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)：
隨著移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展和用戶需求的快速增長，音頻、視頻、圖像、以及互聯(lián)網(wǎng)等多媒體業(yè)務(wù)將成為未來移動通信的主導(dǎo)業(yè)務(wù)，而這些業(yè)務(wù)對于無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并行低速數(shù)據(jù)流發(fā)送。由于OFDM符號周期顯著增長，因此提高了OFDM符號抗多徑時延的能力，并且引入保護間隔可以完全消除由多徑時延引起的符號間干擾(ISI)，目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被幾個標準采用，而且已基本被公認為B3G(超三代移動通信系統(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)中實現(xiàn)了多用戶的同時接入，提高了系統(tǒng)容量，能夠動態(tài)變化資源分配方案，滿足大動態(tài)范圍內(nèi)的速率傳輸能力和未來移動通信系統(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行發(fā)送，然后根據(jù)多個用戶不能同時共享一個子載波的原則將同時分配給多個用戶的子載波列為“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行分配，這樣就會引起功率的增加，最嚴重的是導(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移動通信系統(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，可以得到每個用戶在每個子載波上發(fā)送的平均比特數(shù)，對每個用戶而言，可以進一步求出在每個子載波上發(fā)送這些比特數(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。為了進一步降低運算復(fù)雜度，在此步驟中，可以根據(jù)每個子載波對應(yīng)的信道增益來分配子載波，即遍歷所有用戶，找出最大信道增益對應(yīng)的子載波，并將其分配給對應(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，采用三個步驟來降低發(fā)送端發(fā)送信息時所需要的功率，每一個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用戶在增加一個子載波時所引起的功率減小量，進行子載波數(shù)目的分配，從而確定各個用戶所需的子載波數(shù)目；根據(jù)所確定的各個用戶的子載波數(shù)目，計算各個用戶在一個子載波上發(fā)送的平均比特數(shù)，并根據(jù)發(fā)送所述平均比特數(shù)所需的功率值確定具體分配給各個用戶的子載波；為每個用戶，根據(jù)單用戶注水算法進行比特加載。


下面參照附圖結(jié)合優(yōu)選實施例進一步描述本發(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)各用戶每增加一個子載波所引起的功率減小來進行子載波數(shù)目的分配，從而確定各個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子載波上平均發(fā)送的比特數(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行比特加載。
根據(jù)本發(fā)明的分配方法中每一個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到復(fù)雜度的顯著降低。
以下詳細介紹根據(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個用戶、N個子載波。用戶k需要發(fā)送的比特數(shù)為Rk。
第一步，為每個用戶確定該用戶所需子載波的數(shù)目。
首先假設(shè)初始時分配給每個用戶的子載波數(shù)目為1。然后執(zhí)行以下詳細描述的過程，以確定一個用戶，將分配給這個用戶的子載波的數(shù)目加1。重復(fù)執(zhí)行這個確定過程，直到全部N個子載波被分配完畢。
以下介紹這個確定過程假設(shè)在執(zhí)行確定過程之前，對于用戶k，分配給用戶k的子載波數(shù)目為Nk，則每個子載波發(fā)送的平均比特數(shù)為Rk/Nk，其中Rk為用戶k需要發(fā)送的總比特數(shù)。假設(shè)為用戶k增加一個子載波，即Nk＝Nk+1，則每個子載波發(fā)送的平均比特數(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)送端對應(yīng)的發(fā)送功率，gk，n為子載波對應(yīng)的信道增益。則可以得到，當分配給用戶k的子載波數(shù)目從Nk增加Nk+1時，則在一個OFDM符號內(nèi)發(fā)送Rk個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)，為所有用戶計算當其子載波數(shù)目增加1時的功率減少值△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最大值所對應(yīng)的用戶的子載波數(shù)目加1。
然后重復(fù)以上確定過程，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個子載波被分配完畢。
第二步驟，在確定了系統(tǒng)中每個用戶所需要的子載波的數(shù)目后，為每個用戶從系統(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個子載波上發(fā)送(Rk/Nk)個比特所需的功率為Pk,n=fk(Rk/Nk)g2k,n---(5)]]>因此，對每個用戶以及每個子載波而言，可以得到N*K個功率值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*，并將其所對應(yīng)的子載波n分配給相應(yīng)的用戶k，因為最小值Pk，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。因為通過前兩個步驟，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為對用戶k而言，在子載波n(n屬于Ωk)上多加載一個比特時的功率增加量，即ΔPk,n=fk(rk,n+1)-fk(rk,n)gk,n2---(7)]]>找出Ωk中最小的△Pk，n所對應(yīng)的子載波，并將其發(fā)送的比特數(shù)加1。重復(fù)以上過程，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程。
但是，在根據(jù)本發(fā)明的分配方法中，為了進一步降低運算復(fù)雜度，可以對第二個步驟、即為用戶確定具體的子載波的步驟進行修改。
因為發(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*，并將其所對應(yīng)的子載波n分配給相應(yīng)的用戶k，因為最大值gk，n意味著用戶k在子載波上n的信號增益最大，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*，直至為每個用戶都分配所需的子載波數(shù)。
由理論分析與計算機仿真實驗驗證可知，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，尤其是在每個用戶的信息比特數(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，每個用戶的信息比特數(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用戶在增加一個子載波時所引起的功率減小量，進行子載波數(shù)目的分配，從而確定各個用戶所需的子載波數(shù)目；根據(jù)所確定的各個用戶的子載波數(shù)目，計算各個用戶在一個子載波上發(fā)送的平均比特數(shù)，并根據(jù)發(fā)送所述平均比特數(shù)所需的功率值確定具體分配給各個用戶的子載波；為每個用戶，根據(jù)單用戶注水算法進行比特加載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述子載波數(shù)目分配步驟包括計算每個用戶在增加一個子載波時所引起的功率減少值；確定所計算的功率減少值中的最大值；將分配給所述最大值所對應(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中任一項所述的方法，其中所述確定具體分配給各個用戶的子載波的步驟包括分別計算每個子載波發(fā)送每個用戶的所述平均比特數(shù)所需的功率；確定所計算的功率中的最小值；將所述最小值所對應(yīng)的子載波分配給相應(yīng)的用戶，并將這個最小值設(shè)置為無窮大，其中這個子載波不能再被分配給其他用戶；重復(fù)執(zhí)行前面兩個步驟，直到為每個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中任一項所述的方法，其中所述確定具體分配給各個用戶的子載波的步驟包括分別確定每個子載波在分配給每個用戶時所對應(yīng)的信道增益；確定所確定的信道增益中的最大值；將所述最大值所對應(yīng)的子載波分配給相應(yīng)的用戶，并將這個最大值設(shè)置為無窮小，其中這個子載波不能再被分配給其他用戶；重復(fù)執(zhí)行前面兩個步驟，直到為每個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算分配給用戶的每個子載波在多加載一個比特時的功率增加量；確定所計算的功率增加量的最小值；將所述最小值所對應(yīng)的子載波的比特數(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，分配給每個子載波的比特數(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用戶在增加一個子載波時所引起的功率減小量，進行子載波數(shù)目的分配，從而確定各個用戶所需的子載波數(shù)目；根據(jù)所確定的各個用戶的子載波數(shù)目，計算各個用戶在一個子載波上發(fā)送的平均比特數(shù)，并根據(jù)發(fā)送所述平均比特數(shù)所需的功率值確定具體分配給各個用戶的子載波；為每個用戶，根據(jù)單用戶注水算法進行比特加載。
文檔編號H04J13/00GK1960198SQ20061015216
公開日2007年5月9日 申請日期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 申請人:北京郵電大學(xué)