專利名稱：一種基于能量效率的miso-ofdm下行鏈路資源分配方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，更具體地，涉及一種基于能量效率的MIS0-0FDM下行鏈路資源分配方法。
背景技術：
多輸入單輸出(Multiple-Input Single-Output, MIS0)是一種智能天線技術,在這種技術里，通信系統的發射端使用的是多路天線，而接收端只有一根天線，通過對發送端的天線進行組合以達到最小的誤差和最優的數據傳輸速度。MISO技術已被廣泛應用于數字電視(DTV)，無線局域網絡(WLANs)，城域網絡(MANs)和移動通信中。正交頻分復用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,簡稱0FDM)已被作為下一代寬頻無線通信系統的基本調制方式。其首先利用串并轉換將信號變為多路速率較低的并行信號，再將并行信號調制到正交子載波上，實現了子信道之間的正交性，同時利用循環前綴技術消除了延遲擴展帶來的碼間串擾，展現了這種技術在抑制信道間干擾和信道內碼間串擾上卓越的優越性。從現有的MIS0-0FDM下行鏈路資源分配的方案來看，各種分配方案尚未在系統能量效率的衡量標準上達成一致，同時，如何在提高系統能量效率的同時兼具用戶服務質量(Quality of Service,簡稱QoS)和用戶服務的公平性是目前通信資源分配研究所面臨的另一挑戰。
發明內容
針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于能量效率的MIS0-0FDM下行鏈路資源分配方法，其針對MIS0-0FDM下行鏈路，在總功率和各用戶容量下限的雙變量約束條件下，提出了一種兼具公平性和能效性的子載頻分配方案，通過此子信道化方案，實現系統能效的優化。為實現上述目的，本發明提供了一種基于能量效率的MIS0-0FDM下行鏈路資源分配方法，包括以下步驟(I)將基站的總發射功率PT()tal平均分配至基站所使用的子載頻集合Ω中的每個子載頻上，即每個子載頻上被分得的功率為P = PT()tal/N，其中N為子載頻的個數，并將子載頻集合中的所有子載頻平均分配給所有通信中的用戶，即將每個用戶分配的子載頻數目初始化為[N/K]，其中K為通信中的用戶的個數；(2)確定分配給各用戶的子載頻數目，具體包括(21)對于所有用戶，判斷其有效容量與容量下限的差值Lgap1 (N1), gap2 (N2), . . . , gapK(Nk)]是否大于等于0，若是，則進入步驟(3),否則,進入步驟
(22)；(22)對于 Lgap1 (N1), gap2 (N2), . . . , gapK(Nk)中差值最大的用戶 u,執行 Nu = Nu-I,對于Lgap1 (N1), gap2 (N2), · · ·，gapK (Nk)]中差值最小的用戶V,執行Nv = Nv+1,并返回步驟(21)；(3)確定分配給各用戶的子載頻集合(31)將所有用戶按其子載頻上的平均增益噪聲比[沿,g2，…,的大小由大到小進行排列，并設置計數器i = I;(32)第i個用戶根據其子載頻數目Ni從子載頻集合Ω中挑選信道質量最好的Ni個子載頻作為其子載頻集合Qi，由Qi中的所有子載頻組成第i個用戶的子信道；
(33)剔除子載頻集合中已被第i個用戶選中的子載頻，即設置Ω =
置i = i+Ι，然后返回步驟(32)；(34)重復步驟(32)和(33)，直到所有用戶的子信道都確定為止。對于所有用戶中的第k個用戶，其有效容量與容量下限的差值gapk(Nk)通過以下
公式計算判認％)=義4|喂(1 + ;^)-(_，其中8為系統總帶寬^為子載頻集合Ω
IW
中的子載頻個數，Cmin為保障用戶服務質量所設定的用戶容量下限，其數值范圍為IObps至30bpso對于所有用戶中的第k個用戶，其子載頻上的平均增益噪聲比&是由下式獲得HloMI + '鴣K) = 5Iog:(l + A )，其中CgNRk，n表示第k個用戶在第η個子載頻
n=l N
上的信道增益噪聲比，并且CgAWivi =WHkn Iu1，其中||圮 $為第k個用戶在子載頻η
上的 fabulous 范數，且巧,η=[辦 k, I,，hk, n, i = Md(k；Taash(k)af (k, n, i),其中
