專利名稱：用于正交頻分多址系統(tǒng)的子載波、比特、功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)，尤其涉及一種用于OFDMA系統(tǒng)的子載波、比特、功率分配方法。
背景技術(shù)：
隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展和用戶需求的快速增長(zhǎng)，音頻、視頻、圖像、以及互聯(lián)網(wǎng)等多媒體業(yè)務(wù)將成為未來(lái)移動(dòng)通信的主導(dǎo)業(yè)務(wù)，而這些業(yè)務(wù)對(duì)于無(wú)線鏈路傳輸能力的要求明顯提高(峰值業(yè)務(wù)速率大于20Mbps)，在此情況下，正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)逐漸嶄露頭角。OFDM技術(shù)將高速的數(shù)據(jù)流調(diào)制為頻譜交疊的多個(gè)并行低速數(shù)據(jù)流發(fā)送。由于OFDM符號(hào)周期顯著增長(zhǎng)，因此提高了OFDM符號(hào)抗多徑時(shí)延的能力，并且引入保護(hù)間隔可以完全消除由多徑時(shí)延引起的符號(hào)間干擾(ISI)，目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采用，而且已基本被公認(rèn)為B3G(超三代移動(dòng)通信系統(tǒng))的物理層基本技術(shù)之一。正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)就是通過(guò)將正交相鄰的子載波靈活地分配給不同的用戶，使得在通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多用戶的同時(shí)接入，提高了系統(tǒng)容量，能夠動(dòng)態(tài)變化資源分配方案，滿足大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的速率傳輸能力和未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)多用戶多業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求，因此OFDMA是B3G系統(tǒng)極有可能采用的多址方案之一。
對(duì)于OFDMA系統(tǒng)的子載波、比特、功率分配方法，現(xiàn)有技術(shù)中性能比較好的是多用戶貪婪注水方法。該方法首先按照單用戶注水算法將所要發(fā)送的比特分配到所有子載波上進(jìn)行發(fā)送，然后根據(jù)多個(gè)用戶不能同時(shí)共享一個(gè)子載波的原則將同時(shí)分配給多個(gè)用戶的子載波列為“沖突子載波”，然后要將加載在這些“沖突子載波”上的比特重新在其他子載波上進(jìn)行分配，這樣就會(huì)引起功率的增加，最嚴(yán)重的是導(dǎo)致為了解決這些“沖突子載波”而引起的復(fù)雜的處理程序，這種分配方法不能滿足未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)提高系統(tǒng)性能，降低成本的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用于正交頻分多址(OFDMA)系統(tǒng)的低復(fù)雜度的子載波、比特、功率分配方法，其顯著降低通信系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)送信息的功率消耗及無(wú)線資源分配的復(fù)雜度，從而改善通信系統(tǒng)的性能，降低經(jīng)濟(jì)成本。
在根據(jù)本發(fā)明的子載波、比特、功率分配方法，首先確定各用戶所需的子載波數(shù)目。為保證用戶的公平性，先假定分配給各用戶的子載波數(shù)目為1，首先結(jié)合信道信息求出每個(gè)用戶的平均信道增益，然后按照注水原理的思想逐一給用戶增加子載波，將增加一個(gè)子載波后發(fā)送功率減少最大的用戶的子載波數(shù)目加1，直至將所有子載波數(shù)目在各用戶中分配完畢。
然后確定具體分配給用戶的子載波。根據(jù)已經(jīng)分配給用戶的子載波數(shù)目，可以得到每個(gè)用戶在每個(gè)子載波上發(fā)送的平均比特?cái)?shù)，對(duì)每個(gè)用戶而言，可以進(jìn)一步求出在每個(gè)子載波上發(fā)送這些比特?cái)?shù)所需要的功率；遍歷所有用戶，找出所需發(fā)送功率最小的子載波及其對(duì)應(yīng)的用戶，然后將此子載波分配給該用戶，采用同樣的方法繼續(xù)分配剩余的子載波，直至子載波全部分配給用戶。為了進(jìn)一步降低運(yùn)算復(fù)雜度，在此步驟中，可以根據(jù)每個(gè)子載波對(duì)應(yīng)的信道增益來(lái)分配子載波，即遍歷所有用戶，找出最大信道增益對(duì)應(yīng)的子載波，并將其分配給對(duì)應(yīng)的用戶，采用同樣的方法繼續(xù)分配剩余的子載波，直至子載波全部分配給用戶。
