本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及MIMO-OFDM(Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)中組播自適應(yīng)資源分配技術(shù)。

背景技術(shù)：

下一代網(wǎng)絡(luò)有望以不同的QoS(Quality of Service)要求提供寬帶多媒體業(yè)務(wù)如語音，網(wǎng)絡(luò)檢索，視頻會議等。無線網(wǎng)絡(luò)組播業(yè)務(wù)是一個重要的并且具有挑戰(zhàn)力的目標(biāo)——面向多媒體應(yīng)用諸如音頻/視頻剪輯，移動電視和互動游戲等。在無線多媒體通信中有兩種重要的業(yè)務(wù)，即單播業(yè)務(wù)和組播業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)的研究方向主要聚焦在單播業(yè)務(wù)上。特別地，動態(tài)資源分配已被認為是單播無線網(wǎng)絡(luò)中用以取得更好的QoS和更高的系統(tǒng)頻譜效率的最有效的方法之一?，F(xiàn)在人們的研究興趣逐漸擴展到了對組播業(yè)務(wù)的支持上來。

與單播業(yè)務(wù)相比，組播業(yè)務(wù)能夠極大地提高資源的利用率，特別是對于多媒體應(yīng)用。為了提高資源利用效率，一個組播組中在同一小區(qū)的用戶可以共享相同的無線資源。在多載波系統(tǒng)中，比如OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)，子信道的分配是以群組的方式完成的，即：分配給一個組播組的子信道上發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠被所有的組內(nèi)成員接收到，而且同時也能有效地提高資源的使用效率。對于資源受限的無線網(wǎng)絡(luò)，組播技術(shù)，作為一種能夠在傳輸相同內(nèi)容給多個接收端，并且能夠同時使使用的網(wǎng)絡(luò)資源最小化，很自然地被視作一種極具吸引力的方法。由于群組業(yè)務(wù)已使用組播傳輸方法，因此當(dāng)無線組播發(fā)送數(shù)據(jù)時將會依據(jù)情況最差的信道用戶來提供可靠的通信。由此，組播傳輸?shù)南到y(tǒng)容量由用戶數(shù)目以及其所支持的最差信道用戶兩方面來決定。

在無線通信中的兩種重要資源分別為可用的無線頻譜和可用的發(fā)射功率。這些資源的利用情況決定了所提出的資源分配方案的有效性的等級。在基于OFDMA的無線系統(tǒng)中，動態(tài)資源分配分為兩種：一種是在個人用戶速率一定的情況下最小化發(fā)射功率，另一種則是在約定功率的情況下最大化每個用戶的數(shù)據(jù)速率。

當(dāng)前的研究方向主要有以下兩個特點。之前多數(shù)算法考慮的是單播系統(tǒng)，部分算法考慮的是組播系統(tǒng)，但均應(yīng)用于SISO(Single Input Single Output)系統(tǒng)。在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，如IEEE 802.16或3GPP LTE(Third Generation Partnership Project Long Term Evolution)的組播服務(wù)方案考慮組播組內(nèi)最差用戶的業(yè)務(wù)接入，這樣會浪費資源。

此外，之前的算法大部分以系統(tǒng)吞吐量為中心，很少有考慮了用戶QoS要求。通常是基于各用戶之間有相同的QoS要求而提出的。由于下一代移動通信系統(tǒng)是面向服務(wù)的體系架構(gòu)，而面向服務(wù)的體系架構(gòu)主要就是為所服務(wù)的用戶提供確定的QoS保障，因此滿足不同用戶不同業(yè)務(wù)QoS成為未來無線通信系統(tǒng)的首要目標(biāo)。

目前基于OFDM移動通信系統(tǒng)的資源分配算法研究大部分以系統(tǒng)吞吐量為中心，較少考慮用戶業(yè)務(wù)QoS要求的相異性和多樣性，這就導(dǎo)致了存在資源分配無效和不公平的情況。在以O(shè)FDM為主流技術(shù)的移動通信系統(tǒng)中，從多樣的用戶需求看，不同的用戶，甚至同一用戶對服務(wù)的功能、性能、成本等都有不同考慮，因而QoS變得更加重要；從移動通信系統(tǒng)提供的服務(wù)看，未來的業(yè)務(wù)類型呈不斷增多的趨勢，因而QoS直接關(guān)系到移動通信系統(tǒng)的性能，以滿足移動通信系統(tǒng)中不同用戶對多業(yè)務(wù)的QoS的不同需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對多天線系統(tǒng),考慮用戶QoS的差異,給出了在MIMO-OFDM系統(tǒng)中的組播無線資源的聯(lián)合分配方案，即動態(tài)的子載波和發(fā)射功率的聯(lián)合分配方案。

