一种功率最小化的双层迭代OFDM子载波分配算法

摘要

本发明公开了一种OFDM子载波分配算法，在满足用户最小速率请求的前提下，使基站的发送功率最小化。该算法的步骤包括：参数初始化，参数包括调度的用户数、系统带宽、子载波个数、子载波带宽、调度用户的最小速率请求、用户的信道噪声比和迭代终止门限值；迭代初始化，初始化用户的子载波分配，并计算总的功率消耗；迭代过程，每一次外层迭代包括（K-1）次内层迭代。经过（K-1）次内层迭代，计算本次外层迭代后系统总的功率消耗，本次外层迭代结束。迭代收敛判别，若小于迭代终止门限值，停止迭代，此次迭代结果为最优的子载波分配值；否则，重复进行下一次外层迭代。本发明通过内外两层迭代进行子载波分配，可使基站的发送功率最小化。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体地说，涉及到一种能够使基站的发送功率最小化 的OFDM子载波分配算法。

背景技术

随着各种智能终端的快速普及，无线业务的需求增长迅速，无线通信产业的能量 消耗以惊人的速度增长。从环境保护和经济发展的双重角度来看，提高能量效率，降低网络 的能量消耗，已成为未来移动蜂窝网络设计普遍关注的问题。

为了满足用户的需求，传统蜂窝网络通常按照小区容量的峰值进行设计。在晚上 的办公区域、白天的居民区，大部分的网络很少一直处于峰值状态。因此，按照小区的负载 变化动态的调整基站的发送功率就显得很有必要。根据香农容量公式，发送速率与可分配 的带宽或子载波数成线性关系，与发送功率成对数关系。因此，在保持用户服务质量的前提 下，可以调整频谱和发送功率之间的关系，以达到功率节省的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种功率最小化的双层迭代OFDM子载波分配算 法，该算法在满足用户最小速率请求的条件下，以较低的复杂度把系统中的OFDM子载波分 配给用户，可使基站的功率消耗最小。

本发明的技术方案为：该算法包括内外两层迭代。在内层迭代中，当两个相邻用户 的子载波数目固定时，内层迭代函数localbest用来寻找这两个用户的局部最优的子载波 分配值。将每个用户从左向右排列，内层迭代算法每次向右移动一个用户，直到移动到最后 一个用户。因此，每次外层迭代包括(K-1)次内层迭代。在进行(K-1)次内层迭代后，本次外 层迭代通过和上次外层迭代结果进行对比，判断是否终止迭代过程。所述算法具体步骤如 下：

(1)参数初始化，所述参数包括用户数K、子载波个数L、子载波带宽W、用户的最小 速率请求rk、基站到每个用户的信道噪声比G_k、迭代终止门限值ε；

(2)迭代初始化，随机初始化K个用户的子载波分配，并计算K个用户总的功率消 耗；

(3)双层迭代：包括内外两层迭代，每次外层迭代包括(K-1)次内层迭代；

(4)计算经过(K-1)次内层迭代后本次外层迭代系统总的功率消耗；

(5)迭代收敛判别：计算本次外层迭代的功率消耗相对上次外层迭代的功率消耗 节省值，如果功率节省值小于判决门限值，停止迭代，本次外层迭代的子载波分配为最优的 子载波分配；否则，重复进行下一次外层迭代过程。

进一步地，步骤(1)中所述的最小速率请求，是满足用户服务质量的前提下，用户 需要的最小发送速率。

进一步地，步骤(2)中所述的随机初始化K个用户的子载波分配，是把L个子载波分 配给K个用户，并满足用户的最小速率请求。

进一步地，步骤(2)中所述的K个用户，需要对K个用户进行排序并标注用户的顺 序。

进一步地，所述步骤(3)中，第t次外层迭代时内层迭代过程如下：

form＝1:K-1

$[b_m^t,b_{m+1}^t]=localbest\left(\right[b_m^{t-1},b_{m+1}^{t-1}],r_m,r_{m+1},G_m,G_{m+1},W);$

$b_{m+1}^{t-1}=b_{m+1}^t.$

end

令$[l_1^t,l_2^t,\mathrm{...},l_K^t]=[b_1^t,b_2^t,\mathrm{...},b_K^t].$

进一步地，所述步骤(3)中第m次内层迭代，在保证上次迭代两个相邻用户m和m+1 的子载波之和不变的情况下，对两个用户的子载波数进行重新分配，使这两个用户的功率 消耗之和最小化，记录第m个用户的子载波为本次内层迭代的子载波数，第m+1个用户的子 载波分配结果参与到下一次内层迭代。