將每個(gè)用戶所需要發(fā)送的比特按照單用戶注水算法在分配的子載波上進(jìn)行發(fā)送。
根據(jù)本發(fā)明的方法結(jié)合信道信息，采用三個(gè)步驟來(lái)降低發(fā)送端發(fā)送信息時(shí)所需要的功率，每一個(gè)步驟都在平均意義上使得發(fā)送功率最小，這種三步聯(lián)合的分配方案也可以達(dá)到復(fù)雜度的顯著降低。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法不僅實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低，而且性能要優(yōu)于其他的分配方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于正交頻分多址系統(tǒng)的子載波、比特、功率分配方法，包括以下步驟基于各個(gè)用戶在增加一個(gè)子載波時(shí)所引起的功率減小量，進(jìn)行子載波數(shù)目的分配，從而確定各個(gè)用戶所需的子載波數(shù)目；根據(jù)所確定的各個(gè)用戶的子載波數(shù)目，計(jì)算各個(gè)用戶在一個(gè)子載波上發(fā)送的平均比特?cái)?shù)，并根據(jù)發(fā)送所述平均比特?cái)?shù)所需的功率值確定具體分配給各個(gè)用戶的子載波；為每個(gè)用戶，根據(jù)單用戶注水算法進(jìn)行比特加載。


下面參照附圖結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。其中圖1示出了可用于根據(jù)本發(fā)明的分配方法的OFDMA系統(tǒng)的框圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的資源分配方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了可用于根據(jù)本發(fā)明的分配方法的系統(tǒng)框圖。此系統(tǒng)為OFDMA系統(tǒng)。圖1中詳細(xì)地表示了系統(tǒng)中的子載波、比特、功率分配模塊。
圖2表示了根據(jù)本發(fā)明的子載波、比特、功率分配方法的流程圖。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的分配方法首先按注水原理、結(jié)合平均信道增益、根據(jù)各用戶每增加一個(gè)子載波所引起的功率減小來(lái)進(jìn)行子載波數(shù)目的分配，從而確定各個(gè)用戶所需的子載波數(shù)目。然后，根據(jù)發(fā)送各用戶在為其分配的每個(gè)子載波上平均發(fā)送的比特?cái)?shù)所需的功率值，確定具體分配給各用戶的子載波。最后，按單用戶注水算法進(jìn)行比特加載。
根據(jù)本發(fā)明的分配方法中每一個(gè)步驟都在平均意義上使得發(fā)送功率最小，并且這種三步聯(lián)合的分配方案也可以達(dá)到復(fù)雜度的顯著降低。
以下詳細(xì)介紹根據(jù)本發(fā)明的子載波、比特、功率分配方法。假設(shè)系統(tǒng)中有K個(gè)用戶、N個(gè)子載波。用戶k需要發(fā)送的比特?cái)?shù)為Rk。
第一步，為每個(gè)用戶確定該用戶所需子載波的數(shù)目。
首先假設(shè)初始時(shí)分配給每個(gè)用戶的子載波數(shù)目為1。然后執(zhí)行以下詳細(xì)描述的過(guò)程，以確定一個(gè)用戶，將分配給這個(gè)用戶的子載波的數(shù)目加1。重復(fù)執(zhí)行這個(gè)確定過(guò)程，直到全部N個(gè)子載波被分配完畢。
以下介紹這個(gè)確定過(guò)程假設(shè)在執(zhí)行確定過(guò)程之前，對(duì)于用戶k，分配給用戶k的子載波數(shù)目為Nk，則每個(gè)子載波發(fā)送的平均比特?cái)?shù)為Rk/Nk，其中Rk為用戶k需要發(fā)送的總比特?cái)?shù)。假設(shè)為用戶k增加一個(gè)子載波，即Nk＝Nk+1，則每個(gè)子載波發(fā)送的平均比特?cái)?shù)為Rk/(Nk+1)。根據(jù)以下公式(1)和(2)fk(r)=N03[Q-1(BERk4)]2·(2r-1)---(1)]]>其中，fk(rk，n)是接收端為了接收用戶k在子載波n上所發(fā)送的rk，n個(gè)比特所需的接收功率，N0是噪聲功率譜密度，BERk是業(yè)務(wù)的誤碼率QoS需求。
