支持含有软服务质量业务的多业务传输的资源分配方法

摘要

一种用于移动通信系统支持含有软服务质量业务的多业务传输的资源分配方法，是发送端综合考虑各个接收端反馈的信道质量信息和表征接收端对所请求服务满意程度的各类业务的效用特征，先对包括软QoS业务在内的各类业务给出多业务传输的系统资源分配总体方案，再根据软中断值和适用于多种业务组合的软中断判定准则，分别基于硬中断判定准则和软中断判定准则将剩余的系统资源合理分配给软QoS和尽力而为业务用户，进一步提升用户的效用性能和降低多业务传输过程中的分配中断概率。本发明有效降低业务分配中断概率，保障各类业务的QoS需求，并提高各类业务用户的传输速率及效用值；操作步骤简单、便利，实现容易，能满足实时高速数据业务传输的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于移动通信系统中，支持含有软服务质量(Soft QoS)业务的多业务联合传输的资源分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

处在信息化时代的今天，人们都希望随时随地能够享受到高速率无缝覆盖的通信服务。无线通信技术和英特网的快速发展，使得人们的愿望有了实现的可能。但是，相对于有线网络，尽管无线通信网络能使用户更加自由和便捷，但是，系统的资源(如功率、载波、时隙等)非常有限，因此有必要对多种业务进行合理的资源分配，提高资源利用率，并保证接收端用户的业务质量QoS。

另一方面，目前，人们对业务种类的需求也越来越多样化，各种无线业务被广泛开发和应用，例如，从过去单纯的语音业务发展到现在的语音业务、短信/彩信业务、流媒体业务、电子邮件、网络浏览和数据下载等等。可以预测：未来的无线通信必将是各种业务共存的局面。然而，这些业务对业务质量QoS的要求各不相同，需要科技人员将各种具体的应用层业务特征进行抽离和归类，并利用数学工具进行模型化，以便进行底层合理的无线资源分配。

效用值是一种表征用户对其所请求业务的满意程度的量化数值。效用值与接收端用户的传输速率r或分配得到的带宽B相关。不同类型的业务的效用值与传输速率或带宽具有不同的关联形式，相同种类的业务也可能具有不同的效用参数。相比于传输速率和系统吞吐量，效用值更能够反映业务的特征和接收端的对该业务的满意程度。此外，一些实时业务或半实时业务，如互联网协议语音(VoIP)业务、视频流业务和互联网协议电视(IPTV)业务等对时延和传输速率等QoS指标要求较高，因此在信道条件较差时，可能分配到的资源无法满足其QoS要求而产生分配中断(outage)。为了避免发生这种情况，分配中断的概率也是资源分配时需要考虑的重要因素之一。

基于业务对传输速率的要求，人们将各类业务分为两大类：实时业务和非实时业务。实时业务(如VoIP语音或流媒体视频业务)对传输速率和时延等QoS指标要求较高，其传输时的速率不能低于要求速率，否则会产生业务中断。非实时业务(如互联网浏览业务、电子邮件或数据下载业务等)对传输速率没有明确要求，但是，对传输的可靠性要求较高，典型的误码率要求为：10-4到10^-6之间。

在引入效用值对业务特征进行描述后，上述实时和非实时两类业务对应于效用业务中的硬服务质量(Hard QoS)业务和尽力而为(Best Effort)业务。其中，硬QoS业务的效用值为阶跃形式，在低于要求速率的时候，效用为0；大于或等于要求速率时，效用为最大值。尽力而为业务的效用为经过原点的单调递增上凸函数形式。在此基础上，人们提出了另外一种典型业务——软服务质量(Soft QoS)业务。软QoS业务同时兼具硬QoS和尽力而为两种业务的双重特征，一方面，软QoS业务虽然具有要求速率，但对速率也具有一定的容忍度，在低于要求速率的时候效用不为0，即接收端用户仍可使用该业务，直到速率低于最低要求速率时，即其具有硬QoS业务的部分特征；另一方面，在其传输速率达到要求速率后，接收端用户的效用值继续单调递增，并具有某一上限值，即其又具有尽力而为业务的部分特征。

下面具体介绍上述三种不同种类业务中的效用值的特征及其计算方法：

参见图1，先介绍了硬QoS业务的典型效用值特征。硬QoS业务用户的效用在其获得的传输速率r大于要求速率时达到最大，而小于该要求速率时效用为0。图1中的示例曲线是采用阶跃函数来描述硬QoS业务的效用特征，该示例曲线的表达式为：式中，r为硬QoS业务用户的传输速率，R_HQ为硬QoS业务的要求速率，U_max是硬QoS业务的最大效用值，sgn(x)为符号函数。

