TWI384780B - A Method and System of Radio Resource Allocation - Google Patents

Description

一種無線電資源分配方法與系統

本發明係有關於無線電資源分配，特別是關於下鏈多重輸入輸出-正交分頻多工接取(Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiple Access；MIMO-OFDMA)其傳輸功率和副載波片段之無線電資源分配方法，其中該無線電資源分配方法在嚴峻的通道條件下，可大幅降低計算複雜度。

在下個世代的無線通信中，基於各種應用所衍生的龐大傳輸量需求，可支援游牧用戶所需10億位元以上資料傳輸率之無線傳輸容量及支援高度行動用戶所需百萬位元以上資料傳輸率之無線傳輸容量已變成必要的規格，其中該無線傳輸規格可藉由對行動MIMO-OFDMA通信系統之額定用戶們實施適當的無線電資源分配而達成。

正交頻率分割多重存取(OFDMA)之所以被公認為目前及未來無線通信之多重存取代表技術，乃基於其高度頻譜利用效率及優越的無線電資源分配彈性。

多重輸入輸出(MIMO)技術之所以能顯著地提升無線通信系統之實質容量，乃基於其多重天線結構。因此，MIMO-OFDMA遂漸為寬頻行動通信系統之一關鍵技術。

為了充分利用MIMO-OFDMA通信系統之容量，適當的無線電資源分配是需要的。在習知的技術中，以OFDMA為基礎之循環比對(round robin)分時多工接取(Time Division Multiple Access；TDMA)策略係一典型者，其可用以提升MIMO-OFDMA通信系統之容量。然而，若把計算複雜度列入考量，該技術在容量和計算複雜度之間的表現仍然有改進的空間。因此需要一無線電資源分配技 術，其可用更低的計算複雜度提供優越的傳輸容量。

本發明之一目的在於提供一有效且強固之方法以實現下鏈行動MIMO-OFDMA其傳輸功率和副載波片段之無線電資源分配。

本發明之另一目的在於提供一有效且強固之系統以在合理的計算量下對MIMO-OFDMA通信系統之額定用戶們實施適當的無線電資源分配。

本發明其新穎的無線電資源分配方法與系統具有一通道等化方案及一具線性複雜度之資源分配演算法，可用以大幅提升行動MIMO-OFDMA通信系統之傳輸容量。

據此，本發明提出一種無線電資源分配方法，用於多重輸入輸出-正交分頻多工接取系統之下鏈傳輸中，依一通道矩陣、一預定的用戶容量條件及複數個用戶之初始傳輸功率，以決定給該等用戶的傳輸功率及副載波片段，該方法包含對該通道矩陣施行一矩陣運算以產生一對角矩陣；執行一第一副載波片段分配運算以產生給該等用戶之第一副載波片段，該第一副載波片段分配運算包含在該等用戶之初始傳輸功率及該預定用戶容量條件限制下之一總和容量函數之最大化計算；依該等第一副載波片段，執行一傳輸功率分配運算以產生給該等用戶之中間傳輸功率；以及執行一第二副載波片段分配運算以產生給該等用戶之第二副載波片段，該第二副載波片段分配運算包含該等用戶之中間傳輸功率及該預定的用戶容量條件限制下之該總和容量函數之最大化計算，其中該總和容量函數與該對角矩陣、該等用戶之傳輸功率及該等用戶之副載波片段有關。

本發明所提關於傳輸功率及副載波片段之無線電資源分配方法，可在已知用戶通道矩陣之下鏈行動MIMO-OFDMA系統中，依一演算法及由該用戶通道矩陣產生之一對角矩陣，決定給各用戶的 傳輸功率及副載波片段，以使該行動MIMO-OFDMA之總和容量最大化，其中該演算法包含一改良之填水(modified water-filling)最佳功率分配方案及一有限制條件之線性規劃，該線性規劃係用以使一總和容量函數最大化，其中該總和容量函數代表分配給各用戶之容量的總和且其與各用戶的副載波片段、傳輸功率及該對角矩陣之對角項有關，該方法包含以下步驟：對該通道矩陣施行一矩陣運算以產生一對角矩陣；依一預定的傳輸功率分配決定各用戶的傳輸功率；依該預定的傳輸功率分配及可使該總和容量函數最大化之該有限制條件之線性規劃決定一第一副載波片段分配；依該第一副載波片段分配及該改良之填水最佳功率分配方案決定一傳輸功率分配；以及依該傳輸功率分配及可使該總和容量函數最大化之該有限制條件之線性規劃決定一第二副載波片段分配。

