專利名稱：正交頻分復用多址接入系統中的自適應子載波分配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線移動通信系統技術領域，且特別涉及一種在正交頻分復用多址接入(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，以下簡稱OFDMA)系統中實現自適應子載波分配的方法。
背景技術：
無線通信系統中的頻譜資源是非常有限的，因此，無線移動通信系統必須合理地利用這些有限的頻率資源。特別是在未來移動通信系統中，用戶對于高速、高質量的數據傳輸的業(yè)務需求越來越多，如何在有限無線頻率資源上為更多用戶提供高質量的服務就顯得越來越重要。在頻率選擇性衰落環(huán)境中，正交頻分復用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，以下簡稱OFDM)是一種具有前途的解決方案。
OFDM因為具有較高的頻譜利用效率、對頻率選擇性衰落具有天然免疫力等優(yōu)點，而成為后三代(Beyond Three Generation，簡稱B3G)移動通信系統的一項關鍵技術。與窄帶通信系統相比，OFDM系統具有較寬廣的頻率資源，各個子載波上的信道響應差別很大，因此，OFDM可以根據頻譜利用率以及最佳平衡為原則為各個子載波選擇不同的調制方式，以達到對資源的最佳利用。然而，在多用戶環(huán)境下，在同一時刻由多個用戶共享信道資源，然而各個用戶與基站之間所經歷的物理信道不同，也就是說在每個子載波上，每個用戶的信道響應是不一樣的，因此，為了充分提高系統的數據率，必須為每個用戶在各個OFDM子載波上的信道響應進行多用戶之間的子載波分配。一個優(yōu)異的子載波分配算法必須同時在三個評價指標上具有良好表現頻譜效率或者平均每個子載波上所能夠傳輸的比特數、對各個用戶的公平性以及算法實現的實時性和復雜度。
在OFDMA系統中，資源的概念可以定義為一個固定頻率帶寬中的一組可用子載波。而資源的分配是指在小區(qū)制移動蜂窩系統中，根據用戶的信道條件，以最有效的頻譜利用方式為每個用戶分配合適的子載波，以滿足用戶的通信業(yè)務需求。
當一個移動用戶需要進入系統的時候，他需要向基站提出進入申請，同時向基站發(fā)送其需要的最小速率要求、最大誤碼概率以及信道條件等信息，基站接收到這些信息以后，經過判斷，如果認為系統有足夠的資源來滿足該用戶的要求，則基站會給該用戶分配相應的資源，批準該移動用戶進入系統。當用戶獲得資源分配以后，將會保持一段時間對這些資源的占用，直到該用戶的業(yè)務完成。當該用戶的分組傳輸完畢以后，他將會釋放其占用的資源，從而退出系統。而基站在分配資源之前不通報該用戶需要傳輸多長時間，即使基站收到了任何新的信道信息或者業(yè)務請求。
在多用戶OFDMA系統中，子載波的分配是一個比較重要的問題。在OFDMA系統中，主要依靠子載波來區(qū)分用戶，因此，在一幀時間(當然也可一是其他時間單元，只要該時間單元遠遠小于信道的相干時間)內，一個用戶占用了某個子載波以后，這個子載波就不能再分配給其他用戶。而且，為了提高系統頻譜效率，希望系統在傳輸速率和功率限制條件下，使得系統的總發(fā)射功率最小，同時使得系統總的傳輸速率趨于最大化。
在常規(guī)子載波分配算法中，都是在用戶數目、可用子載波數目、用戶的比特誤碼率(Bit Error Rate，簡稱BER)要求都已知的前提下，給每個用戶分配一定數目的子載波，使得總的發(fā)射功率最小。從而將所有子載波都分配給這些用戶，以滿足這些用戶的最低要求。這是一種靜態(tài)的分配方法，前提是基站知道所有用戶數目、每個用戶的信道條件以及業(yè)務需求。然而用戶申請接入系統是隨機的，而且每個用戶并非使用的子載波數目越多越好，也就是說，每個用戶需要的子載波數目有一個上限和一個下限。而且很少有技術文獻考慮當一個新的用戶請求進入系統時的子載波的分配的問題。
在一個OFDMA系統中，每個申請接入的用戶所需要的子載波數目都是有上下限的，一方面為了滿足該用戶的基本業(yè)務需求，需要為該用戶至少分配NminK個子載波，即Nmink=ceil(Rmink/Rmax),]]>其中Rmax表示每個子載波可以允許的最大傳輸速率，其數值取決于系統采用的編碼調制方案，ceil(x)表示朝著正無窮大方向對實數x取整。然而，當每個子載波都在允許的最低速率要求下傳輸時，最多能夠給該用戶分配Nmaxk=ceil(RminK/Rmin)]]>個子載波。因此，當一個新的用戶申請接入時，系統可以在不影響已經在系統中用戶業(yè)務傳輸的條件下給該新用戶分配子載波。
