專利名稱：一種正交頻分復(fù)用多址接入系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線移動通信系統(tǒng)，具體涉及一種在正交頻分復(fù)用多址接入(OFDMA)系 統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)資源分配的方法，特別是一種在正交頻分復(fù)用多址接入(OFDMA)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 子載波分配方法。
背景技術(shù)：
無線通信系統(tǒng)中的頻譜資源是非常有限的，因此，無線移動通信系統(tǒng)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(tǒng)中，用戶對于高速、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè) 務(wù)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(zhì)量的服務(wù)就顯得越來越重 要。在頻率選擇性衰落環(huán)境中，OFDM是一種具有前途的解決方案。
正交頻分復(fù)用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(diǎn)， 而成為B3G (Beyond Three Generation)移動通信系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。與窄帶通信系統(tǒng)相比， OFDM系統(tǒng)具有較寬廣的頻率資源，各個子載波上的信道響應(yīng)差別很大，因此，OFDM可以 根據(jù)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(diào)制方式，以達(dá)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(jīng)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(yīng)是不一樣的，因 此，為了充分提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率，必須為每個用戶在各個OFDM子載波上的信道響應(yīng)進(jìn)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(biāo)上具有良好表 現(xiàn)頻譜效率或者平均每個子載波上所能夠傳輸?shù)谋忍財?shù)、對各個用戶的公平性以及算法實(shí) 現(xiàn)的實(shí)時性和復(fù)雜度。
在正交頻分復(fù)用多址接入(OFDMA)系統(tǒng)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(tǒng)中，根據(jù)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(wù)需求。
在多用戶OFDMA系統(tǒng)中，子載波的分配是一個比較重要的問題。OFDMA采用OFDM 技術(shù)區(qū)分用戶，在OFDM系統(tǒng)中，整個頻帶被分成許多子載波，各個子載波彼此正交，在頻
率譜上交疊。因為在不同子載波上數(shù)據(jù)是并行傳送的，所以O(shè)FDMA是一種頻率復(fù)用接入方 法。OFDMA概念實(shí)質(zhì)上和FDMA —樣，但是它具有FDMA所沒有的一些優(yōu)點(diǎn)。
在OFDMA系統(tǒng)中，主要依靠子載波來區(qū)分用戶，因此，在一幀時間(當(dāng)然也可以是其 他時間單元，只要該時間單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信道的相干時間)內(nèi)， 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(tǒng)頻譜效率，希望系統(tǒng)在傳輸 速率和功率限制條件下，使得系統(tǒng)的總發(fā)射功率最小，同時使得系統(tǒng)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(shù)目、可用子載波數(shù)目、用戶的BER要求都己知 的前提下，給每個用戶分配一定數(shù)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(shù)目、每個用戶的信道條件以及業(yè)務(wù)需求。
