CN103079073A - 正交频分多址接入系统中面向可伸缩视频的资源分配方法 - Google Patents

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CN103079073A CN2013100157785A CN201310015778A CN103079073A CN 103079073 A CN103079073 A CN 103079073A CN 2013100157785 A CN2013100157785 A CN 2013100157785A CN 201310015778 A CN201310015778 A CN 201310015778A CN 103079073 A CN103079073 A CN 103079073A
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齐丽娜
赵齐昆
干宗良
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Nanjing Post and Telecommunication University
Nanjing University of Posts and Telecommunications
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Nanjing Post and Telecommunication University
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Abstract

本发明是一种正交频分多址接入系统中面向可伸缩视频的资源分配方法，根据可伸缩视频业务的特点，在正交频分多址接入系统中进行跨层资源分配，属于跨层优化资源分配技术领域。本发明主要包括三个方面的内容：一是建立正交频分多址接入系统资源分配模型；二是提出一种新的正交频分多址接入系统通话接入控制算法，可以根据信道条件选择调制方式；三是针对可伸缩视频业务提出一种跨层优化的资源分配算法，可以根据各个用户的信道条件来对用户进行自适应的子载波分配和功率分配，从而增加系统支持的用户数并提供更好的服务质量。

Description

正交频分多址接入系统中面向可伸缩视频的资源分配方法
技术领域
本发明是一种针对H.264可伸缩视频业务的特点，在正交频分多址接入（OFDMA：Orthogonal Frequency Division Multiple Access）系统中进行跨层资源优化分配的方法，属于跨层优化资源分配技术领域。
背景技术
H.264可分级编码（SVC：Scalable Video Coding）是一种可伸缩视频编码，能够支持时间、空间、质量三种可伸缩编码特性，与先前的视频编码方式相比，它具有更高的压缩效率和可控的复杂度。H.264 SVC通常把视频序列编码为一个基层和一个或者多个提高层，基层的比特率较低用来传输最重要的数据，提高层的比特率较高用来传输重要性较弱的数据。实际的无线视频通信中，信道具有频率选择性，H.264 SVC能够较好地适应信道的变化，并对不同的层提供不等差错保护。
近年来，由于数字信号处理（DSP：Digital Signal Processing）技术的飞速发展，正交频分复用（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）作为一种可以有效对抗符号间干扰（ISI：Inter-Symbol Interference）的高速传输技术而被普遍看好，以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。OFDMA不仅具有OFDM技术抗符号间干扰和信道频率选择性衰落的特点，同时还能够为多用户提供分集增益，是未来移动通信的核心技术。
随着多媒体通信需求的不断发展，如何充分利用OFDMA系统的子载波传输多媒体视频业务成为一个亟待解决的问题。
发明内容
技术问题：本发明主要是通过进行跨层资源优化，提供正交频分多址接入系统中面向可伸缩视频的资源分配方法，以达到充分利用OFDMA中的子载波传输业务，提高系统的信道容量，同时为不同层的视频提供不等差错保护的目的。
技术方案：本发明主要包括三个方面的内容：一是针对可伸缩视频业务建立OFDMA系统资源分配模型；二是提出一种新的OFDMA系统通话接入控制算法，以求出系统所能接入的最大用户数，并且能够根据信道条件为用户选择其调制方式；三是针对H.264可伸缩视频业务提出一种跨层优化的资源分配算法，能够按照信道增益情况，依次对用户进行自适应的子载波分配和功率分配，从而增加系统支持的用户数并提供更好的服务质量。
首先建立基于可伸缩视频业务的正交频分复用资源分配模型，然后根据信道条件选择调制方式，再根据通话接入控制算法进行通话接入控制，最后，根据各个用户的信道条件来选择合适的视频分辨率和传输码率，实现正交频分复用系统自适应跨层资源优化分配；
建立基于可伸缩视频业务的正交频分复用资源分配模型的方法为：
① 假设正交频分复用OFDMA传输系统为K个用户传输视频序列，K为正整数，子载波数是N，N为正整数，视频编码采用可分级编码，同时假定无线信道是频率选择性信道，每个用户经过相互独立的信道衰落；系统参数如下：子载波                                                
Figure 446478DEST_PATH_IMAGE001
表示第k个用户使用的子载波序号，， 
Figure 254345DEST_PATH_IMAGE003
为整数，表示用户k在子载波n上加载的比特数， 
Figure 582558DEST_PATH_IMAGE004
是标志位， 
Figure 191394DEST_PATH_IMAGE005
表示用户k要求的在每个正交频分复用OFDM符号中传输的最小比特数， 
Figure 99307DEST_PATH_IMAGE006
