基于802.16m的OFDMA系统的上行资源分配与调度方法

摘要

本发明涉及一种基于802.16m的OFDMA系统的上行资源分配与调度方法。现有的信息传输成本高。本发明方法包括基站对用户的时隙分配和用户对业务的时隙调度；时隙分配具体为：基站需要根据用户的带宽请求信息来确定时隙分配过程中各个用户的优先级，然后按照用户的优先顺序，并根据用户的信噪比为每个用户分配相应的时隙，确定在该时隙内的调制方式并分配相应的功率。时隙调度具体为：基站通过上行管理消息UL-MAP将资源分配情况发送给每个用户，用户按照基站分配给它的时隙来进行上行传输，由用户的资源调度器调度具体时隙分配和业务。本发明综合考虑了多用户和多业务场景下的资源分配方法，具有较强的适用范围。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信中的无线资源管理领域，涉及一种基于IEEE 802.16m的OFDMA系统的上行资源分配与调度方法。

背景技术

为了满足人们对传输速率日益增长的需求和高速移动性的要求，IEEE802.16委员会设立了802.16m项目，802.16m的下行数据传输速度可达到1Gbps，其在高速移动状态下也可保持在100Mbps左右。如此高速率得益于其物理层采用的一些先进技术，其中包括正交频分多址接入(OrthogonalFrequency Division Multiple Access，OFDMA)技术。OFDMA是OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术的演进，是一种利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。OFDMA能对抗无线传输环境中的频率选择性衰落，获得很高的频谱利用率，非常适用于无线宽带信道下的高速传输。在OFDMA技术中，每个用户可以选择信道条件较好的子信道进行数据传输，由于用户间信道衰落的独立性，从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的用户使用，获得了频率上的多用户分集增益，从而能够更好地满足用户的服务质量(QoS)。

将OFDMA技术和动态资源分配技术结合可以显著地提升系统性能。目前，人们已经提出了许多OFDMA系统的资源分配方案，但是很多方案都只考虑了多用户场景下的资源分配情况，并没有涉及到多业务的情况。802.16m是基于连接的，而每个连接又与一个单独的业务流相关联，每一个业务流与一系列的QoS参数相关联，这些QoS参数确定了业务流的特性。802.16m中定义了5种调度业务：UGS(Unsolicited Grant Service，非请求授权业务)、RtPS(Real-time Polling Service，实时轮询业务)、ErtPS(Extend-real-timePolling Service，扩展实时轮询业务)、NrtPS(Non-real-time PollingService，非实时轮询业务)和BE(Best Effort，尽力而为的业务)。

目前，许多基于802.16的OFDMA系统的资源分配方案都是针对下行传输的，在下行资源分配中，基站根据各业务的QoS需求统一为每个业务分配下行资源。而在上行资源分配过程中，用户需要先向基站发送带宽请求，基站再根据用户的请求在上行子帧中为用户分配相应的资源。IEEE 802.16m中定义了两种带宽分配模式：GPC(Grant-Per-Connection)和GPSS(Grant-Per-SS)，前者是基站单独地为每个业务进行带宽分配，不管这些业务是否属于同一个用户。而后者则是由基站将资源分配给每个用户，再由每个用户来为其所承载的各个业务分配带宽。因为在GPSS模式下，基站无需追踪所有的具体业务，而是由用户在其承载的业务中进行资源的调度，因此具有更大的灵活性和更高的效率。

