基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ofdma網(wǎng)絡(luò)上下行資源聯(lián)合分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信中的無線資源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的 0FDMA系統(tǒng)上下行資源聯(lián)合分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類社會信息化的加速，整個社會對信息通信的需求水平明顯提升，可以 說信息通信對人類社會的價值和貢獻將遠遠超過通信本身，信息通信將成為維持整個社 會生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的信息大動脈。2012年國際電信聯(lián)盟將LTE_Advanced(LongTerm Evolution-Advanced,LTE-Advanced)和WirelessMAN-Advanced技術(shù)規(guī)范確立為第四代 移動通信（ForthGeneration, 4G)的國際標準。在這兩大技術(shù)標準中，均采用了正交頻分 多址接入（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，0FDMA)作為其關(guān)鍵技術(shù)之 一。0FDMA是從正交頻分復(fù)用技術(shù)發(fā)展而來的一種多址接入技術(shù)，其實現(xiàn)是為各用戶分配 一個或一組子信道，其子載波的正交性和多用戶分集使得系統(tǒng)能夠提供靈活的資源分配機 制。在0FDMA系統(tǒng)中使用資源分配技術(shù)可以根據(jù)信道條件和業(yè)務(wù)需求，靈活地向用戶分配 子載波和功率等資源，有效提高無線信號的傳輸質(zhì)量以及業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。0FDMA系統(tǒng)資源 分配技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域一個重要的研究熱點。
[0003] 隨無線傳輸技術(shù)快速的發(fā)展，大量新型的業(yè)務(wù)類型開始在無線網(wǎng)絡(luò)上部署，對資 源分配技術(shù)也提出了很多新的需求。例如一些無線交互業(yè)務(wù)，如無線網(wǎng)絡(luò)電話、無線視頻會 議、無線網(wǎng)絡(luò)游戲等，用戶的滿意度是受到上下行鏈路效用共同影響的，單獨提高上行或者 下行效用并不能使用戶的整體滿意度得到有效提升，反而會產(chǎn)生過多的資源浪費?，F(xiàn)有的 0FDMA系統(tǒng)資源分配方法，通常將上行和下行鏈路分開進行考慮，將關(guān)注的焦點集中于優(yōu)化 上行或下行其中一條鏈路，顯然無法滿足交互業(yè)務(wù)同時對上下行鏈路都有性能要求的特殊 需求。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中具有交互業(yè)務(wù)用戶時，為了有效的提升系統(tǒng)整體表現(xiàn)，在資源分配過程中， 應(yīng)針對交互業(yè)務(wù)特殊要求，全面考慮上行和下行鏈路信道條件以及業(yè)務(wù)需求，在上下行鏈 路聯(lián)合進行資源分配優(yōu)化，即進行上下行資源聯(lián)合分配，這對減少系統(tǒng)資源浪費和進一步 提高無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種0FDMA系統(tǒng)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的 上下行資源聯(lián)合分配方法，可以更好地適應(yīng)對稱交互業(yè)務(wù)的特征，減少資源浪費，從而更加 有效地分配系統(tǒng)資源，提升系統(tǒng)在吞吐量、上下行鏈路資源利用率等多方面的性能。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，具體步驟為：
[0006] 步驟1、建立基于網(wǎng)絡(luò)編碼的對稱交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互策略；所述的對稱交互業(yè)務(wù) 為處于同一個小區(qū)內(nèi)的兩個用戶通過基站相互發(fā)送數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)發(fā)送速率相等的通信業(yè) 務(wù)，具體策略是：
