基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法
2023-10-04 07:48:09
專利名稱：基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法
技術領域：
本發明涉及一種無線網絡的負載平衡方法，特別是涉及一種基於中繼的多
近年來寬帶無線通信技術和網絡高速發展，由於頻譜規劃原因，新興的無 線通信系統的載波頻率都比較高。較高的頻段雖然能夠解決頻率分配問題，但 是頻段越高，電磁波的繞射能力越差，穿透能力也越差，這種狀況對無線信號
覆蓋範圍提出了挑戰。現在的無線接入網絡架構主要是由基站(BS, Base Station) 與移動用戶(MSS， Mobile Subscriber Station)組成的單跳(Single-hop)網絡，每個 MSS均通過一條與基站相連的無線鏈路來訪問網絡。這種單跳網絡很難滿足高 頻無線通信系統的要求，因為高頻信號由於透射和繞射能力差，很容易受到地 形引起的陰影衰落(shadowfading)效應的影響，另外，頻段越高，相同發射功率 條件下電磁波的衰減也越快，致使系統基站覆蓋面積縮小。因此，無線通訊網 絡提出了多跳無線網絡的概念，多跳無線網絡利用中繼站(RS, Relay Station) 在BS和MSS間轉發信號，從而形成了 BS-RS-MSS的路徑。其中，RS可 以是一級，也可以是多級， 一個多跳無線網絡的節點能夠利用較小的發射功率 即可到達相鄰節點，因此與單跳網絡相比，使用相同的功率等級時中繼網絡的 小區覆蓋面積大大增加。而且RS位置規劃靈活，能夠有效避免地形對網絡布 局影響。
但是，基於中繼的多跳無線網絡中的數據需要在BS和MSS之間經過一次 或多次中繼，從信號傳輸時間開銷或頻率佔用角度，都會造成對系統資源的浪 費，由此就會減少系統容量。為此， 一些新的技術嘗試利用地理因素或其它有
背景技術：
效辦法，進行資源的復用，這裡所指的資源可以是時分多址通信系統中的時間， 也可以是頻分多址通信系統中的頻率帶寬，還可以是碼分多址通信系統中的偽 隨機碼，或者是這些資源的組合，從資訊理論的角度看不同類型資源的分配方法 是相通的。以時分多址通信系統為例， 一種有效的資源復用方法如圖1所示， 該圖是一個中繼網絡下行鏈路子幀的結構示意，其中基站與各中繼站間的數據
傳輸鏈路稱為中繼鏈路，記做BS—RS1、 BS—RS2、 BS —RS3和B S—RS4;
基站、中繼站與用戶間的數據傳輸鏈路稱為接入鏈路，將基站和與其直接通信 的所有用戶之間的BS—MSS鏈路，看作一個整體，以BS為單位來調度，同理， 對於任一中繼站和與其直接通信的所有用戶之間的RS—MSS鏈路，也看作一 個整體，以RS為單位來調度，因此，圖中BS為MSS服務的時間在時間幀上 標記為BS,而每個RS為其MSS服務的時間在時間幀上標記為該RS,例如RS1、 RS2、 RS3、 RS4等。本資源復用調度方法不限定下行鏈路子幀中中繼鏈路和接 入鏈路的先後次序，上行鏈路子幀可同理獲得。圖l所示的A為沒有採用資源 復用的幀結構，而圖1所示的B為釆用資源復用調後的時間幀結構，其核心思 想是將不會產生幹擾的RS劃分進入同一分組，分組內所有的RS同時調度，圖 中顯示為屬於同一分組內的RS在時間幀上為其覆蓋範圍內MSS服務的時間起 點相同；相互間會產生幹擾的RS分屬不同分組，不同分組需要分時調度，在 時間幀上顯示為各分組調度時間錯開。
圖1中每個RS在時間幀上佔用的長度各不相同，這是由於其所覆蓋範圍 內的服務負載量不同所造成的。例如在某個時間段內，某個RS的覆蓋範圍內 MSS所要求的資源需求量大，也即該RS的負載量大，則此RS為其覆蓋範圍 內MSS服務的時間在時間幀上所佔用的長度也就較長，反之則佔用長度較短。
從圖1中可以看出，該資源復用方法中，如果相同分組內各RS負載相差 越大，即各RS服務時間在時間幀上所佔用的長度的差別越大，則資源利用率 越低；反之，如果相同分組內各RS負載平衡，則該方法資源利用率高，因此 也越能夠提高系統容量。這樣，為了能夠更加有效地提高系統容量，有必要釆 取某種措施，平衡各RS的負載。
