基于叠加码的高能效单播与多播混合业务的机会多播方法

摘要

一种基于叠加码的高能效单播与多播混合业务的机会多播方法，是先引入混合单播和多播的软实时业务的传输场景模型，并采用叠加码的编码方式将单播和多播的业务数据进行叠加，提高功率和频谱的资源利用率；再以机会多播方式传输叠加后的数据，满足该两种业务QoS要求；而且，对于用户请求的软实时业务，采用先进行短时间缓存后，再通过广播为该缓存时间内请求相同业务的用户提供服务的传输方法，以提高系统资源利用率；同时，通过计算获得叠加码中增强层业务的最优选择方案，使得该多播传输方法的能量效率达到最佳。本发明能有效保证各种业务服务质量，显著提高系统传输效率和系统吞吐量，其适用于多种无线通信网络，具有很好的推广应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于叠加码的高能效单播与多播混合业务的机会多播传输 方法，属于无线网络能效优化与规划的技术领域。

背景技术

近年来，由于无线广播组播技术能够大幅度提高无线频谱的利用率，因而 受到人们的广泛关注，然而，在传统广播过程中，发射功率和发送速率都是决 定于最差的用户信道，对于信道状况较好的用户，这种现象无疑白白浪费资源。

参见图1，介绍能够解决上述问题的新技术-基于多媒体业务的分层信源编 码。其原理是将原始的视频数据编码为基本流和增强流：基本流是面向覆盖范 围内的所有用户，以保证信道最差的用户(例如离基站BS最远的用户U2)也 能获得基本的视频观赏效果；增强流是面向信道状况较好的用户，只有这些用 户(例如离基站BS较近的用户U1)才能正确解码，以获得更精细的视频享受。 这样就对不同用户实现了不同的服务等级，充分利用不同信道状况的资源。

申请人的发明专利申请《一种无线广播组播传输方法》(申请号为 201010606067.0，申请日2010年12月27日)将一种称为机会多播的传输方法 应用到分层信源编码方法中。所谓机会多播传输方法是为了实现多个用户接收 相同信源的目标，采用既不同于广播传输：只需发送一次、但发射功率和传输 速率受限于最差用户信道状况；也不同于单播传输：发射功率和传输速率最优， 但必需发送多次：其数量等同于用户数量。机会多播传输方法是每次发送只选 择设定比例p(0＜p＜100％)的用户，这样发射功率和传输速率就会受限于设定 比例的用户中最差的用户信道状况；但是其数值肯定远远大于广播传输方案中 的最差用户信道状况，且发送次数也将远远小于单播方案中的用户数。

现在全球兴起低碳经济大潮，环保、低碳已经成为通信产业发展的新引擎， 构建低碳的通信网络已成为产业的新目标。面对这一发展趋势，通信产业的从 业人员正以调整企业战略和积极行动做出回应。其中，电信运营商、系统设备 商和动力能源等多家企业都及时做出响应，打造绿色网络、构建低碳经济之需， 不断创造符合产业发展的绿色、低碳技术产品和相应解决方案，助力通信产业 进行绿色转型，为全面构建低碳通信产业注入源源不断的绿色动力。

如何以高能效传输为目标来提高传输效率，并努力尽量降低基本流的传输 时延和增大增强流的吞吐量，已经成为业内科技人员关注的主要目标。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于叠加码的高能效单播与多播混合 业务的机会多播传输方法，用于弥补现有技术的缺陷和满足绿色通信的多项需 求，并实现下述目标：

A、建立混合多种单播与多播业务的无线网络模型，以使简化的单播与多播 混合业务采用叠加码编码，并用机会多播方法的模型参数描述无线网络编码传 输特征，使得本发明方法能够适用于所有无线网络，无需考虑具体网络的限制。

B、引入机会多播的传输方法，并将其与叠加码编码方法相结合，使得本发 明不仅在传统广播组播服务基础上能够有效提高资源利用率，还能够保证用户 的服务质量(Quality of Service)。

