非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的ofdma系统下行资源分配方法
【专利摘要】一种非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的OFDMA系统下行资源分配方法，首先，获得基于用户带宽需求的子信道分配策略，据此推导出用户带宽分配率公式和用户占用子信道信噪比估计值的概率密度函数，并据此概率密度函数进行推导获得用户平均误比特率表达式；然后，将满足用户带宽需求和平均误比特率上限要求条件下最大化链路频谱效率问题分解为子信道分配和平均误比特率约束下调制方案最优化两个问题。通过建立子信道分配问题的数学模型，获得满足用户带宽需求的用户权值向量。针对平均误比特率约束下调制方案最优化问题，通过对最优调制方案向量进行可行搜索，获得用户最优调制方案向量。本发明可应用到实际OFDMA系统下行链路中。
【专利说明】非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的OFDMA系统下 行资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域，涉及一种0FDMA(正交频分多址接入）系统中资源分配 方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线蜂窝网络从第一代到现在部分投入商用的长期演进（Long Term Ev〇luti〇n，LTE)系统的发展，人们对网络所提供业务的服务质量要求也不断增加。如何在 有限的频谱资源上，为用户提供更多高质量业务的同时最大化系统频谱效率，是未来无线 宽带蜂窝网络将面临的主要技术挑战。0FDMA可实现高效灵活的资源分配，并具有频谱效率 高的优点，特别适合对峰均功率比要求不高的下行链路传输。
[0003] 将子信道归一化信噪比估计值做为信道状态信息（Channel State Information, CSI)来指示子信道信道状态。精确的信道状态信息对自适应资源分配是非常重要的。在实 际系统中，由于导频开销限制等原因，使得必然存在信道估计误差；从信道估计时刻到发送 端采用基于CSI确定的资源分配方案进行传输有一定延时，称此延时为CSI延时，CSI延时 期间的信道变化会导致CSI不准确；用户将CSI进行数字化后通过反馈信道发送到基站，因 此存在量化误差和CSI反馈误码。因此，基站得到的CSI总是不准确的，S卩非理想的，将基站 得到的用户子信道反馈数字化归一化信噪比估计值称为非理想信道状态信息（Imperfect Channel State Information, ICSI)。在实际系统中，在假设CSI是理想（准确）的情况下 进行资源分配，会导致系统性能的下降。
[0004] 目前绝大部分基于非理想信道状态信息的资源分配算法一般只考虑信道估计误 差对系统性能的影响，或只考虑CSI延时对系统性能的影响。文献Awad M K，Mahinthan V， Mehrjoo M， et al.A Dual-Decomposition-Based Resource Allocation for OFDMA Networks With Imperfect CSI[J] · IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010， 59(5) :2394-2403.和 Zarakovitis C C，Ni Q，Skordoulis D E，et al. Power-Efficient Cross-Layer Design for OFDMA Systems with Heterogeneous QoS, Imperfect CSI and Outage Considerations[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2012,61(2)： 781-798.将信道估计和CSI延时两种因素共同导致的误差建模为一个0均值的复高斯随 机变量，用其方差大小来刻画ICSI准确度，此ICSI建模方法无法反应出不同CSI延时和不 同多普勒频移对ICSI准确度的影响。因此将上述研究成果应用到实际0FDMA系统下行链 路会导致系统性能的下降。文献 Kuhne A，Klein A. Throughput Analysis of Multi-User OFDMA-Systems Using Imperfect CQI Feedback and Diversity Techniques[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2008, 26 (8) :1440-1450.分析了信道估 计误差、CSI延时、CSI量化比特数和反馈信道误比特率对0FDMA-FDD系统吞吐量影响，但其 采用最大信噪比调度策略，并没有考虑到用户的不同带宽需求.因此，在非理想信道状态 信息下，在满足用户带宽需求和平均误比特率约束条件下，研究最大化0FDMA系统下行链 路频谱效率的资源分配方法具有重要的实际意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的0FDMA系 统下行资源分配方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的0FDMA系统下行资源分配方法， 具体资源分配方法步骤如下：