公開號為CN1355625、名稱為《碼分多址通信系統中同頻小區間負載平衡 方法及控制系統》的中國專利申請中，提出了一種平衡相鄰小區BS負載的方 法，該方法的原理如圖2所示，相鄰的兩個小區分別為BS1和BS2的覆蓋範圍， BS1和BS2的初始負載狀態如虛線圓所示，BS1的負載過重而BS2的負載較輕， 因此通過減小BS1的功率，減少其覆蓋範圍使一部分MSS歸入其它BS的覆蓋 範圍，增加BS2的功率以增加其覆蓋範圍，使其它BS覆蓋範圍內的部分MSS 歸入其覆蓋範圍內，從而達到兩個小區間的負載平衡。判斷BS的負載過輕還 是過重的依據是預定的閾值，當BS的負載大於預定的過載閾值就減小其功率， 當BS的負載小於預定的欠載閾值就增大其功率。但是該方法無法解決上述基 於中繼的多跳無線網絡的分組資源復用方法中的平衡負載問題，因為在基於中 繼的多跳無線網絡的分組資源復用方法中，各RS之間存在相互幹擾或相互不 幹擾的情況。相互不幹擾的RS屬於同一分組，彼此之間沒有相鄰邊，因此不 存在增大和減小功率實現相鄰小區之間的負載平衡的可能。而相互不幹擾的RS 之間不能通過簡單的閾值判斷決定增大或減小某個RS的功率，因為對於分組 實現資源復用的方法而言，更重要的是組內的RS之間的負載平衡，而不是組 間的RS之間的負載平衡。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種基於中繼的多跳無線網絡的負載平 衡方法，該方法能夠根據各RS的負載狀況與幹擾關係動態調整各RS的覆蓋範 圍，平衡各RS的負載。
為了實現上述發明目的，本發明所釆用的技術方案為
一種基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，該方法包括以下步驟獲 取各原分組負載不平衡度；判斷各原分組負載不平衡度是否小於預定平衡度閾 值，如果是則停止本負載平衡流程，否則，選出負載不平衡度大於預定平衡度 閾值的原分組，在所選出原分組之間根據相鄰關係組成調整分組；在調整分組 內確定目標調整分組，調整目標調整分組內中繼站的覆蓋範圍。
在進行不平衡度是否小於閾值的步驟中，所述組成調整分組的方法為將 負載不平衡度最大的選出原分組中的中繼站與其相鄰的屬於選出原分組的中繼 站組成調整分組。
在確定目標調整分組及調整覆蓋範圍的步驟中，所述確定目標調整分組的
方法為選擇負載不平衡度最大的調整分組作為目標調整分組。或者為選擇 負載不平衡度最大的原分組中的重載中繼站和與其相鄰的屬於選出原分組內的 中繼站組成的調整分組，作為目標調整分組。
本發明的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，所述確定目標調整分 組及調整覆蓋範圍的步驟之後進一步包括重複執行前述三個步驟，直至各原 分組負載不平衡度均小於預定平衡度閾值。
確定目標調整分組及調整覆蓋範圍的步驟中，調整目標調整分組內中繼站 的覆蓋範圍的方法為降低目標調整分組內在原分組中標記為重載的中繼站的 功率，增大目標調整分組內其它中繼站的功率。或者為降低目標調整分組內 在原分組中標記為重載的中繼站的功率，配合中繼轉發單元將其覆蓋範圍內的 移動用戶遷移至所述目標調整分組內其它中繼站的覆蓋範圍內。
其中所述中繼轉發單元為冗餘中繼站，或為具有數據轉發功能的移動用戶。
其中，所述原分組負載不平衡度由原分組內各中繼站負載的標準方差與均 值的商來衡量。
本發明的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法還包括，以一段指定時 間段為周期，重複執行本發明的前述所有步驟。
