专利名称：分布式多入多出正交频分复用系统及其中资源分配方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别地涉及一种分布式多入多出正交频分复用系统及 其中资源分配方法。
背景技术：
现有资源分配方法大体可以分为静态分配方法和动态分配方法两类，而为了简化 问题，与子载波相关的动态资源分配方法通常假设一个子载波在一个分配时隙内只能由一 个用户占用，这类方法应用到分布式MIM0-0FDM(多入多出正交频分复用)系统中无法充分 利用MIM0中的空分多址，因而所能达到的容量性能十分有限。一种最优天线与子载波分配方法的基本原理是将天线与子载波等效为空频子信 道，进而依据一定的准则(如使系统容量最大化)通过遍历搜索的方式将子信道分配给用 户。若系统具有Nt根发射天线，M个子载波，K个用户，则系统共有Nt M个子信道，采用这 种方法总共要进行尺 M次搜索，而且需要每个用户反馈其在所有天线和子载波上所支持 的最大速率。显然，如此庞大的计算量和反馈开销使得这种方法很难应用在实际的分布式 MIM0-0FDM系统中。为了解决最优分配方法存在的问题，当前的MASA (Multi-user Antenna & Sub-carrier Allocation)方法需要基站与用户端都有一定的选择和计算能力，在假设 功率平均分配的情况下，通过先选择天线再选择用户的过程，避免了遍历搜寻每个用户上 所有天线与子载波的组合，从而降低了运算的复杂度。这种方法的容量性能与最优分配方 法相接近，另一个优点是用户只需反馈其在每个子载波上的最优天线序号及其相应的速 率，不需要反馈所有的信道状态信息，反馈开销较低。然而，这种方法由于没有考虑系统天 线数量大于用户数的情况，导致在用户数相对较少时系统性能有所损失。由此可见，当前需要一种新的资源分配的技术方案，来解决分布式多入多出正交 频分复用系统中存在的上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式多入多出正交频分复用系统及其 中资源分配方法，解决了当前方法由于没有考虑系统天线数量大于用户数的情况，导致在 用户数相对较少时系统性能有所损失的问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种分布式多入多出正交频分复用系统中资源 分配方法，包括小区内每个用户分别根据得到的信道状态的数据计算小区内各个端口为其提供 的最大速率，根据得到的结果选择通信端口 ；确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供 的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速 率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的每根天线对应的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，完成资源分配。进一步地，上述方法还可包括，所述小区内每个用户是通过信道估计获得所述信 道状态的数据。进一步地，上述方法还可包括，所述小区内每个用户根据得到的结果选择通信端 口，是通过得到的结果中选择速率最大的两个端口作为通信端口来完成。进一步地，上述方法还可包括，所述端口是并行地为选择的作为服务对象的用户 分配天线和子载波，完成资源分配。进一步地，上述方法还可包括，所述端口选择速率最大的一个用户作为服务对象 分配天线和子载波后，还包括更新该端口的天线集和用户集，完成资源分配。进一步地，上述方法还可包括，所述端口若判断该端口内天线由于对应的信道与 其他天线相比较差而没被任何用户选中，且该端口内每根天线下属的全部用户中仍有用户 未分到资源，则所述端口内每根天线下属的未分到资源的用户分别计算该端口内的未分配的 全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天 线编号及对应速率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的未分配的全部天线中每根天线对应的未 分到资源的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，完成资 源分配。本发明还提供了一种分布式多入多出正交频分复用系统，包括计算控制模块和资 源控制模块，其中，所述计算控制模块，用于对小区内每个用户分别根据得到的信道状态的数据计算 小区内各个端口为其提供的最大速率，根据得到的结果选择通信端口 ；对确定为通信端口 的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结 果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速率的用户信息反馈至所述资 源控制模块；所述资源控制模块，用于根据收到的用户信息，对其相应的确定为通信端口的端 口中每根天线对应的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载 波，完成资源分配。