CN102026304B - 协作多点传输网络中的资源分配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种协作多点传输网络中的资源分配方法和装置。该方法主要包括：根据用户的服务质量请求特性将协作多点传输网络中的用户分为两大类：时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户；基于预先设定的约束条件，对所述时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户进行资源分配。利用本发明实施例可以针对不同QoS请求的用户：时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户，引入不同的约束条件，从而最优化协作多点传输网络的功率分配。

Description

协作多点传输网络中的资源分配方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种协作多点传输网络中的资源分配方法和装置。

背景技术

伴随着无线多址技术的发展，以及无线应用服务需求的不断提高，下一代无线网络要求能够支持高速传输，这就要求需要有更多的可用无线资源。然而无线资源又是稀缺的，因此，如何提高无线频谱的利用率是下一代无线网络面临的重大挑战。

协作多点传输网络通过小区间基站相互协作可以有效地减少小区间干扰，提高无线频谱的利用率，从而引起了业界的广泛关注。

现有技术中的一种协作多点传输网络的设计方案为：蜂窝网络中的协作多点传输网络的设计方案，该方案提出了迫零传输方案和脏纸编码方案，并比较了协作多点传输网络与传统蜂窝网络的系统性能。

在实现本发明过程中，发明人发现上述现有技术中的协作多点传输网络的设计方案至少存在如下问题：该方案未提出在协作多点传输网络中如何对用户进行资源分配。

发明内容

本发明的实施例提供了一种协作多点传输网络中的资源分配方法和装置，以实现在协作多点传输网络中基于用户的QoS(Quality of Service，服务质量)请求对用户进行资源分配。

一种协作多点传输网络中的资源分配方法，包括：

根据用户的服务质量请求特性将协作多点传输网络中的用户分为两大类：时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户；

基于预先设定的约束条件，对所述时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户进行资源分配。

一种协作多点传输网络中的资源分配装置，包括：

用户划分模块，用于根据用户的服务质量请求特性将协作多点传输网络中的用户分为两大类：时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户；

资源分配模块，用于基于预先设定的约束条件，对所述时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户进行资源分配。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例可以针对不同QoS请求的用户：时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户，引入不同的约束条件。在协作传输策略下以及约束条件的限制下可以最优化协作多点传输网络的功率分配，从而可以减少小区间的互干扰，提高小区的传输容量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提出的一种基于QoS请求的协作多点传输网络中的资源分配方法的处理流程图；

图2为本发明实施例二提出的一种基于QoS请求的协作多点传输网络中的资源分配装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提出了基于用户的QoS请求的协作多点传输网络中的最优资源分配方案，该方案可以根据用户的不同QoS请求特性，对用户进行分类，并针对不同种类的用户分别设定不同的约束条件，在协作多点传输网络中对用户进行最优资源分配。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

该实施例提出的一种基于QoS请求的协作多点传输网络中的资源分配方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤11、根据QoS请求特性将用户分为两大类：具有时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户。

对于用户而言，不同的用户可以有不同的QoS请求，根据QoS特性，将用户分为两大类：具有时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户。例如，实时语音服务对时延要求敏感，而尽力而为的文件传输服务则对时延不敏感。

假设在下行协作蜂窝网络中有M个基站，每个基站有t个发送天线。同时有N个用户，每个用户有r个接收天线。另外假设N个用户可以根据其QoS请求分为两类：K₁个具有时延敏感业务请求的用户与K₂个具有时延非敏感业务请求的用户，其中K₁+K₂＝N。具有时延敏感业务请求的用户对应的用户集合为Ω₁，具有时延非敏感业务请求的用户对应的用户集合为Ω₂，且对于时延敏感业务请求的用户有最小传输速率Rk的限制。

那么对于用户接收端的接收信号的矢量的计算方法为：

Y_i＝H_kx+n_i，i＝1，2，...N

其中Y_i∈C^r×1表示接收信号的矢量，H_k∈□^r×tM表示第k个用户的信道增益矩阵，x∈C^tM×1表示发送信号矢量，n∈C^r×1表示噪声矢量。

对于基站发送端的发送信号的矢量的计算方法为：

$x=\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{1j}{w}_{1j}+\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{2j}{w}_{2j}+...+\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{Nj}}{w}_{\mathrm{Nj}}$

a_ij代表第i个用户的第j个符号，

表示复单位天线权重矢量将数据符号a_ij映射到第tM个发送天线上，即将编码后的符号进行映射到天线进行传送。

在多点协作传输网络中，若采用迫零传输策略，则权重适量的选择要求每一个用户的数据传输不会对其它用户造成干扰，因此，要求单位权重矢量需要满足以下关系表达式：

$H_k{w}_{\mathrm{ij}}=0,{\left|\right|w_{\mathrm{ij}}\left|\right|}^2=1,\∀i\≠k,j=1,...,r$