傳統的子載波的分配一般分成兩步來完成，一是先由基站依據新接入用戶的平均信道條件以及業(yè)務需求來確定給該用戶分配的子載波數目以及功率；二是由基站進一步給該用戶確定需要分配的確切子載波。一旦上述兩個過程完成以后，由基站通過控制信道通知用戶。這種方法需要基站對每個用戶的當前信道狀態(tài)信息以及下一個時間單元的信道狀態(tài)信息都有了解。而實際上，用戶申請接入系統是隨機的，無法預知那個用戶會發(fā)起這種申請，也無法預測這些用戶的信道條件。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為了解決上述問題而開發(fā)的，其目的是提供一種上述問題的解決方案，即當一個用戶申請接入系統的時候，而且每個時間單元內只允許一個用戶接入，系統在傳輸速率和功率限制條件下如何依據用戶信道條件的變化自適應分配子載波，使得系統的總發(fā)射功率最小，同時使得系統總的傳輸速率趨于最大化。
為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種OFDMA系統中的自適應子載波分配方法，系統中已有用戶所需要分配的子載波已經確定，在需要接入系統的用戶的業(yè)務傳輸沒有完結之前，已有用戶子載波分配情況不變化，其包括如下步驟第一步需要接入系統的用戶將業(yè)務傳輸速率需求以及在整個載波上的平均信道條件上傳給基站；第二步基站決定可以分配給上述需要接入系統的用戶的最少子載波數目Nmink，以保證滿足該用戶的基本業(yè)務需求；第三步基站將該最少子載波數目信息NminK以及沒有被其他用戶占用的子載波信息通知上述需要接入系統的用戶；第四步上述需要接入系統的用戶將在沒有被其他用戶占用的子載波上的信道幅度增益按照從大到小的順序進行排列；第五步上述需要接入系統的用戶在沒有被其他用戶占用的子載波中，按照從大到小的順序一次從上述幅度增益中選擇NminK個增益對應的子載波；第六步上述需要接入系統的用戶將該NminK個確切的子載波信息反饋給基站。
上述第一步中的平均信道條件包括平均信道增益，平均信道增益HK=1NΣn=1N|hK,n|2,]]>其中，N表示系統中可用的子載波總數目，hK，n表示各個子載波上的信道響應，K表示上述系統中已經有K-1個用戶已分配子載波。
上述第二步中的最少子載波數目NminK=ceil(RminK/Rmax),]]>其中，RminK表示最低傳輸速率要求信息，Rmax表示每個子載波可以允許的最大傳輸速率，其數值取決于系統采用的編碼調制方案，ceil(x)表示朝著正無窮大方向對實數x取整，K表示上述系統中已經有K-1個用戶已分配子載波。其基本業(yè)務需求包括業(yè)務傳輸速率需求。
上述第二步中基站統計其他所有用戶需要的最少子載波數目之和，如果上述其他所有用戶需要的最少子載波數目之和超過系統中可用的子載波總數目，則不給上述需要接入系統的用戶分配任何子載波；如果上述其他所有用戶需要的最少子載波數目之和不大于系統中可用的子載波總數目，則標明系統可以為上述需要接入系統的用戶分配子載波。
當然，在上述方法實現過程中，已經暗示每個用戶都知道哪些子載波已經被誰占用，這一點通過協議是可以實現的，正如802.11中就可以依據SNR等信息來確定哪些子載波處于“忙碌”狀態(tài)。
本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于與傳統子載波分配方法相比，一方面用戶不需要向基站上傳其在所有子載波上的信道條件，而只是上傳平均信道增益，因為針對決定子載波數目來說，主要是平均信道增益起作用，而不是每個子載波上的信道響應；另一方面由用戶自己來決定選用哪些子載波，避免了多個用戶共同競爭相同子載波的情況，因為每個用戶都知道哪些子載波已經被誰占用。因此，本發(fā)明的方法可以使系統的總發(fā)射功率最小，同時使得系統總的傳輸速率趨于最大化下面結合附圖，對本發(fā)明的具體實施作進一步的詳細說明。對于熟悉本技術領域的人員而言，從對本發(fā)明方法的詳細說明中，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點將顯而易見。


圖1為本發(fā)明的在OFDMA系統中實現子載波自適應分配方法的一個較佳實施例的流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的較佳實施例作詳細說明如下圖1詳細描述了依據本發(fā)明所述的在OFDMA系統中實現自適應子載波分配的原理，其主要解決的問題是為新用戶申請接入的時候分配合適的子載波。下面結合圖1詳細說明該分配方法的具體實施方式
。
為了敘述方便，假設在OFDMA系統中有K-1個用戶已經處于激活狀態(tài)，也就是說，這K-1個用戶所需要分配的子載波已經確定，這K-1個用戶分別記作用戶1，2，…，K-1?，F在有一個新用戶，暫且記作用戶K申請進入系統。而且在該用戶K的業(yè)務傳輸沒有完結之前，這K-1個用戶子載波分配情況不變化，這點在一定時間范圍內是可以滿足的。
首先，用戶K依據其在各個子載波上的信道響應hK，n估計其對應的平均信道增益HK，該平均信道增益可以按照Hujun Yin和Hui Liu在2000年撰寫的，公開于在IEEE Globecom′00，San Francisco，USA，2000中的論文“an efficient multiuser loading algorithm for OFDM based broadband wirelesssystems”中描述的類似方法進行，即HK=1NΣn=1N|hK,n|2.]]>然后，用戶K將其能夠接受的最低傳輸速率要求信息RminK以及平均信道增益反饋給基站，即圖1中的流程101。
