CN101094215B - 正交频分复用多址接入系统中的自适应子载波分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种正交频分复用多址接入系统中的自适应子载波分配方法，包括：需要接入系统的用户将业务需求及平均信道条件上传给基站；基站决定可以分配给该用户的最少子载波数目N_min ^K；基站将该子载波数目信息N_min ^K及没有被其他用户占用的子载波信息通知该用户；该用户将其在没有被占用的子载波上的信道幅度增益按照从大到小的顺序进行排列并按照从大到小的顺序从上述幅度增益中选择N_min ^K个增益对应的子载波；用户将该N_min ^K个确切的子载波信息反馈给基站。采用本发明的方法，系统能够在传输速率和功率限制条件下依据用户信道条件的变化自适应地分配子载波，使得系统的总发射功率最小，同时使得系统总的传输速率趋于最大化。

Description

正交频分复用多址接入系统中的自适应子载波分配方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信系统技术领域，且特别涉及一种在正交频分复用多址接入(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，以下简称OFDMA)系统中实现自适应子载波分配的方法。

背景技术

无线通信系统中的频谱资源是非常有限的，因此，无线移动通信系统必须合理地利用这些有限的频率资源。特别是在未来移动通信系统中，用户对于高速、高质量的数据传输的业务需求越来越多，如何在有限无线频率资源上为更多用户提供高质量的服务就显得越来越重要。在频率选择性衰落环境中，正交频分复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，以下简称OFDM)是一种具有前途的解决方案。

OFDM因为具有较高的频谱利用效率、对频率选择性衰落具有天然免疫力等优点，而成为后三代(Beyond Three Generation，简称B3G)移动通信系统的一项关键技术。与窄带通信系统相比，OFDM系统具有较宽广的频率资源，各个子载波上的信道响应差别很大，因此，OFDM可以根据频谱利用率以及最佳平衡为原则为各个子载波选择不同的调制方式，以达到对资源的最佳利用。然而，在多用户环境下，在同一时刻由多个用户共享信道资源，然而各个用户与基站之间所经历的物理信道不同，也就是说在每个子载波上，每个用户的信道响应是不一样的，因此，为了充分提高系统的数据率，必须为每个用户在各个OFDM子载波上的信道响应进行多用户之间的子载波分配。一个优异的子载波分配算法必须同时在三个评价指标上具有良好表现：频谱效率或者平均每个子载波上所能够传输的比特数、对各个用户的公平性以及算法实现的实时性和复杂度。

在OFDMA系统中，资源的概念可以定义为一个固定频率带宽中的一组可用子载波。而资源的分配是指在小区制移动蜂窝系统中，根据用户的信道条件，以最有效的频谱利用方式为每个用户分配合适的子载波，以满足用户的通信业务需求。

当一个移动用户需要进入系统的时候，他需要向基站提出进入申请，同时向基站发送其需要的最小速率要求、最大误码概率以及信道条件等信息，基站接收到这些信息以后，经过判断，如果认为系统有足够的资源来满足该用户的要求，则基站会给该用户分配相应的资源，批准该移动用户进入系统。当用户获得资源分配以后，将会保持一段时间对这些资源的占用，直到该用户的业务完成。当该用户的分组传输完毕以后，他将会释放其占用的资源，从而退出系统。而基站在分配资源之前不通报该用户需要传输多长时间，即使基站收到了任何新的信道信息或者业务请求。

在多用户OFDMA系统中，子载波的分配是一个比较重要的问题。在OFDMA系统中，主要依靠子载波来区分用户，因此，在一帧时间(当然也可一是其他时间单元，只要该时间单元远远小于信道的相干时间)内，一个用户占用了某个子载波以后，这个子载波就不能再分配给其他用户。而且，为了提高系统频谱效率，希望系统在传输速率和功率限制条件下，使得系统的总发射功率最小，同时使得系统总的传输速率趋于最大化。

在常规子载波分配算法中，都是在用户数目、可用子载波数目、用户的比特误码率(Bit Error Rate，简称BER)要求都已知的前提下，给每个用户分配一定数目的子载波，使得总的发射功率最小。从而将所有子载波都分配给这些用户，以满足这些用户的最低要求。这是一种静态的分配方法，前提是基站知道所有用户数目、每个用户的信道条件以及业务需求。然而用户申请接入系统是随机的，而且每个用户并非使用的子载波数目越多越好，也就是说，每个用户需要的子载波数目有一个上限和一个下限。而且很少有技术文献考虑当一个新的用户请求进入系统时的子载波的分配的问题。

