本發(fā)明涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及正交頻分復(fù)用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)分層傳輸系統(tǒng)

背景技術(shù)：

近些年來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展，為人類通訊提供了越來(lái)越高的速率。由于3G系統(tǒng)的核心網(wǎng)還沒(méi)有完全脫離第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所以普遍認(rèn)為3G系統(tǒng)僅僅是從窄帶向未來(lái)寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的過(guò)渡。因此，人們把目光越來(lái)越多的投向3G以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前LTE移動(dòng)通信中系統(tǒng)的速度可以達(dá)到l00Mbps。未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)將提供更大的頻寬，把無(wú)線通信和互聯(lián)網(wǎng)、多媒體通信相結(jié)合，把移動(dòng)通信業(yè)務(wù)從話音擴(kuò)展到數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)。無(wú)線通信與互聯(lián)網(wǎng)、多媒體通信相結(jié)合必定是大勢(shì)所趨。

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突破以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，人們希望無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠承載多樣化的寬帶多媒體業(yè)務(wù)。OFDM技術(shù)由于其特有的抗頻率選擇性衰落、抗符號(hào)間干擾的能力，能夠有效提高系統(tǒng)的頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)高速率傳輸，已成為下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一?？紤]到組播業(yè)務(wù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的重要性，在下一代基于OFDM技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中,如何通過(guò)有效的無(wú)線資源管理，同時(shí)為不同需求的用戶提供QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)的支持,是一個(gè)迫切需要研究的問(wèn)題。本資源分配算法針對(duì)不同用戶對(duì)QoS的要求，實(shí)現(xiàn)了一種OFDM系統(tǒng)中的組播聯(lián)合資源分配方案。

目前LTE系統(tǒng)已商用，人們對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠才c日俱增，而目前的無(wú)線資源是無(wú)法完全滿足所有用戶要求的。因此，根據(jù)用戶所處的信道情況結(jié)合其QoS需求，將傳輸數(shù)據(jù)分層將有效的提高用戶體驗(yàn)。在分層組播中， 發(fā)送者將數(shù)據(jù)源用分層編碼的方式編碼成多個(gè)數(shù)據(jù)流，分為基本層和增強(qiáng)層，將不同層的數(shù)據(jù)流放在多個(gè)組播組中傳輸。接收者根據(jù)自己的接收能力選擇接收從基本層到增強(qiáng)層的不同層數(shù)的數(shù)據(jù)，就能接收到不同速率的數(shù)據(jù)流。

針對(duì)基本層與增強(qiáng)層傳輸?shù)牟煌琎oS要求，將資源分配問(wèn)題建模為在保證基本層傳輸所要求的最小速率的條件下，最大化增強(qiáng)層和速率的分配問(wèn)題。本發(fā)明使用的低復(fù)雜度算法，其基本思想是首先通過(guò)最少的子載波分配滿足基本層的最小速率要求，進(jìn)而將剩余未分配的子載波賦予信道增益較強(qiáng)(即增強(qiáng)層)的用戶(也可能是多個(gè)用戶)，最后調(diào)整功率以提高增強(qiáng)層的和速率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

考慮到實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜度要求，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種基于貪婪方法的低復(fù)雜度資源分配算法(下稱類貪婪算法)，該算法采用與傳統(tǒng)兩步法相同的分配次序，首先通過(guò)子載波分配滿足基本層組播業(yè)務(wù)的最小速率要求，進(jìn)而在所有子載波之間調(diào)整多余功率分給增強(qiáng)層業(yè)務(wù)，以提高增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)的和速率，從而有效降低了算法復(fù)雜度。

