件下系统的发送功率示意图； 

图5为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统资源分配装置的算法复杂度与系统中用户数目的对比关系示意图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。 

图1为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统的结构示意图。如图所示，该多用户OFDM系统100具有子载波及比特分配特性。假设这个系统有K个用户，N个子载波，其中第K个用户的数据速率为R_k(kbit/OFDM符号)。在发送端，用户信道状态信息提供模块101用于提供各用户的信道状态信息；系统资源分配装置106与用户信道状态信息提供模块101相连接，用于控制整个系统的信道资源分配；动态调制模块102，与系统资源分配装置106相连接，用于根据系统资源分配装置106的指示选择对哪一个用户的数据进行动态调制，分配到不同的子载波上；IFFT并/串变化模块103，与动态调制模块102相连接，用于按照反快速傅里叶变换(IFFT)对子载波进行串/并变化；添加循环前缀及D/A转换模块104，与IFFT并/串变化模块103相连接，用于对子载波添加循环前缀以及进行D/A转换；天线105，与添加循环前缀及D/A转换模块104相连接，用于发送用户的数据。 

在上述系统中，每个用户通过将不同的数据流分配到不同的子载波上。假设每一子载波的带宽远远小于信道的相关带宽，并且所有用户的每个子载波上信道参数对发送端是已知的。利用这些信道信息，使用子载波及比特分配算法来分配不同用户在不同子载波上的传输量。根据不同子载波上分配的比特数，确定相应的调制方案，每一子载波上的传输功率大小级数由通信服务质量及调制模式决定。定义C_k，n为用户k在第n个子载波上分配的比特数，并确定自适应调制允许C_k，n的取值为D＝{0，1，2…M}，其中M为子载波传输的最大信息比特数。 

对于频率选择性信道，不同的子载波有不同的信道增益，假设高斯白噪声的功率谱密度N₀对所有用户的所有子载波是相同的， 

为第k个用户的第n个子载波的信道特性(信道增益与噪声方差的比)。定义f_k(c)为信道响应为1的时候，第k个用户可靠接收c个比特所需要的接收功率。为了在接收端达到指定的服务质量要求，对第k个用户分配在第个n子载波上接收功率P_k，n必须满足： 

$P_{k,n}=\frac{f_k\left(c_{k,n}\right)}{{\mathrm{\σ}}_{k,n}^2}$

在本实用新型的多用户OFDM系统中，主要使用裕量最优化准则，就是在所有用户的数据速率{R₁，...，R_K}给定的情况下，使满足传送{R₁，...，R_K}这些数据速率的总的发送功率P_T最小。用数学表达式表达如下： 

$\underset{c_{k,n},{\mathrm{\ρ}}_{k,n}}{\min }{P}_T=\underset{c_{k,n},{\mathrm{\ρ}}_{k,n}}{\min }\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{f_k\left(c_{k,n}\right)}{{\mathrm{\σ}}_{k,n}^2}\·{\mathrm{\ρ}}_{k,n}$

上述公式的限制条件是： 

$R_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{k,n}\·{\mathrm{\ρ}}_{k,n},\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{k,n}=1$

其中，P_T表示总的发送功率，ρ_k，n为第k个用户对第n个子载波的占用情况，如果占用，则值为1，否则就为0。 

图2为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统资源分配装置的结构框图。如图所示，多用户OFDM系统资源分配装置106，可以包括： 

系统资源初分配模块201，用于根据各用户的数据速率要求以及信道特性，例如子载波的信道增益与噪声方差的比，决定每个用户所分配到的子载波数，试探性地决定在每一个子载波上传送的比特数以及相应的功率； 

子载波调整模块202，与系统资源初分配模块201相连接，用于将分配给各用户的子载波进行比较，如果发现各用户之间交换子载波可以减小系统功率要求，则对子载波进行相应调整。 

在本实施例中，每个用户所分配到的子载波数是根据每个用户的平均信道响应来决定的，系统分配给所有用户的总功率与子载波数成比例关系，每个子载波上最多只能传输6比特。 

下面描述本实用新型的多用户OFDM系统资源分配装置的工作步骤。与经典的两步算法类似，本实用新型同样可以分为两个步骤实现： 

(a)系统资源初分配：根据各用户的数据速率率R_k要求以及信道特性σ_k，n，决定每个用户所需的子载波数N_k，试探性地决定在每一个子载波上传送的比特数c_k，n以及相应的功率P_k，n； 

