CN101184318B - 一种正交频分多址系统无线资源分配方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交频分多址系统无线资源分配方法及装置，划分正交频分多址帧内资源块，采集当前帧时已接入系统的全部用户信息及各用户的服务质量要求信息，分别计算在满足各个用户的服务质量要求时，可分别连续分配给该用户的资源块拼图，作为该户的资源预分配信息，选取可满足系统整体性能要求的若干用户的资源预分配信息进行资源分配。本发明的有益效果是：在正交频分多址无线资源的分配中，保证各个用户在每帧获取的资源是连续的，使得基站端能以更简单的方式管理资源和用户之间的映射关系，同时可以降低用户接收的功率，提高整个正交频分多址系统容量且保证各用户最低速率要求，还可以方便扩展，满足更高的服务质量需求。

Description

一种正交频分多址系统无线资源分配方法及其装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种正交频分多址系统的无线资源分配方法及装置。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，简称OFDM)是一种多载波通信技术，它把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个相互正交的子载波中进行传输。OFDM系统能够有效消除多径时延扩展所产生的码间干扰(Inter Symbol Interference，简称ISI)和载波间干扰(Inter Channel Interference，简称ICI)，并有效利用频率资源。正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，简称OFDMA)是建立在正交频分复用基础上的一种接入技术，它通过为用户分配独立子载波和时隙的方法实现多址接入，其中多个子载波组成一个子信道，系统会根据用户的服务质量(Quality of Service，简称QoS)需求分配一个或多个子信道给用户来传输数据。OFDMA成为当前高速数据接入系统(如IEEE 802.16a/d/e无线宽带接入系统)调制技术方案。

OFDMA系统的资源分配是一个涉及子载波分配、功率分配和自适应调制的复杂问题。在已有的研究中，主要是采用分步优化的方法实现OFDMA系统资源分配：首先分配子载波，然后确定各子载波的功率、调制方式和加载比特数。可以采用固定子载波分配来降低复杂度，但是当用户在信道质量差的子载波上传输数据时会导致系统容量下降。自适应地分配子载波能够提高系统吞吐量。子载波分配算法的研究主要是要保证用户间公平性和各用户的QoS，并且利用用户信道差异获取尽可能大的系统总吞吐量或消耗尽可能小的功率。当前的子载波分配研究集中在对某一时隙资源分配上(例如在每一时刻将资源分配给信道状态最好的用户)，而没有考虑各时隙间载波分配的关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种正交频分多址系统无线资源的分配方法及装置，可以保证各用户在正交频分多址系统帧中分配的资源是连续的基础上，实现对正交频分多址资源块的充分利用。本发明实现的装置是通过软件模块或FPGA硬件实现的装置。

本发明的技术解决方案是：一种正交频分多址系统无线资源分配方法，它包括以下步骤：

a、划分步骤：即对每个正交频分多址帧的无线资源块同时按照频率域和时间域进行划分，频率域由N个频率段子信道构成，每个频率段由一组子载波构成，时间域由M个时间段构成，每个时间段由若干个正交频分多址符号构成；传输基本单元是由一个频率段和一个时间段所组成的频率-时间块，总共有N×M个连续的频率-时间块可被分配；

b、采集步骤：采集当前帧时已接入系统的全部用户信息及各用户的服务质量要求信息；

c、预分配步骤：计算在分别满足各用户服务质量要求时，从起始频率-时间块起沿时间轴和/或频率轴连续蔓延的可预分配频率-时间块，作为该用户当前的资源预分配信息；

d、分配步骤：统计各用户的资源分配信息，选取可满足系统整体性能要求的若干用户，按照该用户的资源预分配信息进行资源分配；

e、更新步骤：根据资源分配结果，更新系统中全部用户信息及各用户的服务质量要求信息；

f、重复步骤b、c、d、e，直至当前帧资源被完全分配。

通过采集用户信息和不同的服务质量要求，先进行分别计算，取得各自可以分配的资源预分配信息，再根据系统整体性能要求选择合适的用户进行资源分配，在保证系统性能的优化和用户间公平性的前提下，充分满足各用户业务流的服务质量要求，使用分别计算的方法，有利于降低系统设计的复杂度；采用分配该用户连续蔓延的可预分配频率-时间块的分配方式，可以保证各用户被分配的资源是连续的，使得系统能以更简单的方式管理资源和用户的映射关系，实现对正交频分多址资源块的充分利用，同时使用户能一次接收所得的全部资源，降低接收功率。

