基于QoE的OFDMA網(wǎng)絡(luò)下行鏈路資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信中的無(wú)線資源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于QoE的 0FDMA系統(tǒng)下行鏈路資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和智能終端設(shè)備的普及，流媒體業(yè)務(wù)占通信數(shù)據(jù)量的 比重越來(lái)越大。廣大無(wú)線終端用戶作為流媒體業(yè)務(wù)服務(wù)的對(duì)象，其對(duì)業(yè)務(wù)的體驗(yàn)質(zhì)量 (Quality of Experience, QoE)和滿意度是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商與業(yè)務(wù)提供商最為關(guān)心的問(wèn)題。
[0003] 2013年12月4日，工信部向國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商正式發(fā)放TD-LTE牌照，標(biāo)志著中國(guó)跨 入4G時(shí)代。在4G通信系統(tǒng)中，采用了正交頻分多址接入（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，0FDMA)技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一。0FDMA網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)地把可用帶寬資源 分配給需要的用戶，從而高效地利用系統(tǒng)資源。因此，0FDMA網(wǎng)絡(luò)的資源分配問(wèn)題是近年來(lái) 的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。
[0004] 傳統(tǒng)的無(wú)線資源分配的目標(biāo)是在兼顧用戶對(duì)業(yè)務(wù)的QoS要求（如碼率、時(shí)延、丟包 率）以及用戶之間的公平性要求下，將有限的無(wú)線資源合理配置，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源利用率 最大化的目的。然而QoS網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)并不能直接反應(yīng)用戶對(duì)業(yè)務(wù)的主觀感受和滿意程度，對(duì) 于流媒體業(yè)務(wù)而言，即使在用戶觀看的過(guò)程中，并沒(méi)有產(chǎn)生傳輸誤碼，但是并不代表用戶能 夠獲得較好的體驗(yàn)質(zhì)量，因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中也許會(huì)有視頻中斷帶來(lái)的不好體驗(yàn)。因此，如何 準(zhǔn)確評(píng)估流媒體業(yè)務(wù)QoE并指導(dǎo)無(wú)線資源的分配，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)質(zhì)量的提升和資源的有效 利用仍然處于探索階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于QoE約束的0FDMA下行鏈 路資源分配方法，可以在保障用戶體驗(yàn)質(zhì)量的同時(shí)，減少資源浪費(fèi)，從而更加有效地分配系 統(tǒng)資源，提升系統(tǒng)在資源利用率方面的性能。
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，具體步驟為：
[0007] 步驟一、建立單小區(qū)多用戶0DFMA網(wǎng)絡(luò)下行鏈路模型；每個(gè)用戶只請(qǐng)求單個(gè)流媒 體業(yè)務(wù)；每個(gè)用戶都有一個(gè)播放緩沖區(qū)，由基站發(fā)送到達(dá)客戶端的數(shù)據(jù)首先存放在緩沖區(qū) 中；所述的0DFMA為正交頻分多址接入；
[0008] 步驟二、建立流媒體業(yè)務(wù)QoE評(píng)估模型，得到各個(gè)用戶的傳輸速率約束；所述的 QoE為體驗(yàn)質(zhì)量；具體流程為：
[0009] 第1步：根據(jù)用戶m的平均播放速率0 、播放閾值Iv流媒體畫面組（Group of Picture, G0P)時(shí)間h、每個(gè)畫面組封裝成數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)w、用戶m的中斷概率約束，根據(jù) 流媒體中斷概率計(jì)算公式得到
[0010] 1 m的最小QoE對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層傳輸速率；
[0011] 第2步：根據(jù)^^^查指數(shù)分布置信區(qū)間表，得到用戶m的最大Q〇E對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層 傳輸速率；
