一种基于速率自适应的OFDMA资源分配方法

摘要

本发明公开了一种基于速率自适应的OFDMA资源分配方法，该方法首先进行用户间的子载波数目分配，然后进行子载波分配，最后进行功率分配，优点是在子载波数目分配过程中是基于用户间预先设定的速率要求对应的比例系数而分配的；在子载波分配过程中先是基于最大化最小速率要求与对应的比例系数之比分配子载波，然后将剩下的子载波分配给信道增益最大的用户，这种子载波分配方式更能提高系统的吞吐量；在功率分配过程中是基于用户的速率要求对应的比例系数及相对信道增益按比例分配的，不仅易于实现，而且计算复杂度低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种资源分配技术，尤其是涉及一种基于速率自适应的OFDMA资源分配方法。

背景技术

多用户正交频分多址（OFDMA，Orthogonal Frequency Division MultipleAccess）是下一代无线通信物理层首选的多址方式，它是基于OFDM（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用）调制方式的一种无线接入方式，具有频谱利用率高、抗衰落能力强、传输速率高、资源分配灵活及同时支持多个用户等特点，被认为是下一代宽带无线接入方式的关键技术。OFDMA多址接入系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址，并能够根据信道状态，动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用，因此它是保证用户服务质量，提高系统容量及频谱利用率的重要手段，已成为国内外学者研究的热点之一。

动态资源分配问题可以有效的利用用户的多样性，提高系统的容量。在OFDM系统中，根据优化目标的不同，资源分配问题一般可以分为两种形式：一种是基于发射功率最小化的MA(MarginAdaptive)问题，它是在用户数据率固定的条件下，使总的发射功率达到最小化；另一种是基于速率最大化的RA（RateAdaptive）问题，它是在总功率固定的条件下，保证系统的容量达到最大化。针对RA问题，分为静态资源分配和动态资源分配，其中静态资源分配为OFDM-TDMA（每个用户被分配一组预定的时隙，

在给定的时隙内该用户可以使用所有的子载波）和OFDM-FDMA（每个用户被分配一组预定的连续频带的子载波，在每个OFDM符号内该用户固定地使用被分得的那一组子载波)；动态资源分配，即每个用户可在不同的时隙使用不固定的子载波，分配的依据是各用户在各子信道的瞬时信道特性。目前已有许多典型的动态OFDM自适应资源分配方法被提出，如基于最大-最小（Max-Min）准则的公平资源分配方法、基于比例公平的资源分配方法、基于权重的资源分配方法等。在Max-Min方法中，首先把总功率平均分配给每个子载波，然后采用最大化最低用户速率的方法实现系统容量和用户公平性的最大化，由于该方法是基于平均功率分配的，没有考虑到信道的时变特性，因而是一种次优的方法。在比例公平的资源分配方法中，Shen提出了OFDMA系统中在速率成比例约束条件下的资源分配方案，首先基于Max-Min方法找出最优的子信道分配，然后采用迭代搜索方法找出了最优的功率分配，然而这种方法进行了大量的迭代搜索，计算复杂度很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种计算复杂度低，且能够实现总传输的传输速率最大化，并能够满足用户的速率要求与公平性要求的基于速率自适应的OFDMA资源分配方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于速率自适应的OFDMA资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：

①根据每个用户预设的速率要求对应的比例系数，确定初始分配给每个用户的子载波数目，将初始分配给第k个用户的子载波数目记为N_k′，然后根据初始分配给K个用户的子载波数目，计算初始未被分配的子载波数目，记为N^*，其中，1≤k≤K，K表示用户总数，N表示子载波总数；

②根据初始分配给每个用户的子载波数目，为每个用户分配应被分配的子载波，在分配过程中总是优先给速率要求与对应的比例系数之比最小的用户分配相对信道增益最好的信道，直至所有用户初始应被分配的子载波数目得到满足；然后将剩下的子载波分配给相对信道增益最大的用户；

③在分配给每个用户的每个子载波上进行功率分配，将分配给第k个用户的第n个子载波上的功率记为P_k,n。

所述的步骤①中初始分配给第k个用户的子载波数目N_k′的确定过程为：假设第k个用户预设的速率要求对应的比例系数为θ_k，则根据θ_k计算初始分配给第k个用户的子载波数目N_k′，其中，θ_i表示第i个用户的速率要求对应的比例系数，为向下取整符号。

