正交频分多址系统的子载波分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双向排除最差信道方法的正交频分多址系统子载波分配方法，主要解决现有技术无法进行动态调整分配顺序且复杂度较高的问题。其方案其实现过程为：1)构建信道质量矩阵；2)从信道质量矩阵中找出最差信道质量；3)对最差信道质量对应的用户与子载波进行预分配，选择子载波分配模式；4)用选定的模式进行子载波分配；5)利用子载波分配信息更新相关集合变量；6)通过检测相关集合判断子载波分配是否完成，若未完成则从上述步骤2开始重复进行。该方法不仅能够获得通信可靠性和频谱效率的最佳权衡，保证较高的用户通信公平性，同时具有较低复杂度，有较好的实用价值，可用于多载波通信中的频谱资源分配。

【技术实现步骤摘要】
正交频分多址系统的子载波分配方法
本专利技术属于通信
，特别涉及一种子载波分配方法，可用于多载波通信中的频谱资源分配。
技术介绍
正交频分多址技术OFDMA作为LTE、LET-A等协议中的核心接入技术，已被广泛应用于无线移动通信中。由于正交频分多址技术可使通信系统获得较高的频谱效率及能量效率，因此，未来5G移动通信将会继续广泛应用该多址接入技术。然而，有效利用频谱资源，也就是高效动态分配子载波已成为在未来通信中实现正交频分多址技术的核心研究热点。关于正交频分多址系统中的子载波分配问题，大多数现有研究的设计目标为最大化系统的速率和频谱效率。然而，忽略了另外一个重要的通信性能指标，也就是如何通过子载波分配提高系统的通信可靠性。当子载波分配设计目标为系统通信可靠性时，相应的优化问题将会是离散非凸优化问题，其求解复杂度为NPhard。因此，在正交频分多址系统中，子载波分配的现有研究大多集中在如何设计低复杂度次优分配方案。若基于最优化系统的通信可靠性，现有研究应用匈牙利算法可取得最优分配结果，但其要求非常高的复杂度。然而，其他现有子载波分配的次优方法有许多缺陷。例如，非常著名的贪婪方法Greedy，其根据分配要求，依次给每个用户分配当前可选的最好子载波。这样以来，最后被分配的用户往往没有可选子载波，从而导致相应信道质量很差，进而使系统的通信可靠性大大降低。为了解决Greedy方法的重大缺陷，现有研究提出了最差载波避免方法WSA,其通过预先分配排序，有效避免了较差信道的分配，从而提高系统通信可靠性。基于类似设计思路，现有研究还提出了其他方法，例如：最差用户优先贪婪方法WUF。然而，WSA和其他类似方法的最大缺陷是不能够动态调整分配顺序，同时忽略了最大化最强信道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种正交频分多址系统的子载波分配方法(BWSA)，以动态调整分配顺序，降低子载波分配的复杂度，实现正交频分多址系统的最佳通信可靠性与频谱效率的权衡。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：(1)构建信道质量矩阵A：其中表示用户k在子载波j上的信道质量，|hk,j|2为用户k在子载波j上的信道增益，Nk,j为用户k在子载波j上的噪声功率,M和K分别为正交频分多址系统中子载波总数量和用户总数量；(2)从信道质量矩阵A中找出最差的信道质量值其中，k*与j*分别为信道质量最差时用户以及子载波的序号，为可选择用户序号的集合，其被初始化为L，L为包含所有用户序号的集合，为可选择子载波序号的集合，其被初始化为R，R为包含所有子载波序号的集合；(3)选择最差子载波排除模式或最差用户排除模式：(4)按照(3)选定的模式进行子载波分配，获得最佳可选信道质量：若被选模式为最差用户排除模式，找出子载波j*所能选择的最佳用户并将子载波j*分配给用户k′；若被选模式为最差子载波排除模式，找出用户k*所能选择的最佳子载波并将子载波j′分配给用户k*；(5)根据分配结果更新集合和集合若被选模式为最差用户排除模式，则从集合中剔除子载波j*，同时对于已被分配Qk′个子载波的用户k′，将其从集合中剔除掉，其中，Qk′为用户k′可支持的并行数据流数量，即用户k′需求的子载波的数量；若被选模式为最差子载波排除模式，则从集合中剔除子载波j′，同时对于已被分配个子载波的用户k*，将其从集合中剔除掉，其中，为用户k*可支持的并行数据流数量，即用户k*需求的子载波的数量；(6)检查可选择用户序号集合与可选择子载波序号集合是否为空集：若为空集或集合为空集，则子载波分配完成；若集合与集合均不是空集，则子载波分配未完成，返回步骤(2)。本专利技术具有以下优点：1.本专利技术通过对比选择最差子载波排除模式与最差用户排除模式，可同时最大化子载波分配的最差信道质量与最强信道质量，从而使正交频分多址系统获得通信可靠性和频谱效率的最佳权衡。2.本专利技术通过动态调整分配顺序，能够取得较高的用户通信公平性。