CN105790909A - 一种sc-fdma系统中面向用户的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种SC‑FDMA系统中面向用户的资源分配方法，本发明通过合理定义系统满意效用函数，将能够获得满意服务的用户对效用函数的贡献设置为其MOS分值，将不能获得满意服务的用户对效用函数的贡献设置为0，从而保障所服务用户均为能够获得满意服务的用户，并在此基础上以最大化系统满意效用函数为优化目标，在系统资源限制的条件下，确定如何给用户分配子信道，从而提升用户对SC‑FDMA系统的业务体验质量，以最大化获得用户对服务的满意度。

Description

一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法。

背景技术

随着移动互联网业务的急剧膨胀，在4G LTE系统中无线资源仍然显得稀缺和宝贵。众所周知，SC-FDMA是4G LTE系统的上行传输技术。因此，如何在SC-FDMA系统中有效利用无线资源以满足各种业务需求仍然是值得研究的课题，也是近几年来的研究热点。

传统的方法是以提升业务服务质量(quality of service,QoS)为目标，比如提高吞吐量、降低时延等。然而QoS无法反映终端用户对业务的实际体验。另一方面，体验质量(quality of experience,QoE)却能够更为贴切的反映用户的主观感受。因此，有必要在进行SC-FDMA系统资源分配的时候考虑用户体验质量。目前，还不存在关于SC-FDMA系统中，面向用户体验质量的资源分配方法的研究。

发明内容

本发明的目的在于，为提高SC-FDMA系统中面向用户的体验质量，以最大化获得用户对服务的满意度，提供一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法，通过该资源分配方法首先引入子信道分配模式矩阵，以满足SC-FDMA系统中分配给同一用户的子信道必须保持连续的特点，其次，通过MOS分与速率之间的映射关系预估在某种子信道分配模式下该用户所获得的MOS分值；最后，基于MOS分的预估值，建立系统满意效用函数，通过该函数的建立，保障了正在服务的用户能够获得满意的服务质量，并在此基础上，最大化平均服务质量。

本发明的一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法，具体包括：

步骤1)根据SC-FDMA上行系统中可用子信道个数，建立子信道分配模式矩阵，该矩阵满足SC-FDMA系统中分配给同一用户的子信道保持连续；

步骤2)通过MOS分与速率之间的映射关系，预估子信道分配模式矩阵中各分配模式下每个用户所获得的MOS分值；

步骤3)采用EMOS定义公式，获得各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值；

步骤4)：利用步骤3)中获得的各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值，采用混合整数规划算法计算得出各用户最优的子信道分配模式。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤1)中的子信道分配模式矩阵表示为：

S＝(s_n,c)_N×C

其中，N表示SC-FDMA系统中子信道个数，C表示所有子信道分配模式的总数，如果s_n,c＝1，那么就表示在第c种子信道分配模式下包含第n个子信道，如果s_n,c＝0，那么就表示在第c种子信道分配模式下不包含第n个子信道。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤2)包括：

步骤201)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所包含的子载波集合I_sub,m＝{i|s_i,c＝1,i∈[1,N]}；

步骤202)计算在第c(c∈[1,2,…,C])种子信道分配模式下，第m个用户在子载波i上的信噪比其中h_m,i表示第m个用户在子载波i上的信道衰落因子，σ²表示高斯白噪声功率；

步骤203)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的等效信噪比γ_m，表达式为：

${\mathrm{\γ}}_m={\{{\left(\frac{1}{\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|K}{\mathrm{\Σ}}_{i\∈I_{\mathrm{sub},m}}\frac{P_{m,i}{g}_{m,i}}{1+P_{m,i}{g}_{m,i}}\right)}^{-1}-1\}}^{-1}$

其中，K表示每个子信道中所包含的子载波个数，P_m,i表示第m个用户在子载波i上的发送功率；

步骤204)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的传输速率R_m，表达式为：

$R_m=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_m<{\mathrm{\&gamma;}}_{\min };\\ \mathrm{\&alpha;}\frac{B\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_m),\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_{\min }\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_m\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{\max };\\ \frac{B\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|}{N}{\mathrm{SE}}_{\max },\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_m>{\mathrm{\&gamma;}}_{\max }.\end{array}\right.$

