專利名稱：一種正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的混合業(yè)務(wù)資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于正交頻分復(fù)用(OFDM)移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及OFDM通信系統(tǒng)中的混合業(yè)務(wù)資源分配方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的OFDM資源分配研究集中在比特分配和功率分配兩個(gè)方面，例如《國(guó)際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)通信選題雜志》(IEEE J.on Select Areas.Commun，Volume 17，No 10，1999，pp 1747-1758)中提到的多用戶自適應(yīng)子載波、比特和功率分配算法。由于這些算法在分配過程中沒有考慮業(yè)務(wù)到達(dá)的隨機(jī)特性、用戶隊(duì)列狀態(tài)、用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)的要求等，因而難于為用戶提供滿意的服務(wù)。
《美國(guó)電氣電子工程者協(xié)會(huì)通信學(xué)會(huì)組織的國(guó)際會(huì)議》(IEEE Communications SocietyIEEE International Conference，Volume 1，2004，pp58-62)中提到的混合資源分配的方法，由于使用指數(shù)調(diào)度準(zhǔn)則和正比公平準(zhǔn)則分別計(jì)算實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的效用函數(shù)，因此并沒有給出既適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)又適用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的調(diào)度算法；此外，該方法對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分組不會(huì)因?yàn)闀r(shí)延而被丟棄的假設(shè)也是不合理的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的資源分配方法，考慮了業(yè)務(wù)達(dá)到的隨機(jī)特性、業(yè)務(wù)對(duì)等待時(shí)延的要求、用戶隊(duì)列狀態(tài)、用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求和系統(tǒng)對(duì)用戶隊(duì)列長(zhǎng)度的限制，且既適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)又適用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，不僅可以較好地滿足用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求，而且可以保證用戶間服務(wù)質(zhì)量滿意度的公平性。
本發(fā)明正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的混合業(yè)務(wù)資源分配方法，包括調(diào)度模塊和自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊；基站為每個(gè)用戶提供有限長(zhǎng)度的隊(duì)列，隊(duì)列長(zhǎng)度是分組的峰值到達(dá)速率和可以忍受的最大等待時(shí)延的乘積，基站還為每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)隊(duì)列建立并維護(hù)標(biāo)簽，標(biāo)簽記錄相應(yīng)的用戶標(biāo)識(shí)符、分組標(biāo)識(shí)符、用戶分配到的子載波標(biāo)識(shí)符、用戶隊(duì)列中累計(jì)到達(dá)的分組數(shù)量、用戶累計(jì)丟失的分組數(shù)量、用戶累計(jì)接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)量、當(dāng)前用戶隊(duì)列中的分組數(shù)量、隊(duì)首分組的等待時(shí)延、分組可以忍受的最大等待時(shí)延、分組可以忍受的最大丟包率、分組可以忍受的最大誤包率和分組可以忍受的最大分組損耗率；基站將業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組輸入到各用戶獨(dú)立的隊(duì)列中，隊(duì)列中分組的服務(wù)次序是先到先服務(wù)；基站端通過廣播信道通知隊(duì)列中分組數(shù)量非零的用戶進(jìn)行信道估計(jì)；用戶通過無差錯(cuò)的反饋信道將信道估計(jì)結(jié)果和上一次資源分配過程中接收到的錯(cuò)誤分組數(shù)量匯報(bào)給基站；基站側(cè)的資源分配算法每時(shí)隙執(zhí)行一次，每次分配過程中只將一個(gè)子載波分配給一個(gè)用戶，各子載波均分系統(tǒng)發(fā)射總功率；在每個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻，調(diào)度模塊為用戶排序，并將排序后的用戶標(biāo)識(shí)符序列和用戶隊(duì)列中的分組提供給自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊；自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊先根據(jù)用戶反饋的信道狀態(tài)信息將用戶的子載波按照增益遞減排序，得到各用戶的子載波增益遞減序列，再根據(jù)調(diào)度模塊提供的用戶標(biāo)識(shí)符序列和用戶隊(duì)列中的分組信息為用戶隊(duì)列中的分組分配子載波，并將每個(gè)用戶可以發(fā)射的分組數(shù)量反饋給調(diào)度模塊；其特征在于所述調(diào)度模塊產(chǎn)生用戶效用函數(shù)遞減序列，包括初始化單元在各時(shí)隙的起始時(shí)刻根據(jù)上一次資源分配結(jié)束后子載波與比特聯(lián)合分配模塊的反饋丟棄等待時(shí)延大于等于該分組可以忍受的最大等待時(shí)延的分組、根據(jù)用戶反饋的上一次資源分配過程中接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)量統(tǒng)計(jì)各用戶累計(jì)接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)量、將用戶分配到的子載波標(biāo)識(shí)符進(jìn)行清零、為上一時(shí)隙內(nèi)到達(dá)的分組建立新的分組標(biāo)識(shí)符、統(tǒng)計(jì)各用戶隊(duì)列中累計(jì)到達(dá)的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)各用戶累計(jì)丟失的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)用戶隊(duì)列剩余的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)本時(shí)隙用戶隊(duì)列剩余的分組總數(shù)、記錄各用戶隊(duì)首分組的等待時(shí)延和統(tǒng)計(jì)本時(shí)隙系統(tǒng)中處于激活狀態(tài)的用戶總數(shù)；初始化之后，滿意度因子計(jì)算單元按照公式Sk[i]=PLRk[i]/PLRkmax]]>計(jì)算每一個(gè)用戶k的滿意度因子，式中PLRkmax表示用戶k可以忍受的最大分組損耗率，PLRk[i]表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻統(tǒng)計(jì)的分組損耗率，PLRk[i]可以使用等式PLRk[i]=PLNk[i]+PENk[i]PANk[i]]]>進(jìn)行估計(jì)，其中PLNk[i]、PENk[i]和PANk[i]分別表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙之前累計(jì)丟失的分組數(shù)、接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)和到達(dá)的分組總數(shù)；效用函數(shù)計(jì)算單元根據(jù)上一步計(jì)算出來的滿意度因子按照公式UkCL[i]=ukRkcur[i]Rkaver[i]exp(Sk[i]-S[i]‾1+S[i]‾)]]>計(jì)算每一個(gè)隊(duì)列中分組數(shù)量非零的用戶k的效用函數(shù)，式中Rkcur[i]表示用戶k預(yù)測(cè)的在第i個(gè)時(shí)隙可以支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率，Rkaver[i]表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙之前的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，使用公式Rkaver[i+1]=(1-1tc)Rkaver[i]+1tcRkcur[i]]]>進(jìn)行更新，其中tc表示滑動(dòng)時(shí)間窗口的長(zhǎng)度，如果基站在第i個(gè)時(shí)隙沒有發(fā)射數(shù)據(jù)給用戶k，則Rkaver[i+1]使用Rkcur[i]＝0進(jìn)行更新；uk使用uk=-log(PDRkmax)/Dkmax]]>進(jìn)行計(jì)算，其中PDRkmax和Dkmax分別表示用戶k可以忍受的最大丟包率和分組時(shí)延，S[i]‾=1KΣk=1KSk[i],]]>其中K表示在第i個(gè)時(shí)隙系統(tǒng)中處于激活狀態(tài)的用戶總數(shù)；計(jì)算結(jié)束后，排序單元將用戶的效用函數(shù)遞減排序，得到用戶效用函數(shù)遞減序列，然后進(jìn)入自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配過程；自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊包括子載波排序單元根據(jù)用戶反饋的信道狀態(tài)信息，將分組數(shù)量非零的用戶的子載波按照增益遞減排序，得到各用戶的子載波增益遞減序列；子載波與功率聯(lián)合分配單元從用戶效用函數(shù)遞減序列中的隊(duì)首用戶開始依次為用戶隊(duì)列中的分組分配該用戶子載波增益遞序列的空閑子載波，記錄每個(gè)用戶分配到的子載波的標(biāo)識(shí)符，計(jì)算并記錄分配給這些子載波的發(fā)射的比特?cái)?shù)，直到該用戶沒有分組需要被發(fā)射或系統(tǒng)空閑子載波數(shù)量為零；如果系統(tǒng)還有空閑子載波且還有分組等待發(fā)射，繼續(xù)為用戶效用函數(shù)遞減序列中優(yōu)先級(jí)低一級(jí)的下一個(gè)用戶隊(duì)列中的分組分配該用戶子載波增益遞減序列中的空閑子載波，直到?jīng)]有分組需要被發(fā)射，或系統(tǒng)空閑子載波數(shù)為零；分配結(jié)束之后，統(tǒng)計(jì)反饋單元記錄本次資源分配的結(jié)果，并將每個(gè)用戶可以發(fā)射的分組數(shù)量反饋給調(diào)度模塊的初始化單元。