所述的步骤②的具体过程为：

②-1、将每个用户的速率要求初始化为0，将子载波集合记为Ω_N，Ω_N={z₁,z₂,…,z_n,…,z_N}，将用户集合记为Ω_K，Ω_K={u₁,u₂,…,u_k,…,u_K}，将平均功率记为p，将第k个用户所对应的第n个子载波是否被分配的加权因子记为ρ_k,n，ρ_k，n=1表示第k个用户所对应的第n个子载波已被分配，ρ_k,n=0表示第k个用户所对应的第n个子载波未被分配，其中，1≤n≤N，z₁表示第1个子载波，z₂表示第2个子载波，z_n表示第n个子载波，z_N表示第N个子载波，u₁表示第1个用户，u₂表示第2个用户，u_k表示第k个用户，u_K表示第K个用户，P_total表示总的发送功率；

②-2、初始给每个用户分配相对信道增益最好的一个子载波，然后将已分配的子载波从子载波集合Ω_N中删除，再更新初始分配给每个用户的子载波数目和每个用户的速率要求；对于第k个用户u_k，找出最大的信道增益所对应的子载波，假设找出的子载波为第n个子载波z_n，则将第n个子载波z_n分配给第k个用户u_k，然后将第n个子载波z_n从子载波集合Ω_N中删除，接着更新初始分配给第k个用户u_k的子载波数目N_k′=N_k′-1，并更新第k个用户u_k的速率要求R_k，再将ρ_k,n的值置为1用于表示第n个子载波被分配给第k个用户，其中，N_k′=N_k′-1中“=”为赋值符号，B表示信道带宽，H_k，n表示第k个用户u_k在第n个子载波z_n上的相对信道增益，H_k,n＝h_k，n|²/δ²，h_k,n表示第k个用户u_k在第n个子载波z_n上的冲击响应，δ²表示加性高斯白噪声方差，“||”为取绝对值符号；

②-3、判断||Ω_N||>N^*是否成立，如果成立，则执行步骤②-4，否则，执行步骤②-5，其中，||Ω_N||表示删除已分配子载波后的子载波集合Ω_N中的子载波的个数；

②-4、分配应被分配的子载波：将应被分配的子载波中还未被分配的子载波继续分配给每个用户，在分配过程中首先找出速率要求与对应的比例系数之比最小的用户，假设找出的用户为第k个用户u_k，则再找出第k个用户u_k的最大的信道增益所对应的子载波，假设找出的子载波为第n个子载波z_n，则当N_k′>0时将第n个子载波z_n分配给第k个用户u_k，然后将第n个子载波z_n从子载波集合Ω_N中删除，接着更新初始分配给第k个用户u_k的子载波数目N_k′=N_k′-1，并更新第k个用户u_k的速率要求R_k，之后将ρ_k,n的值置为1用于表示第n个子载波被分配给第k个用户，当N_k′=0时将k个用户从用户集合Ω_K中删除，再返回步骤②-3继续执行，其中，$>R_k=R_k+\frac{B}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{pH}}_{k,n})$>中“=”为赋值符号，$>R_k=R_k+\frac{B}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{ph}}_{k,n})$>中“=”左边的R_k表示更新后第k个用户u_k的速率要求，“=”右边的R_k表示更新前第k个用户u_k的速率要求；

②-5、分配剩余的子载波：将剩下的N^*个子载波分配给每个用户，具体过程为：为这N^*个子载波分别找出相对信道增益最大的用户，对于这N^*个子载波中的第n^*个子载波，假设该第n^*个子载波为N个子载波中的第n个子载波，并假设找出的相对信道增益最大的用户为第k个用户u_k，则将第n个子载波z_n分配给第k个用户u_k，接着更新初始未被分配的子载波数目N^*=N^*-1，并更新第k个用户u_k的速率要求R_k，再将ρ_k,n的值置为1用于表示第n个子载波被分配给第k个用户，其中，1≤n^*≤N^*，N^*=N^*-1中“=”为赋值符号，中“=”为赋值符号，中“=”左边的R_k表示更新后第k个用户u_k的速率要求，“=”右边的R_k表示更新前第k个用户u_k的速率要求。

