CN101772172B

CN101772172B - 一种基于多频带的频谱资源分配方法、装置及系统

Info

Publication number: CN101772172B
Application number: CN 200910076079
Authority: CN
Inventors: 雷蕾; 王军
Original assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd
Current assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2029-01-05
Also published as: CN101772172A

Abstract

本发明公开了一种基于多频带的频谱资源分配方法，该方法为：确定系统内待分配的多个子信道，并按照子信道的频率从高到低的顺序，采用最大权重调度算法依次为每个子信道选择其服务的终端，以及将各子信道分配至相应的终端；其中，所述子信道为多频带系统中的频谱资源最小调度单元。这样，便在一定程度上降低了小区中心用户的竞争优势，使小区边缘用户也可获得较多的低频带频谱资源，从而在保证小区中心用户吞吐量的同时，也增加小区边缘用户的吞吐量，进而提高了系统内频谱资源竞争的公平性，也在很大程度上提升了用户的使用体验。本发明同时公开了一种通信装置和一种通信系统。

Description

一种基于多频带的频谱资源分配方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种基于多频带的频谱资源分配方法、装置及系统。

背景技术

随着通信技术的发展，面向国际移动通信-高级(International MobileTelecommunications-Advanced，IMT-advanced)的新一代移动通信系统需要更大的带宽，以支持高速率的无线数据传输。针对这一需求，目前提出了以下解决方案：使新一代移动通信系统工作在多个频带，并对多个频带的频谱资源进行联合的管理、分配和优化；即新一代移动通信系统可以从频谱资源较为丰富的高频带中，选择新的频谱资源分配给用户，也可以从已分给第二代和第三代移动通信系统的频谱资源中，选择可重新利用的频谱资源分配给用户，从而有效地提高了移动通信业务的服务质量，提升了用户满意度。

无线通信的基本特征之一是无线衰落信道的质量随时间发生随机变化。目前，单频带正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统利用这一特征，使衰落信道的容量得到大幅度的提高，其具体做法如下：

假设在一个基站的覆盖小区内，存在N个需要该基站提供服务的用户，以及存在K个子信道，每个子信道包含一个或多个连续的子载波，是系统在频域上的最小调度单元；将时间以时隙为单位进行划分，在每个时隙内，基站按照频率从低到高的顺序依次为每个子信道选择服务对象，即将每个子信道按照频率从低到高的顺序依次分配给对应的用户，其具体作法如下：

基站针对每一个用户的下行数据维护一个单独的队列，分别称为q₁(t)、q₂(t)......q_N(t)，在每个时隙内，基站在每个子信道上只能为一个用户传送下行数据，因此，为了确定某一时隙内某一子信道上的被服务用户，基站在每个时隙t内均维护一个向量{(r₁ ¹(t)，...，₁ ^K(t))、......、(r_i ¹(t)，...，_i ^K(t))、......、(r_N ¹(t)，...，r_N ^K(t))}，其中r_i ^k(t)表示基站在时隙t内通过子信道k能够为用户i传送的数据量，k∈[1，K]，那么，在每个时隙t内，基站为每个子信道k选择q_i(t)r_i ^k(t)值最大的用户i作为服务对象；其中，用户i在每个时隙测量由子信道k发送的导频信号强度，并根据信号的强度计算子信道k的质量并确定子信道k为实现低误码率而应采用的传输速率的大小，接着，用户i通过一个控制消息将此传输速率值告知基站，从而使基站获得的r_i ^k(t)的值。

上述方法称为单频带最大权重调度算法，单频带最大权重调度算法在决策时不但考虑了信道质量，还同时考虑了下行数据队列长度，使具有较大瞬时信道速率和下行数据队列长度的用户具有较高的资源分配优先级，从而在一定程度上保证了资源分配的有效性、公平性和稳定性。

目前，在多频带系统中，也借鉴了单频带最大权重调度算法来分配频谱资源，但是，实际应用过程中却发现存在以下缺陷：

在多频带系统中，基站可以在同一时隙内通过不同频带向多个用户同时发送下行数据，从而使系统的总带宽得到提高。然而，不同频带的信号具有不同的无线传播特性，一般来说，无线信号的传播损耗与传输频率的平方成正比，因此，参阅图1所示，就信号覆盖范围而言，低频带信号大于高频带信号，显然，距离基站较远的小区边缘用户无法使用高频带的频谱资源，那么，在多频带系统中使用单频带最大权重调度算法来分配频谱资源，将使小区边缘用户无法有效的获得多频带系统带来的带宽增益。

