基于网络编码的ofdma网络上下行资源联合分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信中的无线资源管理技术领域，具体涉及一种基于网络编码的 0FDMA系统上下行资源联合分配方法。
【背景技术】
[0002] 随着人类社会信息化的加速，整个社会对信息通信的需求水平明显提升，可以 说信息通信对人类社会的价值和贡献将远远超过通信本身，信息通信将成为维持整个社 会生态系统正常运转的信息大动脉。2012年国际电信联盟将LTE_Advanced(LongTerm Evolution-Advanced,LTE-Advanced)和WirelessMAN-Advanced技术规范确立为第四代 移动通信（ForthGeneration, 4G)的国际标准。在这两大技术标准中，均采用了正交频分 多址接入（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，0FDMA)作为其关键技术之 一。0FDMA是从正交频分复用技术发展而来的一种多址接入技术，其实现是为各用户分配 一个或一组子信道，其子载波的正交性和多用户分集使得系统能够提供灵活的资源分配机 制。在0FDMA系统中使用资源分配技术可以根据信道条件和业务需求，灵活地向用户分配 子载波和功率等资源，有效提高无线信号的传输质量以及业务的服务质量。0FDMA系统资源 分配技术已经成为当前无线通信领域一个重要的研究热点。
[0003] 随无线传输技术快速的发展，大量新型的业务类型开始在无线网络上部署，对资 源分配技术也提出了很多新的需求。例如一些无线交互业务，如无线网络电话、无线视频会 议、无线网络游戏等，用户的满意度是受到上下行链路效用共同影响的，单独提高上行或者 下行效用并不能使用户的整体满意度得到有效提升，反而会产生过多的资源浪费。现有的 0FDMA系统资源分配方法，通常将上行和下行链路分开进行考虑，将关注的焦点集中于优化 上行或下行其中一条链路，显然无法满足交互业务同时对上下行链路都有性能要求的特殊 需求。当网络中具有交互业务用户时，为了有效的提升系统整体表现，在资源分配过程中， 应针对交互业务特殊要求，全面考虑上行和下行链路信道条件以及业务需求，在上下行链 路联合进行资源分配优化，即进行上下行资源联合分配，这对减少系统资源浪费和进一步 提高无线网络的整体性能具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种0FDMA系统中基于网络编码的 上下行资源联合分配方法，可以更好地适应对称交互业务的特征，减少资源浪费，从而更加 有效地分配系统资源，提升系统在吞吐量、上下行链路资源利用率等多方面的性能。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤为：
[0006] 步骤1、建立基于网络编码的对称交互业务数据交互策略；所述的对称交互业务 为处于同一个小区内的两个用户通过基站相互发送数据，且数据发送速率相等的通信业 务，具体策略是：
[0007] 两个交互业务用户的上行数据到达基站后，基站对数据进行网络编码，之后再进 行转发；两个用户接收到基站数据后，利用自己发送的数据将接收到的数据进行解码，即可 得到对方用户发送的数据；具体流程如下：
[0008] 第1步、两个用户通过各自上行信道分别将数据发送到基站；
[0009] 第2步、基站对接收的两个用户数据进行异或运算；
[0010] 第3步、基站将异或运算所得的数据以多播方式下行发送给两个用户，两个用户 接收到基站数据后，分别将接收到的数据与自己发送的数据进行一次异或运算即可得到对 方用户发送的数据；
[0011] 两个交互业务用户A和B的交互速-
【主权项】
1.基于网络编码的OFDM网络上下行资源联合分配方法，其特征在于，该方法的具体 步骤是： 步骤1、建立基于网络编码的对称交互业务数据交互策略；所述的对称交互业务为处 于同一个小区内的两个用户通过基站相互发送数据，且数据发送速率相等的通信业务，具 体策略是： 两个交互业务用户的上行数据到达基站后，基站对数据进行网络编码，之后再进行转 发；两个用户接收到基站数据后，利用自己发送的数据将接收到的数据进行解码，即可得到 对方用户发送的数据； 两个交互业务用户A和B的交互速率其中G为用户A的最 大上行速率，CBU为用户B的最大上行速率，Cf为用户A的最大下行速率，CB D为用户B的最 大下行速率； 步骤2、将基于网络编码的OFDM系统上下行资源联合分配描述为优化问题；系统中包 含Mu个上行业务用户和Md个下行业务用户，其中2M个用户为对称交互业务用户，既具有上 行业务也具有下行业务，组成M条交互链路相互发送数据；第m个用户与第M+m个用户为一 对对称交互业务用户，组成第m条交互链路，m = 1，2,...，M，其他剩余用户为只具有上行业 务或只具有下行业务的用户；上行信道带宽为Bu包含K u个上行子载波；下行信道带宽为BD 包含Kd个下行子载波； 优化问题的目标函数2
