TWI258938B - Subcarrier and bit allocation for real time services in multiuser orthogonal frequency division multiplex (OFDM) systems - Google Patents

Description

1258938 九、發明說明： 【發明領域】 本發明係有關於利用正交分頻多工之無線通广/么 其中，次载波及位元分配係需要一最佳解決方案。^^系統 【發明背景】 為了提供寬頻服務給消費者，無線通信網路 無線網際網路存取及即時視訊）之重要性係逐漸提* 種寬頻服務必須能夠在不利條件中，諸如./呵。這 =用頻譜、及多重路径衰減造成之二境擾 (IS]0，依售提供可靠且高資料速率之通信。 正交分頻多工（0FDM)係解決這種相互符號干擾⑽） 問喊之隶可行方法之-。另外，正交分頻多卫（otdm)係 獲選為歐位語音及視訊廣播、及無線區_路(wl 標準之優先採用技術。 對於單一使用者正交分頻多工（0FDM)系統而言， 一種廣泛稱為”填水（wate卜·ng) ”演算法之技術可以用 來找出最小整體傳輸功率之次餘及位元分配方法。這種 填水（water—filling)演算法之分配最佳化可以基於單一使 用者需求，而不需考量單—使用者對於所有使用者之資源 分配之影響。有鑑於此，對於多重使用者正交分頻多工 (OFDM)系'統而言，基於單一使用者需求所決定之次載波 及位元分配將可能會造成其他使用者之相互干擾。 對於多重使用者正交分頻多工（〇FDM)系統而言， 1258938 次载波及位元分配之難度係 工(〇_)系統，其部分理由可 次載波（舉例來說’在頻道增益方 =5攻佳 者之最佳次载波。然而，由於相同次载用 干擾可能會降低處理能力，數個使 吏目互 同-次载波。因此，多重使縣ΈL蚪採用 (〇職）複雜。有鑑於此，多 ：二頻夕工 ⑺職）_磁採輪（崎卜多工 若單獨採用的話。 法， 用者正交分頻多工（qfdm) / 兀为配凟异法係包含幾項研究。 Z為兩大類：⑴靜態次載波分配；以及 =配。兩種典型之靜態次載波分配演算法係包 ϋ 時多重存取（0職—TD叫及正交分頻h =員夕重存取_—FDMA)。在正交分頻多工分: =(OTDM-TDMA)中’各個使用者係指派單一或複 ^時槽、並可以採用指派時槽之所有次載波。在正交 ς夕工分頻多重存取（OFDM—_Α)中，各個使用者 中，曰或複數次栽波。在這些靜態次载波分配演算法 -人載波》配係預定、且不需要知道即時頻道择“ 、=:域波純轉法騎量:域纽位二-配之即 些動'4次載波分配演算法之複 向。1典狀次載波及位元分配演算法係將=== 气 1258938 非線性最佳化問題。 困難、且無法得到一 元分配問題模擬成具有整數變數之一 &個非線性最佳化問題之求解係極為 最佳解答。 【發明概述】 ，子中’本發明係提出_種方法，藉以決定各個使用者之 取適當次載波。若僅有_個使用者競爭某—次載波，則本 發明亚不需要重新指派這個:域波，藉贿決衝突次載波 之問題。若不止-個使用者辭某—次紐，财發明將 會需要遞迴搜尋次载波〜使用者之重新指派，藉以解決衝 本發明係一種次載波、位元及對應功率之資源分配方 於多重使用者正交分頻多工（0FDM)系統之即時服 二’右給定服務品質（Q()S)需求的話。在多重使用者正交 ^夕工（QFDM)系統之即時服務巾，次載波及位元分配 方法之目標顧出最健體傳輸神之最齡配方法 給定服務品質（⑽）及傳輸位元f求的話。