专利名称：基于统一优先级的ofdma动态子载波分配方案的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统，尤其涉及一种用于正交频分多址系统的动态子载波分配方案。
背景技术：
正交频分复用(OFDM)是一种无线环境下的多载波传输技术，其子载波可以等效为多个正交的平坦衰落信道，由于子载波在频谱上的重叠，极大地提高了频谱利用率。正交频分多址(OFDMA)是以OFDM为基础，通过给每个用户分配一定数量的子载波来实现多用户接入。OFDMA除了继承OFDM的优点之外，还具有非常灵活的分配机制，可以根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量，并且可以在不同的子载波上使用不同的调制和编码方式以及发射功率来减少干扰，增加系统容量。
将OFDMA技术与动态资源分配技术相结合可以显著提高系统性能。目前，人们已经提出了许多OFDMA系统动态资源分配的方案。其中比较著名的是在1999年提出的子载波、比特和功率联合分配方案，其复杂度极高，不适合在实际系统中应用。此后，在该算法的基础上Didem提出了一种分两步确定子载波分配的次优算法，此算法是在满足用户速率需求和接收端期望的误比特率的条件下，使总发射功率最小。结果表明这种算法的复杂度比原算法要低很多，但性能非常地接近。尽管此算法在复杂度上已经有了很大的降低，但是仍然比较复杂，不适合用于实际系统。之后提出的一些次优算法虽然复杂度较低，但一般都有较大的性能损失。因此，对性能优而复杂度低的资源分配方案的研究是目前无线通信领域内的热点之一。
发明内容
传统算法往往只是根据信道增益的大小直接进行子载波分配，或是利用迭代算法逐步确定子载波的分配顺序。复杂度低的子载波分配算法往往在性能上存在一定的损失，而性能较好的算法往往很难实现。为了解决传统算法在性能和复杂度两个方面难以兼得的问题，本发明提供了一种有效的子载波分配方案。
新方法的基本原理如下对于第k个用户，利用其在所有载波上的平均信道增益计算出一个功率值Pk代替平均发射功率作为近似值，并粗略计算出如果将第n个子载波分配给此用户所需的发射功率Pk，n，Pk，n与Pk之间的差值用δk，n来表示。在分配子载波的过程中，每次分配一个子载波给唯一的用户，如果每次分配时都选择δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)中最小值对应的用户和子载波，那么当所有子载波都被分配之后，总发射功率也将会接近最小，所以δk，n的大小近似反映了将第n个子载波分配给第k个用户对于总发射功率的重要性。本发明利用了这一性质将δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)按照从小到大进行排序来确定子载波分配的优先级。
本发明提供的子载波分配方案包括如下步骤考虑一个OFDMA系统，其中有K个用户，N个子载波。在执行本方案前，假设每个用户应分配的子载波数已经确定，即第k个用户应该分配的子载波数为mk，其中k＝1，2，...，K。
对于第k个用户，计算功率Pk，n＝fk(Pk/mk)/|hk，n|2以及Pk＝fk(Rk/mk)/hk，其中hk，n表示第k个用户在第n个子载波上的信道衰落系数，hk表示第k个用户的平均信道增益。
计算Pk，n与Pk之间的功率差δk，n，作为决定第n个子载波对第k个用户分配次序的依据。
通过对δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)从小到大进行排序确定子载波分配的优先级，然后依次将各个子载波分配给对应的用户。
本发明提供的动态子载波分配方案的有益效果是通过一个统一的优先级，公平地确定了各用户在各个子载波上的分配次序，不仅保证了近优的系统性能，而且具有非常低的复杂度。
图1示出了带有动态子载波、比特和功率分配的OFDMA系统框图。
图2示出了本发明的流程图。
图3示出了计算δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)的流程图。
图4示出了更新Aα、#Aα以及δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)的流程图。
表1示出了仿真中系统所采用的具体参数。
图5示出了本发明与ACG、RCG算法的性能比较。
具体实施例方式
下面通过附图和实施例对本发明进行详细阐述。