根據該方法，本發明進一步提供一種無線電資源分配之系統，用於多重輸入輸出-正交分頻多工接取系統下鏈傳輸中，依一通道矩陣、一預定的用戶容量條件及複數個用戶之初始傳輸功率，以決定給該等用戶的傳輸功率及副載波片段，該系統包含一矩陣轉換器，用以對該通道矩陣施行一矩陣運算以產生一對角矩陣；一第一副載波片段分配單元，用以執行一第一副載波片段分配運算以產生給該等用戶之第一副載波片段，該第一副載波片段分配運算包含該等用戶之初始傳輸功率及該預定的用戶容量條件限制下之一總和容量函數之最大化計算；一傳輸功率分配單元，用以依該等第一副載波片段執行一功率分配運算以產生給該等用戶之中間傳輸功率；以及一第二副載波片段分配單元，用以執行一第二副載波片段分配運算以產生給該等用戶之第二副載波片段，該第二副載波片段分配運算包含在該等用戶之中間傳輸功率及該預定的用戶容量條件限制下之該總和容量函數之最大化計算；其中該總和容量函數與該對角矩陣、該等用戶之傳輸功率及 該等用戶之副載波片段有關。

本發明所提關於傳輸功率及副載波片段之無線電資源分配之系統，可在已知用戶通道矩陣之下鏈行動MIMO-OFDMA系統中，依一演算法及由該用戶通道矩陣產生之一對角矩陣，決定給各用戶的傳輸功率及副載波片段，以使該行動MIMO-OFDMA之總和容量最大化，其中該演算法包含一改良之填水(modified water-filling)最佳功率分配方案及一有限制條件之線性規劃，該線性規劃係用以使一總和容量函數最大化，其中該總和容量函數代表分配給各用戶之容量的總和且其與各用戶的副載波片段、傳輸功率及該對角矩陣之對角項有關，該系統包含：一矩陣轉換器，用以對該通道矩陣施行一矩陣運算以產生一對角矩陣；一第一副載波片段分配單元，用以依一預定的傳輸功率分配及可使該總和容量函數最大化之有限制條件之線性規劃決定一第一副載波片段分配；一傳輸功率分配單元，用以依該第一副載波片段分配及該改良之填水最佳功率分配方案決定一傳輸功率分配；以及一第二副載波片段分配單元，用以依該傳輸功率分配及可使該總和容量函數最大化之該有限制條件之線性規劃決定一第二副載波片段分配。

為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。

在整個說明書中，本案假定天線的數目為N、用戶數目為U、OFDMA框架之符號數目為T及各符號之副載波數目為K。

在描述本案之方法前，系統的信號模型先在此說明。在本發明中，時域傳輸信號向量可表為x =ψ ^H X ，用戶u之接收信號向量可表為r _u =D _u ψ ^H X +W _u ，而解調信號向量可表為Y _u =ψD _u ψ ^H X +ψw _u =Ω _u X +W _u ，Ω _u =ψD _u ψ ^H ，其中D _u 為通道矩陣，ψ ^H 代表MIMO-OFDMA傳輸方案，Ω _u 為等效通道矩陣，且ψ ,D _u ,ψ ^H 均為已知。

根據Ω _u ，本案可於其上施行某些矩陣運算以求取訊噪比之資訊，供後續之無線電資源分配運算利用。

請參照圖1，其繪示本發明一較佳實施例之方法流程圖。如圖1所示，本發明用於下鏈行動MIMO-OFDMA關於傳輸功率及副載波片段之無線電資源分配方法包含：產生一對角矩陣(步驟a)；決定一總和容量函數(步驟b)；執行一第一副載波片段分配(步驟c)；執行一傳輸功率分配(步驟d)；及執行一第二副載波片段分配(步驟e)。