，其中匕为 用户m和用户M+m的交互速率，I ;用户m的最大上
行速2 m = 1，2,. . .，Mu，其中u为上行子 αη，Λ- 载波分配因子，为用户m分配给第k个上行子载波的功率，为用户m在 第k个上行子载波上的信道增益与噪声比，= |Α&|2八AZuSu/尺I，为用 户m在第k个上行子载波上的信道增益，Ntl为加性高斯白噪声功率谱密度；用 户m的最大下行速-
，m = 1，2, . . .，M11，其中 为下行子载波分配因子，为基站分配给用户m在第k个下行子载波上的功 率， I
m = 1，2,. . .，M，k = 1，2,. . .，KD，为用户m在第k个下行子载波上的信道增益与噪声比，
为用户m在第k个下行子载波上的信道增益； 资源分配优化问题的约束条件为： ,k = 1，2，...，KU，为上行子载波分配约束，表示每个上行 m=L
子载波同时只能被一个用户使用；
..，MU，为上行用户总功率约束，表示用户分配给子载波 的功率之和不可以超过用户的总功率Pm; A3 ： am,k^a\i+n jc f πι = I, 2,. . . , M, k = 1,2,..., KD,为每对父互业务用户占用相冋的子 载波约束；
=1，2,. . .，KD，为下行子载波分配约束，表示每个下 行子载波同时只能被一条交互链路或者一个非交互业务用户使用；
为下行基站总功率约束，表示基站分配给用户在所有下行 子载波的功率之和不可以超过基站的总功率Pbs; A6 : 2 e 丨()，1丨，m = 1，2, · · ·，Mu，k = 1，2, · · ·，Ku，为上行参数取值范围， = 1表示第k个上行子载波被分配给第m个上行用户使用，否则《匕=O; A7 : /《，〇，O {0J}，m = 1，2,…，MD，k = 1，2,…，KD，为下行参数取值范围， = 1表示第k个下行子载波被分配给第m个下行用户使用，否则; 步骤3、将步骤2的优化问题转化为连续变量线性约束的凸优化问题，所述的凸优化问 题的目标函数为：
其中<，<，/^，μ'为连续变量；^二为上行子载波分配的最优值，
r … π+ r . r, _ _
」 . 步骤4、令/?$+", = 4-< -?，m = 1，2,. . .，Μ，消除凸优化问题中等式约束 条件，将凸优化问题转化只具有变量取值范围约束的凸优化问题；利用次梯度迭代 法对凸优化问题进行求解，拉格朗日乘子的次梯度分别为：， m
步骤5、将步骤4中获得的拉格朗日乘子最优值Γ=、Γ=、//=、μ w代入步骤3中 获得的上下行子载波和子载波功率分配的最优值公式，即可以获得系统上下行子载波和子 载波功率分配的最优值《1*、《*L、/二和/^。
2. 如权利要求1所述的基于网络编码的OFDM网络上下行资源联合分配方法，其特征 在于：步骤1中基站对两个交互业务用户的上行数据网络编码、转发、解码的具体流程是： 步骤（1)两个用户通过各自上行信道分别将数据发送到基站； 步骤（2)基站对接收的两个用户数据进行异或运算； 步骤（3)基站将异或运算所得的数据以多播方式下行发送给两个用户，两个用户接收 到基站数据后，分别将接收到的数据与自己发送的数据进行一次异或运算即可得到对方用 户发送的数据。
3. 如权利要求1所述的基于网络编码的OFDM网络上下行资源联合分配方法，其特征 在于：步骤4中迭代的具体过程为： 步骤（1)选定各拉格朗日乘子初值，令i = 〇 ; 步骤（2)计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 为指定计算精度，如果I |g(i)M < ε，，停止迭代，此时各拉格朗日乘子的值即为最优值； 步骤（3)计算步长β i= β d/i ; 步骤（4)根据迭代公式更新迭代，计算各拉格朗日乘子在第i次迭代数值，令i = i+1， 转到步骤（2)。
【专利摘要】本发明涉及基于网络编码的OFDMA网络上下行资源联合分配方法。本发明将上下行资源联合分配技术和网络编码技术相结合，联合应用在OFMDA系统的资源分配过程中。利用上下行资源联合分配技术优化包含交互业务用户的OFDMA系统资源分配过程，建立了联合考虑上下行链路状态和业务需求的资源分配优化模型。同时，利用网络编码技术实现系统在下行链路的多播传输，进一步提升了系统下行链路的资源利用率。本发明在系统资源受限的情况下，有效提升了OFMDA系统在吞吐量、上下行链路资源利用率等多方面的性能。
【IPC分类】H04W72-04, H04L5-00
【公开号】CN104640217
【申请号】CN201510040888
【发明人】陈惠芳, 谢磊, 刘冰峰
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月27日