本發明係提出 -種多重使用者正交分頻多工（0FDM)***之動態次載波 及位元刀配方/套這種方法係利用替代手段，進而善用次 載波及位元分配之即時縣增H制者填水(°water 「ftllmg )。演算法係可以獨域出各個使用者之理想次載 波’但’單-使用者填水（魏故—碰ng)演算法僅可以做 為部分步驟。在乡重制者正交錢乡工（QFDM)系統之 突次載波之問題、並得啦想服務品f (QqS)之最低傳輸 功率。 1258938 【較佳實施例之詳細說明】 雖然本發明之特徵及元件係以特定組合方式詳細說明 於各個較佳實施例巾。然而，各㈣徵及元件亦可以單獨 H (不具有較佳實施例之其他特徵及元件）或可以任意 、’且σ (具有或不具有較佳實施例之其他特徵或元件）。 在本發明說明書中，用語，，無線傳輸/接收單元 jWTRy係包括、但不限於使用者設備（UE)、行動站 口、固疋或行動用戶單元、傳呼器、或能夠操作於益線琴 境^其他類魏置。舉例來說，無線環境係包括、但不限 於:線區域網路（WLAN)及公舰表行動鹏。用語”基 地台（bs) ’’係包括、但不限於B節點、位置控制器、存ς 點（ΑΡ)、或無線環境之其他界面裝置。 、+本發明之彡統及^'法储丨-歡載波及位元分配方 法’藉以利用次载波及位元分配之即義道增益。在不止 競爭某_次载波之情況下，這個次载波係指派 系適虽使用者，藉以得到最低整體傳輸功率。 、π翏考第1圖，其係表示具有根據本發明次载波及元件 ^配tf她线者正交分頻多玉_Μ) _0。通 乂種夕重使用者正交分頻多王（〇ιωΜ )系統丨Q係 傳輸板組11 (大部分會内建於基地台（Bs)、 會内建於無線傳輸/接收單it(WTRU))、及—接^匕 ▲ 一σ刀g内建於無線傳輸/接收單元（WTRU)、伸 可此會内建於基地台（Bs))。這個傳輸模組 碰映射（MM)模組13、-反向快速傅立轉換（IFFT) 1258938 挺組14、及一看守期間***模組15。這個調變映射 拉組13、這個反向快速傅立葉轉換（IFFT)模組、及這 個看守期間***模組15係輔助信號之傳輸。 這個調變映射（MM)模組13係決定次載波至使用者之 指派、及各個次載波之傳輸位元數目。基於某一次載波之 傳輸位元數目，這個調變映射（MM)模組13更可以應用對 應调變方法、並蚊這個次載波之適#傳輸位率位準。 、這個，向快速傅立葉轉換（IFFT)模組14係利用反向 决速傅立葉轉換（1附），藉以將這個調變映射（龐）模 組=之輸出複數符號轉換為時間域取樣。這個看守期間插 且15係在各個正交分頻多工（〇fdm)時間域符號之末 :***-看守期間，藉以在經由第—射頻⑽）模组及天 線16傳輸_輕交互符號干擾之程度。 ” 線17、-欠柄組12係包括··一第二射頻（RF)模組及天 寸功間移除杈組21、一快速傅立葉轉換（FFT) 二二；：解調變模組23。這個看守期間移除模酬 組22孫骑士守期間。隨後，這個快速傅立葉轉換（FFT)模 模租間域取樣轉換為調變符號。最後，這個解調變 應解調變方法，藉以恢復使用者資料。雖 以盆功Ϊ 11及這健收模組12間存在—對應關係， 疋其功旎部必然不相同。 (ofdLo^明之假設’這個多重使用者正交分頻多工 於各個使用去统10係具有N個即時使用者狀個次載波。對 使用者n而言，欲傳輸資料係具_個位元。另外， 1258938 =ί:;!之假設，各個次載波之頻寬係遠小於這個頻道 之即二=器係提供各， 、曰里，稭此，這個傳輸器係可以決定泠都、、古 <用者^派及各個:域波之謂輸位元數目、。 通常，這個多重使用者正交分 H)可以使職種調變村，如；：^工（OTDM)系統 四元相移鍵控（QPSK)、四元#巾：^移鍵控（BPSK)、

