一種基于用戶體驗質(zhì)量的高能效頻率功率分配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于用戶體驗質(zhì)量的高能效頻率功率分配方法，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明方法針對多業(yè)務(wù)，多用戶無線通信系統(tǒng)的各方面性能表現(xiàn)不均衡性以及系統(tǒng)具有較高能耗的問題，對無線通信系統(tǒng)中的頻譜資源和功率資源分別進(jìn)行優(yōu)化分配?；诼?lián)合數(shù)據(jù)速率比例公平算法和多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了在保證系統(tǒng)高能效的前提下，優(yōu)化用戶QoE和用戶公平性的目的。同時根據(jù)無線資源分配完成后各個不同業(yè)務(wù)類型的用戶最終的QoE大小，系統(tǒng)相應(yīng)的確定了該項業(yè)務(wù)對應(yīng)的最大服務(wù)覆蓋區(qū)域，針對不同業(yè)務(wù)類型其容許的服務(wù)范圍是彼此不同的，由此形成了小區(qū)的無定形覆蓋。
【專利說明】一種基于用戶體驗質(zhì)量的高能效頻率功率分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于用戶體驗質(zhì)量的高能效頻率功率分配方法，屬于無線通信技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動通信系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大以及信息時代的到來，各類新型多媒體信息業(yè) 務(wù)層出不窮，用戶對信息服務(wù)性能要求的增高和有限的無線系統(tǒng)資源之間的矛盾也逐漸擴(kuò) 大，因此實現(xiàn)對無線系統(tǒng)資源的優(yōu)化分配變得至關(guān)重要。在傳統(tǒng)無線資源分配技術(shù)的研究 領(lǐng)域，主要是優(yōu)化一類稱之為服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS)的指標(biāo)參數(shù)，從而有效 地分配無線資源。QoS指標(biāo)是決定用戶滿意程度的所有業(yè)務(wù)服務(wù)水平的綜合表現(xiàn)，它可被 解釋為有關(guān)物理層分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵業(yè)績指標(biāo)（Key Performance Indicator, KPI)，通常 是由網(wǎng)絡(luò)底層的吞吐量、時延、誤碼組成。這表明QoS機(jī)制側(cè)重于以網(wǎng)絡(luò)性能評測為出發(fā)點 來進(jìn)行業(yè)務(wù)管理和區(qū)分，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可依據(jù)不同的質(zhì)量要求來處理不同業(yè)務(wù)。這一指標(biāo)沒有 將用戶的主觀感受以及業(yè)務(wù)本身的屬性特點納入考量范圍，但是從終端用戶的角度來評定 QoS卻是一個更寬泛，且更具主觀性的問題，因此另一更具實際參考意義的定義為用戶體驗 質(zhì)量（Quality of Experience, QoE)的評測指標(biāo)在充分考慮用戶主觀性和QoS的基礎(chǔ)上應(yīng) 用而生。
[0003] QoE是指用戶對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)能力和運(yùn)營商提供的業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（包括舒適 性，可靠性等方面）的綜合體驗，即表明業(yè)務(wù)的舒適化程度。運(yùn)營商也可以依據(jù)用戶的Q〇E 評分來優(yōu)化部署網(wǎng)絡(luò)，因此QoE指標(biāo)一經(jīng)提出便受到廣泛關(guān)注，成為了學(xué)術(shù)界的重要研究 課題之一，并且也是工業(yè)領(lǐng)域重要的服務(wù)性能評價指標(biāo)之一。