CN101568073B - 一种多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法，特征是在多描述编码基础上首先根据各用户在各个子载波上的信道增益状态初步确定子载波分配；然后利用多描述码的特性，计算子载波分配给各多播组最大传输速率，并根据各个子载波在不同的多播组中的最大传输速率来调整子载波分配；最后再在子载波间进行功率分配。本发明由于利用多描述编码灵活的解码特性，将子载波分配给某个多播组时只分配给多播组内部分信道增益较高的用户，进而在子载波调制阶数的选取时，不受限于信道增益最差的用户，从而提高了系统频谱效率；同时本发明方法还能支持多个多播组的应用以及调制阶数为离散值，因而具有很强的实用性。

Description

一种多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法 

技术领域

本发明属于移动通信中的资源分配方法技术领域，特别涉及多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法。 

背景技术

在移动通信中，用户获得的服务质量与他所处的信道状态有直接的关系，如何合理地分配系统资源以对抗用户信道衰落，使其获得满意的服务质量，是移动通信中一个重点的研究问题。美国《国际电气与电子工程师协会国际通信会议论文集》(“Dynamic Power andSubcarrier Allocation for OFDMA-Based Wireless Multicast Systems”IEEE ICC 08，Beijing：2008，2607-2611.)介绍了一种连续比特资源分配算法(RAA-CB)。但该技术由于根据组内信道状态最差的用户进行资源分配，其系统性能受限于该用户；另外，由于该方法假定子载波上可传送的比特数为连续值，而实际系统中调制阶数均为离散值，所以该方法在实际应用中受到较大限制。 

发明内容：

本发明的目的是提出一种多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法，以克服现有技术的上述缺陷，提高系统的频谱效率。 

本发明多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法，其特征在于步骤如下： 

编码步骤I：由发送基站的编码模块使用多描述编码产生小于或等于子载波数的多个描述； 

子载波分配因子初始化步骤II：发送基站的子载波分配模块根据各个用户在每个子载波上的等效信道增益和各个子载波上均分的功率，在可选的调制阶数下，根据子载波分配公式 

${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}{\mathrm{\α}}_{g,k,m}\≥f\left(c\right)/P_m\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.---\left(1\right)$

确定子载波分配因子；公式(1)中，α_g，k，m是多播组g中第k个用户在子载波m上的等效信道增益，c为调制阶数，f(c)＝2^c-1为使用调制阶数c时接收端所需的等效接收功率，P_m为设定的每个子载波上均分的功率，子载波分配因子 ${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=1$ 时表示在调制阶数为c时将第m个子载波分配给多播组g中的第k个用户，子载波分配因子 ${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=0$ 则表示不分配； 

最优调制阶数选择步骤III：发送基站的信号调制模块根据子载波分配因子初始化步骤II中得到的子载波分配因子及各个多播组的用户数，根据最优调制阶数公式 

$c_{g,m}^{*}=\underset{c\∈\{c_0,c_1,...,c_L\}}{\arg \max }\{c\underset{k=1}{\overset{K_g}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c\}---\left(2\right)$

计算各个子载波在各个多播组中在不同调制阶数下的数据速率，并从计算结果中选取使得该速率最大的调制阶数作为最优调制阶数c_g，m ^*；式(2)中{c₀，c₁，...，c_L}为可用调制阶数的集合，K_g为多播组g中的总用户数目； 

传输速率确定步骤IV：发送基站的子载波分配模块根据子载波分配因子初始化步骤II中得到的子载波分配因子 

和最优调制阶数选择步骤III中得到的最优调制阶数， 根据传输速率公式 

$B_{g,m}=c_{g,m}^{*}\underset{k=1}{\overset{K_g}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^{c_{g,m}^{*}}---\left(3\right)$

计算每个子载波在各个多播组单位符号周期中最大传输比特数，即传输速率B_g，m； 

子载波分配更新步骤V：发送基站的子载波分配模块通过最大速率选择公式 

$g_m^{*}=\underset{g\∈\{1,...,G\}}{\arg \max }\left\{B_{g,m}\right\},\∀m---\left(4\right)$

根据传输速率确定步骤IV中计算得到的子载波在各多播组的传输速率B_g，m选择子载波在各个多播组中最大传输速率的最大值，将该子载波分配给与该最大值对应多播组，并根据该子载波与多播组的分配关系按照子载波分配更新公式 

${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_{g_m^{*},k,m}^{c_{g_m^{*},m}^{*}}& \mathrm{ifg}=g_m^{*},c=c^{*}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.,\∀m---\left(5\right)$

