專利名稱：使用正交頻分多址的無線區(qū)域網(wǎng)上行資源分配方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)，尤其涉及一種使用OFDMA的WRAN的上行資源分配方法和裝置。
背景技術(shù)：
無線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)或IEEE 802.22，共享VHF/UHF在47MHz-910MHz之間的電視頻段，這些頻譜已被許可運營商和免許可(LE)設(shè)備使用。WRAN的目標在于利用這些在人口稀少地區(qū)沒有使用的電視頻段，為農(nóng)村和郊區(qū)提供寬帶接入。顯然，主要的限制條件是避免對已有業(yè)務(wù)比如廣播電視(模擬和數(shù)字)和公共安全系統(tǒng)的干擾。而且，當(dāng)前一些已經(jīng)投入使用的醫(yī)療設(shè)備和無線麥克風(fēng)也需要保護。為了容納不同的WRAN運營商，這些協(xié)議被用來協(xié)調(diào)不同運營商之間的操作。在這個環(huán)境下，和已有業(yè)務(wù)的共存以及WRAN運營商間的共存是必須的。WRAN系統(tǒng)必須知道附近出現(xiàn)的已有用戶以及避免對它們業(yè)務(wù)的干擾，這使得WRAN和認知無線電緊密結(jié)合起來。
WRAN包含基站和用戶終端。一般說來，基站會控制所有用戶終端的RF特性和進行不同的測量和技術(shù)，包括頻率選擇、干擾避免、共存和調(diào)度。WRAN系統(tǒng)的用戶終端一般稱為用戶前端設(shè)備(CPE)并無需通過專業(yè)安裝就可以配置在房屋上。它們可以是在電子雜貨店中的日用品并不必被許可和注冊。他們可以被簡單的連接到一個VHF和/或UHF天線(寬頻范圍的對數(shù)周期天線或者窄頻范圍的八木天線)，一個計算機通過或者以太連接器、集成的Wi-Fi連接或電源插槽與其連接。
動態(tài)頻率選擇(DFS)進行多址接入控制意在提供在WRAN標準中要求的QoS業(yè)務(wù)，而不對許可用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量造成影響。DFS包括用戶選擇、速率匹配以及傳輸功率控制(TPC)。在IEEE 802.22系統(tǒng)中，基站(BS)和CPE遵循主從關(guān)系，也就是基站為主CPE為從。CPE包括干擾感應(yīng)能力，感應(yīng)RF環(huán)境并收集測量結(jié)果報告給基站。BS負責(zé)管理CPE的功率等級、帶寬使用和其他的傳輸參數(shù)比如調(diào)制、編碼和加密。
下面，描述與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。
一個有望成為未來移動寬帶無線網(wǎng)絡(luò)(4G)的技術(shù)是正交頻分復(fù)用(OFDM)。OFDM是一個多載波傳輸方案，由于具有在頻率選擇性信道上獲得高速率傳輸突出優(yōu)點而被認可。這種技術(shù)有幾個重要的優(yōu)點(1)強健對抗多徑衰落信道、碼間串?dāng)_、共道干擾和脈沖噪音；(2)比單載波更低的實現(xiàn)復(fù)雜度；(3)支持寬帶無線通信的高頻譜效率，OFDM已經(jīng)被許多高速率無線通信標準所采納，比如數(shù)字音頻廣播(DAB)、地面數(shù)字視頻廣播(DVB-T)、歐洲通信標準協(xié)會(ETSI)HIPERLAN/2標準、IEEE 802.11a無線局域網(wǎng)(WLAN)和IEEE 802.16a無線城域網(wǎng)(WMAN)。
OFDM系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是繼承了多載波特點，允許使用動態(tài)資源分配以便調(diào)整傳送功率和映射星座圖來開發(fā)頻率分集和提高可獲得數(shù)據(jù)速率。而且，多用戶OFDM系統(tǒng)在OFDM增加了多址接入，允許多個用戶共用一個OFDM符號。多址接入方案，也稱正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)，可以用來開發(fā)多用戶分集和獲得更高的性能。
有許多關(guān)于OFDMA系統(tǒng)中資源分配的論文和專利，下面進行簡要介紹。
在《Dynamic bandwidth allocation for a communication system》，Hou et al.的專利US6324184中，自適應(yīng)調(diào)整分層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)上行流信道的帶寬以便把一些用戶的消息承載到一個中心控制器。特別的是，在連續(xù)的控制間隔中記錄未分配的帶寬。一個業(yè)務(wù)流量計數(shù)器以用戶為單位測量其使用的帶寬，比如在一個控制間隔中使用的時隙數(shù)。當(dāng)流量計數(shù)和分配帶寬的比率低于一個較低門限的時候，用戶分配的帶寬單元需要被調(diào)整，即減少其分配的帶寬，這樣未分配的帶寬增加了。當(dāng)流量計數(shù)和分配帶寬高于一個較高門限，則從其他用戶未分配帶寬中為其增加分配的帶寬。
在《Method for allocating subchannels in an OFDMA mobile communicationsystem》，Cho et al的申請?zhí)枮閁S2005180354的專利文獻中，提出在一個一些用戶必須固定速率的OFDMA系統(tǒng)中的資源分配問題的自適應(yīng)調(diào)制方法。特別的是，其目標是為了通過分配子信道和比特來最大化傳輸速率。該方法是在基于單類用戶系統(tǒng)的現(xiàn)有方法中引入使用線性設(shè)計的自適應(yīng)調(diào)制，從而也可以為兩類用戶的系統(tǒng)同時進行自適應(yīng)調(diào)制。此外，該文獻還提出另一種方法繼續(xù)為固定速率較小的用戶分配子信道來降低復(fù)雜度。
