基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，考慮了上下行的非對(duì)稱信道的接入，提高了用戶的傳輸速率；提出了一種UM-ABS協(xié)議，重新設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的ABS協(xié)議，通過(guò)把宏基站在幾乎空白子幀(ABS)的下行靜默改為可以配置宏用戶的上行傳輸，有效的提高了ABS子幀的利用率，改善了系統(tǒng)容量；提出了松弛-取整算法，使得用戶有效地接入宏基站或者微基站，同時(shí)使得UM-ABS協(xié)議得到很好地配置，并且對(duì)上下行傳輸?shù)臅r(shí)間資源進(jìn)行有效地分配。本發(fā)明改善了系統(tǒng)的負(fù)載均衡和系統(tǒng)的容量，提高了用戶傳輸速率，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能得到了很大的提升。
【專利說(shuō)明】基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為了滿足快速增長(zhǎng)的無(wú)線業(yè)務(wù)需求，3GPPLTE-AdVanced在Rel-1l中提出了異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的概念。在高功率的宏基站覆蓋范圍內(nèi)部署低功率的節(jié)點(diǎn)，形成多層的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以改善熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋和容量，提高頻譜利用率。這些低功率的節(jié)點(diǎn)分為微微蜂窩(picocells)和家庭基站(femtocells)。其中微微蜂窩覆蓋范圍在幾百米，大多部署在室外，可以被所有用戶使用；家庭基站覆蓋范圍幾十米內(nèi)，主要部署在室內(nèi)，限制在家庭用戶中使用。隨著小基站的大量部署，尤其是家庭基站的大量使用，在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中基站的數(shù)量很可能超過(guò)手機(jī)終端。
[0003]宏蜂窩和微微蜂窩組成的異構(gòu)雙層網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，其中宏蜂窩和微微蜂窩被同一個(gè)運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)，以便于進(jìn)行集中的干擾協(xié)調(diào)和管理。在宏蜂窩和微微蜂窩共同組成的雙層網(wǎng)絡(luò)中，由于不同層之間共享相同的頻譜，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的同層干擾和跨層干擾，影響蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能。在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，研究減少或者消除同層干擾和跨層干擾是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)問(wèn)題也是難點(diǎn)問(wèn)題。因此，3GPP在干擾管理中提出elCIC，旨在宏基站和微基站之間在時(shí)域進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)，減小宏基站對(duì)微微蜂窩的干擾。
[0004]在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，由于基站的發(fā)射功率不同，覆蓋范圍不同，根據(jù)傳統(tǒng)的最大的SINR的接入方式，微微基站會(huì)常處于輕負(fù)載，而宏基站將會(huì)處于重負(fù)載，大部分用戶接入宏基站。因此，擁塞和負(fù)載將會(huì)成為影響用戶速率的主要因素。有人以速率效用最大化為目標(biāo)建立優(yōu)化模型研究用戶接入的問(wèn)題，并求得的接收功率的偏置(bias)，基于偏置(bias)的接入可以獲得該問(wèn)題的次優(yōu)解，發(fā)現(xiàn)比采用最大SINR接入，邊緣用戶可以獲得3.5倍的速率增益，中心用戶可以獲得2倍的速率增益，原因是以速率效用最大化為目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題，負(fù)載從宏蜂窩轉(zhuǎn)移到微微蜂窩，負(fù)載更加均衡。但是負(fù)載均衡會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)移到微微蜂窩中用戶的接收功率變小，并且易受到宏基站更嚴(yán)重的干擾。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，3GPP提出了 elCIC的對(duì)于下行的幾乎空白子巾貞(ABS, Almost Blank Subframes)方案宏蜂窩在特定的時(shí)間/頻率資源靜默，不進(jìn)行傳輸，使得在該靜默期即幾乎空白子幀上轉(zhuǎn)移到微微蜂窩的用戶可以接收更大的SINR，獲得更大的傳輸速率。盡管宏蜂窩由于在ABS子幀靜默會(huì)產(chǎn)生一定的速率損失，但如果微微蜂窩在ABS子幀同時(shí)傳輸?shù)挠脩魯?shù)量足夠多，則可以獲得更大的系統(tǒng)容量的提升和滿足更多的用戶QoS要求。但elCIC的提出僅針對(duì)下行，沒(méi)有考慮上行的情況。