在步驟a中，一對角矩陣之產生係經由對該等效通道矩陣Ω _u 實施一矩陣分解運算，其較佳為但不限於QR分解運算，使得Ω _u =Q _u R _u ，其中Q _u 為一么正(unitary)矩陣，R _u 為一上三角矩陣且其對角項等於該對角矩陣之對角項。該等效通道矩陣Ω _u 可用在解調信號向量之代表式Y _u =Ω _u X +W _u 中，其中Y _u 為解調信號向量，X 為傳輸信號向量，W _u 為外加雜訊向量。

在步驟b中，一總和容量函數C _t (ω _{u ,α ,t ,k} ,P _{α ,t ,k} )乃表為，，及，其中C _t 為總和容量；C _u 為用戶u所分配到之容量，ω _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一副載波片段；SNR _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之訊噪比；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣之對角項；P _{α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之傳輸功率；B代表信號頻寬及N₀ 代表雜訊頻譜密度。

在步驟c中，一第一副載波片段分配係依一預定的傳輸功率分配及該總和容量函數之最大化而決定：，，及，其中C _t 為總和容量；C _u 為分配給用戶u之容量；ω _{u ,α ,t ,k} 代表該第一副載波片段分配中，符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一第一副載波片段；SNR _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之訊噪比；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣之對角項；P _{α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之預定的傳輸功率；B代表信號頻寬及N₀ 代表雜訊頻譜密度。

在該總和容量函數之最大化方案中，較佳為但不限於一有限制條件之線性規劃，其具有：一總功率限制，其中P _T 為總傳輸功率；一副載波片段限制，對所有的α ,t ,k ，其中ω _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α分配給用戶u之一副載波片段；以及一公平性限制C _u /C _t =r _u ，其中C _u 為分配給用戶u之容量，r _u 為設計者所規劃之一公平性參數。

在步驟d中，一傳輸功率分配之決定係依該第一副載波片段分配及一改良之填水(water-filling)最佳功率分配方案(其未具公平性限制)：，其中P _{α ,t ,k} 代表該傳輸功率分配中，符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之一中間傳輸功率；P _T 為總傳輸功率；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣之對角項；及代表和用戶對應之一所述對角矩陣之對角項，其中，係各副載波(α ,t ,k )中分到一最大 副載波片段之用戶。

在步驟e中，一第二副載波片段分配係依該傳輸功率分配及該總和容量函數之最大化而決定：，，及，其中C _t 為總和容量；C _u 為分配給用戶u之容量；ω _{u ,α ,t ,k} 代表該第二副載波片段分配中，符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一第二副載波片段；SNR _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之訊噪比；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣之對角項；P _{α ,t ,k} 代表該傳輸功率分配中，符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之一中間傳輸功率。

在該總和容量函數之最大化方案中，較佳為但不限於一有限制條件之線性規劃，其具有：一總功率限制，其中P _T 為總傳輸功率；一副載波片段限制，對所有的α ,t ,k ，其中ω _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一副載波片段；以及一公平性限制C _u /C _t =r _u ，其中C _u 為分配給用戶u之容量，r _u 為設計者所規劃之一公平性參數。

請參照圖2，其繪示本發明一較佳實施例之方塊圖。如圖2所示，本發明用於下鏈行動MIMO-OFDMA關於傳輸功率及副載波片段之無線電資源分配之系統包含：一矩陣轉換器200，其可藉由對 一通道矩陣Ω _u 施行一運算以產生一對角矩陣D _xu ；一第一副載波片段分配單元210，其可依該對角矩陣D _xu 產生一第一副載波片段分配W _{a 1} ；一傳輸功率分配單元220，其可依該對角矩陣D _xu 及該第一副載波片段分配W _{a 1} 產生一傳輸功率分配P _{a 1} ；及一第二副載波片段分配單元230，其可依該對角矩陣D _xu 及該傳輸功率分配P _{a 1} 產生一第二副載波片段分配W _{a 2} 。