(b)子载波调整：将在步骤(a)中分配给不同用户的子载波进行比较，如果发现各用户之间交换子载波可以减小系统功率要求，则对子载波进行相应调整。 

上述两个步骤的具体实现过程可以如下所示： 

(a)系统资源初分配 

根据每个用户的平均信道响应来初步决定每个用户所需要的子载波数以及相应功率。在算法中系统分配给所有用户的总功率应该与子载波数成比例关系。假设N₀、P₀为系统中子载波数和功率的上限，而N_a、P_a为系统分配给所用用户的子载波以及功率总和。N_a、P_a必须满足： 

$P_a\≤\frac{N_a}{N_0}{P}_0$

本实用新型的多用户OFDM系统资源分配装置通过以下几个步骤，实现系统资源的初分配： 

(1)考虑到调制因素，假定在每个子载波上最多只能传输6比特/符号，即采用64QAM。所以在迭代的初始，对所有的用户k＝1，2，…，K，令该用户分配到的子载波数 

根据N_k反推得到各用户大致所需的功率P_k＝N_kF^-1(R_k/N_k)/σ_k以及系统所需总功率 

(2)如果满足 

跳到步骤(4)，否则进入步骤(3)。 

(3)当 

时，令Δp_k＝N_kF^-1(R_k/N_k)/σ_k-(N_k+1)F^-1(R_k/(N_k+1))/σ_k，在k∈[1，K]中寻找 

使 ${\mathrm{\ΔP}}_{\hat{k}}={\max }_k{\mathrm{\ΔP}}_k,$ 令 $N_{\hat{k}}=N_{\hat{k}}+1,$ $P_{\hat{k}}=P_{\hat{k}}-{\mathrm{\Δp}}_{\hat{k}},$ $N_k=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{N}_k,$ $P_k=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k,$ 返回步骤(2)。此处运用到一个已有的结论，那就是当F^-1(·)为凸函数时，某用户分到的子载波越多，其所需的发送功率越小。事实上绝大多数调制方式满足上述要求。可能在某些情况下，即使将所有子载波都分配出去了也无法满足所有用户的数据速率要求，这时可以考虑暂时将某些用户的服务要求搁置。 

(4)用户1首先选择信道响应噪声比 

最大的N₁个子载波，系统将这些子载波分配给用户1。用户2在剩余子载波中选择对自己而言最好的N₂个子载波，依此类推直到所有用户的子载波要求得到满足，修改系数矩阵C＝{ρ_k，n}记录子载波分配情况。 

(5)当所有用户都已经得到自己所需要的子载波后，对每个用户进行类似单用户注水算法的操作，对用户k而言，第n个子载波上发送的比特数 

$c_{k,n}=R_k\frac{{\mathrm{\ρ}}_{k,n}{\mathrm{\σ}}_{k,n}^2}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{k,n}{\mathrm{\σ}}_{k,n}^2},$

反推得到该子载波所需发送功率 

进一步计算得到 

(b)子载波调整 

在步骤(a)中，系统根据用户各自不同的数据速率要求对子载波、功率以及比特载入做了初步的调配。但其中存在不尽合理的地方，例如用户1获得了对它而言最好的子载波，这些子载波就不能被其他用户所选择。事实上，如果用户之间能够互相尝试着交换子载波，系统所需的总发送功率可能要降低，这正是在步骤(b)中所要做的工作。为了方便起见，引入子载波分配索引I_kn，代表用户k分配到的第n个子载波所对应的子载波号。R_k，I代表在该子载波上传输的比特。 

本实用新型的多用户OFDM系统资源分配装置通过以下几个步骤，实现子载波调整： 

(1)尝试交换子载波I_1，1与I_2，1，若 

$F^{-1}\left(R_{\mathrm{1,1}}\right)/{{\mathrm{\σ}}^2}_{1,I_{11}}+F^{-1}\left(R_{\mathrm{2,1}}\right)/{{\mathrm{\σ}}^2}_{2,I_{21}}>F^{-1}\left(R_{\mathrm{1,1}}\right)/{{\mathrm{\σ}}^2}_{1,I_{21}}+F^{-1}\left(R_{\mathrm{2,1}}\right)/{{\mathrm{\σ}}^2}_{2,I_{11}}$

表明这两个子载波交换可以减小发送功率，因此决定进行子载波交换。计算得到新的发送功率， $P_{\mathrm{1,1}}=F^{-1}\left(R_{\mathrm{1,1}}\right)/{{\mathrm{\σ}}^2}_{1,I_{21}},$ $P_{\mathrm{2,1}}=F^{-1}\left(R_{\mathrm{2,1}}\right)/{{\mathrm{\σ}}^2}_{2,I_{11}}.$ 否则维持现状，不进行子载波交换。 

(2)将子载波I₁₁与用户k(k∈[2，3，…，K])所拥有的子载波I_ki(i∈[1，2，…N_m])做与步骤(1)类似操作，直到I₁₁与其他用户所有子载波比较交换完毕。 