[0012] 第3步：是用戶m的應(yīng)用層傳輸速率，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可分配的資源是分配給用戶 m的物理層的比特率R m;根據(jù)流媒體數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸協(xié)議，計(jì)算數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中在傳 輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層的包頭字節(jié)開銷，將第1步和第2步得到的X mniax映射 成用戶m的物理層的最小比特率約束Rm，min和最大比特率約束R m，max，得到用戶m的QoE速率 約束條件；映射公式為：
[0013] Rm=入mx數(shù)據(jù)包長(zhǎng)X (1+開銷）X8比特/字節(jié)；
[0014] 步驟三、將基于QoE約束的0FDMA系統(tǒng)下行鏈路資源分配描述為優(yōu)化問(wèn)題；系統(tǒng)總 帶寬為B，共有K個(gè)子載波，每個(gè)子載波的帶寬A為A ;各個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息（Channel K State Information, CSI)通過(guò)控制通道回饋給基站，QoE評(píng)估模型事先置于用戶終端中；
[0015] 優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)^
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于QoE的OFDM網(wǎng)絡(luò)下行鏈路資源分配方法，其特征在于，該方法的具體步驟是： 步驟一、建立單小區(qū)多用戶ODFM網(wǎng)絡(luò)下行鏈路模型；每個(gè)用戶只請(qǐng)求單個(gè)流媒體業(yè) 務(wù)；每個(gè)用戶都有一個(gè)播放緩沖區(qū)，由基站發(fā)送到達(dá)客戶端的數(shù)據(jù)首先存放在緩沖區(qū)中； 所述的ODFMA為正交頻分多址接入； 步驟二、建立流媒體業(yè)務(wù)QoE評(píng)估模型，得到各個(gè)用戶的傳輸速率約束；所述的QoE為 體驗(yàn)質(zhì)量；具體流程為： 第1步：根據(jù)用戶m的平均播放速率Θ m、播放閾值bm，流媒體畫面組時(shí)間h、每個(gè)畫面 組封裝成數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)w、用戶m的中斷概率約束Plim，根據(jù)流媒體中斷概率計(jì)算公式得到 入 m，min，
為用戶m的 最小QoE對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層傳輸速率； 第2步：根據(jù)λ m>查指數(shù)分布置信區(qū)間表，得到用戶m的最大Q0E對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層傳輸 速率； 第3步：λπ是用戶m的應(yīng)用層傳輸速率，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可分配的資源是分配給用戶m的 物理層的比特率Rni;根據(jù)流媒體數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸協(xié)議，計(jì)算數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中在傳輸 層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層的包頭字節(jié)開銷，將第1步和第2步得到的λ mmax映射成 用戶m的物理層的最小比特率約束Rm，min和最大比特率約束R m，max，得到用戶m的QoE速率約 束條件；映射公式為： Rm= λmX數(shù)據(jù)包長(zhǎng)X (1+開銷）X8比特/字節(jié)； 步驟三、將基于QoE約束的OFDM系統(tǒng)下行鏈路資源分配描述為優(yōu)化問(wèn)題；系統(tǒng)總帶寬 為B，共有K個(gè)子載波，每個(gè)子載波的帶寬△為I：;各個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息通過(guò)控制通道 回饋給基站，QoE評(píng)估模型事先置于用戶終端中； 優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)為
，其中M表示 用戶總數(shù)，a m k表示子載波分配因子，P m，k表示用戶m在使用子載波k傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所分配的 功率；Hnu表示用戶m在子載波k上的增益信噪比，
，Iinu表示用戶m在子載波 k上的通道增益，Ntl為加性高斯白噪聲功率譜密度； 資源分配優(yōu)化問(wèn)題的約束條件為：
a m，k= {0, 1}，m = {1，2,…，Μ}，k = {1，2,…，K}，為子載波分配約 束，表示每個(gè)子載波同時(shí)只能被一個(gè)用戶使用； Α2 :Pm，k> 0，
