非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的ofdma系統下行資源分配方法
【專利摘要】一種非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的OFDMA系統下行資源分配方法，首先，獲得基于用戶帶寬需求的子信道分配策略，據此推導出用戶帶寬分配率公式和用戶占用子信道信噪比估計值的概率密度函數，并據此概率密度函數進行推導獲得用戶平均誤比特率表達式；然后，將滿足用戶帶寬需求和平均誤比特率上限要求條件下最大化鏈路頻譜效率問題分解為子信道分配和平均誤比特率約束下調制方案最優化兩個問題。通過建立子信道分配問題的數學模型，獲得滿足用戶帶寬需求的用戶權值向量。針對平均誤比特率約束下調制方案最優化問題，通過對最優調制方案向量進行可行搜索，獲得用戶最優調制方案向量。本發明可應用到實際OFDMA系統下行鏈路中。
【專利說明】非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的OFDMA系統下 行資源分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信領域，涉及一種0FDMA(正交頻分多址接入）系統中資源分配 方法。
【背景技術】
[0002] 隨著無線蜂窩網絡從第一代到現在部分投入商用的長期演進（Long Term Ev〇luti〇n，LTE)系統的發展，人們對網絡所提供業務的服務質量要求也不斷增加。如何在 有限的頻譜資源上，為用戶提供更多高質量業務的同時最大化系統頻譜效率，是未來無線 寬帶蜂窩網絡將面臨的主要技術挑戰。0FDMA可實現高效靈活的資源分配，并具有頻譜效率 高的優點，特別適合對峰均功率比要求不高的下行鏈路傳輸。
[0003] 將子信道歸一化信噪比估計值做為信道狀態信息（Channel State Information, CSI)來指示子信道信道狀態。精確的信道狀態信息對自適應資源分配是非常重要的。在實 際系統中，由于導頻開銷限制等原因，使得必然存在信道估計誤差；從信道估計時刻到發送 端采用基于CSI確定的資源分配方案進行傳輸有一定延時，稱此延時為CSI延時，CSI延時 期間的信道變化會導致CSI不準確；用戶將CSI進行數字化后通過反饋信道發送到基站，因 此存在量化誤差和CSI反饋誤碼。因此，基站得到的CSI總是不準確的，S卩非理想的，將基站 得到的用戶子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值稱為非理想信道狀態信息（Imperfect Channel State Information, ICSI)。在實際系統中，在假設CSI是理想（準確）的情況下 進行資源分配，會導致系統性能的下降。
[0004] 目前絕大部分基于非理想信道狀態信息的資源分配算法一般只考慮信道估計誤 差對系統性能的影響，或只考慮CSI延時對系統性能的影響。文獻Awad M K，Mahinthan V， Mehrjoo M， et al.A Dual-Decomposition-Based Resource Allocation for OFDMA Networks With Imperfect CSI[J] · IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010， 59(5) :2394-2403.和 Zarakovitis C C，Ni Q，Skordoulis D E，et al. Power-Efficient Cross-Layer Design for OFDMA Systems with Heterogeneous QoS, Imperfect CSI and Outage Considerations[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2012,61(2)： 781-798.將信道估計和CSI延時兩種因素共同導致的誤差建模為一個0均值的復高斯隨 機變量，用其方差大小來刻畫ICSI準確度，此ICSI建模方法無法反應出不同CSI延時和不 同多普勒頻移對ICSI準確度的影響。因此將上述研究成果應用到實際0FDMA系統下行鏈 路會導致系統性能的下降。文獻 Kuhne A，Klein A. Throughput Analysis of Multi-User OFDMA-Systems Using Imperfect CQI Feedback and Diversity Techniques[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2008, 26 (8) :1440-1450.分析了信道估 計誤差、CSI延時、CSI量化比特數和反饋信道誤比特率對0FDMA-FDD系統吞吐量影響，但其 采用最大信噪比調度策略，并沒有考慮到用戶的不同帶寬需求.因此，在非理想信道狀態 信息下，在滿足用戶帶寬需求和平均誤比特率約束條件下，研究最大化0FDMA系統下行鏈 路頻譜效率的資源分配方法具有重要的實際意義。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的0FDMA系 統下行資源分配方法。