参见图2，介绍尽力而为业务的典型效用值形式。该类业务的典型效用值为单调递增的上凸连续函数，即业务的效用是随着传输速率或分配带宽的增大而增加，而且，其增加的幅度是越来越低。由于此类业务对传输速率r没有最低要求，因此在r＞0时，效用U(r)＞0。满足这类特征的函数包括有经过原点的指数函数、对数函数和幂函数等。图2中示例曲线的函数形式是指数函数，表达式为U_{Best_Effort}(r)＝a(1-e^-br)，r≥0，a，b＞0，式中，r为尽力而为业务用户的传输速率，a，b为常数，其中a表征效用的上限值，b表征效用值的形状，即b越大，效用值随着传输速率r上升的越快。

参见图3，介绍软QoS业务的典型效用值形式，该类业务的效用值为S形函数，且具有最小传输速率R_min和要求速率R_SQ。当传输速率r≤R_min时，效用U(r)＝0；r＞R_min时，效用U(r)＞0，且在R_min＜r≤R_SQ时，效用值呈下凸形式曲线，在r＞R_SQ时，效用值呈上凸形式曲线。图3中的软QoS业务的表达式为分段形式：式中，r为软QoS业务用户的传输速率，R_SQ和R_min含义如前所述，常数a，b中的a为效用的上限值，b表征效用值的形状，即b越大，效用值上升得越快。此外，在极限形式下，软QoS业务会接近硬QoS业务和尽力而为业务的特征。如上述表达式中，当b趋于∞值时，软QoS业务的效用接近硬QoS业务；而在R_SQ趋于0时，软QoS业务的效用则趋近尽力而为业务。

目前，已有的无线资源分配方案，都是基于两类业务(硬QoS业务和尽力而为业务)进行分配的，且这种分配都是以速率最大化为目标。而基于效用值最大化的，支持软QoS业务的多业务传输时的资源分配方法仍然没有解决，成为业内科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种有效提高传输性能的支持软QoS业务的多业务传输的资源分配方法，本发明方法在操作步骤简单、容易实现的基础上，能够有效提高各类业务用户的总效用值，降低传输过程中的带宽分配中断概率；而且，该方法应用范围广泛，可用于单一业务或混合业务、单用户或多用户的资源分配。此外，由于软QoS业务对要求速率的容忍性，还必须保障该类业务用户的传输速率，在不影响系统总效用的情况下，使得该类业务用户尽可能达到要求速率，以提高用户满意度。

为了达到上述目的，本发明提供了一种支持含有软服务质量(Soft QoS)业务的多业务传输的资源分配方法，其特征在于：首先对包括软QoS业务在内的各类业务给出多业务传输的系统资源分配总体方案，再根据软中断(SoftOutage)值和适用于多种业务组合的软中断的判定准则，分别基于硬中断判定准则和软中断判定准则将剩余的系统资源合理分配给软QoS业务用户和尽力而为业务用户，以便进一步提升用户的效用性能和降低多业务传输过程中的分配中断概率。

本发明是一种用于无线通信网络中支持软QoS业务的多业务传输的资源分配方法，该方法在发送端根据接收端用户反馈的信道质量信息，综合考虑各个接收端的信道质量信息和用于表征接收端用户对所请求服务满意程度的各类业务的效用特征，通过次数有限的循环迭代将系统资源以最适宜的方式分配给需要传输各类业务的接收端用户，并能自适应地对用户获得的资源和传输速率进行合理调整，以求达到较高的效用。根据理论分析和仿真试验，本发明具有下述优点：

本发明能有效提高各类业务用户的总效用值，保障各种业务的QoS，降低带宽分配的中断概率；且操作步骤简单、快捷，执行的循环操作次数只取决于软QoS业务的用户数，而且只具有线性计算复杂度，实现容易；应用范围广，能够同时适用于单一业务或混合业务的单用户或多用户的资源分配问题。

另外，本发明基于系统硬中断判定公式的资源分配方法，能有效提高接收端用户的总效用，降低分配中断的概率；另一种适用于多种业务组合传输的软中断判定公式以及基于该判定公式的资源分配方法，能够在有限地提高计算复杂度、但不降低接收端用户总效用的前提下，进一步对软QoS业务用户的效用进行优化，降低系统传输过程中的软中断概率。因此本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明中的硬QoS业务的效用-速率示例示意图。

