基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法
2023-09-13 12:02:15
基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法，考慮了上下行的非對稱信道的接入，提高了用戶的傳輸速率；提出了一種UM-ABS協議，重新設計了傳統的ABS協議，通過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，改善了系統容量；提出了鬆弛-取整算法，使得用戶有效地接入宏基站或者微基站，同時使得UM-ABS協議得到很好地配置，並且對上下行傳輸的時間資源進行有效地分配。本發明改善了系統的負載均衡和系統的容量，提高了用戶傳輸速率，使得整個系統的性能得到了很大的提升。
【專利說明】基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無線通信網絡【技術領域】，尤其涉及一種基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法。
【背景技術】
[0002]隨著蜂窩網絡的發展，為了滿足快速增長的無線業務需求，3GPPLTE-AdVanced在Rel-1l中提出了異構蜂窩網絡的概念。在高功率的宏基站覆蓋範圍內部署低功率的節點，形成多層的異構蜂窩網絡，以改善熱點區域的覆蓋和容量，提高頻譜利用率。這些低功率的節點分為微微蜂窩(picocells)和家庭基站(femtocells)。其中微微蜂窩覆蓋範圍在幾百米，大多部署在室外，可以被所有用戶使用；家庭基站覆蓋範圍幾十米內，主要部署在室內，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，在未來無線網絡中基站的數量很可能超過手機終端。
[0003]宏蜂窩和微微蜂窩組成的異構雙層網絡場景，其中宏蜂窩和微微蜂窩被同一個運營商運營，以便於進行集中的幹擾協調和管理。在宏蜂窩和微微蜂窩共同組成的雙層網絡中，由於不同層之間共享相同的頻譜，會帶來嚴重的同層幹擾和跨層幹擾，影響蜂窩網絡的性能。在異構蜂窩網絡，研究減少或者消除同層幹擾和跨層幹擾是現在研究的熱點問題也是難點問題。因此，3GPP在幹擾管理中提出elCIC，旨在宏基站和微基站之間在時域進行幹擾協調，減小宏基站對微微蜂窩的幹擾。
[0004]在異構蜂窩網絡中，由於基站的發射功率不同，覆蓋範圍不同，根據傳統的最大的SINR的接入方式，微微基站會常處於輕負載，而宏基站將會處於重負載，大部分用戶接入宏基站。因此，擁塞和負載將會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建立優化模型研究用戶接入的問題，並求得的接收功率的偏置(bias)，基於偏置(bias)的接入可以獲得該問題的次優解，發現比採用最大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的優化問題，負載從宏蜂窩轉移到微微蜂窩，負載更加均衡。但是負載均衡會導致轉移到微微蜂窩中用戶的接收功率變小，並且易受到宏基站更嚴重的幹擾。針對這個問題，3GPP提出了 elCIC的對於下行的幾乎空白子巾貞(ABS, Almost Blank Subframes)方案宏蜂窩在特定的時間/頻率資源靜默，不進行傳輸，使得在該靜默期即幾乎空白子幀上轉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。儘管宏蜂窩由於在ABS子幀靜默會產生一定的速率損失，但如果微微蜂窩在ABS子幀同時傳輸的用戶數量足夠多，則可以獲得更大的系統容量的提升和滿足更多的用戶QoS要求。但elCIC的提出僅針對下行，沒有考慮上行的情況。
[0005]在異構蜂窩網中，由於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範圍。而對於上行，用戶傳輸相同的功率，基站的覆蓋範圍幾乎相同。因此，上下行有不同的SINR分布，上下行不應該接入相同的基站。對於不同類型的業務，上下行業務的負載比重不同，但是對於對稱業務，上下行的負載比重卻是相同的。所以需要考慮用戶上下行非對稱新到的接入問題。現有的文章中，有人研究了在單個基站和多用戶場景下，聯合考慮上下行，研究多用戶空間復用的速率容量，並給出了根據上下行的業務負載比例，在給定的移動速度下，確定導頻和CSI (channel state information)比例的算法。但沒有考慮異構蜂窩網絡中多個基站的情況。也有人研究了在TDD-LTE(Time Division DuplexingLong Term Evolution)的異構蜂窩網絡系統中如何進行動態的上下行時間資源的配置避免跨層幹擾的問題，並通過仿真顯示了動態的上下行配置可以帶來系統性能的改善，但沒有給出最優的上下行配置比例以及相關的配置算法。
[0006]現有的基於ABS的接入算法存在的沒有考慮上下行的非對稱信道接入，用戶傳輸速率較低，沒有對上下行傳輸的時間資源進行有效地分配。
【發明內容】
[0007]本發明實施例的目的在於提供一種基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法，旨在解決現有的基於ABS的接入算法存在的沒有考慮上下行的非對稱信道接入，用戶傳輸速率較低，沒有對上下行傳輸的時間資源進行有效地分配的問題。
