专利名称：分布式多入多出正交频分复用系统中资源分配方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别地涉及一种分布式多入多出正交频分复用系统中 资源分配方法。
背景技术：
用户之间的公平性是无线资源分配需要考虑的重要因素。传统的无线网络采用的 原则一般是，首先满足每个用户的最小速率需求，然后将剩余资源全部分配给信道条件好 的用户，以保证系统的整体的资源利用率。然而，这样做将造成用户之间的极度“不公平”。 解决这种不公平问题的最直接办法就是让每个用户都接收相同的服务，即保证“绝对”的公 平，显然，这种绝对的公平将造成系统资源利用率的下降。因此，公平性与系统资源利用率 之间需要进行合理的折中。一般而言，系统资源利用率可通过系统获得的误码性能或容量性能来考察。以容 量最大化为目标的最优天线与子载波分配方法的基本原理是将天线与子载波等效为空频 子信道，进而依据一定的准则(如使系统容量最大化)通过遍历搜索的方式将子信道分配 给用户。若系统具有Nt根发射天线，M个子载波，K个用户，则系统共有Nt ·Μ个子信道，采用 这种方法总共要进行火 Μ次搜索，而且需要每个用户反馈其在所有天线和子载波上所支 持的最大速率。显然，如此庞大的计算量和反馈开销使得这种方法很难应用在实际的分布 式MIM0-0FDM(多入多出正交频分复用)系统中。为了解决最优分配方法存在的问题，当前 的 MASA(Multi-user Antenna & Sub-carrierAllocation)方法需要基站与用户端都有一 定的选择和计算能力，在假设功率平均分配的情况下，通过先选择天线再选择用户的过程， 避免了遍历搜寻每个用户上所有天线与子载波的组合，从而大大降低了运算的复杂度。这 种方法的容量性能与最优分配方法相接近，另一个优点是用户只需反馈其在每个子载波上 的最优天线序号及其相应的速率，不需要反馈所有的信道状态信息，反馈开销较低。然而， 这种方法没有考虑系统天线数量大于用户数的情况，导致在用户数相对较少时系统性能有 所损失。另外，这种方法未考虑用户间的公平性。当前考虑用户公平性的分层资源分配方法 将分布式MIM0-0FDM系统中的资源分配问题分解成接入点级资源分配和用户级资源分配， 并借鉴合作博弈论中的“纳什议价解”公平性准则，保证了接入点和用户两个级别上的公平 性。但是，这种方法假定了每个子载波在一个分配时隙内只能由一个用户占用，且以部分容 量性能代价换取用户间的公平性，因此，其所能达到的容量性能十分有限。综上所述，当前需要一种新的资源分配的技术方案，来解决分布式多入多出正交 频分复用系统中考虑用户公平性时存在的上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式多入多出正交频分复用系统中资 源分配方法，解决了进行资源分配，在考虑用户公平性时存在的容量性能较低的问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种分布式多入多出正交频分复用系统中资源分配方法，包括小区内每个用户分别根据得到的信道状态的数据计算小区内各个端口为其提供 的最大速率，根据得到的结果选择通信端口 ；各用户根据相应选定通信端口为其提供最大速率，按比例将最小速率需求反馈至 各端口 ；确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供 的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速 率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的每根天线对应的全部用户中选择速率最 大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，更新用户所获速率，判断若用户所获速率 大于等于其最小速率需求，则将该用户从该端口的用户集中去除，更新用户集，完成资源分 配。进一步地，上述方法还可包括，所述小区内每个用户是通过信道估计获得所述信 道状态的数据。进一步地，上述方法还可包括，所述确定为通信端口的端口下属的全部用户分别 计算该端口内的全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，是 指若所述端口下属的用户的最小速率需求均未得到满足，则为每根天线选择最佳用 户；或者若已有部分用户的最小速率需求已得到满足，则为每根天线选择用户的策略调整 为优先保障最小速率需求未得到满足的用户。进一步地，上述方法还可包括，所述端口是并行地为选择的作为服务对象的用户 分配天线和子载波，完成资源分配。