CN102256301A - 一种同时满足单播及多播业务的用户选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同时满足单播及多播业务的用户选择方法，包括：1)在原有分配给多播的载波上叠加单播，建立用户选择模型；2)通过块对角化和功率控制保证不会减小该载波上的多播业务速率；3)选择单播和速率最大的单播用户集。本发明方法，在多播业务传输时，同时考虑用户在需求多播业务的同时也会有单播业务的需要，提出在OFDM***中，在分配给多播的子载波上，通过BD在保证多播最差用户的接收性能不受影响的前提下，叠加单播，并通过选择最优的单播用户集以及相应的功率控制方案保证速率最大化和不会产生新的链路最差用户。

Description

一种同时满足单播及多播业务的用户选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其是一种同时满足单播及多播业务的用户选择方法。

背景技术

随着无线网络的发展，用户对业务的质量要求越来越高，有限的频谱资源越来越满足不了用户的要求。因此提出了对多个用户传输相同数据的多播技术，可以很好的利用频谱，提高资源的利用效率。然而由于多播业务的多个用户信道链路情况不一，为了满足所有用户的业务需求，多播的数据速率往往受限于链路最差的用户，这样链路较好用户的资源没有充分利用。同时，当多个用户接收例如视频和电视节目这种多播业务的同时，他们也会有相应的例如电话、短信等单播业务的需求。为了解决这个问题，同时考虑到用户需求多播的同时也需求单播的情况，研究在一个子载波上同时传输单播和多播业务具有实际价值。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的多播***受限于链路最差用户，而好的用户的资源没有充分得到利用的问题；提出一种同时满足单播及多播业务的用户选择方法，该方法在保证多播速率没有减小的同时，最大化单播的速率，有效的提高了频谱的利用率，从而提高整个***的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种同时满足单播及多播业务的用户选择方法，起特殊之处在于以下步骤中：

1)在原有分配给多播的载波上叠加单播；

2)通过BD和功率控制保证不会减小该载波上的多播业务速率；

3)通过单播用户选择保证单播速率最大。

在上述技术方案中，步骤1)的具体操作如下：

1-1)、根据无线场景布置的结果，在所有载波上调度多播业务和单播业务；

1-2)、在调度多播的载波中，根据链路最差用户性能，计算多播的速率；

1-3)、在调度多播的载波中，给多播数据叠加单播数据流，根据此时多播链路最差用户性能，计算多播的速率：

在上述技术方案中，只是将单播流通过叠加编码与多播一同发送。

在上述技术方案中，叠加单播前，用户i多播信号的SNR为：

${\mathrm{SNR}}_{m,i}^{\left(k\right)}=\frac{P_m{\left|w_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2}{N_0}---\left(1\right)$

叠加后，用户i多播信号的SINR为：

${\mathrm{SINR}}_{m,i}=\frac{P_m{\left|w_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2}{P_u\underset{j\∈U_k}{\mathrm{\Σ}}{\left|w_{j,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2+N_0}---\left(2\right)$

用户j，j∈U_k，单播信号SINR为：

${\mathrm{SINR}}_{u,j}^{\left(k\right)}=\frac{{\left|w_{j,k}^H{h}_j^{\left(k\right)}\right|}^2}{\underset{n\∈U_k,n\≠j}{\mathrm{\Σ}}{\left|w_{n,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2+N_0}---\left(3\right)$