m = {1，2,…，Μ}，k = {1，2,…，K}，為功率約束，功率 值必須大于等于零；Ptrtal表示系統(tǒng)總功率約束，表示整個(gè)系統(tǒng)消耗的總功率必須在系統(tǒng)所 能提供的功率范圍內(nèi)；
，m = {1，2,…，M}，為用戶m的最小QoE速率約束；rm，k表示用戶m 在子載波k上的發(fā)送速率；
m = {1，2,…，M}，為用戶m的最大QoE速率約束； 步驟四、將步驟三的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量線性約束的凸優(yōu)化問(wèn)題： 引入變量sm，k，并且定義sm，k= a m，kPm，k，sm， k表示用戶m在子載波k上實(shí)際分配到的
) 發(fā)送功率； ；優(yōu)化問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)重新描述為：
資源分配優(yōu)化問(wèn)題的約束條件變?yōu)椋?br>〇彡α m，k彡1，m =以，2,…，M}，k = {1，2,…，K}，為子載波分配約 束； Ab :sm，k彡 0，，m = {1，2,…，M}，k = {1，2,…，K}，為功率約束； m=i κ=ι
m = {1，2,…，Μ}，為用戶m的最小QoE速率約束； ，m = {1，2,…，M}，為用戶m的最大QoE速率約束； 定義拉格朗日函數(shù)，記為L(zhǎng)，
其中，β、μ、υ、ω為拉格朗日乘子，Uk為約束條件Aa的拉格朗日乘子，ω為約束 條件Ab的拉格朗日乘子，β m為約束條件Ac的拉格朗日乘子、μ m為約束條件Ad的拉格朗 日乘子； 資源分配優(yōu)化問(wèn)題的對(duì)偶問(wèn)題為
其中D為拉格朗日對(duì)
偏導(dǎo)，并令結(jié)果為〇,得到子載波功率分配的最優(yōu)值，其中Ki.為Snu的最優(yōu)值； 偶函數(shù)， 根
根據(jù)約束條件Aa，最優(yōu)子載波分配問(wèn)題分解成K個(gè)獨(dú)立的優(yōu)化問(wèn)題，即對(duì)于每 個(gè)子載波k，子載波只被分配給具有最大值的用戶；子載波分配的最優(yōu)值為
步驟五、利用次梯度迭代法對(duì)凸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，拉格朗日乘子的次梯度分別為：
拉格朗日乘子的迭代公式分別為：
表示第i+Ι次迭代后的β m，表示 第i次迭代后的0m;
菱示第i+1次迭代后的μπ，表示第 i次迭代后的μ m; =L^ -，k = {1，2,…，Κ}，表示第 i+l 次迭代后的 u k，表示第 i次迭代后的uk; ω_)= ω ?-δ，ω，ω"+1)表示第i+Ι次迭代后的ω，ω⑴表示第i次迭代后的 ω ; i表示第i次迭代，Si表示第i次迭代的步長(zhǎng)，取δ i= δ Vi，δ ^為指定常數(shù)； 迭代的具體過(guò)程為： 第I步、選定各拉格朗日乘子初值，令i = 〇 ; 第II步、計(jì)算各拉格朗日乘子次梯度，如果I I g(i)| I < ε，停止迭代，進(jìn)入步驟六；g⑴ 表示所有拉格朗日乘子次梯度的集合，ε為指定計(jì)算精度，此時(shí)各拉格朗日乘子的值即為 最優(yōu)值/?、aC、<、ω5;如果Ng(i)ll>e，進(jìn)入第III步； 第III步、計(jì)算步長(zhǎng)Si= δ ; 第IV步、根據(jù)迭代公式更新迭代，計(jì)算各拉格朗日乘子在第i次迭代數(shù)值，令i = i+1， 轉(zhuǎn)到第II步； 步驟六、將獲得的拉格朗日乘子最優(yōu)值/C、a、<、'代入步驟四中的子載波 和子載波功率分配的最優(yōu)值公式，即可以獲得系統(tǒng)子載波和子載波功率分配的最優(yōu)值 和心。
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于QoE的OFDMA網(wǎng)絡(luò)下行鏈路資源分配方法。本發(fā)明方法首先建立單小區(qū)多用戶ODFMA網(wǎng)絡(luò)下行鏈路模型，然后建立流媒體業(yè)務(wù)QoE評(píng)估模型，得到各個(gè)用戶的傳輸速率約束；將基于QoE約束的OFDMA系統(tǒng)下行鏈路資源分配描述為優(yōu)化問(wèn)題，再轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量線性約束的凸優(yōu)化問(wèn)題，利用次梯度迭代法對(duì)凸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，將獲得的拉格朗日乘子最優(yōu)值代入子載波和子載波功率分配的最優(yōu)值公式，獲得系統(tǒng)子載波和子載波功率分配的最優(yōu)值。本發(fā)明方法綜合考慮了為保障用戶QoE所需的最小速率要求和為避免資源浪費(fèi)的最大QoE速率需求，可以兼顧用戶QoE的提升和資源的有效利用。
【IPC分類】H04L5-00, H04W72-08
【公開號(hào)】CN104869651
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510144037
【發(fā)明人】陳惠芳, 謝磊, 于凡格, 錢力言, 金棲西
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年3月30日