CN101557643B - 一种无线电资源分配方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电资源分配方法与系统，可用以大幅提升行动MIMO-OFDMA通信系统的传输容量。该方法包含对该通道矩阵施行一矩阵运算以产生一对角矩阵；执行一第一副载波片段分配运算以产生给该等用户的第一副载波片段，该第一副载波片段分配运算包含该等用户的初始传输功率及该预定用户容量条件限制下的一总和容量函数的最大化计算；依该等第一副载波片段，执行一传输功率分配运算以产生给该等用户的中间传输功率；以及执行一第二副载波片段分配运算以产生给该等用户的第二副载波片段，该第二副载波片段分配运算包含该等用户的中间传输功率及该预定的用户容量条件限制下的该总和容量函数的最大化计算。

Description

一种无线电资源分配方法与系统

技术领域

本发明涉及无线电资源分配，尤指下链多重输入输出-正交分频多任务接取(Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access；MIMO-OFDMA)其传输功率和副载波片段的无线电资源分配方法，其中该无线电资源分配方法在严峻的通道条件，可大幅降低了计算复杂度。

背景技术

在下个世代的无线通信中，基于各种应用所衍生的庞大传输量需求，可支持游牧用户所需10亿位以上数据传输率的无线传输容量及支持高度行动用户所需兆位以上数据传输率的无线传输容量已变成必要的规格，其中该无线传输规格可藉由对行动MIMO-OFDMA通信系统的额定用户们实施适当的无线电资源分配而达成。

正交频率分割多重存取(OFDMA)之所以被公认为目前及未来无线通信的多重存取代表技术，乃基于其高度频谱利用效率及优越的无线电资源分配弹性。

多重输入输出(MIMO)技术之所以能显著地提升无线通信系统的实质容量，乃基于其多重天线结构。因此，MIMO-OFDMA遂渐为宽带行动通信系统的一关键技术。

为了充分利用MIMO-OFDMA通信系统的容量，适当的无线电资源分配是需要的。在现有的技术中，以OFDMA为基础的知循环比对(round robin)分时多任务接取(Time Division Multiple Access；TDMA)策略系一典型者，其可用以提升MIMO-OFDMA通信系统的容量。然而，若把计算复杂度列入考虑，该技术在容量和计算复杂度之间的表现仍然有改进的空间。因此需要一无线电资源分配技术，其可用更低的计算复杂度提供优越的传输容量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线电资源分配方法与系统，可用以大幅提升行动MIMO-OFDMA通信系统的传输容量。

为了解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种无线电资源分配方法，用于多重输入输出-正交分频多任务接取系统的下链传输中，依一通道矩阵、一预定的用户容量条件及复数个用户的初始传输功率，以决定给该等用户的传输功率及副载波片段，该方法包含对该通道矩阵施行一矩阵运算以产生一对角矩阵；执行一第一副载波片段分配运算以产生给该等用户的第一副载波片段，该第一副载波片段分配运算包含在该等用户的初始传输功率及该预定用户容量条件限制下的一总和容量函数的最大化计算；依该等第一副载波片段，执行一传输功率分配运算以产生给该等用户的中间传输功率；以及执行一第二副载波片段分配运算以产生给该等用户的第二副载波片段，该第二副载波片段分配运算包含该等用户的中间传输功率及该预定的用户容量条件限制下的该总和容量函数的最大化计其中该总和容量函数与该对角矩阵、该等用户的传输功率及该等用户的副载波片段有关。

本发明所提关于传输功率及副载波片段的无线电资源分配方法，可在已知用户信道矩阵的下链行动MIMO-OFDMA系统中，依一算法及由该用户信道矩阵产生的一对角矩阵，决定给各用户的传输功率及副载波片段，以使该行动MIMO-OFDMA的总和容量最大化，其中该算法包含一改良的填水(modifiedwater-filling)最佳功率分配方案及一有限制条件的线性规划，该线性规划系用以使一总和容量函数最大化，其中该总和容量函数代表分配给各用户的容量的总和且其与各用户的副载波片段、传输功率及该对角矩阵的对角项有关，该方法包含以下步骤：对该通道矩阵施行一矩阵运算以产生一对角矩阵；依一预定的传输功率分配决定各用户的传输功率；依该预定的传输功率分配及可使该总和容量函数最大化的该有限制条件的线性规划决定一第一副载波片段分配；依该第一副载波片段分配及该改良的填水最佳功率分配方案决定一传输功率分配；以及依该传输功率分配及可使该总和容量函数最大化的该有限制条件的线性规划决定一第二副载波片段分配。