下面以两用户两频带为例，来说明单频带最大权重调度算法在多频带系统中使用的局限性。

假设系统内的频谱资源为频带1和频带2，其中，频带1和频带2均只包含一个子信道，分别称为1号子信道和2号子信道(所有频带内的子信道顺序编号)，并且频带1的频率低于频带2的频率；另一方面，假设用户1为小区中心用户，而用户2为小区边缘用户，并且用户1和用户2在时隙t的下行数据队列长度分别为q₁(t)＝q₂(t)＝49，以及，在时隙t中，频带1内的1号子信道可以为用户1传送的下行数据总量为

r_{1}^{1} (t) = 100,

可以为用户2传送的下行数据总量为

r_{2}^{1} (t) = 50,

频带2内的2号子信道可以为用户1传送的下行数据总量为

r_{1}^{2} (t) = 50,

可以为用户2传送的下行数据总量为：

r_{2}^{2} (t) = 0,

其中，上标代表子信道的编号，下标代表用户编号；从上述系统参数可以看出，频带2的信号由于频率较高而无法覆盖到位于小区边缘的用户2。

那么，在时隙t内，采用单频带系统最大权重调度算法分配频谱资源时，首先分配频率相对较低的子信道1，由于

q_{1} (t) \times r_{1}^{1} (t) < q_{2} (t) \times r_{2}^{1} (t),

因此将子信道1分配给用户1使用，本次分配结束后，用户2的下行数据队列长度q₂(t)仍为49，而用户1的下行数据队列长度q₁(t)变为0；接着，分配频率相对较高的子信道2，此时，由于用户2处于频带2的信号覆盖范围之外

r_{2}^{2} (t) = 0,

而用户1的下行数据队列长度q₁(t)＝0，显然，

q_{1} (t) \times r_{1}^{2} (t) = q_{2} (t) \times r_{2}^{2} (t) = 0,

因此，子信道2空闲，不会分配给任何一个用户；显然，基站在时隙t内传送下行数据时，用户1的下行数据将传送完毕，而用户2的下行数据却在子信道2空闲的情况下无法传送。由此可见，在多频带系统内使用单频带最大权重调度算法分配频谱资源，会造成资源分配的不公平，影响系统均衡性，进而降低用户的使用体验。

发明内容

本发明实施例提供一种基于多频带的频谱资源分配方法、装置及系统，用以提高系统资源分配的公平性。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

一种基于多频带的频谱资源分配方法，包括：

确定系统内待分配的多个子信道，所述子信道为多频带系统中的频谱资源最小调度单元；

按照子信道的频率从高到低的顺序，采用最大权重调度算法依次为每个子信道选择其服务的终端；

将各子信道分配至相应的终端。

一种通信装置，包括：

确定单元，用于确定系统内待分配的多个子信道，所述子信道为多频带系统中的频谱资源最小调度单元；

处理单元，用于按照子信道的频率从高到低的顺序，采用最大权重调度算法依次为每个子信道选择其服务的终端；

分配单元，用于将各子信道分配至相应的终端。

一种通信系统，包括：

基站，用于确定系统内待分配的多个子信道，并按照子信道的频率从高到低的顺序，采用最大权重调度算法依次为每个子信道选择其服务的终端，以及将各子信道分配至相应的终端；其中，所述子信道为多频带系统中的频谱资源最小调度单元；

终端，用于使用基站分配的子信道接收通信数据。

本发明实施例中，确定系统内待分配的多个子信道，并按照子信道的频率从高到低的顺序，采用最大权重调度算法依次为每个子信道选择其服务的终端，以及将各子信道分配至相应的终端；其中，所述子信道为多频带系统中的频谱资源最小调度单元。这样，便在一定程度上降低了小区中心用户的竞争优势，使小区边缘用户也可获得较多的低频带频谱资源，从而在保证小区中心用户吞吐量的同时，也增加小区边缘用户的吞吐量，进而提高了系统内频谱资源竞争的公平性，也在很大程度上提升了用户的使用体验。本发明同时公开了一种通信装置和一种通信系统。

附图说明

图1为现有技术下通信系统体系架构图；

图2为本发明实施例中通信系统体系架构图；

图3为本发明实施例中基站功能结构图；

图4为本发明实施例中基站分配频谱资源流程图。

具体实施方式

在多频带系统中，为了提高频谱资源的分配公平性，本发明实施例中，确定系统内待分配的多个子信道，并按照子信道的频率从高到低的顺序，采用最大权重调度算法依次为每个子信道选择其服务的终端，以及将各子信道分配至相应的终端；其中，所述子信道为多频带系统中的频谱资源最小调度单元，包含至少一个子载波。