Pk,n=fk(rk,n)gk,n2---(2)]]>其中，Pk，n為發(fā)送端對(duì)應(yīng)的發(fā)送功率，gk，n為子載波對(duì)應(yīng)的信道增益。則可以得到，當(dāng)分配給用戶k的子載波數(shù)目從Nk增加Nk+1時(shí)，則在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)發(fā)送Rk個(gè)比特所需功率的減少值△Pk為ΔPk=Nk*fk(Rk/Nk)-(Nk+1)*fk(Rk/(Nk+1))g~k2---(3)]]>其中， 是用戶k所分配到的子載波信道增益的均方根，即g~k=Σn=1N|(gk,n)|2/N---(4)]]>根據(jù)以上等式(3)，為所有用戶計(jì)算當(dāng)其子載波數(shù)目增加1時(shí)的功率減少值△Pk，并從所有用戶的功率減少值△Pk中挑出最大值，即確定將分配給這個(gè)最大值所對(duì)應(yīng)的用戶的子載波數(shù)目加1。
然后重復(fù)以上確定過(guò)程，采用同樣的比較功率減少值的方法將剩余的子載波逐一分配給用戶，直到全部N個(gè)子載波被分配完畢。
第二步驟，在確定了系統(tǒng)中每個(gè)用戶所需要的子載波的數(shù)目后，為每個(gè)用戶從系統(tǒng)可用子載波中挑選出所需要的具體的子載波。
假設(shè)對(duì)用戶k而言，在上一步驟中確定分配給該用戶的子載波數(shù)目為Nk，則第n個(gè)子載波上發(fā)送(Rk/Nk)個(gè)比特所需的功率為Pk,n=fk(Rk/Nk)g2k,n---(5)]]>因此，對(duì)每個(gè)用戶以及每個(gè)子載波而言，可以得到N*K個(gè)功率值Pk，n組成的矩陣PP=P1,1P1,2······P1,NP2,1P2,2······P2,N······Pk,n············Pk+1,n······PK,1········PK,N---(6)]]>用Pk，n*表示矩陣P中的最小值Pk，n。找出Pk，n*，并將其所對(duì)應(yīng)的子載波n分配給相應(yīng)的用戶k，因?yàn)樽钚≈礟k，n意味著用戶k在子載波n上傳輸信息所需要的功率最少。并設(shè)置Pk，n＝∞。采用同樣的辦法繼續(xù)找尋矩陣P中的Pk，n*，直至每個(gè)用戶都分配到了所需的子載波數(shù)。
第三步驟，將用戶所要傳輸?shù)谋忍匦畔⒓虞d到所分配到的子載波上。因?yàn)橥ㄟ^(guò)前兩個(gè)步驟，分配給用戶的子載波已經(jīng)確定，因此可以采用單用戶注水算法進(jìn)行比特加載。定義用Ωk表示用戶k分配到的子載波集合，△Pk，n為對(duì)用戶k而言，在子載波n(n屬于Ωk)上多加載一個(gè)比特時(shí)的功率增加量，即ΔPk,n=fk(rk,n+1)-fk(rk,n)gk,n2---(7)]]>找出Ωk中最小的△Pk，n所對(duì)應(yīng)的子載波，并將其發(fā)送的比特?cái)?shù)加1。重復(fù)以上過(guò)程，將用戶k待發(fā)送的比特加載到Ωk的子載波上。其他用戶的比特加載方法相同。
以上已經(jīng)詳細(xì)地介紹了根據(jù)本發(fā)明的子載波、比特、功率分配方法的完整過(guò)程。
但是，在根據(jù)本發(fā)明的分配方法中，為了進(jìn)一步降低運(yùn)算復(fù)雜度，可以對(duì)第二個(gè)步驟、即為用戶確定具體的子載波的步驟進(jìn)行修改。
因?yàn)榘l(fā)送信息所需要的功率主要受信道增益gk，n的影響，因此可以信道增益代替發(fā)送功率，即用以下矩陣G代替前面所述矩陣PG=g1,1g1,2······g1,Ng2,1g2,2······g2,N······gk,n············gk+1,n······gK,1········gK,N---(7)]]>但是，由于Pk，n與g2k，n成反比例關(guān)系，因此在這種情況下，需要確定gk，n的最大值。用gk，n*表示P中的最大值gk，n。找出gk，n*，并將其所對(duì)應(yīng)的子載波n分配給相應(yīng)的用戶k，因?yàn)樽畲笾礸k，n意味著用戶k在子載波上n的信號(hào)增益最大，并因此意味著用戶k在子載波上n傳輸信息所需要的功率最少。設(shè)置gk，n＝-∞。采用同樣的辦法繼續(xù)找尋矩陣G中的gk，n*，直至為每個(gè)用戶都分配所需的子載波數(shù)。
由理論分析與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，根據(jù)本發(fā)明的子載波、比特、功率分配方法與現(xiàn)有技術(shù)中的多用戶貪婪注水方法相比在節(jié)省發(fā)送功率以及信息處理復(fù)雜度方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在每個(gè)用戶的信息比特?cái)?shù)目固定，用戶數(shù)變化的情況下，以及在系統(tǒng)內(nèi)用戶數(shù)目固定，每個(gè)用戶的信息比特?cái)?shù)目變化的情況下。