其中，α表示速率系数，γ_min表示最低门限信噪比，γ_max表示最高门限信噪比，SE_max表示最大频谱效率；

步骤205)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的MOS分值，表达式为：

$\mathrm{MOS}\left(R\right)=\left\{\begin{array}{c}1.0,R<R_{1.0};\\ a\ln \left(\mathrm{bR}\right),R_{1.0}\&le;R\&le;R_{4.5}\\ 4.5,R_{4.5}<R.\end{array}\right.$

其中，R_1.0和R_4.5表示MOS分值为1和4.5时的吞吐量需求值，系数系a和b分别表示为：

$a=\frac{1}{3.5}\ln R_{4.5}+\frac{1}{15.75}{R}_{1.0}$

$b={R_{4.5}}^{\frac{1}{3.5}}\&CenterDot;{R_{1.0}}^{\frac{1}{15.75}}.$

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤3)通过下述公式计算各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值：

${\mathrm{EMOS}}_{m,c}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{MOS}}_{m,c},\mathrm{if}{\mathrm{MOS}}_{m,c}>\min \mathrm{MOSX}.Y;\\ 0,\mathrm{otherwise}.\end{array}\right.$

其中，minMOSX.Y表示获得满意服务的最小MOS分值，MOS_mc表示第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的MOS分值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤4)通过下述公式计算得出各用户最优的子信道分配模式：

$x_{m,c}^{*}=\arg \max \frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{m,c}{\mathrm{MOS}}_{m,c}$

$\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{m,c}=1\&ForAll;m\&Element;\{\mathrm{1,2},...,M\}$

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_{n,c}{x}_{m,c}=1\&ForAll;n=\mathrm{1,2},...,N$

其中，x_m,c ^*(m＝1,2,…,M；c＝1,2,…,C)表示各用户最优的子信道分配模式，如果x_m,c ^*＝1表示第m个用户获得了第c种子信道分配模式，如果x_m，c ^*＝0表示第m个用户未获得第c种子信道分配模式。

本发明的一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法优点在于：

本发明通过合理定义系统满意效用函数，将能够获得满意服务的用户对效用函数的贡献设置为其MOS分值，将不能获得满意服务的用户对效用函数的贡献设置为0，从而保障所服务用户均为能够获得满意服务的用户，并在此基础上以最大化系统满意效用函数为优化目标，在系统资源限制的条件下，确定如何给用户分配子信道，从而提升用户对SC-FDMA系统的业务体验质量，以最大化获得用户对服务的满意度。

附图说明

图1是本发明的一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法进行详细说明。

本发明的一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法，通过合理定义系统满意效用函数，将能够获得满意服务的用户对效用函数的贡献设置为其MOS分值，将不能获得满意服务用户对效用函数的贡献设置为0，从而保障所服务用户均为能够获得满意服务的用户，并在此基础上最大化每个用户的平均MOS分值，以保证系统能够在最大程度上为尽可能多的用户提供满意服务。具体实施步骤如下：

步骤1)：根据SC-FDMA上行系统中可用子信道个数，确定子信道模式分配矩阵，该矩阵满足SC-FDMA系统中分配给同一用户的子信道保持连续；

步骤2)：采用MOS分与速率之间的映射关系，预估子信道分配模式矩阵中各分配模式下每个用户所获得的MOS分值；

步骤3)：采用EMOS定义公式，获得各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值；

步骤4)：利用步骤3)中获得的各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值，采用混合整数规划算法计算得出各用户最优的子信道分配模式。

进一步，所述的步骤1)中根据SC-FDMA系统子信道分配的规则，即要求分配给同一用户的子信道必须连续，给出子信道分配模式矩阵S＝(s_n,c)_N×C，其中，N代表SC-FDMA系统中子信道的个数，C为所有的子信道分配模式的总数；如果s_n,c＝1，那么就表示在第c种分配模式下包含第n个子信道，否则s_n,c＝0，那么就表示在第c种子信道分配模式下不包含第n个子信道。比如SC-FDMA系统一共有2个子信道，那么子信道分配模式矩阵如下式所示：

$S=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

进一步，所述的步骤2)包括：

步骤201)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所包含的子载波集合I_sub,m＝{i|s_i,c＝1,i∈[1,N]}；