[0008]本發明實施例是這樣實現的，一種基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法，各個微基站和用戶通過控制信道將各自的信道條件和幹擾信息上報給宏基站中的eNode B,之後eNode B將為資源的調度進行統一的計算。計算完畢後，eNode B發送給各個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基站、所發明的UM-ABS協議配置情況、用戶傳輸速率。最後，微基站和用戶根據這些信息進行數據傳輸。
[0009]本發明實施例的另一目的在於提供一種上下行非對稱接入方式的發明，該發明使得用戶的上下行可以進行動態接入基站，即用戶上下行根據情況可以分別接入不同的基站，也可以接入相同的基站。該發明能夠有效地利用資源，提高用戶傳輸速率，改善系統容量。
[0010]本發明實施例的另一目的在於提供一種UM-ABS協議的發明，該發明對傳統的ABS協議進行了重新設計，通過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，進而有效地利用了 ABS子幀，提高用戶傳輸速率。
[0011]本發明實施例的另一目的在於提供一種鬆弛-取整算法，該算法的目的在於計算上述所提到的上下行非對稱接入情況、配置UM-ABS協議以及計算用戶的傳輸速率和系統容量。
[0012]本發明提供的基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法，考慮了上下行的非對稱信道的接入，提高了用戶的傳輸速率；提出了一種UM-ABS協議，重新設計了傳統的ABS協議，通過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，改善了系統容量；提出了鬆弛-取整算法，使得用戶有效地接入宏基站或者微基站，同時使得UM-ABS子幀得到很好地配置，並且對上下行傳輸的時間資源進行有效地分配。本發明改善了系統的負載均衡和系統的容量，提高了用戶傳輸速率，使得整個系統的性能得到了很大的提升。
【專利附圖】
【附圖說明】[0013]圖1是本發明實施例提供的基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法的流程圖；
[0014]圖2是本發明實施例提供的異構蜂窩網絡中聯合上下行的幹擾模型示意圖；
[0015]圖3是本發明實施例提供的用戶上下行對稱接入和非對稱接入示意圖；
[0016]圖4是本發明實施例提供的elCIC的ABS和UM-ABS幀結構示意圖；
[0017](a) elCIC 的 ABS 和 UM-ABS 的幀結構；(b) elCIC 的 ABS 和 UM-ABS 的幀結構；
[0018]圖5是本發明實施例提供的系統容量隨用戶數的變化情況仿真示意圖；
[0019]圖6是本發明實施例提供的系統容量隨微基站數目的變化情況仿真示意圖；
[0020]圖7是本發明實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是本發明實施例提供的宏基站和微基站中的負載隨著微基站數目的變化情況仿真示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0023]下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。
[0024]如圖1所示，本發明實施例的基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法包括以下步驟:
[0025]SlOl:構建一個雙層的TDD-LTE異構蜂窩網絡系統，該系統由宏基站、微基站以及用戶組成。其中，用戶上下行接入基站可以動態配置，即上下行可以進行非對稱接入；
[0026]S102:各個微基站和用戶通過控制信道將各自的信道條件和幹擾信息上報給宏基站中的eNode B,然後該eNode B為資源的調度進行統一的計算；
[0027]S103:eNode B根據用戶所接收到的信號強度，分別選擇信號最強的一個宏基站和一個微基站作為用戶下行動態接入的集合。然後根據鬆弛-取整算法對用戶的下行接入進行選擇；對用戶的上行，eNode B根據接收到的信號強度，選擇接收到的信號強度最強的基站讓其接入；
[0028]S104:根據鬆弛-取整算法，eNode B為宏基站和微基站配置所發明的UM-ABS協議，即配置宏基站需要保持下行靜默並且可以進行上行傳輸的UM-ABS子幀數Ap以及所有基站都可以進行上下行傳輸的non-UM-ABS子幀數Nm ；
[0029]S105:根據鬆弛-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的時間資源以及可進行傳輸的速率，並且得到系統總容量；
[0030]S106:計算結束後，宏基站中的eNode B將資源管理和調度的結果通過控制信道傳送給各個微基站和用戶，從而調度用戶進行有效的數據傳輸。
[0031]在步驟SlOl中所提到的動態配置上下行接入基站具體描述如下:
[0032]用戶上下行根據接收到的信號強度動態接入基站，可以進行非對稱接入也可以進行對稱接入，其中非對稱接入指的是用戶上下行根據信道狀態信息可以分別接入不同的基站；對稱接入指的是用戶上下行都接入同一個基站；對於下行接入，用戶根據整個帶寬接收到的信號強度，分別選擇信號最強的一個宏基站和一個微基站作為下行非對稱接入的集合，再根據鬆弛-取整算法選擇接入哪個基站；對於上行接入，在所有宏基站和微基站中，用戶根據接收的信號強度，選擇接收到的信號強度最強的基站接入；