简而言之，每一个单位权重矢量必须正交于其它用户的信道空间扩展。若假设信道矩阵H_k的第m行为h_km，m＝1，...，r，则该信道矢量可以写成h_km＝g_km+g′_km，g′_km表示由其它用户信道空间扩展而成的h_km其他部分。类似地，对信道矩阵H_k可以表示为两个正交空间矩阵的迭加即H_k＝G_k+G′_k，其中G_k和G′_k对应的第m行分别为g_km和g′_km。若对G_k时行奇异值分解，则有

其中U_k∈C^r×r和V_k∈C^tM×tM为单位阵，Λ_k∈C^r×tM为

对应的奇异值，其对应的值为基于上述分析，接收信号可以表示成：

$Y_k=H_{k}x+n_k$

$=U_k\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{k1}^{1/2}{a}_{k1}\\ {\mathrm{\λ}}_{k2}^{1/2}{a}_{k2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kr}}^{1/2}{a}_{\mathrm{kr}}\end{array}\right]+n_k$

因此，用户k可以在接收端采用匹配滤波器方法乘以

进行数据恢复即

从而用户k的传输速率可以表示成如下形式

$r_k=\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kj}}{P}_{\mathrm{kj}}),\∀k\∈{\mathrm{\Ω}}_1\∪{\mathrm{\Ω}}_2$

其中P_kj＝E[|a_kj|²]，λ_kj为对应的奇异值。上述传输过程即是通过进行信道的奇异值分解，获得若干个独立的数据传输流，并可以将这些独立的传输流容量进行叠加。

步骤12、基于预先设定的约束条件，对所述时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户进行最优资源分配。

预先设置资源分配的约束条件，该约束条件可以包括：时延敏感业务请求的用户的传输速率大于设定的最小速率，各个时延非敏感业务请求的用户的传输速率之间的比值满足预先设定的比例，以及所有用户的传输功率之和小于协作多点传输网络的下行的可用总功率。

根据预先设定的约束条件和用户QoS的请求，对所述时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户进行最优化资源分配，上述最优化资源分配的表达公式如下：

$\max \underset{k=1}{\overset{K_1+K_2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k$

$s.t.\underset{q=1}{\overset{\mathrm{tM}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K_1+K_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{\mathrm{kj}}^q\right|}^2{P}_{\mathrm{kj}}\≤P_{\max }$

$r_k\≥R_k,\∀k\∈{\mathrm{\Ω}}_1$

$\frac{r_k}{\underset{k=1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k}={\mathrm{\γ}}_k,\∀k\∈{\mathrm{\Ω}}_2$

其中优化目标表示使所有用户的传输速率之和达到最大。

其中P_max表示协作多点传输蜂窝网络的下行的可用总功率，γ_k表示事先确定的比例公平因子，第一个约束条件表示所有用户的传输功率分配需要满足网络可用总功率约束条件的限制，第二个约束条件表示对于具有时延敏感QoS请求的用户，其资源分配要满足最小速率约束条件限制，最后一个约束条件表示对于具有时延非敏感QoS请求的用户，为了保证该类用户资源分配的公平性，引入了比例公平约束条件。

为了求解上述最优化问题，首先可以将最后一个约束条件改写成其等价形式，

$r_1:r_2:,...,:r_{K_2}={\mathrm{\γ}}_1:{\mathrm{\γ}}_2:,...,:{\mathrm{\γ}}_{K_2},\∀k\∈{\mathrm{\Ω}}_2$

然后最优化问题可以等价为拉格朗日(Lagrangian)问题

$+\underset{k=1}{\overset{K_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k(\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kj}}{P}_{\mathrm{kj}})-R_k)+\underset{k=2}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_k(\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{1j}{P}_{1j})-\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_k}\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kj}}{P}_{\mathrm{kj}}))$ 对上式进行求一阶导并令其导数等于零，则可得每一个用户的传输功率分配为：

以及

然而上述功率分配方案需要要求确定拉格朗日乘积因子

β_k及μ_k的值。为了求

β_k及μ_k的值，可以采用如下方法，首先将功率分配公式分别代入容量公式以及约束条件等式，则有：

以及

和

$\underset{q=1}{\overset{\mathrm{tM}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K_1+K_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{\mathrm{kj}}^q\right|}^2{P}_{\mathrm{kj}}=P_{\max }$