进一步地，上述方法还可包括，所述端口更新用户集后，还包括更新该端口的天线 集，完成资源分配。进一步地，上述方法还可包括，所述端口若判断该端口内天线由于对应的信道与 其他天线相比较差而没被任何用户选中，且该端口内每根天线下属的全部用户中仍有用户 未分到资源，则所述端口内每根天线下属的未分到资源的用户分别计算该端口内的未分配的 全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天 线编号及对应速率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的未分配的全部天线中每根天线对应的未 分到资源的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，更新用 户所获速率，判断若用户所获速率大于等于其最小速率需求，则将该用户从该端口的用户 集中去除，更新用户集，完成资源分配。进一步地，上述方法还可包括，所述端口若判断该端口内每根天线下属的所有用 户的最小速率需求均已得到满足，且该端口的天线集中尚有天线未被分配出去，则将未被分配出去的天线依据纳什议价解分配给用户，完成资源分配。与现有技术相比，应用本发明，避免了遍历搜索，且不再需要反馈全部CSI，因而 能够大大降低计算复杂度和反馈量；与MASA方法相比，第一，本发明综合考虑了不同用户数的情况，因此在用户数相对较少且用户的最小速率需求较大的时候，容量性能优于MASA 方法，第二，兼顾了用户之间的公平性，能够实现系统容量性能与用户公平性之间的有效折 中，第三，虽然由于端口选择，用户所能分配到的资源范围变小，导致在用户数相对较多时， 容量性能稍有损失，但是本发明涉及的这种端口并行处理的方法能够提高时间的利用率， 优化系统的工作效率。总之，本发明能够实现通信系统性能与用户公平性的有效折中，并行 处理的方法符合分布式MIM0-0FDM系统的设计思路，因此更适用于分布式MIM0-0FDM系统， 可以为未来无线通信系统的资源分配方案提供重要的理论依据和具体的实现方法。
图1是本发明的分布式MIM0-0FDM系统中资源分配方法的流程图；图2是实例中单小区多用户分布式MIM0-0FDM系统的仿真环境的示意图；图3是实例中基于部分CSI反馈的多用户分布式MIM0-0FDM系统下行链路框图；图4是实例中小区内各用户获得其相应的信道矩阵的流程图；图5是实例中资源分配的流程图；图6是基站端天线端口数N = 4，每个端口内天线数为L = 2，用户数为K = 5，每 个用户终端天线数为凡=2，用户最小速率需求分别为[5，5，...，5]bits/s/Hz, [3，3，...， 3]bits/s/Hz, [1,1, ...，l]bits/s/HZ时，系统容量随子载波平均信噪比SNR变化的示意 图；图7是N = 4，L = 2，凡=2，SNR = IOdB时，系统容量随用户数量变化的示意图；图8是不同用户数下本发明方法与MASA方法的公平指数比较的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。本发明涉及的基于纳什议价解的天线与子载波分配方法可以针对多用户分布式 MIM0-0FDM系统中的天线与子载波资源进行联合分配，且能够实现用户公平性与系统容量 性能的有效折中。本发明的主要构思在于本发明为基于纳什议价解的天线与子载波分配 (MNBSASA， Multi-user Nash Bargaining Solution-based Antenna &Sub_carrier Allocation)方法，通过以下技术方案实现首先依据计算复杂度容限设定用户通信静态 端口数(保证既能发挥多端口优势，又可以降低部分复杂度)，并以此为每个用户选取信道 状况最好的若干通信端口进行通信；其次，用户根据所选端口的信道状况将最小速率需求 按比例反馈至相应端口；再者，让用户在所选端口的每个子载波上选择最优天线，并将选择 天线号及对应的最大速率通过理想的反馈信道反馈给相应端口 ；然后各端口在每根天线上 选择速率最大的用户作为服务对象，当某些用户的最小速率需求得到满足时，端口的资源 分配策略调整为优先保障需求仍未得到满足的用户，若所有用户的最小速率需求均已得到 满足而系统仍有资源剩余，则将剩余资源依据纳什议价解分配给用户。假设由小区内所有K个用户组成的集合为Ω，每个用户同时与P个天线端口进 行通信，每个天线端口下属的用户集合为Ωρ，端口内每根天线上的用户集为Qpa，则有
