一种基于最低速率约束的跨层资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于最低速率约束的跨层资源分配方法，利用用户反馈的信道状态信息、用户的QoS要求和MAC层队列状态信息，动态地为每个用户分配载波和功率资源，在满足用户QoS要求和保持用户之间公平性的前提下，最大化系统吞吐量。本发明专利技术可保证用户的QoS要求和公平性，有效提高系统吞吐量。采用载波和载波上功率联合分配的方法；相比于多数传统的载波和功率分开分配的资源分配方案可有效提高系统吞吐量；使用所有等效特征子信道来传送数据，相比于多数资源分配方法中只使用一个特征子信道来发送信号，可以更充分的利用空间信道资源。

【技术实现步骤摘要】
一种基于最低速率约束的跨层资源分配方法
本专利技术属于无线通信系统的跨层设计和资源分配
，尤其涉及一种基于最低速率约束的跨层资源分配方法。
技术介绍
随着无线移动通信的不断发展，人们对无线宽带服务需求呈指数型增长，无线通信面临两个最严峻的挑战：多径衰落和频谱资源有限。正交频分复用(OFDM)技术将频率选择性信道转变为一系列平坦衰落的窄带子信道，可有效对抗无线信道的多径衰落。多输入多输出(MIMO)技术利用空间复用技术，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，同时还可利用空间分集技术同时传输同一信息流的多个副本，提升系统传输的可靠性。因此，将OFDM技术与MIMO技术相结合的MIMO-OFDM系统，既能对抗频率选择性衰落，又能有效地提高系统容量和频谱效率，为下一代移动通信系统的实现提供了技术保证。同时，无线宽带的业务种类日益增长且不同业务有不同的服务质量需求，为了适应无线通信系统的这一特点，有必要综合考虑不同用户服务质量(QoS)需求、媒体接入控制(MAC)层队列情况和物理层信道状态信息来对MIMO-OFDM系统的资源进行合理分配，在保证不同用户不同业务QoS要求的前提下保证用户的公平性并使系统的吞吐量最大化。多用户MIMO-OFDM系统的资源包括空-时-频三维资源以及发送功率，资源分配的方法更加复杂。目前，在多用户MIMO-OFDM系统中，为了避免用户之间的干扰，每个子载波只能分给一个用户，并对MIMO信道进行奇异值分解得到并行独立特征子信道。多数资源分配方法只考虑了物理层的信道状态信息，而未考虑系统其他层的性能(如MAC层的队列状态信息)，并且只是用一个特征子信道来发送信号，这样并不能充分利用空间信道资源。虽然有些方案使用所有子信道来传送数据，但每个子信道上的功率是平均分配的，由于各个子信道的信噪比相差较大，平均分配功率会降低系统性能。因此，需要提出一种新的跨层资源分配方法，在满足不同用户不同业务QoS要求的前提下，充分利用系统资源，有效提高系统吞吐量。综上所述，针对现有技术的缺点，本专利技术旨在解决由于分层设计信息不完整造成的资源分配不合理的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于最低速率约束的跨层资源分配方法，旨在解决由于分层设计信息不完整造成的资源分配不合理的问题。本专利技术是这样实现的，所述基于最低速率约束的跨层资源分配方法利用用户反馈的信道状态信息、用户的QoS要求和MAC层队列状态信息，动态地为每个用户分配载波和功率资源，在满足用户QoS要求和保持用户之间公平性的前提下，最大化系统吞吐量；为实现最大化系统吞吐量的目标，给出载波和载波上功率分配问题的数学模型：其中，Bn为系统分配给每个子载波的带宽且Bn＝B/N，B为系统总带宽，N为总载波数pk,n表示用户k在载波n上分配到的功率，N0为高斯白噪声的功率谱密度，表示用户k物理层的最低速