作为一种改进，预分配步骤中又包括以下步骤：

1、指定一个未分配频率-时间块为该用户的起始频率-时间块；

2、蔓延步骤：从起始频率-时间块起沿时间轴和/或频率轴分配连续的未分配频率-时间块给该用户，形成连续的该用户的预分配资源拼图；

3、判断步骤：判断该用户被分配的连续预分配资源拼图是否可满足该用户服务质量要求；若是，确认此时的预分配资源拼图为该用户的资源预分配信息，所述预分配步骤结束；若否，返回蔓延步骤再分配。

蔓延步骤中的未分配频率-时间块可以是当前帧资源块内的任一未分配频率-时间块，也可以是下一帧资源块内的任一未分配频率-时间块。蔓延分配可以在当前帧内进行，也可以向下一帧蔓延，有利于保证用户分配资源的连续性，降低用户接收功率。

分配步骤中，统计各用户的资源预分配信息，选取可满足系统整体性能要求的一个用户，按照该用户的全部资源预分配信息进行资源分配。这样一来，在一次资源分配时，使一个用户要求得到满足，增加资源分配的效率。

分配步骤中，所述用户的服务质量要求为最低速率要求。

本发明的另一目的：一种正交频分多址系统无线资源分配装置，它包括以下模块：

采集模块，用于采集当前帧时已接入系统的全部用户信息及各用户的服务质量要求信息，并输出相关信息；

调度信息模块，用于划分正交频分多址帧内资源块，接收各用户信息及服务质量要求信息，分别计算在满足各个用户的服务质量要求时，可分别分配给该用户的连续的资源块拼图，并输出各用户的资源预分配信息；

资源分配模块，用于接收各用户的资源预分配信息，选取可满足系统整体性能要求的若干用户的资源预分配信息，进行资源分配，分配后更新各用户信息。

作为进一步改进，上述的调度信息模块包括以下模块：

蔓延模块，用于划分正交频分多址帧内资源块，并从该用户起始频率-时间块起沿时间轴和/或频率轴分配连续的未分配频率-时间块给该用户，形成该用户连续的预分配资源拼图；

判断模块，用于实现当该用户的预分配资源拼图在满足该用户服务质量要求时，输出该用户的资源预分配信息。

本发明的有益效果是：在正交频分多址无线资源的分配中，保证各个用户在每帧获取的资源是连续的，使得基站端能以更简单的方式管理资源和用户之间的映射关系，同时可以降低用户接收的功率，提高整个正交频分多址系统容量，保证各用户最低速率要求，还可以方便扩展，满足更高的服务质量需求。

附图说明

附图1为本发明实施例的结构示意图；

附图2为正交频分交址系统无线资源块的时频空间划分示意图；

附图3为正交频分交址帧蔓延示意图；

附图4为矩形资源块的示意图；

附图5为资源拼图示意图；

附图6为本发明实施例的分配方法流程图；

附图7为本发明实施例的分配方法中指定起始频率-时间块的流程图；

附图8为本发明实施例的分配方法中蔓延流程图。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，一种正交频分多址系统无线资源分配装置，它包括以下模块：

采集模块1，用于采集当前帧时已接入系统的全部用户信息及各用户的服务质量要求信息，并输出相关信息；

调度信息模块2，用于划分正交频分多址帧内资源块，接收各用户信息及服务质量要求信息，分别计算在满足各个用户的服务质量要求时，可分别分配给该用户的资源块拼图，并输出各用户的资源预分配信息；

资源分配模块3，用于接收各用户的资源预分配信息，选取可满足系统整体性能要求的若干用户的资源预分配信息进行资源分配，分配后更新各用户信息。

所述的调度信息模块包括以下模块：

蔓延模块4，用于划分正交频分多址帧内资源块，并从该用户起始频率-时间块起沿时间轴和/或频率轴分配连续的未分配频率-时问块给该用户，形成连续的该用户的预分配资源拼图；

