专利名称：一种多小区ofdma系统的功率分配方法
技术领域：
本发明涉及移动通信系统中的无线资源分配领域，具体涉及一种多小区 OFDMA(正交频分复用多址)系统的功率分配方法。
背景技术：
随着人们对无线和移动通信的业务需求的急速增加，无线频谱资源越来越紧张。 如何有效地对无线资源进行分配成为越来越重要的问题。对于无线资源优化分配问题，根据优化目标可将其分成两类第一类是在满足用户速率的条件下，最小化系统的发射功率； 第二类是在系统发射功率受限的条件下，最大化系统所有用户的总数据速率。
目前多小区场景下OFDMA系统资源分配的研究成果多数都是属于关于前述第二类问题，而对于前述第一类问题的研究成果相对较少。以下发明专利申请中就提出了关于前述第一类问题的优化算法。
(1)廖学文，吕刚明，朱世华，任品毅，一种用于蜂窝多小区OFDMA系统的资源分配和功率分配方法，中国发明专利申请，申请号201010213897.8 (2)陈晓冬，熊尚坤，王庆扬等，OFDMA系统中小区资源的联合分配方法和装置，中国发明专利申请，申请号201010255740. 1 上述发明专利申请(1)是采用分布式计算的方法，通过迭代来对各个小区内的用户进行子载波和功率分配。每个小区计算干扰代价因子并发送给相邻小区，同时接收相邻小区发送的干扰代价因子，各小区更新相邻小区的干扰代价因子，并依此计算下一次迭代时各小区内的功率分配。该方法仅需基站间存在有限的协作，通过干扰代价因子的共享，各小区基站可以独立分配发送功率。但是通过干扰代价因子来模拟小区间干扰的实际情况， 则干扰代价因子的计算方式直接影响到分配结果的性能，且该发明中提出的干扰代价因子的公式非常复杂，随着用户数和载波数的增多，会导致计算量非常大，给小区基站带来较大的负荷。
上述发明专利申请(2)考虑多小区OFDMA的子载波与功率的联合优化分配问题， 同样是采用分布式的求解方式。在功率分配部分，初始分配在不考虑其它小区的同频干扰情况下基于单小区进行，然后协作区域内的小区通过数据接口相互交换信道信息以及各自的功率分配信息，每个小区基站再利用迭代程序独立计算来自其它小区的同频干扰，更新各小区的功率分配通过判断用户在服务小区的某子载波上的信干噪比是否大于特定门限值来确定迭代是否继续。每个小区基站同时进行并行操作，虽然将计算量分散给各个基站， 降低了复杂度，但实际上因为使用同一载波的不同用户的在该载波上分配的功率是彼此依赖，互为因变量的，所以直接采用并行计算会导致最终求得的结果不一定准确。
总体而言，现有的多小区OFDMA功率分配算法存在以下问题1)从最优化理论角度出发，利用经典算法进行求解，实现复杂度大，不利于采用集中式处理；2)采用分布式求解算法使计算量分散，降低了复杂度，但是由于各小区之间互相依赖的关系，分布式求解不能真正从全局上统筹多小区的资源优化分配。针对上述问题，本发明提出一种复杂度极低，适合集中式处理且性能良好的功率分配方法。
发明内容
本发明的目的克服现有技术存在的上述不足，提出一种多小区OFDMA系统的功率分配方法，以低复杂度达到较好的性能，适用于网络的集中式处理，具体技术方案如下。
一种多小区OFDMA系统的功率分配方法，包括以下步骤 a,建立多小区OFDMA系统功率分配的约束优化模型； b，分析步骤a得到的约束优化模型中的目标函数和约束条件，将功率优化分配简化成求解目标线性方程组； C求解步骤b中的线性方程组，得到功率分配矩阵，该矩阵第i行第j列元素Pi (j) 为用户i在子载波j上分配到的功率值，用户在其未分配的子载波上功率值都为0，其中i 为用户编号，j为子载波编号； d，步骤c得到的功率分配矩阵若满足所述约束条件，则其即为最优解，求解结束； 若不满足所述约束条件，则对其进行迭代调整，得到功率分配的最终结果； e，把步骤d求得的功率分配矩阵中第i行第j列的功率值Pi (j)分配给用户i分得的子载波j。
上述的多小区OFDMA系统的功率分配方法中，步骤a包括以下步骤 al)得到目标函数多小区OFDMA系统的功率分配目标是在所有用户达到预设的速率条件下最小化系统内基站的总发射功率，即最小化所有用户的子载波上的发射功率之和，因此，功率分配约束优化模型的目标函数为mi^m^AH其中U为系统中所有用户的