率约束；ck,n为载波分配因子，若载波已分配则取值为1，否则为0，为了将上式描述的问题转化为凸优化问题，其取值放宽到[0,1]区间内，即hk,n表示用户k在载波n上的信道增益；M＝min(Nr,Nt)，用户k在载波n上的第m个等效子信道的信道增益为ρk,n,m；ρk,n,1:…:ρk,n,M＝β1:…:βM，则：进一步，所述基于最低速率约束的跨层资源分配方法包括以下步骤：步骤一，对各用户媒体接入控制层的缓存队列进行马尔科夫状态分析，将不同用户所请求业务的不同服务质量要求即分组损耗要求转化成物理层的最低速率约束条件；步骤二，多用户MIMO-OFDM系统中，基站将用户反馈的信道状态信息矩阵进行奇异值分解，得到特征向量和特征值，并采用波束成形的方法将每个子载波上的MIMO信道进一步分解为多个并行独立的特征子信道；步骤三，载波和载波上功率的分配：以满足用户最低速率约束所消耗的总功率最小为目标，对载波和载波上功率进行联合分配；总发射功率中去掉满足用户最低速率约束所消耗总功率后即为剩余的发射功率，将剩余发射功率以最大化系统吞吐量为优化目标分配给各个载波；步骤四，对每个载波分配到的功率采用注水算法分配给各个等效子信道。进一步，所述在步骤三中载波和载波上功率的分配包括：(1)以满足最低速率约束而消耗的总功率Ptotal最小为目标，进行载波和载波上功率的联合分配。(2)对剩余功率以最大化系统吞吐量为目标进行分配。(1)令sk,n表示用户k为满足自身速率约束在子载波n上需要消耗的功率，以满足用户最低速率约束而消耗的总功率Ptotal最小为目标，给出优化问题的数学模型：其中，Ωk为用户k获得的载波集合，由KKT条件，可求得将上式带入中，求出Φk、用户k为满足最低速率约束需要消耗的功率Pk和所有用户为满足最低速率约束消耗的总功率Ptotal为：以满足最低速率约束而消耗的总功率Ptotal最小为目标，物理层载波和载波上功率联合分配的方法具体步骤如下：初始化:令A＝{1,2,...,N}表示子载波编号集，B＝{1,2,……K}表示用户集，Ωk表示用户k获得的子载波集合，k＝1,2,...,K，初始化B*＝B；分配首载波：当B*≠φ时，循环执行：求出每个用户信道增益的最大值，选择信道增益最大值最小的用户，即将对应信道增益最大的子载波n*加入到该用户的子载波集合中，更新A＝A-{n*}，B*＝B*-{k*}，由上述推导得出的公式计算出用户k*需要消耗的功率以及总的消耗功率Ptotal；剩余载波的分配：当需要消耗的总功率比系统发射总功率大，即Ptotal＞PT时，循环执行；优先选择消耗功率Pk最多的用户，即将对应信道增益最好的子载波n*加入到该用户的载波集合中。若更新A＝A-{n*}，由上述推导得出的公式更新和Ptotal；若将k*从集合B中去掉。若Ptotal≤PT，且B≠φ，则循环执行：从B中优先选择消耗功率Pk用户，即将对应信道增益最好的子载波n*加入到该用户的载波集合中。当时，更新A＝A-{n*}，由上述推导得出的公式更新和Ptotal；当时，将k*从集合B中去掉；若Ptotal≤PT，B＝φ，则循环执行：在所有用户中选择信道增益值最大的用户，即将对应信道增益值最大的子载波n*加入到此用户的载波集合中，更新A＝A-{n*}，(2)剩余功率的分配步骤(1)完成后，已知各用户获得的子载波集合以及为实现最低速率约束每个载波上消耗的功率，计算出系统为实现最低速率约束所消耗的总功率，总发射功率去掉满足用户最低速率限制所消耗的总功率后剩余的功率则以最大化系统吞吐量为优化目标分配给各个载波；继续进行优化，可得到每个载波上最终分配到的功率。给出该优化问题的数学模型：由KKT条件可解得其中，可以看出，上述功率最佳解决方案是一个多级注水解。