比如2005年4月14日公布的美國專利US 2005/0078759Al"subcarrier and bit allocation for real time services in multiuser orthogonal frequency division multiplex (OFDM) systems，，給出的一 種實(shí)時多用戶OFDM系統(tǒng)的子載波和比特方案，該方案首先利用注水方法(water-filling method)為每個用戶分配合適的子載波，然后為每個用戶的子載波分配合適的比特。在進(jìn)行 比特分配過程中，依據(jù)增加一個比特引起的功率增量最小的那個子載波。這種方法的缺陷在 于需要通過迭代求取每個用戶的注水水平參數(shù)，在子載波數(shù)目和用戶數(shù)目比較大的時候，其 收斂速度很慢。
而且，在實(shí)際系統(tǒng)中，用戶申請接入系統(tǒng)是隨機(jī)的，而且每個用戶并非使用的子載波數(shù) 目越多越好，也就是說，每個用戶需要的子載波數(shù)目有一個上限和一個下限。而且很少有技 術(shù)文獻(xiàn)考慮當(dāng)一個新的用戶請求進(jìn)入系統(tǒng)時的子載波的分配問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是當(dāng)一個用戶申請接入系統(tǒng)的時候，而且每個時間單元內(nèi)只允 許一個用戶接入，系統(tǒng)在傳輸速率和功率限制條件下如何依據(jù)用戶信道條件的變化自適應(yīng)分 配子載波，使得系統(tǒng)的總發(fā)射功率最小，同時使得系統(tǒng)總的傳輸速率趨于最大化。
本發(fā)明具體是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種正交頻分復(fù)用多址接入系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，包括在系統(tǒng)中己經(jīng)確定所 需要分配的最少子載波數(shù)目的激活用戶；
其特征在于在待激活用戶準(zhǔn)備進(jìn)入時，執(zhí)行如下處理步驟
第一步驟，通過待激活用戶的上報信息、激活用戶和待激活用戶需要的最少子載波數(shù)目
之和、系統(tǒng)允許的子載波總數(shù)，由基站確定可以允許接入能夠獲得子載波分配的用戶數(shù)目； 第二步驟，根據(jù)在滿足最小發(fā)射功率的限制條件下，增加一個子載波時發(fā)射功率增量絕
對值最小的用戶將獲得子載波數(shù)目的增加，基站對可以允許接入能夠獲得子載波分配的每個
用戶確定可以分配的子載波數(shù)目以及功率；
第三步驟，基站對每個用戶所分配的確切子載波，由基站通過下行控制信道通知相應(yīng)用
戶，按照這種約定進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。
所述第一步驟進(jìn)一步包含以下步驟
步驟1:待激活用戶將其所能夠接受的最低傳輸速率要求信息、信道狀態(tài)信息上報給基站； 步驟2:基站利用待激活用戶上報的信息估計能夠滿足待激活用戶的基本業(yè)務(wù)需求所需要 的最少子載波數(shù)目；
步驟3:基站判斷激活和待激活用戶中所有用戶需要的最少子載波數(shù)目之和是否超出系 統(tǒng)允許使用的子載波總數(shù)，如果大于或者等于，不給待激活用戶分配任何子載波，進(jìn)而直接 轉(zhuǎn)入所述第二步驟；如果小于，給待激活用戶分配子載波后，轉(zhuǎn)入所述第二步驟。
所述第二步驟進(jìn)一步包含以下處理-
步驟1:基站估計滿足激活用戶和待激活用戶中每一個用戶基本子載波分配以后剩余的子 載波數(shù)目；
步驟2:基站估計每個用戶所需最大子載波數(shù)目；
步驟3:基站估計參加子載波分配的激活用戶和待激活用戶中每一個用戶的平均信道增
步驟4:基站估計每一個用戶增加一個子載波對應(yīng)的功率增量； 步驟5:基站尋求上述功率增量最小的用戶； 步驟6:用戶的子載波數(shù)目以及所需功率； 步驟7:剩余子載波數(shù)目減少l;
步驟8:重復(fù)步驟3到步驟6，直到所有子載波分配完畢。 所述第二步驟進(jìn)一步還包含以下處理
步驟9:基站估計激活用戶和待激活用戶中的每一個用戶的子載波數(shù)目是否超過該用戶 所需要的最多子載波數(shù)目，如果小于或者等于，轉(zhuǎn)入步驟IO，如果大于，轉(zhuǎn)入步驟ll; 步驟10:該用戶最終分配子載波數(shù)目和功率不作調(diào)整，直接進(jìn)入所述第三步驟； 步驟ll:該用戶的最終分配子載波數(shù)目為基本的子載波資源，同時調(diào)整功率然后直接進(jìn) 入所述第三步驟。
本發(fā)明主要解決了一個用戶申請接入系統(tǒng)時的子載波數(shù)目確定問題，相對于傳統(tǒng)靜態(tài)子