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编号集合，M为系统中所有子载波的编号集合，Pi (j)为用户i在子载波j上分配到的功率值； a2)得到约束条件步骤1)中所述功率分配的前提是所有用户达到所述预设的速率，因此功率分配约束优化模型的约束条件之一是用户的实际速率要大于或等于所述预设的速率，则要求所有用户在分配到的子载波上的信干噪比都不小于用户对应的目标信干噪比，即对任一用户i都有SINRi (j) ^ SINRi, i e S (j)，其中SINRi (j)为用户i在某子载波j上的信干噪比，SINRi为用户i的目标信干噪比；假设在功率分配之前子载波已经分配完毕，同一小区中不同用户不分配相同的子载波，且每个用户i在所分配的子载波上有相同的目标频谱利用率1，以及期望的传输速率氏，则用户i分配的子载波数目A需满足 ri SRi/(B Jii^ri取满足前述不等式的最小整数，S (j)为分配到子载波j的不同小区的用户编号集；由于实际中功率值为正值，因此功率分配约束优化模型的约束条件之二是所有求得的用户在其所分配到的载波上的功率都大于0，即Pi (j) >0，i e S(J)0 上述的多小区OFDMA系统的功率分配方法中，步骤b包括以下步骤 bl)得到任一用户i在子载波j上可测量的信干噪比SINRi (j)的计算表达式，由于OFDMA系统中频率复用因子为1，不同小区的用户可以使用同一子载波，不同小区间存在着同频干扰，因此SINRi (j)可用下式计算
权利要求
1.一种多小区OFDMA系统的功率分配方法，其特征是包括以下步骤 a，建立多小区OFDMA系统功率分配的约束优化模型；b，分析步骤a得到的约束优化模型中的目标函数和约束条件，将功率优化分配简化成求解目标线性方程组；c，求解步骤b中的线性方程组，得到功率分配矩阵，该矩阵第i行第j列元素Pi (j)为用户i在子载波j上分配到的功率值，用户在其未分配的子载波上功率值都为0，其中i为用户编号，j为子载波编号；d，步骤c得到的功率分配矩阵若满足所述约束条件，则其即为最优解，求解结束；若不满足所述约束条件，则对其进行迭代调整，得到功率分配的最终结果；e，把步骤d求得的功率分配矩阵中第i行第j列的功率值Pi (j)分配给用户i分得的子载波j。
2.根据权利要求1所述的多小区OFDMA系统的功率分配方法，其特征在于步骤a包括以下步骤al)得到目标函数多小区OFDMA系统的功率分配目标是在所有用户达到预设的速率条件下最小化系统内基站的总发射功率，即最小化所有用户的子载波上的发射功率之和，因此，功率分配约束优化模型的目标函数为111111^^^^·7.)其中U为系统中所有用户的编‘5号集合，M为系统中所有子载波的编号集合，Pi (j)为用户i在子载波j上分配到的功率值； a2)得到约束条件步骤1)中所述功率分配的前提是所有用户达到所述预设的速率， 因此功率分配约束优化模型的约束条件之一是用户的实际速率要大于或等于所述预设的速率，则要求所有用户在分配到的子载波上的信干噪比都不小于用户对应的目标信干噪比，即对任一用户i都有SINRi (j) ^ SINRi, i e S(j)，其中SINRi (j)为用户i在某子载波j上的信干噪比，SINRi为用户i的目标信干噪比；假设在功率分配之前子载波已经分配完毕，同一小区中不同用户不分配相同的子载波，且每个用户i在所分配的子载波上有相同的目标频谱利用率1，以及预设的传输速率氏，则用户i分配的子载波数目A需满足 ri SRi/(B Jii^ri取满足前述不等式的最小整数，S (j)为分配到子载波j的不同小区的用户编号集；由于实际中功率值为正值，因此功率分配约束优化模型的约束条件之二是所有求得的用户在其所分配到的载波上的功率都大于0，即Pi (j) >0，i e S(J)0