在上述的技术方案中，步骤2)包括如下操作：

2-1)、在调度多播的载波中，根据块对角化，令单播数据流都在最差链路用户的正交子空间发送；

2-2)、为了防止因为单播干扰出现链路更差用户，对单播流进行功率控制。

在上述技术方案中，先通过BD达到多播链路最差用户速率不变的目的，然后通过功率控制保证不会产生其他更差用户，这样就可以保证多播速率不变，同时可以叠加单播数据流。

在上述技术方案中，步骤3)包括如下操作：

3-1)、遍历所有可能的单播用户集，根据步骤2)计算各种单播用户集下的单播速率，选择单播和速率最大的单播集；

3-2)、次优的用户集选择策略，根据步骤2)首先选择一个速率最大用户，然后在这个用户已选择基础上，选择下一个用户，如果速率增加则继续选择，否则用户选择结束。

本发明具有以下有益效果：本发明首先通过块对角化来解决了单播数据流对原多播最差用户的性能不会产生影响，然后通过功率控制保证了不会产生比原多播最差用户性能更差的用户，最后进行用户选择保证了在不减小多播数据速率的前提下，最大化单播数据速率；同时提出了复杂度更低的次优用户选择方法。

附图说明

图1为本发明的***模型图；

图2为单播和多播叠加时的发射机框图；

图3为单播和多播叠加时的接收机框图；

图4为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的核心思想是在分配给多播的载波中，由于多播受限于链路最差用户，链路好的用户的资源没有得到充分的利用，因此提出在保证不影响多播速率的前提下，通过叠加编码将多播和单播叠加发送。为了达到不影响多播速率的目的，首先通过块对角化(BD，BlockDiagonalization)来解决单播数据流对原多播最差用户的性能不会产生影响，然后通过功率控制保证了不会产生比原多播最差用户性能更差的用户，最后通过用户选择策略保证了在不减小多播数据速率的前提下，最大化单播数据速率。同时提出了复杂度更低的次优用户选择策略。

本发明是一种同时满足单播及多播业务的用户选择方法，其包括：

1)在原有的分配给多播的载波上叠加单播，具体步骤如下：

1-1)、本发明中的OFDM***是在一个蜂窝小区场景下，该蜂窝小区的基站(BS，Base Station)有N个天线，小区中具有M个单天线的移动台(MS，Mobile Station)，且M＞N，共有K个载波可用来传输数据。每个MS需求单播业务的同时也需求多播业务。因此，共有M个单播流和一个多播流可用来传输。但是单播流不能都用来发送，因此需要选择用来传输的用户，如图1所示。一共有K个子载波可用来传输数据，当所有用户在第k个载波上的最小SNR大于门限值SNR_th时，1≤k≤K，第k个子载波用来传输多播业务，否则传输单播业务，如图4所示。且在每个传输多播的子载波上，多播的传输功率为P_m，单播的传输功率为P_u。令h_i表示用户i的下行信道向量，h_i中每个元素都是独立同分布，且服从均值为0方差为1的复高斯分布。我们假设BS已知所有用户的信道状态信息，且在一个帧长时间内，信道不发生变化。

假设第k个子载波分配给了多播，在第k个子载波上，用户i的信道向量为

首先选择单播用户集U_k，满足1≤|U_k|≤M，其中|U_k|表示用户集合中用户的个数。设多播的信号为x，U_k用户单播的信号为y_j，j∈U_k，且有E[|x|²]＝E[|y_j|²]＝1，j∈U_k。对多播业务，每个天线发送相同的信号，即多播发射向量为

对第j个用户的单播信号的波束赋形向量为w_j，k，j∈U_k，所有的w_j，k构成了单播的波束赋形向量w_u，k。如图2所示，将多播和波束赋形后的单播信号叠加起来发射，于是第i个用户的接收为

$r_{i,k}=\sqrt{P_m}{w}_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}x+\sqrt{P_u}\underset{j\∈U_k}{\mathrm{\Σ}}{w}_{j,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}{y}_i+n_{i,k},n_{i,k}\∈\mathrm{CN}(0,N_0).$

其中，n_i，k表示第i个用户在第k个子载波上的高斯白噪声，N₀指噪声的功率谱密度。

在接收端，所有的用户直接译出多播数据，而用户j∈U_k还需要用接收数据r_j，k减去多播数据后，再译出单播数据，如图3所示。

1-2)、叠加单播前，用户i多播信号在第k个子载波上的SNR为：

${\mathrm{SNR}}_{m,i}^{\left(k\right)}=\frac{P_m{\left|w_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2}{N_0}---\left(1\right)$