在論文C.Y. Wong、R.S.Cheng、K.B.Letaief和R.Murch的“MultiuserOFDM with adaptive subcarrier，bit and power allocation，”IEEE Journal onSelected Areas of Communications，第17卷，第1747頁-1758頁，1999年10月中，Wong et al.考慮了在OFDM系統(tǒng)中的子載波、比特和功率的分配問題，其目標是為了在給定每個用戶所需要的最小數(shù)據(jù)速率條件下最小化傳送功率。具體來講，他通過放松整體約束條件把原來問題轉(zhuǎn)變?yōu)橥姑鎯?yōu)化問題。使用Lagrangian函數(shù)方法，對給定的Lagrangian乘積因子得到最優(yōu)解。然后通過對這些Lagrangian乘積因子應(yīng)用迭代的搜索過程來滿足每個速率約束條件。最后的分配結(jié)果給出了最小傳送功率的較小邊界。在實際的實現(xiàn)中也提出了一個多用戶自適應(yīng)OFDM(MAO)方法。
在H.J.Su和E.Geraniotis的論文“A distributed power allocation algorithmwith adaptive modulation for multi-cell OFDM systems，”in Proceedings of theIEEE 5th International Symposium on Spread Spectrum Techniques andApplications，第2卷，1998年9月，第474頁-478頁以及C.H.Yih和E.Geraniotis的論文“Adaptive modulation，power allocation and control for OFDM wirelessnetworks，”in Proceedings of the IEEE 11th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，第2卷，2000年9月，第809頁-813頁中，作者考慮了在無線OFDM網(wǎng)絡(luò)中使用頻率復(fù)用來加強頻譜使用的效率的功率分配。為了減輕同頻干擾同時滿足業(yè)務(wù)所需質(zhì)量，OFDM系統(tǒng)的每個子信道的功率等級必須被分配和被控制為一個最優(yōu)值，這樣系統(tǒng)的吞吐量可以使用自適應(yīng)調(diào)制來最大化。Su和Yih等提出了一些分布式的次優(yōu)功率分配算法，來提供多小區(qū)OFDM系統(tǒng)的吞吐量。
總之，US6324184《Dynamic bandwidth allocation for a communicationsystem》的技術(shù)方案特別適用于在混合光纖同軸網(wǎng)絡(luò)的上行消息傳輸，可以在較大頻譜頻段中操作。盡管如此，每個信道被假定只能容納一個用戶并且沒有可用信道信息實現(xiàn)多用戶分集。對于US2005180354《Method for allocatingsubchannels in an OFDMA mobile communication system》，考慮的實際上是解決在給定發(fā)送功率預(yù)算條件下最大化所有用戶吞吐量較低邊界的自適應(yīng)速率問題。不過，發(fā)明中沒有考慮延遲約束條件和用戶的優(yōu)先級。由于它也沒有使用任何措施保護已有業(yè)務(wù)不受干擾，所以不能應(yīng)用到WRAN系統(tǒng)中。
Wong et al.提出的算法可以獲得最小化總傳輸功率的最優(yōu)解。但是，這個解仍然不能保證對已有用戶的透明傳輸。而且，它關(guān)注的是基于子載波的分配，這樣會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。而且，其分配也是基于OFDM符號級的，沒有調(diào)查在多OFDM符號情況的子帶分配。另一方面，Su等和Yih等描述的問題是解決在多小區(qū)OFDM系統(tǒng)中考慮同頻干擾和每個用戶的最大發(fā)送功率的功率分配。然而，該算法沒有考慮對其他系統(tǒng)的干擾。此外，這些論文中的技術(shù)方案均沒有考慮信道分配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種使用OFDMA的WRAN的上行資源分配方法和裝置，以便在最大化加權(quán)發(fā)送容量的同時保證不對已有系統(tǒng)造成干擾。
一方面，提出一種使用OFDMA的WRAN的上行資源分配方法。該方法包括步驟A、為各個用戶端設(shè)備分配子帶；B、為已分配子帶的用戶端設(shè)備分配相應(yīng)子帶內(nèi)的子信道和子信道傳輸參數(shù)。
上述方法中，步驟A進一步包括根據(jù)各個用戶端設(shè)備的功率模板將用戶端設(shè)備對應(yīng)到多個子帶之一。
上述方法進一步包括通過由各個用戶端設(shè)備的功率模板求解速率和最大值來獲得各個用戶端設(shè)備所在的子帶。
上述獲得各個用戶端設(shè)備所在的子帶進一步包括步驟A1、對于子帶中的每一個，按照各個用戶端設(shè)備在其上功率模板的大小順序創(chuàng)建Lb列表；A2、按照每個用戶端設(shè)備在各個子帶上功率模板中最大值的大小順序創(chuàng)建Lmax列表；A3、按照各個用戶端設(shè)備在Lmax列表中的順序依次計算bk=argb∈{1,···,Nb}max{fsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)·frate(P~k,bmask)Σk∈Lbfsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)·frate(P~k,bmask)}]]>這里， 表示用戶端設(shè)備k在子帶b上的功率模板，Nb表示子帶數(shù)，Ktotal表示用戶端設(shè)備的數(shù)目，函數(shù)fsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)]]>和 是非遞減函數(shù)；A4、在每個Lb列表中只保留計算得到的bk上的用戶端設(shè)備。