(3)对用户1所有的子载波I_1i(i∈[2，…N₁])做与步骤(2)类似的操作，直至用户1所有的子载波比较交换完毕。 

(4)对所有的用户k，重复执行与步骤(2)、(3)类似的操作。 

(5)子载波交换完毕，计算得到系统总的发送功率 

通过上述迭代操作，所有的子载波都参与了比较交换，系统发送功率进一步降低，系统资源分配完毕。 

为了检验改进算法的性能，发明人建立了一个OFDM模型进行仿真。该模型拥有256个子载波；假设所有子载波上噪声平均功率相等，在归一化噪声条件下基站所能提供最大功率为44.77dB；信道模型采用6径Jakes模型；基站调制方式为BPSK、QAM、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM；用户数为8，在一个符号周期内的数据传输要求为[102，96，96，102，96，128，128，96]。仿真结果如所示。 

图3为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统资源分配装置的算法在不同误码率条件下系统给所有用户分配的子载波总数示意图。如图所示，其中给出了本实用新型的多用户OFDM系统资源分配装置中的改进两步算法在不同误码率条件下，系统给所有用户分配的子载波总数。由于本实用新型的算法与经典算法在子载波数分配上，也就是两步算法的第一步采取策略基本相似，所以两种算法在分配子载波数上没有区别。 

图4为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统资源分配装置的算法在不同误码率条件下系统的发送功率示意图。如图所示，在不同误码率要求下，对采用经典两步算法与本实用新型的两步算法的系统发送功率进行了比较。从图中可以看出在误码率要求为10^-6时，经过改进的算法所需发送功率比经典两步算法只高了大约0.3dB，但是本实用新型的算法在算法复杂度上却得到了大幅度的改进。 

本实用新型多用户OFDM系统资源分配装置的算法同经典两步算法相比，具有以下优点： 

1、在经典两步算法中并没有考虑到子载波上所能加载的比特限制，所以计算得到的资源分配方案极有可能是无法实现的。而在本算法的步骤(a)中，就规定了子载波上最多只能传输6比特，保证了计算结果的可用性，同时也加快了对于N_k以及P_k的搜索速度，快速实现资源的初步分配。 

2、与经典两步算法不同，本算法始终是以裕量最大化作为优化目标和准则，从数学角度上说更为严密。 

3、在改进算法的步骤(a)中即已经尝试性地快速实现对每个用户进行子载 波分配，比特加载以及相应的功率分配。进入步骤(b)后，只是对步骤(a)的结果进行微调，良好的初始条件使得算法能够快速实现收敛。假设步骤(a)结束后所有N个子载波都被分配给用户，那么步骤(b)的迭代次数 而Hungarian算法的复杂度O(N³)。图5为本实用新型一个实施例的多用户OFDM系统资源分配装置的算法复杂度与系统中用户数目的对比关系示意图。如图所示，其中给出了算法复杂度与系统中用户数目的大致对比关系。显然，仅从算法复杂度而言，改进算法在实际应用中更有竞争力。 

本实用新型通过对经典的两步算法进行了调整，让每一步骤所追求的目标与系统总体的目标完全一致，使得分配算法能够快速收敛，降低了系统资源分配算法的复杂度，优化了系统的运行效率。在限定用户数据速率的条件下，实现系统发送功率的最小化，即裕量最优化准则。 

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。 

Claims (1)

1.一种多用户OFDM系统，其特征在于，包括：

用户信道状态信息提供模块，提供各用户的信道状态信息；

系统资源分配装置，与所述用户信道状态信息提供模块相连接，根据所述信道状态信息分配整个系统的信道资源；

动态调制模块，分别与所述系统资源分配装置和多个用户数据相连接，根据所述系统资源分配装置的指示选择对哪一个用户的数据进行动态调制，分配到不同的子载波上；

IFFT并/串变化模块，与所述动态调制模块相连接，按照反快速傅里叶变换对所述子载波进行串/并变化；

添加循环前缀及D/A转换模块，与所述IFFT并/串变化模块相连接，用于对所述子载波添加循环前缀以及进行D/A转换；

天线，与所述添加循环前缀及D/A转换模块相连接，发送所述用户的数据；

其中，所述系统资源分配装置包括：

系统资源初分配模块，与所述用户信道状态信息提供模块相连接，根据各用户的数据速率要求以及信道特性，决定每个用户所分配到的子载波数，试探性地决定在每一个子载波上传送的比特数以及相应的功率；

子载波调整模块，与所述系统资源初分配模块相连接，将分配给各用户的子载波进行比较，并对所述子载波进行调整。 

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