方便說明起見，這個多重使用(QAM)等等。為 里便用者正父分頻多工（OFDM)系 ==加#巾晴_)。紅⑴術 $ ’ 個制者之编 率:給定細_紅轉紅t_ (職）卿Rn、 且—fl功率為NG，則每個符號傳輸r個位元之需要功率係可 以表示為： 认)=争和〔亨ji+七） 、」 等式(1)

—若& (n)係表示指派至第k個次載波之第η個使用者之 位7L數目’且’ Gk，n係表示如個使用者與第让個次載波之基 地台（BS )間之頻道增益。為了維護需要服務品質⑼s )， 分配至第k做餘之第_使用者之傳輸功执⑷係可 以表示為： ΡΛη) f?7 Κι 等式(2) 所有次载波之所有使用者之整體傳輸功率Ptotal係可以 表示為： 10 1258938

/»)) 由於考量服務係即時服務， k，n 等式(3) 每個符號之需要傳輸位 數目係固定的（亦印：資料並不會緩衝以提供後續傳輸）。

等式(4) 欠在f重使用者正交分頻多工（OFDM)系統之即時服 鲁 矛力中_人載波及位元分配方法之目標係找出需要最低整體 傳輸功率最佳分配方法，給定需要服務品質（Q〇s)及傳輸 位元的話。 本發明係一種次載波及位元分配方法，適用於多重使 用者正交分頻多工（〇FDM)通信系統。單一使用者n之次 載波及位元分配方法4〇 (亦即：這個使用者n可以使用所有 次载波）係根據下列步驟，誠如第2圖所示之流程圖。基本 上’第2圖之單一使用者填水（water—fming)演算法係可 以獨立決定各個使用者之次載波接受或拒絕。首先，對於 各個次載波k而言，單一使用者填水（water—filling)演算 法係啟始化，其中，第k個次載波之第n個使用者之位元數 位及第k個次載波之第η個使用者之傳輸功率係設定為零。 也就是說，rk (η) =0且Pk (η) =0 (步驟42)。 這種方法40係由這筆資料之第1個位元開始，位元索引 j = l (步驟43)。對於各個次載波k而言，首先，傳輸功率 增加，若第j個位元係指派至這個次載波之傳輸，係予以計 11 1258938 算（步驟44)。接著，第k個次載波之分配傳輪功 改變決定係予以計算如下（步驟47): 〜’ ⑻二尤(心⑻十1) 一尤(巧》) Gt

Tk7n 藉以使 等式(5) /“ι)-Λ⑼ 等式(6) 隨後，這筆資料之第j個位元係指派至具有最低(n 次載波。（步驟48) 第k個次載波之第η個使用者之傳輸功率增加係 新如下（步驟49): APk(rf)=尤(4 (Θ + 1)-乂 (4(β)Kn 等式(7) 隨後，第k個次載波之第η個使用者之位元數目係予上、 更新如下（步驟51) : ^ ^ , rk(n)-rk(n)+l 等式⑻ 並且，這筆資料之位元索引係予以遞增如下（步驟力）·浄1 等式(9) ·⑷nr定鋒資料之最後—個位元是否分配（步驟 54可以t 疋否产如。在單—使用者之例子中，步赞^^rr^rtMwater'fi^ 覆每 '、一而，為了 /刀配所有位元，步驟44至54係* 心得到具有最低傳輪功率（基於功率計 之 魯 12 1258938 使用者之最佳分配方法。 請苓考第3圖，其係表示根據本發明之一種多重使用 正交分頻多工（0FDM)系統之資源分配方法6〇。如先吁 述’第2圖之單一使用者填水（water—fming)演算法4= 可以獨立決定各個使用者之理想次载波（步驟62)。、言= 步驟係可以分配次載波及位元，誠如所有次載波均 = =同！用者專門使用一般。利用這種方法，對於各個使 用者而言，各個次載波之理想次載波表列及分配位 二可以得到1在各個次載波上’各個使用者之傳輪功率係 二:以# ’誠如這個次紐僅能夠提供這個使用者使 接者’蚊是骑在任何衝突:域波（步驟 =有任何衝料毅，貞_if齡配料 ，’因為這個多重使用者正交分頻多工 么 之取佳分配方法已經找到。麸 /予，死 ::用=理想次載波表列:、、則這個= 使用者。 驗在早—指定_魏純派給一個 體胁想:欠紐㈣，騎_突:域波k之整 體傳輸功率Pk係定義為各個 ^ 之傳輪功率總和：_讀用者於這個衝突次載波k 13 1258938

Pk=tw ^ 等式(10) 在這個較佳實施例中，衝突次載波係予以排列，藉以 降低這個次載波之整體傳輸功率。排列這些衝突次載波之 其他選擇係包括：

a.根據次載波之頻道增益統計減少排列。衝突次載波之頻道 增益統計可以包括下列各種度量： i.使用者叫、n2、…、nM於這個衝突次載波之頻道增益總和： total 等式(11) ii.使用者、n2 nM於這個衝突次載波之頻道增益平均： Μ