进一步地，上述系统还可包括，所述计算控制模块是通过信道估计获得所述信道 状态的数据。进一步地，上述系统还可包括，所述计算控制模块根据得到的结果选择通信端口， 是通过得到的结果中选择速率最大的两个端口作为通信端口来完成。进一步地，上述系统还可包括，所述资源控制模块，还用于选择速率最大的一个用 户作为服务对象分配天线和子载波后，更新该端口的天线集和用户集，完成资源分配。与现有技术相比，应用本发明，避免了遍历搜索，且不再需要反馈全部CSI，因而能 够大大降低计算复杂度和反馈量；与MASA方法相比，一方面，本发明综合考虑了不同用户 数的情况，因此在用户数相对较少的时候，容量性能优于MASA方法，另一方面，虽然由于端 口选择，用户所能分配到的资源范围变小，导致在用户数相对较多时，容量性能稍逊于MASA 方法，但是本发明提出的这种端口并行处理的方法能够提高时间的利用率，优化系统的工
5作效率。总之，本发明能够实现通信系统性能与复杂度的有效折中，并行处理的方法符合分 布式MIM0-0FDM系统的设计思路，因此更适用于分布式MIM0-0FDM系统，可以为未来无线通 信系统的资源分配方案提供重要的理论依据和具体的实现方法。。
图1是本发明的分布式MIM0-0FDM系统中资源分配方法的流程图；图2是实例中多用户分布式MIM0-0FDM系统示意图；图3是实例中多用户分布式MIM0-0FDM系统下行链路框图；图4是实例中小区内各用户获得其相应的信道矩阵的流程图；图5是实例中资源分配的流程图；图6为基站端天线端口数N = 4，每个端口内天线数为L = 2，用户数为K = 5，每 个用户终端天线数为凡=2时，系统容量随子载波平均信噪比SNR变化的示意图；图7为每个用户终端天线数为N, = 4，其余条件不变的情况下，系统容量随SNR变 化的示意图；图8为N = 4，L = 2,Nr = 2, SNR = 10dB时，系统容量随用户数量变化的示意图；图9为L = 4，其余条件不变的情况下，系统容量随用户数量变化的示意图；图10为N = 4，L = 2，N, = 2时，进行5000次完整的天线与子载波分配，本发明 方法与MASA方法相比所需计算时间随用户数变化的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。本发明的主要构思在于本发明是基于端口选择的天线与子载波分配(MPSASA， Multi-user Port Selection-based Antenna & Sub-carrierAllocation)；各用户依据信 道估计的结果选出信道状况最好的两个端口作为通信端口 ；用户在所选端口的每个子载波 上选择最优天线，并将选择天线号及对应的最大速率通过最优反馈信道反馈给相应端口 ； 然后各端口在每根天线上选择速率最大的用户作为服务对象，重复上述过程直到所有天线 与子载波对应的子信道分配完毕为止。在实现过程中，每个子信道最多只能由一个用户占 用，而每个用户同时可占用一个或多个子信道。假设由小区内所有K个用户组成的集合为Q，每个天线端口下属的用户集合为 ，端口内每根天线上的用户集为^^，则有^^￡%
对于每一端口，Qp内用户分别计算~内各天线可能为其提供的最大速率，选择速 率最大的天线，并将其编号及对应速率通过理想的反馈信道反馈至相应端口，至此，端口内 每根天线上的用户集确定。步骤130、端口根据收到的用户信息，为该端口内的每根天线从对应的全部用户中 选择速率最大的一个用户作为服务对象，分配天线和子载波，更新该端口的天线集和用户 集，完成资源分配。端口根据接收到的用户信息为下属的每根天线从相应的Qpa内选择速率最大的 一个用户作为服务对象，更新天线集&和用户集Qp。对于端口内个别天线由于对应的信道与其他天线相比较差而没被任何用户选中， 且中仍有用户未分到资源的情况，针对未被选中的天线和未分到资源的用户继续实施 步骤120和步骤130，完成资源分配。对于Qp所有用户均已分到资源，而~中尚有天线未被分配出去的情况，针对未被 分配出去的天线和端口内所有用户继续实施120和步骤130，完成资源分配。本发明的分布式多入多出正交频分复用系统，包括计算控制模块和资源控制模 块，其中，所述计算控制模块，用于对小区内每个用户分别根据得到的信道状态的数据计算 小区内各个端口为其提供的最大速率，根据得到的结果选择通信端口 ；对确定为通信端口 的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结 果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速率的用户信息反馈至所述资 源控制模块；所述资源控制模块，用于根据收到的用户信息，对其相应的确定为通信端口的端 口中每根天线对应的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载 波，完成资源分配。