专利名称：一种ofdm动态资源分配的方法
技术领域：
本发明涉及单用户OFDM系统中的动态资源分配，特别涉及一种OFDM动态资源的 快速、简单的自适应资源分配的方法。
背景技术：
近些年来，无线通信技术正以飞快的速度向前发展。随着广大用户对各种实时多 媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的无线通信技术将会有更 高的数据传输速率，以满足更多用户的需求，为广大用户提供更多的便利。在当前能够提供 高数据速率传输的各种无线解决方案中，正交频分复用(OFDM)技术以其频谱利用率高和 抗干扰能力强的优点受到了广泛的重视。但是，在传统的OFDM系统中，系统的性能却要受 到最差子信道的限制，因此，为了减小这种限制，更充分的利用资源(带宽和功率)，我们可 以采用自适应技术。自适应技术就是根据各子信道的信道条件不同，自适应的改变调制方式、发送功 率等，以便最大限度地利用资源，从而有效提高频谱效率，这一点在无线通信中尤为重要。 目前，OFDM系统的自适应技术研究主要是从以下两个角度出发的(1)发射功率和系统传 输性能(BER) —定的条件下，实现信息传输速率的最大化，即RA准则；(2)信息传输速率和 传输性能(BER) —定的条件下，使得发射功率最小化，即MA准则。Greedy算法是最早提出的算法，该算法思想简单，通过每次分配一个比特给增加 这一个比特所需功率增量最小的子载波使得该算法的性能达到最优，但是该算法的复杂度 很高；Krongold算法是一种利用拉格朗日乘数法的算法，该算法虽然可以在能够达到最优 结果的条件下降低算法的复杂度，但是由于需要在很大范围内查找λ值，在实际的信道条 件下复杂度仍然较高。其他一些算法致力于在次优结果条件下降低算法的复杂度。Chow算 法利用迭代的方法不断调整裕量值，使分配的比特数在设定的最大迭代次数内尽可能接近 要求的目标比特数，然后逐比特调整，该算法通过将功率平均分配到各个子载波降低了算 法的复杂度，但是却不能达到最优结果，并且在有的信道条件下算法经常产生振荡而永远 不收敛Jang算法是基于注水线迭代的算法，该算法通过不断调整注水线的值，用注水原 理分配各个子信道上的比特和功率，但是该算法在某些信道条件下和Chow算法一样，会产 生振荡而永远都不能收敛，并且该算法以分配功率小于目标功率为结束条件，这是非常不 合理的。
发明内容
针对现有各类方法的不足，本发明提供一种单用户OFDM系统中快速、简单的利用 最优分配结果的分布规律直接进行比特分配的自适应资源分配模块的设计方法。一种OFDM动态资源分配的方法，由自适应资源分配模块完成，它是由参数初始化 模块、比特分配模块、分界线调整和判断结束条件模块依次相连接构成，该方法步骤如下1)开始自适应资源分配前，首先要将已知的参数值(如目标比特数，各子信道的信道增益、噪声方差，目标误码率，每个子信道上允许传输的最大比特数，等等)输入参数 初始化模块，对参数进行初始化；la)任意指定一个初始的分界线值η ；lb)初始化分界线的上限Huppct和下限H1otct为不可能出现的值，如10000和-1 ；Ic)初始化分配的总比特数的上限Ruppct和下限R1。■为不可能出现的值，如10000 和-1 ；2)将参数初始化模块输出的参数初始值输入比特分配模块，计算各个子载波上分 配的比特数；2a)从子信道n = 1开始；2b)对子信道n，用公式kn = η n/ η，将η n对η归一化；2c)利用(7)式，计算子信道n上分配的比特数bn;2d)如果bn < 0，那么将该子信道上传送的比特数置为0，即bn = 0 ；2e)如果bn > Rmax，那么将该子信道上传送的比特数置为Rmax，即bn = Rfflax ；2f)判断n是否小于N 如果是，转向下一条；否则，转向2h)；2g)将子载波加一，BPn = n+Ι，然后转向2b)；2h)用公式