本發(fā)明考慮到實際應(yīng)用中用戶間對QoS的不同要求，把用戶分為兩種，一種是需要保證服務(wù)質(zhì)量QoS的用戶，記為VIP(Very Important Person)用戶；另一種是需要盡量滿足服務(wù)質(zhì)量的用戶，記為普通用戶。此外，在VIP用戶和普通用戶之間也有可能有相同的業(yè)務(wù)需求。本發(fā)明根據(jù)兩類用戶不同的QoS要求(主要考慮誤比特率BER,Block Error Rate)，對這兩種用戶進行組播資源分配，并且針對這兩種用戶對QoS的不同要求采取了不同的資源分配優(yōu)化算法。為達到較好的性能和降低復(fù)雜度，VIP用戶采用具有比例公平性的最佳功率分配算法，保證VIP用戶間的比例公平性,達到用戶所要求的速率。而普通用戶采用次優(yōu)功率分配算法，即等功率分配算法,以降低算法復(fù)雜度。

有益效果

本發(fā)明針對多天系統(tǒng),考慮用戶QoS差異,給出了在MIMO-OFDM系統(tǒng)中的組播無線資源的聯(lián)合分配方案，即動態(tài)的子載波和發(fā)射功率的聯(lián)合分配方案。本發(fā)明在不同用戶數(shù)目的情況都得到了比較好的系統(tǒng)性能，而且性能都高于同種情況下的單播系統(tǒng)?？傮w來說，在相同的情況下，使用了多播業(yè)業(yè)務(wù)用戶的系統(tǒng)容量都要比使用單播業(yè)務(wù)用戶的系統(tǒng)容量高，而且當(dāng)VIP用戶在總用戶數(shù)所占比例越高時，系統(tǒng)容量相對較小。這是因為沒有VIP用戶存在時，系統(tǒng)的資源分配是在公平的情況下進行的，用戶之間沒有身份差異，彼此地位相等。

附圖說明

圖1是單小區(qū)中的組播業(yè)務(wù)圖；

圖2是組播系統(tǒng)模型圖；

圖3是本發(fā)明的算法實施流程圖；

圖4是當(dāng)所有用戶中存在有4個VIP用戶時的仿真結(jié)果；

圖5是當(dāng)所有用戶中存在有K-4個VIP用戶時的仿真結(jié)果；

具體實施方式

本發(fā)明實施案例結(jié)合附圖做詳細說明。

考慮到用戶間QoS要求，把用戶分為兩種，一種是需要保證服務(wù)質(zhì)量的用戶，即VIP用戶；另一種是需要盡量滿足服務(wù)質(zhì)量的用戶，即普通用戶。在VIP用戶和普通用戶之間也有可能有相同的業(yè)務(wù)需求，即圖1中第一類業(yè)務(wù)中存在VIP用戶，也存在普通用戶的原因。本發(fā)明根據(jù)兩類用戶不同的QoS要求(即誤比特率BER)對這兩種用戶在進行資源分配時采用不同的優(yōu)化算法。

系統(tǒng)模型圖如圖2所示。資源分配信息發(fā)送給MIMO-OFDM發(fā)射裝置，然后發(fā)射裝置將不同用戶應(yīng)該分配到的比特數(shù)形成OFDMA符號并且通過多個發(fā)射天線發(fā)射出去。我們假設(shè)基站(BS，Base Station)端已知所有用戶以及所有信道的信息，并且信道信息一旦改變，基站端也能馬上收到信道的改變信息從而迅速更新資源分配方案，然后將子載波和比特分配信息發(fā)送給每個用戶用以檢測。

在整個資源分配的過程中，我們有如下的假設(shè)：發(fā)射信號經(jīng)歷了慢時變衰落信道，因此在子載波分配和功率搜索階段，信道系數(shù)可以視為常數(shù)。

下文中各字母代表的含義如下：

T：發(fā)射天線數(shù)量

R：接收天線數(shù)量

P：用戶數(shù)

M：VIP用戶數(shù)

N：子載波數(shù)

Q：基站總發(fā)射能量

假設(shè)系統(tǒng)使用QAM調(diào)制和理想相位檢測，則第k個用戶在第n個子載波上信號的誤比特率上限在滿足b_k,n≥2和0≤γ_k,n≤30dB時為：

式中，b_k,n為每個OFDM符號的比特數(shù)。其中，τ＝-ln(5BER)/1.5是BER的函數(shù)，當(dāng)BER<0.2exp(-1.5)≈0.0446時，τ大于1。

子載波n上的速率為：

約束條件為：

q_k,n,q_j,n≥0(對于所有的k,j,n)

ρ_k,n,ρ_l,n＝{0,1}(對于所有的k,j,n)