1-3)、叠加后，用户i多播信号在第k个子载波上的SINR为：

${\mathrm{SINR}}_{m,i}^{\left(k\right)}=\frac{P_m{\left|w_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2}{P_u\underset{j\∈U_k}{\mathrm{\Σ}}{\left|w_{j,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2+N_0}---\left(2\right)$

用户j，j∈U_k，单播信号在第k个子载波上的SINR为：

${\mathrm{SINR}}_{u,j}^{\left(k\right)}=\frac{{\left|w_{j,k}^H{h}_j^{\left(k\right)}\right|}^2}{\underset{n\∈U_k,n\≠j}{\mathrm{\Σ}}{\left|w_{n,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2+N_0}---\left(3\right)$

本发明的目标是在保证多播速率不减小的基础上提升单播性能，而在第k个子载波上多播的速率为 $R_m^{\left(k\right)}=\log (1+\underset{i}{\min }\{{\mathrm{SNR}}_{m,i}^{\left(k\right)}\left\}\right),i=\mathrm{1,2},...,M,$ 即多播的速率只和链路最差的用户有关，因此只要保证链路最差用户的SNR在叠加单播之后不变，就可以保证多播业务不受影响。

综上所述，提出下面的优化模型：通过用户选择，功率控制，以及波束赋形设计，在保证多播速率不变的前提下，最大化单播数据的速率和。

$\underset{U_k,P_u,w_{j,k}}{\max }{R}_u^{\left(k\right)}$

$s.t.:\underset{i}{\min }{\mathrm{SINR}}_{m,i}^{\left(k\right)}=\underset{i}{\min }{\mathrm{SNR}}_{m,i}^{\left(k\right)},i=\mathrm{1,2},...,M$ (4)

$R_u^{\left(k\right)}={\mathrm{\Σ}}_{j\∈U_k}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u,j}^{\left(k\right)}),k=\mathrm{1,2},...,K$

j∈U_k

其中(4)式的第一个条件表示单播信号对多播信道最差用户没有影响，即叠加单播信号后，多播最差链路用户的性能没有发生变化。第二个条件指的是第k个子载波上的单播总速率。

2)通过BD和功率控制保证不会减小该载波上的多播业务速率，具体步骤如下：

由于式(4)是一个多变量的优化问题，将多个变量分离，即将波束赋形的设计、功率控制与用户的选择分开来求解。首先研究当用户确定时的波束赋形向量设计与功率控制；其次分别通过穷举法和低复杂度的次优算法来确定U。由于只考虑单个载波上的问题，为了书写简单，下面将“k”忽略不写。

2-1)、通过BD解决不影响链路最差用户性能，即w_u的确定

要保证不影响多播速率，就要保证链路最差用户不受单播的干扰。采用BD来解决这个问题，对单播的波束赋形向量从最差链路用户的信道正交子空间上取得，这样就可以保证单播的数据的波束集中在别的用户的方向，而最差用户没有受到一点影响。

由于单播数据间存在干扰，同时也要对选择的单播用户进行BD，因此要对U的用户和链路最差用户一起做BD，得到波束赋形向量w_u。于是，由于MS都是单天线，且BS共有N个天线，因此U_k的元素个数不能超过N-1。

通过和最差用户BD得到的波束赋形向量可以使原多播最差用户没有影响，但是会对别的用户的接收情况造成影响，为了保证叠加单播后的多播最小SINR和叠加前最小SNR一样大，就需要保证不会产生新的链路最差用户，这个问题可以通过对单播的功率控制来解决。