上述獲得各個用戶端設(shè)備所在的子帶還包括步驟A5、從fsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)·frate(P~k,bmask)]]>最小的用戶端設(shè)備開始重新分配子帶。
上述方法中，frate(P~k,bmask)=log2(1+γbP~k,bmask),]]>這里γb是平均信道增益和噪音的比值。
上述獲得各個用戶端設(shè)備所在的子帶進一步包括步驟A1’、對于子帶中的每一個，按照各個用戶端設(shè)備在其上功率模板的大小順序創(chuàng)建列表；A2’、按照子帶上最大功率模板的大小順序?qū)Ω鱾€子帶進行排序；
A3’、各個子帶按照排序從其他子帶選擇后余下的用戶端設(shè)備中選擇在當(dāng)前子帶上功率模板最大的用戶端設(shè)備。
上述方法中，步驟B進一步包括通過對子帶內(nèi)加權(quán)系統(tǒng)容量最大值的求解獲得分配給子帶內(nèi)各個用戶端設(shè)備的子信道和子信道傳輸參數(shù)。
上述子信道傳輸參數(shù)包括功率和速率中至少一個。
上述方法進一步包括步驟B1、初始化拉格朗日乘積因子uk的值；B2、為每個子信道選擇臨時最優(yōu)的用戶端設(shè)備k′=argmaxkGk,nc(uko)=argmaxkwk[fk,nc(fk,nc′-1(ukowk))-(ukowk)fk,nc′-1(ukowk)]]]>這里uko=wkfk,nc′(0)fk,nc′-1(ukwk)<0uk0≤fk,nc′-1(ukwk)≤Pk,ncmaskwkfk,nc′(Pk,ncmask)fk,nc′-1(ukwk)>Pk,ncmask.,]]> 是用戶k在子信道nc上的功率模板，以及wk是權(quán)值，并對所有的k≠k′設(shè)置臨時最優(yōu)共享因子ρk′,nc*=1,ρk,nc*=0;]]>B3、計算每個信道上每個用戶端設(shè)備的臨時最優(yōu)的功率分配ck,nc*=ρk,nc*fk,nc′-1(ukowk);]]>B4、檢查是否各個用戶端設(shè)備滿足總功率限制Σnc=1Ncck,nc*≤Pkt,]]>這里Pkt表示用戶端設(shè)備k的功率預(yù)算，若滿足則結(jié)束，若不滿足則繼續(xù)；B5、調(diào)整拉格朗日乘積因子uk的值并代入步驟B2中的公式，直到各個用戶端設(shè)備滿足Pkt-ϵ≤Σnc=1Ncck,nc*≤Pkt,]]>這里ε表示功率分配的誤差允許值。
上述權(quán)值wk是根據(jù)用戶端設(shè)備k的業(yè)務(wù)類型、延遲約束和用戶等級中至少一種因素預(yù)先確定的常數(shù)。
上述步驟B5進一步包括步驟B51、選擇超過總功率限制最多的用戶端設(shè)備k°，設(shè)置下界uk°(l)為當(dāng)前值uk°，上界uk°(u)為wkf′k，n°c-1(0)，這里 B52、將調(diào)整后的拉格朗日乘積因子 代入步驟B2和B3中的公式得到ck°，nc*；B53、如果 則設(shè) 如果 則設(shè) 并返回步驟B52。
上述方法還包括步驟B6、如果找不到拉格朗日乘積因子uk使Pkt-ϵ≤Σnc=1Ncck,nc*≤Pkt,]]>則計算ρk1,nc*=Pk1t-P2P1-P2,]]>ck1,nc*=ρk1,nc*(P1-P2)]]>和ρk2,nc*=1-ρk1,nc*,]]>這里ρk,nc∈(0,1).]]>上述方法中，每個信道上每個用戶端設(shè)備的系統(tǒng)容量fk,nc(Pk,nc)=Nnclog2(1+γk,ncPk,ncNnc),]]>這里γk，nc為平均信道增益和噪聲的比值。
上述信道增益是根據(jù)反饋的信道功率增益信息的量化值確定的。
上述功率模板是被路徑損耗因子歸一化的發(fā)送功率模板。
上述子帶是6MHz頻帶。
另一方面，提出一種使用OFDMA的WRAN的上行資源分配裝置，位于基站上，包括相連的第一層資源分配單元和第二層資源分配單元，其中第一層資源分配單元，用于為各個用戶端設(shè)備分配子帶；第二層資源分配單元，用于為已分配子帶的用戶端設(shè)備分配相應(yīng)子帶內(nèi)的子信道和子信道傳輸參數(shù)。
上述第一層資源分配單元進一步包括速率和最大值運算模塊，用于求取各用戶端設(shè)備速率之和的最大值；子帶分配模塊，用于將用戶端設(shè)備分配給在其上取得速率和最大值的子帶。
上述第一層資源分配單元進一步包括最大功率模板判斷模塊，用于從其他子帶選擇后余下的用戶端設(shè)備中選擇在當(dāng)前子帶上功率模板最大的用戶端設(shè)備；子帶分配模塊，用于將所選擇的用戶端設(shè)備分配給當(dāng)前的子帶。
上述第二層資源分配單元進一步包括加權(quán)系統(tǒng)容量最大值運算模塊，用于求取加權(quán)系統(tǒng)容量的最大值；子信道分配模塊，用于將用戶端設(shè)備分配給在其上取得加權(quán)系統(tǒng)容量最大值的子信道。
本發(fā)明主要的優(yōu)點和特點如下1.基于用戶的發(fā)送功率模板約束是用來保證WRAN系統(tǒng)對已有用戶的透明傳輸。
2.不同QoS業(yè)務(wù)和用戶優(yōu)先級或用戶公平性通過使用通過不同的業(yè)務(wù)類型、延遲約束和用戶優(yōu)先級確定的權(quán)值來滿足。
3.求解最優(yōu)解的迭代算法使得在給定QoS要求和功率約束條件下最大化加權(quán)系統(tǒng)容量。
因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案可以保證對已有用戶的透明傳送，調(diào)整不同用戶的優(yōu)先級同時有效利用資源。