G Ωρ e Ω ；端口内的天线集为Αρ。本发明的基于纳什议价解的天线与子载波分配方法适用于分布式MIM0-0FDM系统，用于完成系统天线与子载波资源的联合分配，如图1所示， 包括如下步骤步骤110、小区内每个用户分别通过信道估计获得信道状态的数据，根据得到的信 道状态的数据计算小区内各个天线端口可能为其提供的最大速率，选择速率最大的P个端 口作为通信端口(其中，P为大于0的整数)；其中，所有用户端口选择结束后，每个端口下属Ωρ随之确定。所述信道状态的数据可以是指信道状态信息(CSI，Channel StateInformation) 0所述的用户(即终端)具有一定的计算能力，能够完成最大速率的计算以及端口 选择的过程等，本发明对此不作任何限定。步骤120、各用户根据相应选定通信端口所能为其提供最大速率，按比例将最小速 率需求反馈至各端口；步骤130、确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线 可能为其提供的最大速率，选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速率 的用户信息通过最优反馈信道反馈至相应端口；对于每一端口，Ωρ内用户分别计算~内各天线可能为其提供的最大速率，选择速 率最大的天线，并将其编号及对应速率通过理想的反馈信道反馈至相应端口，至此，端口内 每根天线上的用户集Qpa确定。所述确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其 提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，是指若所述端口下属的用户的最小速率需求均未得到满足，则为每根天线选择最佳用 户；或者若已有部分用户的最小速率需求已得到满足，则为每根天线选择用户的策略调整 为优先保障最小速率需求未得到满足的用户。步骤140、端口根据收到的用户信息，为该端口内的每根天线从对应的全部用户中 选择速率最大的一个用户作为服务对象，分配天线和子载波，更新该端口的天线集、用户集 及用户所获速率，判断若有用户所获速率大于等于其最小速率需求，则将该用户从Qpa中 去除，完成资源分配。端口根据接收到的用户信息为下属的每根天线从相应的Qpa内选择速率最大的 一个用户作为服务对象，更新该端口的用户集及用户所获速率。对于端口内个别天线由于对应的信道与其他天线相比较差而没被任何用户选中， 且Ωρ中仍有用户的最小速率需求未得到满足，针对未被选中的天线和最小速率需求未得 到满足的用户继续实施步骤130和步骤140，完成资源分配。对于Ωρ所有用户的最小速率需求均已得到满足，而Ap中尚有天线未被分配出去 的情况，将未被分配出去的天线依据纳什议价解分配给用户，完成资源分配。本发明具有如下特点(1)充分利用了分布式MIM0-0FDM系统本身架构的特点，因而更适用于分布式 MIM0-0FDM 系统；(2)依据计算复杂度容限设定用户通信静态端口数，既能发挥多端口优势，又可以 降低部分复杂度；(3)根据信道估计结果为每个用户选择信道状况最好的若干端口作为通信端口 ；
(4)资源分配过程中的端口并行处理机制可以有效提高分配效率，缩短所需时 间；(5)扩展考虑了系统天线数量大于用户数时的资源分配情况；(6)假设每个子信道在一个分配时隙内由一个用户占用，并引入“纳什议价解”公 平性准则，实现容量性能与公平性之间更好的折中。本发明的目的在于针对现有方法的不足，为多用户分布式MIM0-0FDM系统设计一 种低复杂度、低反馈开销的天线与子载波分配方法，利用分布式MIM0-0FDM系统本身架构 的特点，通过天线端口的并行处理，使基站能够快速地将天线与子载波分配给用户，在资源 分配过程中引入“纳什议价解”公平性准则，实现系统容量性能和用户公平性间的有效折 中。下面结合具体实例对本发明作进一步说明。如图2所示，构造单小区多用户分布式MIM0-0FDM系统的仿真环境，其中用户数 为2，每个用户包含2根天线，天线端口数为4，每个端口包含4根天线。后续实例都将考虑 如图2所示场景(限定系统天线端口数和分布位置)，假设矩形小区边长为1000m，四个天 线端口分别位于由坐标轴分割而成的四个小矩形的中心位置，用户均勻分布于整个小区范围。如图3所示，基于部分CSI反馈的多用户分布式MIM0-0FDM系统下行链路框图。基 站每个天线端口包含4根发射天线，每个用户终端包含2根天线，系统子载波数为64。准确 的信道状态信息在各个用户终端通过理想的信道估计获取，用户完成端口选择和端口内最 优天线选择后，将最优天线号及相应速率通过无噪声、无延迟的理想反馈信道反馈给相应 端口。本发明不涉及具体的信道估计方法。为了更准确地测试本发明对系统容量性能的影 响，在复合衰落信道下采用Monte Carlo方法进行仿真，该信道包含路径损耗、阴影衰落及 小尺度快衰落，其中小尺度快衰落的相关参数依据SCM场景设定，假设最大可分离路径数 为6。本发明不涉及信道估计的具体问题，假定每个用户终端都能获得各自全部的准确 的信道状态信息。这里重点说明仿真中采用的信道矩阵的生成方法。假设用户k到基站的信道矩阵为Hk (dk)，则有
