專利名稱：分布式多入多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別地涉及一種分布式多入多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中 資源分配方法。
背景技術(shù)：
用戶之間的公平性是無線資源分配需要考慮的重要因素。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)采用的 原則一般是，首先滿足每個用戶的最小速率需求，然后將剩余資源全部分配給信道條件好 的用戶，以保證系統(tǒng)的整體的資源利用率。然而，這樣做將造成用戶之間的極度“不公平”。 解決這種不公平問題的最直接辦法就是讓每個用戶都接收相同的服務(wù)，即保證“絕對”的公 平，顯然，這種絕對的公平將造成系統(tǒng)資源利用率的下降。因此，公平性與系統(tǒng)資源利用率 之間需要進行合理的折中。一般而言，系統(tǒng)資源利用率可通過系統(tǒng)獲得的誤碼性能或容量性能來考察。以容 量最大化為目標(biāo)的最優(yōu)天線與子載波分配方法的基本原理是將天線與子載波等效為空頻 子信道，進而依據(jù)一定的準(zhǔn)則(如使系統(tǒng)容量最大化)通過遍歷搜索的方式將子信道分配 給用戶。若系統(tǒng)具有Nt根發(fā)射天線，M個子載波，K個用戶，則系統(tǒng)共有Nt ·Μ個子信道，采用 這種方法總共要進行火 Μ次搜索，而且需要每個用戶反饋其在所有天線和子載波上所支 持的最大速率。顯然，如此龐大的計算量和反饋開銷使得這種方法很難應(yīng)用在實際的分布 式MIM0-0FDM(多入多出正交頻分復(fù)用)系統(tǒng)中。為了解決最優(yōu)分配方法存在的問題，當(dāng)前 的 MASA(Multi-user Antenna & Sub-carrierAllocation)方法需要基站與用戶端都有一 定的選擇和計算能力，在假設(shè)功率平均分配的情況下，通過先選擇天線再選擇用戶的過程， 避免了遍歷搜尋每個用戶上所有天線與子載波的組合，從而大大降低了運算的復(fù)雜度。這 種方法的容量性能與最優(yōu)分配方法相接近，另一個優(yōu)點是用戶只需反饋其在每個子載波上 的最優(yōu)天線序號及其相應(yīng)的速率，不需要反饋所有的信道狀態(tài)信息，反饋開銷較低。然而， 這種方法沒有考慮系統(tǒng)天線數(shù)量大于用戶數(shù)的情況，導(dǎo)致在用戶數(shù)相對較少時系統(tǒng)性能有 所損失。另外，這種方法未考慮用戶間的公平性。當(dāng)前考慮用戶公平性的分層資源分配方法 將分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)中的資源分配問題分解成接入點級資源分配和用戶級資源分配， 并借鑒合作博弈論中的“納什議價解”公平性準(zhǔn)則，保證了接入點和用戶兩個級別上的公平 性。但是，這種方法假定了每個子載波在一個分配時隙內(nèi)只能由一個用戶占用，且以部分容 量性能代價換取用戶間的公平性，因此，其所能達(dá)到的容量性能十分有限。綜上所述，當(dāng)前需要一種新的資源分配的技術(shù)方案，來解決分布式多入多出正交 頻分復(fù)用系統(tǒng)中考慮用戶公平性時存在的上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種分布式多入多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中資 源分配方法，解決了進行資源分配，在考慮用戶公平性時存在的容量性能較低的問題。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種分布式多入多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中資源分配方法，包括小區(qū)內(nèi)每個用戶分別根據(jù)得到的信道狀態(tài)的數(shù)據(jù)計算小區(qū)內(nèi)各個端口為其提供 的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇通信端口 ；各用戶根據(jù)相應(yīng)選定通信端口為其提供最大速率，按比例將最小速率需求反饋至 各端口 ；確定為通信端口的端口下屬的全部用戶分別計算該端口內(nèi)的全部天線為其提供 的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇速率最大的天線，并將攜帶選擇的天線編號及其對應(yīng)速 率的用戶信息反饋至相應(yīng)端口；端口根據(jù)收到的用戶信息，為該端口內(nèi)的每根天線對應(yīng)的全部用戶中選擇速率最 大的一個用戶作為服務(wù)對象分配天線和子載波，更新用戶所獲速率，判斷若用戶所獲速率 大于等于其最小速率需求，則將該用戶從該端口的用戶集中去除，更新用戶集，完成資源分 配。