C、运用系统容量(Capacity)和能量效率(Energy Efficiency)的工程 计算公式计算能够实现系统能效最优化的增强层信道增益门限值，并进一步 获得此时系统能量效率的计算公式。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于叠加码的高能效单播与多 播混合业务机会多播方法，其特征在于：先引入一种混合单播和多播的软实时 业务的传输场景模型，并采用叠加码的编码方式将单播业务和多播业务的数据 进行叠加，以提高功率和频谱的资源利用率；再以机会多播的传输方式传输叠 加后的信息，满足该两种业务服务质量QoS要求；而且，对于用户请求的软实 时业务，采用先进行短时间缓存后，再通过广播为该缓存时间内请求相同业务 的用户提供服务的传输方法，以提高系统资源利用率；同时，通过计算获得叠 加码中增强层业务的最优选择方案，使得该多播传输方法的能量效率达到最佳。

本发明基于叠加码的高能效单播与多播混合业务机会多播方法的优点是：

本发明方法能够在有效保证业务服务质量的基础上，显著提高系统传输效 率，采用机会多播方法确保各种业务的服务质量，还运用叠加码来提升系统吞 吐量。由于本发明方法应用场景是采用单小区的简化无线网络，使得该方法立 足于无线传输过程的基本特征，有利于本发明方法的推广和普及。

此外，本发明方法中使用的系统传输时延和系统容量的工程计算公式，计 算简便，能有效降低系统传输时延，并得到可靠的增强层业务选择门限值，从 而大幅度提升系统能效。总之，本发明方法具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为叠加码传输技术中多用户小区的分层传输模型示意图。

图2为本发明基于叠加码的高能效单播与多播混合业务的机会多播方法操 作流程图。

图3为本发明方法的实施例示意图。

图4为本发明实施例中机会多播和传统广播方式的系统传输时延比较图。

图5为本发明实施例中叠加码与传统编码传输方法的系统吞吐量比较图。

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，下面结合附图和实施例对 本发明作进一步的详细描述。

本发明基于叠加码的高能效单播与多播混合业务机会多播方法，是先引入 一种混合单播和多播的软实时业务的传输场景模型，并采用叠加码的编码方式 将单播业务和多播业务的数据进行叠加，以提高功率和频谱的资源利用率；再 以机会多播的传输方式传输叠加后的信息，满足该两种业务服务质量QoS要求； 而且，对于用户请求的软实时业务(即时延要求不高、既能够对每个用户的请 求单独产生响应、又能同时被多个用户接入的、包括网页浏览、视频点播与文 件下载的数据业务)，采用先进行短时间缓存后，再通过广播为该缓存时间内请 求相同业务的用户提供服务的传输方法，以提高系统资源利用率；同时，通过 计算获得叠加码中增强层业务的最优选择方案，使得该多播传输方法的能量效 率达到最佳。

本发明方法适用的无线网络是采用单小区的、包含无线网络的共同特征参 数：小区半径r_c、瑞利衰落信道和系统传输带宽B而不考虑传输技术具体差异 的简化无线网络，以便能够给出最优的增强层业务数据的选择门限计算公式。

参见图2，介绍本发明方法的下列具体操作步骤：

步骤1，根据广播组播系统的传输场景，针对多种单播和多播混合的软实时 业务特征及其QoS要求建立通过叠加码编码并使用机会多播传输方法的业务模 型，并按照下述公式计算确定该模型下系统传输时延式中，S 为每次发送的基本层数据字节，B为系统传输带宽，R_bi为每次发送的基本层数据 传输速率，其数值取决于每次发送所选择的设定比例用户中最差用户信道状况、 即其计算公式为$R_{\mathrm{bi}}={\log }_2\left(\frac{r_c^m-{\rho }_0\times {\ln p}_{\mathrm{bi}}}{r_c^m-(1-\lambda )\times {\rho }_0\times {\ln p}_{\mathrm{bi}}}\right);$式中，r_c为小区半径，m为路损指 数，综合因子中的G为综合考虑路损、天线增益与其高度多因素影响的 系数，P为总功率，N为高斯白噪声，p_bi为基本层用户的选择比例，λ为基本层 功率分配因子，其数值取决于p_bi的传输次数i的最大值p_b为中 断概率。该步骤包含下列操作内容：