影響QoE的關(guān)鍵因素有很多， 大致可分為技術(shù)因素和非技術(shù)因素兩類，其中技術(shù)因素涉及端到端的QoS保證機(jī)制，端到 端的業(yè)務(wù)質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)的接通和傳輸能力，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍以及終端設(shè)備性能等等；非技術(shù)因 素包含用戶的主觀認(rèn)知，行為習(xí)慣和運(yùn)營的服務(wù)質(zhì)量，服務(wù)內(nèi)容，價格，客服支撐，業(yè)務(wù)的便 利和快捷性等等。目前針對QoE的研究內(nèi)容主要集中在QoE評測模型的確定以及基于QoE 及其相關(guān)指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源管理與優(yōu)化兩方面。通過確定QoE的評測模型，系統(tǒng)可以根 據(jù)監(jiān)測到的各用戶的QoE值來確定其服務(wù)覆蓋范圍，從而完成無定形小區(qū)的設(shè)計。而通過 設(shè)計一種基于QoE的無線資源分配技術(shù)，可以實現(xiàn)提升系統(tǒng)性能表現(xiàn)，提高無線資源利用 效率，以及最大化工業(yè)利潤的目的，這對經(jīng)濟(jì)社會和能源可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。
[0004] QoE的數(shù)值度量標(biāo)準(zhǔn)有平均意見值（Mean Of Score, M0S)和sigmoid效用函數(shù)兩 類。M0S的最初定義是一種衡量通信語音系統(tǒng)業(yè)務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，可以分為主觀M0S分評 價和客觀M0S分評價兩類。其中，主觀M0S的評價方法主要是通過對比原始的語音信息和 經(jīng)過處理的有衰退的語音，然后得出M0S分，再映射到QoE上?，F(xiàn)有的研究通常將M0S分量 化為與底層傳輸QoS參數(shù)指標(biāo)（例如吞吐量，丟包率，抖動和實驗）相聯(lián)系的公式。
[0005] 另外，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，新一代的通信理念"綠色通信"被提出并廣泛倡導(dǎo)，即 采用創(chuàng)新的高效功放，多載波，分布式，智能溫控技術(shù)等對移動通信系統(tǒng)進(jìn)行積極改造，以 達(dá)到降低能耗的目的，最終實現(xiàn)人與自然的和諧相處。傳統(tǒng)的無線資源分配算法主要是最 大化系統(tǒng)吞吐量算法和比例公平算法，其中，最大化系統(tǒng)吞吐量算法的目的是實現(xiàn)系統(tǒng)容 量的最優(yōu)，但是通常信道狀況較差的用戶所獲得的無線資源數(shù)量也較少，因此該條件下用 戶的服務(wù)性能體驗較差，同時也導(dǎo)致用戶的公平性差異較大；比例公平算法是保證用戶間 公平性的算法，相比前者這種方法對時間窗的長度要求十分嚴(yán)格，一般要足以覆蓋快衰落 的變化，但同時會帶來附加的延遲。這兩類算法都屬于單目標(biāo)優(yōu)化的范疇，最終都只是針對 系統(tǒng)某一方面的性能進(jìn)行優(yōu)化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為提升無線通信系統(tǒng)的能源效率和整體性能，提出了一種基于用 戶體驗質(zhì)量的高能效的頻率功率分配方法。針對多業(yè)務(wù)，多用戶無線通信系統(tǒng)的各方面性 能表現(xiàn)不均衡性以及系統(tǒng)具有較高能耗的問題，對無線通信系統(tǒng)中的頻譜資源和功率資源 分別進(jìn)行優(yōu)化分配。基于多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了在保證系統(tǒng)高能效的前提下，優(yōu)化用戶 Q〇E和用戶公平性的目的。
[0007] 本發(fā)明適用的場景為：包含K個用戶的單基站移動通信小區(qū)，用戶的位置隨機(jī)產(chǎn) 生。其中，K個用戶包括Ki個使用業(yè)務(wù)1的用戶，K2個使用業(yè)務(wù)2的用戶，......，κρ個使 用業(yè)務(wù)Ρ的用戶，滿足Ki+Kf. . . +ΚΡ = Κ，Ρ代表業(yè)務(wù)種類數(shù)?；九渲脼閱伟l(fā)射天線，系統(tǒng) 可利用的總發(fā)射功率資源量為Pmax，Ptn是用戶k在子載波η上分配的功率資源大小，k代表 用戶變量，η是子載波變量。k=l，2，...，K，K即為單基站移動通信小區(qū)中用戶總數(shù)。η = 1，2,. . .，Ν，Ν代表小區(qū)可用的子載波總數(shù)。