進一步地，上述方法還可包括，所述小區(qū)內(nèi)每個用戶是通過信道估計獲得所述信 道狀態(tài)的數(shù)據(jù)。進一步地，上述方法還可包括，所述確定為通信端口的端口下屬的全部用戶分別 計算該端口內(nèi)的全部天線為其提供的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇速率最大的天線，是 指若所述端口下屬的用戶的最小速率需求均未得到滿足，則為每根天線選擇最佳用 戶；或者若已有部分用戶的最小速率需求已得到滿足，則為每根天線選擇用戶的策略調(diào)整 為優(yōu)先保障最小速率需求未得到滿足的用戶。進一步地，上述方法還可包括，所述端口是并行地為選擇的作為服務(wù)對象的用戶 分配天線和子載波，完成資源分配。進一步地，上述方法還可包括，所述端口更新用戶集后，還包括更新該端口的天線 集，完成資源分配。進一步地，上述方法還可包括，所述端口若判斷該端口內(nèi)天線由于對應(yīng)的信道與 其他天線相比較差而沒被任何用戶選中，且該端口內(nèi)每根天線下屬的全部用戶中仍有用戶 未分到資源，則所述端口內(nèi)每根天線下屬的未分到資源的用戶分別計算該端口內(nèi)的未分配的 全部天線為其提供的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇速率最大的天線，并將攜帶選擇的天 線編號及對應(yīng)速率的用戶信息反饋至相應(yīng)端口；端口根據(jù)收到的用戶信息，為該端口內(nèi)的未分配的全部天線中每根天線對應(yīng)的未 分到資源的全部用戶中選擇速率最大的一個用戶作為服務(wù)對象分配天線和子載波，更新用 戶所獲速率，判斷若用戶所獲速率大于等于其最小速率需求，則將該用戶從該端口的用戶 集中去除，更新用戶集，完成資源分配。進一步地，上述方法還可包括，所述端口若判斷該端口內(nèi)每根天線下屬的所有用 戶的最小速率需求均已得到滿足，且該端口的天線集中尚有天線未被分配出去，則將未被分配出去的天線依據(jù)納什議價解分配給用戶，完成資源分配。與現(xiàn)有技術(shù)相比，應(yīng)用本發(fā)明，避免了遍歷搜索，且不再需要反饋全部CSI，因而 能夠大大降低計算復(fù)雜度和反饋量；與MASA方法相比，第一，本發(fā)明綜合考慮了不同用戶數(shù)的情況，因此在用戶數(shù)相對較少且用戶的最小速率需求較大的時候，容量性能優(yōu)于MASA 方法，第二，兼顧了用戶之間的公平性，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)容量性能與用戶公平性之間的有效折 中，第三，雖然由于端口選擇，用戶所能分配到的資源范圍變小，導(dǎo)致在用戶數(shù)相對較多時， 容量性能稍有損失，但是本發(fā)明涉及的這種端口并行處理的方法能夠提高時間的利用率， 優(yōu)化系統(tǒng)的工作效率?？傊?，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)通信系統(tǒng)性能與用戶公平性的有效折中，并行 處理的方法符合分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)的設(shè)計思路，因此更適用于分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)， 可以為未來無線通信系統(tǒng)的資源分配方案提供重要的理論依據(jù)和具體的實現(xiàn)方法。


圖1是本發(fā)明的分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)中資源分配方法的流程圖；圖2是實例中單小區(qū)多用戶分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)的仿真環(huán)境的示意圖；圖3是實例中基于部分CSI反饋的多用戶分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)下行鏈路框圖；圖4是實例中小區(qū)內(nèi)各用戶獲得其相應(yīng)的信道矩陣的流程圖；圖5是實例中資源分配的流程圖；圖6是基站端天線端口數(shù)N = 4，每個端口內(nèi)天線數(shù)為L = 2，用戶數(shù)為K = 5，每 個用戶終端天線數(shù)為凡=2，用戶最小速率需求分別為[5，5，...