步骤202)计算在第c(c∈[1,2,…,C])种子信道分配模式下，第m个用户在子载波i上的信噪比其中h_m,i是第m个用户在子载波i上的信道衰落因子，σ²是高斯白噪声功率；

步骤203)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的等效信噪比，表达式为：

${\mathrm{\&gamma;}}_m={\{{\left(\frac{1}{\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|K}{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;I_{\mathrm{sub},m}}\frac{P_{m,i}{g}_{m,i}}{1+P_{m,i}{g}_{m,i}}\right)}^{-1}-1\}}^{-1}---\left(2\right)$

其中，K代表每个子信道中所包含的子载波个数，P_m,i表示第m个用户在子载波i上的发送功率；

步骤204)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的传输速率R_m，表达式为：

$R_m=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_m<{\mathrm{\&gamma;}}_{\min };\\ \mathrm{\&alpha;}\frac{B\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_m),\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_{\min }\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_m\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{\max ;}\\ \frac{B\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|}{N}{\mathrm{SE}}_{\max },\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_m>{\mathrm{\&gamma;}}_{\max }.\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，α表示速率系数，γ_min表示最低门限信噪比，γ_max表示最高门限信噪比，SE_max表示最大频谱效率；α在LTE上行系统中被定义为0.4，并可设置γ_min＝-10db,γ_max＝15db，SE_max＝2bps/HZ；

步骤205)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的MOS分值，表达式为：

$\mathrm{MOS}\left(R\right)=\left\{\begin{array}{c}1.0,R<R_{1.0};\\ a\ln \left(\mathrm{bR}\right),R_{1.0}\&le;R\&le;R_{4.5}\\ 4.5,R_{4.5}<R.\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，R_1.0和R_4.5是MOS分值为1和4.5时的吞吐量需求值。R_1.0和R_4.5的值跟具体业务类型有关，可以取经验值。当R_1.0和R_4.5的值确定以后，系数a和b就可以通过下式计算得出：

$a=\frac{1}{3.5}\ln R_{4.5}+\frac{1}{15.75}{R}_{1.0}---\left(5\right)$

$b={R_{4.5}}^{\frac{1}{3.5}}\&CenterDot;{R_{1.0}}^{\frac{1}{15.75}}---\left(6\right)$

进一步，所述的步骤3)通过下述公式计算各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值：

${\mathrm{EMOS}}_{m,c}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{MOS}}_{m,c},\mathrm{if}{\mathrm{MOS}}_{m,c}>\min \mathrm{MOSX}.Y;\\ 0,\mathrm{otherwise}.\end{array}---\left(7\right)\right.$

其中，minMOSX.Y表示获得满意服务的最小MOS分值，MOS_mc表示第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的MOS分值。

进一步，所述的步骤4)通过下述公式计算得出各用户最优的子信道分配模式：

$x_{m,c}^{*}=\arg \max \frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{m,c}{\mathrm{MOS}}_{m,c}---\left(8\right)$

$\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{m,c}=1\&ForAll;m\&Element;\{\mathrm{1,2},...,M\}---\left(10\right)$

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_{n,c}{x}_{m,c}=1\&ForAll;n=\mathrm{1,2},...,N---\left(11\right)$

至此，已经计算得出此次子信道分配的最优结果x_m,c ^*(m＝1,2,…,M；c＝1,2,…,C)表示各用户最优的子信道分配模式，如果x_m,c ^*＝1表示第m个用户获得了第c种子信道分配模式，如果x_m，c ^*＝0表示第m个用户未获得第c种子信道分配模式；此次资源分配过程结束。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法，其特征在于，所述的资源分配方法包括：

步骤1)根据SC-FDMA上行系统中可用子信道个数，建立子信道分配模式矩阵，该矩阵满足SC-FDMA系统中分配给同一用户的子信道保持连续；

步骤2)通过MOS分与速率之间的映射关系，预估子信道分配模式矩阵中各分配模式下每个用户所获得的MOS分值；

步骤3)采用EMOS定义公式，获得各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值；

步骤4)：利用步骤3)中获得的各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值，采用混合整数规划算法计算得出各用户最优的子信道分配模式。