所述調(diào)度模塊的工作原理如下由于不同的業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延、丟包率和誤包率具有不同的要求，因此他們可以忍受的最大分組損耗率也可能不同。從公平性的角度考慮，對(duì)于不同類型的業(yè)務(wù)，使用業(yè)務(wù)可以忍受的最差服務(wù)質(zhì)量對(duì)該業(yè)務(wù)已經(jīng)接收到的服務(wù)質(zhì)量作歸一化之后得到的因子，體現(xiàn)了業(yè)務(wù)對(duì)已經(jīng)接收到的服務(wù)的滿意程度，本發(fā)明稱之為服務(wù)質(zhì)量滿意度因子。并將基于該因子的公平性準(zhǔn)則，稱為服務(wù)質(zhì)量滿意度公平性準(zhǔn)則。
服務(wù)質(zhì)量滿意度因子可以表示為Sk[i]=PLRk[i]/PLRkmax---(1)]]>其中，PLRk[i]表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻統(tǒng)計(jì)的分組損耗率，其計(jì)算如等式(2)所示；PLRkmax表示用戶k可以忍受的最大分組損耗率，其計(jì)算如公式(3)所示；PLRk[i]=PLNk[i]+PENk[i]PANk[i]---(2)]]>其中，PLNk[i]、PENk[i]和PANk[i]分別表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙之前累計(jì)丟失的分組數(shù)、接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)和到達(dá)的分組總數(shù)。
PLRkmax=1-(1-PERkmax)(1-PDRkmax)---(3)]]>其中，PERkmax和PDRkmax分別是用戶k可以忍受的由無線信道帶來的誤包率和由于分組延時(shí)過大引起的丟包率。
服務(wù)質(zhì)量滿意度因子既適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)又適用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。它一方面體現(xiàn)了用戶對(duì)系統(tǒng)提供的服務(wù)的滿意程度，另一方面體現(xiàn)了用戶之間服務(wù)質(zhì)量的公平性。服務(wù)質(zhì)量滿意度因子越小的用戶對(duì)系統(tǒng)提供的服務(wù)越滿意；反之，用戶對(duì)系統(tǒng)提供的服務(wù)越不滿意。多個(gè)用戶之間的服務(wù)質(zhì)量滿意度因子的差值越小，反映了系統(tǒng)對(duì)不同用戶提供的服務(wù)質(zhì)量越公平；反之，系統(tǒng)對(duì)不同用戶之間提供的服務(wù)質(zhì)量越不公平。在以用戶QoS為中心的系統(tǒng)中，與使用用戶等待時(shí)延或用戶平均吞吐量作為系統(tǒng)公平性的準(zhǔn)則相比，使用服務(wù)質(zhì)量滿意度公平性準(zhǔn)則更加合理。因?yàn)?，使用用戶等待時(shí)延作為系統(tǒng)公平性的準(zhǔn)則，可以被看作是忽略無線信道帶來的錯(cuò)誤傳輸對(duì)用戶性能影響的公平性準(zhǔn)則；使用用戶平均吞吐量作為系統(tǒng)公平性的準(zhǔn)則，可以被看作是假設(shè)用戶分組無等待時(shí)延約束且用戶隊(duì)列無限長(zhǎng)的公平性準(zhǔn)則。它們都是服務(wù)質(zhì)量公平性準(zhǔn)則的特例。
基于服務(wù)質(zhì)量滿意度公平性準(zhǔn)則，本發(fā)明的資源分配方法將用戶的效用函數(shù)定義為UkCL[i]=ΔukRkcur[i]Rkaver[i]exp(Sk[i]-S[i]‾1+S[i]‾)---(4)]]>其中，Rkcur[i]表示用戶k預(yù)測(cè)的在第i個(gè)時(shí)隙可以支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率；uk是加權(quán)系數(shù)，其計(jì)算如公式(5)所示；S[i]表示系統(tǒng)中處于激活狀態(tài)的用戶在第i個(gè)時(shí)隙之前對(duì)系統(tǒng)滿意程度的均值，其計(jì)算如公式(6)所示；Rkaver[i]表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙之前的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，其計(jì)算如公式(7)所示；uk=-log(PDRkmax)/Dkmax---(5)]]>其中，Dkmax表示用戶k可以忍受的最大分組時(shí)延；S[i]‾=1KΣk=1KSk[i]---(6)]]>其中，K表示在第i個(gè)時(shí)隙系統(tǒng)中處于激活狀態(tài)的用戶總數(shù)；Rkaver[i+1]=(1-1tc)Rkaver[i]+1tcRkcur[i]---(7)]]>其中，tc表示滑動(dòng)時(shí)間窗口的長(zhǎng)度；如果基站在第i個(gè)時(shí)隙沒有發(fā)射數(shù)據(jù)給用戶k，則Rkcur[i]=0.]]>tc的大小反映了用戶對(duì)長(zhǎng)時(shí)間接收不到數(shù)據(jù)的忍耐程度；窗口越長(zhǎng)，用戶可以忍耐的等待時(shí)間越長(zhǎng)；反之，可以忍耐的時(shí)間越短。