所述计算控制模块是通过信道估计获得所述信道状态的数据。所述计算控制模块根据得到的结果选择通信端口，是通过得到的结果中选择速率 最大的两个端口作为通信端口来完成。所述资源控制模块，还用于选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子 载波后，更新该端口的天线集和用户集，完成资源分配。本发明避免了遍历搜索，且不再需要反馈全部CSI，因而能够大大降低计算复杂度 和反馈量；与MASA方法相比，一方面，本发明综合考虑了不同用户数的情况，因此在用户数 相对较少的时候，容量性能优于MASA方法，另一方面，虽然由于端口选择，用户所能分配到 的资源范围变小，导致在用户数相对较多时，容量性能稍逊于MASA方法，但是本发明提出 的这种端口并行处理的方法能够提高时间的利用率，优化系统的工作效率。总之，本发明能 够实现通信系统性能与复杂度的有效折中，并行处理的方法符合分布式MIM0-0FDM系统的 设计思路，因此更适用于分布式MIM0-0FDM系统，可以为未来无线通信系统的资源分配方 案提供重要的理论依据和具体的实现方法。下面结合具体实例对本发明作进一步说明。图2是多用户分布式MIM0-0FDM系统示意图，其中用户数为2，每个用户终端包含 2根天线，天线端口数为4，每个端口包含4根天线。后续实施例都将考虑如图1所示场景(限定系统天线端口数和分布位置)，假设矩形小区边长为1000m，四个天线端口分别位于 由坐标轴分割而成的四个小矩形的中心位置，用户均勻分布于整个小区范围。图3是多用户分布式MIM0-0FDM系统下行链路框图。基站每个天线端口包含2根 或4根发射天线，每个用户终端包含2根或4根天线，系统子载波数为64。准确的信道状 态信息在各个用户终端通过理想的信道估计获取，用户完成端口选择和端口内最优天线选 择后，将最优天线号及相应速率通过无噪声、无延迟的理想反馈信道反馈给相应端口。本发 明不涉及具体的信道估计方法。为了更准确地测试本发明对系统容量性能的影响，在复合 衰落信道下采用Monte Carlo方法进行仿真，该信道包含路径损耗、阴影衰落及小尺度快衰 落，其中小尺度快衰落的相关参数依据SCM场景设定，假设最大可分离路径数为6。本发明不涉及信道估计的具体问题，假定每个用户终端都能获得各自全部的准确 的信道状态信息。这里重点说明仿真中采用的信道矩阵的生成方法。假设用户k到基站的信道矩阵为Hk (dk)，则有 其中，N为基站天线端口数
为用户k到天线端口之间的距离 向量，Hk(dk)中的元素妃((1产)可以表示为 其中，1^为天线端口内的天线数，
2，…，N, Mk为用户k的天线数，hffllik (O为用户k的第m个天线与第i个端口的第1个天 线之间的信道衰落，包括路径损耗、阴影衰落和小尺度快衰落，具体表示为
|_0062」 其中
, a 为路径损耗因子，I sh, i N(0，o sh2)为零均 值高斯变量，osh为天线端口与移动台之间的阴影衰落标准差，hmlik为快衰落。生成信道矩 阵时，相同端口内天线各可分离路径的大尺度(路径损耗、阴影衰落)衰落相同，不同端口 间大尺度衰落独立同分布，而小尺度衰落均是独立同分布的。如图4所示，小区内各用户获得其相应的信道矩阵，包括以下步骤步骤410、在如图2所示小区范围内，假设四个天线端口所在位置坐标分别为 (250,250)、(-250,250)、(-250，-250)、(250，-250)，依据均勻分布规律生成用户k的坐标 (x, y)；步骤420、计算用户k到各天线端口的距离向量，并进行归一化处理将距离向量 中的各元素均除以该向量中的最小值；步骤430、计算路径损耗；步骤440、生成阴影衰落矩阵；步骤450、根据SCM场景生成可分离路径数为6的小尺度衰落矩阵；步骤460、将步骤430、步骤440和步骤450得到的结果相乘得到时域的复合衰落 矩阵H ；步骤470、进行平均意义上的归一化处理，具体方法为将所得矩阵除以归一化因子 g，g满足g2 = Lp trace (HHh) / (MkNL)，其中Lp为可分离路径数；步骤480、对各个端口的每一天线对应的时域衰落进行如下处理即可得到最终使用的信道矩阵将天线各径上的衰落值放到一起进行64点的FFT变换，从而将时域复合衰 落矩阵变换到频域。需要说明的是，由于小区内各用户的出现相互独立，因此其相应的信道矩阵均可 采用上述方法分别生成。图5中变量说明如下Rpk 用户k在端口 p内的最大速率，其中k= 1，2，…，K;p=l，2，…，N;Qp 每个天线端口下属的用户集合；Qpa 端口内天线a上的用户集合，其中a= 1，2，…，L ；Ap:端口内的天线集；m:子载波号，m = 1，2，...，M;图5中标号内容补充说明如下步骤510、用户在各端口内的最大速率的计算方法；假设用户终端采用理想信号检测方法，使得来自其他天线的干扰信号都能很好地 消除，此时在子载波m内，用户k在第1根天线上的最大传输速率可由下式计算 其中，