[0033]在步驟S104中所提到的UM-ABS協議具體解釋如下:
[0034]UM-ABS 幀協議(Uplink Transmission for Macro Users in ABS)中規定了兩種子幀UM-ABS子幀和non-UM-ABS子幀，幀的總長度為10ms，在UM-ABS子幀上，宏基站需要進行保持下行靜默，而接入宏基站的用戶可以進行上行傳輸，微基站上下行都可以進行傳輸；在non-UM-ABS子幀上，所有基站都可以進行上下行的傳輸；
[0035]在步驟S105中所提到的鬆弛-取整算法包括鬆弛和取整兩步，其中第一步鬆弛包括以下步驟:
[0036]步驟一，根據幹擾和UM-ABS協議建立SINR模型，並且採用香農公式得到用戶可利用的平均傳輸速率ru;
[0037]步驟二，採用效應函數Ln (Ru)和用戶可利用的平均傳輸速率ru建立基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載均衡問題模型OPl (Optimization Probleml),並證明該問題為NP-hard模型,求解的變量表示為:
[0038]
【權利要求】
1.一種基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法，其特徵在於，該基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法包括: 第一步，構建一個雙層的TDD-LTE異構蜂窩網絡系統，該系統由宏基站、微基站以及用戶組成；其中，用戶上下行接入基站可以動態配置，即上下行可以進行非對稱接入； 第二步，各個微基站和用戶通過控制信道將各自的信道條件和幹擾信息上報給宏基站中的eNode B,然後該eNode B為資源的調度進行統一的計算； 第三步，eNode B根據用戶所接收到的信號強度，分別選擇信號最強的一個宏基站和一個微基站作為用戶下行動態接入的集合；然後根據鬆弛-取整算法對用戶的下行接入進行選擇；對用戶的上行，eNode B根據接收到的信號強度，選擇信號強度最強的基站讓其接A ； 第四步，根據鬆弛-取整算法，eNode B為宏基站和微基站配置所發明的UM-ABS協議，即配置宏基站需要保持下行靜默並且可以進行上行傳輸的UM-ABS子幀數Ap以及所有基站都可以進行上下行傳輸的non-UM-ABS子幀數Nm ； 第五步，根據鬆弛-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的時間資源以及可進行傳輸的速率，並且得到系統總容量； 第六步，計算結束後，宏基站中的eNode B將資源管理和調度的結果通過控制信道傳送給各個微基站和用戶，從而調度用戶進行有效的數據傳輸。
2.如權利要求 1所述的基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法，其特徵在於，第一步中的上下行動態接入特徵在於，用戶上下行根據接收到的信號強度動態接入基站，可以進行非對稱接入也可以進行對稱接入，其中非對稱接入指的是用戶上下行根據信道狀態信息可以分別接入不同的基站；對稱接入指的是用戶上下行都接入同一個基站；對於下行接入，用戶根據整個帶寬接收到的信號強度，分別選擇信號最強的一個宏基站和一個微基站作為下行非對稱接入的集合，再根據鬆弛-取整算法選擇接入哪個基站；對於上行接入，在所有宏基站和微基站中，用戶根據接收的信號強度，選擇接收到的信號強度最強的基站接入。
3.如權利要求1所述的基於增強型小區間幹擾協調聯合上下行負載分配方法，其特徵在於，在第四步中提出的UM-ABS幀協議中規定了兩種子幀，UM-ABS子幀和non-UM-ABS子幀，幀的總長度為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行上行傳輸，微基站上下行都可以進行傳輸；在non-UM-ABS子幀上，所有基站都可以進行上下行的傳輸。
4.如權利要求1所述的基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法，其特徵在於，第三、四、五步中的鬆弛-取整算法包括鬆弛和取整兩步。
5.如權利要求4所述的基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載分配方法，其特徵在於，第一步鬆弛包括以下步驟: 步驟一，根據幹擾和UM-ABS協議建立SINR模型，並且採用香農公式得到用戶可利用的平均傳輸速率ru ； 步驟二，採用效應函數Ln(Ru)和用戶可利用的平均傳輸速率ru建立基於增強型小區間幹擾協調的聯合上下行負載均衡問題模型0P1，並證明該問題為NP-hard模型，求解的變量表示為:
6.如權利要求4所述的基於增強型小區間幹擾協調聯合上下行負載分配方法，其特徵在於，第二步的取整操作詳細步驟如下: 步驟一，取整Nm和Ap:將Nm和Ap由正實數變為整數採用如下操作:
【文檔編號】H04W28/08GK103957563SQ201410218970
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年5月22日
【發明者】劉勤, 鄭傑, 黃鵬宇, 周天衛, 李釗, 李建東 申請人:西安電子科技大學