所述的步骤③中分配给第k个用户的第n个子载波上的功率P_k,n的具体获取过程为：

③-1、在K个用户间进行功率分配，将分配给第k个用户的总功率记为P_k,tot，其中，1≤k≤K，K表示用户总数，θ_k表示第k个用户预设的速率要求对应的比例系数，θ_i表示第i个用户的速率要求对应的比例系数，p_total表示总的发送功率；

③-2、在分配给每个用户的每个子载波上进行功率分配，对于第k个用户，假设最终分配给其的子载波为第1个子载波至第N_k个子载波，则将这N_k个子载波中的第n'个子载波上分配的功率记为P_k,n′，其中，1<N_k<N，1≤n′≤N_k，N_k表示最终分配给第k个用户的子载波数目，H_kn′表示第k个用户在这N_k个子载波中的第n′个子载波上对应的相对信道增益，H_k，i′表示第k个用户在这N_k个子载波中的第i′个子载波上对应的相对信道增益。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在子载波数目分配过程中是基于用户间预先设定的速率要求对应的比例系数而分配的；在子载波分配过程中先是基于最大化最小速率要求与对应的比例系数之比分配子载波，然后将剩下的子载波分配给信道增益最大的用户，这种子载波分配方式更能提高系统的吞吐量；在功率分配过程中是基于用户的速率要求对应的比例系数及相对信道增益按比例分配的，不仅易于实现，而且计算复杂度低。

附图说明

图1为采用TDMA方法、Shen方法及本发明方法进行资源分配得到的所有用户总容量随用户数变化的示意图；

图2为采用TDMA方法、Shen方法及本发明方法进行资源分配得到的用户公平性因子FP随用户数变化的示意图；

图3为采用Shen方法和本发明方法在同样的信道条件下进行资源分配所执行的时间随用户数变化的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种基于速率自适应的OFDMA资源分配方法的目标是最大化总传输速率的同时满足各用户的速率要求与公平性要求，其是建立在下行链路的OFDMA最优资源分配模型的基础上的，最优资源分配模型如下：$>\left(\begin{array}{c}s.t.\underset{k=1}{\overset{k}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{k,n}\le P_{\mathrm{total}}---\left(a\right)\\ \left(\begin{array}{cc}{p}_{k,n}\ge 0& \forall k,n---\left(b\right)\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{cc}{\rho }_{k,n}\in \left\{\mathrm{0,1}\right\}& \forall k,n---\left(c\right)\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{cc}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\rho }_{k,n}=1& \forall n---\left(d\right)\end{array}\right)\\ R_1:R_2:...:R_K={\theta }_1:{\theta }_2:...:{\theta }_k---\left(e\right)\end{array}\right),$>其中，K表示用户的总个数，N表示子载波的总个数，ρ_k,n用于表示第n个子载波是否被分配给第k个用户的加权因子，如果第n个子载波被分配给第k个用户，则ρ_k，n=1，如果第n个子载波未被分配给第k个用户，则ρ_k,n=0，B表示信道带宽，p_k,n表示第k个用户在第n个子载波上的发送功率，H_k,n表示第k个用户在第n个子载波上的相对信道增益，H_k，n=|h_k，n|²/δ²，h_k,n表示第k个用户在第n个子载波上的冲击响应，δ²表示加性高斯白噪声方差，“||”为取绝对值符号，P_total表示总的发送功率，R₁表示第1个用户的速率要求，R₂表示第2个用户的速率要求，R_K表示第K个用户的速率要求，θ₁表示第1个用户的速率要求对应的比例系数，θ₂表示第2个用户的速率要求对应的比例系数，θK表示第K个用户的速率要求对应的比例系数，约束条件(a)表示所有用户在所有子载波上的发送功率的总和不能超过总的发送功率，约束条件(b)表示每个用户在每个子载波上的发送功率应大于或等于0，约束条件(c)表示第n个子载波是否被分配给第k个用户，约束条件(d)表示每个子载波仅供一个用户使用，约束条件(e)是为确保用户的公平性而设定的比例系数值。

为了衡量在不同条件下用户的公平性情况，在此定义公平性因子，记为FP，其中，R_k表示第k个用户的速率要求，θ_k表示第k个用户的速率要求对应的比例系数，从中可以看出FP≤1，FP越接近1，说明公平性越好，FP＝1时公平性得到最大满足。