圖1示出WRAN系統(tǒng)包括子帶分配和子信道分配的上行DFS；圖2示出多用戶資源分配算法的兩層結(jié)構(gòu)；圖3示出層1算法的子信道功率模板和子信道的大致數(shù)據(jù)速率的一個例子；圖4示出圖3所示例子的CPE分配和相應(yīng)的子信道數(shù)據(jù)速率；圖5示出圖3所示例子的子信道和相應(yīng)的數(shù)據(jù)速率；圖6示出三個分配方案在理想信道信息和量化信道信息下的速率比較；圖7示出每次循環(huán)的平均迭代次數(shù)；圖8示出收斂所需要的平均循環(huán)次數(shù)；
圖9是WRAN中的OFDMA資源分配裝置一個實施例的組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是WRAN中的OFDMA資源分配裝置另一個實施例的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
在本發(fā)明的方案中，我們將提出一個在單輸入單輸出(SISO)無線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)中結(jié)合動態(tài)頻率選擇(DFS)和功率控制和速率匹配的方法。具體來說，可用的頻譜資源由VHF/UHF TV頻段的一套6MHz組成，每個6MHz(子帶)由一個OFDM符號占用。若干子載波組成一個作為基本的分配單元子信道。資源分配包括選擇子帶，子信道，每個用戶選擇的傳輸功率和調(diào)制階數(shù)的指示。本發(fā)明的目標是最大化加權(quán)發(fā)送容量而保證不對已有系統(tǒng)造成干擾。本發(fā)明成功提供了在WRAN系統(tǒng)的認知無線電方法，該方法在使無線網(wǎng)絡(luò)共存的同時可以充分利用頻譜資源。
電視信道在頻率上以6MHz間隔劃分，其功率可高達MWatts。使用這么高的發(fā)送功率，激活的電視廣播站將在很大區(qū)域中影響使用相同頻段的其他系統(tǒng)。因此在本發(fā)明的方案中，WRAN系統(tǒng)的可用頻段由一系列的6MHz組成。每個6MHz稱為一個由單個OFDM符號組成的子帶。每個子帶包含一組子信道，每個子信道包含一些子載波。圖1說明了單小區(qū)的上行傳輸應(yīng)用場景。每個CPE使用一個特定子帶的特定子信道傳送數(shù)據(jù)給基站，圖中nb表示子帶序號，nc表示子信道序號。因此，DFS算法的輸出包含子帶和子信道的分配結(jié)果。具體來說，DFS執(zhí)行兩層流程。在第一層中，DFS的目標是為每個用戶聲明所選擇的子帶。注意，由于CPE的RF特征，每個CPE只允許占用至多一個子帶。在第二層中，DFS的目標是動態(tài)和有效地為已經(jīng)確定子帶的CPE分配子信道、功率和比特。
實際上，由于實現(xiàn)和成本的限制每個CPE非常可能任何時刻只接入到一個子帶。一個CPE同時對多個頻段進行信道估計是不太可能，但是可以對一個信道進行估計。在我們提出的方案中，設(shè)計了兩層資源分配算法，如圖2所示。層1協(xié)議負責(zé)為用戶分配不同子帶，層2協(xié)議負責(zé)分配子信道和功率給不同的用戶以最大化子帶的吞吐量。通過預(yù)先分配CPE到不同的子帶，只對層1流程已經(jīng)確定的子帶進行信道估計。
層1算法用戶的子帶分配CPE通過使用被路徑損耗因子歸一的發(fā)送功率模板來分配到不同的子帶上。子帶內(nèi)的總?cè)萘窟M一步由層2流程最大化。在本發(fā)明中，提出由于不同的目標的兩個算法，稱為速率和最大(Sum-Rate-Max)和輪訓(xùn)最大(Round-Robin-Max)。前者是為了速率和最大而后者是為了利于簡單實現(xiàn)。兩者都會考察不同程度超負荷的任何子帶。兩個方法的性能在例1中說明并進行相互比較，也就是比較CPE-Max，每個CPE是否被分配到其最大功率模板的子帶上。
假定有Nb個子帶和Ktotal個CPESum-Rate-Max算法步驟1為每個6-MHz子帶b，按照發(fā)送功率模板大小順序創(chuàng)建一個CPE列表Lb。功率模板值低于預(yù)先定義的可服務(wù)門限的CPE將被從列表中刪除。
步驟2按照CPE的最大的功率模板值的大小順序創(chuàng)建一個CPE列表Lmax。定義 為用戶k在子帶b上的歸一功率模板。
For k＝Lmax(1)to Lmax(Ktotal)這里k∈Lmax，(i)bk=argb∈{1,···,Nb}max{fsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)·frate(P~k,bmask)Σk∈Lbfsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)·frate(P~k,bmask)}---(1a)]]>(ii)從所有子帶b的Lb列表中刪除那些不在bk的CPE。
End
這里，函數(shù)fsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)]]>和 必須為非遞減函數(shù)。
比如，frate(P~k,bmask)=log(1+γbP~k,bmask),---(1b)]]>fsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)=P~k,bmask/Σk=1LbP~k,bmask---(1c)]]>這里，γb可以為平均信道增益和噪音的比值。步驟3從fsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,···,P~Ktotal,bmask)·frate(P~k,bmask)]]>最小的CPE開始重新分配子帶。
步驟3是可選步驟。