[0005]在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)中，由于不同類型基站的下行傳輸功率不同，宏蜂窩比微微蜂窩有更大的覆蓋范圍。而對(duì)于上行，用戶傳輸相同的功率，基站的覆蓋范圍幾乎相同。因此，上下行有不同的SINR分布，上下行不應(yīng)該接入相同的基站。對(duì)于不同類型的業(yè)務(wù)，上下行業(yè)務(wù)的負(fù)載比重不同，但是對(duì)于對(duì)稱業(yè)務(wù)，上下行的負(fù)載比重卻是相同的。所以需要考慮用戶上下行非對(duì)稱新到的接入問(wèn)題。現(xiàn)有的文章中，有人研究了在單個(gè)基站和多用戶場(chǎng)景下，聯(lián)合考慮上下行，研究多用戶空間復(fù)用的速率容量，并給出了根據(jù)上下行的業(yè)務(wù)負(fù)載比例，在給定的移動(dòng)速度下，確定導(dǎo)頻和CSI (channel state information)比例的算法。但沒(méi)有考慮異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)基站的情況。也有人研究了在TDD-LTE(Time Division DuplexingLong Term Evolution)的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)的上下行時(shí)間資源的配置避免跨層干擾的問(wèn)題，并通過(guò)仿真顯示了動(dòng)態(tài)的上下行配置可以帶來(lái)系統(tǒng)性能的改善，但沒(méi)有給出最優(yōu)的上下行配置比例以及相關(guān)的配置算法。
[0006]現(xiàn)有的基于ABS的接入算法存在的沒(méi)有考慮上下行的非對(duì)稱信道接入，用戶傳輸速率較低，沒(méi)有對(duì)上下行傳輸?shù)臅r(shí)間資源進(jìn)行有效地分配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，旨在解決現(xiàn)有的基于ABS的接入算法存在的沒(méi)有考慮上下行的非對(duì)稱信道接入，用戶傳輸速率較低，沒(méi)有對(duì)上下行傳輸?shù)臅r(shí)間資源進(jìn)行有效地分配的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，各個(gè)微基站和用戶通過(guò)控制信道將各自的信道條件和干擾信息上報(bào)給宏基站中的eNode B,之后eNode B將為資源的調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算。計(jì)算完畢后，eNode B發(fā)送給各個(gè)微基站和用戶所能夠使用的資源信息，其中包括用戶的上下行分別接入哪個(gè)基站、所發(fā)明的UM-ABS協(xié)議配置情況、用戶傳輸速率。最后，微基站和用戶根據(jù)這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0009]本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于提供一種上下行非對(duì)稱接入方式的發(fā)明，該發(fā)明使得用戶的上下行可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)接入基站，即用戶上下行根據(jù)情況可以分別接入不同的基站，也可以接入相同的基站。該發(fā)明能夠有效地利用資源，提高用戶傳輸速率，改善系統(tǒng)容量。
[0010]本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于提供一種UM-ABS協(xié)議的發(fā)明，該發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)的ABS協(xié)議進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，通過(guò)改變宏基站的在幾乎空白子幀(ABS)的下行靜默改為可以配置用戶的上行傳輸，進(jìn)而有效地利用了 ABS子幀，提高用戶傳輸速率。
[0011]本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于提供一種松弛-取整算法，該算法的目的在于計(jì)算上述所提到的上下行非對(duì)稱接入情況、配置UM-ABS協(xié)議以及計(jì)算用戶的傳輸速率和系統(tǒng)容量。
[0012]本發(fā)明提供的基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，考慮了上下行的非對(duì)稱信道的接入，提高了用戶的傳輸速率；提出了一種UM-ABS協(xié)議，重新設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的ABS協(xié)議，通過(guò)把宏基站在幾乎空白子幀(ABS)的下行靜默改為可以配置宏用戶的上行傳輸，有效的提高了 ABS子幀的利用率，改善了系統(tǒng)容量；提出了松弛-取整算法，使得用戶有效地接入宏基站或者微基站，同時(shí)使得UM-ABS子幀得到很好地配置，并且對(duì)上下行傳輸?shù)臅r(shí)間資源進(jìn)行有效地分配。本發(fā)明改善了系統(tǒng)的負(fù)載均衡和系統(tǒng)的容量，提高了用戶傳輸速率，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能得到了很大的提升。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法的流程圖；
[0014]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合上下行的干擾模型示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的用戶上下行對(duì)稱接入和非對(duì)稱接入示意圖；
