CN100589666C - 蜂窝系统中基于动态小区组的分级式无线资源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种基于动态小区组的分级式无线资源管理方法，适用于蜂窝通信系统。相邻的几个小区根据相邻小区间干扰关系的大小组成一个小区组，属于同一个小区组的多个小区联合起来进行无线资源管理，减小小区间干扰，提高边缘用户性能，保证业务服务质量要求。小区组的结构按照小区间干扰变化周期性更新。本发明给出的无线资源管理方法为分级式方法。小区组可以统一管理内部多个小区的资源分配，也可以只对小区边缘部分的资源分配进行管理。小区组内的小区之间可以以集中方式联合，也可以以分布方式联合。小区组内分配的无线资源包括时间、频率和空间，联合方式包括：时域和频域联合，波束方向与功率联合。

Description

蜂窝系统中基于动态小区组的分级式无线资源管理方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，给出了一种用于蜂窝移动通信系统的多个小区联合进行无线资源管理的方法，该方法基于动态小区组，属于分级式无线资源管理，可以协调小区间干扰，提高无线资源利用率。该方法适用于各种存在邻小区干扰的蜂窝移动通信系统。

背景技术

随着无线移动通信需求的不断增长，人们希望无线网络可以提供更高的数据速率、更多的业务类型，这对无线通信系统提出了更高的要求，但是无线通信系统可用的频谱资源是有限的，因此要提高无线通信系统的频谱利用率。在物理层，先进的通信技术，如正交频分复用技术(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)、多天线技术都成为下一代无线通信系统的关键技术。在上层，提高系统吞吐量、满足各种业务服务质量要求、保证小区边缘用户性能的无线资源管理的研究也得到了广泛的关注。

由于采用了先进的物理层技术，如基于OFDM的调制技术和多址技术，可以保证小区内用户之间的正交性，从而有效地避免了小区内干扰。但是在这样的蜂窝移动通信网络中，小区间干扰成了主要的干扰源。

目前给出的无线资源管理方法都是以单个小区为单位，没有考虑相邻小区之间的干扰对无线资源管理的效用和效率的影响。同时，对小区间干扰的研究没有考虑资源分配，边缘用户的性能没有保证且无线资源利用率低。如果在分配无线资源时，综合考虑多个小区系统的可用资源，尽量保证相邻小区间所用资源正交，则可以有效地减小小区间干扰，提高边缘用户的吞吐量，提高无线资源利用率，从而提高整网的系统容量，使得蜂窝移动通信系统可以适应无线网络宽带化的要求，支持更高的移动速率，支持多种无线分组业务。

随着移动通信技术的发展，蜂窝无线网络架构从传统的集中式架构朝着扁平化、分布式的方向发展。如在3GPP的LTE计划中采用两层扁平网络架构，即接入网主要由演进型基站(evolution Node B，eNB)和接入网关(access gateway，aGW)构成。aGW实际上是一个边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要由eNB一层构成。LTE的eNB除了具有原来Node B的功能外，还承担了原来RNC的大部分功能，包括物理层、MAC层、RRC、调度、无线接入许可、无线承载控制、接入移动性管理等。eNB和eNB之间将采用网格(Mesh)方式直接互连。

但在如何处理小区间干扰协调、负载控制等无线资源管理问题上还有待进一步研究，无论是采用集中式管理，还是采用分布式管理都存在比较明显的不足。集中式管理系统复杂、网络扩展性差，分布式管理具有盲目性、资源利用率低的缺点。而且，现有的管理方法中，都是基于静态模式的，没有考虑由于小区间负载变化等原因造成的小区间干扰的变化以及每个小区内可用资源的变化。目前还没有研究给出在若干个相邻小区内进行无线管理的分级式管理方法(介于集中式和分布式之间的无线资源管理方法)，而且跟踪小区间干扰变化的自适无线资源管理机制的研究目前在国内外尚属空白。