在IEEE 802.16m中，OFDMA物理层的一个时隙(slot)由时间(OFDMA符号)和频率(子信道)两个因素决定，一个时隙是最小的数据分配单位。一个时隙占据一个子信道，而所占OFDMA符号的多少和子载波的排列方式以及上下行方向有关。一个子信道由多个子载波构成，根据构成子信道的子载波相邻与否，802.16m定义了两种子载波排列方式：(1)分布子载波排列(DistributedSubcarrier Permutation)：即随机分布的多个子载波构成一个子信道；(2)相邻子载波排列(Adjacent Subcarrier Permutation)：彼此相邻的多个子载波构成一个子信道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于802.16m的OFDMA系统的上行资源分配与调度方法。该方法是在基于IEEE 802.16m的OFDMA系统中对上行资源进行合理分配和优化调度，即基站为每个用户分配最合适的上行时隙，以最大限度的利用无线信道容量，达到系统总吞吐量的最大化的同时保证业务的QoS需求，并满足每个用户的发射功率约束。

本发明包括基站对用户的时隙分配，以最大化系统的总吞吐量；用户对业务的时隙调度，以满足业务的QoS需求。本发明的具体步骤为：

步骤(1)、基站对用户的时隙分配。基站需要根据用户的带宽请求信息来确定时隙分配过程中各个用户的优先级。基站按照用户的优先顺序，并根据用户的信噪比为每个用户分配相应的时隙、确定在该时隙内的调制方式并分配相应的功率。这里的信噪比存在两种情况，情况一、信噪比在一个上行子帧内保持不变；情况二、信噪比在一个上行时隙内保持不变。具体的方法为：

a、初始化系统参数。系统中有K个用户、N个子信道和T个OFDMA符号，每个子信道包含q个子载波数，上行子帧中的任意一个时隙为具有M个OFDMA符号的一个子信道，则一个上行子帧具有N×L个时隙，其中L＝T/M。用η_k，n，l表示时隙(n，l)是否分配给用户k，当η_k，n，l＝1时表示时隙(n，l)分配给了用户k，而η_k，n，l＝0时表示时隙(n，l)没有分配给用户k，初始化η_k，n，l＝0，k＝1，2，…，K，n＝1，2，…，N，l＝1，2，…，L。用U表示未满足需求的用户集合，初始化U＝{1，2，…，K}。用C表示时隙未被全部占用的子信道集合，初始化C＝{1，2，…，N}。用NL表示未被分配的时隙集合，初始化NL＝{(1，1)，(1，2)，…，(1，L)，(2，1)，(2，2)，…(2，L)，…，(N，1)，(N，2)，…(N，L)}。

b、确定用户的优先级。一个用户往往承载多种具有不同QoS的业务流，因此用户的优先级需要根据其所承载的业务流在当前上行子帧内所要传输的最小比特数来决定。用表示用户k的业务s在当前上行子帧内需要传输的最小比特数，根据5种业务流的不同QoS需求，它们在当前上行子帧内需要传输的最小比特数各不相同：

对于UGS来说，其中D_k，ugs表示UGS的最大可容忍的延时，B_k，ugs表示用户k在上行子帧中需要传输的UGS业务的比特数目。

对于RtPS来说，其中D_k，rtps表示RtPS的最大可容忍延时，表示RtPS当前时刻所经历的延时，则表示完成RtPS的发送还剩余的时间，D_th，rtps表示预先设定的RtPS的延时门限，可设为1或者2；当0＜ΔD_k，rtps≤D_th，rtps时就可以认为RtPS有超时的危险，所以需要在当前帧内传输所有剩余的RtPS数据B_k，rtps；当ΔD_k，rtps＞D_th，rtps时表明RtPS暂没有超时的危险，所以为将资源留给更加迫切需要带宽的业务，RtPS在当前上行子帧内以平均速率进行传输。

对于ErtPS来说，其中α＞1为常数，用来表明在同等情况下，ErtPS比RtPS具有更高的优先级，其他参数的定义和RtPS中的定义一样。

对于NrtPS来说，其中表示NrtPS必须要达到的最小传输速率。

对于BE业务来说，因为其没有QoS需求，所以可认为但是这样容易导致BE业务因得不到资源而饿死，所以本发明要求满足其中s∈{UGS，RtPS，ErtPS，NrtPS}。

