本發(fā)明涉及無線通信技術領域，特別涉及正交頻分復用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)分層傳輸系統(tǒng)

背景技術：

近些年來，移動通信技術飛速發(fā)展，為人類通訊提供了越來越高的速率。由于3G系統(tǒng)的核心網(wǎng)還沒有完全脫離第二代移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)結構，所以普遍認為3G系統(tǒng)僅僅是從窄帶向未來寬帶移動通信系統(tǒng)的過渡。因此，人們把目光越來越多的投向3G以后的移動通信系統(tǒng)，目前LTE移動通信中系統(tǒng)的速度可以達到l00Mbps。未來移動通信系統(tǒng)將提供更大的頻寬，把無線通信和互聯(lián)網(wǎng)、多媒體通信相結合，把移動通信業(yè)務從話音擴展到數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體業(yè)務。無線通信與互聯(lián)網(wǎng)、多媒體通信相結合必定是大勢所趨。

隨著無線網(wǎng)絡技術的突破以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的飛速發(fā)展，人們希望無線網(wǎng)絡能夠承載多樣化的寬帶多媒體業(yè)務。OFDM技術由于其特有的抗頻率選擇性衰落、抗符號間干擾的能力，能夠有效提高系統(tǒng)的頻譜利用率，實現(xiàn)高速率傳輸，已成為下一代無線網(wǎng)絡的核心技術之一?？紤]到組播業(yè)務在無線網(wǎng)絡中的重要性，在下一代基于OFDM技術的網(wǎng)絡中,如何通過有效的無線資源管理，同時為不同需求的用戶提供QoS(Quality of Service，服務質量)的支持,是一個迫切需要研究的問題。本資源分配算法針對不同用戶對QoS的要求，實現(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，人們對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠才c日俱增，而目前的無線資源是無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合其QoS需求，將傳輸數(shù)據(jù)分層將有效的提高用戶體驗。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數(shù)據(jù)流，分為基本層和增強層，將不同層的數(shù)據(jù)流放在多個組播組中傳輸。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。

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

技術實現(xiàn)要素：

考慮到實際應用中的復雜度要求，本發(fā)明實現(xiàn)一種基于貪婪方法的低復雜度資源分配算法(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，首先通過子載波分配滿足基本層組播業(yè)務的最小速率要求，進而在所有子載波之間調整多余功率分給增強層業(yè)務，以提高增強層組播業(yè)務的和速率，從而有效降低了算法復雜度。

貪婪算法的原理是每次都試圖找到離目標盡可能近的最好選擇，然后解決選擇做出后所帶來的子問題，這個選擇依賴于目前的選擇，而不是將來的選擇或子問題的解決，其實是局部最優(yōu)的選擇，希望這個選擇可以導向全局最優(yōu)的解，如果算法結束時，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。在進行最優(yōu)搜索時，貪婪算法更傾向于順著一條選擇的路徑搜索下去，直到實現(xiàn)優(yōu)化目標，當該選擇路徑無法到達優(yōu)化目標時會退回；也可能會順著一條無限路徑搜索下去，而不會退回嘗試其它路徑，因此，該算法不能保證每次都得到最優(yōu)解，也不是完備的。

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

算法首先基本層組播業(yè)務分配子載波，將分配過程分為多步，每一步分配一個子載波。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則為：選擇能夠將基本層組播速率提高得最多的子載波，直到基本層組播業(yè)務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)化目標增強層組播業(yè)務的和速率，系統(tǒng)中的剩余子載波分配給信道最好的用戶。

有益效果

針對當前主要研究OFDM組播資源分配并且未采用數(shù)據(jù)分層實現(xiàn)不同用戶QoS要求的情況，本發(fā)明研究了在OFDM組播無線資源分層傳輸?shù)穆?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。最后根據(jù)實現(xiàn)的算法，進行了仿真，在基本層和增強層都得到了比較好的系統(tǒng)性能。