更新载波分配因子；上述最大速率选择公式(4)中的G表示系统中多播组数目； 

功率分配步骤VI：发送基站的功率分配模块根据子载波分配更新步骤V中的得到的子载波分配因子ρ_g，k，m ^c，按照现有的多载波系统功率分配方法进行功率的分配。 

所述发送端使用的多描述编码，包括等差错保护的多描述编码或不等差错保护的多描述编码；优选其中的等差错保护多描述编码。 

所述多载波系统包括正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统、多载波码分多址(Multicarrier Code Division Multiple Access)系统或编码多载波调制系统(Coded Multicarrier Modulation)系统；优选其中的正交频分复用系统。 

所述功率分配步骤VI中的功率分配方法中可选用的算法包括休斯-哈特斯(Hughes-Hartogs)算法或穷举算法；优选其中的休斯-哈特斯(Hughes-Hartogs)算法。 

上述本发明方法所依据的流程原理可简化地归纳为：发送端使用多描述编码；在多描述编码基础上首先根据各用户在各个子载波上的信道增益状态初步确定子载波分配；然后利用多描述码的特性，计算子载波分配给各多播组最大传输速率，并根据各个子载波在不同的多播组中的最大传输速率来调整子载波分配；最后再在子载波间进行功率分配。 

本发明方法基于以下工作原理：在多描述编码中，原始媒体流通过编码分割为多个描 述，各描述具有相同的重要性，且都可以自解码恢复出原始媒体流信息。接收端收到的描述越多，恢复出的原始媒体流质量越高。由于多描述编码灵活的解码特性，子载波分配给某个多播组时，可以只分配给多播组内部分信道增益较高的用户，使得该子载波上能使用较高的调制阶数，从而能更有效地进行利用系统资源。 

本发明方法由于在步骤I中利用了多描述编码，且在步骤IV中计算子载波分配给各多播组最大传输速率时，不将该子载波分配给组内信道状况太差的用户，使得该组最大传输速率不受限于信道状况最差的用户，从而有效提高了用户组总的传输速率；使得在步骤V中进行子载波分配时，根据各用户组最大传输速率，能更有效地分配子载波。 

由于上述特征，与现有技术相比较，本发明方法使得系统频谱效率不受限于各个用户组中信道状况最差的用户，从而使系统频谱效率得到提高，能更大的发挥系统传输能力；且本发明方法能有效地应用于多个多播组、多个用户的情况。 

由于本发明基于多个多播组传输数据不同的特性提出了资源分配的方法，所以本发明既能支持单个多播组的应用，也能支持多个多播组的应用；另外本发明还支持调制阶数为离散值，因而具有很强的实用性。 

总之，与现有技术相比，采用本发明能够更优化的分配多载波系统多媒体多播业务的资源分配，有效的提高系统性能，并且适合在实际的通信系统之中应用。 

附图说明

图1是本发明实施例的资源分配方法所获得的系统性能与《国际电气与电子工程师协会国际通信会议论文集》(“Dynamic Power and Subcarrier Allocation for OFDMA-BasedWireless Multicast Systems”IEEE ICC’08，Beijing：2008，2607-2611.)介绍的一种连续比特资源分配算法(RAA-CB)所获得的系统性能的对比曲线。 

图2是本发明实施例中的资源分配方法(MDC-RAA-DB)与由RAA-CB修改的离散比特资源分配算法(RAA-DB)在不同的多播组数目和每组用户数下的性能比较曲线。 

具体实施方式

实施例1： 

在发送端使用多描述码；设所有子载波上等功率地进行子载波的分配；使用多描述编码后，子载波并不一定分配给多播组中的所有用户。 

以下结合附图说明本发明多载波通信系统中自适应的多媒体多播资源分配方法的实施例。 

考察采用本发明方法和采用文献美国《国际电气与电子工程师协会国际通信会议论文集》(“Dynamic Power and Subcarrier Allocation for OFDMA-Based Wireless MulticastSystems”IEEE ICC 08，Beijing：2008，2607-2611.)所介绍的连续比特资源分配算法(RAA-CB)，的系统频谱效率的对比： 

本实施例中设噪声方差σ²归一化为1；用户在各子载波上的信道服从均值为0，方差为1的复高斯分布；调制阶数集合按WiMAX和LTE系统中的配置取{0，2，4，6}分别对应不发送， 使用QPSK调制，16QAM调制和64QAM调制；各多播业务流的误比特率要求均为10^-6，对应信噪比差额为8.1374；子载波数为256，用户数为32，其中前16个用户为一个多播组，后16个用户各为一个多播组，共17个多播组。 