貪婪算法的原理是每次都試圖找到離目標(biāo)盡可能近的最好選擇，然后解決選擇做出后所帶來(lái)的子問(wèn)題，這個(gè)選擇依賴于目前的選擇，而不是將來(lái)的選擇或子問(wèn)題的解決，其實(shí)是局部最優(yōu)的選擇，希望這個(gè)選擇可以導(dǎo)向全局最優(yōu)的解，如果算法結(jié)束時(shí)，局部最優(yōu)解恰好等于全局最優(yōu)解，該方法最優(yōu)，否則，得到次優(yōu)解。在進(jìn)行最優(yōu)搜索時(shí)，貪婪算法更傾向于順著一條選擇的路徑搜索下去，直到實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，當(dāng)該選擇路徑無(wú)法到達(dá)優(yōu)化目標(biāo)時(shí)會(huì)退回；也可能會(huì)順著一條無(wú)限路徑搜索下去，而不會(huì)退回嘗試其它路徑，因此，該算法不能保證每次都得到最優(yōu)解，也不是完備的。

如果有一個(gè)好的啟發(fā)函數(shù)，該算法的復(fù)雜度有明顯降低，下降的幅度取決于具體的問(wèn)題和啟發(fā)函數(shù)的質(zhì)量。

算法首先基本層組播業(yè)務(wù)分配子載波，將分配過(guò)程分為多步，每一步分配一個(gè)子載波。為了以盡可能少的子載波滿足基本層的最小速率要求，每一步的子載波分配準(zhǔn)則為：選擇能夠?qū)⒒緦咏M播速率提高得最多的子載波，直到基本層組播業(yè)務(wù)獲得足夠多的子載波，能夠滿足其最小速率要求。在確定了基本層的子載波分配后，為了提高優(yōu)化目標(biāo)增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)的和速率，系統(tǒng)中的剩余子載波分配給信道最好的用戶。

有益效果

針對(duì)當(dāng)前主要研究OFDM組播資源分配并且未采用數(shù)據(jù)分層實(shí)現(xiàn)不同用戶QoS要求的情況，本發(fā)明研究了在OFDM組播無(wú)線資源分層傳輸?shù)穆?lián)合分配方案，即動(dòng)態(tài)的子載波和發(fā)射功率的聯(lián)合分配方案。最后根據(jù)實(shí)現(xiàn)的算法，進(jìn)行了仿真，在基本層和增強(qiáng)層都得到了比較好的系統(tǒng)性能。

本發(fā)明考慮到實(shí)際應(yīng)用中組播用戶間對(duì)QoS的不同要求，采用分層組播，將數(shù)據(jù)源分為基本層和增強(qiáng)層，針對(duì)基本層與增強(qiáng)層傳輸?shù)牟煌琎oS要求，將資源分配問(wèn)題建模為在保證基本層傳輸所要求的最小速率的條件下，最大化增強(qiáng)層和速率的分配問(wèn)題。由于不同層采用不同的資源分配算法，首要滿足系統(tǒng)的最小速率要求，并盡可能的多分配子載波給增強(qiáng)層業(yè)務(wù)，使其和速率最大。

附圖說(shuō)明

圖1是分層組播傳輸場(chǎng)景圖；

圖2是本發(fā)明的算法實(shí)施流程圖；

圖3是基本層最小速率與最小速率要求R₀關(guān)系曲線；

圖4是增強(qiáng)層和速率與最小速率要求R₀關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施案例結(jié)合附圖做詳細(xì)說(shuō)明。

考慮到實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜度要求，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種基于貪婪方法的低復(fù)雜度資源分配算法(下稱類貪婪算法)，該算法采用與傳統(tǒng)兩步法相同的分 配次序，首先通過(guò)子載波分配滿足基本層組播業(yè)務(wù)的最小速率要求，進(jìn)而在所有子載波之間調(diào)整多余功率分給增強(qiáng)層業(yè)務(wù)，以提高增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)的和速率，在分配過(guò)程中采用了基于貪婪方法的分配方式，從而有效降低了算法復(fù)雜度。