判断模块5，用于实现当该用户的预分配资源拼图在满足该用户服务质量要求时输出为该用户的资源预分配信息。

参阅图2，OFDMA的子载波具有正交特性，可以实现用户多址接入，利用该特性，将OFDMA无线资源块(OFDMA帧)在频率域和时间域进行划分，频率域由N个频率段(子信道)构成，每个频率段由一组子载波构成，时间域由M个时间段(时隙)构成，每个时间段由若干个OFDMA符号构成。传输基本单元便是由一个频率段和一个时间段所组成的频率-时间块(Frequency-Time Block，简称FTB)，在一个OFDMA帧中共有N×M个FTB可被分配，其中任意一个FTB表示为b_n，m(n∈{0，…，N-1}，m∈{0，…，M-1})。用户可以根据动态的需求在某些时间段内在某些子载波上传输数据。

本发明的OFDMA系统资源分配算法在频率域和时间域同时进行，以FTB为基本单元进行分配，在保证各用户在OFDMA帧中分配的资源是连续的基础上，实现对OFDMA资源块的充分利用，同时满足各用户的数据速率要求。对OFDMA帧中各FTB进行分配时，应考虑每个FTB的发射功率和调制编码方案(Modulationand Coding Scheme，简称MCS)，使得在满足一定要求的前提下实现系统容量的充分利用。假设OFDMA系统当前接入用户总数为K，第k个用户在当前帧的速率要求是R_k(单位为bps)，其业务误码率要求为BER_k。假设使用QAM调制方式以及理想相位检测，用户k在FTB获取的数据容量(比特)为：

      c_n，m，k＝ΔB×ΔT×log₂(1+β_kγ_n，m，k)

其中β_k代表与用户误码率BER_k有关的参数，它被认为是M-ray QAM与信道容量之间的信噪比差异，例如，对于加性高斯白噪声信道(AWGN)，β_k表示为：

${\mathrm{\β}}_k=\frac{1.5}{-\ln (5\×{\mathrm{BER}}_k)}$

如图4和5所示，本发明中资源分配的基本单元是由若干个连续的FTB组成的矩形资源块B[(n_s，m_s)，(n_e，m_e)]，n_s和m_s分别代表资源块频率域和时间域的起点，n_e和m_e分别代表资源块频率域和时间域的终点，若该资源块是分配给用户k的第i个资源块，则资源块可表示为B_k，i[(n_s，m_s)，(n_e，m_e)]，通过给某个用户分配若干连续的资源块B，实现对OFDMA资源的连续分配。图5中分配给该用户的资源块拼图由22个FTB所组成，有两种不同的组合方式。

本发明最终分配到各用户的是OFDMA帧中的连续资源块拼图BP，资源块拼图由若干相连的资源块B[(n_s，m_s)，(n_e，m_e)]所组成，而每个资源块由(n_e-n_s+1)×(m_e-m_s+1)个FTB所组成。由于各用户在每个FTB上取得的数据容量为c_n，m，k，所以用户k在资源块B[(n_s，m_s)，(n_e，m_e)]取得的数据容量便为

${\mathrm{BC}}_{k,i}[(n_s,m_s),(n_e,m_e)]=\underset{n=n_s}{\overset{n_e}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=m_s}{\overset{m_e}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{n,m,k}$

用户k在资源块B[(n_s，m_s)，(n_e，m_e)]获得的速率BR_k，i[(n_s，m_s)，(n_e，m_e)]为

${\mathrm{BR}}_{k,i}[(n_s,m_s),(n_e,m_e)]=\frac{1}{T}{\mathrm{BC}}_{k,i}[(n_s,m_s),(n_e,m_e)]$

其中T为一帧持续时间。相应地，用户k在资源块拼图BP_k上获得的速率BPR_k便为

${\mathrm{BPR}}_k=\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BC}}_{k,i}[(n_s,m_s),(n_e,m_e)]$

其中I为本帧调度分配给用户k的资源块数。若设FTB的面积为1，那么资源块拼图面积S_k可以由以下式子得到(如图4，资源块拼图的面积为12)

$S_k=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=n_s}{\overset{n_e}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=m_s}{\overset{m_e}{\mathrm{\Σ}}}B[(n_s,m_s),(n_e,m_e)]$

参阅图3，在计算用户的资源预分配信息时，确定起始频率-时间块(InitialFTB，简称IFTB)作为起点，按照相应服务质量要求分别按照时间轴或者资源轴，蔓延可分配给该用户的资源块，直到资源块的分配可以满足用户的全部质量要求为止。