，5]bits/s/Hz, [3，3，...， 3]bits/s/Hz, [1,1, ...，l]bits/s/HZ時，系統(tǒng)容量隨子載波平均信噪比SNR變化的示意 圖；圖7是N = 4，L = 2，凡=2，SNR = IOdB時，系統(tǒng)容量隨用戶數(shù)量變化的示意圖；圖8是不同用戶數(shù)下本發(fā)明方法與MASA方法的公平指數(shù)比較的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明涉及的基于納什議價解的天線與子載波分配方法可以針對多用戶分布式 MIM0-0FDM系統(tǒng)中的天線與子載波資源進行聯(lián)合分配，且能夠?qū)崿F(xiàn)用戶公平性與系統(tǒng)容量 性能的有效折中。本發(fā)明的主要構(gòu)思在于本發(fā)明為基于納什議價解的天線與子載波分配 (MNBSASA， Multi-user Nash Bargaining Solution-based Antenna &Sub_carrier Allocation)方法，通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)首先依據(jù)計算復(fù)雜度容限設(shè)定用戶通信靜態(tài) 端口數(shù)(保證既能發(fā)揮多端口優(yōu)勢，又可以降低部分復(fù)雜度)，并以此為每個用戶選取信道 狀況最好的若干通信端口進行通信；其次，用戶根據(jù)所選端口的信道狀況將最小速率需求 按比例反饋至相應(yīng)端口；再者，讓用戶在所選端口的每個子載波上選擇最優(yōu)天線，并將選擇 天線號及對應(yīng)的最大速率通過理想的反饋信道反饋給相應(yīng)端口 ；然后各端口在每根天線上 選擇速率最大的用戶作為服務(wù)對象，當(dāng)某些用戶的最小速率需求得到滿足時，端口的資源 分配策略調(diào)整為優(yōu)先保障需求仍未得到滿足的用戶，若所有用戶的最小速率需求均已得到 滿足而系統(tǒng)仍有資源剩余，則將剩余資源依據(jù)納什議價解分配給用戶。假設(shè)由小區(qū)內(nèi)所有K個用戶組成的集合為Ω，每個用戶同時與P個天線端口進 行通信，每個天線端口下屬的用戶集合為Ωρ，端口內(nèi)每根天線上的用戶集為Qpa，則有
G Ωρ e Ω ；端口內(nèi)的天線集為Αρ。本發(fā)明的基于納什議價解的天線與子載波分配方法適用于分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)，用于完成系統(tǒng)天線與子載波資源的聯(lián)合分配，如圖1所示， 包括如下步驟步驟110、小區(qū)內(nèi)每個用戶分別通過信道估計獲得信道狀態(tài)的數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的信 道狀態(tài)的數(shù)據(jù)計算小區(qū)內(nèi)各個天線端口可能為其提供的最大速率，選擇速率最大的P個端 口作為通信端口(其中，P為大于0的整數(shù))；其中，所有用戶端口選擇結(jié)束后，每個端口下屬Ωρ隨之確定。所述信道狀態(tài)的數(shù)據(jù)可以是指信道狀態(tài)信息(CSI，Channel StateInformation) 0所述的用戶(即終端)具有一定的計算能力，能夠完成最大速率的計算以及端口 選擇的過程等，本發(fā)明對此不作任何限定。步驟120、各用戶根據(jù)相應(yīng)選定通信端口所能為其提供最大速率，按比例將最小速 率需求反饋至各端口；步驟130、確定為通信端口的端口下屬的全部用戶分別計算該端口內(nèi)的全部天線 可能為其提供的最大速率，選擇速率最大的天線，并將攜帶選擇的天線編號及其對應(yīng)速率 的用戶信息通過最優(yōu)反饋信道反饋至相應(yīng)端口；對于每一端口，Ωρ內(nèi)用戶分別計算~內(nèi)各天線可能為其提供的最大速率，選擇速 率最大的天線，并將其編號及對應(yīng)速率通過理想的反饋信道反饋至相應(yīng)端口，至此，端口內(nèi) 每根天線上的用戶集Qpa確定。所述確定為通信端口的端口下屬的全部用戶分別計算該端口內(nèi)的全部天線為其 提供的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇速率最大的天線，是指若所述端口下屬的用戶的最小速率需求均未得到滿足，則為每根天線選擇最佳用 戶；或者若已有部分用戶的最小速率需求已得到滿足，則為每根天線選擇用戶的策略調(diào)整 為優(yōu)先保障最小速率需求未得到滿足的用戶。