本發明所提供的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，根據各RS的 負載狀況與幹擾關係動態調整各RS的覆蓋範圍，具有以下優點該負載平衡 方法不需要預先知道網絡拓撲或幹擾情況，而是利用網絡運行過程中動態測量 得到的BS、 RS間負載和幹擾狀況來決定負載平衡結果；且該負載平衡方法能 夠考慮各分組之間和分組內部的各RS的負載差別，因而該負載平衡方法能夠 適用於複雜的基於中繼的多跳無線網絡系統，由此能夠提高基於中繼的多跳無 線網絡的資源利用率，增加系統容量。
圖1為現有技術中使用基於中繼的多跳無線網絡分組資源復用調度方法前
後的下行鏈路子幀結構示意圖2為現有技術中相鄰BS之間負載平衡的方法示意圖3為本發明基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方法流程圖4為本發明使用基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方法前的無線網絡拓
撲結構與分組資源復用調度結果下行鏈路子幀示意圖5為本發明基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方法中第一種目標調整分
組內負載調整方案示意圖6為本發明基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方法中第二種目標調整分
組內負載調整方案示意圖7為本發明中使用基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方法前後的下行鏈
路子幀的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明再作進 一 步詳細的說明。 本發明的核心思想是獲取各分組內的負載不平衡度，將負載不平衡度大
的分組內各RS與其相鄰的屬於其它分組內的RS組成調整分組，對調整分組內
RS的覆蓋範圍進行調整，達到平衡各原分組負載的目的。
如圖3所示，本發明的基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方法包括以下步
驟
步驟101:獲取各分組內的負載不平衡度。
對一個BS覆蓋範圍內的各RS進行分組資源復用的方式如背景技術中所 述。如圖4中A部分所示，本發明的一個實施例中BS下包括6個RS，分別標 識為RS1-RS6，根據帶寬需求和幹擾關係將BS以及RS1-RS6分為三個分組進 行資源復用調度，三個分組分別為{BS}、 (RS1、 RS3、 RS5)和(RS2、 RS4、 RS6}，其分組復用調度之後的下行鏈路子幀如圖4中B部分所示。為了和後續
步驟中的分組區分開，這三個分組稱為原分組。
各原分組及其包含的RS確定之後，由原分組內RS獲取各自的負載狀況，
所述負載為各RS覆蓋範圍內的資源需求，由RS覆蓋範圍內MSS的各連接的
服務質量要求所決定。然後獲取各原分組內的負載不平衡度，負載不平衡度可
以通過多種方式來衡量，例如最大負載RS與最小負載RS間的負載差值、原分 組內各RS負載的標準方差等，本實施例中，選擇原分組內的各RS負載的標準 方差與均值的商來標識各原分組內的負載不平衡度。
獲取各原分組的負載不平衡度之後，還可以對各原分組內各RS的負載情 況進行標記，本實施例中選擇的標記方法如下設定重載閾值為a^0，輕載閾 設BW,^e表示某原分組中各RS的負載的平均值，若該原分組 中某RS的負載B( l+a) BWaverage則標記該RS為重載RS，若某RS的負載
BW^ ( 1+b) BWaverag￡jU標記該RS為輕載RS ，其它RS記為正常RS,例如原
分組(RS2、 RS4、 RS6)中RS4為重載，RS2、 RS6為輕載。除此之外，還可以 選擇其它的標記方法，例如只標記各原分組內的最大負載RS等。
步驟102:判斷各原分組負載不平衡度是否小於預定平衡度闊值 BalanceDegreeth,如果是則停止本負載平衡流程；否則，選出負載不平衡度大 於預定平衡度閾值的原分組，在所選出原分組之間根據相鄰關係組成調整分組。