图2是本发明中的尽力而为业务的效用-速率示例示意图。

图3是本发明中的软QoS业务的效用-速率示例示意图。

图4是本发明多业务传输的系统资源分配方法的操作流程方框图。

图5是本发明基于硬中断判定准则的实施方法操作流程方框图。

图6是本发明基于软中断判定准则的实施方法操作流程方框图。

图7是多用户多业务联合传输时，基于硬中断的资源分配方法实施例的中断性能比较示意图。

图8是多用户多业务联合传输时，基于硬中断的资源分配方法实施例的效用性能比较示意图。

图9是多用户多业务联合传输时，本发明基于软中断的资源分配方法实施例的软中断性能比较示意图。

图10是多用户多业务联合传输时，基于软中断的资源分配改进方法的效用性能实施例的比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

根据现有技术的三种不同业务的效用特征，本发明提出一种既能有效保障各类业务用户QoS，又能提高业务效用性能的系统资源分配方法：首先对包括软QoS业务在内的各类业务给出多业务传输的系统资源分配总体方案，再根据软中断值和适用于多种业务组合的软中断(Soft Outage)的判定准则，分别基于硬中断判定准则和软中断判定准则将剩余的系统资源合理分配给软QoS业务用户和尽力而为业务用户，以便进一步提升用户的效用性能和降低多业务传输过程中的分配中断概率。

首先介绍本发明创新提出的软中断值及其相关术语的技术概念：

软中断值O_S是用于评定系统业务传输效果的数值，该数值的值域为[0，1]，其中，O_S＝0时，表示该次传输效果好，没有发生中断；O_S＝1时，表示该次传输效果差，发生了中断；当O_S介于0和1之间时，表示该次传输虽然没有中断，但传输效果不理想，需要提升传输性能，即该次传输处于“软中断”。通信系统的软中断值取决于各类用户的软中断值，用户的软中断值则取决于该用户的传输速率和业务类型。

本发明中的各类用户的软中断值和系统的软中断值的判决公式如下所示：硬QoS业务用户的软中断值的判决公式为：式中，r为业务用户的传输速率，i为用户序号；该式表示：若硬QoS业务用户i的速率低于其要求速率R_HQ时，其软中断值为1；其他情况该用户i的软中断值为0。

软QoS业务用户的软中断值的判决公式为：式中，r为业务用户的传输速率；g(x)为值域为[0，1]单调递减连续函数，并根据实际具体业务来定义其数值；该式表示：在软QoS业务用户i的传输速率r位于最低速率R_min和要求速率R_SQ之间时，其软中断值O_{SQ_i}的值域为[0，1]，当O_{SQ_i}＝1时，表示该用户i的业务传输发生了中断，性能最差；当O_{SQ_i}＝0时，表示该用户i的业务传输没有发生中断，性能较好；当O_{SQ_i}介于0与1之间时，表示该用户i的传输虽然没有中断，但是传输性能不理想，需要提升性能。

尽力而为业务用户的软中断值的判决公式为：O_{BE_i}＝0，该式表示：无论尽力而为业务用户i的传输速率为多少，其软中断值都为0。

系统的软中断值O_S值的判决公式与各类业务的软中断值相关，即其中，硬QoS业务用户的软中断值软QoS业务用户的的软中断值尽力而为业务用户的软中断值O_BE＝0，表示一种运算方法，其定义为：对于一组p个变量x₁，x₂…x_p，有

参见图4，介绍本发明方法的具体操作步骤：

步骤1、初始化设置下述参数：将所有软QoS业务用户的传输速率要求都设置为R_SQ，硬QoS业务用户的传输速率要求设置为R_HQ；O_H为业务传输中断标志(或称：硬中断)，当O_H＝1时，表示该次传输发生中断，当O_H＝0时，表示该次传输没有中断；循环变量k表示当前要求速率仍为R_SQ的软QoS业务用户数，其初始数值与软QoS业务的用户总数k_SQ相等，即k＝k_SQ。

步骤2、将包括频域、时域、总发送功率的各种系统资源分别相应划分为子载波或子载波组、时隙、单位功率的各种有限数量的资源块。

步骤3、根据各个用户的信道特征，将系统资源分配给各个软QoS业务和硬QoS业务用户，直到满足该两种业务用户对应的要求速率或将所有的资源块都分配完后，判断上述两种业务用户是否都已达到其对应的要求速率；若是，设系统的中断标志O_H＝0，即该次传输没有发生中断，并跳转执行步骤6；否则，顺序执行步骤4。

步骤4、判断每个软QoS业务用户的要求速率是否都为其最低速率R_min，即判断循环变量k是否为0；若是，说明该次分配的系统资源仍然无法满足当前所有用户的传输需求，设置系统的中断标志O_H＝1，即该次传输发生了中断，结束资源分配流程；否则，顺序执行步骤5。

