基于空闲用户设备辅助的OFDMA系统上行子信道分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于空闲用户设备辅助的OFDMA系统上行子信道分配方法。所述方法在现有的基于消息传递策略的OFDMA系统上行子信道分配算法的基础上进行了改进，主要是对演进型基站和接入用户之间通过消息传递迭代进行子信道分配决策的过程运算中涉及的选择运算进行了优化，由接入用户和其周围的空闲用户共同完成选择算法的初次partition运算，并且对选择算法也予以了改进，使之只需调用一次选择算法即能完成序号相连的两个元素的选择。与现有技术相比，本发明专利技术以极小的额外通信开销和延时，通过空闲用户协助，以及新的选择算法，使得子信道分配提速。本发明专利技术对信道快速变化的通信系统，具有尤为重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于空闲用户设备辅助的OFDMA系统上行子信道分配方法
本专利技术涉及一种OFDMA系统子信道快速分配方法，属于无线通信系统领域。
技术介绍
无线通信系统合理的资源分配是实现信息高效传输的重要条件，而信道是无线通信系统最重要的资源之一，OFDMA系统的子信道分配往往涉及选择运算。为了便于描述，我们首先定义如下符号：处于接入状态的用户设备(UserEquipment,UE)(以下称之为activeUE)集合为处于空闲状态的用户设备(以下称之为idleUE)集合为子信道集合为标签为u的UE用UEu表示。目前的分布式资源分配方案之一是基于消息传递(MessagePassing,MP)策略，其优点是，其一，复杂的计算由演进型基站(eNodeB)和UE共同参与完成，而且UE的分担的份额更大，因而减轻了基站的负担；其二，每个UE只需根据本地消息做出决策。基于消息传递的上行资源分配次优算法一般分两步进行：第一步是子信道分配，每次迭代所做的工作是UEu从一个数组(集合)中挑选出各自的第ru小的元素，其中ru为UEu的子信道配额；第二步是比特加载。本专利技术旨在对第一步予以改进，使其运算速度加快。算法的场景如图1所示。文献Messagepassingresourceallocationfortheuplinkofmulti-carriermulti-formatSystems(IEEETrans.WirelessCommun.,vol.11,no.1,pp.130-141,Jan.2012.)中提出的基于消息传递(MessagePassing,MP)策略的子信道分配方案，与其同义的主程序伪代码如表1所示。迭代停止的检验条件是X(t+1)＝X(t)得到满足，即相继两次迭代生成的子信道归属矩阵X未变，若满足此条件则迭代停止，信道分配方案最后确定,否则继续调用消息传递迭代子程序，如表2所示。被调用的消息迭代传递子程序(函数)为：其伪代码如表2所示。表2中Step2-1的运算过程可描述为：UEu从集合中挑选出第小的元素，其中Pu,j表示UEu在满足一定误码率和频谱利用率(一般设为1)的条件下，如果接入信道j所需的发射功率，表示由eNodeB发送给UEu的关于信道j的消息，其量纲也是功率，隐含了用户集合中的用户在满足一定误码率和频谱利用率的条件下，如果接入信道j所需的发射功率的相关信息。该运算由UEu执行。Step2-2运算过程描述为：eNodeB从集合中挑选出最小的元素，该运算由eNodeB执行。存在如下事实：第一，Step2-1的候选集合的势等于子信道总数，而Step2-2的候选集合的势等于用户总数，通常前者远大于后者；第二，Step2-1是选择第小的元素，而Step2-2是选择最小的元素，就算法本身而言，前者的复杂度远大于后者；第三，Step2-1的执行系统为UE,而Step2-2的执行系统是eNodeB，显然前者的运算能力也远小于后者。基于以上事实。我们可以认为，信道分配所消耗的时间大部分由Step2-1贡献。上述运算的核心是一个选择算法，目前已有报道的传统选择算法中，运算最快的是Hoare’sFind算法，其运算的平均时间复杂度为Θ(n)，其中n为输入数组的大小。Hoare’sFind算法的核心运算是“一分为二”操作，即partition(以下这样称谓)运算，对其原理简述如下：假设原数组为X＝[x0，x1，x2，…xN]，对其进行一分为二(partition)的处理后，其结果是将原数组X转换为另一个新数组Y，Y＝[X1,xp,X2]，其中，p为元素序号，元素xp被称为pivot，集合集合Hoare’sFind算法基于“分而治之”思想。假设寻找的目标是第k小的元素，在partition操作后，如果k＝p，则第k小的元素就此找到；如果k<p，则需继续用同样的方法，在X1中寻找第k小的元素；如果k>p，则需继续用同样的方法，在X2中寻找第k-p小的元素。如此，不断迭代，最后挑选出目标元素。现有的关于OFDMA资源分配算法，所涉及的操作仅由activeUE参与，idleUE未加以利用，本专利技术使idleUE也有机会参与为activeUE分配信道的运算，旨在使运算提速，由此加快OFDMA资源分配的速度。这种方案，基于无线通信网络系统固有的两个有利条件，其一，通常存在空闲用户；其二，activeUE收听广播的下行消息时，idleUE亦可同时收听，不需另设信道，因而通信开销很小。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术在现有的基于MP算法的OFDMA系统上行子信道分配分布式算法的基础上进行改进，对OFDMA系统往往存在空闲用户，以及空闲用户可以与接入用户同时收听下行消息的两个特点加以合理利用，提供一种基于空闲用户设备辅助的OFDMA系统上行子信道快速分配方法，旨在通过空闲用户的协助，以极低的开销，加快子信道分配中的选择操作的运算速度，从而加快整体运算速度。