Round-Robin-Max算法步驟1為每個6-MHz子帶b，按照發(fā)送功率模板大小順序創(chuàng)建一個CPE列表Lb。功率模板值低于預(yù)先定義的可服務(wù)門限的CPE將被從列表中刪除。
步驟2按照子帶的最大功率模板大小順序?qū)⒆訋判颉牡谝粋€子帶開始，每個子帶選擇一個發(fā)送功率模板最大的CPE。任何被前面子帶選擇的CPE不再被后面的子帶選擇。重復(fù)步驟2，直到所有的子帶都被分配。
下面，參照圖3到圖5說明Sum-Rate-Max策略的性能。
圖3的功率模板值經(jīng)層1算法處理后得到的結(jié)果如圖4和5所示。在圖5中每個子帶40個子信道，括號內(nèi)表示舍入前的子信道分配結(jié)果。
當(dāng)采用CPE-Max算法時，也就是每個CPE分配到最大功率模板值的子帶上，可以觀察到子帶1上出現(xiàn)了超負荷。在子帶2上僅分了CPE 5。
本方案所述的算法Sum-Rate-Max目標是使用平均信道增益來最大化速率和。在這個例子中，為了便于說明設(shè)增益為1。注意信道的信息在層1中不能完全可用，但是在層2中是可以的。前面的算法流程，在子帶分配過程中使用了其他CPE的功率模板。由公式(1c)，在子帶中增加一個CPE會影響其余的CPE的子信道分配，不進行迭代搜索是不能獲得最優(yōu)解。發(fā)明的算法提供了簡單的不需要迭代的啟發(fā)式搜索過程。從具有最大功率模板的CPE開始，后面的CPE的分配過程不大可能受到影響。具有較大的功率模板的CPE的分配結(jié)果也不大可能受到較小功率模板的CPE的影響。圖7說明了與CPE-Max策略相比在速率和和最小用戶速率上的提升。
另一個策略Round-Robin-Max，特點是在減輕每個子帶的超負荷的同時也降低了復(fù)雜度。效果在圖7中表現(xiàn)得非常明顯，最小的用戶速率比CPE-Max策略有很大提高。無論如何，這種情形的速率和條件是滿足的。
兩個算法都降低了在一個或多個子帶的發(fā)送功率模板占主導(dǎo)情況下的子帶超負荷的可能性。
層2算法在子帶內(nèi)的子信道、功率和速率分配在本發(fā)明的方案中，我們將集中考慮層2算法。也就是在一個6MHz子帶中，如何根據(jù)信道衰減、發(fā)送功率模板和功率預(yù)算以及QoS要求來分配子信道。我們將提出的DFS算法包括在單天線WRAN系統(tǒng)中的傳輸功率控制。結(jié)果是，每個子信道都被至少一個CPE占用?？疾焐闲袀鬏?，假定使用OFDMA作為WRAN系統(tǒng)中的復(fù)用技術(shù)，多個CPE同時把它們自己的數(shù)據(jù)調(diào)制到不相交的正交子載波上。
我們的目標是在給定QoS要求和功率約束的情形下最大化加權(quán)系統(tǒng)容量。不失一般性，我們假設(shè)發(fā)送功率模板是基于子帶的。假定系統(tǒng)內(nèi)存在K個CPE，在6MHz子帶內(nèi)有總共Nc個子信道。數(shù)學(xué)上，問題被描述為maxPk,ncρk,ncΣk=1KwkΣnc=1Ncρk,ncfk,nc(Pk,nc)---(2a)]]>約束條件為ρk，nc∈{0，1}k，nc(2b)Σk=1Kρk,nc=1∀nc---(2c)]]>
0≤Pk,nc≤Pk,ncmask∀k,nc---(2d)]]>Σnc=1Ncρk,ncPk,nc≤Pkt∀k---(2e)]]>在目標函數(shù)中，Pk，nc是分配給用戶k在子信道nc的功率。一般說來，一個子信道的所有子載波都是經(jīng)歷相同信道衰減的，假定衰減表示為γk，nc，這樣我們的容量公式為fk,nc(Pk,nc)=Nnclog2(1+γk,ncPk,ncNnc).]]>這里Nnc表示在子信道nc上的子載波數(shù)。權(quán)值wk是根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型、延遲約束和用戶等級來預(yù)先確定的。例如，wk可以表示為αk-lQoS_Class(k)，這里lQoS_Class(k)表示優(yōu)先級控制，αk表示速率控制。約束條件(2b)和(2c)代表每個子信道僅可以被一個CPE占用。(2d)表示每個CPE和每個子信道的發(fā)送功率模板。(2e)描述每個CPE自己的功率預(yù)算。
我們把條件(2b)放寬為ρk，nc∈
，以及設(shè)置ck,nc=ρk,ncPk,nc,]]>那么原來的問題轉(zhuǎn)化為一個凹優(yōu)化問題。將它重寫，我們得到maxck,nc∈
ρk,nc∈
Σk=1KwkΣnc=1Nρk,ncfk,nc(ck,ncρk,nc)]]>s.t.Σk=1Kρk,nc-1=0∀nc]]>Σnc=1Ncck,nc-Pkt≤0∀k]]>這個凹性最大化問題可以使用KKT條件得到最優(yōu)解。首先，我們得到的拉格朗日(Lagrangian)表達式為L=Σk=1KwkΣnc=1Nρk,ncfk,nc(ck,ncρk,nc)-Σnc=1Ncλnc(Σk=1Kρk,nc-1)-Σk=1Kuk(Σn=1Ncck,nc-Pkt)]]>在這里，λnc和uk分別為KKT乘積因子和Lagrange乘積因子。然后，KKT條件可以被推導(dǎo)出來
①∂L∂ck,nc|(ck,nc,ρk,nc)=(ck,nc*,ρk,nc*)=wkfk,nc′(ck,nc*ρk,nc*)-uk<0ck,nc*=0=00<ck,nc*<ρk,nc*Pk,ncmask>0ck,nc*=ρk,nc*Pk,ncmask]]>②∂L∂ρk,nc|(ck,nc,ρk,nc)=(ck,nc*,ρk,nc*)=wk(fk,nc(ck,nc*ρk,nc*)-ck,nc*ρk,nc*f′k,nc(ck,nc*ρk,nc*))-λnc>0ρk,nc*=1=0ρk,nc*∈(0,1)]]>③Σk=1Kρk,nc-1=0∀nc]]>④Σk=1Kuk(Σnc=1Ncck,nc-Pkt)=0]]>⑤uk≥0 k⑥Σnc=1Nck,nc-Pkt≤0∀k]]>我們可以從①得到ck,nc*=ρk,nc*fk,nc′-1(ukowk)---(6)]]>在這里，uko=wkfk,nc′(0)fk,nc′-1(ukwk)<0uk0≤fk,nc′-1(ukwk)≤Pk,ncmaskwkfk,nc′(Pk,ncmask)fk,nc′-1(ukwk)>Pk,ncmask.---(4)]]>我們又可以從②得到ρk,nc*=0λnc>Gk,nc(uko)1λnc<Gk,nc(uko)]]>在這里，Gk,nc(uko)=wk[fk,nc(fk,nc′-1(ukowk))-(ukowk)fk,nc′-1(ukowk)]---(3)]]>同時，為了滿足③，我們需要設(shè)置