在該矩陣轉換器200中，該對角矩陣D _xu 可藉由一QR分解運算產生，且天線間之干擾及載波間之干擾均可因該QR分解運算而消除。

在該第一副載波片段分配單元210中，該第一副載波片段分配W _{a 1} 係依一預定的傳輸功率分配及一總和容量函數的最大化而產生：，，及，其中C _t 為總和容量；C _u 為分配給用戶u之容量；ω _{u ,α ,t ,k} 代表該第一副載波片段分配W _{a 1} 中，符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一第一副載波片段；SNR _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之訊噪比；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣D _xu 之對角項；及P _{α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之預定的傳輸功率。

在該總和容量函數之最大化方案中，較佳為但不限於一有限制條件之線性規劃，其具有：一總功率限制，其中P _T 為總傳輸功率；一副載波片段限制，對所有的α ,t ,k ，其中ω _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一副載波片段；以及一公平性限制C _u /C _t =r _u ，其中C _u 為分配給用戶u之容量，r _u 為設計者所規劃之一公平性參數。

在該傳輸功率分配單元220中，該傳輸功率分配P _{a 1} 之決定係依該第一副載波片段分配W _{a 1} 及一改良之填水(water-filling)最佳功率分配方案(其未具公平性限制)：，其中P _{α ,t ,k} 代表該傳輸功率分配P _{a 1} 中，符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之一中間傳輸功率；P _T 為總傳輸功率；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣D _xu 之對角項；及代表和用戶對應之一所述對角矩陣D _xu 之對角項，其中，係各副載波(α ,t ,k )中分到一最大副載波片段之用戶。

在該第二副載波片段分配單元230中，該第二副載波片段分配W _{a 2} 係依該傳輸功率分配P _{a 1} 及該總和容量函數之最大化而決定：，，及，其中C _t 為總和容量；C _u 為分配給用戶u之容量；ω _{u ,α ,t ,k} 代表該第二副載波片段分配W _{a 2} 中，符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一第二副載波片段；SNR _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之訊 噪比；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣D _xu 之對角項；及P _{α ,t ,k} 代表該傳輸功率分配P _{a 1} 中，符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之一中間傳輸功率。

在該總和容量函數之最大化方案中，較佳為但不限於一有限制條件之線性規劃，其具有：一總功率限制，其中P _T 為總傳輸功率；一副載波片段限制，對所有的α ,t ,k ，其中ω _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一副載波片段；以及一公平性限制C _u /C _t =r _u ，其中C _u 為分配給用戶u之容量，r _u 為設計者所規劃之一公平性參數。

本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。

200‧‧‧矩陣轉換器

210‧‧‧第一副載波片段分配單元

220‧‧‧傳輸功率分配單元

230‧‧‧第二副載波片段分配單元

圖1為一示意圖，其繪示本發明一較佳實施例之方法流程圖。

圖2為一示意圖，其繪示本發明一較佳實施例之方塊圖。

Claims (14)