例如本實施例中原分組(RS1、 RS3、 RS5)和(RS2、 RS4、 RS6》的負載不平 衡度均大於預定的平衡度閾值BalanceDegreeth，則選出這兩個原分組，這兩個 原分組稱為選出原分組；並進一步在選出原分組之間根據相鄰關係組成調整分 組，組成調整分組的方法可以由多種，例如任選一個選出原分組中的所有RS 與其相鄰的屬於其它選出原分組內的RS組成調整分組。本實施例中選擇負載 不平衡度最大的選出原分組中的RS與其它RS組合的方式，例如本實施例中負 載不平衡度最大的選出原分組為原分組《RS1、 RS3、 RS5}。將該原分組中的各 RS與其相鄰的屬於其它選出原分組內的RS組成調整分組。例如本實施例中組 成調整分組(R1、 R2、 R6}、 {R3、 R2、 R4》和(R5、 R4、 R6}。
步驟103:確定目標調整分組，調整目標調整分組內RS的覆蓋範圍以平衡原分組內各RS的負載。
選出一個調整分組作為目標調整分組，選擇方案可以有多種。例如方案 一選擇負載不平衡度最大的調整分組作為目標調整分組。和步驟101中一樣， 獲得各調整分組的負載不平衡度，然後根據各調整分組的負載不平衡度選擇一 個目標調整分組。方案二選擇負載不平衡度最大的原分組中標記為重載RS 的RS與其相鄰RS所組成的調整分組，作為目標調整分組。
為了實現調整目標調整分組內RS負載的目的，本發明中選擇了兩種調整 目標調整分組內RS的覆蓋範圍以平衡原分組內各RS負載的方案，分別為
方案A:如圖5所示，減小目標調整分組內在原分組中標記為重載的RS 的功率，增大該目標調整分組其它RS的功率，將部分屬於重載RS的MSS遷 移至目標調整分組內其它RS的覆蓋範圍之內，由此降低重載RS的負載，增大 其它RS的負載。例如在本實施例中，減小RS1的功率，增大RS2和RS6的功
方案B:如圖6所示，減小目標調整分組內在原分組中標記為重載的RS 的功率，配合中繼轉發單元將部分屬於該RS的MSS遷移至其目標調整分組內 其它RS的覆蓋範圍之內。所述中繼轉發單元可以是冗餘的RS,例如一些移動 RS,也可以是一些具有數據轉發功能的其它MSS,由此降低重載RS的負載， 增大其它RS的負載。圖6中，MSSA為具有數據轉發功能的MSS，而RSA為 冗餘RS, MSS 1通過具有數據轉發功能的MSSA遷移至RS2的覆蓋範圍內， 而MSS2通過冗餘中繼RSA遷移至RS6的覆蓋範圍內。
對RS的覆蓋範圍進行調整之後，相應地，中繼鏈路中BS到各RS的調度 時間也會發生更改，例如RS1的覆蓋範圍減小，則BS—RS1的時間長度也會 縮短，而RS2、 RS6的覆蓋範圍增大，則BS—RS2和BS—RS6的時間長度也 會延長，而對於BS到RS的調度時間的整體而言，不會發生改變，對本發明的 實施效果不會產生影響。
在執行步驟103之後，由於只選擇了一個目標調整分組進行負載平衡，所 以常常無法在整個BS的所有原分組內都實現負載平衡，由此可以進一步循環
執行步驟101到步驟103，直至所有的原分組的負載不平衡度都小於預定平衡 度閾值。最後，實現了原分組內的負載平衡前後的下行鏈路子幀的對比如圖7
所示，圖7中A部分是沒有釆用本發明的基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方 法的幀結構，而B部分是採用了本發明的基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方 法之後的幀結構。可以看出，通過調整調整分組內的RS的覆蓋範圍，減小了 RS1的負載，增大了 RS2和RS6的負載，實現了原分組的負載平衡。
另外，由於網絡負載狀況隨時變化，為了能夠實現動態調整過程，本發明 的基於中繼的多跳無線網絡負載平衡方法還可以以 一段指定時間段為周期，重 復執行上述步驟101至所述步驟103和其後的循環步驟。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用來限定本發明的保護範 圍。本領域內技術人員應該能夠聯想到，以不同的無線通信網絡作為本發明的 應用背景，選擇不同調整分組作為目標調整分組，以其它參數表徵原分組內的 資源不平衡度，都應該屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟:A、獲取各原分組負載不平衡度；B、判斷各原分組負載不平衡度是否小於預定平衡度閾值，如果是則停止本負載平衡流程，否則，選出負載不平衡度大於預定平衡度閾值的原分組，在所選出原分組之間根據相鄰關係組成調整分組；C、在調整分組內確定目標調整分組，調整目標調整分組內中繼站的覆蓋範圍。