2.根据权利要求1所述的SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法，其特征在于，所述的步骤1)中的子信道分配模式矩阵表示为：

S＝(s_n,c)_N×C

其中，N表示SC-FDMA系统中子信道个数，C表示所有子信道分配模式的总数，如果s_n,c＝1，那么就表示在第c种子信道分配模式下包含第n个子信道，如果s_n,c＝0，那么就表示在第c种子信道分配模式下不包含第n个子信道。

3.根据权利要求2所述的SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法，其特征在于，所述的步骤2)包括：

步骤201)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所包含的子载波集合I_sub,m＝{i|s_i,c＝1,i∈[1,N]}；

步骤202)计算在第c(c∈[1,2,…,C])种子信道分配模式下，第m个用户在子载波i上的信噪比其中h_m,i表示第m个用户在子载波i上的信道衰落因子，σ²表示高斯白噪声功率；

步骤203)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的等效信噪比γ_m，表达式为：

${\mathrm{\&gamma;}}_m={\{{\left(\frac{1}{\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|K}{\mathrm{\&Sigma;}}_{i\&Element;I_{\mathrm{sub},m}}\frac{P_{m,i}{g}_{m,i}}{1+P_{m,i}{g}_{m,i}}\right)}^{-1}-1\}}^{-1}$

其中，K表示每个子信道中所包含的子载波个数，P_m,i表示第m个用户在子载波i上的发送功率；

步骤204)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的传输速率R_m，表达式为：

$R_m=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_m<{\mathrm{\&gamma;}}_{\min };\\ \mathrm{\&alpha;}\frac{B\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|}{N}{\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_m),\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_{\min }\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_m\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{\max };\\ \frac{B\left|I_{\mathrm{RB},m}\right|}{N}{\mathrm{SE}}_{\max },\mathrm{for}{\mathrm{\&gamma;}}_m>{\mathrm{\&gamma;}}_{\max }.\end{array}\right.$

其中，α表示速率系数，γ_min表示最低门限信噪比，γ_max表示最高门限信噪比，SE_max表示最大频谱效率；

步骤205)计算第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的MOS分值，表达式为：

$\mathrm{MOS}\left(R\right)=\left\{\begin{array}{c}1.0,R<R_{1.0};\\ a1n\left(\mathrm{bR}\right),R_{1.0}\&le;R\&le;R_{4.5}\\ 4.5,R_{4.5}<R\end{array}\right.$

其中，R_1.0和R_4.5表示MOS分值为1和4.5时的吞吐量需求值，系数系a和b分别表示为：

$a=\frac{1}{3.5}1n{R}_{4.5}+\frac{1}{15.75}{R}_{1.0}$

$b={R_{4.5}}^{\frac{1}{3.5}}\&CenterDot;{R_{1.0}}^{\frac{1}{15.75}}.$

4.根据权利要求3所述的SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法，其特征在于，所述的步骤3)通过下述公式计算各子信道分配模式下每个用户对系统的满意效用函数的贡献值：

${\mathrm{EMOS}}_{m,c}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{MOS}}_{m,c},\mathrm{if}{\mathrm{MOS}}_{m,c}>\min \mathrm{MOSX}.Y;\\ 0,\mathrm{otherwise}.\end{array}\right.$

其中，minMOSX.Y表示获得满意服务的最小MOS分值，MOS_mc表示第m(m∈[1,M])个用户在第c(c∈[1,C])种子信道分配模式下所获得的MOS分值。

5.根据权利要求4所述的SC-FDMA系统中面向用户的资源分配方法，其特征在于，所述的步骤4)通过下述公式计算得出各用户最优的子信道分配模式：

$x_{m,c}^{*}=\arg \max \frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{m,c}{\mathrm{MOS}}_{m,c}$

$\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{m,c}=1,\&ForAll;m\&Element;\{\mathrm{1,2},...,M\}$

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_{n,c}{x}_{m,c}=1,\&ForAll;n=\mathrm{1,2},...,N$

其中，x_m,c ^*(m＝1,2,...,M；c＝1,2,...,C)表示各用户最优的子信道分配模式，如果x_m,c ^*＝1表示第m个用户获得了第c种子信道分配模式，如果表示第m个用户未获得第c种子信道分配模式。