然后通过求解上述(K₁+K₂)个等式，从而求得β_k及μ_k的值，接着将求得的值再代入上述用户的传输功率分配等式，从而实现具有混合QoS请求的协作多点传输网络中最优资源分配方案。

实施例二

该实施例提出的一种基于QoS请求的协作多点传输网络中的资源分配装置的结构图如图2所示，包括如下的模块：

用户划分模块21，用于根据用户的服务质量请求特性将协作多点传输网络中的用户分为两大类：时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户；

资源分配模块22，用于基于预先设定的约束条件，对所述时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户进行资源分配。

所述的资源分配模块22包括：

约束条件设定模块221，用于预先设定约束条件，该约束条件包括：

所述r_K表示用户的传输速率，所述的Ω₁表示时延敏

$\frac{r_k}{\underset{k=1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k}={\mathrm{\γ}}_k,\∀k\∈{\mathrm{\Ω}}_2$

感业务请求的用户的集合，所述的Ω₂表示时延非敏感业务请求的用户的集合，所述R_k表示设定的最小速率的值，P_max表示多点传输网络中可用的总功率，所述K₁表示时延敏感业务请求的用户的总数，所述K₂表示时延非敏感业务请求的用户的总数，所述的M表示基站的总数，所述的t表示每个基站的发送天线总数，所述的r表示每个用户的接收天线的总数，所述的所述的w_kj表示复单位天线权重矢量将数据符号第K个用户的第j个符号a_kj映射到第tM个发送天线上，所述的P_kj表示第K个用户的第j个天线上的接收功率；

传输功率分配模块222，用于根据所述的约束条件设定模块所设定的约束条件，对各个时延敏感业务请求的用户和时延非敏感业务请求的用户进行传输功率分配，并使所有用户的传输速率之和达到最大。

所述的传输功率分配模块222具体包括：

拉格朗日乘积因子计算模块2221，用于计算拉格朗日乘积因子

β_k及μ_k，所述的

β_k及μ_k的计算方法如下：

以及

和

$\underset{q=1}{\overset{\mathrm{tM}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K_1+K_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{\mathrm{kj}}^q\right|}^2{P}_{\mathrm{kj}}=P_{\max }$

通过求解上述(K₁+K₂)个等式，从而求得

β_k及μ_k的值，所述的λ_kj表示对应的奇异值；

传输功率计算模块2222，用于利用所述拉格朗日乘积因子β_k及μ_k的值，计算用户的传输功率，计算方法包括：

$+\underset{k=1}{\overset{K_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k(\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kj}}{P}_{\mathrm{kj}})-R_k)+\underset{k=2}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_k(\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{1j}{P}_{1j})-\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_k}\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kj}}{P}_{\mathrm{kj}}))$

对上式进行求一阶导并令其导数等于零，则可得每一个用户的传输功率为：

以及

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

综上所述，本发明实施例提出的基于QoS请求的协作多点传输网络中资源分配方案的可以针对不同QoS请求的用户，引入不同的约束条件，如最小速率约束与比例公平约束条件。接着在协作传输策略下以及约束条件的限制下可以最优化协作多点传输网络的功率分配，从而可以减少小区间的互干扰，最优化系统资源的分配，提高小区的传输容量，提高系统的频谱利用率与系统的总容量。

本发明实施例针对不同QoS请求的用户，可以满足不同用户的性能需求，对于具有时延敏感的用户，可以保证其最小传输速率需求；同时对于具有时延非敏感业务请求的用户，可以保证该类用户获得资源的公平性。

本发明实施例可以适用于协作多点传输网络，以及其它网络如协作中继网络中具有混合QoS请求的资源分配。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种协作多点传输网络中的资源分配方法，其特征在于，包括：

根据用户的服务质量请求特性将协作多点传输网络中的用户分为两大类：时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户；

基于预先设定的约束条件，对所述时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户进行资源分配；其中，所述的预先设定的约束条件包括：

所述r_K表示用户的传输速率，所述的Ω₁表示时延敏 $\frac{r_k}{\underset{k=1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k}={\mathrm{\γ}}_k,\∀k\∈{\mathrm{\Ω}}_2$