本发明进一步提供了一种无线电资源分配的系统，用于多重输入输出-正交分频多任务接取系统下链传输中，依一通道矩阵、一预定的用户容量条件及复数个用户的初始传输功率，以决定给该等用户的传输功率及副载波片段，该系统包含一矩阵转换器，用以对该通道矩阵施行一矩阵运算以产生一对角矩阵；一第一副载波片段分配单元，用以执行一第一副载波片段分配运算以产生给该等用户的第一副载波片段，该第一副载波片段分配运算包含该等用户的初始传输功率及该预定的用户容量条件限制下的一总和容量函数的最大化计算；一传输功率分配单元，用以依该等第一副载波片段执行一功率分配运算以产生给该等用户的中间传输功率；以及一第二副载波片段分配单元，用以执行一第二副载波片段分配运算以产生给该等用户的第二副载波片段，该第二副载波片段分配运算包含在该等用户的中间传输功率及该预定的用户容量条件限制下的该总和容量函数的最大化计算；其中该总和容量函数与该对角矩阵、该等用户的传输功率及该等用户的副载波片段有关。

本发明所提关于传输功率及副载波片段的无线电资源分配的系统，可在已知用户信道矩阵的下链行动MIMO-OFDMA系统中，依一算法及由该用产信道矩阵产生的一对角矩阵，决定给各用户的传输功率及副载波片段，以使该行动MIMO-OFDMA的总和容量最大化，其中该算法包含一改良的填水(modinedwater-filling)最佳功率分配方案及一有限制条件的线性规划，该线性规划系用以使一总和容量函数最大化，其中该总和容量函数代表分配给各用户的容量的总和且其与各用户的副载波片段、传输功率及该对角矩阵的对角项有关，该系统包含：一矩阵转换器，用以对该通道矩阵施行一矩阵运算以产生一对角矩阵；一第一副载波片段分配单元，用以依一预定的传输功率分配及可使该总和容量函数最大化的有限制条件的线性规划决定一第一副载波片段分配；一传输功率分配单元，用以依该第一副载波片段分配及该改良的填水最佳功率分配方案决定一传输功率分配；以及一第二副载波片段分配单元，用以依该传输功率分配及可使该总和容量函数最大化的该有限制条件的线性规划决定一第二副载波片段分配。

本发明采用的无线电资源分配方法与系统具有一信道等化方案及一具线性复杂度的资源分配算法，可用以大幅提升行动MIMO-OFDMA通信系统的传输容量。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的方法流程图。

图2为本发明一较佳实施例的方块图。

【主要组件符号说明】

矩阵转换器200

第一副载波片段分配单元210

传输功率分配单元220

第二副载波片段分配单元230

具体实施方式

在整个说明书中，本案假定天线的数目为N、用户数目为U、OFDMA框架的符号数目为T及各符号的副载波数目为K。

在描述本案的方法所前，系统的信号模型先在此说明。在本发明中，时域传输信号向量可表为x＝Ψ^HX，用户u的接收信号向量可表为r_u＝D_uΨ^HX+W_u，而解调信号向量可表为

Ω_u＝ΨD_uΨ^H，其中D_u为通道矩阵，Ψ^H代表MIMO-OFDMA传输方案，Ω_u为等效通道矩阵，且Ψ，D_u，Ψ^H均为已知。

根据Ω_u，本案可于其上施行某些矩阵运算以求取讯噪比的信息，供后续的无线电资源分配运算利用。

请参照图1，其为本发明一较佳实施例的方法流程图。如图1所示，本发明用于下链行动MIMO-OFDMA关于传输功率及副载波片段的无线电资源分配方法包含：产生一对角矩阵(步骤a)；决定一总和容量函数(步骤b)；执行一第一副载波片段分配(步骤c)；执行一传输功率分配(步骤d)；及执行一第二副载波片段分配(步骤e)。