，计算该符号上传送的总比特数，转向步骤3)；3)将已分配的总比特数、目标比特数、分界线的上下限和已分配总比特数的上下 限输入到分界线调整和判断结束条件模块中，调整分界线的位置，并判断结束条件是否满 足；3a)比较已分配总比特数Rttrtal和目标比特数Rt arg et的大小；如果相等，转向步骤 4)；否则，转向下一条；3b)判断Rtotal是否大于Rt arg et ？如果是，转向下一条；否则，转向3d)；3c)将分界线左移，即用nuppCT = min( Jlupper, n)更新分界线值的上限，用Ruppct = min(Rupper, Rlotal)更新 RT。tal 的上限，转向 3e)；3d)将分界线右移，即用ηlower = max(nlower, η)更新分界线值的下限，用Rlmrer = max(Rlower, Rlotal)更新Rlotal的下限，转向下一条；3e)判断分界线的上、下限是否都已经不再等于初始设置的不可能出现的值 10000和-1 如果是，转向3f)；否则，转向3g)；3f)用(6)式更新分界线的值，转向步骤3h)；3g)用公式
更新分界线的值，转向步骤3h)；3h)判断Rtotal和Rtoget差的绝对值是否小于预先设定的门限值Threshold ？如果 是，用贪婪算法逐比特调整，直至Rt。tal = Rlarget，转向步骤4)；否则，迭代次数加1，转向步骤 2)；4)该符号周期内，各个子信道上的比特和功率分配结束，进行下一符号周期的资 源分配。注1、如果是连续的对多个OFDM符号进行资源分配，为了进一步降低算法的复杂 度，考虑到信道在相邻的符号间变化不大，所以后面的符号可以使用其前一个相邻符号的分界线计算结果作为初始的分界线，这样可以提高收敛速度。2、算法收敛到剩余较小比特差值时停止迭代，改为逐比特调整，是基于如下考虑 当出现类似于图6所示的信道时，需要的迭代次数较大，但是算法经过少数迭代即非常靠 近目标。如果算法迭代到离目标值很小时停止迭代，改为逐比特调整，可以用较小的计算复 杂度达到最优的结果。本发明方法所使用的数学模型为以功率最小化(MA)问题作为例子，假设发送端 可以准确的得到各个子信道的信道状态信息(CSI)，信道是频率选择性衰落信道。最优化问 题的数学模型可描述为 其中，pn、比和gn分别是子信道η上的发送功率、分配的比特数和功率增益，gn =|Hn|2;Rt。tal是目标比特数，BERtogrt是目标误码率；Γ是信噪比差额，是由调制方式 和误码率决定的，假设各子载波都使用MQAM调制，不考虑信道编码，Γ与误码率BER之
间的关系为
σ2是噪声方差，这里假设各子信道的噪声功率相等，即
σΧη=Λ,2,-·.,Ν。本发明方法的理论分析如下我们对由Greedy算法(最优算法)得到的各个子载 波的比特和功率分配结果进行分析，从而找到规律。子载波η在已经分配了 Iv1个比特的基础上再增加1个比特所需的功率增量为
(3)Greedy算法就是根据(3)式对各子载波进行逐比特分配的。因为已经假设了所 有子载波都使用MQAM调制，并且噪声功率相等，所以，这里可暂时忽略系数Γ · σ2，仅按
^=I进行比特分配。(这里假设已经按照ηη对所有的子信道从小到大排好序，不失一 Sn
般性，设H1 <、<丨< η1(1，这只是为了分析方便，并不是本发明中的算法所需要的。) 分配完后必然是如图5所示的阶梯形状，下面用反证法给出证明。证明假设三组相邻的子信道G,、Gr+1和G,+2，在这三组子信道上分别分配R+l、R和R-I 个比特。假设GjPGrt的分界线为L1 = η。即㈧对任意子信道CHk，若nk = η+ε， ε任意小，则子信道CHk归入Grt组，即分配R个比特。⑶若Ilk= n-ε , ε为0或任意 小，则子信道CHk归入Gr组，即分配R+1个比特。下面用反证法证明Grt和G，2组的分界线为2 n ①假设Grt和G，2组的分界线L2 >2 11，不妨设1^2 = 2 11+5￡1，￡1任意小。则若有子信道CHm，其nm = 2 η+4 ε工，那么子信 道CHm应归入Grt组，它增加最后一个比特(第R个比特)需要的功率增量为Δρω,κ = 2κ· (η+2￡ι)。设另有子信道CHn，其nn = η + ε i，它增加第R+l个比特需要的功率增量为Δ Pn,糾=2Κ · ( η + ε J < 2E · ( n+2 ε = Δ pm,K。根据 Greedy 最优算法子信道 CHn可以分配R+1个比特，即将子信道CHn归入&组，这和㈧矛盾。因此，假设不成立，即 应该有L2<2ii. (C)0②假设L2<2II，按照与上面相似的分析，可得出与(B)相矛盾，因 此应该有L2彡2 η . (D)。③综合(C)和⑶，可得到L2 = 2 η。(证毕)由此，可以方便地推得相差一个比特的各子信道组的分界线分别为 根据上面的分析，可以根据预先计算出的分界线值η和各子信道的1值，将不 同的子信道归入不同的组中，直接为各子信道分配相应的比特，然后计算出分配的总比特 数Rt。