ρk′,nc*=1,ρk,nc*=0]]>對所有的k≠k′(5)這里k′=argmaxkGk,nc(uko).]]>基于以上推導(dǎo)，我們即獲得了(3)-(6)的求解。
在公式(3)中，Gk，nc(uko)可以看作CPE k在子信道nc上虛擬的傳輸速率，它取決于實際的信道增益γk，nc、權(quán)值wk、Lagrangian乘積因子uk等等。
(4)式中，uko是考慮功率邊界條件后的Lagrangian乘積因子，其作用是保證由它計算而得的分配功率處于[O，Pk，ncmask]范圍以內(nèi)。
(5)式中，ρk，nc*代表臨時最優(yōu)共享因子。ρk′,nc*=1]]>意味著CPE k′占用子信道nc，ρk,nc*=0]]>意味著CPE k沒有占用子信道nc。注意每個子信道僅可以被一個CPE占用。
(6)式中，ck，nc*是臨時最優(yōu)的分配功率。從前面的容量公式我們可以看到，fk,nc(Pk,nc)=Nnclog2(1+γk,ncPk,ncNnc),]]>f′k，nc-1是fk，nc的導(dǎo)數(shù)的反函數(shù)，代表加權(quán)共享因子前的臨時最優(yōu)功率，即Pk，nc*。
該方案提出的算法描述如下步驟1初始化所有的拉格朗日(Lagrangian)乘積因子uk為0并設(shè)ck,nc=ρk,ncPk,nc.]]>步驟2在給定uk值條件下為每個子信道選擇臨時最優(yōu)的CPE。
對每個子信道和每個CPE，計算Gk,nc(uko)=wk[fk,nc(fk,nc′-1(ukowk))-(ukowk)fk,nc′-1(ukowk)]---(3),]]>這里uko=wkfk,nc′(0)fk,nc′-1(ukwk)<0uk0≤fk,nc′-1(ukwk)≤Pk,ncmaskwkfk,nc′(Pk,ncmask)fk,nc′-1(ukwk)>Pk,ncmask.---(4)]]>
然后為每個子信道，我們選擇CPE k′。這里k′=argmaxkGk,nc(uko)]]>并相應(yīng)設(shè)置ρk′,nc*=1,ρk,nc*=0for all k≠k′---(5)]]>步驟3計算臨時最優(yōu)的功率分配對每個子信道的每個CPE，計算ck,nc*=ρk,nc*fk,nc′-1(ukowk)---(6)]]>這里，uko代入(4)，ρk，nc*代入(5)。
步驟4檢查每個CPE是否滿足總功率限制。
給定ck，nc*和ρk，nc*臨時最優(yōu)值。
如果每個CPE都滿足Σnc=1Ncck,nc*≤Pkt,]]>終止流程，已經(jīng)獲得最優(yōu)解。
Else，跳轉(zhuǎn)到步驟5。
步驟5調(diào)制uk取值來滿足總功率限制。
以ε表示功率分配的誤差允許值，要求所有的CPE都滿足Pkt-ϵ≤Σnc=1Ncck,nc*≤Pkt.]]>選擇超過總功率限制最多的CPE k°。
設(shè)置下界uk°(l)為當(dāng)前值uk°，上界uk°(u)為wkf′k，n°c-1(0)。
這里 設(shè) 并使用uk°(m)重復(fù)執(zhí)行步驟2和步驟3。
If 設(shè) Elseif 設(shè)
重復(fù)直到 被滿足。
End值得注意的是，步驟5可能出現(xiàn)不能找到uk°滿足 約束條件的情形。由于一些子信道在兩個CPE之間反復(fù)分配，分配過程在 和 之間振蕩。這意味者兩個CPE(設(shè)為k1和k2)在最優(yōu)解這點上具有相同的Gk，nc(uko)取值。如果發(fā)生這種情況，我們計算ρk1,nc*=Pk1t-P2P1-P2,]]>ck1,nc*=ρk1,nc*(P1-P2)]]>和ρk2,nc*=1-ρk1,nc*.]]>ρk，nc是取值范圍為(0，1)的時間共享因子。
上述算法為我們在每個6MHz子帶中提供了子信道和功率分配的解。在實際應(yīng)用中，當(dāng)SNR可以在基站由給定的信道信息計算出來，那么可以根據(jù)信噪比(SNR)選擇適當(dāng)?shù)木幋a和調(diào)制。
實際上，完全的信道反饋是不可能的，相反，我們只能獲得有限比特的信道信息。下面，我們提供了一個簡單的信道量化算法，這里基于估計的信道功率增益計算的序號被作為信道反饋值量化查找表構(gòu)造1)獲得信道功率增益分布；2)用一個期望發(fā)生概率來標識信道功率的范圍，比如90％；3)在對數(shù)域等分相應(yīng)的范圍；4)把門限值設(shè)為每個對數(shù)域間隔的中間值；5)將對數(shù)域各門限轉(zhuǎn)換成初始域中的相應(yīng)門限。
我們考察在一個6MHz子帶內(nèi)的OFDM符號的子信道、功率和比特的分配。假定為FFT-1024，且有64個子信道，每個子信道有16個子載波。信道模型使用如下參數(shù)表述

表1在評估802.22 WRAN系統(tǒng)的信道模型我們提出的算法的性能如圖6、圖7和圖8。在圖6中，實線指示理想信道信息，虛線指示1比特信道量化。由該圖可見，本發(fā)明的算法總是比使用隨機子信道分配、平均功率分配和隨機子信道分配最優(yōu)功率分配的吞吐量顯著提高。特別地，在50個用戶情形下吞吐量的提升高達45％。另一方面，它表明即使使用1比特信道量化也可以獲得相當(dāng)好的性能，其結(jié)果和理想的信道信息相比有10％速率損失。