權(quán)利要求
1.一種用于正交頻分多址系統(tǒng)的子載波、比特、功率分配方法，包括以下步驟基于各個(gè)用戶在增加一個(gè)子載波時(shí)所引起的功率減小量，進(jìn)行子載波數(shù)目的分配，從而確定各個(gè)用戶所需的子載波數(shù)目；根據(jù)所確定的各個(gè)用戶的子載波數(shù)目，計(jì)算各個(gè)用戶在一個(gè)子載波上發(fā)送的平均比特?cái)?shù)，并根據(jù)發(fā)送所述平均比特?cái)?shù)所需的功率值確定具體分配給各個(gè)用戶的子載波；為每個(gè)用戶，根據(jù)單用戶注水算法進(jìn)行比特加載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述子載波數(shù)目分配步驟包括計(jì)算每個(gè)用戶在增加一個(gè)子載波時(shí)所引起的功率減少值；確定所計(jì)算的功率減少值中的最大值；將分配給所述最大值所對(duì)應(yīng)的用戶的子載波數(shù)目加1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在所述子載波數(shù)目分配步驟中，分配給每個(gè)用戶的子載波數(shù)目的初始值為1；并且重復(fù)執(zhí)行所述子載波數(shù)目分配步驟，直到所有子載波被分配完畢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述確定具體分配給各個(gè)用戶的子載波的步驟包括分別計(jì)算每個(gè)子載波發(fā)送每個(gè)用戶的所述平均比特?cái)?shù)所需的功率；確定所計(jì)算的功率中的最小值；將所述最小值所對(duì)應(yīng)的子載波分配給相應(yīng)的用戶，并將這個(gè)最小值設(shè)置為無(wú)窮大，其中這個(gè)子載波不能再被分配給其他用戶；重復(fù)執(zhí)行前面兩個(gè)步驟，直到為每個(gè)用戶都分配了所確定的子載波數(shù)目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述確定具體分配給各個(gè)用戶的子載波的步驟包括分別確定每個(gè)子載波在分配給每個(gè)用戶時(shí)所對(duì)應(yīng)的信道增益；確定所確定的信道增益中的最大值；將所述最大值所對(duì)應(yīng)的子載波分配給相應(yīng)的用戶，并將這個(gè)最大值設(shè)置為無(wú)窮小，其中這個(gè)子載波不能再被分配給其他用戶；重復(fù)執(zhí)行前面兩個(gè)步驟，直到為每個(gè)用戶都分配了所確定的子載波數(shù)目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述比特加載步驟包括計(jì)算分配給用戶的每個(gè)子載波在多加載一個(gè)比特時(shí)的功率增加量；確定所計(jì)算的功率增加量的最小值；將所述最小值所對(duì)應(yīng)的子載波的比特?cái)?shù)加1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中在所述比特加載步驟中，分配給每個(gè)子載波的比特?cái)?shù)的初始值為1；并且重復(fù)執(zhí)行所述比特加載步驟，直到所有比特被加載完畢。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于正交頻分多址系統(tǒng)的子載波、比特、功率分配方法，包括以下步驟基于各個(gè)用戶在增加一個(gè)子載波時(shí)所引起的功率減小量，進(jìn)行子載波數(shù)目的分配，從而確定各個(gè)用戶所需的子載波數(shù)目；根據(jù)所確定的各個(gè)用戶的子載波數(shù)目，計(jì)算各個(gè)用戶在一個(gè)子載波上發(fā)送的平均比特?cái)?shù)，并根據(jù)發(fā)送所述平均比特?cái)?shù)所需的功率值確定具體分配給各個(gè)用戶的子載波；為每個(gè)用戶，根據(jù)單用戶注水算法進(jìn)行比特加載。
文檔編號(hào)H04J13/00GK1960198SQ20061015216
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者田輝, 張平, 高有軍, 徐海博, 陶小峰, 謝懷遙 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)