載波分配而言，這是一種動態(tài)的子載波分配過程，而且在系統(tǒng)發(fā)射功率最小化的原則下能夠 使得每個用戶分配到足夠多的子載波，以充分實(shí)現(xiàn)頻率分集，同時它克服了注水算法中復(fù)雜 的注水水平的迭代確定過程，不需要迭代，從而簡化了操作過程。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所述的OFDMA系統(tǒng)中的自適應(yīng)子載波分配流程示意圖； 圖2為按照本發(fā)明的實(shí)施例所述的在OFDMA系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)每個用戶分配子載波數(shù)目的確 定以及功率分配流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明所述方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明
為了能夠清楚地描述本發(fā)明的思想，特別作一些假設(shè)在OFDMA系統(tǒng)中假設(shè)已經(jīng)有 尺-l個用戶己經(jīng)處于激活狀態(tài)，也就是說，這尺-l個用戶所需要分配的最少子載波數(shù)目已 經(jīng)確定，這尺-1個用戶分別記作用戶1，2,…,尺-1，現(xiàn)在有第《個用戶準(zhǔn)備進(jìn)入激活狀態(tài)，為
了描述方便，將這《個用戶的集合記作t/。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種在正交頻分復(fù)用多址接入((OFDMA)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 資源分配的方法，該方法的基本思想是在滿足系統(tǒng)中每個用戶基本業(yè)務(wù)需求的前提下，盡可 能地給每個用戶分配更多的子載波，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率以及系統(tǒng)的頻譜利用效率， 充分利用無線系統(tǒng)的資源。
如圖l所示本發(fā)明所述在正交頻分復(fù)用多址接入系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法涉及子
載波的分配，主要包含以下三個步驟
第一步基站確定可以允許接入(能夠獲得子載波分配)的用戶數(shù)目100: 第二步基站確定每個用戶可以分配的子載波數(shù)目以及功率200; 第三步基站決定每個用戶所分配的確切子載波300。
首先，用戶《將其所能夠接受的最低傳輸速率要求信息/Cm、信道狀態(tài)信息\, 上報給 基站，基站利用這些信息估算能夠滿足用戶《的基本業(yè)務(wù)需求所需要的最少子載波數(shù)目
《m，即《 =ceil(《n/U，其中7 _表示每個子載波可以允許的最大傳輸速率，其數(shù)值 取決于系統(tǒng)采用的編碼調(diào)制方案，ceil(;c)表示朝著正無窮大方向?qū)?shí)數(shù);c取整。然后，基站 統(tǒng)計集合"中所有用戶需要的最少子載波數(shù)目之和5:Liv;L ，如果^,iV二超過系統(tǒng)中可用 的子載波總數(shù)目w，即S^ACin ^w，則不給用戶^分配任何子載波，也就是說系統(tǒng)當(dāng)前沒
有足夠的頻率資源來支撐用戶《的基本業(yè)務(wù)需求；如果H,iV二小于系統(tǒng)中可用的子載波總
數(shù)目w，即i:^ivL〈w，則標(biāo)明系統(tǒng)有足夠的頻率資源來支持用戶/:的基本業(yè)務(wù)，也就是
說，可以為用戶夂至少分配iV二個子載波。
根據(jù)Hujun Yin禾Q Hui Liu在2000年撰寫的，公開于在IEEE Globecom'00, San Francisco, USA,20002中的論文"an efficient multiuser loading algorithm for OFDM based broadband wireless systems"的描述，如果一個用戶的數(shù)據(jù)速率是固定的，則隨著用戶所得到的子載波數(shù) 目的增加，所需要的功率值會下降，這就為每個用戶增加子載波分配數(shù)目提供了依據(jù)。也就 是說，在滿足每個用戶所需要的最少子載波數(shù)目分配以后，系統(tǒng)還剩余了一部分子載波，這 一部分子載波可以繼續(xù)分配給用戶集f/中的合適用戶。
在決定為哪些用戶增加子載波的過程中，可以采用上述的論文"an efficient multiuser loading algorithm for OFDM based broadband wireless systems"中提供的方法，就是在滿足最小 發(fā)射功率的限制條件下，增加一個子載波時發(fā)射功率增量絕對值最小的用戶將獲得子載波數(shù) 目的增加。也就是說，如果用戶yt已經(jīng)確定了最少分配A^個子載波，那么，增加一個子載波 的時候，所需要的功率增量A^為
(及！
廣A
尺
對于所有的用戶，確定功率增量最小的用戶，即f-argmin^ APt，進(jìn)而給該用戶分配
的子載波數(shù)目增加1，其發(fā)射功率相應(yīng)增加A^，即/^—A+APp其中，/^是用戶A的平