(11)确定缓存时间，并将缓存时间内的所有软实时业务及其用户信息制 成统计信息表，再按照业务种类数和定制相应业务的用户数差距确定热点业务 和非热点业务的门限值：

(12)确定混合单播和多播业务通过叠加码编码并使用机会多播传输方法的 传输模型：发送端将热点业务作为基本层，非热点业务作为增强层并采用叠加 码的编码方法将其数据叠加于热点业务上，再采用机会多播方法进行发送，即 每次根据用户的信道状况分别决定每次发送时的用户选择比例；如此执行多次 发送，就能实现所有用户均能成功接收相同信息的目标；

(13)计算上述传输模型下的系统传输时延：在叠加码编码方法中，系统传 输时延决定于基本层数据的传输时延，故经过多次发送实现所有用户均能成功接 收相同信息的目标所需的系统传输时延$K_B\left(p_{\mathrm{bi}}\right)=\underset{i}{\Sigma }\frac{S}{B{\times R}_{\mathrm{bi}}}.$

本发明中的缓存时间是在不影响用户体验质量QoE(Quality of Experience) 基础上设置的尽可能长的时长，以便有效提高系统资源利用率；但是，其以牺 牲用户等待时间为代价。因此，若缓存时间过短，缓存期内的同种业务数量有 限，无法有效提高资源利用率；若缓存时间过长，则导致用户QoS下降。

统计信息表是在缓存期内由用户定制请求的所有业务种类和所有业务请求 中每种业务的用户信息所组成的表格，其中所有业务都按照定制请求或被点击 的用户数量降序排列，并将业务按照被点击的次数分为热点业务和非热点业务： 热点业务是请求该业务的用户数量较多的业务，非热点业务是请求该业务的用 户数量较少的业务。其中，热点业务在叠加码中作为基本层数据，非热点业务 作为增强层数据，系统传输时延决定于基本层的数据量及其相应的传输速率。

参见图3，介绍部分名单实施例情况：在设定覆盖范围的单小区内，基站给 多个用户提供服务，其中的U1、U2、...、U7分别是在选定某段时间内接受服 务的7个用户。基站在该段时间内缓存所有的软实时业务，并对业务种类进行 统计分析，得到用户定制业务的统计信息表。在该段缓存时间内共有26次用户 请求的服务，用户共定制了8种业务，以点击量超过4次为门限值，A、B、C 和D这四种业务为热点业务，E、F、G和H为非热点业务。

由于本发明将热点业务作为基本层数据，将非热点业务作为增强层数据叠 加于基本层数据之上进行发送；这样就将基本层的部分功率分配给了增强层， 造成传统的广播方式无法保证传输质量和时延要求，因此，本发明通过使用机 会多播方法-即用多次高速率发送实现多个用户共同接收，就能够有效保证用 户服务质量。

在图3中，非热点业务E、F、G和H的数据叠加至热点业务A、B、C和 D之上，这样的系统传输时延是以基本层热点业务数据的传输时延表示的。以A 业务传输过程为例，具体计算过程如下：

在无线通信中，设用户均匀分布在小区内，则每个用户到基站的距离概率 分布函数为：0＜r≤r_c，其中，r_c为小区半径，r为基站与用户间距离。 接收端的SNR为：其中，P为源端发送功率，信道增益表征 路损和小尺度衰落的影响，m为路损指数，N为源端到接收端的高斯噪声，G为 综合路损、天线增益、天线高度与其他因素影响的设定常数。