調(diào)度算法只在每個(gè)時(shí)隙的開始時(shí)刻計(jì)算用戶的效用函數(shù)，而用戶的數(shù)據(jù)可以在一個(gè)時(shí)隙中的任意時(shí)刻到達(dá)，故本時(shí)隙內(nèi)到達(dá)的分組只會(huì)影響該用戶下一個(gè)時(shí)隙計(jì)算出來的效用函數(shù)。由于本發(fā)明考慮了數(shù)據(jù)鏈路層用戶分組到達(dá)的隨機(jī)特性，因此，如果某一個(gè)用戶在第i個(gè)時(shí)隙沒有接收到基站發(fā)射的數(shù)據(jù)，可能有以下三種原因 用戶隊(duì)列中沒有數(shù)據(jù)分組等待發(fā)射； 用戶隊(duì)列中等待發(fā)射的分組數(shù)不為零，但該用戶沒有獲得選取子載波的機(jī)會(huì)； 用戶隊(duì)列中的數(shù)據(jù)不足以構(gòu)成一個(gè)分組；例如，語(yǔ)音業(yè)務(wù)處于激活狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)以固定速率64kbps達(dá)到，每個(gè)分組由1280bits構(gòu)成，調(diào)度器每毫秒更新一次，那么在1ms時(shí)間內(nèi)語(yǔ)音業(yè)務(wù)到達(dá)64bit，不足以構(gòu)成一個(gè)分組，這樣用戶有可能在幾個(gè)調(diào)度時(shí)間間隔內(nèi)都沒有分組需要被發(fā)射。
本發(fā)明的資源分配方法選中的第一個(gè)用戶為
k=argmaxj=1,L,kUjCL[i]---(8)]]>從公式(4)、公式(7)和公式(8)可以看出，如果一個(gè)用戶的等待時(shí)延較大，其丟包率和分組損耗率都比較高，從而使得該用戶的服務(wù)質(zhì)量滿意度因子也比較高，就會(huì)提高用戶的效用函數(shù)；如果一個(gè)用戶信道質(zhì)量較差，其丟包率和誤包率也較高，同樣可以提高該用戶的效用函數(shù)。
這樣，所述調(diào)度模塊可以得到用戶效用函數(shù)遞減序列{Uk[i]}k＝1K，其中k′＜k，k′，k∈[1，K]，存在Uk′[i]＞Uk[i]。
所述自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配算法，根據(jù)用戶反饋的信道狀態(tài)信息、調(diào)度算法提供的用戶排序信息以及用戶隊(duì)列中剩余的分組數(shù)量，自適應(yīng)地為用戶分配子載波和每個(gè)子載波上承載的比特?cái)?shù)。目標(biāo)是，在給定每個(gè)子載波發(fā)射功率的條件下，使用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量，同時(shí)保證每個(gè)用戶統(tǒng)計(jì)的誤包率不超過該用戶可以忍受的最大誤包率。其工作原理如下自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊先為用戶效用函數(shù)遞減序列{Uk[i]}k＝1K中的隊(duì)首用戶分配子載波，當(dāng)該用戶沒有剩余分組需要被發(fā)射時(shí)，繼續(xù)為優(yōu)先級(jí)低一級(jí)的下一個(gè)用戶分配子載波，直到?jīng)]有分組需要被發(fā)射或系統(tǒng)沒有空閑子載波。優(yōu)點(diǎn)是，可以提高當(dāng)前對(duì)系統(tǒng)提供的服務(wù)不滿意的用戶對(duì)系統(tǒng)的滿意程度。
接收端的接收信噪比可以使用下式描述f(bi,n)=Σk=1KPtotal×|hi,nk|2N×σn2×Ai,nk---(9)]]>其中，Ptotal是基站發(fā)射總功率；Ai,nk=1]]>表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙分配到了第n個(gè)子載波；由于接收方無法同時(shí)從同一子載波上檢測(cè)出多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，所以對(duì)于任意子載波n，當(dāng)Ai,nk=1]]>時(shí)，有Ai,nk′=0,]]>k′≠k k，k′∈[1，K]；hi，nk表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻估計(jì)的在第n個(gè)子載波上的信道增益的幅度；σn2為每個(gè)子載波上的噪聲功率，bi，n表示在第i個(gè)時(shí)隙第n個(gè)子載波攜帶的信息比特?cái)?shù)，其計(jì)算如公式(10)所示bi,n=Δflog2(1+f(bi,n)Γ)---(10)]]>其中，對(duì)于MQAM調(diào)制，Γ可以用 近似。