Gk Μ 等式(12) iii.使用者η!、η2、·· Gt_beSi nM於這個衝突次載波之最佳頻道增益

[ mm )等式(13) b.根據次載波之整體位元數目減少排列 total J=^ 等式（14) 有鑑於此，這些衝突次載波係可以根據一預定參數排 列，諸如：整體傳輸功率、頻道增益統計、整體位元數目、 或雜訊，雖然其他參數亦可以採用。 14 1258938 在根據特定方式重新排列這些衝突次載波（步驟7i) 以後，第一衝突次载波係予以選擇（步驟72)。顯然地， 這個次載波係仲裁至某一使用者（舉例來說，使用者圮）。 在整個次載波及位元分配程序期間，各個使用者係維護一 拒絕次載波表列。某-使用者之拒絕次載波表列係包^未 仲裁，在先前步驟中，至這個使用者之衝突次載波。對於 理想次載絲列具有這個:域波之各個使用者㈣言，目前 分配於這個次載波之位元係利用第2圖之單一使用者填水 (wate卜fillmg)演算法4G，重新指派至其他次載波，誠如 這個衝突次載波係仲裁至這個使用者nj一般（步驟73)。 步驟力之重新指派步驟係可以得到向量解答 “（Ί，其係所有其他使用者在次載波1仲裁至使用 者叫時之最佳重新分配方法。在步驟乃中，這種單一使用 者填水（water — filling)、、當管、+ ^ _g)々弄法4〇係計算重新指派位元之 需要傳輸功率、並將其表示為UhU))，其係大 Γ=:前分配於這個衝突次載波1之位元傳輸功 率。使用者1111目前分配於這個衝突次載波1之位元傳輸功 率係表示為Pl(nh)。隨後 獨力 吏用者nh之位7〇重新指派之 傳輸功率增加係可以表示為： 之 nh Preassign 當這個衝突:域;:麵仲裁 (15) &個使用者η」時，整體功率增加 15 1258938 △ Ptotal ( Ilj )係可以表不為： Μ ^total ( nj ) = Σ ^nh h-\7h^ j 專式（16)

這個触可以奴域㈣^餘仲裁至使用者r =驟75)所生之整賴輪麵增加。在理想次載波表歹I 二有攻個贼钱波之各個使用者均魏實師驟73及7 後’步驟75計算之傳輸功率增加係予以比較嘴後，㈣ ^突次载波係仲裁至具有最小整體傳輸功率增加之^

應該注意的是，當步驟76重新分配次載波、且第2圖岸 -使用者填水（water-flllmg)演算法4()重新分配其餘衝突 次載波（步驟76)時，新的衝突次載波亦可能會產生。^ 些新的衝突:欠紐，若存在的話，係可啸據選擇來數水 =突次載波表列（步驟78)，諸如：衝突次载波之整靡 傳輸功率波少。暖，各個㈣者之減次紐表列係子 以更新（步驟78)。接著，這種資源分配方法6〇係回到步 驟63，藉贿決其他触次紐，若存在的話。這種遞迴 步驟會持續實施，直到衝突次載波表列淨空為止。 &另外，這種資源分配方法60係可以基於重大使用者狀 怨改變、信號狀態改變、預定時間間隔之頻道條件改鐵（舉 例來說’㈣訊框或每隔數個訊框）、或其他簡便參照改 變予以啟動。 / 16 1258938 【圖式簡單說明】 第1圖係表示一種具有次載波及位元分配之多重使用者正 交分頻多工（OFDM)系統之方塊圖。 第2圖係表示根據本發明第一特徵之一種單一使用者正交 分頻多工（OFDM)系統之次載波及位元分配流程圖。 第3圖係表示根據本發明另一特徵之一種多重使用者正交 分頻多工（OFDM)系統之次載波及位元分配流程圖。 【元件符號說明】 11傳輸模組 13調變映射模組 15看守期間***模組 17天線 22快速傅立葉轉換模組 12接收模組 14反向快速傅立葉轉換模組 16天線 21看守期間移除模組 23解調變模組

