一种多无线电系统中基于公平性和精细化带宽分配的资源分配方法技术方案

本发明专利技术针对基于OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）的多载波系统中用户比例公平性和系统效率问题进行了研究，提出了一种联合资源分配方法，不仅保证了用户比例公平性下系统的吞吐量，还充分考虑了分配的带宽是子信道带宽整倍数的特点，对分配给每个终端的带宽进行子信道整数倍调整。最后通过仿真对比，从吞吐量和公平性两方面说明了本发明专利技术的优越性。

【技术实现步骤摘要】
一种多无线电系统中基于公平性和精细化带宽分配的资源分配方法
：本专利技术主要涉及基于OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)的无线异构网络系统的联合资源分配问题，涉及到用户比例公平性和系统效率的平衡问题，特别涉及一种基于公平性和精细化带宽分配的资源分配方法。
技术介绍
：随着无线通信的飞速发展，出现了多种无线网络以及多模终端，为了容纳更多的用户，提供更高质量的服务，下一代无线通信将是一种融合了多种无线接入技术(RadioAcessTechnologies,RAT，如Wimax、LTE、WCDMA、TD-SCDMA、WLAN等)的异构无线网络。异构网络融合的关键在于将不同接入网络的无线资源进行联合管理，实现频谱资源在各无线接入网络之间的共享，从而提高频谱资源利用率，提高系统吞吐量。在异构网络中有多种多址接入技术，其中OFDMA技术广泛应用于各种主流无线网络(LTE、Wimax等)中，由于底层资源都是基于OFDMA的时频块，所以使用OFDMA方式的异构网络更容易进行资源联合管理[1][2](Bashar,S.;ZhiDing,"AdmissioncontrolandresourceallocationinaheterogeneousOFDMAwirelessnetwork,"WirelessCommunications,IEEETransactionson,vol.8,no.8,pp.4200,4210,August2009)(XingZhang;LeiFu;XinWu;WenboWang,"OntheStudyofRadioResourceAllocationofHeterogeneousServiceswithSoftQoSTrafficsinOFDMA-basedWirelessNetworks,"ComputerandInformationTechnology(CIT),2010IEEE10thInternationalConferenceon,vol.,no.,pp.2556,2561,June292010-July12010)。目前对于异构网络资源分配有着广泛的研究，文献[3](YonghoonChoi;HoonKim;Sang-wookHan;YoungnamHan,“JointResourceAllocationforParallelMulti-RadioAccessinHeterogeneousWirelessNetworks,”WirelessCommunications,IEEETransactionson,vol.9,no.11,pp.3324,3329,November2010)在异构网络中提出了一种基于最大化上行吞吐量的联合资源分配方法；文献[4](R.ShyamSundar,S.NandaKumar.“Performanceimprovementofheterogeneouswirelessnetworksusingmodifiednewtonmethod,”[J].InternationalJournalofSoftwareEngineering&Applications(IJSEA).May2012,3(3):79-90.)在文献[3]的基础上进行了深入研究，改进了求解中使用的牛顿迭代法，这些研究的总体最优化目标都是最大化系统吞吐量，信道质量较好的用户能够得到较大的网络带宽，这对于信道质量差的用户很不公平；文献[5](Shaat,M.;Bader,F.,"Efficientresourceallocationalgorithmforuplinkinmulticarrier-basedcognitiveradionetworkswithfairnessconsideration,"Communications,IET,vol.5,no.16,pp.2328,2338,November42011doi:10.1049/iet-com.2010.1062)提出了一种考虑了公平性的两步走资源分配方法，首先根据信道质量为每一个用户分配子载波，然后再进行发射功率的分配，这种非联合资源分配方法必定会损失部分系统吞吐量；总体来说，以上涉及到OFDMA异构网络系统的文献中都没有很好地解决公平性和系统效率之间的关系，同时假设了带宽是连续性变量且分配时没有考虑带宽是子信道整数倍的特点。