图1示出了带有动态子载波、比特和功率分配的OFDMA系统框图。假设此系统有K个用户，N个子载波，基站已知所有用户信道状态信息。hk，n、Pk，n和Rk，n分别表示第k个用户在第n个子载波上的信道衰落系数、发射功率以及传输的比特数。其中，0≤Rk，n≤M，M是在一个子载波上同时能够传输的最大比特数。在接收端为了保证期望的误比特率(BER)，第k个用户在第n个子载波上的发射功率应等于Pk，n＝fk(Rk，n)/|hk，n|2其中，fk(x)表示在信道增益等于1时，第k个用户在某一个子载波上实现可靠接收x个信息比特所需的发射功率。注不同用户的fk(x)可以是不同的。
动态子载波、比特和功率分配的目的在于找到一种最佳的分配方式，使得总发射功率达到最低。即Ptotal=minΣk=1KΣn=1Nfk(Rk,n)/|hk,n|2]]>
对于k＝1，2，...，K，需满足以下条件Σn=1NRk,n=Rk,0≤Rk,n≤M]]>图2示出了本发明的流程图，用于图1中的动态子载波、比特和功率分配器部分。该流程从步骤201开始进入初始化步骤203，其具体步骤如下对于k＝1，2，...，K，定义向量Ak，用来存放分配给第k个用户的子载波的序号。初始化令Ak＝，#Ak表示Ak中元素的个数。
此后，进入步骤205，对于第k个用户，计算δk，n作为决定第n个子载波对第k个用户分配次序的依据，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N。
在步骤207，对计数变量赋初值，m＝1。
在步骤209，从δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)中挑选出最小值，得到相应的用户和子载波编号(记为α和β)。
在步骤211，将第β个子载波分配给第α个用户。
在步骤213，对Aα、#Aα和δk，n进行更新，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N。
进入步骤215，计数变量加1，即m＝m+1。
在步骤217进行判断，如果m≤N，则进入步骤209，反之在步骤219结束流程。
图3示出了计算δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)的流程图。从步骤301开始进入步骤303，令k＝1，用于计数。
在步骤305，计算第k个用户在所有子载波上的平均信道增益h‾k=Σn=1N|hk,n|2/N,]]>根据hk计算Pk＝fk(Rk/mk)/hk。
在步骤307，令n＝1，用于计数。
在步骤309，计算Pk，n＝fk(Rk/mk)/|hk，n|2。
在步骤311，计算Pk，n和Pk之间的差值δk，n＝Pk，n-Pk，作为决定第n个子载波对第k个用户分配次序的依据。
在步骤313，令n＝n+1。然后在步骤315进行判断，如果n≤N，则进入步骤309，反之则继续执行步骤317。
在步骤317，令k＝k+1。然后在步骤319进行判断，如果k≤K，则进入步骤305，反之在步骤321结束流程。
图4示出了更新Aα、#Aα以及δk，n的流程，其中k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N。从步骤401开始进入步骤403，对Aα和#Aα进行更新，其具体步骤如下当第β个子载波已经被确定分配给第α个用户的时候，将序号β放入Aα中，此时Aα中元素的个数增加1，即，#Aα＝#Aα+1。
在步骤405，令k＝1，用于计数。
在步骤407，置δk，β＝NaN，即第β个子载波不再参与后面的分配。
在步骤409进行判决，如果k＝α，则进入步骤409，否则进入步骤415。
在步骤411，计算第α个用户已经得到的子载波数，如果#Aα＝mα，则进入步骤413，此时由于第α个用户已经得到足够的子载波，所以就不再参与后面的子载波分配，于是令δα，n＝NaN，其中n＝1，2，...，N。如果#Aα＜mα，即第α个用户还没有得到足够的子载波，则进入步骤415。
完成步骤413后，进入步骤415，令k＝k+1。然后在步骤417进行判断，如果k≤K，则进入步骤407，反之在步骤419结束流程。
性能分析图5示出了在12径的COST207的信道环境下本发明和传统算法RCG、ACG之间的性能比较结果。RCG是著名的子载波分配算法，接近最优的性能，而复杂度相对较低；ACG算法是RCG算法的改进，使其复杂度进一步降低。由于最优算法很难实现，所以这里用RCG和ACG算法与本发明在性能上进行比较。