[0008] 步骤一、对0FDMA系统非理想信道进行建模，获得非理想信道模型：
[0009]
【权利要求】
1. 一种非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的OFDMA系统下行资源分配方法，其 特征在于所述资源分配方法步骤如下： 步骤一、对0FDMA系统非理想信道进行建模，获得非理想信道模型：
其中，
为用户u信道估计时刻第k个子信道信道频域响应
的估计值；Hu, k为用 户u传输时刻第k个子信道信道频域响应；P u为
与Hu,k的相关系数；E u,k为用户u第k 个子信道信道估计误差；X为〇均值方差为1的复高斯随机变量；K为子信道个数，U为系统 用户个数； 步骤二、根据非理想信道模型，获得用户u传输时刻第k子信道信噪比γ u, k的条件概 率密度函数：
其中，
为用户u信道估计时刻第k个子信道信噪比估计值，
I0(x)为 〇阶第一类修正贝塞尔函数
Nnu为一个子帧内用户u导频信号占用OFDM 符号的个数，
为用户u子信道信噪比均值； 步骤三、在基于用户带宽需求的子信道分配策略下，获得用户u带宽分配率
为在对第k个子信道进行分配的过程中，第 k个子信道反馈数字化归一化信噪比估计值为1的用户u获得该子信道使用权的概率，1 =
为量化等级个数，NQ为量化比特数
为用户u量 化门限值向量，Pb为反馈信道误比特率，w为用户权值向量； 步骤四、对L个量化区间上子信道信噪比估计值的概率密度函数进行加权求和，获得 用户u占用子信道反馈数字化归一化信噪比估计值为1时的该子信道信噪比估计值穴的概 率密度函数：
式中，FE."为用户u子信道信噪比估计值均值，du表示在用户端被量化为第q个量化等 级的子信道归一化信噪比估计值在基站被误认为是在第1个量化等级的概率，q = 1，2,…
表示用户u第k子信道反馈数字化归一化信噪比估计值 为1的概率； 步骤五、根据的概率密度函数，分别获得用户u频谱效率表达式和平均误比特率表达
式，其中： 用户u频谱效率表达式为：
其中，
为用户U的调制方案向量，
表示：当第k个子信道反馈 数字化归一化信噪比估计值为1时，用户U在该子信道内一个子载波上一个OFDM符号时间 内传输的比特数，与调制方式相对应，1 = 1，2，…，L ; 用户u的平均误比特率表达式为：
其中，
为在C(u)中第1种调制方式下信噪比为
时用户u的误比特率
表示 用户u占用子信道反馈数字化归一化信噪比估计值为1时的该子信道信噪比； 步骤六、针对在满足用户带宽需求和平均误比特率上限要求条件下最大化链路频谱效 率问题，建立数学模型：
其中，
为用户u平均误比特率上限要求；λ u为用户u带宽需求系数； 步骤七、将步骤六中的资源分配问题分解为子信道分配问题和平均误比特率约束下调 制方案最优化问题； 步骤八、针对步骤七中子信道分配问题，建立数学模型：
其中，Ρ?为与s(u)和pb均无关的用户u带宽分配率； 通过数值方法，即利用Matlab优化工具箱中的Fmincon函数得到满足用户带宽需求的 用户权值向量w#; 步骤九、针对步骤七中平均误比特率约束下调制方案最优化问题，通过对最优调制方 案向量进行可行搜索，获得用户u的最优调制方案向量C(u)# ; 步骤十、在每个子帧内，根据基于用户带宽需求的子信道分配策略和步骤八得到的 用户权值向量w%为用户进行子信道分配；然后，根据步骤九中得到的最优调制方案向量 C(u)#(u = 1，2, "·，υ)，为每个用户占用的子信道进行速率分配。
2.根据权利要求1所述的非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的0FDMA系统下 行资源分配方法，其特征在于所述步骤三中，基于用户带宽需求的子信道分配策略表示如 下： 将第k个子信道分配给用户权值与该子信道反馈数字化信噪比估计乘积最大的用户， 具体表示为表达式：
其中，
表示长为NQ比特的用户u第k个子信道反馈数字化归一化信噪比估计 值，wu为用户U的权值。
3.根据权利要求1或2所述的非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的OFDMA系统 下行资源分配方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤为： (1) 获得用户u第k子信道反馈数字化归一化信噪比估计值为1的概率
其中Pu,q为用户u第k子信道归一化信噪比估计值位于第q个量化等级的概率； (2) 获得
中所有用户第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值
均不大于
的概率
式中，
为权值等于wu且第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值等于