i e [1，MT]，M為由環境決定的常數，ash為呈現陰影效應的分量，其服從對數正態分布，~為服從瑞利分布的小尺度衰落分量，d(k)為基站到用戶k的距離，a為路徑損耗指數，Mt為基站配備的發射天線數。子載頻集合Ω中的信道質量與信道增益噪聲比CgNRk，n成正比。通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，本發明具有以下的有益效果I、在步驟(2)中，通過調整各用戶的子載頻數目使得各用戶的容量與所要求的容量下限的差值非負，最終確定了分配給各個用戶的子載頻數目。在這種分配方式下，保證了每個用戶的容量不低于所要求的容量下限，這就使得用戶的服務質量得以保障，同時體現了用戶服務的公平性原則；2、在步驟(3)中，通過使平均信道增益噪聲比高的用戶在子載頻集合中優先選擇信道質量好的子載頻以組建其子信道，使得子載頻分配的能效性得以保障，由于功率是平均分配到各個子信道上的，步驟(3)同時也體現了功率分配的能效性。
圖I是本發明基于能量效率的MIS0-0FDM下行鏈路資源分配方法的應用環境圖。圖2是本發明基于能量效率的MIS0-0FDM下行鏈路資源分配方法的流程圖。圖3是本發明中子信道平均速率隨子信道平均功率變化的性能仿真圖。圖4是本發明中各用戶與基站距離的仿真圖。圖5是本發明中對應于圖4中用戶與基站的距離所產生的用戶容量仿真圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。如圖I所示，考慮一個單小區MIS0-0FDM系統，基站配備Mt根發射天線，用戶端配備單根接收天線，K個用戶均勻分布在小區中。系統總帶寬為B，除去用作導頻的子載頻，定義基站用于傳輸數據的子載頻集合為Ω，Ω中的子載頻個數為N，總發射功率約束為PT()tal。在某一時刻用戶在所有子載頻上的陰影效應相同。在平坦衰落的情況下，子載頻當中還存在加性高斯白噪聲分量，其分布服從Ν(0，ο2)，且σ2 = N(|B/N，其中，Ntl為高斯白噪聲功率密度。本發明中假設一個子載頻在一個傳輸周期內不能被多個用戶占有。信道狀態信息(Channel Statement Information,簡稱CSI)在發送端完全知道。信道為在一個傳輸周期內狀態不發生變化的半靜態信道。
如圖2所示，本發明基于能量效率的MIS0-0FDM下行鏈路資源分配方法包括以下步驟(I)將基站的總發射功率PT()tal平均分配至基站所使用的子載頻集合Ω中的每個子載頻上，即每個子載頻上被分得的功率為P = PT()tal/N，其中N為子載頻的個數，并將子載頻集合中的所有子載頻平均分配給所有通信中的用戶，即將每個用戶分配的子載頻數目初始化為[N/K]，其中K為通信中的用戶的個數；(2)確定分配給各用戶的子載頻數目，具體包括以下子步驟(21)對于所有用戶，判斷其有效容量與容量下限的差值Lgap1 (N1), gap2 (N2), . . . , gapK(Nk)]是否大于等于0，若是，則進入步驟(3),否則,進入步驟
(22)；具體而言，對于所有用戶中的第k個用戶，其有效容量與容量下限的差值gapk (Nk)
是通過以下公式計算:職!)Λ&) = ^lOg.,(I + P^rj )-(_，其中B為系統總帶寬，N為子載
N
頻集合Ω中的子載頻個數，Cmin為保障用戶服務質量所設定的用戶容量下限，本發明中設定用戶的容量下限的范圍為IObps至30bps。對于所有用戶中的第k個用戶，其子載頻上的平均增益噪聲比是由下式獲
得 1οΜ1 + Ο Λ%.,,) = 〃Ιο&(1 + Α)，其中CgNRtn表示第k個用戶在第η個子載頻
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上的信道增益噪聲比，并且=11 , 丨O1，其中Iliftn咱為第k個用戶在子載頻η
上的 fabulous 范數，且巧'^I，, hk, n, i = Md(k)-aash(k) af (k, n, i),其中
i e [1，MT]，M為由環境決定的常數，ash為呈現陰影效應的分量，其服從對數正態分布，~為服從瑞利分布的小尺度衰落分量，d(k)為基站到用戶k的距離，a為路徑損耗指數，Mt為基站配備的發射天線數。(22)對于 Lgap1 (N1)，gap2 (N2)，· · ·，gapK(Nk)]中差值最大的用戶 u,執行Nu = Nu-I,對于Lgap1 (N1), gap2 (N2), . . . , gapK (Nk)]中差值最小的用戶V,執行Nv = Nv+1,并返回步驟
(21)；