感业务请求的用户的集合，所述的Ω₂表示时延非敏感业务请求的用户的集合，所述R_k表示设定的最小速率的值，所述P_max表示多点传输网络中可用的总功率，所述K₁表示时延敏感业务请求的用户的总数，所述K₂表示时延非敏感业务请求的用户的总数，所述的M表示基站的总数，所述的t表示每个基站的发送天线总数，所述的r表示每个用户的接收天线的总数；所述

表示复单位天线权重矢量将第K个用户的第j个符号a_kj映射到第q个发送天线上，w_kj表示复单位天线权重矢量将第K个用户的第j个符号a_kj映射到第tM个发送天线上，具体的表示将编码后的符号映射到天线进行传送；所述的P_kj表示第K个用户的第j个天线上的接收功率，所述γ_k表示事先确定的比例公平因子；

根据所述的约束条件，对各个时延敏感业务请求的用户和时延非敏感业务请求的用户进行传输功率分配，并使所有用户的传输速率之和达到最大。

2.根据权利要求1所述的协作多点传输网络中的资源分配方法，其特征在于，所述的约束条件包括：

时延敏感业务请求的用户的传输速率大于设定的最小速率；

各个时延非敏感业务请求的用户的传输速率之间的比值满足预先设定的比例。

3.根据权利要求1所述的协作多点传输网络中的资源分配方法，其特征在于，所述的根据所述的约束条件，对各个时延敏感业务请求的用户和时延非敏感业务请求的用户进行传输功率分配，并使所有用户的传输速率之和达到最大，具体包括：

对上式进行求一阶导并令其导数等于零，则可得每一个用户的传输功率为：

以及

所述的λ_kj表示对应的奇异值，所述

β_k及μ_k表示拉格朗日乘积因子，所述的

β_k及μ_k的计算方法如下：

以及

和

$\underset{q=1}{\overset{\mathrm{tM}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K_1+K_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{\mathrm{kj}}^q\right|}^2{P}_{\mathrm{kj}}=P_{\max }$

然后通过求解上述(K₁+K₂)个等式，从而求得β_k及μ_k的值。

4.一种协作多点传输网络中的资源分配装置，其特征在于，包括：

用户划分模块，用于根据用户的服务质量请求特性将协作多点传输网络中的用户分为两大类：时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户；

资源分配模块，用于基于预先设定的约束条件，对所述时延敏感业务请求的用户与时延非敏感业务请求的用户进行资源分配；

所述的资源分配模块包括：

约束条件设定模块，用于预先设定约束条件，该约束条件包括：

所述r_K表示用户的传输速率，所述的Ω₁表示时延敏 $\frac{r_k}{\underset{k=1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}{r}_k}={\mathrm{\γ}}_k,\∀k\∈{\mathrm{\Ω}}_2$

感业务请求的用户的集合，所述的Ω₂表示时延非敏感业务请求的用户的集合，所述R_k表示设定的最小速率的值，P_max表示多点传输网络中可用的总功率，所述K₁表示时延敏感业务请求的用户的总数，所述K₂表示时延非敏感业务请求的用户的总数，所述的M表示基站的总数，所述的t表示每个基站的发送天线总数，所述的r表示每个用户的接收天线的总数；所述

表示复单位天线权重矢量将第K个用户的第j个符号a_kj映射到第q个发送天线上，w_kj表示复单位天线权重矢量将数据符号第K个用户的第j个符号a_kj映射到第tM个发送天线上，具体的表示将编码后的符号映射到天线进行传送；所述的P_kj表示第K个用户的第j个天线上的接收功率，所述γ_k表示事先确定的比例公平因子；

传输功率分配模块，用于根据所述的约束条件设定模块所设定的约束条件，对各个时延敏感业务请求的用户和时延非敏感业务请求的用户进行传输功率分配，并使所有用户的传输速率之和达到最大。

5.根据权利要求4所述的协作多点传输网络中的资源分配装置，其特征在于，所述的传输功率分配模块具体包括：

拉格朗日乘积因子计算模块，用于计算拉格朗日乘积因子

β_k及μ_k，所述的

β_k及μ_k的计算方法如下：

以及

和

$\underset{q=1}{\overset{\mathrm{tM}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K_1+K_2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{\mathrm{kj}}^q\right|}^2{P}_{\mathrm{kj}}=P_{\max }$

通过求解上述(K₁+K₂)个等式，从而求得

β_k及μ_k的值，所述的λ_kj表示对应的奇异值；

传输功率计算模块，用于利用所述拉格朗日乘积因子β_k及μ_k的值，计算用户的传输功率，计算方法包括：

对上式进行求一阶导并令其导数等于零，则可得每一个用户的传输功率为：

以及

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