[发明专利]异构无线网络中基于NOMA的SVC多播中的资源管理方法

权利要求书

1.一种异构无线网络中基于NOMA的SVC多播中的资源管理方法，所述资源管理是联合资源管理，它包括无线频谱分配和发射功率划分，其特征是首先把联合资源管理问题分解成子问题，然后分别解决子问题，步骤包括：

1)将联合资源管理问题转化为混合整数非线性规划问题，将混合整数非线性规划问题P0解耦为2个子问题：多播组内发射功率划分问题P1；基站间频谱资源切分与基站内多组频谱资源分配问题P2；

2)解决问题P1，将所有可能的功率分配方案求解，整体视频质量最高的那一组即为最优解；

3)解决问题P2，将基站间频谱资源切分与多播组间资源分配问题建模为背包问题并进行求解；

所述无线频谱分配方法为：

将总频谱资源的B个子信道分为成两部分B_m和B_s分别给宏基站和小基站使用，即

B_m+B_s≤B (5a)

频谱资源被切分后，每个基站的可用频谱资源被分配给关联的多播组；基站通过为每个多播组分配适当的频谱资源，在满足所有用户设备的服务质量需求基础上最大化所有用户的效用；

宏基站将B_m个子信道分配给关联的多播组，所有与宏基站关联的多播组被分配的子信道b_m,k数之和不能超过宏基站的可用子信道数，即

每个小基站分配给关联的多播组的子信道数为B_s，所有与小基站关联的多播组被分配的子信道b_j,k数之和不能超过该小基站的可用子信道数，即

多播组依照从属关系a_j，k被分为两种类型：

第k个多播组由宏基站提供服务；a_j，k＝1，第k个多播组由第j个小基站提供服务；J为小基站的总数量；

所述发射功率划分方法为：

基于NOMA的SVC视频多播方案实质为SVC视频层叠加编码和基站发射功率的划分问题，包括：

子分组：多播组内所有用户均按信道增益升序排列分为N个子组；子组的索引范围从1到N；第1个子组的用户只能接收解码基视频层，第n个子组与第n个NOMA层相匹配，即，第n个子组的用户中的最差信道增益即为第n个NOMA层的信道增益；(n，k)表示第k个多播组中的第n个子组或者NOMA层，定义(n_i，k)为包含UE_i的子组；

功率分配：对于第k个多播组请求的视频，每个NOMA层都被分配一定的功率用于传输信息；对于NOMA层(n，k)，如果分配给它的功率比例为α_n，k，则该功率下的可达传输速率为r_n，k，相应的功率分配的约束表示为：

信息传输：在子分组和功率分配之后，基站通过相应的NOMA层对不同的视频层进行多播；若ε_l，n，k＝1，第l个视频层在视频传输层(n，k)中传输，否则ε_l，n，k＝0，据此，信息传输约束表示为

和

其中(7a)限定任何视频层在所有NOMA层中最多传输1次，7(b)限定每个NOMA层中传输的信息比特率不得大于NOMA层的用户的可达传输速率；

ε_l，n，k是一个0-1指示变量，若ε_l，n，k＝1，第l个视频层在视频传输层(n，k)中传输，否则ε_l，n，k＝0；

接收端通过SIC接收机对接收到的信号进行解码，第k个多播组的用户设备UE_i解码不高于(n_i，k)的NOMA层，第k个多播组的UE_i可以接收到的有效视频层数被表示为

所述联合资源管理问题的问题建模

在总可用子信道数量和基站功率的约束下，联合资源管理问题P0表示为

所述步骤1)中，把优化问题P0解耦为两个子问题P1和P2：

小基站覆盖的区域为用户设备聚集的热点区域；当请求某一视频的多播组均被某个小基站覆盖时，则该多播组从属于这个小基站；当有超过2个小基站有多播组从属时，就存在频谱复用的机会，通过频谱切分，从属于小基站的多播组复用频谱：

