[发明专利]一种基于跨层优化的OFDMA系统的QoS保证方法

摘要

本发明为3G‑LTE的全IP OFDMA通信系统提出了一种基于跨层联合资源优化的QoS保证方法，同时考虑物理层、MAC层和呼叫接入层(Call Admission Control)三个协议层，用以保证全IP条件下多种业务的服务质量。方法包括如下步骤物理层的功率和比特率分配及其对上层的制约；MAC层的等价带宽分配及其对CAC层的制约；设计CAC方案。本发明方法解决了现有技术中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，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，避免数据包长时延的排队，更好地保证用户的QoS，提高资源利用率。

主权项

一种基于跨层优化的OFDMA系统的QoS保证方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：OFDMA系统物理层的功率和比特率分配及其对上层的制约；(1)根据香农定理和相关文献提出的OFDMA系统中单一子载波的基本速率模型推出某一业务类Φm的用户数据传输速率方程；(2)化简导出在业务类Φm中第n个用户分配的子波数Cmn的表达式；(3)定义等效带宽(4)当其他参数给定时，等效带宽只与功率有关，求出功率方向的导数式并令得到最优功率(5)将最优功率代入等效带宽的表达式，得到功率最优时业务类Φm最优的等效带宽；(6)假设在时隙l中，分配给的一个Φm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一定的情况下，分配给每个用户呼叫的等价带宽Aml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；步骤2：OFDMA系统MAC层的等价带宽分配及其对CAC层的制约；(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l(l＝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Aml；Aml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；(2)讨论OFDMA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；步骤3：设计OFDMA系统CAC方案；(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Wm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；(2)一个Φm类新呼叫想要接入该OFDMA系统时，基站首先更新Φm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；所述步骤1(6)中，根据得到的功率最优时业务类Φm最优的等效带宽，假设在时隙l中，分配给的一个Φm类呼叫的等价带宽为Aml，在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：Rml=Aml2ln2]]>这个速率随着分配给呼叫的等效带宽Aml变化而变化；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一定的情况下，分配给每个用户呼叫的等价带宽Aml也起伏不定，因此一个呼叫所使用的传输速率也必须在每个时隙中动态调整；所述步骤2(1)中，设计一种预测机制预测每一个时隙中有数据要发送的呼叫的个数：当呼叫从静默状态转为激活状态时，在呼叫传送第一个信息包前，先通过信令信道向基站发送一个带宽预约请求BRR的短包，它表示该呼叫有信息要传送；根据l‑1时隙中BRR的个数，l时隙分配给一个呼叫的等效带宽表示为下式：Aml=Wm/Nml(q),m=1,...M]]>其中，是时隙l中Φm业务类的BRR的数目，Wm是在CAC层预留给业务Φm的等效带宽；该式表示在同一个业务类中，带宽Wm是平均分配给各个呼叫的，这是MAC对公平性的要求；不同业务类的业务特点和QoS要求不同，因此带宽Wm随业务类而不同，体现了系统对差异性QoS的支持；所述步骤2(2)中，讨论Wm和传输时延的关系，Wm决定呼叫所用的传输速率，因而也决定数据包的传输时延，定义Qml为一个Φm类终端的数据包队列在l时隙的长度，令E(Rml)为Rml的均值，即一个时隙发送子包速率为E(Rml)：E(Rml)=E(Aml2ln2)=E(Aml)2ln2]]>将Aml的表达式代入有下式：E(Rml)=Wm/E(Nml(q))2ln2]]>一个时隙中一个数据包离开队列的概率服从几何分布：经过推算，Qml的分布依赖于在CAC层为Φm类业务预留的等效带宽Wm和Φm类业务的呼叫数Nm，将Qml的均衡分布重新计为：P{Qm＝i}＝πi(Wm，Nm) m＝1，…M；所述步骤3(2)中，当一个Φm业务类新呼叫想要接入该OFDMA系统，基站首先更新Φm业务类和其他业务类的预留带宽，假设Φm业务类已经被网络接纳了Nm个呼叫，Φj业务类、其他业务类已经被网络接纳了Nj个呼叫，Wm和Wj按下式更新：Wm＝WDm和Wj＝WDj j＝1，...，M，j≠m其中，Dm是将总带宽W分配到Φm业务类的比例，可表示为：Dm=(Nm+1)∂m/(Σj=1,j≠mM∂jNj+(Nm+1)∂m)]]>业务类Φj，带宽分配比例为：Dj=Nj∂j/(Σj=1,j≠mM∂jNj+(Nm+1)∂m),j=1,...,M,j≠m]]>当基站更新所有业务类的预留带宽之后，检查更新后的预留带宽是否满足所有业务类呼叫对时延的要求，定义Φm类的呼叫能容忍的最大数据包队列长度为Lm,它代表了Φm类业务可承受的最大传输延迟；队列长度超过Lm时呼叫就会中断(drop)；Φm类呼叫的中断概率为：Pmdrop=Σi=LmBumπi(Wm,Nm+1)]]>类似的，Φj类呼叫的中断概率为：Pjdrop=Σi=LmBujπi(Wj,Nj)]]>在CAC层，等效带宽的分配和呼叫的个数应该满足下面的不等式，即为CAC接入判定准则CAC criterion：与其中，定义βm为网络运营商可接受的Φm类呼叫最大的中断概率，βj为网络运营商可接受的Φj类呼叫最大的中断概率。