[0007] 兩個交互業(yè)務(wù)用戶的上行數(shù)據(jù)到達基站后，基站對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)編碼，之后再進 行轉(zhuǎn)發(fā)；兩個用戶接收到基站數(shù)據(jù)后，利用自己發(fā)送的數(shù)據(jù)將接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，即可 得到對方用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)；具體流程如下：
[0008] 第1步、兩個用戶通過各自上行信道分別將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站；
[0009] 第2步、基站對接收的兩個用戶數(shù)據(jù)進行異或運算；
[0010] 第3步、基站將異或運算所得的數(shù)據(jù)以多播方式下行發(fā)送給兩個用戶，兩個用戶 接收到基站數(shù)據(jù)后，分別將接收到的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的數(shù)據(jù)進行一次異或運算即可得到對 方用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)；
[0011] 兩個交互業(yè)務(wù)用戶A和B的交互速-
【主權(quán)項】
1.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDM網(wǎng)絡(luò)上下行資源聯(lián)合分配方法，其特征在于，該方法的具體 步驟是： 步驟1、建立基于網(wǎng)絡(luò)編碼的對稱交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互策略；所述的對稱交互業(yè)務(wù)為處 于同一個小區(qū)內(nèi)的兩個用戶通過基站相互發(fā)送數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)發(fā)送速率相等的通信業(yè)務(wù)，具 體策略是： 兩個交互業(yè)務(wù)用戶的上行數(shù)據(jù)到達基站后，基站對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)編碼，之后再進行轉(zhuǎn) 發(fā)；兩個用戶接收到基站數(shù)據(jù)后，利用自己發(fā)送的數(shù)據(jù)將接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，即可得到 對方用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)； 兩個交互業(yè)務(wù)用戶A和B的交互速率其中G為用戶A的最 大上行速率，CBU為用戶B的最大上行速率，Cf為用戶A的最大下行速率，CB D為用戶B的最 大下行速率； 步驟2、將基于網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDM系統(tǒng)上下行資源聯(lián)合分配描述為優(yōu)化問題；系統(tǒng)中包 含Mu個上行業(yè)務(wù)用戶和Md個下行業(yè)務(wù)用戶，其中2M個用戶為對稱交互業(yè)務(wù)用戶，既具有上 行業(yè)務(wù)也具有下行業(yè)務(wù)，組成M條交互鏈路相互發(fā)送數(shù)據(jù)；第m個用戶與第M+m個用戶為一 對對稱交互業(yè)務(wù)用戶，組成第m條交互鏈路，m = 1，2,...，M，其他剩余用戶為只具有上行業(yè) 務(wù)或只具有下行業(yè)務(wù)的用戶；上行信道帶寬為Bu包含K u個上行子載波；下行信道帶寬為BD 包含Kd個下行子載波； 優(yōu)化問題的目標函數(shù)2
，其中匕為 用戶m和用戶M+m的交互速率，I ;用戶m的最大上
行速2 m = 1，2,. . .，Mu，其中u為上行子 αη，Λ- 載波分配因子，為用戶m分配給第k個上行子載波的功率，為用戶m在 第k個上行子載波上的信道增益與噪聲比，= |Α&|2八AZuSu/尺I，為用 戶m在第k個上行子載波上的信道增益，Ntl為加性高斯白噪聲功率譜密度；用 戶m的最大下行速-
，m = 1，2, . . .，M11，其中 為下行子載波分配因子，為基站分配給用戶m在第k個下行子載波上的功 率， I
m = 1，2,. . .，M，k = 1，2,. . .，KD，為用戶m在第k個下行子載波上的信道增益與噪聲比，
為用戶m在第k個下行子載波上的信道增益； 資源分配優(yōu)化問題的約束條件為： ,k = 1，2，...，KU，為上行子載波分配約束，表示每個上行 m=L
子載波同時只能被一個用戶使用；
..，MU，為上行用戶總功率約束，表示用戶分配給子載波 的功率之和不可以超過用戶的總功率Pm; A3 ： am,k^a\i+n jc f πι = I, 2,. . . , M, k = 1,2,..., KD,為每對父互業(yè)務(wù)用戶占用相冋的子 載波約束；
=1，2,. . .，KD，為下行子載波分配約束，表示每個下 行子載波同時只能被一條交互鏈路或者一個非交互業(yè)務(wù)用戶使用；