使用叠加码进行传输的基本层最大传输速率为其 中，λ为基本层功率分配因子，N₁为基本层信道的白高斯噪声功率。增强层最大 传输速率为其中，N₂为增强层信道的白高斯噪声功率。相 应的基本层接收端的信噪比为：$z_b=\frac{{\alpha }^2}{r^m}{\mathrm{\lambda \rho }}_0/(\frac{{\alpha }^2}{r^m}(1-\lambda ){\rho }_0+1),$增强层接收端的信 噪比为：$z_e=\frac{{\alpha }^2}{r^m}(1-\lambda ){\rho }_0,$其中${\rho }_0=\frac{\mathrm{GP}}{N}.$

步骤2，根据系统传输时延K_B和拉格朗日定律的计算公式，在已知叠加码 中基本层功率分配因子λ时，根据下述公式计算确定最优用户的选择比例 $p_{\mathrm{bi}}^{\mathrm{opt}}=1+\underset{i=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{{\left({\ln p}_{\mathrm{bi}}\right)}^i}{(\frac{\mathrm{mi}}{2}+1)\times i!}.$该步骤2包括下列操作内容：

(21)利用拉格朗日定律对步骤(13)中的完成一次消息发送所需的系统传 输时延的计算公式中的用户选择比例p_bi进行求导，得到公式 再设置该公式就能得到传输时延最小时的用户选择比例 的数值；

(22)根据系统传输时延K_B的计算公式和步骤(21)中传输时延最小时的 最优用户选择比例的计算方法，按照下述公式，计算得到满足系统传输时延最小 时的基本层用户选择比例$p_{\mathrm{bi}}^{\mathrm{opt}}=1+\underset{i=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{{\left({\ln p}_{\mathrm{bi}}\right)}^i}{(\frac{\mathrm{mi}}{2}+1)\times i!}.$

步骤3，根据步骤1中的业务模型，利用下述公式计算确定该系统吞吐量 $C_{\mathrm{sys}}\left(\lambda \right)=\underset{i}{\Sigma }[{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\lambda \rho }}_0{\left|h_{\mathrm{bi}}\right|}^2}{(1-\lambda ){\rho }_0{\left|h_{\mathrm{bi}}\right|}^2+1})\times p_{\mathrm{bi}}^{\mathrm{opt}}+{\log }_2(1+(1-\lambda ){\rho }_0{\left|h_{\mathrm{ei}}\right|}^2)\times p_{\mathrm{ei}}],$式中，|h_bi|²为基本层 信道增益，其计算公式为：|h_ei|²为增强层信道增益。该步骤3 包括下列操作内容：

(31)根据步骤(13)中的业务传输模型和步骤(22)中的基本层用户选择 比例按照下述公式计算确定每次传输过程中增强层的用户选择比例： $p_{\mathrm{ei}}=1-F_{{\left|h\right|}^2}({\left|h\right|}^2\le \frac{(2^{R_{\mathrm{ei}}}-1)}{(1-\lambda )\times {\rho }_0})\ge p_{\mathrm{bi}}^{\mathrm{opt}};$式中，R_ei为每次发送时增强层数据传输速率，其计 算公式为R_ei＝log₂(1+(1-λ)ρ₀|h_ei|²)，|h_ei|²为每次发送中增强层用户的信道增益；

(32)根据步骤(22)中的基本层用户的选择比例步骤(13)中的发 送速率R_bi和步骤(31)中增强层数据的用户选择比例p_ei及其传输速率R_ei，按照 下述公式计算确定每一次完成信息发送时的系统吞吐量：

$C_{\mathrm{sys}}\left(\lambda \right)=\underset{i}{\Sigma }[{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\lambda \rho }}_0{\left|h_{\mathrm{bi}}\right|}^2}{(1-\lambda ){\rho }_0{\left|h_{\mathrm{bi}}\right|}^2+1})\times p_{\mathrm{bi}}^{\mathrm{opt}}+{\log }_2(1+(1-\lambda ){\rho }_0{\left|h_{\mathrm{ei}}\right|}^2)\times p_{\mathrm{ei}}];$式中，传输次数i是 p_bi的函数；由于基本层用户选择比例增强层用户选择比例p_ei、基本层数据 发送速率R_bi和增强层数据速率R_ei均为基本层功率分配因子λ作为变量的函数，因 此该系统吞吐量的计算公式也是变量λ的函数。