附圖1是實(shí)例應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)和場(chǎng)景，本發(fā)明所研究的OFDM系統(tǒng)由一個(gè)基站和K個(gè)用戶終端組成，系統(tǒng)的子載波總數(shù)為N。基站與用戶之間的下行鏈路是慢衰落頻率選擇性信道。假設(shè)基站通過(guò)用戶反饋，可以獲得用戶k在子載波n上信道增益H_k,n，則用戶k在子載波n上的信道容量為

其中，為子載波n上的噪聲功率，p_n是在子載波n上分配的功率。

為了確保系統(tǒng)中的所有用戶都能夠可靠接收組播數(shù)據(jù)，基站按所有用戶能夠可靠接收組播業(yè)務(wù)速率中的最小值發(fā)送組播數(shù)據(jù)，即組播速率為

在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證QoS，組播業(yè)務(wù)具有一定的最小速率要求，即:

R^(m)≥R₀ (3)

其中R₀為組播業(yè)務(wù)所要求的速率下限。

對(duì)于系統(tǒng)中的增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)，增強(qiáng)層用戶k在分配到的子載波上的速率為

其中為增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)的子載波分配系數(shù)，表示將子載波n分配給用戶k傳輸組播業(yè)務(wù)使用，反之則

綜上所述，在同時(shí)考慮基本層和增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)時(shí)，本文所研究的OFDM系統(tǒng)資源分配的優(yōu)化目標(biāo)是在滿足總功率約束以及基本層組播業(yè)務(wù)最小速率要求的條件下，使所有增強(qiáng)層用戶組播業(yè)務(wù)的和速率最大，即目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件：

其中，式(6)為組播業(yè)務(wù)的最小速率要求，式(7)為系統(tǒng)的功率約束，P_T為總功率；式(8)為子載波分配的約束條件，即任意子載波只能用于傳輸基本層組播業(yè)務(wù)或傳輸增強(qiáng)層的組播業(yè)務(wù)。

圖2是本發(fā)明的算法實(shí)施流程圖。算法首先基本層組播業(yè)務(wù)分配子載波，將分配過(guò)程分為多步，每一步分配一個(gè)子載波。為了以盡可能少的子載波滿足基本層的最小速率要求，每一步的子載波分配準(zhǔn)則為：選擇能夠?qū)⒒緦咏M播速率提高得最多的子載波，直到基本層組播業(yè)務(wù)獲得足夠多的子載波，能夠滿足其最小速率要求。在確定了基本層的子載波分配后，為了提高優(yōu)化目標(biāo)增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)的和速率，系統(tǒng)中的剩余子載波分配給信道最好的用戶。

子載波分配算法的具體步驟如下。

S200，置所有子載波分配系數(shù)ρ_n＝0。

S210，遍歷所有滿足ρ_n＝0的待分配子載波，對(duì)于其中任意子載波n，計(jì)算若將該子載波分配給基本層，所能獲得的組播速率為

從所有待分配子載波n中，選擇對(duì)應(yīng)的組播速率R_n，最大的子載波

n^*＝arg_nmaxR_n,n∈{ρ_n＝0}, (10)

將n^*分配給組播業(yè)務(wù)，置

S220，若R_n≤R₀，返回步驟2，繼續(xù)選擇分配給基本層的子載波；反之，執(zhí)行S230。

S230，將所有滿足ρ_n＝0的子載波分配給增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)，子載波n分配給在該子載波上信道條件最好的一個(gè)用戶或多個(gè)用戶。將各用戶的速率降序排列為c_1,n,c_2，n...,c_k,n，如果分配給最好的用戶，則k＝1,R_n＝c_1,n。如果分配給最好的兩個(gè)用戶，則k＝1,2，R_n＝2*c_2,n，以此類推。

{k^*}＝arg_{k}maxR_n,n∈{ρ_n＝0}, (11)