参阅图2所示，本发明实施例中，通信系统内包括多个基站10和多个终端11，其中：

基站10，用于确定系统内待分配的多个子信道，并按照子信道的频率从高到低的顺序，采用最大权重调度算法依次为每个子信道选择其服务的终端11，以及将各子信道分配至相应的终端11；其中，所述子信道为多频带系统中的频谱资源最小调度单元，包含至少一个子载波；

终端11，用于使用基站10分配的子信道接收通信数据。

参阅图3所示，本发明实施例中，基站10包括确定单元100、处理单元101和分配单元102，其中：

确定单元100，用于确定系统内待分配的多个子信道，所述子信道为多频带系统中的频谱资源最小调度单元，包含至少一个子载波；

处理单元101，用于按照子信道的频率从高到低的顺序，采用最大权重调度算法依次为每个子信道选择其服务的终端11；

分配单元102，用于将各子信道分配至相应的终端11。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

基于上述系统架构，本发明实施例中，以一个基站为例，假设系统内共有B个频带，按照其频率从低到高的顺序依次编号为1、2、3、......、B，每个频带b(b∈[1，B])具有K_b个子信道，那么，系统内的子信道总数为：

K = Σ_{b = 1}^{B} K_{b},

按照其频率从低到高的顺序依次编号为1、2、3、......K，假设系统中共有N个用户，每个频带b能够覆盖的用户数目为N_b，N_b∈[N₁，N_B]且N＝N₁≥N₂≥...≥N_B。

在任意时隙t，基站针对每个用户的下行数据维护一个单独的队列，分别称为q₁(t)、q₂(t)……q_N(t)；基站根据每个用户返回的信道状态信息，维护一个向量{(r₁ ¹(t)，...，r₁ ^K(t))、......、(r_i ¹(t)，...，_i ^K(t))、......、(r_N ¹(t)，...，r_N ^K(t))}，其中r_i ^k(t)表示时隙t内，基站在子信道k上可以为用户i传送的数据量，其中，k∈[1，K]。

在任意时隙t，基站从频带B至频带1(即按照频率从高到低的顺序)，依次为每个子信道k选择用户i，使得：

i = \arg \max_{j} q_{j}^{k + 1} (t) \min {q_{j}^{k + 1} (t), r_{j}^{k} (t)}

其中，q_i ^k+1(t)为子信道k+1被分配后，在分配子信道k时用户i的下行数据队列长度；采用q_j ^k+1(t)min{q_j ^k+1(t)，r_j ^k(t)}，而非q_j ^k+1(t)r_j ^k(t)，是为了防止分配给用户i的子信道k，在时隙t内可以传送的数据量，大于用户i在时隙t内的下行数据队列长度，因此，要选择q_j ^k+1(t)和r_j ^k(t)中取值较小的一个作为子信道k在时隙t内可传送的数据量；当然，在频谱资源充足的前提下，也可以使用

i = \arg \max_{j} q_{j}^{k + 1} (t) r_{j}^{k} (t)

为每个子信道选择用户i，在此不再赘述。

同理，在分配子信道k后，用户i的下行数据队列长度为q_i ^k(t)，其表达式如下：

q_{i}^{k} (t) = \{\begin{matrix} \max {0, q_{i}^{k + 1} (t) - r_{i}^{k} (t)} & k &Element; U_{i} \\ q_{i}^{k + 1} (t) & k &NotElement; U_{i} \end{matrix}

其中，Ui代表分配给用户i的子信道集合。

下面仍以两用户两频带为例，对本发明实施例提供的频谱资源分配方法进行详细介绍。

假设系统内的频谱资源为频带1和频带2，其中，频带1和频带2均只包含一个子信道，分别称为1号子信道和2号子信道，并且频带1的频率低于频带2的频率；另一方面，假设用户1为小区中心用户，而用户2为小区边缘用户，并且用户1和用户2在时隙t的下行数据队列长度分为q₁(t)＝q₂(t)＝49，以及，在时隙t中，频带1内的子信道1可以为用户传送的下行数据总量为

r_{1}^{1} (t) = 100,

可以为用户2传送的下行数据总量为

r_{2}^{1} (t) = 50,

频带2内的子信道2可以为用户1传送的下行数据总量为

r_{1}^{2} (t) = 50,

可以为用户2传送的下行数据总量为

r_{2}^{2} (t) = 0,

那么，参阅图4所示，本发明实施例中，在时隙t内，基站采用多频带最大权重调度算法进行频谱资源分配的详细流程如下：

步骤400：确定待分配的频谱资源中频率最高的子信道，本实施例中，频率最高的子信道为频带2内的子信道2。

本实施例中，由于系统内的频谱资源为频带1和频带2，并且频带1和频带2均只包含一个子信道，以及频带2内的子信道2的频率，高于频带2内的子信道1的频率，因此，基站确定子信道2为当前频率最高的子信道，并准备对其进行分配。