在步骤a中，一对角矩阵的产生系经由对该等效通道矩阵Ω_u实施一矩阵分解运算，其较佳为但不限于QR分解运算，使得Ω_u＝Q_uR_u，其中Q_u为一么正(unitary)矩阵，R_u为一上三角矩阵且其对角项等于该对角矩阵的对角项。该等效通道矩阵Ω_u可用在解调信号向量的代表式Y_u＝Ω_uX+W_u中，其中Y_u为解调信号向量，X为传输信号向量，W_u为外加噪声向量。

在步骤b中，一总和容量函数C_t(ω_{u，α，t，k}，P_α，t，k)乃表为

$C_u=\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}\log (1+{\mathrm{SNR}}_{u,\mathrm{\α},t,k}),$ 及 ${\mathrm{SNR}}_{u,\mathrm{\α},t,k}=\frac{{\left|r_{u,\mathrm{\α},t,k}{P}_{\mathrm{\α},t,k}\right|}^2}{B/K{N}_0},$ 其中C_t为总和容量；C_u为用户u所分配到的容量，ω_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一副载波片段；SNR_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的讯噪比；r_{u，α，t，k}代表该对角矩阵的对角项；及P_α，t，k代表符号t选用的副载波k经天线α所分配到的传输功率；B是total signalbandwidth，即总信号带宽；N₀是Power Spectral Density(PSD)of additivenoise，即加性噪声的功率谱密度。

在步骤c中，一第一副载波片段分配系依一预定的传输功率分配及该总和容量函数的最大化而决定：

$C_t=\underset{P_{\mathrm{\α},t,k},{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}}{\max }\underset{u=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_u,$ $C_u=\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}\log (1+{\mathrm{SNR}}_{u,\mathrm{\α},t,k}),$ 及

其中C_t为总和容量；C_u为分配给用户u的容量；ω_{u，α，t，k}代表该第一副载波片段分配中，符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一第一副载波片段；SNR_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的讯噪比；r_{u，α，t，k}代表该对角矩阵的对角项；及P_α，t，k代表符号t选用的副载波k经天线α所分配到的预定的传输功率。

在该总和容量函数的最大化方案中，较佳为但不限于一有限制条件的线性规划，其具有：一总功率限制其中P_T为总传输功率；一副载波片段限制

对所有的α，t，k，其中ω_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一副载波片段；以及一公平性限制C_u/C_t＝γ_u，其中C_u为分配给用户u的容量，γ_u为设计者所规划的一公平性参数。

在步骤d中，一传输功率分配的决定系依该第一副载波片段分配及一改良的填水(water-filling)最佳功率分配方案(其未具公平性限制)：

$P_{\mathrm{\α},t,k}=(\frac{P_T}{\mathrm{NTK}}+\frac{1}{\mathrm{NTK}}\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{B/K{N}_0}{{\left|r_{{\hat{u}}_{\mathrm{\α},t,s}\mathrm{\α},\mathrm{\α},t,k}\right|}^2}-\frac{B/K{N}_0}{{\left|r_{u_{\mathrm{\α},t,k}\mathrm{\α},\mathrm{\α},t,k}\right|}^2}),$ 其中P_α，t，k代表该传输功率分配中，符号t选用的副载波k经天线α所分配到的一中间传输功率；P_T为总传输功率；r_{u，α，t，k}代表该对角矩阵的对角项；及对应于各副载波(α，t，k)。

在步骤e中，一第二副载波片段分配系依该传输功率分配及该总和容量函数的最大化而决定：

$C_t=\underset{P_{\mathrm{\α},t,k},{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}}{\max }\underset{u=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_u,$ $C_u=\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}\log (1+{\mathrm{SNR}}_{u,\mathrm{\α},t,k}),$ 及