技术实现思路
：专利技术目的是提出一种比例公平性方法，即使得系统总速率在不同的用户间在某种意义上是公平的，同时使得系统总速率在一定意义上最大。本专利技术解决的问题主要有两个：一是考虑了多系统用户联合资源分配公平性和系统效率平衡的问题，提出了一种新的系统吞吐量损失较小的公平资源分配优化模型，最大限度优化了公平效率问题；二是考虑了在以OFDMA为多址接入方式的系统中网络端分配给用户的带宽是子信道带宽整倍数的特点，收集取整后的剩余带宽进行了重新分配，充分利用了带宽资源，提高了系统吞吐量。本专利技术将用户端功率和网络端带宽建模为联合最优化模型,通过梯度法求得近似最优解,然后对分配给每个终端的带宽进行子信道整数倍调整；最后通过仿真对比，从吞吐量和公平性两方面说明了此方法的优越性。步骤一、将用户端功率和网络端带宽建模为基于公平性的联合最优化模型：本专利技术所研究的问题基于说明书附图1所示的网络系统模型。采用分流控制方法，用户的业务将能够同时由多个网络承载，也就是将业务分为若干个子业务流分配给不同的无线网络进行传输，最终在用户终端重聚，这种方式能够平衡网络负载，大幅提高业务吞吐量[6](赵远林.无线泛在网络下虚拟终端系统若干关键技术研究[D].南京邮电大学,2013.)。数据传输过程中，每一种NT都会为各个UE分配不同的带宽资源和发射功率，假设信道衰落是慢变的，即信道在一个资源分配周期内保持固定，再假设网络t分配给用户s的子信道带宽是连续的，则异构系统中UEs(s=1,2,3…S)的吞吐量可表示为[3]：通常我们取βt=1，ηst=0，令因此式(1)可简化为：下面我们将推出一种比例公平性方法，使得速率Rs在不同的用户间在某种意义上是公平的，同时使得系统总速率之和在一定意义上最大，也就是说此方法同时兼顾了公平性和系统效率：将此问题写成最大化用户的传输数据速率的对数和形式，则可将最优化问题建模为如式(3)所示，其近似最优解易通过最优化方法中的梯度法得到，且其局部最优解即为全局最优解；步骤二、忽略条件d的前提下，通过梯度法求得近似最优解，所述方法如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种OFDMA多系统中基于公平性和精细化带宽分配的联合资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、将用户端功率和网络端带宽建模为基于公平性的联合最优化模型：数据传输过程中，每一种NT都会为各个UE分配不同的带宽资源和发射功率，假设信道衰落是慢变的，即信道在一个资源分配周期内保持固定，再假设网络t分配给用户s的子信道带宽是连续的，则异构系统中UEs(s=1,2,3…S)的吞吐量可表示为[3]：Rs=Σt=1Trst=Σt=1T(1-ηst)βtxstlog2(1+|H|2pstNstxst)---(1)]]>其中rst为UEs在NTt内的数据速率，ηst(0≤ηst≤1)为UEs到NTt的平均误比特率[8]，其值为远远小于1的正数，βt(0＜βt＜1)为NTt的系统效率[9]，其值和信道的编码方式有关，xst为网络NTt分配给UEs的带宽，pst为UEs在NTt的发射功率，|Hst|2表示信道传输增益，Nst表示此时的噪声功率谱密度。我们取βt=1，ηst=0，令因此式(1)可简化为：Rs=Σt=1Trst=Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst)---(2)]]>设置一种比例公平性方法，使得速率Rs在不同的用户间在某种意义上是公平的，同时使得系统总速率之和在一定意义上最大，也就是说此方法同时兼顾了公平性和系统效率：将此问题写成最大化用户的传输数据速率的对数和形式，则可将最优化问题建模为如式(3)所示，其近似最优解易通过最优化方法中的梯度法得到，且其局部最优解即为全局最优解；maxΣs=1SlnRs=maxΣs=1Sln(Σt=1Trst)=maxΣs=1Sln(Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst))]]>步骤2、忽略条件d的前提下，通过梯度法求得近似最优解，所述方法如下：最优化问题的拉格朗日函数为：L(x,p;λ,μ)=Σs=1S(Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst))+Σt=1Tλt(Xt-Σs=1Sxst)+Σs=1Sμs(Ps-Σt=1Tpst)=Σs=1S[ln(Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst))-Σt=1Tλtxst+μsPs-μsΣt=1Tpst]+Σt=1TλtXt---(4)]]>其中λ=[λ1，λ2，...