在干扰管理技术方面，小区间干扰协调机制的专利大多在频率协调领域，考虑时隙和空域的干扰协同协调的机制很少。而且都这些干扰协调方法虽然是解决多小区间干扰问题的，但是进行干扰协调的小区都是静态配置的，还没有一种基于可变数量和位置的多个小区间进行干扰协调的机制，也没有完全联合协调多种可用无线资源，包括频率、时间和空间三种可用资源。

发明内容

本发明的目的在于给出一种用于蜂窝通信系统的基于动态小区组的分级式无线资源管理方法。本发明首先将系统内所有小区划分为不同的小区组，属于同一个小区组的多个相邻小区之间通过管理控制信息的交互，协商资源分配，从而消除小区间干扰，并将干扰协调和资源分配结合起来研究多小区联合最优资源分配算法，满足用户QoS要求的同时最大化无线资源利用率。

本发明给出的基于动态小区组的分级式无线资源管理方法具体实现方案包括以下步骤：

步骤1：划分动态小区组：在蜂窝移动系统中，将系统内所有小区划分为不同的小区组，每个小区组由若干个相互干扰关系比较大的邻近小区构成，小区组之间的干扰可以忽略，在每个小区组内的各个小区联合进行无线资源管理。具体划分方法为：每个eNB根据本小区内的终端信道质量测量报告获得相邻若干个小区对本小区的干扰强度并上报到aGW，由aGW维护一个表征所有小区间相互干扰关系的“干扰关系矩阵”。利用GIS的空间邻接分析与图论的最大生成树法划分小区组，给出整个网络下最佳的小区组划分。

步骤2：小区组内的管理信息交互：属于相同小区组的小区之间交互管理控制信息，包括本小区边缘用户的信道状态和业务需求、本小区无线资源使用情况以及负载状态。

步骤3：小区组内联合资源分配：各个小区根据相关管理控制信息协调边缘用户的无线资源分配，包括频率、时隙、波束方向与功率，降低小区组内的小区间干扰，保证每个小区内边缘用户的性能和提高无线资源利用率。小区组内联合资源管理，小区组间不进行信息交互，因此本发明为分级式无线资源管理。

步骤4：小区组动态更新机制：小区间的干扰关系矩阵是小区组划分的依据，它是通过用户终端的信道质量测量获得的。由于终端的移动性和信道环境的时变性，小区间的干扰关系会随着时间不断变化，因此小区组的划分也需要随着干扰关系的变化而动态变化。小区组的动态更新机制为：干扰关系矩阵按照固定的周期更新，小区组划分按照干扰关系矩阵的变化设定更新门限，如果干扰关系矩阵中表示两个小区间干扰关系的值的变化超过了设定的更新门限值，则小区组的划分将随着更新。但是如果某几个小区组的更新对其他小区组没有影响，则其他小区组保持不变。

步骤3中的小区组内联合资源分配按照小区组内部小区的联合方式可以分为：集中式联合资源管理，分布式联合资源管理。

如果将管理控制信息汇聚到一个本小区组内的一个eNB，这种小区组内的小区联合管理的方式为集中式联合资源管理。这个eNB做为本小区组的集中控制节点，小区组内的资源由这个集中控制节点进行管理，其他小区的eNB执行。资源分配过程中考虑小区边缘用户性能和用户业务的服务质量要求。

如果小区之间交互管理控制信息，这种小区组内的小区联合管理的方式为分布式联合资源管理。每个小区的eNB根据本小区信息(资源、负载和干扰等信息)和邻小区信息(资源、负载和干扰等信息)执行资源管理，资源分配过程中考虑小区边缘用户性能和用户业务的服务质量要求。

在同一个小区组更新周期内，不同小区组可以采用不同的联合资源管理方式，也可以采用相同的联合资源管理方式。

步骤3中的小区组内联合资源分配按照小区组内部资源(时域、频域、空间和发送功率等)的联合方式可以分为以下3种：

1.子载波和时隙协调分配：小区组内的各个小区协调分配边缘用户之间的子载波和时隙资源。充分利用频率分集效应和时域分集效应，保证边缘用户所用的时频二维资源正交，从而消除小区间干扰。