其中C_t为总和容量；C_u为分配给用户u的容量；ω_{u，α，t，k}代表该第二副载波片段分配中，符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一第二副载波片段；SNR_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的讯噪比；r_{u，α，t，k}代表该对角矩阵的对角项；P_α，t，k代表该传输功率分配中，符号t选用的副载波k经天线α所分配到的一中间传输功率。

在该总和容量函数的最大化方案中，较佳为但不限于一有限制条件的线性规划，其具有：一总功率限制其中P_T为总传输功率；一副载波片段限制

对所有的α，t，k，其中ω_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一副载波片段；以及一公平性限制C_u/C_t＝γ_u，其中C_u为分配给用户u的容量，γ_u为设计者所规划的一公平性参数。

请参照图2，其为本发明一较佳实施例的方块图。如图2所示，本发明用于下链行动MIMO-OFDMA关于传输功率及副载波片段的无线电资源分配的系统包含：一矩阵转换器200，其可藉由对一通道矩阵Ω_u施行一运算以产生一对角矩阵D_xu；一第一副载波片段分配单元210，其可依该对角矩阵D_xu产生一第一副载波片段分配W_a1；一传输功率分配单元220，其可依该对角矩阵D_xu及该第一副载波片段分配W_a1产生一传输功率分配P_a1；及一第二副载波片段分配单元230，其可依该对角矩阵D_xu及该传输功率分配P_a1产生一第二副载波片段分配W_a2。

在该矩阵转换器200中，该对角矩阵D_xu可藉由一QR分解运算产生，且天线间的干扰及载波间的干扰均可因该QR分解运算而消除。

在该第一副载波片段分配单元210中，该第一副载波片段分配W_a1系依一预定的传输功率分配及一总和容量函数的最大化而产生：

$C_t=\underset{P_{\mathrm{\α},t,k},{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}}{\max }\underset{u=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_u,$ $C_u=\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}\log (1+{\mathrm{SNR}}_{u,\mathrm{\α},t,k}),$ 及

其中C_t为总和容量；C_u为分配给用户u的容量；ω_{u，α，t，k}代表该第一副载波片段分配W_a1中，符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一第一副载波片段；SNR_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的讯噪比；r_{u，α，t，k}代表该对角矩阵D_xu的对角项；及P_α，t，k代表符号t选用的副载波k经天线α所分配到的预定的传输功率。

在该总和容量函数的最大化方案中，较佳为但不限于一有限制条件的线性规划，其具有：一总功率限制

其中P_T为总传输功率；一副载波片段限制

对所有的α，t，k，其中ω_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一副载波片段；以及一公平性限制C_u/C_t＝γ_u，其中C_u为分配给用户u的容量，γ_u为设计者所规划的一公平性参数。

在该传输功率分配单元220中，该传输功率分配P_a1的决定系依该第一副载波片段分配W_a1及一改良的填水(water-filling)最佳功率分配方案(其未具公平性限制)：

$P_{\mathrm{\α},t,k}=(\frac{P_T}{\mathrm{NTK}}+\frac{1}{\mathrm{NTK}}\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{B/K{N}_0}{{\left|r_{{\hat{u}}_{\mathrm{\α},t,s}\mathrm{\α},\mathrm{\α},t,k}\right|}^2}-\frac{B/K{N}_0}{{\left|r_{u_{\mathrm{\α},t,k}\mathrm{\α},\mathrm{\α},t,k}\right|}^2}),$ 其中P_α，t，k代表该传输功率分配P_a1中，符号t选用的副载波k经天线α所分配到的一中间传输功率；P_T为总传输功率；r_{u，α，t，k}代表该对角矩阵D_xu的对角项；及

对应于各副载波(α，t，k)。

在该第二副载波片段分配单元230中，该第二副载波片段分配W_a2系依该传输功率分配P_a1及该总和容量函数的最大化而决定：

$C_t=\underset{P_{\mathrm{\α},t,k},{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}}{\max }\underset{u=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_u,$ $C_u=\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{u,\mathrm{\α},t,k}\log (1+{\mathrm{SNR}}_{u,\mathrm{\α},t,k}),$ 及其中C_t为总和容量；C_u为分配给用户u的容量；ω_{u，α，t，k}代表该第二副载波片段分配W_a2中，符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一第二副载波片段；SNR_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的讯噪比；r_{u，α，t，k}代表该对角矩阵D_xu的对角项；及P_α，t，k代表该传输功率分配P_a1中，符号t选用的副载波k经天线α所分配到的一中间传输功率。