为正实数，表示接收端误比特率， 
Figure 641147DEST_PATH_IMAGE007
为正实数，表示用户k在子信道n上的信道增益，无线衰落信道加上方差为
Figure 609103DEST_PATH_IMAGE008
的加性高斯白噪声，其中
Figure 236393DEST_PATH_IMAGE008
为正实数，为正实数表示可以用来分配的总功率；
② 根据接收端采用子载波n的用户k的信噪比和采用多进制正交幅度调制相干解调时的误码率界可推导出发送端的最小发送功率；
③ 建立传输可伸缩视频业务的OFDMA系统资源分配模型为：
Figure 859190DEST_PATH_IMAGE010
，同时要求满足以下三个条件： 
1）对于任意n，
Figure 529206DEST_PATH_IMAGE011
；
2）
Figure 847055DEST_PATH_IMAGE012
；
3）
Figure 893508DEST_PATH_IMAGE013
；
根据通话接入控制算法进行通话接入控制的方法为：
设定如下参数： 
Figure 878782DEST_PATH_IMAGE014
表示用户k分配到的比特数， 
Figure 719699DEST_PATH_IMAGE015
表示第k个用户在每个OFDM符号需要传输的比特数，L为正整数，表示调制进制数， 
Figure 524844DEST_PATH_IMAGE016
为正整数表示系统所能支持的最大用户数；其算法流程为：先对用户按平均信道增益进行排序，当用户k满足
Figure 860142DEST_PATH_IMAGE017
时，依次为排序后的K个用户进行功率分配，信道条件越好的用户分配功率越大，同时该算法采用了自适应调制的方式，根据信道增益
Figure 699922DEST_PATH_IMAGE007
的大小决定
Figure 711740DEST_PATH_IMAGE003
的大小，
Figure 269760DEST_PATH_IMAGE007
越大说明信道条件越好，就可以采用更大L值的QAM调制, 在子载波上传输的比特数越多，通过此算法求出系统所能支持的最大用户数
Figure 392437DEST_PATH_IMAGE016
；
自适应跨层资源优化分配的方法为：
首先对用户按平均信道增益进行排序，然后按照新的排序，依次为各个用户分配能够使其传输低分辨率视频序列的功率；此时，如果还有剩余功率，从信道条件最好的用户开始，为每个用户分配功率使其传输更高分辨率的视频。
有益效果：本发明具有以下优点：
①    基于H.264可伸缩视频业务，建立OFDMA系统资源分配模型；
②    提出的通话接入控制算法能够根据信道条件自适应地改变调制方式，从而可以支持更多的用户；
③    提出的自适应资源分配算法能够根据信道条件自适应地调整调制方式和用户所传输视频的分辨率，在增加系统支持的用户数的同时提供更好的服务质量。
附图说明
图1是本发明的系统模型
具体实施方式
本发明所述的OFDMA系统中面向H.264可伸缩视频业务的自适应资源分配方法包括以下内容：
①  系统模型：系统模型如图1所示，传输系统为OFDMA，视频编码采用H.264 SVC。假设系统为K个用户传输视频序列，子载波数是N，其中K和N均为正整数。
假定无线信道是频率选择性信道，每个用户经过相互独立的信道衰落，
Figure 352303DEST_PATH_IMAGE007
（为正实数）表示用户k（
Figure 314760DEST_PATH_IMAGE002
）在子信道n（
Figure 490395DEST_PATH_IMAGE001
）上的信道增益，无线衰落信道加上方差为
Figure 304767DEST_PATH_IMAGE008
（为正实数）的加性高斯白噪声。
Figure 925421DEST_PATH_IMAGE018
（
Figure 655480DEST_PATH_IMAGE018
为正实数）表示将子载波n分配给用户k时的用户功率，
Figure 324359DEST_PATH_IMAGE003
（
Figure 848881DEST_PATH_IMAGE003
为整数）表示用户k在子载波n上加载的比特数。
Figure 603210DEST_PATH_IMAGE019
（
Figure 605801DEST_PATH_IMAGE005
）表示用户k要求的在每个OFDM符号中传输的最小比特数，
Figure 411077DEST_PATH_IMAGE009
（
Figure 575343DEST_PATH_IMAGE009
为正实数）表示可以用来分配的总功率。接收端采用子载波n的用户k的信噪比为：
Figure 348126DEST_PATH_IMAGE020
                         （1）
为了满足接收端比特错误率的要求，必须在发送端分配足够的功率。采用L（L为正整数）进制正交幅度调制（QAM：Quadrature Amplitude Modulation）理想相干解调时的误码率界为：
Figure 888829DEST_PATH_IMAGE021
                          （2）
Figure 797879DEST_PATH_IMAGE006
表示误码率，为正实数，
Figure 398625DEST_PATH_IMAGE022
表示接收端的信噪比，为正实数，
Figure 393126DEST_PATH_IMAGE023
，c表示在子载波上传输的比特数，为正整数。
由式（1）和（2）可以求出发送端发送c个比特，信道增益为g，高斯白噪声方差为，其中g和
Figure 750344DEST_PATH_IMAGE008
均为正实数，要求接收端误比特率为时，发送端的最小发送功率为：
Figure 3788DEST_PATH_IMAGE024
         （3）
根据以上系统模型的分析可以建立如下资源分配模型
Figure 886293DEST_PATH_IMAGE010
          