在一个OFDMA系统中，每个申请接入的用户所需要的子载波数目都是有上下限的，一方面为了满足该用户的基本业务需求，需要为该用户至少分配N_min ^K个子载波，即 $N_{\min }^k=\mathrm{ceil}(R_{\min }^k/R_{\max }),$ 其中R_max表示每个子载波可以允许的最大传输速率，其数值取决于系统采用的编码调制方案，ceil(x)表示朝着正无穷大方向对实数x取整。然而，当每个子载波都在允许的最低速率要求下传输时，最多能够给该用户分配 $N_{\max }^k=\mathrm{ceil}(R_{\min }^K/R_{\min })$ 个子载波。因此，当一个新的用户申请接入时，系统可以在不影响已经在系统中用户业务传输的条件下给该新用户分配子载波。

传统的子载波的分配一般分成两步来完成，一是先由基站依据新接入用户的平均信道条件以及业务需求来确定给该用户分配的子载波数目以及功率；二是由基站进一步给该用户确定需要分配的确切子载波。一旦上述两个过程完成以后，由基站通过控制信道通知用户。这种方法需要基站对每个用户的当前信道状态信息以及下一个时间单元的信道状态信息都有了解。而实际上，用户申请接入系统是随机的，无法预知那个用户会发起这种申请，也无法预测这些用户的信道条件。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而开发的，其目的是提供一种上述问题的解决方案，即当一个用户申请接入系统的时候，而且每个时间单元内只允许一个用户接入，系统在传输速率和功率限制条件下如何依据用户信道条件的变化自适应分配子载波，使得系统的总发射功率最小，同时使得系统总的传输速率趋于最大化。

为了解决上述问题，本发明提出一种OFDMA系统中的自适应子载波分配方法，系统中已有用户所需要分配的子载波已经确定，在需要接入系统的用户的业务传输没有完结之前，已有用户子载波分配情况不变化，其包括如下步骤：

第一步：需要接入系统的用户将业务传输速率需求以及在整个载波上的平均信道条件上传给基站；

第二步：基站决定可以分配给上述需要接入系统的用户的最少子载波数目N_min ^K，以保证满足该用户的基本业务需求；

第三步：基站将该最少子载波数目信息N_min ^K以及没有被其他用户占用的子载波信息通知上述需要接入系统的用户；

第四步：上述需要接入系统的用户将在没有被其他用户占用的子载波上的信道幅度增益按照从大到小的顺序进行排列；

第五步：上述需要接入系统的用户在没有被其他用户占用的子载波中，按照从大到小的顺序一次从上述幅度增益中选择N_min ^K个增益对应的子载波；

第六步：上述需要接入系统的用户将该N_min ^K个确切的子载波信息反馈给基站。

上述第一步中的平均信道条件包括平均信道增益，平均信道增益 $H_K=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{K,n}\right|}^2,$ 其中，N表示系统中可用的子载波总数目，h_K，n表示各个子载波上的信道响应，K表示上述系统中已经有K-1个用户已分配子载波。

上述第二步中的最少子载波数目 $N_{\min }^K=\mathrm{ceil}(R_{\min }^K/R_{\max }),$ 其中，R_min ^K表示最低传输速率要求信息，R_max表示每个子载波可以允许的最大传输速率，其数值取决于系统采用的编码调制方案，ceil(x)表示朝着正无穷大方向对实数x取整，K表示上述系统中已经有K-1个用户已分配子载波。其基本业务需求包括业务传输速率需求。

上述第二步中基站统计其他所有用户需要的最少子载波数目之和，如果上述其他所有用户需要的最少子载波数目之和超过系统中可用的子载波总数目，则不给上述需要接入系统的用户分配任何子载波；如果上述其他所有用户需要的最少子载波数目之和不大于系统中可用的子载波总数目，则标明系统可以为上述需要接入系统的用户分配子载波。

当然，在上述方法实现过程中，已经暗示每个用户都知道哪些子载波已经被谁占用，这一点通过协议是可以实现的，正如802.11中就可以依据SNR等信息来确定哪些子载波处于“忙碌”状态。

本发明的方法的优点在于与传统子载波分配方法相比，一方面用户不需要向基站上传其在所有子载波上的信道条件，而只是上传平均信道增益，因为针对决定子载波数目来说，主要是平均信道增益起作用，而不是每个子载波上的信道响应；另一方面由用户自己来决定选用哪些子载波，避免了多个用户共同竞争相同子载波的情况，因为每个用户都知道哪些子载波已经被谁占用。因此，本发明的方法可以使系统的总发射功率最小，同时使得系统总的传输速率趋于最大化

下面结合附图，对本发明的具体实施作进一步的详细说明。对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

附图说明

图1为本发明的在OFDMA系统中实现子载波自适应分配方法的一个较佳实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例作详细说明如下：

图1详细描述了依据本发明所述的在OFDMA系统中实现自适应子载波分配的原理，其主要解决的问题是为新用户申请接入的时候分配合适的子载波。下面结合图1详细说明该分配方法的具体实施方式。