2.波束方向和功率协调管理：如果小区内基站天线具有波束成形功能，则小区组内的各个小区通过管理控制信息交互协调管理相邻小区的边缘用户方向上的波束方向和发送功率，使小区边缘覆盖区域随着资源分配的要求动态变化，实现小区软覆盖，从而最小化小区间干扰。

3.在最小化小区干扰的情况下，边缘用户的性能可以得到保证，在每个小区内部，按照不同用户的不同业务要求，分配小区内可用无线资源，包括：信道，时隙，功率。

本发明给出的资源管理方法为分级式管理，小区组内部小区之间联合起来进行资源管理，小区组之间相互独立。本发明给出的小区组可以跟随小区之间的干扰关系动态变化，可以充分降低小区间干扰，提高无线资源利用率。本发明给出的基于动态小区组的分级式无线资源管理方法将小区间联合资源分配机制和干扰管理机制相结合，使单个小区性能和整网性能达到最佳。

附图说明

图1：蜂窝网络拓扑结构

图2：集中式无线资源管理方法

图3：分布式无线资源管理方法

图4：小区组划分

图5：小区组更新

图6：波束方向与功率联合协调

具体实施方式

图1给出了本专利的适用的蜂窝网络拓扑结构，以3GPP LTE定义的网络架构为例，每个小区有一个基站(eNB)，每个小区内的用户终端接入到控制本小区的基站(eNB)，基站接入到接入网关(aGW)，基站和基站之间以mesh的方式互联(也就说，每个小区与其他小区都有接口可以通信)。在这种网络架构下，如果多小区联合进行无线资源管理，需要考虑无线资源管理(RRM)控制节点的位置。以下仅以系统内有5个小区为例，实际系统中系统内的小区数将远大于本发明实施例。

图2给出了集中式无线资源管理方法。如果系统内所有小区的无线资源统一的由一个集中控制节点管理，则为集中式无线资源管理架构。这种集中式管理架构将所有信息会聚到这个集中控制节点，然后由这个集中控制节点为每个小区的资源使用做出分配，这种架构的优点为无线资源充分利用，缺点是对集中控制节点要求高，且系统实现复杂，网络扩展性差。

图3给出了分布式无线资源管理方法。如果蜂窝通信系统内每个基站单独控制本小区内的资源，不设置一个集中控制节点则称为分布式无线资源管理架构。如果各个小区想联合起来进行资源管理，则需要在每个小区之间进行信息交互，这种架构的优点式实现简单，网络扩展性好，但是确定就是管理控制信息交互频繁，控制时延大，很难给出最佳的资源分配方法。

本发明给出了一种基于动态小区组的分级式无线资源管理方法。以图1给出的网络拓扑结构为基础，在系统内的多个相邻小区根据一定的规则，组成一个小区组，小区组内部的多个小区之间进行管理控制信息交互，在每个小区组内部进行多个小区的无线资源管理。小区组之间的干扰忽略，不进行信息交互。

基于动态小区组的分级式无线资源管理方法的具体实施方法包括以下步骤：

步骤1：划分动态小区组：在蜂窝移动系统中，由于每个小区内活动的用户数量不同，且每个用户的业务需求不同，则小区之间的干扰关系不同。如图4所示，假设小区1、小区2和小区3之间的干扰比较大，小区4和小区5之间的干扰比较大，则将小区1、小区2和小区3组成一个小区组A，小区4和小区5组成小区组B，依此类推，系统内的所有小区都将加入一个小区组，小区组内的小区数量可以不相同。考虑每个小区组内部的各个小区之间的干扰，忽略小区组之间的干扰，在每个小区组内部进行联合资源分配。

小区组的具体划分方法为：每个小区的eNB根据终端干扰测量报告获得相邻若干个小区对本小区的干扰强度并上报到aGW，由aGW维护一个表征所有小区间相互干扰关系的“干扰关系矩阵”。利用GIS的空间邻接分析与图论的最大生成树法，设定合理的小区组划分门限，划分小区组。

