专利名称：一种ofdma 系统中基于效用的无线资源分配方法
技术领域：
本发明属于无线资源分配技术领域，涉及一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法。
背景技术：
OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址)是以OFDM技术为基础发展起来的，它的基本思想是将高速数据流分散到多个子载波上传输，这些子载波之间是相互正交的。从而大幅度地降低了子载波上的符号速率，使符号的持续时间加长，因此可以抵抗时延扩展，大大减小了符号间干扰。OFDM调制中，各个子载波之间是相对独立的，每条子载波可以有自己特定的调制方式和发射功率电平，OFDMA与常规的频分复用FDMA相似，但是FDMA需要有保护频带，而OFDMA不需要保护频带，避免了频带资源的浪费。在无线网络中，无线频谱资源稀缺，无线资源被越来越多的用户所共享，无线资源的分配和调度方法是无线网络研究的重要课题。随着对多媒体业务支持需求的日益增长，例如国际协议电视，在线游戏和远程医疗等，所需的传输带宽也要随之增长。带宽的增长导致了系统性能的下降，这时因为频率选择性衰落会引起的符号间干扰。正交频分多址(OFDMA)物理层(PHY)和媒体接入控制(MAC)技术避免了频率选择性，另外，OFDMA分配一组可用的子载波集给每个用户而不需要在整个带宽范围传输，因此，可以节省传输功率。而且，当子载波增益随着时间变化的同时，OFDMA可以利用多用户特性更新它的子载波分配，得到多用户分集增益。多用户OFDMA系统的自适应资源分配，通过利用多用户分集，在不增加网络设施的情况下，也可以达到更高的频谱效率。在3GPP LTE的标准化进程中，OFDMA已经成为下行链路的主流多址方案，同时OFDM技术也是上行链路的 热门技术。WiMAX论坛的调制方案也选择0FDMA。OFDMA也成为IEEE802. 16中的核心物理层技术，IEEE802. 16d标准和802. 16e标准分别提出了固定带宽无线接入和移动带宽无线接入标准。正是由于带宽和功率资源是有限的，基站需最大效率地分配它们。传统关于OFDMA资源分配的研究大多都只集中在物理层，然而基于分层的网络结构不利于资源的有效利用。在只考虑物理层优化时，通常分组被假设成无限长，而实际系统中，数据分组的到达是随机的，所以会导致资源的浪费，降低频谱资源利用率和用户的QoS等级。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，可以更好地结合物理层和MAC层特征，从而更加有效地分配资源。本发明是通过以下技术方案来实现一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，包括以下步骤I)在单小区多用户下行OFDMA系统中，M个用户被同一个基站服务，共有K种可选择的调制方式，系统被分成N条相互正交的子载波，所有用户的数据包到达过程服从泊松分布，每个时隙都有新的数据包到达，用户的数据队列长度L等于当前时隙新到达的数据包量与队列中剩余数据包量之和；用户在子载波上的效用函数为X,a), Unmk的值表示将子载波n G {I,. . . , N}分配给任意用户m G {I,. . . , M}并且采用调制方式k G {I,. . . , K}所能得到的收益；Unmk不仅考虑可达速率r，时延T和用户QoS系数a的影响，还将用户的数据队列长度L和已发数据包数量Nt的信息考虑在内；效用函数Unmk是r，T和L的单调递增函数，是Nt的单调递减函数；2)资源分配在每条子载波上执行，在分配时找到子载波分配矩阵Inxmxk使OFDMA系统总效用最大化，该矩阵表示每条子载波分配给了哪个用户及其调制方式和每个用户分配到了哪些子载波；Inmk是子载波分配指示矩阵Inxmxk中的任意元素，表示子载波n是否已分配给调制方式为k的用户m，它的取值为0或LInmk G {0,1}；当Inmk=I时，表示子载波n已分配给调制方式为k的用户m;当Inmk=O时，则没有将子载波n分配给调制方式为k的用户m ；采用拉格朗日数乘法进行优化，优化目标为
权利要求