tal，这样得到的比特分配情况一定是总比特数为Rtotal时的最优比特分配结果。由于预 先确定的分界线值η不一定准确，所以需要进行迭代调整。即如果Rttrtal兴RTmgrt，那么按 照一定的步长St印向左或向右调整分界线η的位置，直到RtotalE Rt mgrt。这就形成了一 种基于直接分配的新的迭代算法。在算法的实际实现中，需要解决如下三个问题①η和R的初始值怎么确定，才能 使第一次计算的结果Rt。tal尽量接近Rt arg et ；②调整n的步长St印如何确定，以加快收敛 速度并保证收敛到最优解；③如何根据1和n，使用最简的计算将各子信道归入不同的 组中，即使用最简便的方法为他们分配比特数，以降低复杂度。下面分别对其分析(1) n和R初始值的确定。通过对Greedy算法的分配结果进行分析，发现分配结果一般是在具有平均信噪 比(这里指的是在dB上进行平均)的子信道上分配平均比特数，即其中，Rfflax是规定的每个子信道上可以传送的最大比特数。因此η和R的初值可 以取当子载波的信噪比在区间[n-1.5dB，n+1.5dB]内时，为其分配R比特。但是，上述 方法需要计算N个对数，复杂度较高。仿真发现，提出的方法收敛速度非常快，而且基本与 初始n无关，比如，将初始值设在10_5° IO4之间，算法都可收敛，且收敛速度基本相同。 因此，为了进一步降低算法的复杂度，实际实现时η的初始值可以任意指定，如指定为1 10之间的任何数。(2) n的改变步长St印的确定。根据图5，若Il改变3dB，则分配的总比特数会增加或减少约N个比特，以此为依 据计算初始步长
R -RStep(dB) = 3^(5)
N但是由于信道信噪比分布的不均勻性，例如图6，当分界线组中任一条线在斜率转 折点附近变化时，会引起比特变化的振荡，使得算法收敛困难。在这种情况下，用这种方法 更新并不精确，在某些特殊情况下会出现振荡，收敛速度减慢。为解决此问题，可以用下述 方法当分界线值的上下限都重新设定过以后，分界线值的更新用夹逼法来确定。即分界线 的值不再利用Rtotal和Rt arg et的关系确定，而是利用分配结果的上、下限值，上、下限值对应
6的n值以及目标比特数之间的关系确定，具体方法如下
(6)这种方法可以保证分配结果不断靠近目标比特数，永远不会超出上下限而出现振 荡，使得算法总是快速收敛。(3)如何根据给出的分界线值η和ηη，n = 1,2,…，N，将各子信道归入不同的 组，也就是说，确定各子信道分配的比特数。 根据⑷，各子信道CHn，n = 1，2，…，N的比特分配情况如下:
为了减小计算量，我们可以把1对η进行归一化，即t =^，" = U…，#，上式
变为 以上计算虽然看起来复杂，但是却很容易在实际的硬件系统(假设使用的是8位 的CPU)中实现。方法是将kn(若kn彡1)或l/kn(若kn < 1)的整数部分装入累加器，通 过检测高位连0的个数(可用位测试或循环左移来实现)，可以确定出各子信道上分配的比
特数，如下式 其中，X1是kn > 1时，将kn的整数部分装入累加器后高位连0的个数；x2是kn < 1时，将kn的倒数的整数部分装入累加器后高位连0的个数。本发明可以应用到所有速率最大化(RA)和功率最小化(MA)问题中，在保证一定 可以快速收敛到最优解的条件下，大大降低了算法的复杂度，其总体复杂度低于所有的次 优算法。本发明中算法的优点主要有(1)能够直接给出分界线η下的最优比特分配结 果，然后用夹逼法调整分界线的位置，使得算法在任何情况下都能快速收敛到最优解；(2) 当连续对多个符号进行资源分配时，由于仅对第一个符号任意指定初始分界线值，后边每 一个符号的分界线初始值都使用其前一个符号的计算结果，进一步降低了算法的复杂度。 (3)算法收敛到剩余较少比特时停止，这可以有效降低算法的迭代次数，且需要调整的比特 数也是固定的，使得本算法在最恶劣信道条件下的复杂度也是可以预测的，并且较低；(4) 算法中没有复杂度高的计算步骤，总体复杂度大大降低，在保证最优分配结果的情况下，总 体复杂度低于所有的次优算法。本发明方法也可以用在速率最大化(RA)问题中，只要用下述方法调整分界线 (1)没有确定上下边界时，用St印(dB) = Pt arg et_Pt。tal作为初始步长；(2)当分界线值的 上下限都更新以后，只要将上述方法中的目标比特数、分配比特数改为目标功率值、分配功 率值，分界线的调整值按照上下限功率值及其对应的Π值、目标功率值之间的关系计算即 可，其计算公式如下