步骤5、将当前分配得到系统资源最多的软QoS用户的要求速率降低为最低速率R_min，再设置循环变量k＝k-1后，返回执行步骤3。

步骤6、将此时剩余的系统资源分配给软QoS业务和尽力而为业务用户，并计算所有用户的总效用，结束资源分配流程。

该步骤6能够选择下述两种本发明创新提出的分配剩余资源的操作方法：

(1)基于系统硬中断判断的分配方法：对系统的剩余资源进行循环搜索，将这些资源分配给最适宜的软QoS业务用户或尽力而为业务用户，提高系统资源利用率和多用户的总效用；

(2)基于系统软中断判断的分配方法：对软QoS业务用户进行剩余资源再分配，即以剩余资源块的数量为循环次数，先将剩余资源块分配给速率要求降低为R_min的软QoS业务用户，再将其他资源块分配给软QoS业务用户或尽力而为业务用户；进行多次上述循环分配操作后，选取其中性能较好的一次作为分配结果；因系统剩余资源块的数量有限，该方法的搜索复杂度仅与资源块数量相当，并权衡优先对软QoS业务用户分配资源对系统性能产生的影响，在降低软中断值的同时，尽量减少对用户效用的降低；该方法易于实现，能够满足实时业务的要求。

可以看出，上述资源分配方案只是在有用户的要求速率无法达到时，才对软QoS业务用户进行降低速率要求的循环操作，因此，其循环操作次数只与软QoS业务的用户数相关，而且，实现复杂度为线性复杂度，实现简便。

为进一步提高各类业务用户的效用，提高资源利用率，本发明分别基于系统硬中断判定公式或准则和软中断判定公式或准则对资源分配方法进行改进。

其中系统分配硬中断O_H的判定就是人们常用的中断判定方式，在上述总体分配资源的技术方案中已经使用，用于表示是否存在某些用户的传输速率没有满足其请求业务的速率要求，即在步骤3中，系统的中断标志O_H又称为硬中断值，其判定公式就是人们使用的传统中断判定公式：

式中，r_HQ和R_HQ分别为硬QoS业务的传输速率及其要求速率，r_SQ和R_min分别为软QoS业务用户的传输速率和最低速率，上述公式表示：当任何业务用户的传输速率没有满足其请求的业务传输速率要求时，系统就会发生传输中断，即产生硬中断。

参见图5，介绍本发明的基于系统硬中断判断的剩余资源分配方法，在执行到步骤3时，要对软QoS业务和硬QoS业务用户的传输速率分别进行判定，若这两种业务用户对应的要求速率均已达到，系统的分配中断标志O_H＝0时，如果系统还剩余一定数量的资源，本发明就将这些剩余资源合理地分配给软QoS业务用户和尽力而为业务用户，以提高接收端用户的总效用。

也就是此时跳转执行步骤6的操作，这里执行的是其中第(1)种基于系统硬中断判断的分配方法：对系统的剩余资源进行循环搜索，将这些资源分配给最适宜的软QoS业务用户或尽力而为业务用户，提高系统资源利用率和多用户的总效用。该种判断方法包括下列操作内容：

(601)设剩余资源的总数为n个资源块，软QoS业务用户和尽力而为业务用户的并集Ω′＝{软QoS业务用户，尽力而为业务用户}；

(602)将n个资源块中的一个资源块分配给对于该资源块信道条件最好的、且属于所述用户并集Ω′中的某个用户m；

(603)n＝n-1，并判断n是否为0，若n＝0，则顺序执行步骤(604)；否则，返回执行步骤(602)；

(604)计算所有用户的传输速率及其总效用值，结束剩余资源分配流程。

该方法是通过对资源块的循环搜索，将剩余资源块分配给最适合该资源的软QoS业务用户或尽力而为业务用户，可以有效提高系统资源利用率，提高多用户的总效用。搜索过程只有线性复杂度，简单易于实现。

参见图6，介绍本发明基于系统软中断判断的剩余资源分配方法。在执行到步骤3时，对软QoS业务和硬QoS业务用户的传输速率分别进行判定，这两种业务用户对应的要求速率均已达到，系统的硬中断标志O_H＝0时；如果系统还剩余一定数量的资源，就将这些剩余资源合理地分配给软QoS业务用户和尽力而为业务用户，可以降低系统的软中断值O_S。

