[发明专利]一种多无线电系统中基于公平性和精细化带宽分配的资源分配方法

摘要

本发明针对基于OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）的多载波系统中用户比例公平性和系统效率问题进行了研究，提出了一种联合资源分配方法，不仅保证了用户比例公平性下系统的吞吐量，还充分考虑了分配的带宽是子信道带宽整倍数的特点，对分配给每个终端的带宽进行子信道整数倍调整。最后通过仿真对比，从吞吐量和公平性两方面说明了本发明的优越性。

主权项

一种OFDMA多系统中基于公平性和精细化带宽分配的联合资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、将用户端功率和网络端带宽建模为基于公平性的联合最优化模型：数据传输过程中，每一种网络技术(Network Technology，NT)都会为各个UE分配不同的带宽资源和发射功率，假设信道衰落是慢变的，即信道在一个资源分配周期内保持固定，再假设网络t分配给用户s的子信道带宽是连续的，则异构系统中UEs(s＝1,2,3…S)的吞吐量可表示为：Rs=Σt=1Trst=Σt=1T(1-ηst)βtxstlog2(1+|Hst|2pstNstxst)---(1)]]>其中rst为UEs在NTt内的数据速率，ηst为UEs到NTt的平均误比特率，其值为远远小于1的正数，βt(0≤βt≤1)为NTt的系统效率，其值和信道的编码方式有关，xst为网络NTt分配给UEs的带宽，pst为UEs在NTt的发射功率，|Hst|2表示信道传输增益，Nst表示此时的噪声功率谱密度；我们取βt＝1，ηst＝0，令因此式(1)可简化为：Rs=Σt=1Trst=Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst)---(2)]]>设置一种比例公平性方法，使得速率Rs在不同的用户间在某种意义上是公平的，同时使得系统总速率之和在一定意义上最大，也就是说此方法同时兼顾了公平性和系统效率：将此问题写成最大化用户的传输数据速率的对数和形式，则可将最优化问题建模为如式(3)所示，其近似最优解易通过最优化方法中的梯度法得到，且其局部最优解即为全局最优解；maxΣs=1SlnRs=maxΣs=1Sln(Σt=1Trst)=maxΣs=1Sln(Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst))]]>步骤2、忽略条件d的前提下，通过梯度法求得近似最优解，所述方法如下：最优化问题的拉格朗日函数为：L(x,p;λ,μ)=Σs=1Sln(Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst))+Σt=1Tλt(Xt-Σs=1Sxst)+Σs=1Sμs(Ps-Σt=1Tpst)=Σs=1S[ln(Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst))-Σt=1Tλtxst+μsPs-μsΣt=1Tpst]+Σt=1TλtXt---(4)]]>其中λ＝[λ1,λ2,...λm]是与接入点带宽分配约束相关的乘子向量，而μ＝[μ1,μ2,...μn]是与用户端发送功率约束相关的乘子向量；利用KKT条件求得带宽分配与功率分配之间的关系：pst=xst·[1ln2·Rsμs-1gst]+---(5)]]>其中[a]+＝max{a,0}；本方法采用梯度法更新带宽，选取合适的步长a则xst,可收敛：xstk+1=[xstk-a∂L∂xst]+,∀s,t---(6)]]>在已知xst,下，根据式(5)，则可求得pst,同样采用梯度法更新拉格朗日乘子λ和μ，如下：λtk+1=[λtk-b(Xt-Σs=1Sxst)]+,∀t---(7)]]>μsk+1=[μsk-c(Ps-Σt=1Tpst)]+,∀s---(8)]]>其中k为迭代轮次，b和c为迭代步长，通过选取合适的迭代步长理论上可以保证收敛；由式(5)我们可以看到，功率分配pst、带宽分配xst和用户当前速率Rs之间相互关联，因此需要采用如下的迭代方法求解；Rs更新如下：Rsm+1=Rsm-dm(Rsm-Σs=1Sln(Σt=1Txstlog2(1+gstpstxst)))---(9)]]>其中m为速率迭代次数，d是UEm速率更新迭代步长，通过选取合适的迭代步长可以保证速率的收敛性；步骤3、根据步骤2求出的近似最优解，对所有求得的带宽xst取向下的最大子信道带宽整数倍：其中dt代表网络NTt的子信道带宽，然后对于每一个NT，统计剩余带宽资源为了保证公平性，对于每一个NT，将剩余带宽资源按照子信道带宽为单元分配给带宽最小的UEs：步骤4、为了衡量用户比例公平性，引入Jain公平性因子(Fairness index，FI)，FI定义为：FI=(Σs=1SRs)2/(S·Σs=1SRs2)---(10)]]>用公平性因子FI来表示算法的公平性。