为了叙述方便，假设在OFDMA系统中有K-1个用户已经处于激活状态，也就是说，这K-1个用户所需要分配的子载波已经确定，这K-1个用户分别记作用户1，2，…，K-1。现在有一个新用户，暂且记作用户K申请进入系统。而且在该用户K的业务传输没有完结之前，这K-1个用户子载波分配情况不变化，这点在一定时间范围内是可以满足的。

首先，用户K依据其在各个子载波上的信道响应h_K，n估计其对应的平均信道增益H_K，该平均信道增益可以按照Hujun Yin和Hui Liu在2000年撰写的，公开于在IEEE Globecom′00，San Francisco，USA，2000中的论文“an efficient multiuser loading algorithm for OFDM based broadband wirelesssystems”中描述的类似方法进行，即 $H_K=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{K,n}\right|}^2.$ 然后，用户K将其能够接受的最低传输速率要求信息R_min ^K以及平均信道增益反馈给基站，即图1中的流程101。

如图1中的流程102，基站利用用户K反馈的最低传输速率要求信息R_min ^K以及平均信道增益信息估计能够满足用户K的基本业务需求所需要的最少子载波数目N_min ^K，即 $N_{\min }^K=\mathrm{ceil}(R_{\min }^K/R_{\max }),$ 其中R_max表示每个子载波可以允许的最大传输速率，其数值取决于系统采用的编码调制方案，ceil(x)表示朝着正无穷大方向对实数x取整。然后，基站统计集合U中所有用户需要的最少子载波数目之和∑_k＝1 ^KN_min ^k，如果∑_k＝1 ^KN_min ^k超过系统中可用的子载波总数目N，即 ${\mathrm{\Σ}}_{k=1}^K{N}_{\min }^u>N,$ 则不给用户K分配任何子载波，也就是说系统当前没有足够的频率资源来支撑用户K的基本业务需求；如果∑_k＝1 ^KN_min ^k不大于系统中可用的子载波总数目N，即 ${\mathrm{\Σ}}_{k=1}^K{N}_{\min }^k\≤N,$ 则标明系统有足够的频率资源来支持用户K的基本业务，也就是说，可以为用户K至少分配N_min ^K个子载波。此时基站就将该N_min ^K数值信息以及没有被其他K-1个用户占用的子载波信息通知用户K，即图1中的流程103。

如图1中的流程104，用户K接收到基站的通知以后，将其在所有N子载波上的信道响按照幅度增益从大到小进行排列，然后如图1中的流程105，在没有被其他K-1个用户占用的子载波中从大到小一次选择N_min ^K个增益对应的子载波。最后如图1中的流程106，用户K将选择的N_min ^K个确切子载波信息反馈给基站，从而在下一个事件单元内按照这种约定进行业务传输。

当然，本发明提供的实施例只是为了详尽地说明按照本发明内容提供的在OFDMA系统中实现子载波分配的方法，因而都是示例性的实施方式，并不能将它看作是对于本发明的限制，而且，凡是在本发明宗旨之内的显而易见的修改亦应归于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.正交频分复用多址接入系统中的自适应子载波分配方法，系统中已有用户所需要分配的子载波已经确定，在需要接入系统的用户的业务传输没有完结之前，已有用户子载波分配情况不变化，其特征是包括如下步骤：

第一步：需要接入系统的用户将业务传输速率需求以及在整个载波上的平均信道条件上传给基站；

第二步：基站决定能够分配给上述需要接入系统的用户的最少子载波数目N_min ^K，以保证满足该用户的基本业务需求；

第三步：基站将该最少子载波数目信息N_min ^K以及没有被其他用户占用的子载波信息通知上述需要接入系统的用户；

第四步：上述需要接入系统的用户将在没有被其他用户占用的子载波上的信道幅度增益按照从大到小的顺序进行排列；

第五步：上述需要接入系统的用户在没有被其他用户占用的子载波中，按照从大到小的顺序依次从上述幅度增益中选择N_min ^K个增益对应的子载波；

第六步：上述需要接入系统的用户将该N_min ^K个确切的子载波信息反馈给基站。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是上述第一步中的平均信道条件包括平均信道增益。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是上述平均信道增益其中，N表示系统中可用的子载波总数目，h_K，n表示各个子载波上的信道响应，K表示上述系统中已经有K-1个用户已分配子载波。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是上述第二步中的最少子载波数目

其中，R_min ^K表示最低传输速率要求信息，R_max表示每个子载波能够允许的最大传输速率，其数值取决于系统采用的编码调制方案，ceil(x)表示朝着正无穷大方向对实数x取整，K表示上述系统中已经有K-1个用户已分配子载波。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是上述第二步中的基本业务需求包括业务传输速率需求。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征是上述第二步中基站统计已有用户和需要接入系统的用户需要的最少子载波数目之和，如果上述最少子载波数目之和超过系统中可用的子载波总数目，则不给上述需要接入系统的用户分配任何子载波；如果上述最少子载波数目之和不大于系统中可用的子载波总数目，则表明系统能够为上述需要接入系统的用户分配子载波。

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