均信道增益，可以通過用戶上報的信道狀態(tài)信息直接估算得到。這樣一個一個子載波(上述 滿足每個用戶所需要的最少子載波數(shù)目分配以后，系統(tǒng)剩余的那部分子載波)進(jìn)行增加，直 到用戶集合t/中所有用戶分配的子載波數(shù)目之和為系統(tǒng)允許使用的子載波數(shù)目總和W，即 i:LA^=W，其中，A^是系統(tǒng)分配給用戶A("1,2,…,K)的子載波數(shù)目。
但是，完全按照上述分配結(jié)果，系統(tǒng)可能無法滿足每個用戶的業(yè)務(wù)需求，因為，某些用 戶的子載波數(shù)目可能會超過該用戶在最低傳輸速率情況下所需要的最大子載波數(shù)目 <x=c"/Om,n),即A^〉A(chǔ)^L，其中，i ^表示每個子載波可以允許的最低傳輸速率， 其數(shù)值取決于系統(tǒng)采用的編碼調(diào)制方案。這時，多于A^x的子載波資源對于該用戶而言是一 種浪費(fèi)， 一方面，該用戶的業(yè)務(wù)需求不需要這么多子載波，另一方面，為了傳輸這些多于子 載波的信息需要額外的信令開銷，因此，為了簡化系統(tǒng)的操作，遇到這種情況，就給用戶分 配其基本的子載波資源，即取A^ =min(A^ ,A^ax)，同時調(diào)整其發(fā)射功率值。此時所獲得的A^
就是系統(tǒng)最終分配給用戶集f/中每個用戶的子載波數(shù)目，系統(tǒng)可以進(jìn)一步利用這些子載波數(shù)目信息以及每個用戶的信道狀態(tài)信息為每個用戶指定所分配的確切子載波位置。
當(dāng)每個用戶所分配的確切子載波(包含數(shù)目和位置)以及功率確定以后，由基站通過下行
控制信道通知相應(yīng)用戶，進(jìn)而按照這種約定進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。 如圖2所示
所述基站確定系統(tǒng)允許接入用戶數(shù)目的步驟100，進(jìn)一步包含以下實(shí)現(xiàn)步驟
(1) 用戶A:將其所能夠接受的最低傳輸速率要求信息及二、信道狀態(tài)信息~, 上報給基 站，其中，、"表示用戶yt在第w個子載波上的信道響應(yīng)；
(2) 基站利用用戶尺上報的信息估計能夠滿足用戶尺的基本業(yè)務(wù)需求所需要的最少子載
波數(shù)目W:，即《 = ceil(i 二 〃max);
(3) 基站判斷集合u中所有用戶需要的最少子載波數(shù)目之和i:^iv;L是否超出系統(tǒng)允許
使用的子載波總數(shù)W，如果i:iLA^n 2iV，則進(jìn)一步轉(zhuǎn)入步驟(4)，否則直接轉(zhuǎn)入步 驟200;
(4) 不給用戶尺分配任何子載波，即7^=0，進(jìn)而直接轉(zhuǎn)入步驟200。 所述基站確定每個用戶可以分配的子載波數(shù)目以及功率步驟200，進(jìn)一步包含以下實(shí)現(xiàn)
步驟；
(a) 基站估計滿足用戶集C/中每一個用戶基本子載波分配以后剩余的子載波數(shù)目，即
(b) 基站估計每個用戶所需最大子載波數(shù)目W二，即WL
(c) 基站估計參加子載波分配的用戶集t/中每一個用戶的平均信道增益Z/"
(d) 基站估計每一個用戶增加一個子載波對應(yīng)的功率增量A p即
4 仏
^ 乂
(e) 基站尋求上述功率增量最小的用戶，即f-argmhH^Ai^
(f) 用戶f的子載波數(shù)目以及所需功率，即A^-A^+1， ^-A+A^;
(g) 剩余子載波數(shù)目減少l，即A^-iV。-l;
(h) 重復(fù)第(c)到(f)步驟，直到所有A^個子載波分配完畢。
(i) 基站估計用戶集t/中的每一個用戶的子載波數(shù)目iVt是否超過該用戶所需要的最多子 載波數(shù)目A^L，如果i^^iV^，則轉(zhuǎn)入步驟(j)，否則轉(zhuǎn)入步驟(k);
(j)該用戶最終分配子載波數(shù)目i^和功率不作調(diào)整，直接進(jìn)入步驟300;
(k)該用戶的最終分配子載波數(shù)目為i^:min(A^n,A^J，同時調(diào)整該用戶的功率為
A = 孑(及L/W)，然后直接進(jìn)入步驟300。
所述基站決定每個用戶所分配的確切子載波的步驟300，當(dāng)每個用戶所分配的確切子載 波(包含數(shù)目和位置)以及功率確定以后，由基站通過下行控制信道通知相應(yīng)用戶，進(jìn)而按 照這種約定進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。