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，由于本發(fā)明在資源分配過程中考慮了業(yè)務(wù)達(dá)到的隨機(jī)特性、業(yè)務(wù)對(duì)等待時(shí)延的要求、業(yè)務(wù)對(duì)丟包率的要求、業(yè)務(wù)對(duì)誤包率的要求、用戶隊(duì)列狀態(tài)和系統(tǒng)對(duì)用戶隊(duì)列長(zhǎng)度的限制，通過使用跨層準(zhǔn)則，提出了一種服務(wù)質(zhì)量滿意度公平性準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則既適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)又適用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，是一種基于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)合優(yōu)化的跨層公平性準(zhǔn)則。根據(jù)對(duì)該準(zhǔn)則的分析，本發(fā)明提出的資源分配方法，使用適合于混合業(yè)務(wù)的效用函數(shù)表征用戶的優(yōu)先級(jí)，即為對(duì)系統(tǒng)提供的服務(wù)較不滿意的用戶賦予較高的優(yōu)先級(jí)，且自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊優(yōu)先為等級(jí)高的用戶分配子載波。故本發(fā)明不僅可以較好地滿足用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求，而且可以保證用戶間服務(wù)質(zhì)量滿意度的公平性。


圖1是本發(fā)明正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的資源分配方法的原理框圖。
圖2是用戶數(shù)為18時(shí)流媒體用戶的分組損耗率仿真統(tǒng)計(jì)直方圖；圖3是用戶數(shù)為22時(shí)流媒體用戶的分組損耗率仿真統(tǒng)計(jì)直方圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合

本方法的實(shí)施例。
實(shí)施例1本實(shí)施例使用帶寬為2.048MHz、數(shù)據(jù)子載波數(shù)目為64的OFDM傳輸系統(tǒng)。信道采用COST207六徑模型，最大多徑時(shí)延為10us，六徑在0～10us內(nèi)等間隔分布，各徑的功率譜密度滿足通常的Jake模型。最大多普勒頻偏為300Hz。時(shí)隙長(zhǎng)1ms，分組大小固定為1280bits，滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度tc的取值為1000個(gè)時(shí)隙。采用MQAM自適應(yīng)調(diào)制方式，M＝{0，2，4，8，16，32}。固定系統(tǒng)中的語(yǔ)音用戶數(shù)和數(shù)據(jù)用戶數(shù)，分別為5個(gè)和3個(gè)。
業(yè)務(wù)源模型采用ON-OFF兩狀態(tài)馬爾可夫Markov過程。激活期和靜默期相互獨(dú)立且服從指數(shù)分布。從激活期到靜默期的轉(zhuǎn)移概率為γ＝1-exp(-Tslot/t1)，從靜默期到激活期的轉(zhuǎn)移概率為u＝1-exp(-Tslot/t2)，其中Tslot為時(shí)隙長(zhǎng)，t1和t2分別為激活期和靜默期的均值。使用的業(yè)務(wù)模型參數(shù)如下表1所示錯(cuò)誤！未找到引用源。表1 業(yè)務(wù)模型參數(shù)

附圖1給出了本發(fā)明正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的資源分配方法的原理框圖基站端，在各時(shí)隙的起始時(shí)刻，初始化單元1更新各接入用戶隊(duì)列的標(biāo)簽，包括根據(jù)上一次資源分配結(jié)束后統(tǒng)計(jì)反饋單元16反饋的每個(gè)用戶可以發(fā)射的分組數(shù)量信號(hào)17丟棄等待時(shí)延大于等于該分組可以忍受的最大等待時(shí)延的分組、根據(jù)用戶反饋的上一次資源分配過程中接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)量統(tǒng)計(jì)各用戶累計(jì)接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)量、將用戶分配到的子載波標(biāo)識(shí)符進(jìn)行清零、為上一時(shí)隙內(nèi)到達(dá)的分組建立新的分組標(biāo)識(shí)符、統(tǒng)計(jì)各用戶隊(duì)列中累計(jì)到達(dá)的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)各用戶累計(jì)丟失的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)用戶隊(duì)列剩余的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)本時(shí)隙用戶隊(duì)列剩余的分組總數(shù)、記錄各用戶隊(duì)首分組的等待時(shí)延和統(tǒng)計(jì)本時(shí)隙系統(tǒng)中處于激活狀態(tài)的用戶總數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)束后送出初始化結(jié)束信號(hào)2；用戶子載波排序單元8根據(jù)初始化模塊送出的初始化結(jié)