[0006] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0007] -種非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的0FDMA系統下行資源分配方法， 具體資源分配方法步驟如下：
[0008] 步驟一、對0FDMA系統非理想信道進行建模，獲得非理想信道模型：
[0009]
【權利要求】
1. 一種非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的OFDMA系統下行資源分配方法，其 特征在于所述資源分配方法步驟如下： 步驟一、對0FDMA系統非理想信道進行建模，獲得非理想信道模型：
其中，
為用戶u信道估計時刻第k個子信道信道頻域響應
的估計值；Hu, k為用 戶u傳輸時刻第k個子信道信道頻域響應；P u為
與Hu,k的相關系數；E u,k為用戶u第k 個子信道信道估計誤差；X為〇均值方差為1的復高斯隨機變量；K為子信道個數，U為系統 用戶個數； 步驟二、根據非理想信道模型，獲得用戶u傳輸時刻第k子信道信噪比γ u, k的條件概 率密度函數：
其中，
為用戶u信道估計時刻第k個子信道信噪比估計值，
I0(x)為 〇階第一類修正貝塞爾函數
Nnu為一個子幀內用戶u導頻信號占用OFDM 符號的個數，
為用戶u子信道信噪比均值； 步驟三、在基于用戶帶寬需求的子信道分配策略下，獲得用戶u帶寬分配率
為在對第k個子信道進行分配的過程中，第 k個子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值為1的用戶u獲得該子信道使用權的概率，1 =
為量化等級個數，NQ為量化比特數
為用戶u量 化門限值向量，Pb為反饋信道誤比特率，w為用戶權值向量； 步驟四、對L個量化區間上子信道信噪比估計值的概率密度函數進行加權求和，獲得 用戶u占用子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值為1時的該子信道信噪比估計值穴的概 率密度函數：
式中，FE."為用戶u子信道信噪比估計值均值，du表示在用戶端被量化為第q個量化等 級的子信道歸一化信噪比估計值在基站被誤認為是在第1個量化等級的概率，q = 1，2,…
表示用戶u第k子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值 為1的概率； 步驟五、根據的概率密度函數，分別獲得用戶u頻譜效率表達式和平均誤比特率表達
式，其中： 用戶u頻譜效率表達式為：
其中，
為用戶U的調制方案向量，
表示：當第k個子信道反饋 數字化歸一化信噪比估計值為1時，用戶U在該子信道內一個子載波上一個OFDM符號時間 內傳輸的比特數，與調制方式相對應，1 = 1，2，…，L ; 用戶u的平均誤比特率表達式為：
其中，
為在C(u)中第1種調制方式下信噪比為
時用戶u的誤比特率
表示 用戶u占用子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值為1時的該子信道信噪比； 步驟六、針對在滿足用戶帶寬需求和平均誤比特率上限要求條件下最大化鏈路頻譜效 率問題，建立數學模型：
其中，
為用戶u平均誤比特率上限要求；λ u為用戶u帶寬需求系數； 步驟七、將步驟六中的資源分配問題分解為子信道分配問題和平均誤比特率約束下調 制方案最優化問題； 步驟八、針對步驟七中子信道分配問題，建立數學模型：
其中，Ρ?為與s(u)和pb均無關的用戶u帶寬分配率； 通過數值方法，即利用Matlab優化工具箱中的Fmincon函數得到滿足用戶帶寬需求的 用戶權值向量w#; 步驟九、針對步驟七中平均誤比特率約束下調制方案最優化問題，通過對最優調制方 案向量進行可行搜索，獲得用戶u的最優調制方案向量C(u)# ; 步驟十、在每個子幀內，根據基于用戶帶寬需求的子信道分配策略和步驟八得到的 用戶權值向量w%為用戶進行子信道分配；然后，根據步驟九中得到的最優調制方案向量 C(u)#(u = 1，2, "·，υ)，為每個用戶占用的子信道進行速率分配。
2.根據權利要求1所述的非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的0FDMA系統下 行資源分配方法，其特征在于所述步驟三中，基于用戶帶寬需求的子信道分配策略表示如 下： 將第k個子信道分配給用戶權值與該子信道反饋數字化信噪比估計乘積最大的用戶， 具體表示為表達式：
其中，
表示長為NQ比特的用戶u第k個子信道反饋數字化歸一化信噪比估計 值，wu為用戶U的權值。
3.根據權利要求1或2所述的非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的OFDMA系統 下行資源分配方法，其特征在于所述步驟三的具體步驟為： (1) 獲得用戶u第k子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值為1的概率
其中Pu,q為用戶u第k子信道歸一化信噪比估計值位于第q個量化等級的概率； (2) 獲得
中所有用戶第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值
均不大于
的概率
式中，
為權值等于wu且第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值等于
的 用戶所構成的集合，
為_