(8)其中，JIuppct和JI1otct分别是分界线的上、下限，Pupper和P1otct分别是分配功率的 上、下限，Px arg et是目标功率，Ptotal是分配的总功率。并且，也可以限制每个子信道上使用的调制方式(如:WIMAX中仅允许QPSK\16QAM\64QAM 三种调制方式)。仿真结果表明，算法同样能够收敛到最优解，且复杂度不高。
图1为本发明中所用的自适应资源分配模块的结构框图，其中1、自适应资源分 配模块，2、参数初始化模块，3、比特分配模块，4、分界线调整和判断结束条件模块。图2为本发明方法的流程框图；其中1)_4)是其各个步骤。图3为本发明方法中步骤2)的流程框图；其中2a)_2h)是其各个步骤。图4为本发明方法中步骤3)的流程框图；其中3a)_3h)是其各个步骤。图5是按照信道条件排序后，各子信道上的最优比特分配情况，其中横坐标为不 同的子信道(假设共有10个子信道，且已经按照信道增益排好序，即最左边的子信道1的 信道条件最好，最右边的子信道10的信道条件最坏)；纵坐标为不同的子信道上分配的比 特数(单位是bit)。图6是某个时刻上，将所有子信道(N = 256)的功率增益按照升序排列后的情况。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不限于此。
实施例如图1所示，一种OFDM动态资源分配的方法，由自适应资源分配模块1完成，它是 由参数初始化模块2、比特分配模块3、分界线调整和判断结束条件模块4依次相连接构成， 该方法步骤如下1)开始自适应资源分配前，首先要将已知的参数值(如目标比特数，各子信道的 信道增益、噪声方差，目标误码率，每个子信道上允许传输的最大比特数，等等)输入参数 初始化模块2，对参数进行初始化；la)任意指定一个初始的分界线值η ；lb)初始化分界线的上限Huppct和下限H1otct为不可能出现的值，如10000和-1 ；Ic)初始化分配的总比特数的上限Ruppct和下限R1。■为不可能出现的值，如10000 和-1 ；2)将参数初始化模块2输出的参数初始值输入比特分配模块3，计算各个子载波 上分配的比特数；2a)从子信道n = 1开始；2b)对子信道n，用公式kn = η n/ η，将η n对η归一化；2c)利用(7)式，计算子信道n上分配的比特数bn;2d)如果bn < 0，那么将该子信道上传送的比特数置为0，即bn = 0 ；2e)如果bn > Rmax，那么将该子信道上传送的比特数置为Rmax，即bn = Rfflax ；2f)判断n是否小于N 如果是，转向下一条；否则，转向2h)；2g)将子载波加一，即n = n+Ι，然后转向2b)；2h)用公式
，计算该符号上传送的总比特数，转向步骤3)；3)将已分配的总比特数、目标比特数、分界线的上下限和已分配总比特数的上下 限输入到分界线调整和判断结束条件模块4中，调整分界线的位置，并判断结束条件是否 两足；3a)比较已分配总比特数Rttrtal和目标比特数Rt arg et的大小；如果相等，转向步骤 4)；否则，转向下一条；3b)判断Rtotal是否大于Rt arg et ？如果是，转向下一条；否则，转向3d)；3c)将分界线左移，即用nuppCT = min( Jlupper, n)更新分界线值的上限，用Ruppct = min(Rupper, Rlotal)更新 RT。tal 的上限，转向 3e)；3d)将分界线右移，即用= max(nlower, n)更新分界线值的下限，用R1otct = max(Rlower, Rlotal)更新Rlotal的下限，转向下一条；3e)判断分界线的上、下限是否都已经不再等于初始设置的不可能出现的值 10000和-1 如果是，转向3f)；否则，转向3g)；3f)用(6)式更新分界线的值，转向步骤3h)；3g)用公式