参阅图6，一种正交频分多址系统无线资源分配方法，它包括以下步骤：

A1、划分步骤：即对每个正交频分多址帧的无线资源块同时按照频率域和时间域进行划分，频率域由N个频率段子信道构成，每个频率段由一组子载波构成，时间域由M个时间段构成，每个时间段由若干个正交频分多址符号构成；传输基本单元是由一个频率段和一个时间段所组成的频率-时间块，总共有N×M个连续的频率-时间块可被分配；

A2、采集步骤：采集当前帧时已接入系统的全部用户信息及各用户的服务质量要求信息；

A3、搜索未分配FTB，指定起始频率-时间块IFTB；

A4、预分配步骤：计算在分别满足各用户服务质量要求时，从起始频率-时间块起沿时间轴和/或频率轴连续蔓延的可预分配频率-时间块，作为该用户当前的资源预分配信息；

A5、分配步骤：统计各用户的资源分配信息，选取可满足系统整体性能要求的若干用户，按照该用户的资源预分配信息进行资源分配；

A6、更新步骤：根据资源分配结果，更新系统中全部用户信息及各用户的服务质量要求信息；

A7、判断资源是否被分配结束，若是，则结束，若否，返回步骤A2。

参阅图7，搜索未分配FTB的步骤中，又包括以下步骤：

B1、初始化时隙序号m＝0；

B2、判断时隙序号m是否等于M，若是，进入B3步，若否，进入B4步；

B3、找不到未分配的FTB，返回FTB(-1，-1)，结束搜索；

B4、初始化子信道序号n＝0；

B5、判断此时FTB(n，m)是否未分配，若是，进入B6步，若不是，进入B7步；

B6、返回FTB(n，m)，结束搜索；

B7、进入下一子信道，即n＝n+1；

B8、当n＝N时，进入下一时隙，即m＝m+1；

B9、返回步骤B1。

通过上述步骤可以实现未分配FTB的搜索，其中一个未分配的FTB可以作为该用户的IFTB，用于确定进行蔓延分配的起点，在后续的步骤中使用前述搜索未分配的FTB步骤是用于实现蔓延分配，所不同的是此时在步骤B5中需要同时判断此时的FTB(n，m)是否与当前资源块相邻。IFTB和与其相邻的未分配资源拼图之和即为经过蔓延后分配给用户的连续预分配资源拼图。

在进行具体蔓延过程时，参见图8，包括以下步骤：

C1、初始化该用户预分配资源拼图为空，初始化资源拼图资源块数为0；

C2、确认本次资源块蔓延的IFTB；

C3、判断IFTB和预分配资源块拼图速率之和是否大于等于该用户最低要求速率，若是，则进入C4步骤，若否，进入C6步骤；

C4、IFTB加入预分配资源块拼图，进入C5步骤；

C5、该用户加入满意用户集合，步骤结束；

C6、搜索与当前FTB相邻的未分配FTB；

C7、将该未分配的FTB加入预分配资源拼图内，返回C3步骤。

未分配FTB可以是当前帧资源块内的任一未分配FTB，待当前帧资源块被分配完毕时，该未分配FTB也可以是下一帧资源块内的任一未分配FTB。

判断模块5根据系统定义的各个用户的QoS参数来决定蔓延是否结束，应该把蔓延模块4当前蔓延到的预分配资源块拼图作为判断的依据。按照最简单的情况，系统应该满足分配给用户的预分配资源块拼图满足该用户的最低速率要求：

                         BPR_k≥R_k

该要求也可以根据用户的实际质量要求重新确定，所以本发明的分配方式方便进行扩展。

把未分配资源块拼图的用户集合划分为满意用户集合和不满意用户，作为资源分配模块3选取的依据。当调度信息模块2计算出来的预分配资源块拼图能满足用户的要求时，就为满意用户，否则为不满意用户。

在判断模块中，判断实现方式可以为，若预分配资源块拼图的BPR_k大于R_k则把当前用户k划分为κ_S(满意用户集合)，该用户的预分配资源块拼图计算结束，计算下一用户的资源块拼图；若预分配资源块拼图的BPR_k小于R_k且可以继续蔓延，则执行蔓延模块；若预分配资源块拼图的BPR_k小于R_k且可以不继续蔓延，则把当前用户k划分为κ_U(不满意用户集合)，该用户的预分配资源块拼图计算结束，计算下一用户的资源块拼图。