本实施例所采用多载波系统中多媒体多播业务资源分配方法的具体操作步骤如下： 

编码步骤I：由发送基站的编码模块使用多描述编码产生小于或等于子载波数的多个描述；所述发送端使用的多描述编码，包括等差错保护的多描述编码或不等差错保护的多描述编码；本实施例中优选了其中的等差错保护多描述编码。 

子载波分配因子初始化步骤II：首先在子载波之间等功率分配的前提下，根据各个用户的信道增益状态和多播业务流误比特率的要求初步确定在不同调制阶数下，根据子载波分配公式 

${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}{\mathrm{\α}}_{g,k,m}\≥f\left(c\right)/P_m\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.---\left(1\right)$

确定子载波分配因子；公式(1)中，α_g，k，m是多播组g中第k个用户在子载波m上的等效信道增益，c为调制阶数，f(c)＝2^c-1为使用调制阶数c时接收端所需的等效接收功率，P_m为设定的每个子载波上均分的功率，子载波分配因子 ${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=1$ 时表示在调制阶数为c时将第m个子载波分配给多播组g中的第k个用户，子载波分配因子 ${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=0$ 则表示不分配；此时式(1)中P_m＝P/256，P为发送端总功率。 

所述多载波系统包括正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统、多载波码分多址(Multicarrier Code Division Multiple Access)系统或编码多载波调制系统(Coded Multicarrier Modulation)系统；本实施例中优选了其中的正交频分复用系统。 

然后，最优调制阶数选择步骤III：根据最优调制阶数公式 

$c_{g,m}^{*}=\underset{c\∈\{c_0,c_1,{...,c}_L\}}{\arg \max }\{c\underset{k=1}{\overset{K_g}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c\}---\left(2\right)$

计算各个子载波在各个多播组中在不同调制阶数下的数据速率，并从计算结果中选取使得该速率最大的调制阶数作为最优调制阶数c_g，m ^*；式(2)中{c₀，c₁，...，c_L}为可用调制阶数的集合，K_g为多播组g中的总用户数目。如在某次信道实现下，对于多播组1在子载波1上， 

值在c＝0，2，4，8时分别为0，18，32，24，多播组1在子载波1上最佳调制阶数为  $c_{\mathrm{1,1}}^{*}=4,$ 对1≤g≤17，1≤m≤256，进行以上选择最佳调制阶数过程。 

接着，传输速率确定步骤IV：根据最佳调制阶数和子载波分配因子，按照传输速 率公式 

$B_{g,m}=c_{g,m}^{*}\underset{k=1}{\overset{K_g}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^{c_{g,m}^{*}}---\left(3\right)$

计算每个子载波在各个多播组单位符号周期中最大传输比特数，即传输速率B_g，m；确定多播组在不同子载波上单位符号周期中最多可传输的比特数。如在某次信道实现下，对于多播组1在子载波1上， $B_{\mathrm{1,1}}=c_{\mathrm{1,1}}^{*}\underset{k=1}{\overset{16}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{1,k,1}^{c_{\mathrm{1,1}}^{*}}=32.$

接下来，子载波分配更新步骤V：根据最大速率选择公式 

$g_m^{*}=\underset{g\∈\{1,...,G\}}{\arg \max }\left\{B_{g,m}\right\},\∀m---\left(4\right)$

选择在子载波m上的具有最大B_g，m的多播组；公式(4)中的G表示系统中多播组数目。如在某次信道实现中，对于m＝1时，有B_1，1＝max(B_g，1)，g＝1，2，...7，则对于子载波1应分配到用户组1， $g_1^{*}=1,$ 对于子载波1≤m≤256，重复以上选择过程得到g_m ^*； 

然后按照子载波分配更新公式 

${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_{g_m^{*},k,m}^{c_{g_m^{*},m}^{*}}& \mathrm{ifg}=g_m^{*}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.,\∀m---\left(5\right)$

更新载波分配因子，确定最佳子载波分配因子，到这时就已经完成了子载波在多播组间，以及多播组内用户之间的分配。 

最后，功率分配步骤VI：发送基站的功率分配模块根据子载波分配更新步骤V中的得到的子载波分配因子ρ_g，k，m ^c，按照现有的多载波系统功率分配方法进行功率的分配。 

所述功率分配步骤VI中的功率分配方法中可选用的算法包括休斯-哈特斯(Hughes-Hartogs)算法或穷举算法；本实施例中优选其中的休斯-哈特斯(Hughes-Hartogs)算法来实现总发射功率受限情况下子载波上的功率分配。 