圖7表明了每次循環(huán)的平均迭代次數(shù)。這里的一次循環(huán)指調(diào)整uk值使得用戶k的功率約束條件被滿足。圖8說明了所有用戶的功率約束條件被滿足所需的平均的循環(huán)次數(shù)。注意，提出的算法的復(fù)雜度可以使用下式表示每次循環(huán)的迭代次數(shù)*循環(huán)次數(shù)。比如，在FFT1024系統(tǒng)中，對于50個用戶大約需要119次總的迭代次數(shù)。進一步觀察表明，每個循環(huán)的平均迭代次數(shù)不隨用戶數(shù)而變化，但隨著用戶數(shù)的增長收斂所需要的循環(huán)次數(shù)會增加。
下面，參照圖9和10描述使用OFDMA的WRAN的上行資源分配裝置。
圖9所示的裝置用來執(zhí)行上述方案中層1算法采用Sum-Rate-Max策略時的方法。該裝置位于BS上，包括相連的第一層資源分配單元和第二層資源分配單元。第一層資源分配單元，用于為各個CPE分配子帶；第二層資源分配單元，用于為已分配子帶的CPE分配相應(yīng)子帶內(nèi)的子信道和子信道傳輸參數(shù)。第一層資源分配單元進一步包括速率和最大值運算模塊，用于求取各CPE速率之和的最大值；子帶分配模塊，用于將CPE分配給在其上取得速率和最大值的子帶。第二層資源分配單元包括加權(quán)系統(tǒng)容量最大值運算模塊，用于求取加權(quán)系統(tǒng)容量的最大值；還包括子信道分配模塊，用于將CPE分配給在其上取得加權(quán)系統(tǒng)容量最大值的子信道。
圖10所示的裝置用來執(zhí)行上述方案中層1算法采用Round-Robin-Max策略時的方法。該裝置位于BS上，包括相連的第一層資源分配單元和第二層資源分配單元。第一層資源分配單元，用于為各個CPE分配子帶；第二層資源分配單元，用于為已分配子帶的CPE分配相應(yīng)子帶內(nèi)的子信道和子信道傳輸參數(shù)。第一層資源分配單元進一步包括最大功率模板判斷模塊，用于從其他子帶選擇后余下的CPE中選擇在當(dāng)前子帶上功率模板最大的CPE；子帶分配模塊，用于將所選擇的CPE分配給當(dāng)前的子帶。第二層資源分配單元包括加權(quán)系統(tǒng)容量最大值運算模塊，用于求取加權(quán)系統(tǒng)容量的最大值；還包括子信道分配模塊，用于將CPE分配給在其上取得加權(quán)系統(tǒng)容量最大值的子信道。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種使用OFDMA的WRAN的上行資源分配方法，包括以下步驟A、為各個用戶端設(shè)備分配子帶；B、為已分配子帶的用戶端設(shè)備分配相應(yīng)子帶內(nèi)的子信道和子信道傳輸參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟A進一步包括根據(jù)各個用戶端設(shè)備的功率模板將用戶端設(shè)備對應(yīng)到多個子帶之一。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于進一步包括通過由各個用戶端設(shè)備的功率模板求解速率和最大值來獲得各個用戶端設(shè)備所在的子帶。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述獲得各個用戶端設(shè)備所在的子帶進一步包括步驟A1、對于子帶中的每一個，按照各個用戶端設(shè)備在其上功率模板的大小順序創(chuàng)建Lb列表；A2、按照每個用戶端設(shè)備在各個子帶上功率模板中最大值的大小順序創(chuàng)建Lmax列表；A3、按照各個用戶端設(shè)備在Lmax列表中的順序依次計算bk=argb∈{1,...,Nb}max{fsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,...,P~Ktotal,bmask).frate(P~k,bmask)Σk∈Lbfsubch(P~k,bmask|P~1,bmask,...,P~Ktotal,bmask).frate(P~k,bmask)}]]>這里， 表示用戶端設(shè)備k在子帶b上的功率模板，Nb表示子帶數(shù)，Ktotal表示用戶端設(shè)備的數(shù)目，函數(shù) 和 是非遞減函數(shù)；A4、在每個Lb列表中只保留計算得到的bk上的用戶端設(shè)備。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述獲得各個用戶端設(shè)備所在的子帶還包括步驟A5、從 最小的用戶端設(shè)備開始重新分配子帶。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于frate(P~k,bmask)=log2(1+γbP~k,bmask),]]>這里γb是平均信道增益和噪音的比值。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述獲得各個用戶端設(shè)備所在的子帶進一步包括步驟A1’、對于子帶中的每一個，按照各個用戶端設(shè)備在其上功率模板的大小順序創(chuàng)建列表；A2’、按照子帶上最大功率模板的大小順序?qū)Ω鱾€子帶進行排序；A3’、各個子帶按照排序從其他子帶選擇后余下的用戶端設(shè)備中選擇在當(dāng)前子帶上功率模板最大的用戶端設(shè)備。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟B進一步包括通過對子帶內(nèi)加權(quán)系統(tǒng)容量最大值的求解獲得分配給子帶內(nèi)各個用戶端設(shè)備的子信道和子信道傳輸參數(shù)。