表1给出了仿真系统中涉及到的具体参数，如用户数、子载波数、所采用的调制方式等等。此外，仿真中使用贪婪算法来实现比特和功率的分配。
图5的横坐标表示用户数，纵坐标表示总发射功率。从图中可以看出，本发明的性能明显优于ACG算法，并且略优于RCG算法。
复杂度分析由于ACG算法的性能远低于本发明和RCG算法，不具备可比性，因此这里只比较本发明与RCG算法的复杂度。
下面对本发明的复杂度进行简单分析计算δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)的复杂度是 利用基于比较的排序方法对其进行排序，复杂度为 在实际系统中用户数通常都是远远小于子载波数的，即K＜＜N，因此本发明的复杂度为 如果采用效率更高的线性排序法，本发明的复杂度可降低到 RCG算法的复杂度主要依赖于信道的状态在最好的情况下，其复杂度为 在最糟的情况下，其复杂度高达 也就是说，RCG算法的复杂度在 之间波动。
在实际系统中，算法的最大复杂度往往是决定其可行性的重要因素之一。RCG算法的最大复杂度为 所以无论本发明采用基于比较的排序方法还是线性排序方法，RCG算法的复杂度都远远大于本发明的复杂度。
权利要求
1.一种适用于正交频分多址(OFDMA)系统的动态子载波分配方案，该方案的特征在于，基站根据各用户的信道状态信息，确定统一的子载波分配优先级，然后依次将各个子载波分配给对应的用户。
2.根据权利要求1所述的基于统一优先级的动态子载波分配方案，其特征在于，确定子载波分配优先级的步骤如下对于第k个用户，根据其在第n个子载波上的信道状态信息，计算出Pk，n；根据其在所有子载波上的平均信道增益，计算出Pk；Pk，n与Pk的差值δk，n作为决定第n个子载波对第k个用户分配次序的依据。通过对δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)从小到大进行排序确定子载波分配的优先级。
3.根据权利要求2所述的确定子载波分配优先级的方法，其特征在于，计算Pk的步骤如下计算第k个用户的平均信道增益h‾k=Σn=1N|hk,n|2/N;]]>计算Pk＝fk(Rk/mk)/hk。这里，hk，n表示第k个用户在第n个子载波上的信道衰落系数，N表示子载波数，Rk表示第k个用户在每个OFDM符号内传输的比特数，mk表示第k个用户应该分配的子载波数，fk(x)表示在信道增益等于1时，第k个用户在某一个子载波上实现可靠接收x个信息比特所需的发射功率。
4.根据权利要求2所述的子载波分配优先级的确定方法，其特征在于，计算δk，n的步骤如下计算Pk，n＝fk(Rk/mk)/|hk，n|2；计算δk，n＝Pk，n-Pk。
5.根据权利要求2所述的子载波分配优先级的确定方法，其特征在于，δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)从小到大的顺序即为子载波的分配次序，即δk，n越小，将第n个子载波分配给第k个用户的优先级就越高。
6.根据权利要求1所述的基于统一优先级的动态子载波分配方案，其特征在于，根据子载波的分配优先级对子载波进行分配的步骤如下在δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)中挑选出最小值对应的用户和子载波编号(分别记为α和β)。将第β个子载波分配给第α个用户。更新δk，n(k＝1，2，...，K，n＝1，2，...，N)，重复以上步骤直到所有子载波都被分配。
7.根据权利要求6所述的更新δk，n的方法，其特征在于，令δ1，β＝δ2，β＝…＝δK，β＝NaN，即第β个子载波将不能再被其他用户使用；若分配给第α个用户的子载波数等于mα，则令δα，1＝δα，2＝…＝δα，N＝NaN，即第α个用户不再参与后面的子载波分配。
全文摘要
本发明提供了一种基于统一优先级的动态子载波分配方案，适用于正交频分多址(OFDMA)系统。其子载波分配的基本原则是基站根据各用户的信道状态信息，确定统一的子载波分配优先级，然后依次将各个子载波分配给对应的用户。与传统的子载波分配方案相比，本发明提供的方案在保证近优性能的同时大幅度降低了算法的复杂度。
文档编号H04J11/00GK1917492SQ200610089658
公开日2007年2月21日 申请日期2006年7月10日 优先权日2006年7月10日
发明者李非非, 罗振东, 谢刚, 赵毅, 刘元安 申请人:北京邮电大学