根据5种调度业务在当前上行子帧内需要传输的最小比特数，本发明确定用户k的优先级为：

其中β_ugs＞β_ertps＞β_rtps＞β_nrtps＞β_be∈(0，1]表示5种调度业务相应的系数，根据它们的QoS需求，可设β_ugs＝1，β_ertps＝0.9，β_rtps＝0.8，β_nrtps＝0.6以及β_be＝0.4。

本发明根据用户的信噪比在一个上行子帧内保持不变和在一个上行时隙内保持不变这两种情况分别对以下各步骤进行阐述：

(1)用户的信噪比在一个上行子帧内保持不变：

c1、在集合U中选择优先级最高的用户

d1、在集合C中为用户k^*选择具有最大信道增益的子信道其中表示用户k^*在子信道n上的信噪比，它在一个上行子帧内保持不变。

e1、为用户k^*在子信道n^*内选择自适应编码和调制(AMC)模式，具体为：初始时选择最高等级的AMC模式，如果在后续步骤中发现选择的AMC模式不能满足功率约束，则依次将AMC模式下调一个等级。

f1、从子信道n^*的第一个可用时隙开始依次连续地在该子信道内为用户k^*分配时隙，这里所说的第一个可用时隙是子信道n^*中第一个的时隙，每选择一个时隙(n^*，l)，令并计算此时用户的传输速率表示用户k^*在时隙(n^*，l)上所加载的比特数。

g1、比较与其中s∈{UGS，RtPS，ErtPS，NrtPS，BE}表示用户k^*在当前上行子帧内所需传输的最小比特数，当则跳转至f1，当子信道n^*的所有时隙都被占用后，还是小于则另C＝C/{n^*}，并跳转至d1。当则停止对用户k^*的时隙分配，并计算用户k^*当前所需的发射功率其中表示用户k^*在时隙(n^*，l)中的总发射功率，它等于在该时隙中各个子载波上的发射功率之和，因为各个子载波上的发射功率是相等的，所以其中其中Q表示所选的AMC模式为Q-QAM，为用户k^*的平均误比特率要求，σ²为白高斯噪声的方差。

h1、比较和其中为用户k^*所允许的最大发射功率。当则说明满足用户的功率约束，则令U＝U/{k^*}，并跳转至c1，直到U或者NL为空。当则说明满足用户的功率约束，则跳转至e1。

i1、当U为空而NL或者C不为空时，说明在满足用户的需求后还有资源剩余，为了最大限度地提升系统的吞吐量，将剩余时隙依次分配给满足程度最低的用户，即令用户集合U＝{1，2，…，K}，选择为用户k^*选择子信道在该子信道内为用户分配一个未被占用的时隙(n^*，l)，并检查是否满足该用户的功率约束，如果满足，则令NL＝NL/{(n^*，l)}。反复执行i1，直到NL或者C为空。

(2)用户的信噪比在一个上行时隙内保持不变：

c2、在集合U中选择优先级最高的用户

d2、在集合C中为用户k^*选择最大信道增益的时隙其中表示用户k^*在时隙(n，l)上的信噪比，它在一个上行时隙内保持不变。

e2、为用户k^*在时隙(n^*，l^*)内选择AMC模式，具体为：初始时选择最高等级的模式，如果在后续步骤中发现选择的AMC模式不能满足功率约束或用户速率需求，则依次将AMC模式下调一个等级。

f2、计算此时用户k^*的传输速率并与比较，计算用户当前所需的发射功率并与比较：当且时，令U＝U/{k^*}，NL＝NL/{(n^*，l^*)}，并跳转至c2，直到U为空；当时，则跳转至e2。

g2、令跳转至c2；反复执行g2直到任意用户k都满足或者NL为空。

h2、当U为空而NL不为空时，说明在满足用户的需求后还有资源剩余，为了最大限度地提升系统的吞吐量，将剩余时隙依次分配给满足程度最低的用户，即令用户集合U＝{1，2，…，K}，选择为用户k^*选择时隙并检查是否满足该用户的功率约束，如果满足，则设U＝U/{k^*}，NL＝NL/{(n^*，l^*)}。反复执行h2，直到NL为空。