步驟140、端口根據(jù)收到的用戶信息，為該端口內(nèi)的每根天線從對應(yīng)的全部用戶中 選擇速率最大的一個用戶作為服務(wù)對象，分配天線和子載波，更新該端口的天線集、用戶集 及用戶所獲速率，判斷若有用戶所獲速率大于等于其最小速率需求，則將該用戶從Qpa中 去除，完成資源分配。端口根據(jù)接收到的用戶信息為下屬的每根天線從相應(yīng)的Qpa內(nèi)選擇速率最大的 一個用戶作為服務(wù)對象，更新該端口的用戶集及用戶所獲速率。對于端口內(nèi)個別天線由于對應(yīng)的信道與其他天線相比較差而沒被任何用戶選中， 且Ωρ中仍有用戶的最小速率需求未得到滿足，針對未被選中的天線和最小速率需求未得 到滿足的用戶繼續(xù)實施步驟130和步驟140，完成資源分配。對于Ωρ所有用戶的最小速率需求均已得到滿足，而Ap中尚有天線未被分配出去 的情況，將未被分配出去的天線依據(jù)納什議價解分配給用戶，完成資源分配。本發(fā)明具有如下特點(1)充分利用了分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)本身架構(gòu)的特點，因而更適用于分布式 MIM0-0FDM 系統(tǒng)；(2)依據(jù)計算復(fù)雜度容限設(shè)定用戶通信靜態(tài)端口數(shù)，既能發(fā)揮多端口優(yōu)勢，又可以 降低部分復(fù)雜度；(3)根據(jù)信道估計結(jié)果為每個用戶選擇信道狀況最好的若干端口作為通信端口 ；
(4)資源分配過程中的端口并行處理機制可以有效提高分配效率，縮短所需時 間；(5)擴展考慮了系統(tǒng)天線數(shù)量大于用戶數(shù)時的資源分配情況；(6)假設(shè)每個子信道在一個分配時隙內(nèi)由一個用戶占用，并引入“納什議價解”公 平性準(zhǔn)則，實現(xiàn)容量性能與公平性之間更好的折中。本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有方法的不足，為多用戶分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)設(shè)計一 種低復(fù)雜度、低反饋開銷的天線與子載波分配方法，利用分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)本身架構(gòu) 的特點，通過天線端口的并行處理，使基站能夠快速地將天線與子載波分配給用戶，在資源 分配過程中引入“納什議價解”公平性準(zhǔn)則，實現(xiàn)系統(tǒng)容量性能和用戶公平性間的有效折 中。下面結(jié)合具體實例對本發(fā)明作進一步說明。如圖2所示，構(gòu)造單小區(qū)多用戶分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)的仿真環(huán)境，其中用戶數(shù) 為2，每個用戶包含2根天線，天線端口數(shù)為4，每個端口包含4根天線。后續(xù)實例都將考慮 如圖2所示場景(限定系統(tǒng)天線端口數(shù)和分布位置)，假設(shè)矩形小區(qū)邊長為1000m，四個天 線端口分別位于由坐標(biāo)軸分割而成的四個小矩形的中心位置，用戶均勻分布于整個小區(qū)范圍。如圖3所示，基于部分CSI反饋的多用戶分布式MIM0-0FDM系統(tǒng)下行鏈路框圖?；?站每個天線端口包含4根發(fā)射天線，每個用戶終端包含2根天線，系統(tǒng)子載波數(shù)為64。準(zhǔn)確 的信道狀態(tài)信息在各個用戶終端通過理想的信道估計獲取，用戶完成端口選擇和端口內(nèi)最 優(yōu)天線選擇后，將最優(yōu)天線號及相應(yīng)速率通過無噪聲、無延遲的理想反饋信道反饋給相應(yīng) 端口。本發(fā)明不涉及具體的信道估計方法。為了更準(zhǔn)確地測試本發(fā)明對系統(tǒng)容量性能的影 響，在復(fù)合衰落信道下采用Monte Carlo方法進行仿真，該信道包含路徑損耗、陰影衰落及 小尺度快衰落，其中小尺度快衰落的相關(guān)參數(shù)依據(jù)SCM場景設(shè)定，假設(shè)最大可分離路徑數(shù) 為6。本發(fā)明不涉及信道估計的具體問題，假定每個用戶終端都能獲得各自全部的準(zhǔn)確 的信道狀態(tài)信息。這里重點說明仿真中采用的信道矩陣的生成方法。假設(shè)用戶k到基站的信道矩陣為Hk (dk)，則有
權(quán)利要求