R₁:R₂:…:R_M＝γ₁:γ₂:…:γ_M

其中，Q是總可用功率，q_k,n是子載波n上用戶分配到的功率，ρ_k,n和ρ_l,n只可取值1或0，表示子載波n是否被用戶k、l使用，M_k,n、M_j,n分別是H_k,n、H_j,n的秩，H為子載波n上用戶k的MIMO信道增益矩陣(R×T)，是的特征值，k_n、l_n為子載波n上分配的用戶，N₀是一個子載波每個頻帶的噪聲功率。τ_i＝-ln(5BER_i)/1.5,i＝1,2，BER₁和BER₂分別為VIP用戶和普通用戶的誤比特率上限。目標(biāo)函數(shù)就是要最大化R(n)。

子載波、功率分配算法步驟如下：

S200考慮到用戶間QoS要求，把用戶分為VIP用戶和普通用戶。

S210,對于第n個子載波，當(dāng)用戶k有最小的特征值產(chǎn)出時，根據(jù)公式(3)計算當(dāng)前總的數(shù)據(jù)速率：

S220,對第n個子載波，選擇能使最大的用戶k_n，如此，則有：

S230,在子載波分配中，開始時假定分配給每個子載波的功率為相等的，因此這還不是最優(yōu)的分配，下面進行功率分配算法。

1)保證QoS的功率分配算法

為達到較好的性能和降低復(fù)雜度，VIP用戶采用具有比例公平性的最佳功率分配算法，保證VIP用戶間的比例公平性,達到用戶所要求的速率。而普通用戶采用次優(yōu)功率分配算法，即等功率分配算法,以降低算法復(fù)雜度。

式(3)的優(yōu)化問題，可采用拉格朗日乘子法求解，把條件極值問題轉(zhuǎn)化為非條件極值問題。引入拉格朗日乘子λ_k(k＝1,2,…,M)，可得代價函數(shù)：

式(5)對q_k,n|_{k＝1,2,…,M}求導(dǎo)并令結(jié)果等于0，整理，有：

其中，

即：

則：

其中：Q_k,tot為第k個用戶的總功率；N_k為第k個用戶的子載波總數(shù)。

由(9)可得：

其中：

由(8)(10)可得：

其中：

在高信噪比條件下，有：

其中：

求得c_k,d_k后,可通過迭代法或?qū)じㄇ蟮肞_1,tot,那么用戶間的功率分配為

求得Q_k,tot，根據(jù)式(8)可求得用戶在各個子載波上分配的功率。

2)復(fù)雜度低的等功率分配算法

普通用戶的功率分配采用復(fù)雜度低的等功率分配算法。

由前面可知，分配給VIP用戶的總功率為則分配給普通用戶的功率為Q_normal＝Q-Q_VIP，普通用戶每個子載波上可得到的平均功率為：

則普通用戶得到的容量為：

從圖4中我們可以看出，在用戶中存在4個VIP用戶的情況下，當(dāng)用戶數(shù)為4時，即所有用戶都為VIP用戶、沒有普通用戶時，此時系統(tǒng)可以得到很高的信道容量，并且當(dāng)用戶數(shù)超過4個后，我們可以得到的容量開始下降，但并不是一直下降，當(dāng)下降到一定程度后(圖中為6個用戶時)，我們可以得到的容量又開始上升，并且不再下降，反而呈現(xiàn)上升的趨勢。這是因為當(dāng)用戶數(shù)為4的時候，所有用戶都為VIP用戶，彼此之間地位相等，沒有任何的不同。當(dāng)對他們進行資源分配時，系統(tǒng)給他們的待遇是無差別的，此時的資源分配就相當(dāng)于純粹的組播或者單播資源的分配，而當(dāng)用戶數(shù)稍微增加時，用戶之間的平衡性被破壞，用戶之間地位有了差別，系統(tǒng)會優(yōu)先給等級高的用戶——即VIP用戶進行資源分配，然后再給普通的用戶進行資源分配，因此這樣會導(dǎo)致我們可得到的系統(tǒng)容量下降，這就是一開始容量下降的原因。然后隨著用戶數(shù)目的增多，由于此時系統(tǒng)的用戶中僅存在4個VIP用戶，所以VIP用戶的比例不斷減小，而由于其所占用的資源比普通用戶多，那么資源分配越越來越多地偏向普通用戶，所以此時系統(tǒng)容量開始增加。

圖5所示的是當(dāng)系統(tǒng)用戶中有K-4個用戶為VIP用戶時的系統(tǒng)仿真結(jié)果。從圖中我們可以清楚地看到，隨著用戶數(shù)目的增加，系統(tǒng)的容量越來越小。這是因為當(dāng)用戶數(shù)目增加時，對QoS有保證要求的VIP用戶所占的比例也越來越大，系統(tǒng)進行資源分配時分配給VIP用戶的資源也越來越多，由于單個VIP用戶所占用的系統(tǒng)資源比單個普通用戶占用的系統(tǒng)資源多，因此系統(tǒng)容量越來越小。