步骤(2)、用户对业务的时隙调度。在每个上行子帧开始阶段，基站会通过上行管理消息UL-MAP将资源分配情况发送给每个用户，用户需要严格按照基站分配给它的时隙来进行上行传输，但是具体哪个时隙分配给该用户的哪个调度业务则由该用户的资源调度器来进行调度，具体的调度方法如下：

a、初始化用户参数。对于每个用户k来说，其所承载的业务数为S_k，并初始化未满足QoS需求的业务集合为S＝{1，2，…，S_k}；初始化未分配给业务的时隙集合T为基站分配给用户k的所有时隙；用λ_s，n，l表示时隙(n，l)是否分配给业务s，当λ_s，n，l＝1时表示时隙(n，l)分配给了业务s，而λ_s，n，l＝0时表示时隙(n，l)没有分配给业务s，初始化λ_s，n，l＝0，s＝1，2，…，S_k。

b、在集合S选择优先级最高的业务

c、在集合T中选择采用最高等级AMC模式的时隙分配给s^*，并令T＝T/{(n^*，l^*)}，同时计算业务s^*当前的传输速率当则重复本步骤；当时，令S＝S/{s^*}，并跳转至b，直到S为空或者T为空。

d、当S为空而T不为空时，则表明在满足业务的QoS需求后，用户k还有时隙剩余，则按照的比例将剩余的时隙依次分配用户所承载的业务。

与现有的OFDMA系统资源分配方法相比，本发明的有益效果表现为：

1、现有的OFDMA系统资源分配方法只考虑多个用户或者多种业务的情况，而本发明综合考虑了多用户和多业务场景下的资源分配方法。

2、本发明提出了一种上行方向的资源分配方法，综合考虑了基站在用户之间的资源分配和用户在业务之间的资源调度。

3、本发明同时考虑了用户的信噪比在一个上行子帧和一个上行符号内不变这样两种情况，具有更广泛的适用范围和实际意义。

附图说明

图1为基于IEEE 802.16m的OFDMA系统中基站对用户的上行资源分配和调度的示意图；

图2为用户信噪比在一个上行子帧内保持不变时基站的资源分配流程图；

图3为用户信噪比在一个上行时隙内保持不变时基站的资源分配流程图；

图4为用户在多个业务间进行资源调度流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明适用于基于IEEE 802.16m的OFDMA系统的上行资源分配。图1为基于IEEE 802.16m的OFDMA系统中基站对用户的上行资源分配和调度的示意图。当有承载多种业务的多个用户需要向基站进行上行数据传输时，用户需要首先在一定的时刻向基站发送带宽请求信息。基站根据无线信道条件、用户的QoS需求以及用户的带宽请求信息，合理地分配无线资源，在保证用户需求和满足用户发射功率约束的前提下，使得系统的吞吐量最大。在每个上行子帧开始前，基站会通过上行管理消息UL-MAP将资源分配情况发送给每个用户，每个用户再根据其所承载的业务的QoS进行资源的合理调度。

图2是用户信噪比在一个上行子帧内保持不变时基站的资源分配流程图，而图3是用户信噪比在一个上行时隙内保持不变时基站的资源分配流程图。其中在系统参数初始化和确定用户优先级两个阶段在两种情况下是一致的，因此首先说明系统参数的初始化和用户优先级的确定。