3.本专利技术通过M分配轮即可得到最佳分配结果，不需要预先处理或变换用于分配的信道质量矩阵，复杂度较低，所需最大复杂度仅为附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是本专利技术实施例的实现示意图；图3是本专利技术在不同信噪比下的平均比特错误概率仿真图；图4是本专利技术在不同信噪比下的平均频谱效率仿真图；图5是本专利技术在不同信噪比下的频谱效率概率密度仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实例和效果做进一步详细说明。在正交频分多址系统中，频谱资源被切分成许多个正交的子载波，每个用户的信息被承载在多个正交的子载波进行传输，以实现正交并行通信。因此，如何有效分配子载波资源，将很大程度影响正交频分多址通信系统的频谱效率、通信可靠性、公平性及其他系统性能。本专利技术正是解决如何在正交频分系统中有效分配子载波的问题。以下以一个具体应用场景进行详细描述：假设在单小区正交频分多址系统的下行通信中，有M＝8个子载波和K＝8个用户，每个用户必须被分配Q＝1个子载波。参照图1，本实例的实现步骤如下：步骤1，构建信道质量矩阵A。其中表示用户k在子载波j上的信道质量，|hk,j|2为用户k在子载波j上的信道增益，Nk,j为用户k在子载波j上的噪声功率,本实例的k与j取值范围均为0到7，M和K分别为正交频分多址系统中子载波总数量和用户总数量，取值均为8；利用计算得到的信道质量Ak,j按以如下规则构建信道质量矩阵：设矩阵最左一列的序号为用户序号，最上一行的序号为子载波序号，将信道质量按照用户与子载波序号进行排列，可组成相应的信道质量矩阵A：步骤2，找出当前信道质量矩阵中的最差信道质量。从信道质量矩阵A中找出最差的信道质量值其中，k*与j*分别为信道质量最差时用户以及子载波的序号，为可选择用户序号的集合，其被初始化为L，L为包含所有用户序号的集合，为可选择子载波序号的集合，其被初始化为R，R为包含所有子载波序号的集合；本实例通过比较当前所有的信道质量可得最差信道质量其中k*与j*分别为信道质量最差时用户以及子载波的序号，取值范围均为0到7。由于此时尚未进行分配，所有用户与子载波均可被选择分配，即用户序号集合可选子载波序号集合步骤3，选择最差子载波排除模式或最差用户排除模式。(3a)根据最差信道质量所对应的子用户和子载波，以信道质量最大为目标分别进行预分配，在预分配后子用户和子载波的信道质量中选取最小的信道质量作为第二差信道质量；(3b)对不同预分配下的第二差信道质量进行比较：若子用户预分配时的第二差信道质量比子载波预分配时的第二差信道质量小，则选择最差子载波排除模式；若子载波预分配时的第二差信道质量比子用户预分配时的第二差信道质量小，则选择最差用户排除模式。本实例对最差信道质量A7,7所对应的第7个用户和第7个子载波以信道质量最大为目标分别进行预分配，通过比较第7个用户与第7个子载波对应的所有信道质量，取最小信道质量为第二差信道质量，得到对第7个用户进行预分配后可避免的第二差信道质量为A0,0＝0.45，对第7个子载波进行预分配后可避免的第二差信道质量为A4,7＝0.23，由于A4,7小于A0,0，所以本次分配采用最差用户排除模式。步骤4，利用步骤3选定的模式进行子载波分配，获得最佳可选信道质量。若被选模式为最差用户排本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正交频分多址系统的子载波分配方法，包括：(1)构建信道质量矩阵A：

【技术特征摘要】
1.一种正交频分多址系统的子载波分配方法，包括：(1)构建信道质量矩阵A：其中表示用户k在子载波j上的信道质量，|hk,j|2为用户k在子载波j上的信道增益，Nk,j为用户k在子载波j上的噪声功率,M和K分别为正交频分多址系统中子载波总数量和用户总数量；(2)从信道质量矩阵A中找出最差的信道质量值其中，k*与j*分别为信道质量最差时用户以及子载波的序号，为可选择用户序号的集合，其被初始化为L，L为包含所有用户序号的集合，为可选择子载波序号的集合，其被初始化为R，R为包含所有子载波序号的集合；(3)选择最差子载波排除模式或最差用户排除模式：(4)按照(3)选定的模式进行子载波分配，获得最佳可选信道质量：若被选模式为最差用户排除模式，找出子载波j*所能选择的最佳用户k′＝并将子载波j*分配给用户k′；若被选模式为最差子载波排除模式，找出用户k*所能选择的最佳子载波j′＝并将子载波j′分配给用户k*；(5)根据分配结果更新集合和集合若被选模式为最差用户排除模式，则从集合中剔...

【专利技术属性】
技术研发人员：石嘉，万鹏武，钟武，李赞，梁琳琳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61