进一步地，步骤(3)中从第一次内层迭代到第(K-2)次内层迭代，前一个用户的子 载波数为本次迭代后的更新值，后一个用户的子载波数参与到下一次内部迭代的运算，第 (K-1)次迭代对最后两个用户的子载波数进行更新。

进一步地，步骤(5)在进行(K-1)次内层迭代后，进行本次外层迭代。

进一步地，步骤(6)中的迭代收敛判别，如果功率节省值小于判决门限值，停止迭 代，其外层迭代次数是不确定的。

本发明的有益效果：本发明可以在满足用户最小速率请求的条件下，通过双层迭 代把系统中的OFDM子载波分配给用户，从而使基站的发送功率最小。另外，本算法具有较低 的复杂度。

附图说明

图1表示三种不同子载波初始化条件下总功率消耗随迭代次数的变化情况。

图2表示提出的双层迭代算法与穷搜算法和平均分配子载波时基站总的功率消耗 对比。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。本实 施例的主要功能，是提供一种功率最小化的双层迭代OFDM子载波分配算法，该算法在满足 用户最小速率请求的条件下，以较低的复杂度对系统子载波进行分配，使系统的功率消耗 最小。

设小区半径为500米，用户在小区覆盖范围内均匀分布，假设用户的最小数据速率 请求都相同，为1kbps。每个子载波带宽为1kHz。假设噪声功率为-115dBm。假设在每个时隙 对三个用户进行调度。本算法可以应用到更多子载波和更多用户的情形。本实施例的接入 方法具体包括以下步骤：

第一步：参数初始化，包括用户数K，子载波数L，用户k的信道噪声比G_k及最小速率 请求r_k，子载波带宽W，迭代终止门限值ε；

第二步：迭代初始化，初始化用户的子载波分配计算总的功率消耗 P⁰。令$[b_1^0,b_2^0,\mathrm{...},b_K^0]=[l_1^0,l_2^0,\mathrm{...},r_K^0];$

第三步：第t次外层迭代时内层迭代过程

form＝1:K-1

$[b_m^t,b_{m+1}^t]=localbest\left(\right[b_m^{t-1},b_{m+1}^{t-1}],r_m,r_{m+1},G_m,G_{m+1},W);$

$b_{m+1}^{t-1}=b_{m+1}^t;$

end

令$[l_1^t,l_2^t,\mathrm{...},l_K^t]=[b_1^t,b_2^t,\mathrm{...},b_K^t].$

计算第t次迭代后总的功率消耗

第m次内层迭代，在保证上次迭代两个相邻用户m和m+1的子载波之和不变的情况 下，对两个用户的子载波数进行重新分配，使这两个用户的功率消耗之和最小化，记录第m 个用户的子载波为本次内层迭代的子载波数，第m+1个用户的子载波分配结果参与到下一 次内层迭代。

从第一次内层迭代到第(K-2)次内层迭代，前一个用户的子载波数为本次迭代后 的更新值，后一个用户的子载波数参与到下一次内部迭代的运算，第(K-1)次迭代对最后两 个用户的子载波数进行更新。

第四步：迭代收敛判别。如果P^t-P^t-1＜ε，停止迭代，输出最优的子载波分配结果 否则，令t＝t+1,重复进行下一次迭代过程。如果功率节省值小 于判决门限值，停止迭代，其外层迭代次数是不确定的。

图1表示三种不同子载波初始化条件下总功率消耗随迭代次数的变化情况。三种 子载波初始化分别为(6，6，6)、(1，2，15)和(15，1，2)，调度的三个用户到基站的距离分别为 300米、400米和500米，总的子载波数目为18，三种子载波初始化场景下达到最优的子载波 分配需要的外层迭代次数分别为3，3，4。图2表示调度的三个用户到基站的距离分别为100 米、150米和500米时，提出的双层迭代算法、穷搜算法、平均分配算法下系统总的功率消耗 随子载波数目变化的情况，可以看到提出的双层迭代算法达到穷搜算法的性能，并优于平 均分配子载波算法。

在本实施例中，功率最小化的双层迭代OFDM子载波分配算法的有益效果主要体现 两个方面：第一，本发明提出的算法只需要较少次数的内外层次迭代，计算复杂度较低；第 二，利用该发明提出的算法，可以使基站的发送功率最小，达到穷搜算法的性能，并且比平 均分配子载波算法的性能要好。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技 术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因 此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。