步骤401：分别获取用户1和用户2当前的下行数据队列长度，以及子信道2在时隙t内能够为用户1和用户2分别传送的数据量。

本实施例中，用户1和用户2当前的下行数据队列长度分为q₁(t)＝q₂(t)＝49，子信道2能够为用户1传送的下行数据总量为

r_{1}^{2} (t) = 50,

能够为用户2传送的下行数据总量为

r_{2}^{2} (t) = 0 .

步骤402：将用户1当前的下行数据队列长度，与子信道2在时隙t内能够为其传送的数据量相乘，获得计算结果1。

本实施例中，计算结果1为：

q_{1} (t) \times \min {q_{1} (t), r_{1}^{2} (t)} = 2401

步骤403：将用户2当前的下行数据队列长度，与子信道2在时隙t内能够为其传送的数据量相乘，获得计算结果2。

本实施例中，计算结果2为：

q_{2} (t) \times r_{2}^{2} (t) = 0

步骤404：对计算结果1和计算结果2进行比较，选择取值较大的一方对应的用户为子信道2的服务对象，本实施例中，计算结果1的取值大于计算结果2的取值，因此，用户1为子信道2在时隙t内的服务对象。

步骤405：将子信道2分配给确定的服务对象，即将子信道2分配给用户1。

步骤406：子信道2分配结束后，基站确定当前频率最高的子信道，本实施例中，由于系统内仅存在两条子信道，因此，当前频率最高的子信道为频带1内的子信道1。

步骤407：分别获取用户1和用户2在子信道2分配结束后的下行数据队列长度，以及子信道1在时隙t内能够为用户1和用户2分别传送的数据量。

本实施例中，子信道2分配后，用户1的下行数据队列长度q₁(t)＝0，用户2的下行数据队列长度q₂(t)＝49，而子信道1在时隙t内能够为用户1传送的下行数据总量为

r_{1}^{1} (t) = 100,

能够为用户2传送的下行数据总量为

r_{2}^{1} (t) = 50 .

步骤408：将用户1在子信道2分配后的下行数据队列长度，与子信道1在时隙t内能够为其传送的数据量相乘，获得计算结果3。

本实施例中，计算结果3为：

q_{1} (t) \times \min {q_{1} (t), r_{1}^{1} (t)} = 0

步骤409：将用户2在子信道2分配后的下行数据队列长度，与子信道1在时隙t内能够为其传送的数据量相乘，获得计算结果4。

本实施例中，计算结果4为：

q_{2} (t) \times \min {q_{2} (t), r_{2}^{1} (t)} = 2401

步骤410：对计算结果3和计算结果4进行比较，选择取值较大的一方对应的用户为子信道1的服务对象，本实施例中，计算结果3的取值小于计算结果4的取值，因此，用户2为子信道1在时隙t内的服务对象。

步骤411：将子信道1分配给确定的服务对象，即将子信道1分配给用户2。

通过上述实施例，用户1和用户2的下行数据都能够在时隙t内被传输完毕，显然，上述方案在一定程度上提升了频谱资源竞争的公平性，也令系统内的频谱资源得到了最充分的利用。

综上所述，本发明实施例中，基站多频带系统内的采用最大权重调度算法分配频谱资源时，从频率最高的子信道开始，按照频率从高到低的顺序，依次将每个子信道分配给相应的用户，这样，将使小区中心用户率先在高频带获得频谱资源，那么在小区中心用户与小区边缘用户共同竞争低频带的频谱资源时，便在一定程度上降低了小区中心用户的竞争优势，使小区边缘用户也可获得较多的低频带频谱资源，从而在保证小区中心用户吞吐量的同时，也增加小区边缘用户的吞吐量，进而提高了系统内频谱资源竞争的公平性，也在很大程度上提升了用户的使用体验

显然，本领域的技术人员可以对本发明中的实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明实施例中的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明中的实施例也意图包含这些改动和变型在内。