步骤2：系统内小区组确定后，在小区组进行联合资源分配之前，将进行管理控制信息交互。可以交互的管理信息包括：本小区边缘用户的信道状态和业务需求、本小区无线资源使用情况以及负载状态。

步骤3：小区组内联合资源分配：各个小区根据相关管理控制信息协调边缘用户的无线资源分配，包括频率(在基于OFDM技术的系统中频率资源为子载波)、时隙、波束方向与功率，减小小区组内的小区间干扰，保证每个小区内边缘用户的性能和提高无线资源利用率。资源分配的时间周期可以和管理信息交互周期相同，也可以比管理信息交互周期小。如果管理信息交互周期大于资源分配周期，则在一次管理信息交互之后，可以进行多次资源分配。当然，管理信息交互周期如果和资源分配周期相等，则更有利于系统性能的提高(包括无线资源利用率，边缘用户性能，用户业务服务质量保证等)，但是eBN之间交互的信息量更大。

步骤4：小区组动态更新机制：由于终端的移动性和信道环境的时变性，小区间的干扰关系会随着时间不断变化，因此小区组的划分也需要随着干扰关系的变化而动态实时更新。小区组的更新机制为：干扰关系矩阵按照固定的周期更新，小区组划分按照干扰关系矩阵的变化设定更新门限，如果干扰关系矩阵中表示两个小区间干扰关系的值的变化超过了设定的更新门限值，则小区组的划分将随着更新。但是如果某几个小区组的更新对其他小区组没有影响，则其他小区组保持不变。假设在第N个周期，得到的小区组划分为小区组A包括小区1、小区2和小区3，小区组B包括小区4和小区5(如图4)；在第N+1个周期，得到的小区组划分为小区A包括小区1和小区2，小区组B包括小区3、小区4和小区5(如图5)。实际系统内的小区划分将存在更多的可能，但是通过小区组划分方法，在一次更新周期，可以得到唯一的小区组划分，每个小区在一次更新周期内将只能属于一个小区组，一个小区组可以包括多个小区。

步骤3中小区组内联合资源分配按照小区联合方式分为两种：集中式联合资源管理，分布式联合资源管理。

如果将管理控制信息汇聚到一个eNB，则为集中式联合资源管理。在小区组A中的3个小区中，小区2和小区3分别将本小区信息(资源、负载和干扰等信息)发送给小区1，由小区1的eNB做为本小区的集中控制节点，小区组内的资源管理由这个集中控制节点进行管理，其他小区的eNB执行。资源分配过程中考虑小区边缘用户性能和用户业务的服务质量要求。集中控制节点可以采用随机方式产生或者指定为每个小区组内小区ID最大的(或者最小的)eNB。

如果小区之间交互管理控制信息，则为分布式联合资源管理。如小区组B中小区4和小区5可以相互管理信息，每个小区的eNB根据本小区信息(资源、负载和干扰等信息)和邻小区信息(资源、负载和干扰等信息)执行资源管理，资源分配过程中考虑小区边缘用户性能和用户业务的服务质量要求。

在同一个小区组更新周期内，不同小区组可以采用不同的联合资源管理方式，也可以采用相同的联合资源管理方式。

根据不同的无线资源(时域、频域、空间和发送功率等)相互组合的方式，步骤3中小区组内联合资源分配可以有如下联合方式(以下为举例，在本发明给出的小区组内，无线资源可以根据需要灵活的选择多种方式联合管理)：

a.子载波和时隙联合分配：小区组内的各个小区协调分配边缘用户之间的子载波和时隙资源。充分利用频率分集效应和时域分集效应，保证边缘用户所用的时频二维资源正交，从而消除小区间干扰。以图4中的小区组B为例，小区4和小区5协调小区边缘的资源分配，则小区边缘用户之间的干扰减小，性能可以得到提高。因为在小区组划分过程中是将相邻的具有较大干扰关系的小区划分到同一个组内，因此，小区4对小区5的干扰是小区5受到的主要邻小区干扰，通过这两个小区之间的干扰协调，可以大大提高小区5边缘用户的性能。