a、初始化系统参数。系统中有6个用户、64个子信道，16个OFDMA系统每个信道所包含16个子载波数，上行子帧中的任意一个时隙为具有2个OFDMA符号的一个子信道，则一个上行子帧具有64×8个时隙。用η_k，n，l表示时隙(n，l)是否分配给用户k，当η_k，n，l＝1时表示时隙(n，l)分配给了用户k，而η_k，n，l＝0时表示时隙(n，l)没有分配给了用户k，初始化η_k，n，l＝0，k＝1，2，…，6，n＝1，2，…，64，l＝1，2，…，8。用U表示未满足需求的用户集合，初始化U＝{1，2，…，6}。用C表示其中时隙未被全部占用的子信道集合，初始化C＝{1，2，…，64}。用NL表示未被分配的时隙集合，初始化NL＝{(1，1)，(1，2)，…，(1，8)，(2，1)，(2，2)，…(2，8)，…，(64，1)，(64，2)，…(64，8)}。

b、确定用户的优先级。一个用户往往承载多种具有不同QoS的业务流，因此用户的优先级需要根据其所承载的业务在当前上行子帧内所要传输的最小比特数来决定。用表示用户k的业务s在当前上行子帧内需要传输的最小比特数，根据5种业务流的不同QoS需求，它们在当前上行子帧内需要传输的最小比特数各不相同：

对于UGS来说，其中D_k，ugs表示UGS的最大可容忍的延时，B_k，ugs表示用户k在上行子帧中需要传输的的UGS业务的比特数目。

对于RtPS来说，其中D_k，rtps表示RtPS的最大可容忍延时，表示RtPS当前时刻所经历的延时，则表示完成RtPS的发送还剩余的时间，D_th，rtps表示预先设定的RtPS的延时门限，设为1；当0＜ΔD_k，rtps≤D_th，rtps时就可以认为RtPS有超时的危险，所以需要在当前帧内传输所有剩余的RtPS数据B_k，rtps；当ΔD_k，rtps＞D_th，rtps时表明RtPS暂没有超时的危险，所以为将资源留给更加迫切需要带宽的业务，RtPS在当前上行子帧内以平均速率进行传输。

对于ErtPS来说，其中α＞1为常数，用来表明在同等情况下，ErtPS比RtPS具有更高的优先级，其他参数的定义和RtPS中的定义一样。

对于NrtPS来说，其中表示NrtPS必须要达到的最小传输速率。

对于BE业务来说，因为其没有QoS需求，所以可认为但是这样容易导致BE业务因得不到资源而饿死，所以本发明要求满足其中s∈{UGS，RtPS，ErtPS，NrtPS}。

根据5种调度业务在当前上行子帧内需要传输的最小比特数，本发明确定用户k的优先级为：

其中β_ugs＞β_ertps＞β_rtps＞β_nrtps＞β_be∈(0，1]表示5种调度业务相应的系数，根据它们的QoS需求，可设β_ugs＝1，β_ertps＝0.9，β_rtps＝0.8，β_nrtps＝0.6以及β_be＝0.4。

以下将结合图2具体说明用户信噪比在一个上行子帧内保持不变的情况下的基站资源分配过程。

c1、在集合U中选择优先级最高的用户例如选择了用户1。

d1、在集合C中为用户1选择具有最大信道增益的子信道例如子信道10，其中表示用户1在子信道n上的信噪比。

e1、为用户1在子信道10内选择自适应编码和调制(AMC)模式，具体为：初始时选择最高阶的模式，例如64-QAM，如果在后续步骤中发现选择的AMC模式不能满足用户的功率约束，则依次将AMC模式下降为32-QAM、16-QAM和QPSK。

f1、从子信道10的第一个可用时隙开始依次连续地在该子信道内为用户1分配时隙，这里所说的第一个可用时隙是子信道n^*中第一个的时隙，每选择一个时隙(n^*，l)，令并计算此时用户的传输速率