步骤4，根据步骤3中的系统吞吐量C_sys和步骤1中的系统传输时延K_B，得 到系统能量效率EE(Energy Efficiency)的计算公式，再利用拉格朗日定律公式 计算得到增强层最优信道增益门限${\left|h_e^{\mathrm{opt}}\right|}^2={\left[\frac{2}{p_e^{\mathrm{opt}}{\mathrm{mr}}_c^2}\gamma (\frac{2}{m},r_c^m{\left|h_e^{\mathrm{opt}}\right|}^2)\right]}^{m/2}.$该步骤4包 括下列操作内容：

(41)根据步骤(13)中的基本层数据的系统传输时延K_B(p_bi)和步骤(32) 中的系统吞吐量C_sys(λ)，在满足该软实时数据业务QoS的前提下，按照下述公 式计算系统能效式中，P为发送端完成一次信息传输所需的 发射功率；

(42)利用拉格朗日定律和步骤(41)中的系统能效公式，按照下述公式 进行计算得到满足最优能效情况下的增强层数据业务的选择门限： ${\left|h_{\mathrm{ei}}^{\mathrm{opt}}\right|}^2={[\frac{2}{p_e{\mathrm{mr}}_c^2}\times \gamma \times (\frac{2}{m},r_c^m\times {\left|h_{\mathrm{ei}}^{\mathrm{opt}}\right|}^2)]}^{m/2};$然后，选择能够满足该信道增益门限值的业务 作为叠加至基本层的增强层业务类型，从而使得单播和多播业务通过叠加码编 码并使用机会多播方案进行传输的方法能够实现能效最优化的目标。

本发明方法已经进行了多次实施试验，下面参见图4和图5介绍本发明 方法进行仿真实施试验的实验结果。

参见图4，介绍使用MATLAB仿真软件搭建模拟实际的无线通信系统进行 仿真实施试验后的结果曲线图，图中为本发明机会多播方案和传统广播方式下 系统时延的两条比较曲线，从图可以看出，在通常的发射功率范围内，本发明 机会多播方法的系统传输时延明显小于传统广播的系统传输时延。但是，随着 发射功率的增大，本发明机会多播方法的系统传输时延逐渐趋向于传统广播的 系统传输时延，这是由于当发射功率增大，机会多播方式将趋向于服务所有广 播用户的结果。关于仿真实施试验系统中参数的设置如下表所示：

  参数   数值   信道带宽   10[MHz]   噪声功率   -174[dBm/Hz]   路损模型   L＝G/rⁿ，r单位m，G＝0.023568，n＝4   小区半径   1000[m]   用户数   100

  基本层信息长度   1000[bits]   增强层信息长度   100[bits]   时隙长度   0.01[s]

参见图5，介绍使用MATLAB仿真软件搭建模拟实际的无线通信系统进行 仿真实施试验后的结果曲线图，图中为本发明叠加码方案和传统广播方式下系 统吞吐量的三条比较曲线，这三条曲线分别表示使用QPSK、16QAM调制方式 下的TDM方案和使用本发明在QPSK调制下的叠加方案的吞吐量，从图中可以 看出：本发明叠加的方案其接收端的吞吐量大约是使用QPSK调制方式下的 TDM方案的两倍，也比使用16QAM调制方式下的吞吐量要大。

综上所述，本发明叠加方案比传统的使用QPSK调制方式下的TDM方案， 虽然在BER性能上略有恶化，但是其吞吐量有大幅度提高；尤其是与传统的使 用16QAM调制方式下的TDM方案相比较，不仅BER性能有所改善，而且吞 吐量也有所增加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明保护的范围之内。