1.一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤 1)在单小区多用户下行OFDMA系统中，M个用户被同一个基站服务，共有K种可选择的调制方式，系统被分成N条相互正交的子载波，所有用户的数据包到达过程服从泊松分布，每个时隙都有新的数据包到达，用户的数据队列长度L等于当前时隙新到达的数据包量与队列中剩余数据包量之和； 用户在子载波上的效用函数为X, a), Unmk的值表示将子载波n G {I,. . . , N}分配给任意用户m G {I,. . . , M}并且采用调制方式k G {I,. . . , K}所能得到的收益； unmk不仅考虑可达速率r，时延T和用户QoS系数a的影响，还将用户的数据队列长度L和已发数据包数量Nt的信息考虑在内；效用函数！!-是!"，T和L的单调递增函数，是Nt的单调递减函数； 2)资源分配在每条子载波上执行，在分配时找到子载波分配矩阵Inxmxk使OFDMA系统总效用最大化，该矩阵表示每条子载波分配给了哪个用户及其调制方式和每个用户分配到了哪些子载波； Inmk是子载波分配指示矩阵Inxmxk中的任意元素，表示子载波n是否已分配给调制方式为k的用户m，它的取值为O或LInmk G {0, 1}； 当Inmk=I时，表示子载波n已分配给调制方式为k的用户m ;当Inmk=O时，则没有将子载波n分配给调制方式为k的用户m ； 采用拉格朗日数乘法进行优化，优化目标为
2.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，包括以下操作 初始化所有子载波的分配在每个时隙的开始进行，每一条子载波在未分配前，不属于任何用户，初始化子载波分配矩阵 Inxmxk-O 和所有拉格朗日乘子、n=0, n=l,. . .，N ; 子载波预分配按步骤2)进行子载波预分配，子载波分配给在其上传输具有最大效用的用户及调制方式，根据调制方式和用户在该子载波上的信噪比，得到子载波所需要的功率，该功率不大于能分配给该子载波的最大限制功率； 在满足子载波功率限制的条件下，如果在某条子载波上可选择的调制方式有两个以上，则该子载波选择使其效用值最大的调制方式； 在所有的子载波都预分配完毕后，计算出子载波的功率之和，与基站总功率相比较，如果超出基站总功率则要进行子载波重新分配，否则则得到分配结果； 重新分配当子载波的功率之和超过基站总功率时，首先在所有子载波中找出分配到功率最多的子载波n'，n’当前属于的用户m'，以及选择的调制方式k'，此时子载波分配矩阵中对应子载波n'的元素In, mk.=l ；对子载波n’重新分配用户和功率，重新寻找的新用户m"以及调制方式k"，当满足
3.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，所有用户在任意一条子载波上都有其效用值Unmk,用户获得该子载波的优先性取决于其效用值，效用值越大，优先性越高。
4.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，一个用户可分得多条子载波，每条子载波最多只能分配给一个用户。
5.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，根据ynmk=f(L，Nt，r，T, a)函数的特征性质，遵循指数准则、比例准则，设计出不同形式的效用函数。
6.如权利要求5所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，所述的y nmk=f (L，Nt, r, T , a )为以下效用函数之一
7.如权利要求6所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，所述
8.如权利要求1所述的OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，其特征在于，基站端已知所有用户在所有子载波上的信道状态信息，并且在一个时隙内保持不变，所述的调制方式有4种，分别为BPSK、QPSK, 16QAM和64QAM。
全文摘要
本发明公开了一种OFDMA系统中基于效用的无线资源分配方法，为系统中的所有用户提供效用函数，该效用函数将信道状态信息(CSI)，时延，业务QoS系数，数据队列状态信息(QSI)和用户已发数据包数量综合考虑；然后在基站总功率和分配给每条子载波上的功率受限的情况下，使用每个用户的效用函数之和作为资源分配的目标；最后，根据所设计的效用函数，为用户分配资源达到资源分配的目标。本发明通过在效用函数中综合考虑CSI，时延，业务QoS系数，QSI和用户已发数据包数量多方面因素的影响，与传统的资源分配方法相比，可以在系统吞吐量、时延性和用户公平性之间达到更好地均衡。
文档编号H04L27/26GK103067328SQ20121045262
公开日2013年4月24日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者李锋, 刘莹, 朱世华, 耿莉娜 申请人:西安交通大学