[0008] 步驟1，信道信息獲?。夯就ㄟ^混合自動重傳請求技術(shù)（Hybrid Automatic R印eat Request，HARQ)利用物理上行信道接收單基站移動通信小區(qū)中的用戶按照反饋周 期所反饋的下行信道質(zhì)量信息。上行，下行信道均服從瑞利分布，同時考慮無線傳播環(huán)境中 的大尺度衰落模型，小尺度衰落模型以及信道噪聲，最終可得到小區(qū)內(nèi)所有用戶所具有的 子載波的信噪比矩陣。具體方法為：
[0009] 步驟1. 1，設(shè)定基站到用戶k的信道多徑傳播路徑數(shù)目為M，構(gòu)建理想的符合瑞利 分布的理想信道時域響應(yīng)響應(yīng)矩陣hMXK，h m，k是hMXK的一個分量（m = 1，2, . . .，M)，代表用 戶k對應(yīng)的第m條路徑的理想信道時域響應(yīng)，符合瑞利分布：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于用戶體驗質(zhì)量的高能效頻率功率分配方法，其特征在于：適用的場景為： 包含K個用戶的單基站移動通信小區(qū)，用戶的位置隨機(jī)產(chǎn)生；其中，K個用戶包括Ki個使用 業(yè)務(wù)1的用戶，κ2個使用業(yè)務(wù)2的用戶，......，ΚΡ個使用業(yè)務(wù)ρ的用戶，滿足Ki+K 2+. ..+ΚΡ =Κ，Ρ代表業(yè)務(wù)種類數(shù)；基站配置為單發(fā)射天線，系統(tǒng)能利用的發(fā)射功率資源量為Pmax， Ptn是用戶k在子載波η上分配的功率資源大小，k代表用戶變量，η是子載波變量；k = 1，2,. . .，K，K即為單基站移動通信小區(qū)中用戶總數(shù)；η = 1，2,. . .，N，N代表小區(qū)可用的子 載波總數(shù)； 步驟1，信道信息獲?。夯就ㄟ^混合自動重傳請求技術(shù)（Hybrid Automatic Repeat ReqUeSt，HARQ)利用物理上行信道接收單基站移動通信小區(qū)中的用戶按照反饋周期所反饋 的下行信道質(zhì)量信息。上行，下行信道均服從瑞利分布，同時考慮無線傳播環(huán)境中的大尺度 衰落模型，小尺度衰落模型以及信道噪聲，最終可得到小區(qū)內(nèi)所有用戶所具有的子載波的 信噪比矩陣。具體方法為： 步驟1. 1，設(shè)定基站到用戶k的信道多徑傳播路徑數(shù)目為M，構(gòu)建理想的符合瑞利分布 的理想信道時域響應(yīng)矩陣hMXK，hm，k是hMXK的一個分量（m = 1，2,. . .，M)，代表用戶k對應(yīng) 的第m條路徑的理想信道時域響應(yīng)，符合瑞利分布：
(1) 同時根據(jù)實際環(huán)境中大尺度路徑損耗的要求，設(shè)定Μ條傳播路徑的增益向 量Ρ1ΧΜ，以構(gòu)建符合實際的多徑移動無線傳播環(huán)境，最終用戶k對應(yīng)的第m條路徑 的實際信道時域響應(yīng)為及，其中Pm是向量P1XM的一個分量，從而得到由 /imi_ m = & = 1,2,...，夂組成的符合實際的信道時域響應(yīng)矩陣?Α/χ?。? 步驟1. 2,為了觀察信道在頻域范圍內(nèi)的變化，對步驟1. 1的實際信道時域響應(yīng)矩陣 作傅里葉變換得到頻域上的信道響應(yīng)矩陣ΗΝΧΚ，同時為了進(jìn)行功率資源和子載波資源 的優(yōu)化分配，需要計算每個用戶在任一子載波信道下的信噪比（Signal Noise Ratio, SNR) 值，即用戶k在子載波η下的信噪比可定義為SNR(n，k):