本发明方法具体包括以下步骤：

①根据每个用户预设的速率要求对应的比例系数，确定初始分配给每个用户的子载波数目，将初始分配给第k个用户的子载波数目记为N_k′，然后根据初始分配给K个用户的子载波数目，计算初始未被分配的子载波数目，记为N^*，其中，1≤k≤K，K表示用户总数，N表示子载波总数。

在此具体实施例中，步骤①中初始分配给第k个用户的子载波数目N_k′的确定过程为：假设第k个用户预设的速率要求对应的比例系数为θ_k，则根据θ_k计算初始分配给第k个用户的子载波数目N_k′，其中，θ_i表示第i个用户的速率要求对应的比例系数，为向下取整符号。

②根据初始分配给每个用户的子载波数目，为每个用户分配应被分配的子载波，在分配过程中总是优先给速率要求与对应的比例系数之比最小的用户分配相对信道增益最好的信道，直至所有用户初始应被分配的子载波数目得到满足；然后将剩下的子载波分配给相对信道增益最大的用户。

在此具体实施例中，步骤②的具体过程为：

②-1、将每个用户的速率要求初始化为0，将子载波集合记为Ω_N，Ω_N={z₁,z₂,…,z_n,…,z_N}，将用户集合记为Ω_K，Ω_K={u₁,u₂,…,u_k,…,u_K}，将平均功率记为p，将第k个用户所对应的第n个子载波是否被分配的加权因子记为ρ_k,n，ρ_k,n=1表示第k个用户所对应的第n个子载波已被分配，ρ_k,n=0表示第k个用户所对应的第n个子载波未被分配，其中，1≤n≤N，z₁表示第1个子载波，z₂表示第2个子载波，z_n表示第n个子载波，z_N表示第N个子载波，u₁表示第1个用户，u₂表示第2个用户，u_k表示第k个用户，u_K表示第K个用户，P_total表示总的发送功率。

②-2、初始给每个用户分配相对信道增益最好的一个子载波，然后将已分配的子载波从子载波集合Ω_N中删除，再更新初始分配给每个用户的子载波数目和每个用户的速率要求；对于第k个用户u_k，找出最大的信道增益所对应的子载波，假设找出的子载波为第n个子载波z_n，则将第n个子载波z_n分配给第k个用户u_k，然后将第n个子载波z_n从子载波集合Ω_N中删除，接着更新初始分配给第k个用户u_k的子载波数目N_k′=N_k′-1，并更新第k个用户u_k的速率要求R_k，再将ρ_k,n的值置为1用于表示第n个子载波被分配给第k个用户，其中，N_k′=N_k′-1中“=”为赋值符号，B表示信道带宽，H_k,n表示第k个用户u_k在第n个子载波z_n上的相对信道增益，H_k,n＝|h_k，n|²/δ²，h_k,n表示第k个用户u_k在第n个子载波z_n上的冲击响应，δ²表示加性高斯白噪声方差，“||”为取绝对值符号。

②-3、判断||Ω_N||>N^*是否成立，如果成立，则执行步骤②-4，否则，执行步骤②-5，其中，||Ω_N||表示删除已分配子载波后的子载波集合Ω_N中的子载波的个数。

②-4、分配应被分配的子载波：将应被分配的子载波中还未被分配的子载波继续分配给每个用户，在分配过程中首先找出速率要求与对应的比例系数之比最小的用户，假设找出的用户为第k个用户u_k，则再找出第k个用户u_k的最大的信道增益所对应的子载波，假设找出的子载波为第n个子载波z_n，则当N_k′>0时将第n个子载波z_n分配给第k个用户u_k，然后将第n个子载波z_n从子载波集合Ω_N中删除，接着更新初始分配给第k个用户u_k的子载波数目N_k′=N_k′-1，并更新第k个用户u_k的速率要求R_k，之后将ρ_k,n的值置为1用于表示第n个子载波被分配给第k个用户，当N_k′=0时将k个用户从用户集合Ω_K中删除，再返回步骤②-3继续执行，其中，$>R_k=R_k+\frac{B}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{pH}}_{k,n})$>中“=”为赋值符号，$>R_k=R_k+\frac{B}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{pH}}_{k,n})$>中“=”左边的R_k表示更新后第k个用户u_k的速率要求，“=”右边的R_k表示更新前第k个用户u_k的速率要求。