Figure 769935DEST_PATH_IMAGE025
       
Figure 712484DEST_PATH_IMAGE026
           
Figure 681577DEST_PATH_IMAGE027
第一个条件保证每个子载波传输的比特数是整数；第二个条件中
Figure 367773DEST_PATH_IMAGE028
是标志位，它的值只能取0或者1，
Figure 856654DEST_PATH_IMAGE029
表示第n个子载波分配给了第k个用户，
Figure 970104DEST_PATH_IMAGE030
表示第n个子载波没有分配给了第k个用户；第三个条件表示对于每个子载波，最多只能有一个用户使用它；第四个条件表示每个用户传输的比特数要至少满足最低要求；第五个条件表示分配的功率不得大于总功率。
②  通话接入控制算法：在实际通信中，基站必须保证所有用户的服务质量（QoS：Quality of Service）。在功率受限的情况下，系统所能支持的用户数是随信道环境而变化的。无线通信系统中，在功率受限和一定的信道条件情况下，系统要能支持尽可能多的用户，这就导致每个用户的服务质量仅能满足其最基本的要求。对H.264 SVC传输来说，也就是仅传输其基层数据，同时保证接收端基层数据满足误比特率要求。假定信道条件和总功率已知，每个用户要求的基层传输速率也已给定，通过下面的算法可以求出系统所能支持的最大用户数。
Figure 426493DEST_PATH_IMAGE031
表示未被占用的子载波的集合，
Figure 650801DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 509035DEST_PATH_IMAGE033
表示已经分配的功率，为正实数，K表示申请接入系统的用户数，
Figure 527807DEST_PATH_IMAGE034
表示第k个用户在每个OFDM符号需要传输的比特数，
Figure 251918DEST_PATH_IMAGE035
表示用户k分配到的比特数，其中，K、
Figure 279917DEST_PATH_IMAGE034
和为正整数，
Figure 447910DEST_PATH_IMAGE009
表示用于分配的总功率，为正实数。本发明提出的算法步骤如下：
步骤 1：初始化
Figure 613312DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 179423DEST_PATH_IMAGE036
， 
Figure 12250DEST_PATH_IMAGE037
；
步骤 2：按用户的平均信道增益从大到小对K个用户进行排序；
步骤 3：for k=1:K
{  while（
Figure 638403DEST_PATH_IMAGE017
）
                 { （1）
Figure 41834DEST_PATH_IMAGE038
；
（2）根据
Figure 411635DEST_PATH_IMAGE007
的值给
Figure 567810DEST_PATH_IMAGE003
赋值；
（3）；
（4）如果 
Figure 504859DEST_PATH_IMAGE040
，那么 
Figure 943931DEST_PATH_IMAGE041
，；
（5）根据式（3）计算传输
Figure 453726DEST_PATH_IMAGE003
个比特所需的功率
Figure 330284DEST_PATH_IMAGE018
，更新
Figure 41888DEST_PATH_IMAGE043
；
（6）如果 
Figure 438235DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 577092DEST_PATH_IMAGE045
,退出算法；
（7）从中移除已分配的子载波n，
Figure 206974DEST_PATH_IMAGE046
；}
}。
此算法的基本思路是先对用户按平均信道增益进行排序，然后对信道条件好的用户进行功率分配，这样做可以有效利用功率，使支持的用户数达到最大。而且在此算法中，本发明采用了自适应调制的方式，根据信道增益
Figure 457826DEST_PATH_IMAGE007
的大小决定
Figure 767585DEST_PATH_IMAGE003
的大小，越大说明信道条件越好，就可以采用更大L值的QAM调制, 在子载波上传输的比特数越多。通过此算法可以求出系统所能支持的最大用户数
Figure 173607DEST_PATH_IMAGE016
（
Figure 13387DEST_PATH_IMAGE016