2-2)、通过功率控制保证不会产生链路更差用户，即P_u的确定

单播功率控制策略：由于单播的干扰可能导致多播接收最差用户的变更，因此引入单播功率控制策略。

为了保证单播数据对多播传输速率无影响，对BD后的单播数据进行功率控制，分配的功率P_u需要满足下面几个条件：

(1)、叠加单播所造成的干扰不影响多播传输速率，即多播最小的SINR；

(2)、功率需尽可能大；

(3)、功率不能超过某一上限，记为P_max。

因此为了保证不会有新的链路最差用户诞生，单播功率必须满足

$\underset{i}{\min }\left\{\frac{P_m{\left|w_m^H{h}_i\right|}^2}{P_{u,i}\underset{j\∈U}{\mathrm{\Σ}}{\left|w_j^H{h}_i\right|}^2+N_0}\right\}=\underset{i}{\min }\left\{\frac{P_m{\left|w_m^H{h}_i\right|}^2}{N_0}\right\}=\frac{P_m{\left|w_m^H{h}_{\min }\right|}^2}{N_0}$

求解得P_u，i，又因为单播功率不能超过P_max，因此分配给单播业务的总功率为P_u＝min{P_u，i，P_max}。

于是，模型简化为下式：

$\underset{U}{\max }{R}_u$

$s.t.:\underset{i}{\min }{\mathrm{SINR}}_{m,i}=\underset{i}{\min }{\mathrm{SNR}}_{m,i},k=\mathrm{1,2},...,K$

|U|≤N-1    (5)

$R_u={\mathrm{\Σ}}_{j\∈U}{\log }_2(1+\frac{p_j{\left|w_j{h}_j\right|}^2}{N_0})$

3)通过单播用户选择保证单播速率最大，具体步骤如下：

在上述优化问题(5)式中只有U一个变量。首先明确U选择的原则：

(1)、所选单播用户的信号对多播信号的干扰需尽可能集中在链路条件好的多播用户处，即不影响链路最差的用户，因此链路最差用户不会被选择；

(2)、U中单播用户要求相互之间的信道相关性不高，即保证BD后单播的和速率最大。

3-1)、由于用户一共有M个，U中的用户数不超过N-1，因此只需要遍历所有可能的用户集，就可以得到最优的结果。遍历算法如下：

步骤1：首先寻找第k个子载波上的链路最差用户i，令Ω＝{1，2，...，M}\i，U＝φ；

步骤2：从Ω列举所有可能的U，共L个，

记为U^(l)，l＝1，2，...，L；

步骤3：对每种U进行BD，并分配功率；

步骤4：计算每种U的速率 $R_u^{\left(l\right)}={\mathrm{\Σ}}_{j\∈U^{\left(l\right)}}{\log }_2(1+\frac{p_j{\left|w_j^H{h}_j\right|}^2}{N_0});$

步骤5：得到最优的U序号， $l_{\mathrm{opt}}=\underset{1\≤l\≤L}{\arg \max }{R}_u^{\left(l\right)}.$

3-2)、由于遍历算法复杂度高，下面提出一种降低复杂度的次优选择算法：

步骤1：首先寻找第k个子载波上的链路最差用户i，令Ω＝{1，2，...，M}\i，U＝φ；

步骤2：Ω中的每个用户分别与用户i一起做BD后，进行功率控制，选择速率最大的用户π(1)，于是Ω＝Ω\π(1)，U＝U+{π(1)}，t＝1；

步骤3：迭代：t＝t+1，若t＞N-1，算法结束。否则Ω中的用户寻找分别和用户i，π(1)，...，π(t-1)做BD，然后功率控制，选择与π(1)，...，π(t-1)的和速率最大的π(t)， $R_u^{\left(t\right)}={\mathrm{\Σ}}_{j\∈U^{\left(l\right)}}{\log }_2(1+\frac{p_j{\left|w_j^H{h}_j\right|}^2}{N_0})$ 为和速率，其中对

若

算法结束。否则，Ω＝Ω-{π(t)}，U＝U+{π(t)}。

上述解法可以得到三个参数：波束赋形向量w_u，单播的功率P_u以及单播业务用户集U，总的流程图如图4所示。

Claims (5)

1.一种同时满足单播及多播业务的用户选择方法，用于一蜂窝小区，该蜂窝小区包括一个具有N个天线的基站，M个单天线的移动台，且M＞N，共有K个载波可用来传输数据；其特征在于：