当时，此时注水水平就是Φ；当此时注水水平Φ＝Φk；子载波n的功率表示为：其中，注水水平Φ通过以下表达式求得:进一步，所述步骤四中各载波的等效子信道上功率分配包括：物理层各载波和各载波上功率分配完毕后，以吞吐量最大化为目标，给出各载波的等效子信道上的功率分配问题的数学模型：其中，Bn,m＝B/N/M，上述问题是凸优化问题，由KKT条件用户k在载波n的第m个等效子信道上分配到的功率pk,n,m为：本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最低速率约束的跨层资源分配方法，其特征在于，所述基于最低速率约束的跨层资源分配方法利用用户反馈的信道状态信息、用户的QoS要求和MAC层队列状态信息，动态地为每个用户分配载波和功率资源，在满足用户QoS要求和保持用户之间公平性的前提下，最大化系统吞吐量；为实现最大化系统吞吐量的目标，给出载波和载波上功率分配问题的数学模型：

【技术特征摘要】
1.一种基于最低速率约束的跨层资源分配方法，其特征在于，所述基于最低速率约束的跨层资源分配方法利用用户反馈的信道状态信息、用户的QoS要求和MAC层队列状态信息，动态地为每个用户分配载波和功率资源，在满足用户QoS要求和保持用户之间公平性的前提下，最大化系统吞吐量；为实现最大化系统吞吐量的目标，给出载波和载波上功率分配问题的数学模型：其中，Bn为系统分配给每个子载波的带宽且Bn＝B/N，B为系统总带宽，N为总载波数，pk,n表示用户k在载波n上分配到的功率，N0为高斯白噪声的功率谱密度，表示用户k物理层的最低速率约束；ck,n为载波分配因子，若载波已分配则取值为1，否则为0，为了将上式描述的问题转化为凸优化问题，其取值放宽到[0,1]区间内，即hk,n表示用户k在载波n上的信道增益；M＝min(Nr,Nt)，用户k在载波n上的第m个等效子信道的信道增益为ρk,n,m；ρk,n,1:…:ρk,n,M＝β1:…:βM，则：2.如权利要求1所述的基于最低速率约束的跨层资源分配方法，其特征在于，所述基于最低速率约束的跨层资源分配方法包括以下步骤：步骤一，对各用户媒体接入控制层的缓存队列进行马尔科夫状态分析，将不同用户所请求业务的不同服务质量要求即分组损耗要求转化成物理层的最低速率约束条件；步骤二，多用户MIMO-OFDM系统中，基站将用户反馈的信道状态信息矩阵进行奇异值分解，得到特征向量和特征值，并采用波束成形的方法将每个子载波上的MIMO信道进一步分解为多个并行独立的特征子信道；步骤三，载波和载波上功率的分配：以满足用户最低速率约束所消耗的总功率最小为目标，对载波和载波上功率进行联合分配；总发射功率中去掉满足用户最低速率约束所消耗总功率后即为剩余的发射功率，将剩余发射功率以最大化系统吞吐量为优化目标分配给各个载波；步骤四，对每个载波分配到的功率采用注水算法分配给各个等效子信道。3.如权利要求2所述的基于最低速率约束的跨层资源分配方法，所述在步骤三中载波和载波上功率的分配，其特征在于，用户分配载波和功率能使得系统为满足用户最低速率约束而消耗的总功率Ptotal最小，从而使得系统中有更多的功率剩余用于最大化吞吐量；(1)先解决满足用户最低速率约束消耗的总功率Ptotal最小的问题，令sk,n表示用户k满足自身速率约束在子载波n上需要消耗的功率，优化问题的数学模型：其中，Ωk为用户k获得的载波集合，由KKT条件，可求得将上式带入中，求出Φk、用户k为满足最低速率约束需要消耗的功率Pk和所有...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，周秀秀，郭漪，闫俊旺，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61