(2) 從而獲得由所有用戶的SNR(n，k)n = 1，2,. . .，N ;k = 1，2,. . .，K構(gòu)成的信噪比矩陣SNXK， 用戶可通過HARQ技術(shù)將此代表下行信道傳輸質(zhì)量信息的信噪比矩陣SNXK反饋給基站； 步驟2,用戶體驗度QoE模型確立階段：在步驟1的基礎(chǔ)上，得到不同業(yè)務(wù)種類的M0S函 數(shù)模型，將M0S函數(shù)模型作為用戶體驗度QoE模型；M0S函數(shù)模型的具體建立過程如下： 用戶將物理層下行信道的質(zhì)量信息SNXK反饋回基站，基站結(jié)合當(dāng)前時刻的子載波和功 率資源分配情況，得到與物理層信息傳輸相關(guān)的性能指標(biāo)；同時用戶也將自己對正在使用 的業(yè)務(wù)的實際滿意度通過M0S分和QoE的映射關(guān)系，轉(zhuǎn)化為M0S分反饋給基站；基站對收到 的M0S分和物理層傳輸性能指標(biāo)進(jìn)行擬合，從而構(gòu)建出M0S分與物理層傳輸性能指標(biāo)的函 數(shù)關(guān)系，最終形成針對用戶正在使用的業(yè)務(wù)的M0S函數(shù)模型； 步驟3,子載波分配階段：利用步驟1中的信噪比矩陣5^\同時將定義為數(shù) 據(jù)速率比例公平因子的參數(shù)指標(biāo)（即不同業(yè)務(wù)類型的用戶的最大需求速率之比 :RK，_)作為子載波資源的分配依據(jù)。為實現(xiàn)用戶之間的數(shù)據(jù)速率比例公平 性要求，子載波分配過程具體分為如下兩個階段： 步驟3. 1，子載波分配第一階段：實現(xiàn)滿足所有用戶的最低需求速率； 步驟3. 1. 1，從信噪比矩陣SNXK中選擇具有最大信噪比值的元素即 =maxW)，然后將子載波f分配給用戶k%即。同時依據(jù) 香農(nóng)定理，獲得用戶k#的數(shù)據(jù)速率&，。并判斷是否達(dá)到用戶k#的最低要求速率'*. nun。 若沒有達(dá)到，則刪除子載波η%即信噪比矩陣SNXK中第n#行元素均設(shè)定為零； 步驟3. 1. 2,重復(fù)執(zhí)行步驟3. 1. 1的方法，每重復(fù)一次都需判斷是否達(dá)到用戶k#的 最低要求速率A*.mm，直到達(dá)到用戶1^的最低需求速率，才停止重復(fù)。然后將用戶k#分離出 去不再為其分配子載波，即信噪比矩陣SNXK中第k#列元素均設(shè)定為零； 步驟3. 1. 3,按照步驟3. 1. 1和步驟3. 1. 2的方法，使得所有用戶均達(dá)到最低需求速率， 結(jié)束第一階段，進(jìn)入子載波分配第二階段； 步驟3. 2,子載波分配第二階段：若第一階段結(jié)束后，子載波資源沒有被全部分配， 則對剩余的子載波資源按照數(shù)據(jù)比例速率公平因子來分配，進(jìn)一步使單基站移動通信 小區(qū)內(nèi)各用戶的實際速率的比值滿足數(shù)據(jù)速率比例公平性的要求，即R 1:R2:... :RK = ^1, max * ^2, max.....^K, max ? 具體方法為：將第一階段得到的當(dāng)前各個用戶的數(shù)據(jù)速率Rk與該用戶的最大需求速率
Rkmax作比值，然后選擇比值最小的用戶，即 。優(yōu)先為用戶.分 k， k 配剩余的子載波中信道增益最好的子載波ιΛ即&^(">> = madSrD，其中代表SNXK矩 陣的第I列，然后利用香農(nóng)定理，重新計算用戶￡的速率A，重復(fù)此方法直到所有的子載波 全部分配完畢； 步驟4,功率資源分配階段：依據(jù)步驟2的各類業(yè)務(wù)的MOS函數(shù)模型和步驟3確定的各 用戶的子載波分配情況，在保證系統(tǒng)平均用戶Q〇E較好的條件下，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法將 系統(tǒng)所需實現(xiàn)的各項性能作為優(yōu)化目標(biāo)，通過權(quán)衡優(yōu)化目標(biāo)間的輕重關(guān)系，最終實現(xiàn)高效 的、公平的且平均用戶Q〇E較好的無線資源分配方案。具體實現(xiàn)過程如下 ： 多目標(biāo)優(yōu)化公式為： ek (t) = λ k；! I Rk (t) -Rkj min (t) I + λ k； 21 uk (t) -uk； max (t) I + λ k； 31 uk (t) -uk； min (t) (3) 其中t = 1，2,…是為達(dá)到最優(yōu)的資源分配結(jié)果而進(jìn)行的迭代分配次數(shù)變量。Rk(t)代 表第t次迭代時用戶k實際獲得的速率大小，Rk,min(t)是第t次迭代時用戶k的最低速率 需求量。u k(t)定義為效用函數(shù)，它是與用戶k第t次迭代時的M0S分成正相關(guān)的函數(shù)， 即uk(t) = f(M0Sk(Rk(t)))，uk，max(t)是第t次迭代時用戶k的最高M(jìn)0S分對應(yīng)的效用函 數(shù)最大值，u k，min(t)是第t次迭代時用戶k的最低M0S分對應(yīng)的效用函數(shù)最小值。