1. 一種無線電資源分配方法，用於多重輸入輸出-正交分頻多工接取系統之下鏈傳輸中，依一通道矩陣、一預定的用戶容量條件及複數個用戶之初始傳輸功率，以決定給該等用戶的傳輸功率及副載波片段，該方法包含：對該通道矩陣施行一矩陣運算以產生一對角矩陣；執行一第一副載波片段分配運算以產生給該等用戶之第一副載波片段，該第一副載波片段分配運算包含該等用戶之初始傳輸功率及該預定用戶容量條件限制下之一總和容量函數之最大化計算；依該等第一副載波片段，執行一傳輸功率分配運算以產生給該等用戶之中間傳輸功率；以及執行一第二副載波片段分配運算以產生給該等用戶之第二副載波片段，該第二副載波片段分配運算包含該等用戶之中間傳輸功率及該預定的用戶容量條件限制下之該總和容量函數之最大化計算；其中該總和容量函數與該對角矩陣、該等用戶之傳輸功率及該等用戶之副載波片段有關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該矩陣運算為QR分解運算。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該總和容量函數為，其中，，N為天線的數目、U為用戶數目、T為OFDMA 框架之符號數目，K為各符號之副載波數目，B代表信號頻寬，N₀ 代表雜訊頻譜密度，ω _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一副載波片段，r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣之對角項，及P _{α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之傳輸功率。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該傳輸功率分配運算為，其中，N為天線的數目、T為OFDMA框架之符號數目，K為各符號之副載波數目，B代表信號頻寬，N₀ 代表雜訊頻譜密度，P _{α ,t ,k} 代表該傳輸功率分配中，符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之一中間傳輸功率；P _T 為總傳輸功率；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣之對角項；及代表和用戶對應之一所述對角矩陣之對角項，其中，係各副載波(α ,t ,k )中分到一最大副載波片段之用戶。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該傳輸功率分配運算包含一總功率限制，其為該等中間傳輸功率之總和小於或等於一總功率。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一副載波片段分配運算包含一副載波限制，其為各副載波之該等第一副載波片段之總和小於1。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二副載波片段分配運算包含一副載波限制，其為各副載波之該等第二副載波 片段之總和小於1。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該預定的用戶容量條件係由一公平性限制方程式C _u /C _t =r _u 所決定，其中C _u 為分配給一用戶之一容量函數，C _t 為該總和容量函數及r _u 為與該用戶對應之一公平性參數。
9. 一種無線電資源分配之系統，用於多重輸入輸出-正交分頻多工接取系統下鏈傳輸中，依一通道矩陣、一預定的用戶容量條件及複數個用戶之初始傳輸功率，以決定給該等用戶的傳輸功率及副載波片段，該系統包含：一矩陣轉換器，用以對該通道矩陣施行一矩陣運算以產生一對角矩陣；一第一副載波片段分配單元，用以執行一第一副載波片段分配運算以產生給該等用戶之第一副載波片段，該第一副載波片段分配運算包含該等用戶之初始傳輸功率及該預定的用戶容量條件限制下之一總和容量函數之最大化計算；一傳輸功率分配單元，用以依該等第一副載波片段執行一傳輸功率分配運算以產生給該等用戶之中間傳輸功率；以及一第二副載波片段分配單元，用以執行一第二副載波片段分配運算以產生給該等用戶之第二副載波片段，該第二副載波片段分配運算包含該等用戶之中間傳輸功率及該預定的用戶容量條件限制下之該總和容量函數之最大化計算；其中該總和容量函數與該對角矩陣、該等用戶之傳輸功率及該等用戶之副載波片段有關。
10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該矩陣運算為QR分解運算。
11. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該總和容量函數為，其中，，N為天線的數目、U為用戶數目、T為OFDMA框架之符號數目，K為各符號之副載波數目，B代表信號頻寬，N₀ 代表雜訊頻譜密度，ω _{u ,α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 分配給用戶u之一副載波片段，r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣之對角項，及P _{α ,t ,k} 代表符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之傳輸功率。
12. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該傳輸功率分配單元包含一功率計算器，用以執行一功率分配方案，該功率分配方案為，其中，N為天線的數目、T為OFDMA框架之符號數目，K為各符號之副載波數目，B代表信號頻寬，N₀ 代表雜訊頻譜密度，P _{α ,t ,k} 代表該傳輸功率分配中，符號t選用之副載波k經天線α 所分配到之一中間傳輸功率；P _T 為總傳輸功率；r _{u ,α ,t ,k} 代表和用戶u對應之一所述對角矩陣之對角項；及代表和用戶對應之一所述對角矩陣之對角項，其中，係各副載波(α ,t ,k )中分到一最大副載波片段之用戶。
13. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該等中間傳輸功率之總和小於或等於一總功率。
14. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該等第一副載波片段之總和小於1，對應於所有的副載波。