为正整数）。
③  自适应资源分配算法：在实际中，传输的视频通常有多种分辨率，比如标清、高清、超清，传输的视频分辨率越高视觉效果越好。如果在资源有剩余的情况下，可以试着不传输低分辨率的视频，转而传输更高分辨率的视频。本发明提出的算法能够根据资源情况自适应决定传输何种分辨率的视频。
假定每个用户传输的视频都有三种分辨率：低分辨率、中分辨率、高分辨率。
Figure 25205DEST_PATH_IMAGE047
表示第k个用户传输第i个分辨率的基层视频序列时在每个OFDM符号需要传输的比特数，
Figure 114384DEST_PATH_IMAGE048
表示已分配到的比特数，
Figure 705902DEST_PATH_IMAGE047
和
Figure 931347DEST_PATH_IMAGE048
均为正整数。
Figure 848487DEST_PATH_IMAGE049
表示第k个用户传输第i个分辨率的提高层视频序列时在每个OFDM符号需要传输的比特数，表示已分配到的比特数，为正整数。
Figure 803860DEST_PATH_IMAGE031
表示未被占用的子载波的集合，表示已经分配的功率，K表示申请接入系统的用户数，
Figure 971853DEST_PATH_IMAGE009
表示用于分配的总功率。算法步骤如下：
步骤 1：初始化
Figure 770045DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 968945DEST_PATH_IMAGE036
， ，
Figure 162346DEST_PATH_IMAGE052
；
步骤 2：按用户的平均信道增益从大到小对K个用户进行排序；
步骤 3：for k=1:K
{ （1）在
Figure 198566DEST_PATH_IMAGE031
中，为用户k分配最好的子载波，并在分配的子载波上加载第1种分辨率视频基层的前
Figure 466737DEST_PATH_IMAGE053
个比特；
（2）计算所需的功率，更新
Figure 990122DEST_PATH_IMAGE033
；
（3）如果,退出算法；
（4）从
Figure 192750DEST_PATH_IMAGE031
中移除已分配的子载波；  }；
步骤 4：for k=1:K
{  （1）在
Figure 999032DEST_PATH_IMAGE031
中，为用户k分配最好的子载波，并在分配的子载波上加载第1种分辨率视频提高层的前
Figure 642503DEST_PATH_IMAGE054
个比特；
（2）计算所需的功率，更新
Figure 977669DEST_PATH_IMAGE033
；
（3）如果
Figure 29894DEST_PATH_IMAGE044
,退出算法；
（4）从
Figure 639867DEST_PATH_IMAGE031
中移除已分配的子载波  }；
步骤 5： for i=2:3
{  for k=1:K
{ （1）在
Figure 137845DEST_PATH_IMAGE031
中，为用户k分配最好的子载波，并在分配的子载波上加载第i种分辨率视频基层的第到比特；
（2）计算所需的功率，更新
Figure 555685DEST_PATH_IMAGE033
；
（3）从
Figure 908168DEST_PATH_IMAGE031
中移除已分配的子载波；
（4）在
Figure 381875DEST_PATH_IMAGE031
中，为用户k分配最好的子载波，并在分配的子载波上加载第i种分辨率视频提高层的
Figure 819810DEST_PATH_IMAGE057
到
Figure 771585DEST_PATH_IMAGE058
比特；
（5）计算所需的功率，更新
Figure 244155DEST_PATH_IMAGE033
；
（6）从
Figure 888763DEST_PATH_IMAGE031
中移除已分配的子载波；
（7）如果
Figure 813994DEST_PATH_IMAGE044
,退出算法；
（8）将用户k分配的基层和提高层的比特分别更改为第i种分辨率视频中前
Figure 818727DEST_PATH_IMAGE055
个比特和前
Figure 880224DEST_PATH_IMAGE057
个比特； }  
}。
此算法的基本思想是首先满足各个用户最低最基本的要求，即首先给各个用户分配功率使各个用户能够传输其低分辨率视频序列。如果还有剩余功率，从信道条件最好的用户开始，对每个用户分配功率使其传输更高分辨率的视频。为了保证公平性，只有在所有用户都能传输第i种分辨率视频的条件下，信道条件最好的用户才能传输第（i+1）种分辨率的视频。