同样地，此时跳转执行步骤6的操作，这里执行的是其中第(2)种基于系统软中断判断的分配方法：对软QoS业务用户进行剩余资源再分配：以剩余资源块的数量为循环次数，先将剩余资源块分配给速率要求降低为R_min的软QoS业务用户，再将其他资源块分配给软QoS业务用户或尽力而为业务用户；进行多次上述循环分配操作后，选取其中性能较好的一次作为分配结果。

该种判断方法包括下列操作内容：

(611)设剩余资源的总数为n个资源块，能够获得剩余资源的软QoS业务用户集Ω＝{要求速率降低为R_min的软QoS业务用户}；

(612)将n个资源块中的一个资源块分配给对于该资源块信道条件最好的、且属于所述用户集Ω中的某个用户m；将其余的n-1个资源块按照上述步骤(601)～(604)进行分配；

(613)计算该次分配每个用户的传输速率r，相应的各个业务临时总效用值U_n及系统的临时软中断值Q_n；

(614)n＝n-1，并判断n是否为0，若n＝0，则顺序执行步骤(615)；否则，返回执行步骤(612)；

(615)选取其中权衡值F(U_n，O_n)最大的n_max及其对应的分配方式作为最终方案，输出用户总效用和系统软中断值结束剩余资源分配流程；权衡值F(U_n，O_n)是对效用值U_n和软中断值O_n的进行设定的均衡运算后的数值，用于权衡优先对软QoS业务用户分配资源对系统性能造成的影响，以便能够在降低软中断值的同时，尽量减少或不降低用户总效用；式中，U_n和O_n分别为资源块n被分配后，计算得到的系统临时总效用及其系统临时软中断值。

该剩余资源分配方法相对于基于硬中断判定的方法，在复杂度上有所提升，主要是在对软QoS业务用户进行资源再分配时，以剩余资源块的数量为循环次数对各用户进行多次循环分配资源的操作，再从中提取性能较好的一次分配做为结果。但是，系统的剩余资源块的数量有限，该方法的搜索复杂度仅与剩余资源块数量相当，并权衡优先对软QoS业务用户分配资源对系统性能产生的影响，因此，该方法易于实现，能够满足实时业务的要求，并在降低软中断值的同时，尽量减少对用户效用的降低；。

申请人利用MATLAB软件对本发明方法进行了多次试验实施和仿真验证，试验实施的场景设定为OFDM中继协同传输系统，系统资源即为OFDM子载波和功率，仿真试验实施的参数如下表所示：

  总功率P_total  1W  子载波数N  32  硬QoS业务用户数k_HQ  2  软QoS业务用户数k_SQ  3  尽力而为业务用户数k_BE  3  平均信噪比SNR  6∶0.2∶14dB  误比特率BER  0.001  效用值参数U_max a b  U_max＝1/3 a＝1 b＝1或3

参见图7，介绍本发明多用户多业务联合传输基于硬中断资源分配方法的中断性能实施例的比较示意图。图中比较了具有软QoS业务和没有软QoS业务时发生中断的概率，其中将同等数量的软QoS业务用户置换为硬QoS业务用户可视作不降低软QoS业务用户的要求速率的分配方法。本发明方法在对含有软QoS业务用户的多业务资源分配可以明显降低中断发生的概率。

参见图8，介绍本发明多用户多业务联合传输基于硬中断资源分配方法的效用性能实施例的比较示意图。在效用参数b的两种取值下，本发明的资源分配方法相对不降低要求速率的算法在用户效用性能上具有较明显的性能提升。在该实施例中，b＝1时的增益约为2dB，b＝3时的增益约为0.7dB。说明本发明方法对支持软QoS业务的多业务传输进行资源分配的性能具有明显的增益，成功地实现了发明目的。

参见图9和图10，分别介绍本发明多用户多业务联合传输基于软中断资源分配方法的软中断性能和用户总效用实施例的比较示意图。为了便于比较，该实施例采用与前一实施例相同的场景和参数。软中断值的计算中的g(x)采用线性函数：总效用U_n和总软中断值O_n的均衡值F(U_n，O_n)采用乘积形式：F(U_n，O_n)＝U_n(1-O_n)。

在该实施例中，本发明方法中提到的用户总效用，即各个用户效用之和：式中，U_k为用户k的效用。

图9中，相对于传统的硬中断迭代算法，本发明方法可以进一步降低用户的软中断概率。如在相同场景和参数情况下，本发明在该实施例中法获得的增益约为0.5dB；图10中可见本发明方法在用户总效用性能上没有降低原有算法的数值，因此该方法可以在有限增加运算复杂度的基础上，很好地降低用户的软中断值，保障软QoS业务用户和系统用户的总效用。

总之，本发明的实施例是成功的，实现了发明目的。