一种基于跨层优化的OFDMA系统的QoS保证方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于多层联合资源分配优化的QoS保证方法，属于无线通信领 域。
【背景技术】
[0002] 本发明中研究的是3G-LTE的全IP0FDMA系统中的资源分配与QoS保证。目前， 在B3G/4G无线蜂窝移动通信系统中，都采用了 0FDM和0FDMA作为其基本的物理层技术。 0FDM作为一种调制技术，与其它多址方式进行结合才适用于实际的多用户移动通信系统。 0FDM与FDMA技术结合形成的0FDMA技术是B3G/4G系统下行链路最主流的无线多址接入方 案。0FDMA将整个系统带宽分成若干个正交的子载波，若干个子载波组合成一个子信道，一 个用户被分配一个或多个子信道。0FDMA是以0FDM调制为基础，通过给每个用户分配一定 数量的子载波来实现多用户接入，在频率选择性衰落信道中有较强抵抗信道选择性衰落的 能力。此外，0FDMA的分配机制非常灵活，可以根据用户业务量的大小动态分配子载波的数 量，可以用一组或者几组子载波为某一用户服务，并且可以在不同的子载波上采用不同的 调制机制及发射功率来减少干扰，增加传输效率，因而可以达到很高的频谱利用率。0FDMA 已被广泛研究，与宽带CDMA及通用移动通信系统（UMTS)这类3G调制方案相比，它的好处 在于具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能。
[0003] 现有技术研究的0FDMA系统中的资源优化集中在多用户0FDM系统中的子载波、t匕 特、功率分配。为了满足无线通信系统中用户的不同QoS需求，人们对网络协议的各层进行 了深入的研究，并且开发出了各种的技术，比如物理层的多天线技术、自适应调制技术、功 率控制技术;MAC层的各种调度算法；网络层各种路由算法等。然而这些研究只是局限在独 立的各层中进行，并未考虑到各层之间的关系。对于一个时变信道的无线通信系统来是，仅 仅对某一层的优化是不足以满足用户的QoS需求的。3G-LTE所具有的全分组网络特性在具 有高频谱效率的同时却对QoS保证提出了巨大挑战。单层的优化设计很难在整个系统层面 是最优的，越来越需要系统设计者通过一种跨层的方式实现更有效的算法。现有的跨层资 源分配的研究主要集中在MAC层与物理层的两层联合优化。这些研究仅通过试图优化物理 层的参数来满足MAC层调度的适宜性，以满足用户时延（delay)的要求。然而数据包要在 MAC层可调度，除了物理层提供给MAC层足够的传输速率，以及MAC层富有效率的调度算法 之外，还要求通过合适的CAC(CallAdmissionControl)方案限制接入到系统中的用户数 目。如果呼叫接入控制CAC方案控制不当，接入系统的用户过多，即使物理层和MAC层的算 法更优化，数据包长时延的排队都是不可避免的。
[0004] 为了解决上述问题，本发明为3G-LTE的全IP0FDMA通信系统提出了一种基于多 层联合资源分配的QoS保证方法，方法同时考虑物理层、介质访问控制层（MAC)和呼叫接入 层（CallAdmissionControl)三个协议层，用以保证全IP条件下多种业务的服务质量。本 发明方法统一多层通信协议中对通信资源的量化和表达，把0FDMA物理层的资源如传输码 率和功率映射为上层协议可以分配的等效频谱带宽，从而把QoS对资源的要求和限制表达 为对等效频谱带宽分配的约束条件，并使得这些条件在不同的通信层中得到统一考虑。本 发明方法能够保证不同业务所要求的误码率、传输延迟时间和连接中断概率，具有更好的 资源利用率。
【发明内容】
[0005] 本发明解决了 3G-LTE的全IP0FDMA通信系统中单层的优化设计很难在整个系统 层面是最优的，而现有跨层资源分配仅通过试图优化物理层的参数来满足MAC层调度的适 宜性，以满足用户时延（delay)的要求，并未通过合适的CAC方案限制接入到系统中的用户 数目的问题，提出一种基于跨层优化的0FDMA系统的QoS保证方法，同时考虑物理层、MAC层 和呼叫接入层（CallAdmissionControl)三个协议层，用以保证全IP条件下多种业务的 服务质量。方法统一多层通信协议中对通信资源的量化和表达，把0FDMA物理层的资源如 传输码率和功率映射为上层协议可以分配的等效频谱带宽，从而把QoS对资源的要求和限 制表达为对等效频谱带宽分配的约束条件，并使得这些条件在不同的通信层中得到统一考 虑。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0007] -种基于跨层优化的0FDMA系统的QoS保证方法，所述方法包括如下步骤：
[0008] 步骤1 :0FDMA系统物理层的功率和比特率分配及其对上层的制约
[0009] (1)根据香农定理和相关文献提出的0FDMA系统中单一子载波的基本速率模型推 出某一业务类的用户数据传输速率方程；
[0010] (2)化简导出在业务类中第n个用户分配的子波数C"的表达式；
[0011 ] (3)定乂等效带览^??;
[0012] (4)当其他参数给定时，等效带宽只于功率有关，求出功率方向的导数式5^，并令 4m= 〇得到最优功率
[0013] (5)将最优功率I代入等效带宽的表达式，得到功率最优时业务类〇_"最优的等 效带宽；
[0014] (6)假设在时隙1中，分配给的一个〇m类呼叫的等价带宽为Aml，在上述最优等效 带宽表达式中用Aml代替，算出分配给一个用户呼叫的比特率Rml。业务具有突发性，每个 时隙系统的流量起伏不定，在总带宽W-定的情况下，分配给每个用户呼叫的等价带宽Ami 也起伏不定，速率Rml会随着上层分配给呼叫的等效带宽Aml变化而变化。
[0015] 步骤2 :0FDMA系统MAC层的等价带宽分配及其对CAC层的制约
[0016] (1)当一个呼叫产生信息包时，信息包首先在移动终端缓冲器里列队等候，在时隙 1 (1 = 1，2, 3~），呼叫以比特率Rml从队列的开头传输信息包，比特率Rml依赖于基站分配 给这个呼叫的等价带宽根据系统流量的大小动态调整，设计预测机制预测每一个时 隙中有数据要发送的呼叫的个数。
[0017] (2)讨论0FDMA系统中Wm和传输时延的关系，从中找到物理层和MAC层的QoS要 求对CAC层资源分配的约束条件。
[0018] 步骤3 :0FDMA系统中CAC方案
[0019] (1)根据数据包队列长度Qml的分布设计CAC方案：通过预留等效带宽和控制系 统内的呼叫个数Nm，使得数据包队列长度超出门限的概率小于一定的值。这个值可以由网 络运营商决定，而队列长度门限反映了业务对时延的要求。
[0020] (2) -个类新呼叫想要接入该0FDMA系统时，基站首先更新〇 m业务类和其他 业务类的预留带宽，然后检查更新后的预留带宽是否满足各类呼叫对时延的要求。
[0021] 上述步骤1(