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于空闲用户设备辅助的OFDMA系统上行子信道分配方法，包括：步骤1：接入用户在准备接入时根据其与空闲用户之间的信道情况选择若干空闲用户作为参与子信道分配运算的协助者，并与协助者制定通信协议；步骤2：eNodeB进行信道估计和功率矩阵、各接入用户的子信道配额向量、迭代序号、下行消息矩阵以及子信道归属判决矩阵的初始化；步骤3：eNodeB和接入用户之间通过消息传递迭代进行子信道分配决策的过程运算，若相继两次迭代生成的子信道归属判决矩阵不变，则迭代结束，子信道分配方案确定；步骤3中每次迭代的子信道分配决策的过程运算包括：步骤3.1：eNodeB根据上行消息计算下行消息，并广播下行消息，初次下行消息设置为零；步骤3.2：各个接入用户及各自的协助者收听下行消息，结合下行消息、功率矩阵和各接入用户的子信道配额共同完成子上行消息的求解运算，接入用户根据运算结果设置上行消息并发送给eNodeB；步骤3.3：各接入用户基于上行消息和下行消息获得子信道归属判决矩阵。上述步骤1的具体过程为：当接入用户UEu,准备接入时，首先在其附近周围选择若干个信道状态较好的idleUE作为协助者组成一个子集合中的各个idleUE与UEu之间的通信制式是OFDMA。然后，UEu给中的每个idleUE编号，并指定每个idleUE向UEu传递信息占用的子信道，以便UEu在接收中的各个idleUE传送的信息而进行OFDMA解调时可以直接判断出某信道的信息与中的idleUE编号的对应关系。上述步骤3.2中在信道分配决策的每次消息传递迭代中，各个接入用户及各自的协助者结合下行消息、功率矩阵和接入用户的子信道配额共同完成子上行消息的求解运算的步骤包括：步骤A：各接入用户将功率矩阵中本用户接入每个子信道所需功率，与下行消息矩阵中本用户关于对应各子信道的消息，二者相加，形成一个数组Φu。在第t次迭代中，其中，其中Pu,j为功率矩阵中用户接入子信道所需功率，为eNodeB对UEu发送的关于子信道的下行消息。eNodeB广播功率矩阵和下行消息时，各接入用户及各自的协助者均能收听到，接入用户及其协助者同做如上的相加运算。步骤B：各接入用户通过选择运算从数组Φu中选出第和小的元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空闲用户设备辅助的OFDMA系统上行子信道分配方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)接入用户在准备接入时根据与空闲用户之间的信道情况选择若干空闲用户作为参与子信道分配运算的协助者，并与协助者制定通信协议；(2)演进型基站eNodeB进行信道估计和功率矩阵、各接入用户的子信道配额向量、迭代序号、下行消息矩阵以及子信道归属判决矩阵的初始化；(3)eNodeB和接入用户之间通过消息传递迭代进行子信道分配决策的过程运算，若相继两次迭代生成的子信道归属判决矩阵不变，则迭代结束，子信道分配方案确定；所述步骤(3)中每次迭代的子信道分配决策的过程运算包括：(3.1)eNodeB根据上行消息计算下行消息，并广播下行消息，初次下行消息设置为零；(3.2)各个接入用户及各自的协助者收听下行消息，结合下行消息、功率矩阵和各接入用户的子信道配额共同完成上行消息的求解运算，接入用户根据运算结果设置上行消息并发送给eNodeB；(3.3)各接入用户基于上行消息和下行消息获得子信道归属判决矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种基于空闲用户设备辅助的OFDMA系统上行子信道分配方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)接入用户在准备接入时根据与空闲用户之间的信道情况选择若干空闲用户作为参与子信道分配运算的协助者，并与协助者制定通信协议；(2)演进型基站eNodeB进行信道估计和功率矩阵、各接入用户的子信道配额向量、迭代序号、下行消息矩阵以及子信道归属判决矩阵的初始化；(3)eNodeB和接入用户之间通过消息传递迭代进行子信道分配决策的过程运算，若相继两次迭代生成的子信道归属判决矩阵不变，则迭代结束，子信道分配方案确定；所述步骤(3)中每次迭代的子信道分配决策的过程运算包括：(3.1)eNodeB根据上行消息计算下行消息，并广播下行消息，初次下行消息设置为零；(3.2)各个接入用户及各自的协助者收听下行消息，结合下行消息、功率矩阵和各接入用户的子信道配额共同完成上行消息的求解运算，接入用户根据运算结果设置上行消息并发送给eNodeB；(3.3)各接入用户基于上行消息和下行消息获得子信道归属判决矩阵；步骤(3.2)中各个接入用户及各自的协助者结合下行消息、功率矩阵和接入用户的子信道配额共同完成上行消息的求解运算的步骤包括：(A)各接入用户将功率矩阵中本用户接入每个子信道所需功率，与下行消息矩阵中本用户关于对应各子信道的消息，二者相加，形成一个数组Φu；其中t为迭代序号，Pu,j为功率矩阵中用户接入子信道所需功率，为eNodeB对UEu发送的关于子信道的下行消息，为子信道集合，处于接入状态的用户设备UE集合为UEu为标签为u的接入用户，(B)各接入用户通过选择运算从数组Φu中选出第小和小的元素，其中ru为用户u的子信道配额；所述步骤(B)中选择运算采用Hoare’sFind选择算法，首次partition操作由接入用户及其协助者共同完成，后续的partition操作由接入用户独立完成；所述首次partition操作由接入用户及其协助者共同完成的具体步骤为：(B11)以数组中的第一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋铁成，顾斌，胡静，孙大飞，张雷，吴名，郭洁，沈连丰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32