权利要求
一种分布式多入多出正交频分复用系统中资源分配方法，其特征在于，包括小区内每个用户分别根据得到的信道状态的数据计算小区内各个端口为其提供的最大速率，根据得到的结果选择通信端口；各用户根据相应选定通信端口为其提供最大速率，按比例将最小速率需求反馈至各端口；确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的每根天线对应的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，更新用户所获速率，判断若用户所获速率大于等于其最小速率需求，则将该用户从该端口的用户集中去除，更新用户集，完成资源分配。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小区内每个用户是通过信道估计获得所述信道状态的数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供 的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，是指若所述端口下属的用户的最小速率需求均未得到满足，则为每根天线选择最佳用户； 或者若已有部分用户的最小速率需求已得到满足，则为每根天线选择用户的策略调整为优 先保障最小速率需求未得到满足的用户。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述端口是并行地为选择的作为服务对象的用户分配天线和子载波，完成资源分配。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述端口更新用户集后，还包括更新该端口的天线集，完成资源分配。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 还包括所述端口若判断该端口内天线由于对应的信道与其他天线相比较差而没被任何用户 选中，且该端口内每根天线下属的全部用户中仍有用户未分到资源，则所述端口内每根天线下属的未分到资源的用户分别计算该端口内的未分配的全部 天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编 号及对应速率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的未分配的全部天线中每根天线对应的未分到 资源的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，更新用户所 获速率，判断若用户所获速率大于等于其最小速率需求，则将该用户从该端口的用户集中 去除，更新用户集，完成资源分配。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 进一步包括所述端口若判断该端口内每根天线下属的所有用户的最小速率需求均已得到满足，且 该端口的天线集中尚有天线未被分配出去，则将未被分配出去的天线依据纳什议价解分配给用户，完成资源分配。
全文摘要
一种分布式多入多出正交频分复用系统中资源分配方法，由小区内用户选择通信端口；各用户根据相应选定通信端口为其提供最大速率，将最小速率需求反馈至各端口；确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供的最大速率，据此选择速率最大天线，并将用户信息反馈至相应端口；端口根据收到用户信息，为该端口内的每根天线对应全部用户中选择速率最大的一用户作为服务对象分配天线和子载波，更新用户所获速率，判断若用户所获速率大于等于其最小速率需求，则将该用户从该端口的用户集中去除，更新用户集，完成资源分配，若所有用户的最小速率需求均已得到满足而系统尚有资源剩余，则依据纳什议价解，完成剩余资源的分配。
文档编号H04L27/26GK101938835SQ20101016853
公开日2011年1月5日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者仵国锋, 任修坤, 崔维嘉, 王大鸣, 郑娜娥 申请人:中国人民解放军信息工程大学