中用戶對應的第k個子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值 所構成的集合
表示
中第j個用戶的序號，
表示集合
中第j元素；
表示求集合中元素的個數
且
表示向量Θ中1的 個數等于ε時，Θ的
種可能取值情況； (3) 獲得
中所有用戶第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值
均小于
的概率
9 其中，
表示除去1
中用戶后，
中剩余用戶構成的集合，
為權值與Wu 相等的用戶所構成集合
表示
中用戶V第k個子信道反饋數字化歸一化信噪比 估計值
小于
的概率，「.1表示向上取整； (4) 獲得
中所有用戶第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值
均不大于
的概率P_4 :
， 式中，
為權值大于wu且第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值等于
的 用戶所構成的集合，
為
中用戶對應的第k個子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值 所構成的集合；
(5) 獲得
中所有用戶第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值
均小于
的概率P_5:
其中，
表示除去
中的用戶后，
中剩余用戶構成的集合，
為權值 大于Wu的用戶所構成集合
表示
中用戶V第k個子信道反饋數字化歸一化信噪 比估計值
小于
的概率； (6) 獲得
中所有用戶第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值
均不大于
的概率P_6 :
式中，
為權值小于Wu且第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值等于
的用 戶所構成的集合，
為·^：)中用戶對應的第k個子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值所 構成的集合；
且 ω」e {0，1}; (7) 獲得
中所有用戶第k個子信道加權反饋數字化信噪比估計值 1
均小于
的概率ρ_4:
* 其中，
表示除去
中的用戶后I
1中剩余用戶構成的集合，
為權值 大于Wu的用戶所構成集合
表示，
中用戶V第k個子信道反饋數字化歸一化信噪 比估計值
小于
的概率； (8) 將上述七個概率相乘，獲得第k個子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值為1的用 戶u獲得第k個子信道使用權的概率
(9)考慮到用戶u第k子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值共有上種可能取值，獲得 用戶u的帶寬分配率表達式：
〇
4. 根據權利要求1所述的非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的OFDMA系統下行 資源分配方法，其特征在于所述步驟七的具體分解方法為： 步驟七一、通過令用戶u第k個子信道歸一化信噪比估計值
位于每一量化等級 的概率均為1/L，即
，獲得用戶u的量化 門限值.
步驟七二、根據步驟七一和步驟三，獲得與s(u)和Pb均無關的用戶u帶寬分配率表達式
步驟七三、根據步驟五、步驟七一和步驟七二，獲得與s(u)和Pb均無關用戶u頻譜效率 表達式
、獲得與s(u)無關的用戶u平均誤比特率表達式
步驟七四、根據步驟七二和步驟七三，將步驟六中資源分配問題分解為子信道分配問 題和平均誤比特率約束下調制方案最優化問題。
5. 根據權利要求4所述的非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的OFDMA系統下 行資源分配方法，其特征在于所述子信道分配問題滿足以下條件：找到用戶權值向量w%使 得
成立。
6. 根據權利要求4所述的非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的OFDMA系統下行 資源分配方法，其特征在于所述平均誤比特率約束下調制方案最優化問題滿足以下條件： 對每個用戶的調制方案向量
進行各自的優化設計，u= 1，2, "·，υ， 在滿足用戶平均誤比特率上限要求條件下，使其頻譜效率最大：
7. 根據權利要求1所述的非理想信道狀態信息下基于用戶帶寬需求的OFDMA系統下行 資源分配方法，其特征在于所述步驟九的具體步驟為： (1) 考慮到：第k個子信道反饋數字化歸一化信噪比估計值為1時，用戶U在該子信 道內一個子載波上一個OFDM符號時間內傳輸的比特數
不應該小于反饋數字化歸一化 信噪比估計值為1-1時u在該子信道內一個子載波上一個OFDM符號時間內傳輸的比特數
采用循環結構，遍歷得到用戶u的所有可行調制方案向量； (2) 計算用戶u所有可行調制方案向量所對應的用戶頻譜效率
和平均誤比 特率
，從中選出滿足平均誤比特率上限要求的最大頻譜效率所對應的調 制方案向量，即為用戶u最優調制方案向量C(u)'
【文檔編號】H04L5/00GK104113406SQ201410376843
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】趙志信, 王冬, 趙志艷 申請人:黑龍江科技大學