當(dāng)然，本發(fā)明提供的實(shí)施例只是為了詳盡地說明按照本發(fā)明內(nèi)容提供的在正交頻分復(fù)用 多址接入(OFDMA)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)資源分配的方法，因而都是示例性的實(shí)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(nèi)的顯而易見的修改亦應(yīng)歸于 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種正交頻分復(fù)用多址接入系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，包括在系統(tǒng)中已經(jīng)確定所需要分配的最少子載波數(shù)目的激活用戶；其特征在于，在待激活用戶準(zhǔn)備進(jìn)入時，執(zhí)行如下處理步驟第一步驟，通過待激活用戶的上報信息、激活用戶和待激活用戶需要的最少子載波數(shù)目之和、系統(tǒng)允許的子載波總數(shù)，由基站確定可以允許接入能夠獲得子載波分配的用戶數(shù)目；第二步驟，根據(jù)在滿足最小發(fā)射功率的限制條件下，增加一個子載波時發(fā)射功率增量絕對值最小的用戶將獲得子載波數(shù)目的增加，基站對可以允許接入能夠獲得子載波分配的每個用戶確定可以分配的子載波數(shù)目以及功率；第三步驟，基站對每個用戶所分配的確切子載波，由基站通過下行控制信道通知相應(yīng)用戶，按照這種約定進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸。
2、 如權(quán)利要求l所述的正交頻分復(fù)用多址接入系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，其特征在 于，所述第一步驟進(jìn)一步包含以下步驟-步驟1:待激活用戶將其所能夠接受的最低傳輸速率要求信息、信道狀態(tài)信息上報給基站; 步驟2:基站利用待激活用戶上報的信息估計能夠滿足待激活用戶的基本業(yè)務(wù)需求所需要 的最少子載波數(shù)目；步驟3:基站判斷激活和待激活用戶中所有用戶需要的最少子載波數(shù)目之和是否超出系 統(tǒng)允許使用的子載波總數(shù)，如果大于或者等于，不給待激活用戶分配任何子載波，進(jìn)而直接 轉(zhuǎn)入所述第二步驟；如果小于，給待激活用戶分配子載波后，轉(zhuǎn)入所述第二步驟。
3、 如權(quán)利要求1所述的正交頻分復(fù)用多址接入系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，其特征在 于，所述第二步驟進(jìn)一步包含以下處理-步驟1:基站估計滿足激活用戶和待激活用戶中每一個用戶基本子載波分配以后剩余的 子載波數(shù)目；步驟2:基站估計每個用戶所需最大子載波數(shù)目；步驟3:基站估計參加子載波分配的激活用戶和待激活用戶中每一個用戶的平均信道增益；步驟4:基站估計每一個用戶增加一個子載波對應(yīng)的功率增量； 步驟5:基站尋求上述功率增量最小的用戶； 步驟6:用戶的子載波數(shù)目以及所需功率； 步驟7:剩余子載波數(shù)目減少l; 步驟8:重復(fù)步驟3到步驟6，直到所有子載波分配完畢。
4、如權(quán)利要求3所述的正交頻分復(fù)用多址接入系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，其特征在于，進(jìn)一步還包含以下處理步驟9:基站估計激活用戶和待激活用戶中的每一個用戶的子載波數(shù)目是否超過該用戶所需要的最多子載波數(shù)目，如果小于或者等于，轉(zhuǎn)入步驟IO，如果大于，轉(zhuǎn)入步驟ll; 步驟10:該用戶最終分配子載波數(shù)目和功率不作調(diào)整，直接進(jìn)入所述第三步驟； 步驟ll:該用戶的最終分配子載波數(shù)目為基本的子載波資源，同時調(diào)整功率然后直接進(jìn)入所述第三步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線移動通信系統(tǒng)，具體涉及一種在正交頻分復(fù)用多址接入系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)資源分配的方法。包括基站確定可以允許接入(能夠獲得子載波分配)的用戶數(shù)目；基站確定每個用戶可以分配的子載波數(shù)目以及功率；基站決定每個用戶所分配的確切子載波。本發(fā)明主要解決了一個用戶申請接入系統(tǒng)時的子載波數(shù)目確定問題，相對于傳統(tǒng)靜態(tài)子載波分配而言，這是一種動態(tài)的子載波分配過程，而且在系統(tǒng)發(fā)射功率最小化的原則下能夠使得每個用戶分配到足夠多的子載波，以充分實(shí)現(xiàn)頻率分集，同時它克服了注水算法中復(fù)雜的注水水平的迭代確定過程，不需要迭代，從而簡化了操作過程。
文檔編號H04W72/04GK101098326SQ20061009057
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日
發(fā)明者力 張, 強(qiáng) 王, 王衍文, 蔣小奎 申請人:中興通訊股份有限公司