为子载波的平均信噪比，[Hj.i表示矩阵Hmk的第1列，I'M2 表示向量的F范数。因此，用户k在端口p内的最大速率为 步骤520、用户的端口选择过程；对于用户k，选择使得Rpk(p = 1,2,…，N)最大的两个端口作为通信端口。步骤530、用户在端口内选择最优天线的过程；对于用户k，在选定端口中的每一个子载波上分别选择一根使得Ru15最大的天线。步骤540、端口内天线选择用户的过程。如前技术方案中所述，经过前面几步过程后，端口内每一天线都有相应的用户集 ，此时只需在中选择速率最大的一个用户作为服务对象即可。上述步骤510 步骤530在用户终端实现，步骤540在基站端实现，此外，基站端 还需根据天线与子载波分配的实际情况(技术方案中提到两种)，通过天线端口与下属用 户进行交互，如要求用户反馈在一部分特定天线上的最优天线号及相应速率等，进而再由 天线端口完成剩余资源的分配。本实例是基于实施前提中给出的复合衰落信道模型，这种模型是用于研究分布式 MIM0系统相关技术的经典模型。假定信道具有频率选择性衰落特性，经过OFDM调制后，每 一个子载波内的信道可视为平坦衰落信道，假设整个天线与子载波分配过程在一个时隙内 完成，在此期间信道保持不变。进一步假定用户接收端通过理想信道估计获得全部信道状 态信息，而基站端未知信道状态信息，此时系统的最佳功率分配方式为平均分配，每个用户 均可以通过无噪声、无延迟的理想反馈信道反馈各自在每个子载波上的最优天线号及对应 速率至相应端口，使端口掌握下属天线上接入的用户情况。通过Monte Carlo仿真比较本发明即MPSASA方法与已有MASA方法以及另外两种传统天线与子载波分配方法的性能。其中传统天线与子载波分配方法指0FDMA与TDMA方 法。在0FDMA中，每个子载波最多只能由一个用户占用，逐一将子载波分配给在该子载波上 速率最大的用户，若在所有用户都已分得子载波的情况下仍有子载波剩余，则将剩余子载 波逐一分配给当前获得实际速率与需求速率比值不是最大而在该子载波上速率最大的用 户；在TDMA中，基站在每一调度时刻只随机选择一个用户进行通信，将系统的所有资源均 分配给该用户。如图2所示，假设矩形小区的边长为1000m，4个天线端口分别位于由坐标 轴分割而成的小矩形的中心，用户在整个矩形小区内均勻分布，信道的路径损耗因子为4， 阴影衰落标准差为8dB，小尺度衰落的可分离路径数为6，系统子载波数为64。所有的容量 性能结果均通过对5000次信道实现所得相应结果进行统计平均得到。图6所示为基站端天线端口数N = 4，每个端口内天线数为L = 2，用户数为K = 5，每个用户终端天线数为凡=2时，系统容量随子载波平均信噪比SNR变化的情况。从上图可以看出，在不同信噪比下，本发明方法的性能与MASA方法较为接近，显 著优于两种传统的分配方法，这是因为，本发明方法与MASA方法相似，同样能够较好地利 用多天线的空分多址作用，进而达到优化系统性能的目的。对比本发明方法与MASA方法， 随着信噪比的升高，本发明方法的性能优势逐渐增大，这是因为本发明方法在用户数少于 基站端天线数时能够更充分地利用资源，而由此带来的优势与信噪比存在正比关系。对比 0FDMA与TDMA，由于0FDMA方法在分配时考虑了用户的信道状况，对用户进行了选择，因此 其性能优于TDMA。图7所示为每个用户终端天线数为凡=4，其余条件不变的情况下，系统容量随 SNR变化的情况。图7内各方法容量性能的变化趋势与图6基本一致，对比图7与图6可以发现， 相同信噪比下，各方法的容量性能均有所提升，其中本发明方法的性能提升略大于MASA方 法，而0FDMA方法的性能提升则略小于TDMA方法，这是因为，随着用户天线数的增多，其对 所得资源的利用率提高，在MASA方法中被忽略的一小部分资源在本发明方法中得到了更 充分的利用。图8所示为N = 4，L = 2，凡=2，SNR = 10dB时，系统容量随用户数量变化的情况。可以看出，本发明方法的容量性能与MASA方法的趋势一致，均是随着用户数的增 加而提高最终趋于平坦，而0FDMA与TDMA方法的容量性能对用户数的变化不敏感，基本保 持不变。当用户数小于基站天线数时，本发明方法的性能优于MASA方法，反之稍逊于MASA 方法。这是因为当用户数较多时，MASA算法能从全局角度优化资源分配结果，而本发明方 法由于端口选择限制了部分资源分配的范围，因而在性能上略有损失。图9所示为L = 4，其余条件不变的情况下，系统容量随用户数量变化的情况。可以看出，当用户数量与基站天线数量相差较大时，MASA方法的性能损失较严重， 而本发明方法由于排除在外的资源分配范围扩大，因此在用户数较多时，与MASA方法性能 的差距较之图8所示情况有所增大。图10所示为N = 4，L = 2，N, = 2时，进行5000次完整的天线与子载波分配，本 发明方法与MASA方法所需计算时间随用户数变化的情况。可以看出，随着用户数的增加，两种方法所需时间均呈线性增长，而MASA方法所需时间是本发明方法的两倍多，且差距随着的用户数的增加进一步增大。本发明方法的时 间利用率更高。 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖 在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