束信號(hào)2，開始將用戶的子載波按照增益遞減排序，得到各用戶的子載波增益遞減序列；滿意度因子計(jì)算單元3根據(jù)初始化模塊送出的初始化結(jié)束信號(hào)2開始按公式(1)、等式(2)和公式(3)計(jì)算每個(gè)用戶的滿意度因子；效用函數(shù)計(jì)算單元4根據(jù)滿意度因子計(jì)算單元提供的各用戶的滿意度因子按公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式(7)計(jì)算隊(duì)列中分組數(shù)量非零的用戶的效用函數(shù)；計(jì)算結(jié)束后，效用函數(shù)排序單元5將用戶的效用函數(shù)遞減排序，得到用戶效用函數(shù)遞減序列{Gk}k＝1K，并將{Gk}k＝1K即信號(hào)6送入子載波與比特聯(lián)合分配單元7；子載波與比特聯(lián)合分配模塊7根據(jù)送入的用戶效用函數(shù)遞減序列信號(hào)6和用戶子載波排序模塊8中存儲(chǔ)的各用戶的子載波增益遞減序列，從隊(duì)首用戶開始，依次為用戶隊(duì)列中的分組分配該用戶子載波增益遞減序列中的空閑子載波，記錄每個(gè)用戶分配到的子載波的標(biāo)識(shí)符、按照公式(9)和公式(10)計(jì)算分配給這些子載波攜帶的信息比特?cái)?shù)并保存，記錄本時(shí)隙可以發(fā)射的分組總數(shù)，直到該用戶沒有分組需要被發(fā)射或系統(tǒng)空閑子載波數(shù)為零，并將已經(jīng)分配了的子載波數(shù)量即信號(hào)10送入子載波數(shù)量判決單元11，將本時(shí)隙可以發(fā)射的分組總數(shù)即信號(hào)9送入系統(tǒng)發(fā)射分組數(shù)量判決單元14；子載波數(shù)量判決模塊11判斷收到的判決值是否等于系統(tǒng)子載波總數(shù)，如果不相等，將觸發(fā)信號(hào)12送入系統(tǒng)發(fā)射分組數(shù)量判決單元14；如果相等，產(chǎn)生子載波與比特聯(lián)合分配結(jié)束信號(hào)13送入統(tǒng)計(jì)反饋單元16；觸發(fā)信號(hào)12觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)射分組數(shù)量判決模塊14判斷收到的判決值9是否等于系統(tǒng)本時(shí)隙剩余的分組總數(shù)，如果不相等，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)15送入子載波與比特聯(lián)合分配模塊7，子載波與比特聯(lián)合分配模塊7根據(jù)該信號(hào)繼續(xù)為用戶效用函數(shù)遞減序列中優(yōu)先級(jí)低一級(jí)的下一個(gè)用戶隊(duì)列中的分組分配該用戶子載波增益遞減序列中的空閑子載波，記錄每個(gè)用戶分配到的子載波的標(biāo)識(shí)符、按照公式(9)和公式(10)計(jì)算分配給這些子載波攜帶的信息比特?cái)?shù)并保存，直到系統(tǒng)中的所有用戶沒有分組需要被發(fā)射或系統(tǒng)空閑子載波數(shù)為零才送出子載波與比特聯(lián)合分配結(jié)束信號(hào)13；子載波與比特聯(lián)合分配結(jié)束信號(hào)13觸發(fā)統(tǒng)計(jì)反饋單元16記錄每個(gè)用戶分配到的子載波的標(biāo)識(shí)符和分配給每個(gè)子載波的攜帶的信息比特?cái)?shù)，并將每個(gè)用戶可以發(fā)射的分組數(shù)量即信號(hào)17反饋給初始化模塊1。
當(dāng)系統(tǒng)中有10個(gè)流媒體用戶時(shí)，本發(fā)明提出的算法不僅可以將用戶的分組損耗率維持在一個(gè)比較低的水平，而且可以保證用戶間服務(wù)質(zhì)量滿意度的公平性；當(dāng)流媒體用戶數(shù)量增加到14時(shí)，由于用戶的服務(wù)滿意度因子就是效用函數(shù)的指數(shù)加權(quán)因子，用戶分組損耗率的變化起伏很小，而且仍被維持在5×10-4～7×10-4這樣一個(gè)比較低的水平，具有較好的性能。從圖2和圖3分別給出的用戶數(shù)為18和22時(shí)流媒體用戶的分組損耗率仿真統(tǒng)計(jì)直方圖中顯示了以下特征1.不同用戶數(shù)時(shí)，可以保證用戶間服務(wù)質(zhì)量滿意度的公平性。
2.用戶分組損耗率隨用戶數(shù)的變化起伏很小。
3.當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí)，用戶分組損耗率仍維持在較低水平。
本發(fā)明以提高用戶對(duì)系統(tǒng)的滿意度為出發(fā)點(diǎn)，給出了一種用于OFDM系統(tǒng)下行鏈路混合業(yè)務(wù)的跨層資源分配算法，考慮了業(yè)務(wù)達(dá)到的隨機(jī)特性、業(yè)務(wù)對(duì)等待時(shí)延的要求、業(yè)務(wù)對(duì)丟包率的要求、業(yè)務(wù)對(duì)誤包率的要求、用戶隊(duì)列狀態(tài)和系統(tǒng)對(duì)用戶隊(duì)列長(zhǎng)度的限制。通過使用跨層準(zhǔn)則，本發(fā)明提出了服務(wù)質(zhì)量滿意度公平性準(zhǔn)則，考慮了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層對(duì)用戶接收到的服務(wù)質(zhì)量的聯(lián)合影響，且既適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)又適用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出的資源分配算法使用效用函數(shù)表征用戶的優(yōu)先級(jí)，即為對(duì)系統(tǒng)提供的服務(wù)較不滿意的用戶賦予較高的優(yōu)先級(jí)，且自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊優(yōu)先為等級(jí)高的用戶分配子載波。故本發(fā)明不僅可以較好地滿足用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求，而且可以保證用戶間服務(wù)質(zhì)量滿意度的公平性。
