基于網絡編碼的ofdma網絡上下行資源聯合分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信中的無線資源管理技術領域，具體涉及一種基于網絡編碼的 0FDMA系統上下行資源聯合分配方法。
【背景技術】
[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 會生態系統正常運轉的信息大動脈。2012年國際電信聯盟將LTE_Advanced(LongTerm Evolution-Advanced,LTE-Advanced)和WirelessMAN-Advanced技術規范確立為第四代 移動通信（ForthGeneration, 4G)的國際標準。在這兩大技術標準中，均采用了正交頻分 多址接入（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，0FDMA)作為其關鍵技術之 一。0FDMA是從正交頻分復用技術發展而來的一種多址接入技術，其實現是為各用戶分配 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能夠提供靈活的資源分配機 制。在0FDMA系統中使用資源分配技術可以根據信道條件和業務需求，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量以及業務的服務質量。0FDMA系統資源 分配技術已經成為當前無線通信領域一個重要的研究熱點。
[0003] 隨無線傳輸技術快速的發展，大量新型的業務類型開始在無線網絡上部署，對資 源分配技術也提出了很多新的需求。例如一些無線交互業務，如無線網絡電話、無線視頻會 議、無線網絡游戲等，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，反而會產生過多的資源浪費。現有的 0FDMA系統資源分配方法，通常將上行和下行鏈路分開進行考慮，將關注的焦點集中于優化 上行或下行其中一條鏈路，顯然無法滿足交互業務同時對上下行鏈路都有性能要求的特殊 需求。當網絡中具有交互業務用戶時，為了有效的提升系統整體表現，在資源分配過程中， 應針對交互業務特殊要求，全面考慮上行和下行鏈路信道條件以及業務需求，在上下行鏈 路聯合進行資源分配優化，即進行上下行資源聯合分配，這對減少系統資源浪費和進一步 提高無線網絡的整體性能具有重要意義。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種0FDMA系統中基于網絡編碼的 上下行資源聯合分配方法，可以更好地適應對稱交互業務的特征，減少資源浪費，從而更加 有效地分配系統資源，提升系統在吞吐量、上下行鏈路資源利用率等多方面的性能。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現的，具體步驟為：
[0006] 步驟1、建立基于網絡編碼的對稱交互業務數據交互策略；所述的對稱交互業務 為處于同一個小區內的兩個用戶通過基站相互發送數據，且數據發送速率相等的通信業 務，具體策略是：
[0007] 兩個交互業務用戶的上行數據到達基站后，基站對數據進行網絡編碼，之后再進 行轉發；兩個用戶接收到基站數據后，利用自己發送的數據將接收到的數據進行解碼，即可 得到對方用戶發送的數據；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據發送到基站；
[0009] 第2步、基站對接收的兩個用戶數據進行異或運算；
[0010] 第3步、基站將異或運算所得的數據以多播方式下行發送給兩個用戶，兩個用戶 接收到基站數據后，分別將接收到的數據與自己發送的數據進行一次異或運算即可得到對 方用戶發送的數據；
[0011] 兩個交互業務用戶A和B的交互速-
【主權項】
1.基于網絡編碼的OFDM網絡上下行資源聯合分配方法，其特征在于，該方法的具體 步驟是： 步驟1、建立基于網絡編碼的對稱交互業務數據交互策略；所述的對稱交互業務為處 于同一個小區內的兩個用戶通過基站相互發送數據，且數據發送速率相等的通信業務，具 體策略是： 兩個交互業務用戶的上行數據到達基站后，基站對數據進行網絡編碼，之后再進行轉 發；兩個用戶接收到基站數據后，利用自己發送的數據將接收到的數據進行解碼，即可得到 對方用戶發送的數據； 兩個交互業務用戶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、將基于網絡編碼的OFDM系統上下行資源聯合分配描述為優化問題；系統中包 含Mu個上行業務用戶和Md個下行業務用戶，其中2M個用戶為對稱交互業務用戶，既具有上 行業務也具有下行業務，組成M條交互鏈路相互發送數據；第m個用戶與第M+m個用戶為一 對對稱交互業務用戶，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 務或只具有下行業務的用戶；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； 優化問題的目標函數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,為每對父互業務用戶占用相冋的子 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務用戶使用；
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的優化問題轉化為連續變量線性約束的凸優化問題，所述的凸優化問 題的目標函數為：
其中<，<，/^，μ'為連續變量；^二為上行子載波分配的最優值，
r … π+ r . r, _ _
」 . 步驟4、令/?$+", = 4-< -?，m = 1，2,. . .，Μ，消除凸優化問題中等式約束 條件，將凸優化問題轉化只具有變量取值范圍約束的凸優化問題；利用次梯度迭代 法對凸優化問題進行求解，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值公式，即可以獲得系統上下行子載波和子 載波功率分配的最優值《1*、《*L、/二和/^。
2. 如權利要求1所述的基于網絡編碼的OFDM網絡上下行資源聯合分配方法，其特征 在于：步驟1中基站對兩個交互業務用戶的上行數據網絡編碼、轉發、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據發送到基站； 步驟（2)基站對接收的兩個用戶數據進行異或運算； 步驟（3)基站將異或運算所得的數據以多播方式下行發送給兩個用戶，兩個用戶接收 到基站數據后，分別將接收到的數據與自己發送的數據進行一次異或運算即可得到對方用 戶發送的數據。
3. 如權利要求1所述的基于網絡編碼的OFDM網絡上下行資源聯合分配方法，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值； 步驟（3)計算步長β i= β d/i ; 步驟（4)根據迭代公式更新迭代，計算各拉格朗日乘子在第i次迭代數值，令i = i+1， 轉到步驟（2)。
【專利摘要】本發明涉及基于網絡編碼的OFDMA網絡上下行資源聯合分配方法。本發明將上下行資源聯合分配技術和網絡編碼技術相結合，聯合應用在OFMDA系統的資源分配過程中。利用上下行資源聯合分配技術優化包含交互業務用戶的OFDMA系統資源分配過程，建立了聯合考慮上下行鏈路狀態和業務需求的資源分配優化模型。同時，利用網絡編碼技術實現系統在下行鏈路的多播傳輸，進一步提升了系統下行鏈路的資源利用率。本發明在系統資源受限的情況下，有效提升了OFMDA系統在吞吐量、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
【申請號】CN201510040888
【發明人】陳惠芳, 謝磊, 劉冰峰
【申請人】浙江大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月27日