λm]是与接入点带宽分配约束相关的乘子向量，而μ=[μ1，μ2，...μn]是与用户端发送功率约束相关的乘子向量；利用KKT条件[10]求得带宽分配与功率分配之间的关系：pst=xst·[1ln2·RsμS-1gst]+---(5)]]>其中[a]+＝max{a,0}；本方法采用梯度法更新带宽[10]，选取合适的步长a则xst,可收敛：xstk+1=[xstk-a∂L∂xst]+,∀s,t---(6)]]>在已知xst,下，根据式(5)，则可求得pst,同样采用梯度法更新拉格朗日乘子λ和μ，如下：λtk+1=[λtk-b(Xt-Σs=1Sxst)]+,∀t---(7)]]>μsk+1[μsk-c(Ps-Σt=1Tpst)]+,∀s---(8)]]>其中k为迭代轮次，b和c为迭代步长。通过选取合适的迭代步长理论上可以保证收敛；由式(5)我们可以看到，功率分配pst、带宽分配xst和用户当前速率Rs之间相互关联，因此需要采用如下的迭代方法求解；Rs更新如下：Rsm+1=Rsm-dm(Rsm-Σs=1Sln(Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst)))---(9)]]>其中m为速率迭代次数，d是UEm速率更新迭代步长。通过选取合适的迭代步长可以保证速率的收敛性；步骤3、根据步骤2求出的近似最优解，对所有求得的带宽χst取向下的最大子信道带宽整数倍：其中dt代表网络NTt的子信道带宽，然后对于每一个NT，统计剩余带宽资源为了保证公平性，对于每一个NT，将剩余带宽资源按照子信道带宽为单元分配给带宽最小的UEs：For NT t=1：TWhile(Xt*>dt)]]>选取带宽最小的UEs，分配一个dt给它，更新UEs带宽以及剩余带宽资源;End WhileEnd For步骤4、为了衡量用户比例公平性，引...

【技术特征摘要】
1.一种OFDMA多系统中基于公平性和精细化带宽分配的联合资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、将用户端功率和网络端带宽建模为基于公平性的联合最优化模型：数据传输过程中，每一种网络技术(NetworkTechnology，NT)都会为各个UE分配不同的带宽资源和发射功率，假设信道衰落是慢变的，即信道在一个资源分配周期内保持固定，再假设网络t分配给用户s的子信道带宽是连续的，则异构系统中UEs(s＝1,2,3…S)的吞吐量可表示为：其中rst为UEs在NTt内的数据速率，ηst为UEs到NTt的平均误比特率，其值为远远小于1的正数，βt(0≤βt≤1)为NTt的系统效率，其值和信道的编码方式有关，xst为网络NTt分配给UEs的带宽，pst为UEs在NTt的发射功率，|Hst|2表示信道传输增益，Nst表示此时的噪声功率谱密度；我们取βt＝1，ηst＝0，令因此式(1)可简化为：设置一种比例公平性方法，使得速率Rs在不同的用户间在某种意义上是公平的，同时使得系统总速率之和在一定意义上最大，也就是说此方法同时兼顾了公平性和系统效率：将此问题写成最大化用户的传输数据速率的对数和形式，则可将最优化问题建模为如式(3)所示，其近似最优解易通过最优化方法中的梯度法得到，且其局部最优解即为全局最优解；步骤2、忽略条件d的前提下，通过梯度法求得近似最优解，所述方法如下：最优化问题的拉格朗日函数为：其中λ＝[λ1,λ2,...λm]是与接入点带宽分配约束相关的乘子向量，而μ＝[μ1,μ2,...μn]是与用户端发送功率约束相关的乘子向量；利用KKT条件求得带宽分配与功率分配之间的关系：其中[a]+＝max{a,0}；本方法采用梯度法更新带宽，选取合适的步长a则xst,可收敛：在已知xst,下，根据式(5)，则可求得pst,同样采用梯度法更新拉格朗日乘子λ和μ，如下：其中k为迭代轮次，b和c为迭代步长，通过选取合适的迭代步长理论上可以保证收敛；由式(5)我们可以看到，功率分配pst、带宽分配xst和用户当前速率Rs之间相互关联，因此需要采用如下的迭代方法求解；Rs更新如下：其中m为速率迭代次数，d是UEm速率更新迭代步长，通过选取合适的迭代步长可以保...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘甦，曹跑跑，张磊，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32