權(quán)利要求
1.一種正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的混合業(yè)務(wù)資源分配方法，包括調(diào)度模塊和自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊；基站為每個(gè)用戶提供有限長(zhǎng)度的隊(duì)列，隊(duì)列長(zhǎng)度是分組的峰值到達(dá)速率和可以忍受的最大等待時(shí)延的乘積，基站還為每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)隊(duì)列建立并維護(hù)標(biāo)簽，標(biāo)簽記錄相應(yīng)的用戶標(biāo)識(shí)符、分組標(biāo)識(shí)符、用戶分配到的子載波標(biāo)識(shí)符、用戶隊(duì)列中累計(jì)到達(dá)的分組數(shù)量、用戶累計(jì)丟失的分組數(shù)量、用戶累計(jì)接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)量、當(dāng)前用戶隊(duì)列中的分組數(shù)量、隊(duì)首分組的等待時(shí)延、分組可以忍受的最大等待時(shí)延、分組可以忍受的最大丟包率、分組可以忍受的最大誤包率和分組可以忍受的最大分組損耗率；基站將業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組輸入到各用戶獨(dú)立的隊(duì)列中，隊(duì)列中分組的服務(wù)次序是先到先服務(wù)；基站端通過廣播信道通知隊(duì)列中分組數(shù)量非零的用戶進(jìn)行信道估計(jì)；用戶通過無差錯(cuò)的反饋信道將信道估計(jì)結(jié)果和上一次資源分配過程中接收到的錯(cuò)誤分組數(shù)量匯報(bào)給基站；基站側(cè)的資源分配算法每時(shí)隙執(zhí)行一次，每次分配過程中只將一個(gè)子載波分配給一個(gè)用戶，各子載波均分系統(tǒng)發(fā)射總功率；在每個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻，調(diào)度模塊為用戶排序，并將排序后的用戶標(biāo)識(shí)符序列和用戶隊(duì)列中的分組提供給自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊；自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊先根據(jù)用戶反饋的信道狀態(tài)信息將用戶的子載波按照增益遞減排序，得到各用戶的子載波增益遞減序列，再根據(jù)調(diào)度模塊提供的用戶標(biāo)識(shí)符序列和用戶隊(duì)列中的分組信息為用戶隊(duì)列中的分組分配子載波，并將每個(gè)用戶可以發(fā)射的分組數(shù)量反饋給調(diào)度模塊；其特征在于所述調(diào)度模塊產(chǎn)生用戶效用函數(shù)遞減序列，包括初始化單元在各時(shí)隙的起始時(shí)刻根據(jù)上一次資源分配結(jié)束后子載波與比特聯(lián)合分配模塊的反饋丟棄等待時(shí)延大于等于該分組可以忍受的最大等待時(shí)延的分組、根據(jù)用戶反饋的上一次資源分配過程中接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)量統(tǒng)計(jì)各用戶累計(jì)接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)量、將用戶分配到的子載波標(biāo)識(shí)符進(jìn)行清零、為上一時(shí)隙內(nèi)到達(dá)的分組建立新的分組標(biāo)識(shí)符、統(tǒng)計(jì)各用戶隊(duì)列中累計(jì)到達(dá)的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)各用戶累計(jì)丟失的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)用戶隊(duì)列剩余的分組數(shù)量、統(tǒng)計(jì)本時(shí)隙用戶隊(duì)列剩余的分組總數(shù)、記錄各用戶隊(duì)首分組的等待時(shí)延和統(tǒng)計(jì)本時(shí)隙系統(tǒng)中處于激活狀態(tài)的用戶總數(shù)；初始化之后，滿意度因子計(jì)算單元按照公式Sk[i]=PLRk[i]/PLRkmax]]>計(jì)算每一個(gè)用戶k的滿意度因子，式中PLRkmax表示用戶k可以忍受的最大分組損耗率，PLRk[i]表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻統(tǒng)計(jì)的分組損耗