本发明方法在上述系统参数条件下，在不同的总发送信噪比条件下，最终达到的系统频谱效率性能如给出的附图中所示。图1给出了本实施例的资源分配方法所获得的系统频谱效率性能与《国际电气与电子工程师协会国际通信会议论文集》(“Dynamic Power andSubcarrier Allocation for OFDMA-Based Wireless Multicast Systems”IEEE ICC’08，Beijing：2008，2607-2611.)介绍的一种连续比特资源分配算法(RAA-CB)所获得的系统性能的对比曲线。由图1可见，在较高的总发送信噪比条件下，用本发明的资源分配方法所获得的性能曲线a明显高于RAA-CB所获得的频谱效率曲线b，而在总发送信噪比较低的情况下，两者相差无几。 

图2是本实施例中的资源分配方法(MDC-RAA-DB)与由RAA-CB修改的离散比特资源分配算法(RAA-DB)在不同的多播组数目和每组用户数下的性能比较曲线。图2中显示了在有2个多播组，每组16个用户情况下用本发明方法获得的频谱效率曲线c和RAA-CB的频 谱效率曲线d；在有4个多播组，每组8个用户情况下，用本发明方法获得的频谱效率曲线e和RAA-CB的频谱效率曲线f。由上述曲线对比可见，本发明提出的多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法在上述的用户组和用户的配置下，系统频谱效率均比RAA-DB高。而且随着每组用户数增大，本发明方法获得的性能增益也更大。 

Claims (4)

1.一种多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法，其特征在于步骤如下：

编码步骤I：由发送基站的编码模块使用多描述编码产生小于或等于子载波数的多个描述；

子载波分配因子初始化步骤II：发送基站的子载波分配模块根据各个用户在每个子载波上的等效信道增益和各个子载波上均分的功率，在可选的调制阶数下，根据子载波分配公式

${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}{\mathrm{\α}}_{g,k,m}\≥f\left(c\right)/P_m\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.$

确定子载波分配因子；公式中，α_g，k，m是多播组g中第k个用户在子载波m上的等效信道增益，c为调制阶数，f(c)＝2^c-1为使用调制阶数c时接收端所需的等效接收功率，P_m为设定的每个子载波上均分的功率，子载波分配因子

时表示在调制阶数为c时将第m个子载波分配给多播组g中的第k个用户，子载波分配因子

则表示不分配；

最优调制阶数选择步骤III：发送基站的信号调制模块根据子载波分配因子初始化步骤II中得到的子载波分配因子及各个多播组的用户数，根据最优调制阶数公式

$c_{g,m}^{*}=\underset{c\∈\{c_0,c_1,...,c_L\}}{\arg \max }\left\{c\underset{k=1}{\overset{K_g}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c\right\}$

计算各个子载波在各个多播组中在不同调制阶数下的数据速率，并从计算结果中选取使得该速率最大的调制阶数作为最优调制阶数；式中{c₀，c₁，...，c_L}为可用调制阶数的集合，K_g为多播组g中的总用户数目；

传输速率确定步骤IV：发送基站的子载波分配模块根据子载波分配因子初始化步骤II中得到的子载波分配因子和最优调制阶数选择步骤III中得到的最优调制阶数，

根据传输速率公式

$B_{g,m}=c_{g,m}^{*}\underset{k=1}{\overset{K_g}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^{c_{g,m}^{*}}$

计算每个子载波在各个多播组单位符号周期中最大传输比特数，即传输速率B_g，m；

子载波分配更新步骤V：发送基站的子载波分配模块通过最大速率选择公式

$g_m^{*}=\underset{g\∈\{1,\·\·\·,G\}}{\arg \max }\left\{B_{g,m}\right\},\∀m$

根据传输速率确定步骤IV中计算得到的子载波在各多播组的传输速率B_g，m选择子载波在各个多播组中最大传输速率的最大值，将该子载波分配给与该最大值对应多播组，并根据该子载波与多播组的分配关系按照子载波分配更新公式

${\mathrm{\ρ}}_{g,k,m}^c=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_{g_m^{*},k,m}^{c_{g_m^{*},m}^{*}}& \mathrm{ifg}=g_m^{*},c=c^{*}\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.,\∀m$

更新载波分配因子；上述最大速率选择公式中的G表示系统中多播组数目；

功率分配步骤VI：发送基站的功率分配模块根据子载波分配更新步骤V中得到的子载波分配因子，按照现有的多载波系统功率分配方法进行功率的分配。

2.如权利要求1所述多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法，特征在于所述发送端使用的多描述编码包括等差错保护的多描述编码或不等差错保护的多描述编码。

3.如权利要求1所述多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法，特征在于所述多载波系统包括正交频分复用系统、多载波码分多址系统或编码多载波调制系统。

4.如权利要求1所述多载波通信系统中的自适应多媒体多播资源分配方法，特征在于所述功率分配步骤VI中的功率分配方法中可选用的算法包括休斯-哈特斯算法或穷举算法。

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