1)在原有分配给多播的载波上叠加单播，建立用户选择模型；

2)通过块对角化和功率控制保证不会减小该载波上的多播业务速率；

3)选择单播和速率最大的单播用户集。

2.根据权利要求1所述的同时满足单播及多播业务的用户选择方法，其特征在于，步骤1)的具体方法如下：

1-1)计算叠加单播前，用户i多播信号在第k个子载波上的SNR，其计算公式如下：

${\mathrm{SNR}}_{m,i}^{\left(k\right)}=\frac{P_m{\left|w_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2}{N_0}---\left(1\right)$

其中，P_m指单个子载波上多播的功率，

指第k个子载波上多播的波束赋形向量，表示每个天线发送相同的信号，

表示第k个子载波上的第i个用户的信道系数，N₀指噪声功率谱密度；

1-2)计算叠加后，用户i多播信号在第k个子载波上的SINR，其计算公式如下：

${\mathrm{SINR}}_{m,i}^{\left(k\right)}=\frac{P_m{\left|w_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2}{P_u\underset{j\∈U_k}{\mathrm{\Σ}}{\left|w_{j,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2+N_0}---\left(2\right)$

其中，P_u指单个子载波上单播的功率，w_j，k指第k个子载波上第j个用户的单播信号波束赋形向量，U_k指第k个子载波上所选的单播用户集；

1-3)叠加单播前多播的速率为 $R_m^{\left(k\right)}=\log (1+\underset{i}{\min }\{{\mathrm{SNR}}_{m,i}^{\left(k\right)}\left\}\right),i=\mathrm{1,2},...,M;$

使叠加后的多播速率等于叠加前的多播速率，其模型如下：

$\underset{U_k,P_u,w_{j,k}}{\max }{R}_u^{\left(k\right)}$

$s.t.:\underset{i}{\min }{\mathrm{SINR}}_{m,i}^{\left(k\right)}=\underset{i}{\min }{\mathrm{SNR}}_{m,i}^{\left(k\right)},i=\mathrm{1,2},...,M$ (3)

$R_u^{\left(k\right)}={\mathrm{\Σ}}_{j\∈U_k}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{u,j}^{\left(k\right)}),k=\mathrm{1,2},...,K$

j∈U_k

其中，

表示第k个子载波上U_k中单播用户的总速率。

3.根据权利要求1所述的同时满足单播及多播业务的用户选择方法，所述步骤2)的具体步骤如下：

2-1)通过块对角化在链路最差用户的正交子空间上发送单播流保证单播流不影响链路最差用户性能；

2-2)控制单播功率，使单播的干扰不会使得多播在叠加单播后产生比叠加前最差用户更差的用户；

单播功率P_u不能超过P_u，i，P_u，i满足

$\underset{i}{\min }\left\{\frac{P_{m,k}{\left|w_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2}{P_{u,i}\underset{j\∈U_k}{\mathrm{\Σ}}{\left|w_{j,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2+N_0}\right\}=\underset{i}{\min }\left\{\frac{P_m{\left|w_{m,k}^H{h}_i^{\left(k\right)}\right|}^2}{N_0}\right\}---\left(4\right)$

单播功率不能超过P_max，分配给单播业务的总功率为P_u＝min{P_u，i，P_max}，其中P_max表示单载波上单播可分配的最大功率。

4.根据权利要求1所述的同时满足单播及多播业务的用户选择方法，所述步骤3)的具体步骤如下：

遍历所有可能的单播用户集，根据步骤2)计算各种单播用户集下的单播速率，选择单播和速率最大的单播用户集。

5.根据权利要求1所述的同时满足单播及多播业务的用户选择方法，即选择最优的单播用户集，所述步骤3)的具体步骤如下：

根据步骤2)首先选择一个速率最大用户，然后在这个用户已选择基础上，选择下一个用户，如果速率增加则继续选择，否则用户选择结束。

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