②-5、分配剩余的子载波：将剩下的N^*个子载波分配给每个用户，分配的准则是：将相对信道增益最大的子载波分配给用户，具体过程为：为这N^*个子载波分别找出相对信道增益最大的用户，对于这N^*个子载波中的第n^*个子载波，假设该第n^*个子载波为N个子载波中的第n个子载波，并假设找出的相对信道增益最大的用户为第k个用户u_k，则将第n个子载波z_n分配给第k个用户u_k，接着更新初始未被分配的子载波数目N^*=N^*-1，并更新第k个用户u_k的速率要求R_k，再将ρ_k,n的值置为1用于表示第n个子载波被分配给第k个用户，其中，1≤n^*≤N^*，N^*=N^*-1中“”为赋值符号，$>R_k=R_k+\frac{B}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{pH}}_{k,n})$>中“=”为赋值符号，$>R_k=R_k+\frac{B}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{pH}}_{k,n})$>中“=”左边的R_k表示更新后第k个用户u_k的速率要求，“=”右边的R_k表示更新前第k个用户u_k的速率要求。

③在分配给每个用户的每个子载波上进行功率分配，将分配给第k个用户的第n个子载波上的功率记为P_k,n。

在此具体实施例中，步骤③中分配给第k个用户的第n个子载波上的功率P_k,n的具体获取过程为：

③-1、在K个用户间进行功率分配，将分配给第k个用户的总功率记为P_k,tot,其中，1≤k≤K，K表示用户总数，θ_k表示第k个用户预设的速率要求对应的比例系数，θ_i表示第i个用户的速率要求对应的比例系数，P_total表示总的发送功率。

③-2、在分配给每个用户的每个子载波上进行功率分配，对于第k个用户，假设最终分配给其的子载波为第1个子载波至第N_k个子载波，则将这N_k个子载波中的第n′个子载波上分配的功率记为P_k,n′，其中，1<N_k<N，1≤n′≤N_k，N_k表示最终分配给第k个用户的子载波数目，H_kn′表示第k个用户在这N_k个子载波中的第n′个子载波上对应的相对信道增益，H_k，i′表示第k个用户在这N_k个子载波中的第i′个子载波上对应的相对信道增益。

以下为通过实验说明本发明方法的有效性和可行性。

在此，采用的仿真环境是6径频率选择性Raleigh信道，最大多谱勒频移为30HZ，时延扩展为5μs，总的子载波数目为64，系统带宽为1MHz，总的发送功率为1W，高斯白噪声功率谱密度为N₀=10^-8，用户数为2～10个，蒙特卡洛仿真次数为2000次。下面从系统容量、用户公平性因子、执行时间三方面来分析本发明方法的有效性和可行性。

图1给出了采用TDMA方法、Shen方法及本发明方法进行资源分配（子载波、比特及功率）得到的所有用户总容量随用户数变化的示意图，从图1中可以看出随着用户数的增加，本发明方法、Shen方法获得的系统容量随之增加，而TDMA方法得到的系统容量基本不变，这是因为本发明方法、Shen方法是动态的自适应资源分配方法，利用了多用户的分集原理，而优于静态的TDMA资源分配方法，同时随着用户的增加本发明方法的系统容量明显高于Shen方法的系统容量。

图2给出了采用TDMA方法、Shen方法及本发明方法进行资源分配得到的系统用户公平性因子FP随用户数变化的示意图，从图2中可以看出随着用户数的增加，Shen方法体现了用户公平性，其公平性因子接近1，本发明方法及TDMA方法得到的公平性因子均呈下降趋势，这是因为Shen方法最大化系统容量的同时很好的兼顾了用户的公平性，而本发明方法在稍微降低用户公平性的同时最大化了系统容量，相比TDMA方法，本发明方法有较好的公平性，其公平性因子为0.88～0.98。

图3给出了采用Shen方法和本发明方法在同样的信道条件下进行资源分配所执行的时间随用户数变化的示意图，从图3中可以看出随着用户数的增加，本发明方法进行资源分配所需时间稍有增加，而Shen方法所需时间呈递增趋势，这是因为本发明方法中功率分配是基于用户的速率比例系数及相对信道增益按比例分配的，其有很低的复杂度，易于实现，而Shen方法采用迭代搜索方法找出最优的功率分配，进行了大量的迭代搜索，需要很高的计算复杂度。