假设小基站的覆盖范围均为R_s，则从属关系为

d_i,j表示请求多播组的用户与小基站j之间的距离；

若给定多播组的频谱资源即b_k，则求得该多播组的最优功率分配，从而得到该多播组的最大系统效用；在此基础上进一步设计算法求解B_m、B_s以及所有b_k的值；

将P0分为两个子问题P1和P2来求解；

对于给定第k个多播组的频谱资源b_k，则问题P1描述为：

将从属关系a_k,j代入式(11)，则：

对于宏基站有

对于小基站j有

在P1的基础上，问题P2描述为：

所述步骤2)中，组内功率分配步骤：

给定第k个多播组的频谱资源b_k，基站对一组用户多播SVC视频流，是按照用户信道增益升序排列的，I表示这个多播组的用户数量；

则2.1)首先求解两组变量：每个NOMA层传输的SVC视频层；每个NOMA层的功率分配系数；

2.1.1)首先确定每个NOMA层内传输的SVC视频层：

假设SVC视频被编码为L_k层并通过N个NOMA层传输，基视频层记为BL，增强视频层依次记为EL1、EL2、EL3、……ELn，并得到所有的传递方案；

2.1.2)然后确定每个NOMA层的功率分配系数：

给定信息传输方案后，将按照信道增益升序排列，按照先高NOMA层后低NOMA层的顺序求解功率分配系数α_n，k；

首先从1到I+1进行循环计算α_n，k，从1到I表示中的I个用户，当循环到I+1时表示用户均无法接收到NOMA层(n，k)即α_n，k＝0；同理循环计算α_n-1，k；

基于用户最低服务质量需求，所有用户设备均可接收解码NOMA层(1，k)，根据中信道增益最差的用户对应求得α_1，k；对每一组符合约束(6)的功率分配系数{α_1，k，α_2，k，α_3，k......，α_n，k}计算多播组的和效用；

2.2)计算所有信息传输方案的效用可以得到一个最大的效用，即为给定频谱资源下该多播组的最大效用；

所述步骤3)中，解决问题P2的步骤包括：

3.1)给定B_m和B_s，计算宏基站和每个小基站效用最大时对应的多播组间的子信道分配；

3.2)求基站间的频谱切分，得到最大化系统效用；

首先，假设前k个多播组一共有b个子信道可用，使用函数S(k，b)表示前k个多播组的最大和效用；

根据动态规划思想将S(k，b)表示为一个递归式，即：

U_k(b’)通过式(11)得到；

S(k，b)通过多项选择背包算法求解：把K个多播组当作K类物品，装入一个容量为B的背包中；每类有B个项目，第k类的第b_k个项目有利润U_k(b_k)和重量b_k；那么S(k，b)的实质是从每个类别中选择一部分，不超出背包总容量，使利润总和最大；

算法1基站内多播组间的频谱分配算法

算法1使用动态规划方法，当所有项的权值为非负整数时，求出背包问题的最优解，即S(k，b)的最优解：首先，初始化S(0，b)＝0，k＝0表示没有多播组存在；然后，循环计算所有U_k(b)的值；接下来，从k＝1开始递归地计算S(k，b)，在递归的每次迭代中，使用递归式(15)计算S(k，b)，其中S(k-1，b-b′)在前一次递归迭代中已经计算过，U_k(b′)在递归过程之前已经计算过；在KB次的迭代之后，可以获得了所有S(k，b)的值；最后，返回S(K，B)作为最优的系统效用，并使用b_k作为分配给第k个多播组的子信道数量；

设宏基站包含个多播组，小基站j包含个多播组；通过式(15)分别计算宏基站和小基站j的最大和效用，则得到系统最大和效用为

B_m和B_s的值通过算法2求得；

基站间的频谱切分的计算方法：

将可用频谱资源分成两个部分B_t和B_i，分别分配给宏基站和小基站使用；分别求得宏基站和小基站的总效用得到系统总效用，最后通过搜索找到能够最大化系统总效用的B_t和B_i的值，即得宏基站和小基站的频谱切分。