率，PLRk[i]可以使用等式PLRk[i]=PLNk[i]+PENk[i]PANk[i]]]>進(jìn)行估計(jì)，其中PLNk[i]、PENk[i]和PANk[i]分別表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙之前累計(jì)丟失的分組數(shù)、接收到的錯(cuò)誤的分組數(shù)和到達(dá)的分組總數(shù)；效用函數(shù)計(jì)算單元根據(jù)上一步計(jì)算出來的滿意度因子按照公式UkCL[i]=ukRkcur[i]Rkaver[i]exp(Sk[i]-S[i]‾1+S[i]‾)]]>計(jì)算每一個(gè)隊(duì)列中分組數(shù)量非零的用戶k的效用函數(shù)，式中Rkcur[i]表示用戶k預(yù)測(cè)的在第i個(gè)時(shí)隙可以支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率，Rkaver[i]表示用戶k在第i個(gè)時(shí)隙之前的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，使用公式Rkaver[i+1]=(1-1tc)Rkaver[i]+1tcRkcur[i]]]>進(jìn)行更新，其中tc表示滑動(dòng)時(shí)間窗口的長(zhǎng)度，如果基站在第i個(gè)時(shí)隙沒有發(fā)射數(shù)據(jù)給用戶k，則Rkaver[i+1]使用Rkcur[i]=0]]>進(jìn)行更新；uk使用uk=-log(PDRkmax)/Dkmax]]>進(jìn)行計(jì)算，其中PDRkmax和Dkmax分別表示用戶k可以忍受的最大丟包率和分組時(shí)延，S[i]‾=1KΣk=1KSk[i],]]>其中K表示在第i個(gè)時(shí)隙系統(tǒng)中處于激活狀態(tài)的用戶總數(shù)；計(jì)算結(jié)束后，排序單元將用戶的效用函數(shù)遞減排序，得到用戶效用函數(shù)遞減序列，然后進(jìn)入自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配過程；自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊包括子載波排序單元根據(jù)用戶反饋的信道狀態(tài)信息，將分組數(shù)量非零的用戶的子載波按照增益遞減排序，得到各用戶的子載波增益遞減序列；子載波與功率聯(lián)合分配單元從用戶效用函數(shù)遞減序列中的隊(duì)首用戶開始依次為用戶隊(duì)列中的分組分配該用戶子載波增益遞序列的空閑子載波，記錄每個(gè)用戶分配到的子載波的標(biāo)識(shí)符，計(jì)算并記錄分配給這些子載波的發(fā)射的比特?cái)?shù)，直到該用戶沒有分組需要被發(fā)射或系統(tǒng)空閑子載波數(shù)量為零；如果系統(tǒng)還有空閑子載波且還有分組等待發(fā)射，繼續(xù)為用戶效用函數(shù)遞減序列中優(yōu)先級(jí)低一級(jí)的下一個(gè)用戶隊(duì)列中的分組分配該用戶子載波增益遞減序列中的空閑子載波，直到?jīng)]有分組需要被發(fā)射，或系統(tǒng)空閑子載波數(shù)為零；分配結(jié)束之后，統(tǒng)計(jì)反饋單元記錄本次資源分配的結(jié)果，并將每個(gè)用戶可以發(fā)射的分組數(shù)量反饋給調(diào)度模塊的初始化單元。
全文摘要
本發(fā)明正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的混合業(yè)務(wù)資源分配方法，特征是提出了一種基于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)合跨層優(yōu)化的服務(wù)質(zhì)量滿意度公平性準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則既適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)又適用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；在對(duì)該準(zhǔn)則的特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出的資源分配方法，根據(jù)每個(gè)時(shí)隙處于激活狀態(tài)的用戶總數(shù)、用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求、用戶在每個(gè)時(shí)隙的起始時(shí)刻統(tǒng)計(jì)的已經(jīng)接收到的服務(wù)質(zhì)量計(jì)算用戶的效用函數(shù)值，從而決定用戶的優(yōu)先級(jí)，且自適應(yīng)子載波與比特聯(lián)合分配模塊先為等級(jí)高的用戶的分組分配子載波，再為等級(jí)低的用戶的分組分配子載波。因此本發(fā)明不僅可以較好地滿足用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求，而且可以保證用戶間服務(wù)質(zhì)量滿意度的公平性。
文檔編號(hào)H04L5/02GK1885748SQ20061008813
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日
發(fā)明者侯華, 周武旸, 朱近康 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)