上式中 的每一項優(yōu)化目標(biāo)都是對偏差取絕對值的形式，定義e k(t)為用戶k的誤差函數(shù)。第一項 目標(biāo)Xu|Rk(t)-Rk,min(t) I是在子載波資源分配完成的前提下，通過優(yōu)化用戶k的數(shù)據(jù)速 率來間接對用戶k消耗的功率資源量進(jìn)行優(yōu)化，依據(jù)是香農(nóng)定理中速率和功率正相關(guān)的 關(guān)系，通過第一項優(yōu)化目標(biāo)最終實現(xiàn)了系統(tǒng)總消耗功率的最小化，進(jìn)一步實現(xiàn)了系統(tǒng)能效 的最大化；第二項目標(biāo)X k,2|Uk(t)-uk,max(t) |實現(xiàn)了用戶k的體驗度最大，而第三項目標(biāo) Ak，3|uk(t)-uk，min(t) |防止了在實現(xiàn)第二項目標(biāo)時，用戶k占用系統(tǒng)大量的功率資源和子載 波資源，從而使得其余用戶可利用資源量減少，系統(tǒng)公平性下降的情況發(fā)生。另外，采用權(quán) 重因子向量λ k = [ λ u, λ k，2，λ k，3]權(quán)衡這三項優(yōu)化目標(biāo)，權(quán)重因子向量λ k的取值表明 系統(tǒng)側(cè)重的最終優(yōu)化目標(biāo)。若λ tl較大則表明系統(tǒng)的最終優(yōu)化目標(biāo)更側(cè)重于第一項目標(biāo)， 即降低系統(tǒng)功率資源消耗以實現(xiàn)能效的提升。基于上述優(yōu)化目標(biāo)公式，得到最終優(yōu)化函數(shù) 為：
(4) 其中J為代價函數(shù)，即所有用戶的誤差函數(shù)ek(t)的平方和。優(yōu)化目標(biāo)是最小化此代 價函數(shù)。具體的實現(xiàn)方法是利用最小二乘法和速率的自回歸模型來對（3)提出的優(yōu)化問題 進(jìn)行求解，從而得到用戶k在第t次迭代時實際獲得的速率為：
(5； 計算前后連續(xù)兩次迭代的速率差值|Rk(t)-Rk(t_l) |，若此差值大于事先預(yù)定的收斂門 限ξ則用Rk(t)替換Rk(t-1)帶入式（5)得到Rk(t+1)，再對|R k(t+l)-Rk(t)|做進(jìn)一步計 算，重復(fù)迭代多次，直到前后連續(xù)兩次迭代的速率差值小于或等于設(shè)定的門限值ξ為止， 此時的R k(t#)是用戶k的最優(yōu)速率取值，得到了速率資源的優(yōu)化分配。在進(jìn)一步通過香農(nóng) 定理：
(6) 其中B代表系統(tǒng)帶寬，σ 2為噪聲功率大小，h為信道時域響應(yīng)。由用戶k的最優(yōu)速率 Rk(t*)得到其對應(yīng)的最優(yōu)功率資源分配Pk(t*)。至此，實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)所有用戶的最優(yōu)功率資 源分配6(廣）
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于用戶體驗質(zhì)量的高能效頻率功率分配方法，其特征 在于：M0S函數(shù)模型的形式根據(jù)業(yè)務(wù)對系統(tǒng)性能的敏感程度和資源量的需求程度來確立， 不同業(yè)務(wù)對應(yīng)不同形式的M0S函數(shù)模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于用戶體驗質(zhì)量的高能效頻率功率分配方法，其特 征在于：所述M0S分與QoE的映射關(guān)系為：M0S分為1分，對應(yīng)的用戶體驗度QoE滿意度為 100%;M0S分為2分，對應(yīng)的用戶體驗度QoE滿意度為[80%，100% ) ;M0S分為3分，對應(yīng) 的用戶體驗度QoE滿意度為[60^,80%) ;M0S分為4分，對應(yīng)的用戶體驗度QoE滿意度為 [20%，60% ) ;M0S分為1分，對應(yīng)的用戶體驗度QoE滿意度為[0, 20% )。
【文檔編號】H04W72/08GK104066192SQ201410312975
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】邢成文, 鞏世琪, 王妮煒, 費(fèi)澤松, 匡鏡明 申請人:北京理工大學(xué)