本發(fā)明考慮到實際應用中組播用戶間對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層，針對基本層與增強層傳輸?shù)牟煌琎oS要求，將資源分配問題建模為在保證基本層傳輸所要求的最小速率的條件下，最大化增強層和速率的分配問題。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層業(yè)務，使其和速率最大。

附圖說明

圖1是分層組播傳輸場景圖；

圖2是本發(fā)明的算法實施流程圖；

圖3是基本層最小速率與最小速率要求R₀關系曲線；

圖4是增強層和速率與最小速率要求R₀關系曲線。

具體實施方式

本發(fā)明實施案例結合附圖做詳細說明。

考慮到實際應用中的復雜度要求，本發(fā)明實現(xiàn)一種基于貪婪方法的低復雜度資源分配算法(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，首先通過子載波分配滿足基本層組播業(yè)務的最小速率要求，進而在所有子載波之間調整多余功率分給增強層業(yè)務，以提高增強層組播業(yè)務的和速率，在分配過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雜度。

附圖1是實例應用的系統(tǒng)架構和場景，本發(fā)明所研究的OFDM系統(tǒng)由一個基站和K個用戶終端組成，系統(tǒng)的子載波總數(shù)為N?；九c用戶之間的下行鏈路是慢衰落頻率選擇性信道。假設基站通過用戶反饋，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)務速率中的最小值發(fā)送組播數(shù)據(jù)，即組播速率為

在實際應用中，為了保證QoS，組播業(yè)務具有一定的最小速率要求，即:

R^(m)≥R₀ (3)

其中R₀為組播業(yè)務所要求的速率下限。

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

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

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

約束條件：

其中，式(6)為組播業(yè)務的最小速率要求，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)務或傳輸增強層的組播業(yè)務。

圖2是本發(fā)明的算法實施流程圖。算法首先基本層組播業(yè)務分配子載波，將分配過程分為多步，每一步分配一個子載波。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則為：選擇能夠將基本層組播速率提高得最多的子載波，直到基本層組播業(yè)務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)化目標增強層組播業(yè)務的和速率，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，對于其中任意子載波n，計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，選擇對應的組播速率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，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層組播業(yè)務，子載波n分配給在該子載波上信道條件最好的一個用戶或多個用戶。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)

置算法結束。

在確定了子載波分配的基礎上，通過在子載波之間調整功率，可以在滿足基本層最小速率要求的同時，進一步提高增強層的和速率。功率的調整分為兩步，首先在保證基本層組播業(yè)務基本速率的前提下，降低分配給基本層組播業(yè)務的子載波上的功率；然后將這部分功率分配給增強層組播業(yè)務，根據(jù)注水原理重新調整分配給增強層子載波上的功率分配。在調整分配給基本層組播業(yè)務的子載波上的功率時，考慮每一次調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)，決定了功率調整量的顆粒度大小，為分配給組播業(yè)務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，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，調整基本層組播業(yè)務的功率分配后節(jié)省下的功率為

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

對于增強層的用戶采用追求最大和速率最佳功率分配算法，同時兼顧增強層用戶間的比例公平性。

圖3比較了當組播業(yè)務的最小速率要求R₀逐漸增加時，相應歸一化基本層組播速率的變化。為了便于判斷對約束條件的滿足程度，仿真結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。對于固定比例分配算法來說，由于資源分配的比例是預先給定的，組播最小速率要求的變化對組播速率不會產(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下降。對于類貪婪算法，當最小速率要求較小時，算法能夠通過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，算法無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比較了當中組播業(yè)務的最小速率要求R₀逐漸增加時，相應增強層組播和速率的變化。其中，對于固定比例分配算法來說，由于資源分配的比例是預先給定的，組播最小速率要求的變化對組播速率不會產(chǎn)生任何影響，因此其增強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) 務的基礎上，盡可能多的分配子載波資源給增強層業(yè)務，為求其和容量的最大化；在基本層業(yè)務最小速率需求都不能滿足的情況下，就會放棄增強層的業(yè)務。而固定比例算法只能預先分析數(shù)據(jù)流以及信道情況設定分配比例系數(shù)，雖然算法簡單，卻不能自適應基本層與增強層不同的QoS需求。