的 用户所构成的集合，
为_
中用户对应的第k个子信道反馈数字化归一化信噪比估计值 所构成的集合
表示
中第j个用户的序号，
表示集合
中第j元素；
表示求集合中元素的个数
且
表示向量Θ中1的 个数等于ε时，Θ的
种可能取值情况； (3) 获得
中所有用户第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值
均小于
的概率
9 其中，
表示除去1
中用户后，
中剩余用户构成的集合，
为权值与Wu 相等的用户所构成集合
表示
中用户V第k个子信道反馈数字化归一化信噪比 估计值
小于
的概率，「.1表示向上取整； (4) 获得
中所有用户第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值
均不大于
的概率P_4 :
， 式中，
为权值大于wu且第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值等于
的 用户所构成的集合，
为
中用户对应的第k个子信道反馈数字化归一化信噪比估计值 所构成的集合；
(5) 获得
中所有用户第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值
均小于
的概率P_5:
其中，
表示除去
中的用户后，
中剩余用户构成的集合，
为权值 大于Wu的用户所构成集合
表示
中用户V第k个子信道反馈数字化归一化信噪 比估计值
小于
的概率； (6) 获得
中所有用户第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值
均不大于
的概率P_6 :
式中，
为权值小于Wu且第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值等于
的用 户所构成的集合，
为·^：)中用户对应的第k个子信道反馈数字化归一化信噪比估计值所 构成的集合；
且 ω」e {0，1}; (7) 获得
中所有用户第k个子信道加权反馈数字化信噪比估计值 1
均小于
的概率ρ_4:
* 其中，
表示除去
中的用户后I
1中剩余用户构成的集合，
为权值 大于Wu的用户所构成集合
表示，
中用户V第k个子信道反馈数字化归一化信噪 比估计值
小于
的概率； (8) 将上述七个概率相乘，获得第k个子信道反馈数字化归一化信噪比估计值为1的用 户u获得第k个子信道使用权的概率
(9)考虑到用户u第k子信道反馈数字化归一化信噪比估计值共有上种可能取值，获得 用户u的带宽分配率表达式：
〇
4. 根据权利要求1所述的非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的OFDMA系统下行 资源分配方法，其特征在于所述步骤七的具体分解方法为： 步骤七一、通过令用户u第k个子信道归一化信噪比估计值
位于每一量化等级 的概率均为1/L，即
，获得用户u的量化 门限值.
步骤七二、根据步骤七一和步骤三，获得与s(u)和Pb均无关的用户u带宽分配率表达式
步骤七三、根据步骤五、步骤七一和步骤七二，获得与s(u)和Pb均无关用户u频谱效率 表达式
、获得与s(u)无关的用户u平均误比特率表达式
步骤七四、根据步骤七二和步骤七三，将步骤六中资源分配问题分解为子信道分配问 题和平均误比特率约束下调制方案最优化问题。
5. 根据权利要求4所述的非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的OFDMA系统下 行资源分配方法，其特征在于所述子信道分配问题满足以下条件：找到用户权值向量w%使 得
成立。
6. 根据权利要求4所述的非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的OFDMA系统下行 资源分配方法，其特征在于所述平均误比特率约束下调制方案最优化问题满足以下条件： 对每个用户的调制方案向量
进行各自的优化设计，u= 1，2, "·，υ， 在满足用户平均误比特率上限要求条件下，使其频谱效率最大：
7. 根据权利要求1所述的非理想信道状态信息下基于用户带宽需求的OFDMA系统下行 资源分配方法，其特征在于所述步骤九的具体步骤为： (1) 考虑到：第k个子信道反馈数字化归一化信噪比估计值为1时，用户U在该子信 道内一个子载波上一个OFDM符号时间内传输的比特数
不应该小于反馈数字化归一化 信噪比估计值为1-1时u在该子信道内一个子载波上一个OFDM符号时间内传输的比特数
采用循环结构，遍历得到用户u的所有可行调制方案向量； (2) 计算用户u所有可行调制方案向量所对应的用户频谱效率
和平均误比 特率
，从中选出满足平均误比特率上限要求的最大频谱效率所对应的调 制方案向量，即为用户u最优调制方案向量C(u)'
【文档编号】H04L5/00GK104113406SQ201410376843
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】赵志信, 王冬, 赵志艳 申请人:黑龙江科技大学