[0016]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的elCIC的ABS和UM-ABS幀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017](a) elCIC 的 ABS 和 UM-ABS 的幀結(jié)構(gòu)；(b) elCIC 的 ABS 和 UM-ABS 的幀結(jié)構(gòu)；
[0018]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的系統(tǒng)容量隨用戶數(shù)的變化情況仿真示意圖；
[0019]圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的系統(tǒng)容量隨微基站數(shù)目的變化情況仿真示意圖；
[0020]圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的用戶上下行速率和總速率的CDF曲線仿真示意圖；(a)用戶上行速率的CDF曲線；(b)用戶下行速率的CDF曲線；用戶總速率的CDF曲線；
[0021]圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的宏基站和微基站中的負(fù)載隨著微基站數(shù)目的變化情況仿真示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0023]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法包括以下步驟:
[0025]SlOl:構(gòu)建一個(gè)雙層的TDD-LTE異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由宏基站、微基站以及用戶組成。其中，用戶上下行接入基站可以動(dòng)態(tài)配置，即上下行可以進(jìn)行非對(duì)稱接入；
[0026]S102:各個(gè)微基站和用戶通過(guò)控制信道將各自的信道條件和干擾信息上報(bào)給宏基站中的eNode B,然后該eNode B為資源的調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算；
[0027]S103:eNode B根據(jù)用戶所接收到的信號(hào)強(qiáng)度，分別選擇信號(hào)最強(qiáng)的一個(gè)宏基站和一個(gè)微基站作為用戶下行動(dòng)態(tài)接入的集合。然后根據(jù)松弛-取整算法對(duì)用戶的下行接入進(jìn)行選擇；對(duì)用戶的上行，eNode B根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，選擇接收到的信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的基站讓其接入；
[0028]S104:根據(jù)松弛-取整算法，eNode B為宏基站和微基站配置所發(fā)明的UM-ABS協(xié)議，即配置宏基站需要保持下行靜默并且可以進(jìn)行上行傳輸?shù)腢M-ABS子幀數(shù)Ap以及所有基站都可以進(jìn)行上下行傳輸?shù)膎on-UM-ABS子幀數(shù)Nm ；
[0029]S105:根據(jù)松弛-取整算法，eNode B為用戶分配接入宏基站或微基站上下行需要傳輸?shù)臅r(shí)間資源以及可進(jìn)行傳輸?shù)乃俾剩⑶业玫较到y(tǒng)總?cè)萘浚?br> [0030]S106:計(jì)算結(jié)束后，宏基站中的eNode B將資源管理和調(diào)度的結(jié)果通過(guò)控制信道傳送給各個(gè)微基站和用戶，從而調(diào)度用戶進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸。
[0031]在步驟SlOl中所提到的動(dòng)態(tài)配置上下行接入基站具體描述如下:
[0032]用戶上下行根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)接入基站，可以進(jìn)行非對(duì)稱接入也可以進(jìn)行對(duì)稱接入，其中非對(duì)稱接入指的是用戶上下行根據(jù)信道狀態(tài)信息可以分別接入不同的基站；對(duì)稱接入指的是用戶上下行都接入同一個(gè)基站；對(duì)于下行接入，用戶根據(jù)整個(gè)帶寬接收到的信號(hào)強(qiáng)度，分別選擇信號(hào)最強(qiáng)的一個(gè)宏基站和一個(gè)微基站作為下行非對(duì)稱接入的集合，再根據(jù)松弛-取整算法選擇接入哪個(gè)基站；對(duì)于上行接入，在所有宏基站和微基站中，用戶根據(jù)接收的信號(hào)強(qiáng)度，選擇接收到的信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的基站接入；
[0033]在步驟S104中所提到的UM-ABS協(xié)議具體解釋如下:
[0034]UM-ABS 幀協(xié)議(Uplink Transmission for Macro Users in ABS)中規(guī)定了兩種子幀UM-ABS子幀和non-UM-ABS子幀，幀的總長(zhǎng)度為10ms，在UM-ABS子幀上，宏基站需要進(jìn)行保持下行靜默，而接入宏基站的用戶可以進(jìn)行上行傳輸，微基站上下行都可以進(jìn)行傳輸；在non-UM-ABS子幀上，所有基站都可以進(jìn)行上下行的傳輸；
[0035]在步驟S105中所提到的松弛-取整算法包括松弛和取整兩步，其中第一步松弛包括以下步驟:
[0036]步驟一，根據(jù)干擾和UM-ABS協(xié)議建立SINR模型，并且采用香農(nóng)公式得到用戶可利用的平均傳輸速率ru;
[0037]步驟二，采用效應(yīng)函數(shù)Ln (Ru)和用戶可利用的平均傳輸速率ru建立基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載均衡問(wèn)題模型OPl (Optimization Probleml),并證明該問(wèn)題為NP-hard模型,求解的變量表示為:
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，其特征在于，該基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法包括: 第一步，構(gòu)建一個(gè)雙層的TDD-LTE異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由宏基站、微基站以及用戶組成；其中，用戶上下行接入基站可以動(dòng)態(tài)配置，即上下行可以進(jìn)行非對(duì)稱接入； 第二步，各個(gè)微基站和用戶通過(guò)控制信道將各自的信道條件和干擾信息上報(bào)給宏基站中的eNode B,然后該eNode B為資源的調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算； 第三步，eNode B根據(jù)用戶所接收到的信號(hào)強(qiáng)度，分別選擇信號(hào)最強(qiáng)的一個(gè)宏基站和一個(gè)微基站作為用戶下行動(dòng)態(tài)接入的集合；然后根據(jù)松弛-取整算法對(duì)用戶的下行接入進(jìn)行選擇；對(duì)用戶的上行，eNode B根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，選擇信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的基站讓其接A ； 第四步，根據(jù)松弛-取整算法，eNode B為宏基站和微基站配置所發(fā)明的UM-ABS協(xié)議，即配置宏基站需要保持下行靜默并且可以進(jìn)行上行傳輸?shù)腢M-ABS子幀數(shù)Ap以及所有基站都可以進(jìn)行上下行傳輸?shù)膎on-UM-ABS子幀數(shù)Nm ； 第五步，根據(jù)松弛-取整算法，eNode B為用戶分配接入宏基站或微基站上下行需要傳輸?shù)臅r(shí)間資源以及可進(jìn)行傳輸?shù)乃俾?，并且得到系統(tǒng)總?cè)萘浚? 第六步，計(jì)算結(jié)束后，宏基站中的eNode B將資源管理和調(diào)度的結(jié)果通過(guò)控制信道傳送給各個(gè)微基站和用戶，從而調(diào)度用戶進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸。
2.如權(quán)利要求 1所述的基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，其特征在于，第一步中的上下行動(dòng)態(tài)接入特征在于，用戶上下行根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)接入基站，可以進(jìn)行非對(duì)稱接入也可以進(jìn)行對(duì)稱接入，其中非對(duì)稱接入指的是用戶上下行根據(jù)信道狀態(tài)信息可以分別接入不同的基站；對(duì)稱接入指的是用戶上下行都接入同一個(gè)基站；對(duì)于下行接入，用戶根據(jù)整個(gè)帶寬接收到的信號(hào)強(qiáng)度，分別選擇信號(hào)最強(qiáng)的一個(gè)宏基站和一個(gè)微基站作為下行非對(duì)稱接入的集合，再根據(jù)松弛-取整算法選擇接入哪個(gè)基站；對(duì)于上行接入，在所有宏基站和微基站中，用戶根據(jù)接收的信號(hào)強(qiáng)度，選擇接收到的信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的基站接入。
3.如權(quán)利要求1所述的基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，其特征在于，在第四步中提出的UM-ABS幀協(xié)議中規(guī)定了兩種子幀，UM-ABS子幀和non-UM-ABS子幀，幀的總長(zhǎng)度為10ms，在UM-ABS子幀上，宏基站需要保持下行靜默，而接入宏基站的用戶可以進(jìn)行上行傳輸，微基站上下行都可以進(jìn)行傳輸；在non-UM-ABS子幀上，所有基站都可以進(jìn)行上下行的傳輸。
4.如權(quán)利要求1所述的基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，其特征在于，第三、四、五步中的松弛-取整算法包括松弛和取整兩步。
5.如權(quán)利要求4所述的基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，其特征在于，第一步松弛包括以下步驟: 步驟一，根據(jù)干擾和UM-ABS協(xié)議建立SINR模型，并且采用香農(nóng)公式得到用戶可利用的平均傳輸速率ru ； 步驟二，采用效應(yīng)函數(shù)Ln(Ru)和用戶可利用的平均傳輸速率ru建立基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合上下行負(fù)載均衡問(wèn)題模型0P1，并證明該問(wèn)題為NP-hard模型，求解的變量表示為:
6.如權(quán)利要求4所述的基于增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)聯(lián)合上下行負(fù)載分配方法，其特征在于，第二步的取整操作詳細(xì)步驟如下: 步驟一，取整Nm和Ap:將Nm和Ap由正實(shí)數(shù)變?yōu)檎麛?shù)采用如下操作:

【文檔編號(hào)】H04W28/08GK103957563SQ201410218970
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】劉勤, 鄭杰, 黃鵬宇, 周天衛(wèi), 李釗, 李建東 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)