3.根据权利要求1所述的多小区OFDMA系统的功率分配方法，其特征在于步骤b包括以下步骤bl)得到任一用户i在子载波j上可测量的信干噪比SINRi (j)的计算表达式，由于 OFDMA系统中频率复用因子为1，不同小区的用户可以使用同一子载波，不同小区间存在着同频干扰，因此SINRi (j)可用下式计算崎Σ狨S^)+风,一)HeS(J)Mi其中b(h)为用户h所在小区编号，s(j)为分配到子载波j的不同小区的用户集，Pi(j) 表示用户i在子载波j上分配到的功率值，Ph(J)表示用户h在子载波j上分配到的功率值，Gi (j)表示用户i在子载波j上的信道增益，GfC/+)表示在子载波j上用户i与小区 k(k ^b(i))的基站之间的信道增益，B是系统子载波的带宽，N0是白噪声的功率谱密度；b2)得到任一用户i的目标信干噪比SINRi,假设系统中每个用户i在所分配的子载波上有相同的目标频谱利用率1，以及期望的传输速率Ri,则对于用户i有Hi = lo^d+SINRi)，则用户i的目标信干噪比为MM^ =2"'b3)将上述bl)，b2)两步得到的表达式代入步骤a所述的功率分配约束优化模型的约束条件之一，SINRi (j) SSINIii可转化成Pi (j)与用户的目标频谱利用率Jli之间的不等式约束关系
b4)要使步骤a所述的功率分配约束优化模型的目标函数值最小，即系统中所有用户在分配到的子载波上的发射功率之和最小，则要求每个用户在分配到的载波上的功率值都取最小，也即对于系统内任一用户i，要求上述步骤b3)中的不等式取等号，这样对于每个用户i在分配到的子载波j上的功率？10)都能得到一个等式，也就得到了一组以Pi (j)为未知量的线性方程组，即目标线性方程组
4.根据权利要求1所述的多小区OFDMA系统的功率分配方法，其特征在于步骤d包括 dl)判断步骤c求得的功率分配矩阵是否所有元素都大于零，且不存在某个用户在所有子载波上的分配的功率都为0，若满足，则该功率分配矩阵即为功率分配的最优解，求解结束；若不满足，则跳转至步骤d2)；d2)对步骤c中求得的解进行迭代调整，步骤如下 d21)将功率分配矩阵中的所有负功率值都调整为0 ；d22)将原方程组中左边是步骤d21)中被调整的负功率值的方程都去掉，同时将左边是正功率的方程的右边表达式子中负功率都变成0，这样就得到一个新的方程组；d23)将各载波对应的有负解元素的方程组都按步骤d21)、d2》进行调整，然后统计调整后各用户服务的子载波数，即各用户在各子载波上分配的功率值大于零的个数；若某用 户i的服务子载波数减少为r',，则将其频谱利用率Jli更新为η ‘ i，7^=^7^子载波数 没有变化的用户则不用更新频谱利用率；将更新后的频谱利用率代入步骤ii得到的方程组中，又得到一个新的方程组；d24)分别求解步骤(12 得到的各新方程组，得到新的功率分配矩阵，如果此矩阵所有元素都非负且没有全为零的行，则调整停止，所得的解即为该方法求得的功率分配的最优解；如果求得的功率分配矩阵出现某行全为零，或者达到迭代次数的上限时则调整停止，否则转至第d21)步继续依次调整。
5.根据权利要求1 4任一项所述的多小区OFDMA系统的功率分配方法，其特征在于所述的多小区OFDMA系统中有一个中央控制器，各小区基站都将信道信息反馈给中央控制器，每个终端和基站之间的信道增益均由中央控制器计算得到。
全文摘要
本发明公开了一种多小区OFDMA系统的功率分配方法，通过建立多小区OFDMA系统功率分配的约束优化模型；将功率优化分配简化成求解目标线性方程组；求解步骤b中的线性方程组，得到的功率分配矩阵若满足所述约束条件，即为最优解；若不满足所述约束条件，则对其进行迭代调整，得到功率分配的最终结果；把求得的功率分配矩阵中第i行第j列的功率值Pi(j)分配给用户i分得的子载波j。本发明方法的求解复杂度仅相当于求解线性方程组，复杂度低，适合集中式处理，能提高系统性能，因此实用性较强。
文档编号H04W72/08GK102186232SQ20111014219
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者陈芳炯, 熊素娟 申请人:华南理工大学