一种分布式多入多出正交频分复用系统中资源分配方法，其特征在于，包括小区内每个用户分别根据得到的信道状态的数据计算小区内各个端口为其提供的最大速率，根据得到的结果选择通信端口；确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的每根天线对应的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，完成资源分配。
2.如权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述小区内每个用户是通过信道估计获得所述信道状态的数据。
3.如权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述小区内每个用户根据得到的结果选择通信端口，是通过得到的结果中选择速率最 大的两个端口作为通信端口来完成。
4.如权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述端口是并行地为选择的作为服务对象的用户分配天线和子载波，完成资源分配。
5.如权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述端口选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波后，还包括更新该 端口的天线集和用户集，完成资源分配。
6.如权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于， 还包括所述端口若判断该端口内天线由于对应的信道与其他天线相比较差而没被任何用户 选中，且该端口内每根天线下属的全部用户中仍有用户未分到资源，则所述端口内每根天线下属的未分到资源的用户分别计算该端口内的未分配的全部 天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编 号及对应速率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的未分配的全部天线中每根天线对应的未分到 资源的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，完成资源分 配。
7.一种分布式多入多出正交频分复用系统，其特征在于， 包括计算控制模块和资源控制模块，其中，所述计算控制模块，用于对小区内每个用户分别根据得到的信道状态的数据计算小区 内各个端口为其提供的最大速率，根据得到的结果选择通信端口 ；对确定为通信端口的端 口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选 择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速率的用户信息反馈至所述资源控 制模块；所述资源控制模块，用于根据收到的用户信息，对其相应的确定为通信端口的端口中 每根天线对应的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，完 成资源分配。
8.如权利要求7所述的分布式多入多出正交频分复用系统，其特征在于，所述计算控制模块是通过信道估计获得所述信道状态的数据。
9.如权利要求7所述的分布式多入多出正交频分复用系统，其特征在于，所述计算控制模块根据得到的结果选择通信端口，是通过得到的结果中选择速率最大 的两个端口作为通信端口来完成。
10.如权利要求7所述的分布式多入多出正交频分复用系统，其特征在于，所述资源控制模块，还用于选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波 后，更新该端口的天线集和用户集，完成资源分配。
全文摘要
本发明公开了一种分布式多入多出正交频分复用系统及其中资源分配方法，包括小区内每个用户分别根据得到的信道状态的数据计算小区内各个端口为其提供的最大速率，根据得到的结果选择通信端口；确定为通信端口的端口下属的全部用户分别计算该端口内的全部天线为其提供的最大速率，根据得到的结果选择速率最大的天线，并将携带选择的天线编号及其对应速率的用户信息反馈至相应端口；端口根据收到的用户信息，为该端口内的每根天线对应的全部用户中选择速率最大的一个用户作为服务对象分配天线和子载波，完成资源分配。解决了当前方法由于没有考虑系统天线数量大于用户数的情况，导致在用户数相对较少时系统性能有所损失的问题。
文档编号H04W72/08GK101854724SQ201010135398
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者仵国锋, 季仲梅, 崔维嘉, 王大鸣, 郑娜娥 申请人:中国人民解放军信息工程大学