b.波束方向和功率联合协调：如果小区内基站天线具有波束成形功能，则小区组内的各个小区通过管理控制信息交互协调管理相邻小区的边缘用户方向上的波束方向和发送功率，使小区边缘覆盖区域随着资源分配的要求动态变化，实现小区软覆盖，从而最小化小区间干扰。如图6中的小区1、小区2和小区3为同一个小区组内的小区，用户1位于小区1，用户2位于小区2，用户1和用户2都为小区边缘用户。如果用户1和用户2在时频二维资源上都没有正交，还是相互之间存在干扰。eNB1发送的信号影响了用户2对eNB2发送信号的正确接收，形成干扰，为了减小这种干扰，eNB1通过波束成形技术控制到达用户1的范围，并且控制发送功率的大小，则eNB1的信号仅覆盖用户1，而不覆盖其他位置，则对其他用户(邻小区用户和本小区用户)的干扰都很小。同理，eNB2通过同样的方式减小对用户1的干扰。可见，小区1和小区2通过联合协调边缘用户的波束方向和发送功率，减小干扰。

c.在最小化小区间干扰的情况下，边缘用户的性能可以得到保证，在每个小区内部，基站为中心用户分配小区内可用无线资源，分配过程中考虑不同用户不同业务的服务质量要求。

本发明参照具体实施方式进行描述和举例说明，但是并不意味着本发明仅限于这些描述的实施方式。本发明给出的动态小区组内的其他无线资源管理机制，如接纳控制和切换控制等，都包括在本发明给出的无线资源管理方法内。

Claims (6)

1.一种用于蜂窝移动通信系统的基于动态小区组的分级式无线资源管理方法，其特征在于，该方法实现包括以下步骤：

步骤1：划分动态小区组：在蜂窝移动系统中，每个基站根据其所在小区内的终端信道质量测量报告获得其相邻小区对其所在小区的干扰强度并上报到接入网关，接入网关建立一个表征所有小区间相互干扰关系的干扰关系矩阵，所述接入网关利用地理信息系统的空间邻接分析与图论的最大生成树法设定小区组划分门限，将整个网络划分为不同的小区组，忽略小区组之间的干扰；

步骤2：小区组内的管理信息交互：属于相同小区组的小区之间交互管理控制信息，包括本小区边缘用户的信道状态和业务需求、本小区无线资源使用情况以及负载状态；

步骤3：小区组内的联合资源分配：各个小区根据相关管理控制信息，联合管理小区组无线资源，资源分配过程中考虑小区边缘用户性能和用户业务的服务质量要求，减小小区组内的小区间干扰，保证每个小区内边缘用户的性能和提高无线资源利用率；

步骤4：小区组动态更新机制：干扰关系矩阵按照固定的周期更新，小区组划分按照干扰关系矩阵的变化设定更新门限值，如果干扰关系矩阵中表示两个小区间干扰关系的值的变化超过了所述设定更新门限值，则小区组的划分将随着更新。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3进一步包括，小区组内的各个小区可以是以集中方式进行联合无线资源管理，也可以是以分布方式进行联合无线资源管理。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤3进一步包括，每个小区组内的联合无线资源管理可协调分配的资源包括时域、频域、空间和发送功率，以及这几种资源的不同组合方式。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，每个小区根据本小区负载和邻小区间干扰，为本小区中心用户分配可用无线资源，保证用户的服务质量要求。

5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，小区组内进行时域与频域资源的联合分配，保证小区边缘用户资源分配的正交性，减小小区间干扰，提高小区边缘用户性能。

6.根据权利要求3所述方法，其特征在于，小区组内相邻小区之间通过协调发送天线的波束方向和该方向上的发送功率，减小对邻小区边缘用户的干扰，保证边缘用户的正交性。

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