為下行基站總功率約束，表示基站分配給用戶在所有下行 子載波的功率之和不可以超過基站的總功率Pbs; A6 : 2 e 丨()，1丨，m = 1，2, · · ·，Mu，k = 1，2, · · ·，Ku，為上行參數(shù)取值范圍， = 1表示第k個上行子載波被分配給第m個上行用戶使用，否則《匕=O; A7 : /《，〇，O {0J}，m = 1，2,…，MD，k = 1，2,…，KD，為下行參數(shù)取值范圍， = 1表示第k個下行子載波被分配給第m個下行用戶使用，否則; 步驟3、將步驟2的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量線性約束的凸優(yōu)化問題，所述的凸優(yōu)化問 題的目標函數(shù)為：
其中<，<，/^，μ'為連續(xù)變量；^二為上行子載波分配的最優(yōu)值，
r … π+ r . r, _ _
」 . 步驟4、令/?$+", = 4-< -?，m = 1，2,. . .，Μ，消除凸優(yōu)化問題中等式約束 條件，將凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化只具有變量取值范圍約束的凸優(yōu)化問題；利用次梯度迭代 法對凸優(yōu)化問題進行求解，拉格朗日乘子的次梯度分別為：， m
步驟5、將步驟4中獲得的拉格朗日乘子最優(yōu)值Γ=、Γ=、//=、μ w代入步驟3中 獲得的上下行子載波和子載波功率分配的最優(yōu)值公式，即可以獲得系統(tǒng)上下行子載波和子 載波功率分配的最優(yōu)值《1*、《*L、/二和/^。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDM網(wǎng)絡(luò)上下行資源聯(lián)合分配方法，其特征 在于：步驟1中基站對兩個交互業(yè)務(wù)用戶的上行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)編碼、轉(zhuǎn)發(fā)、解碼的具體流程是： 步驟（1)兩個用戶通過各自上行信道分別將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站； 步驟（2)基站對接收的兩個用戶數(shù)據(jù)進行異或運算； 步驟（3)基站將異或運算所得的數(shù)據(jù)以多播方式下行發(fā)送給兩個用戶，兩個用戶接收 到基站數(shù)據(jù)后，分別將接收到的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的數(shù)據(jù)進行一次異或運算即可得到對方用 戶發(fā)送的數(shù)據(jù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDM網(wǎng)絡(luò)上下行資源聯(lián)合分配方法，其特征 在于：步驟4中迭代的具體過程為： 步驟（1)選定各拉格朗日乘子初值，令i = 〇 ; 步驟（2)計算各拉格朗日乘子次梯度，令g(i)表示所有拉格朗日乘子次梯度的集合，ε 為指定計算精度，如果I |g(i)M < ε，，停止迭代，此時各拉格朗日乘子的值即為最優(yōu)值； 步驟（3)計算步長β i= β d/i ; 步驟（4)根據(jù)迭代公式更新迭代，計算各拉格朗日乘子在第i次迭代數(shù)值，令i = i+1， 轉(zhuǎn)到步驟（2)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于網(wǎng)絡(luò)編碼的OFDMA網(wǎng)絡(luò)上下行資源聯(lián)合分配方法。本發(fā)明將上下行資源聯(lián)合分配技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)相結(jié)合，聯(lián)合應(yīng)用在OFMDA系統(tǒng)的資源分配過程中。利用上下行資源聯(lián)合分配技術(shù)優(yōu)化包含交互業(yè)務(wù)用戶的OFDMA系統(tǒng)資源分配過程，建立了聯(lián)合考慮上下行鏈路狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求的資源分配優(yōu)化模型。同時，利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)在下行鏈路的多播傳輸，進一步提升了系統(tǒng)下行鏈路的資源利用率。本發(fā)明在系統(tǒng)資源受限的情況下，有效提升了OFMDA系統(tǒng)在吞吐量、上下行鏈路資源利用率等多方面的性能。
【IPC分類】H04W72-04, H04L5-00
【公開號】CN104640217
【申請?zhí)枴緾N201510040888
【發(fā)明人】陳惠芳, 謝磊, 劉冰峰
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月27日