在该总和容量函数的最大化方案中，较佳为但不限于一有限制条件的线性规划，其具有：一总功率限制

其中P_T为总传输功率；一副载波片段限制

对所有的α，t，k，其中ω_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的一副载波片段；以及一公平性限制C_u/C_t＝γ_u，其中C_u为分配给用户u的容量，γ_u为设计者所规划的一公平性参数。

本案所揭示者，乃较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本案的技术思想而为熟习该项技艺的人所易于推知者，俱不脱本案的专利权范畴。

Claims (9)

1.一种无线电资源分配方法，用于多输入多输出-正交频分复用接入系统的下行链路中，依一通道矩阵、一预定的用户容量条件及复数个用户的初始传输功率，以决定该等用户的传输功率及副载波片段，其特征在于，该方法包含：

对该通道矩阵施行一矩阵运算以产生一对角矩阵；

执行一第一副载波片段分配运算以产生该等用户的第一副载波片段，该第一副载波片段分配运算包含该等用户的初始传输功率及该预定用户容量条件限制下的一总和容量函数的最大化计算；

依该等第一副载波片段，执行一传输功率分配运算以产生该等用户的中间传输功率；以及

执行一第二副载波片段分配运算以产生该等用户的第二副载波片段，该第二副载波片段分配运算包含该等用户的中间传输功率及该预定的用户容量条件限制下的该总和容量函数的最大化计算；

其中该总和容量函数与该对角矩阵、该等用户的传输功率及该等用户的副载波片段有关。

2.如权利要求1所述的无线电资源分配方法，其特征在于，该矩阵运算为QR分解运算。

3.如权利要求1所述的无线电资源分配方法，其特征在于，该传输功率分配运算包含一总功率限制，其为该等中间传输功率的总和小于或等于一总功率。

4.如权利要求1所述的无线电资源分配方法，其特征在于，该第一副载波片段分配运算包含一副载波限制，其为其中ω_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的该等第一副载波片段。

5.如权利要求1所述的无线电资源分配方法，其特征在于，该预定的用户容量条件系由一公平性限制方程式C_u/C_t＝γ_u所决定，其中C_u为分配给一用户的一容量函数，C_t为该总和容量函数及γ_u为与该用户对应的一公平性参数。

6.一种无线电资源分配的系统，用于多输入多输出-正交频分复用接入系统下行链路中，依一通道矩阵、一预定的用户容量条件及复数个用户的初始传输功率，以决定该等用户的传输功率及副载波片段，其特征在于，该系统包含：

一矩阵转换器，用以对该通道矩阵施行一矩阵运算以产生一对角矩阵；

一第一副载波片段分配单元，用以执行一第一副载波片段分配运算以产生该等用户的第一副载波片段，该第一副载波片段分配运算包含该等用户的初始传输功率及该预定的用户容量条件限制下的一总和容量函数的最大化计算；

一传输功率分配单元，用以依该等第一副载波片段执行一传输功率分配运算以产生该等用户的中间传输功率；以及

一第二副载波片段分配单元，用以执行一第二副载波片段分配运算以产生该等用户的第二副载波片段，该第二副载波片段分配运算包含该等用户的中间传输功率及该预定的用户容量条件限制下的该总和容量函数的最大化计算；

其中该总和容量函数与该对角矩阵、该等用户的传输功率及该等用户的副载波片段有关。

7.如权利要求7所述的无线电资源分配的系统，其特征在于，该矩阵运算为QR分解运算。

8.如权利要求7所述的无线电资源分配的系统，其特征在于，该等中间传输功率的总和小于或等于一总功率。

9.如权利要求7所述的无线电资源分配的系统，其特征在于，第一副载波片段分配运算包含一副载波限制，

其中ω_{u，α，t，k}代表符号t选用的副载波k经天线α分配给用户u的该等第一副载波片段。

Images