(3)確定分配給各用戶的子載頻集合，具體包括以下子步驟(31)將所有用戶按其子載頻上的平均增益噪聲比[gl，&，…，^J的大小由大到小進行排列，并設置計數器i = I ;(32)第i個用戶根據其子載頻數目Ni從子載頻集合Ω中挑選信道質量最好(SP信道增益噪聲比CgNRiin最大)的Ni個子載頻作為其子載頻集合，由\中的所有子載頻組成第i個用戶的子信道；(33)剔除子載頻集合中已被第i個用戶選中的子載頻，即設置Ω =
置i = i+Ι，然后返回步驟(32)； (34)重復步驟(32)和(33)，直到所有用戶的子信道都確定為止。
圖3至圖5為本發明算法的仿真結果，分別就子信道平均功率對其平均速率的影響，用戶與基站的距離及用戶與基站距離對其容量的影響進行了仿真。仿真時，用戶數設定為32個，用戶到基站的距離在(0，5km)中服從均勻分布。基站端配備了 4根發送天線，用戶終端配備單天線。結合之前的信道增益模型，子信道容量下限設定為27bps。從仿真結果可以看出，子信道的平均速率隨著子信道所分配的平均功率的增加而增大；本發明算法實現的最小用戶容量遠大于在仿真參數中設定的目標用戶容量下限。在仿真結果中同時也呈現出用戶距基站的距離對用戶容量的劇烈影響，即使是距離的小幅度增加也會造成容量的大幅度衰減。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于能量效率的MISO-OFDM下行鏈路資源分配方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)將基站的總發射功率PT()tal平均分配至基站所使用的子載頻集合ω中的每個子載頻上，即每個子載頻上被分得的功率為P = PT()tal/N，其中N為子載頻的個數，并將子載頻集合中的所有子載頻平均分配給所有通信中的用戶，即將每個用戶分配的子載頻數目初始化為[N/K]，其中K為通信中的用戶的個數； (2)確定分配給各用戶的子載頻數目，具體包括 (21)對于所有用戶，判斷其有效容量與容量下限的差值Lgap1 (N1), gap2 (N2), . . . , gapK(Nk)]是否大于等于0，若是，則進入步驟(3),否則,進入步驟(22)； (22)對于[gaPl(N1)，gap2 (N2)gapK (Nk)]中差值最大的用戶 U，執行 Nu = Nu-I,對于Lgap1 (N1), gap2 (N2), · · ·，gapK (Nk)]中差值最小的用戶 V,執行 Nv = Nv+1,并返回步驟(21)； (3)確定分配給各用戶的子載頻集合 (31)將所有用戶按其子載頻上的平均增益噪聲比[ft,的大小由大到小進行排列，并設置計數器i = I ; (32)第i個用戶根據其子載頻數目Ni從子載頻集合Ω中挑選信道質量最好的Ni個子載頻作為其子載頻集合Qi，由Qi中的所有子載頻組成第i個用戶的子信道； (33)剔除子載頻集合中已被第i個用戶選中的子載頻，即設置Ω= Q-Qi，并設置i=i+Ι，然后返回步驟(32)； (34)重復步驟(32)和(33)，直到所有用戶的子信道都確定為止。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，對于所有用戶中的第k個用戶，其有效容量與容量下限的差值gapk(Nk)通過以下公式計算W( φ= lo2g (hi其Jy中B為系統總帶寬，N為子載頻集合Ω中的子載頻個數，Cmin為保障用戶服務質量所設定的用戶容量下限，其數值范圍為IObps至30bps。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特征在于，對于所有用戶中的第k個用戶，其子載頻上的平均增益噪聲比P是由下式獲得
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，子載頻集合Ω中的信道質量與信道增益噪聲比CgNRtn成正比。
全文摘要
本發明公開了一種基于能量效率的MISO-OFDM下行鏈路資源分配方法，包括步驟將基站的總發射功率平均分配至基站所使用的子載頻集合Ω中的每個子載頻上，并將子載頻集合中的所有子載頻平均分配給所有通信中的用戶，確定分配給各用戶的子載頻數目，確定分配給各用戶的子載頻集合。在本發明總功率和各用戶容量下限的雙變量約束條件下，提出了一種兼具公平性和能效性的子載頻分配方案，通過此子信道化方案，實現系統能效的優化。
文檔編號H04L5/00GK102811490SQ20121023319
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月6日 優先權日2012年7月6日
發明者葛曉虎, 胡金鐘, 張靖, 黃曦, 倪大建, 韓濤 申請人:華中科技大學