g1、比较R₁与其中s∈{UGS，RtPS，ErtPS，NrtPS，BE}表示用户1在当前上行子帧内所需传输的最小比特数，当则跳转至f1，当子信道10的所有时隙都被占用后，R₁仍然小于则令C＝C/{10}，并跳转至d1。当则停止对用户1的时隙分配，并计算用户当前所需的发射功率其中p_1，10，l表示用户l在时隙(10，l)中的总发射功率，它等于在该时隙中各个子载波上的发射功率之和，因为各个子载波上的发射功率是相等的，所以p_1，10，l＝6·ρ_1，10，l，其中其中Q表示所选的AMC模式Q-QAM，BER₁为用户1的平均误比特率要求，σ²为白高斯噪声的方差。

h1、比较P₁和其中为用户1所允许的最大发射功率。当则说明满足用户的功率约束，则令U＝U/{l}，并跳转至c1，直到U或者NL为空。当则说明满足用户的功率约束，则跳转至e1。

i1、当U为空而NL或者C不为空时，说明在满足用户的需求后还有资源剩余，为了最大限度地提升系统的吞吐量，将剩余时隙依次分配给满足程度最低的用户，即令用户集合U＝{1，2，…，6}，选择为用户k^*选择子信道在该子信道内为用户分配一个未被占用的时隙(n^*，l)，并检查是否满足该用户的功率约束，如果满足，则令NL＝NL/{(n^*，l)}。反复执行i1，直到NL或者C为空。

以下将结合图3具体说明用户信噪比在一个上行时隙内保持不变的情况下的基站资源分配过程。

c2、在集合U中选择优先级最高的用户例如用户1；

d2、在集合C中为用户1选择最大信道增益的时隙例如时隙(10，4)，其中表示用户k^*在时隙(n，l)上的信噪比，它在一个上行时隙内保持不变。

e2、为用户1在时隙(10，4)内选择合适的AMC模式，具体为：初始时选择最高阶的模式，例如64-QAM，如果在后续步骤中发现选择的AMC模式不能满足用户的功率约束和用户的速率需求，则依次将AMC模式下降为32-QAM、16-QAM和QPSK。

f2、计算此时用户1的传输速率并与比较，同时计算用户当前所需的发射功率并与比较：当且时，令η_1，10，4＝1，U＝U/{1}，NL＝NL/{(10，4)}，并跳转至c2，直到U或者NL为空。当时，则跳转至e2。

g2、当U为空时，令并跳转至c2；反复执行g2，直到任意用户k都满足或者NL为空。

h2、当U为空而NL不为空时，说明在满足用户的需求后还有资源剩余，为了最大限度地提升系统的吞吐量，将剩余时隙依次分配给满足程度最低的用户，即令用户集合U＝{1，2，…，K}，选择为用户k^*选择时隙并检查是否满足该用户的功率约束，如果满足，则设U＝U/{k^*}，NL＝NL/{(n^*，l^*)}。反复执行h2，直到NL为空。

图4是用户在多个业务间进行资源调度的流程图。

下面结合图4具体说明本发明中用户在业务之间的资源调度过程。

a、初始化用户参数。对于每个用户k来说，其所承载的业务数为S_k，并初始化未满足QoS需求的业务集合为S＝{1，2，…，S_k}；初始化未分配给业务的时隙集合T为基站分配给用户k的所有时隙；用λ_s，n，l表示时隙(n，l)是否分配给业务s，当λ_s，n，l＝1时表示时隙(n，l)分配给了用户s，而λ_s，n，l＝0时表示时隙(n，l)没有分配给了用户s，初始化λ_s，n，l＝0，s＝1，2，…，S_k。

b、在集合S选择优先级最高的业务

c、在集合T中选择采用最高阶AMC模式的时隙分配给s^*，并令T＝T/{(n^*，l^*)}，同时计算业务s^*当前的传输速率当则重复本步骤；当后，令S＝S/{s^*}，并跳转至b，直到S为空或者T为空。

d、S为空而T不为空时，则表明在满足业务的QoS需求后，用户k还有时隙剩余，则按照各业务在当前时隙内所需传输的最小比特数的比例，将剩余的时隙依次分配用户所承载业务。