一種分布式多入多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中資源分配方法，其特征在于，包括小區(qū)內(nèi)每個用戶分別根據(jù)得到的信道狀態(tài)的數(shù)據(jù)計算小區(qū)內(nèi)各個端口為其提供的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇通信端口；各用戶根據(jù)相應(yīng)選定通信端口為其提供最大速率，按比例將最小速率需求反饋至各端口；確定為通信端口的端口下屬的全部用戶分別計算該端口內(nèi)的全部天線為其提供的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇速率最大的天線，并將攜帶選擇的天線編號及其對應(yīng)速率的用戶信息反饋至相應(yīng)端口；端口根據(jù)收到的用戶信息，為該端口內(nèi)的每根天線對應(yīng)的全部用戶中選擇速率最大的一個用戶作為服務(wù)對象分配天線和子載波，更新用戶所獲速率，判斷若用戶所獲速率大于等于其最小速率需求，則將該用戶從該端口的用戶集中去除，更新用戶集，完成資源分配。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述小區(qū)內(nèi)每個用戶是通過信道估計獲得所述信道狀態(tài)的數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定為通信端口的端口下屬的全部用戶分別計算該端口內(nèi)的全部天線為其提供 的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇速率最大的天線，是指若所述端口下屬的用戶的最小速率需求均未得到滿足，則為每根天線選擇最佳用戶； 或者若已有部分用戶的最小速率需求已得到滿足，則為每根天線選擇用戶的策略調(diào)整為優(yōu) 先保障最小速率需求未得到滿足的用戶。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述端口是并行地為選擇的作為服務(wù)對象的用戶分配天線和子載波，完成資源分配。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述端口更新用戶集后，還包括更新該端口的天線集，完成資源分配。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 還包括所述端口若判斷該端口內(nèi)天線由于對應(yīng)的信道與其他天線相比較差而沒被任何用戶 選中，且該端口內(nèi)每根天線下屬的全部用戶中仍有用戶未分到資源，則所述端口內(nèi)每根天線下屬的未分到資源的用戶分別計算該端口內(nèi)的未分配的全部 天線為其提供的最大速率，根據(jù)得到的結(jié)果選擇速率最大的天線，并將攜帶選擇的天線編 號及對應(yīng)速率的用戶信息反饋至相應(yīng)端口；端口根據(jù)收到的用戶信息，為該端口內(nèi)的未分配的全部天線中每根天線對應(yīng)的未分到 資源的全部用戶中選擇速率最大的一個用戶作為服務(wù)對象分配天線和子載波，更新用戶所 獲速率，判斷若用戶所獲速率大于等于其最小速率需求，則將該用戶從該端口的用戶集中 去除，更新用戶集，完成資源分配。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 進一步包括所述端口若判斷該端口內(nèi)每根天線下屬的所有用戶的最小速率需求均已得到滿足，且 該端口的天線集中尚有天線未被分配出去，則將未被分配出去的天線依據(jù)納什議價解分配給用戶，完成資源分配。
全文摘要
一種分布式多入多出正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中資源分配方法，由小區(qū)內(nèi)用戶選擇通信端口；各用戶根據(jù)相應(yīng)選定通信端口為其提供最大速率，將最小速率需求反饋至各端口；確定為通信端口的端口下屬的全部用戶分別計算該端口內(nèi)的全部天線為其提供的最大速率，據(jù)此選擇速率最大天線，并將用戶信息反饋至相應(yīng)端口；端口根據(jù)收到用戶信息，為該端口內(nèi)的每根天線對應(yīng)全部用戶中選擇速率最大的一用戶作為服務(wù)對象分配天線和子載波，更新用戶所獲速率，判斷若用戶所獲速率大于等于其最小速率需求，則將該用戶從該端口的用戶集中去除，更新用戶集，完成資源分配，若所有用戶的最小速率需求均已得到滿足而系統(tǒng)尚有資源剩余，則依據(jù)納什議價解，完成剩余資源的分配。
文檔編號H04L27/26GK101938835SQ20101016853
公開日2011年1月5日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者仵國鋒, 任修坤, 崔維嘉, 王大鳴, 鄭娜娥 申請人:中國人民解放軍信息工程大學(xué)