9.如權(quán)利要求1或8所述的方法，其特征在于所述子信道傳輸參數(shù)包括功率和速率中至少一個。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于進一步包括步驟B1、初始化拉格朗日乘積因子uk的值；B2、為每個子信道選擇臨時最優(yōu)的用戶端設(shè)備k′=argmaxkGk,nc(uko)=argmaxwkk[fk,nc(fk,nc′-1(ukowk))-(ukowk)fk,nc′-1(ukowk)]]]>這里uko=wkfk,nc′(0)fk,nc′-1(ukwk)<0uk0≤fk,nc′-1(ukwk)≤Pk,ncmask,wkfk,nc′(Pk,ncmask)fk,nc′-1(ukwk)>Pk,ncmask.]]> 是用戶k在子信道nc上的功率模板，以及wk是權(quán)值，并對所有的k≠k′設(shè)置臨時最優(yōu)共享因子ρk′,nc*=1,]]>ρk.nc*=0;]]>B3、計算每個信道上每個用戶端設(shè)備的臨時最優(yōu)的功率分配ck,nc*=ρk,nc*fk,nc′-1(ukowk);]]>B4、檢查是否各個用戶端設(shè)備滿足總功率限制Σnc=1Ncck,nc*≤Pkt,]]>這里Pkt表示用戶端設(shè)備k的功率預(yù)算，若滿足則結(jié)束，若不滿足則繼續(xù)；B5、調(diào)整拉格朗日乘積因子uk的值并代入步驟B2中的公式，直到各個用戶端設(shè)備滿足Pkt-ϵ≤Σnc=1Ncck,nc*≤Pkt,]]>這里ε表示功率分配的誤差允許值。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述權(quán)值wk是根據(jù)用戶端設(shè)備k的業(yè)務(wù)類型、延遲約束和用戶等級中至少一種因素預(yù)先確定的常數(shù)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于步驟B5進一步包括步驟B51、選擇超過總功率限制最多的用戶端設(shè)備k°，設(shè)置下界uk°(l)為當(dāng)前值uk°，上界uk°(u)為wkfk，nc°′-1(0)，這里 Wkfk，nc′-1(0)B52、將調(diào)整后的拉格朗日乘積因子 代入步驟B2和B3中的公式得到ck°，nc*；B53、如果 則設(shè) 如果 則設(shè) 并返回步驟B52。
13.如權(quán)利要求10、11或12所述的方法，其特征在于還包括步驟B6、如果找不到拉格朗日乘積因子uk使Pkt-ϵ≤Σnc=1Ncck,nc*≤Pkt,]]>則計算ρk1,nc*=Pk1t-P2P1-P2.]]>ck1,nc*=ρk1,nc*(P1-P2)]]>和ρk2,nc*=1-ρk1,nc*,]]>這里ρk,nc∈(0,1).]]>
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于每個信道上每個用戶端設(shè)備的系統(tǒng)容量fk,nc(Pk,nc)=Nnclog2(1+γk,ncPk,ncNnc),]]>這里γk，nc為平均信道增益和噪聲的比值。
15.如權(quán)利要求6或14所述的方法，其特征在于所述信道增益是根據(jù)反饋的信道功率增益信息的量化值確定的。
16.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述功率模板是被路徑損耗因子歸一化的發(fā)送功率模板。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述子帶是6MHz頻帶。
18.一種使用OFDMA的WRAN的上行資源分配裝置，位于基站上，包括相連的第一層資源分配單元和第二層資源分配單元，其中第一層資源分配單元，用于為各個用戶端設(shè)備分配子帶；第二層資源分配單元，用于為已分配子帶的用戶端設(shè)備分配相應(yīng)子帶內(nèi)的子信道和子信道傳輸參數(shù)。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于所述第一層資源分配單元進一步包括速率和最大值運算模塊，用于求取各用戶端設(shè)備速率之和的最大值；子帶分配模塊，用于將用戶端設(shè)備分配給在其上取得速率和最大值的子帶。
20.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于所述第一層資源分配單元進一步包括最大功率模板判斷模塊，用于從其他子帶選擇后余下的用戶端設(shè)備中選擇在當(dāng)前子帶上功率模板最大的用戶端設(shè)備；子帶分配模塊，用于將所選擇的用戶端設(shè)備分配給當(dāng)前的子帶。
21.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于所述第二層資源分配單元進一步包括加權(quán)系統(tǒng)容量最大值運算模塊，用于求取加權(quán)系統(tǒng)容量的最大值；子信道分配模塊，用于將用戶端設(shè)備分配給在其上取得加權(quán)系統(tǒng)容量最大值的子信道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用OFDMA的WRAN的上行資源分配方法和裝置。第一層資源分配單元為各個CPE分配子帶，第二層資源分配單元為已分配子帶的CPE分配相應(yīng)子帶內(nèi)的子信道和子信道傳輸參數(shù)。IEEE 802.22WRAN系統(tǒng)的基本要求是WRAN用戶的傳輸必須對許可用戶是透明的。為了達到這個目標，我們使用基于用戶的發(fā)送功率掩模約束來保證不對已有用戶造成干擾。此外，我們提出了一個最大化總傳輸容量而同時滿足基于用戶的功率限制和發(fā)送功率掩模約束的最優(yōu)算法。本發(fā)明成功提供了在WRAN系統(tǒng)的認知無線電方法，該方法在使無線網(wǎng)絡(luò)共存的同時可以充分利用頻譜資源。
文檔編號H04L5/02GK101026445SQ20061005510
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月21日
發(fā)明者盧思遠, 何嘉明, 黃蔚藍, 王琤, 劉堅能, 鄭樹坤, 李德富, 穆樂思, 繆偉豪, 呂林軍, 張建偉 申請人:華為技術(shù)有限公司