Claims (1)

1.一种正交频分多址接入系统中面向可伸缩视频的资源分配方法，其特征是：首先建立基于可伸缩视频业务的正交频分复用资源分配模型，然后根据信道条件选择调制方式，再根据通话接入控制算法进行通话接入控制，最后，根据各个用户的信道条件来选择合适的视频分辨率和传输码率，实现正交频分复用系统自适应跨层资源优化分配；
建立基于可伸缩视频业务的正交频分复用资源分配模型的方法为：
① 假设正交频分复用OFDMA传输系统为K个用户传输视频序列，K为正整数，子载波数是N，N为正整数，视频编码采用可分级编码，同时假定无线信道是频率选择性信道，每个用户经过相互独立的信道衰落；系统参数如下：子载波 
Figure 538080DEST_PATH_IMAGE001
表示第k个用户使用的子载波序号，
Figure 950607DEST_PATH_IMAGE002
， 
Figure 260496DEST_PATH_IMAGE003
为整数，表示用户k在子载波n上加载的比特数， 
Figure 442079DEST_PATH_IMAGE004
是标志位， 
Figure 162910DEST_PATH_IMAGE005
表示用户k要求的在每个正交频分复用OFDM符号中传输的最小比特数， 
Figure 593892DEST_PATH_IMAGE006
为正实数，表示接收端误比特率， 
Figure 160002DEST_PATH_IMAGE007
为正实数，表示用户k在子信道n上的信道增益，无线衰落信道加上方差为
Figure 992829DEST_PATH_IMAGE008
的加性高斯白噪声，其中为正实数，
Figure 520948DEST_PATH_IMAGE009
为正实数表示可以用来分配的总功率；
② 根据接收端采用子载波n的用户k的信噪比和采用多进制正交幅度调制相干解调时的误码率界可推导出发送端的最小发送功率；
③ 建立传输可伸缩视频业务的OFDMA系统资源分配模型为：
Figure 890750DEST_PATH_IMAGE010
，同时要求满足以下三个条件： 
1）对于任意n，
Figure 312504DEST_PATH_IMAGE011
；
2）；
3）
Figure 249553DEST_PATH_IMAGE013
；
根据通话接入控制算法进行通话接入控制的方法为：
设定如下参数： 
Figure 423045DEST_PATH_IMAGE014
表示用户k分配到的比特数， 
Figure 964885DEST_PATH_IMAGE015
表示第k个用户在每个OFDM符号需要传输的比特数，L为正整数，表示调制进制数， 
Figure 932841DEST_PATH_IMAGE016
为正整数表示系统所能支持的最大用户数；其算法流程为：先对用户按平均信道增益进行排序，当用户k满足
Figure 310864DEST_PATH_IMAGE017
时，依次为排序后的K个用户进行功率分配，信道条件越好的用户分配功率越大，同时该算法采用了自适应调制的方式，根据信道增益
Figure 553626DEST_PATH_IMAGE007
的大小决定
Figure 418814DEST_PATH_IMAGE003
的大小，越大说明信道条件越好，就可以采用更大L值的QAM调制, 在子载波上传输的比特数越多，通过此算法求出系统所能支持的最大用户数
Figure 672258DEST_PATH_IMAGE016
；
自适应跨层资源优化分配的方法为：
首先对用户按平均信道增益进行排序，然后按照新的排序，依次为各个用户分配能够使其传输低分辨率视频序列的功率；此时，如果还有剩余功率，从信道条件最好的用户开始，为每个用户分配功率使其传输更高分辨率的视频。
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