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Claims (1)

1258938 十、申請專利範圍： ^種於多重使用者正交分 指派方法，該方法係包括下列步驟 ★次 ^各使时之-却:域波表列； 驟 (=別衝突次載波，若無衝突次載波，則直接桃至步 預疋順序之-特定條件辟料衝突次載波、 (C)基於以 並選擇第一衝突次載波； =)仲裁聽:域波至產生最 使用者； 得輸功率增加之 (E) 重新指派在理想次载波表列中具 用者至其触概、並_步驟（B) ; ^紐之其他使 (F) 接收各使用者之理想次载波決定。 及 2·如申請專利範圍第1項所述之方 一埴太nr 、〜其中步驟（A)係利用 填水（water—filling)演算法實施。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，复 fillmg}演算法係使傳輸功率最小化，、μ填水（w咖一 4. 如申請專利範圍第丨項所述之方法，苴 -填水（water-filling)演算法實施。驟（E)係利用 5·如申請專利範圍第1項所述之方法， 下列步驟： ^其中步驟⑹係包括 根據該等次載波之預測傳輪功率來排列^ 6·如申請專利範圍第1項所述之方法，:：、—欠載波。 下列步驟： "中步驟（C)係包括 18 1258938 根據該等次載波之減少的整體傳輸功率來排列該等次載 波。 7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟（C)係包括 下列步驟： 根據減少頻道增益統計來排列該等次載波。 8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟（C)係包括 下列步驟： 根據減少的位元數目來排列該等次載波。 ® 9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括下列步驟： 利用於一正交分頻多工一分時雙工（OFDM — TDD)通信系 統之指派時槽。 10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括下列步驟： 利用於一正交分頻多工一分頻雙工（OFDM —FDD)通信系 統之指派頻率。 11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟(E)更包括 下列步驟： 鲁 維護一拒絕次載波表列、並避免隨後指派使用者至該等拒 絕次載波。 12. —種用以指派於一多重使用者正交分頻多工（OFDM) 載波指派中傳輸的次載波之方法，該方法係包括下列步驟： 決定各使用者之理想次載波； 決定是否存在衝突次載波，若無衝突次載波，則直接跳至 接受步驟， 根據減少的次載波整體傳輸功率之一順序來排列該等次載 19 1258938 波 =算各選擇使时之整體錢功率增加，使 =，擇使用者，"新指派利用該衝突次載= 所有其他使用者至其他次載波； =該衝突次載波至產生最低總體傳輸功率增加之指派使 填水（water-fming)演算法重新指派其他使用者至 以

:人载波及更新-誠次載波表列、並_轉列步驟； 及 接收各使用者之理想次載波決定。 13.如申請專概圍第12摘述之方法，其巾歧各使用者 =想次紐之該頻係㈣利(w齡—腿 演异法決定該等理想次載波。 ij.如申請專利範圍第12項所述之方法，更包括利用於一正 =分頻k -分時紅（QFDM—TDD)通信⑽之指派時 槽0

=申請專利範圍第12項所述之方法，更包括利用於一正 交分鮮工-分雜工（0FDMS FDD)通信⑽之指派頻 率。 16·-種無線通信裝置，用以實施—多重使用者正交分頻多 (dm)载波彳a派之次載波指派，該無線通信裝置係包 括： ’、 (A) -用以決定各使用者之—理想次載波表列的電路； (B) -用以決定衫存麵突:域波的電路，若沒有衝突次 20 1258938 載波，則接受各使用者之理想讀料定，反之， =突次載波，聰於—較條縣_料次載波； 指派電路’藉由選擇—使用者以指派至—特定触:」 I亚重新指派理想次載波表列中 =:增:及’針對各使_覆此步驟、： ===:突次•至產生於該特心

咖旨料他❹者至次f 波、亚更新一衝突次載波表列。 韋 2申㈣⑹騎紅無麵錄置， 錢用者之—理想次載波表列之該電路係利用W (water—flllmg)演算法衫轉理想次載波。 =2範_項所述之無線通信裝

w;ter-flllmg)演她 21 1258938 七、 指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 11傳輸模組 12接收模組 13調變映射模組 14反向快速傅立葉轉換模組 15看守期間***模組 21看守期間移除模組 22快速傅立葉轉換模組23解調變模組 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：