2、 根據權利要求l所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特 徵在於，步驟B中，所述組成調整分組的方法為將負載不平衡度最大的選出 原分組中的中繼站與其相鄰的屬於選出原分組的中繼站組成調整分組。
3、 根據權利要求l所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特 徵在於，步驟C中，所述確定目標調整分組的方法為選擇負載不平衡度最大 的調整分組作為目標調整分組。
4、 根據權利要求2所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特 徵在於，步驟C中，所述確定目標調整分組的方法為選擇負載不平衡度最大 的原分組中的重載中繼站和與其相鄰的屬於選出原分組內的中繼站組成的調整 分組，作為目標調整分組。
5、 根據權利要求1所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特 徵在於，所述步驟C之後進一步包括D、 重複執行所述步驟A至所述步驟C,直至各原分組負載不平衡度均小 於預定平衡度閾值。
6、 根據權利要求l所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特 徵在於，所述步驟C中調整目標調整分組內中繼站的覆蓋範圍的方法為降低 目標調整分組內在原分組中標記為重載的中繼站的功率，增大目標調整分組內 其它中繼站的功率。
7、 根據權利要求1所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特徵在於，所述步驟C中調整目標調整分組內中繼站的覆蓋範圍的方法為降低目標調整分組內在原分組中標記為重載的中繼站的功率，配合中繼轉發單元將 其覆蓋範圍內的移動用戶遷移至所述目標調整分組內其它中繼站的覆蓋範圍 內。
8、 根據權利要求7所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特 徵在於，所述中繼轉發單元為冗餘中繼站，或為具有數據轉發功能的移動用戶。
9、 根據權利要求l所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其特 徵在於，所述原分組負載不平衡度由原分組內各中繼站負載的標準方差與均值 的商來衡量。
10、 根據權利要求5所述的基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，其 特徵在於，所述方法還包括，以一段指定時間段為周期，重複執行所述步驟A 至所述步驟D。
全文摘要
本發明公開了一種基於中繼的多跳無線網絡的負載平衡方法，包括步驟獲取各原分組負載不平衡度；判斷各原分組負載不平衡度是否小於預定平衡度閾值，如果是則停止本負載平衡流程，否則，選出負載不平衡度大於預定平衡度閾值的原分組，將其中負載不平衡度最大的原分組內的各中繼站與其相鄰的中繼站組成調整分組；確定目標調整分組，調整目標調整分組內中繼站的覆蓋範圍以平衡原分組內各中繼站的負載。本發明的負載平衡方法，能夠適用於複雜的基於中繼的多跳無線網絡，能夠有效提高基於中繼的多跳無線網絡的資源利用率，增加系統容量。
文檔編號H04B7/005GK101378272SQ200710121149
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月30日 優先權日2007年8月30日
發明者欣 郭, 馬文超 申請人:聯想(北京)有限公司