更新分界线的值，转向步骤3h)；3h)判断Rtotal和Rt arg et差的绝对值是否小于预先设定的门限值Threshold ？如 果是，用贪婪算法逐比特调整，直至Rt。tal = Rt arg ，转向步骤4)；否则，迭代次数加1，转向步骤2)；4)该符号周期内，各个子信道上的比特和功率分配结束，进行下一符号周期的资 源分配。表1给出了本发明用到的参数列表。我们对20000个OFDM符号做了仿真，由仿真 结果可以看出，本发明算法在任何信道条件下都能够快速收敛到最优解。所有的符号都能 在5次迭代内收敛到预先设定的门限值Threshold内，其中只有20个符号达到了最大的迭 代次数5次，78%的符号能够在2次迭代内收敛到门限值Threshold内；有927个符号的调 整次数达到了最大调整次数12次，平均调整次数只有5. 3次。由此可见，本发明算法在能 够快速收敛到最优解的前提下，大大降低了算法的复杂度，而且算法的最大计算复杂度是 一个确定值。这对系统实现是非常有利的。表1本发明的自适应资源分配算法的参数列表
权利要求
一种OFDM动态资源分配的方法，由自适应资源分配模块完成，它是由参数初始化模块、比特分配模块、分界线调整和判断结束条件模块依次相连接构成，该方法步骤如下1)开始自适应资源分配前，首先要将已知的参数值输入参数初始化模块，对参数进行初始化；1a)任意指定一个初始的分界线值η；1b)初始化分界线的上限ηupper和下限ηlower为不可能出现的值，如10000和 1；1c)初始化分配的总比特数的上限Rupper和下限Rlower为不可能出现的值，如10000和 1；2)将参数初始化模块输出的参数初始值输入比特分配模块，计算各个子载波上分配的比特数；2a)从子信道n＝1开始；2b)对子信道n，用公式kn＝ηn/η，将ηn对η归一化；2c)利用(7)式，计算子信道n上分配的比特数bn；2d)如果bn＜0，那么将该子信道上传送的比特数置为0，即bn＝0；2e)如果bn＞Rmax，那么将该子信道上传送的比特数置为Rmax，即bn＝Rmax；2f)判断n是否小于N？如果是，转向下一条；否则，转向2h)；2g)将子载波加一，即n＝n+1，然后转向2b)；2h)用公式计算该符号上传送的总比特数，转向步骤3)；3)将已分配的总比特数、目标比特数、分界线的上下限和已分配总比特数的上下限输入到分界线调整和判断结束条件模块中，调整分界线的位置，并判断结束条件是否满足；3a)比较已分配总比特数Rtotal和目标比特数RT arg get的大小；如果相等，转向步骤4)；否则，转向下一条；3b)判断Rtotal是否大于RT arg et？如果是，转向下一条；否则，转向3d)；3c)将分界线左移，即用ηupper＝min(ηupper，η)更新分界线值的上限，用Rupper＝min(Rupper，RTotal)更新RTotal的上限，转向3e)；3d)将分界线右移，即用ηlower＝max(ηlower，η)更新分界线值的下限，用Rlower＝max(Rlower，RTotal)更新RTotal的下限，转向下一条；3e)判断分界线的上、下限是否都已经不再等于初始设置的不可能出现的值10000和 1？如果是，转向3f)；否则，转向3g)；3f)用(6)式更新分界线的值，转向步骤3h)；3g)用公式更新分界线的值，转向步骤3h)；3h)判断Rtotal和RT arg et差的绝对值是否小于预先设定的门限值Threshold？如果是，用贪婪算法逐比特调整，直至Rtotal＝RT arg et，转向步骤4)；否则，迭代次数加1，转向步骤2)；4)该符号周期内，各个子信道上的比特和功率分配结束，进行下一符号周期的资源分配。FSA00000241767000011.tif,FSA00000241767000021.tif
全文摘要
一种OFDM动态资源分配的方法，属数字通信技术领域，由自适应资源分配模块完成，它由参数初始化模块、比特分配模块、分界线调整和判断结束条件模块依次相连接构成。该方法步骤为1)开始前，先将参数值输入参数初始化模块进行初始化；2)将参数初始化模块输出参数初始值输入比特分配模块，计算各个子载波上分配的比特数；3)将已分配的总比特数、目标比特数、分界线的上下限和已分配总比特数的上下限输入到分界线调整和判断结束条件模块中，调整分界线的位置，并判断结束条件是否满足；4)该符号周期内，各个子信道上的比特和功率分配结束，进行下一符号周期的资源分配。本发明方法总体复杂度低于所有的次优算法。
文档编号H04L27/26GK101925068SQ20101026177
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月25日 优先权日2010年8月25日
发明者王建丽, 王金堂, 田丹, 赵新凤, 赵莉, 郑来波, 黄明娟 申请人:山东大学