如圖1中的流程102，基站利用用戶K反饋的最低傳輸速率要求信息RminK以及平均信道增益信息估計能夠滿足用戶K的基本業(yè)務需求所需要的最少子載波數目NminK，即NminK=ceil(RminK/Rmax),]]>其中Rmax表示每個子載波可以允許的最大傳輸速率，其數值取決于系統采用的編碼調制方案，ceil(x)表示朝著正無窮大方向對實數x取整。然后，基站統計集合U中所有用戶需要的最少子載波數目之和Σk＝1KNmink，如果Σk＝1KNmink超過系統中可用的子載波總數目N，即Σk=1KNminu>N,]]>則不給用戶K分配任何子載波，也就是說系統當前沒有足夠的頻率資源來支撐用戶K的基本業(yè)務需求；如果Σk＝1KNmink不大于系統中可用的子載波總數目N，即Σk=1KNmink≤N,]]>則標明系統有足夠的頻率資源來支持用戶K的基本業(yè)務，也就是說，可以為用戶K至少分配NminK個子載波。此時基站就將該NminK數值信息以及沒有被其他K-1個用戶占用的子載波信息通知用戶K，即圖1中的流程103。
如圖1中的流程104，用戶K接收到基站的通知以后，將其在所有N子載波上的信道響按照幅度增益從大到小進行排列，然后如圖1中的流程105，在沒有被其他K-1個用戶占用的子載波中從大到小一次選擇NminK個增益對應的子載波。最后如圖1中的流程106，用戶K將選擇的NminK個確切子載波信息反饋給基站，從而在下一個事件單元內按照這種約定進行業(yè)務傳輸。
當然，本發(fā)明提供的實施例只是為了詳盡地說明按照本發(fā)明內容提供的在OFDMA系統中實現子載波分配的方法，因而都是示例性的實施方式，并不能將它看作是對于本發(fā)明的限制，而且，凡是在本發(fā)明宗旨之內的顯而易見的修改亦應歸于本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.正交頻分復用多址接入系統中的自適應子載波分配方法，系統中已有用戶所需要分配的子載波已經確定，在需要接入系統的用戶的業(yè)務傳輸沒有完結之前，已有用戶子載波分配情況不變化，其特征是包括如下步驟第一步需要接入系統的用戶將業(yè)務傳輸速率需求以及在整個載波上的平均信道條件上傳給基站；第二步基站決定可以分配給上述需要接入系統的用戶的最少子載波數目NminK，以保證滿足該用戶的基本業(yè)務需求；第三步基站將該最少子載波數目信息NminK以及沒有被其他用戶占用的子載波信息通知上述需要接入系統的用戶；第四步上述需要接入系統的用戶將在沒有被其他用戶占用的子載波上的信道幅度增益按照從大到小的順序進行排列；第五步上述需要接入系統的用戶在沒有被其他用戶占用的子載波中，按照從大到小的順序一次從上述幅度增益中選擇NminK個增益對應的子載波；第六步上述需要接入系統的用戶將該NminK個確切的子載波信息反饋給基站。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是上述第一步中的平均信道條件包括平均信道增益。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征是上述平均信道增益HK=1NΣn=1N|hK,n|2,]]>其中，N表示系統中可用的子載波總數目，hK，n表示各個子載波上的信道響應，K表示上述系統中已經有K-1個用戶已分配子載波。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征是上述第二步中的最少子載波數目NminK=ceil(RminK/Rmax)]]>，其中，RminK表示最低傳輸速率要求信息，Rmax表示每個子載波可以允許的最大傳輸速率，其數值取決于系統采用的編碼調制方案，ceil(x)表示朝著正無窮大方向對實數x取整，K表示上述系統中已經有K-1個用戶已分配子載波。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征是上述第二步中的基本業(yè)務需求包括業(yè)務傳輸速率需求。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征是上述第二步中基站統計其他所有用戶需要的最少子載波數目之和，如果上述其他所有用戶需要的最少子載波數目之和超過系統中可用的子載波總數目，則不給上述需要接入系統的用戶分配任何子載波；如果上述其他所有用戶需要的最少子載波數目之和不大于系統中可用的子載波總數目，則標明系統可以為上述需要接入系統的用戶分配子載波。
全文摘要
本發(fā)明的一種正交頻分復用多址接入系統中的自適應子載波分配方法，包括需要接入系統的用戶將業(yè)務需求及平均信道條件上傳給基站；基站決定可以分配給該用戶的最少子載波數目N
文檔編號H04B7/26GK101094215SQ20061008698
公開日2007年12月26日 申請日期2006年6月22日 優(yōu)先權日2006年6月22日
發(fā)明者蔣小奎, 王強 申請人:中興通訊股份有限公司