置算法結(jié)束。

在確定了子載波分配的基礎(chǔ)上，通過(guò)在子載波之間調(diào)整功率，可以在滿足基本層最小速率要求的同時(shí)，進(jìn)一步提高增強(qiáng)層的和速率。功率的調(diào)整分為兩步，首先在保證基本層組播業(yè)務(wù)基本速率的前提下，降低分配給基本層組播業(yè)務(wù)的子載波上的功率；然后將這部分功率分配給增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)，根據(jù)注水原理重新調(diào)整分配給增強(qiáng)層子載波上的功率分配。在調(diào)整分配給基本層組播業(yè)務(wù)的子載波上的功率時(shí)，考慮每一次調(diào)整的功率為一微小量

其中，N為子載波數(shù)，M為任意正整數(shù)，決定了功率調(diào)整量的顆粒度大小，為分配給組播業(yè)務(wù)的子載波上的總功率，其初始值為

S240，減小基本層組播業(yè)務(wù)的功率，在所有分配給基本層的子載波中，選擇減小功率后相應(yīng)組播速率最大的方案，即選擇子載波

n^*＝arg_nmaxR_n,n∈{ρ_n＝1}, (14)

在該子載波上減少功率Δp：

重復(fù)該步驟，在分配給基本層的子載波集合中減少功率，使基本層組播速率在滿足R_n>R₀的同時(shí)，不斷減小直到接近(或等于)最小速率要求。與原有的等功率分配相比，調(diào)整基本層組播業(yè)務(wù)的功率分配后節(jié)省下的功率為

將該部分功率分配給增強(qiáng)層組播業(yè)務(wù)，考慮到子載波初始等功率分配，則增強(qiáng)層部分的總功率為

對(duì)于增強(qiáng)層的用戶采用追求最大和速率最佳功率分配算法，同時(shí)兼顧增強(qiáng)層用戶間的比例公平性。

圖3比較了當(dāng)組播業(yè)務(wù)的最小速率要求R₀逐漸增加時(shí)，相應(yīng)歸一化基本層組播速率的變化。為了便于判斷對(duì)約束條件的滿足程度，仿真結(jié)果中給出的基本層速率根據(jù)所要求的最小速率做了歸一化，是基本層速率與最小速率R₀的比值。圖3中，信噪比SNR＝5dB，總用戶數(shù)K＝16，最小速率要求從50kbps增加到170kbps。對(duì)于固定比例分配算法來(lái)說(shuō)，由于資源分配的比例是預(yù)先給定的，組播最小速率要求的變化對(duì)組播速率不會(huì)產(chǎn)生任何影響，其組播速率是不變的，因此圖3中歸一化組播速率隨著最小速率要求的增加而單調(diào)下降。對(duì)于類貪婪算法，當(dāng)最小速率要求較小時(shí)，算法能夠通過(guò)子載波分配和功率分配滿足要求，使圖3中歸一化組播速率保持在1附近；而當(dāng)最小速率增加到系統(tǒng)資源不足以滿足該要求(圖3的x軸上：最小速率要求>120kbps)時(shí)，算法無(wú)法為基本層分配滿足其要求的資源，使得歸一化組播速率降至1以下。

圖4比較了當(dāng)中組播業(yè)務(wù)的最小速率要求R₀逐漸增加時(shí)，相應(yīng)增強(qiáng)層組播和速率的變化。其中，對(duì)于固定比例分配算法來(lái)說(shuō)，由于資源分配的比例是預(yù)先給定的，組播最小速率要求的變化對(duì)組播速率不會(huì)產(chǎn)生任何影響，因此其增強(qiáng)層的和速率是固定不變的。綜上所述，類貪婪算法在保證基本層業(yè) 務(wù)的基礎(chǔ)上，盡可能多的分配子載波資源給增強(qiáng)層業(yè)務(wù)，為求其和容量的最大化；在基本層業(yè)務(wù)最小速率需求都不能滿足的情況下，就會(huì)放棄增強(qiáng)層的業(yè)務(wù)。而固定比例算法只能預(yù)先分析數(shù)據(jù)流以及信道情況設(shè)定分配比例系數(shù)，雖然算法簡(jiǎn)單，卻不能自適應(yīng)基本層與增強(qiáng)層不同的QoS需求。