其中κ_S和κ_U都属于集合κ，该集合包括所有本次需要进行预分配资源块拼图运算的所有用户。

资源分配模块3会从通过调度信息模块2计算出来的所有资源块拼图中，选取一个作为本次迭代的资源分配。资源分配模块3选取的原则可以为：

若κ_S≠

，选取用户 $k^{*}=\underset{k^{*}\∈{\mathrm{\κ}}_S}{\arg \max }\frac{{\mathrm{BPR}}_k}{S_k}$ 所对应的资源块拼图BP_k*作为该用户资源的分配；若κ_S＝，选取用户 $k^{*}=\underset{k^{*}\∈{\mathrm{\κ}}_U}{\arg \max }\frac{{\mathrm{BPR}}_k}{S_k}$ 所对应的资源块拼图BP_k*作为该用户资源的分配。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种正交频分多址系统无线资源块分配方法，其特征在于：它包括以下步骤：

a、划分步骤：即对每个正交频分多址帧的无线资源块同时按照频率域和时间域进行划分，频率域由N个频率段子信道构成，每个频率段由一组子载波构成，时间域由M个时间段构成，每个时间段由若干个正交频分多址符号构成；传输基本单元是由一个频率段和一个时间段所组成的频率-时间块，总共有N×M个连续的频率-时间块可被分配；

b、采集步骤：采集当前帧时已接入系统的全部用户信息及各用户的服务质量要求信息；

c、预分配步骤：计算分别满足各用户服务质量要求时，从起始频率-时间块起沿时间轴和/或频率轴连续蔓延的可预分配频率-时间块，作为该用户当前的资源预分配信息；

d、分配步骤：统计各用户的资源预分配信息，选取一个可满足系统整体性能要求的用户，按照用户的资源预分配信息进行资源分配；

e、更新步骤：根据资源分配结果，更新系统中全部用户信息及各用户的服务质量要求信息；

f、重复步骤b、c、d、e，直至当前帧资源被完全分配。

2.根据权利要求1所述的一种正交频分多址系统无线资源分配方法，其特征在于：步骤c中，又包括以下步骤：

c1、指定一个未分配频率-时间块为该用户的起始频率-时间块；

c2、蔓延步骤：从起始频率-时间块沿时间轴和/或频率轴分配连续的未分配频率-时间块给该用户，形成连续的该用户的预分配资源拼图；

c3、判断步骤：判断该用户被分配的连续预分配资源拼图是否可满足该用户服务质量要求；若是，确认此时的预分配资源拼图为该用户的资源预分配信息，所述预分配步骤结束；若否，返回蔓延步骤再分配。

3.根据权利要求2所述的一种正交频分多址系统无线资源分配方法，其特征在于：蔓延步骤中的未分配频率-时间块是当前帧资源块内的任一未分配频率-时间块。

4.根据权利要求2所述的一种正交频分多址系统无线资源分配方法，其特征在于：蔓延步骤中的未分配频率-时间块是下一帧资源块内的任一未分配频率-时间块。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种正交频分多址系统无线资源分配方法，其特征在于：步骤c中，所述用户的服务质量要求为最低速率要求。

6.一种正交频分多址系统无线资源分配装置，其特征在于：它包括以下模块：

采集模块，用于采集当前帧时已接入系统的全部用户信息及各用户的服务质量要求信息，并输出这些信息；

调度信息模块，用于划分正交频分多址帧内资源块，接收各用户信息及服务质量要求信息，分别计算在满足各个用户的服务质量要求时，可分别分配给该用户的连续的资源块拼图，并输出各用户的资源预分配信息；

资源分配模块，用于接收各用户的资源预分配信息，选取一个可满足系统整体性能要求的用户的资源预分配信息进行资源分配，分配后更新各用户信息。

7.根据权利要求6所述的一种正交频分多址系统无线资源分配装置，其特征在于：所述的调度信息模块包括以下模块：

蔓延模块，用于同时按照频率域和时间域划分正交频分多址帧内资源块，并从该用户起始频率-时间块起沿时间轴和/或频率轴分配连续的未分配频率-时间块给该用户，形成连续的该用户的预分配资源拼图；

判断模块，用于实现当该用户的预分配资源拼图在满足该用户服务质量要求时，输出该用户资源预分配信息。

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