CN102026307A - 下一代移动通信异构网络中的频谱切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了移动通信技术领域中的一种移动通信异构网络中的频谱切换方法。包括获取蜂窝系统终端设备对D2D系统的平均干扰水平信息表并设定可接受平均干扰水平；按照平均干扰水平由小到大的顺序，将与平均干扰水平对应的终端设备进行排序；当D2D系统发生频谱切换时，在平均干扰水平信息表中查找当前的平均干扰水平对应的终端设备；如果使用查找到的终端设备的频率导致覆盖范围缩小，并且当前的平均干扰水平小于可接受平均干扰水平，则下移一条记录，继续上述步骤；否则，使用查找到的终端设备的频率进行D2D通信。本发明既保证了D2D系统的覆盖范围，又保证了D2D系统不受到来自于蜂窝系统的干扰。

Description

下一代移动通信异构网络中的频谱切换方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种移动通信异构网络中的频谱切换方法。

背景技术

面向高级国际移动通信(IMT-Advanced)的网络是一个异构的网络，其中既有集中式控制的系统(即蜂窝系统，例如WiMAX，LTE，TD-SCDMA等)，又包含终端设备间可以直接通信的ad-hoc或者MESH系统。集中式控制的系统中，所有的终端设备(User Equipment，简称UE)之间的通信必须要通过基站(BS，或者NB，eNB)的控制。而在Ad-hoc网络中，终端设备之间可以直接进行通信，或者通过另一个终端设备进行中继。图1是面向IMT-Advanced的异构网络示意图，图1中，在蜂窝网络中，即使两个终端设备相邻很近，也必须要通过基站之类的中心控制器来进行通信的控制，包括发射功率的控制以及使用的资源的分配。这样的集中式控制的系统的优点是便于资源管理以及干扰控制，但是缺点在于资源的使用效率不是很高。例如，即使两个终端设备相距很近，也要使用双倍的资源来进行通信。因此，为了提高频谱使用效率，获得更高的系统吞吐量，LTE-Advanced中已经提出了一种终端设备间直接通信的模式(Device-to-Device Communication，D2D)，这样的通信网络将不再是单一模式的网络，而是集中式网络和分布式网络并存的混合式网络。图1就是这样的一种网络，在图1中，一个终端设备可以直接给另一个终端设备发送数据，也可以在基站的控制下与另一个终端设备通信，甚至可以同时与基站和其他终端设备进行通信。甚至蜂窝系统中的两个D2D系统可以复用相同的频率资源。与单一模式的网络相比，这种混合网络无疑将能够更大地提升通信网络系统的性能。

本发明中考虑的蜂窝系统包括两类，一类是属于WiMAX系统的蜂窝系统，另一类是属于LTE的蜂窝系统。D2D系统则属于ad-hoc系统，是完全分布式的，终端设备间在满足一定条件下可以直接进行通信。D2D系统与蜂窝系统的上行传输复用相同的频率资源，这是因为上行传输的利用率比起下行传输来低很多，有利于更好地实现资源的复用和干扰的检测。由于D2D系统与蜂窝系统复用上行资源，因此，在D2D系统与蜂窝系统之间，很容易产生干扰。图2是蜂窝系统上行通信对D2D系统的干扰示意图。图2中，终端设备3与终端设备4形成了一个D2D系统，蜂窝小区的终端设备1由于距离D2D系统较近，因此当D2D系统与终端设备1复用相同的频率资源进行通信时，将对D2D系统产生不可避免的严重干扰。由于蜂窝系统具有较高优先级，因此D2D系统需要及时检测出干扰的频率以及获得可用频率的信息，并且实现平稳的频谱切换。根据路径损耗公式，当终端设备从低频段切换到高频段时，路径损耗会更大，因此有可能使得D2D系统的覆盖范围缩小，使得一些处于D2D系统小区边缘的D2D用户的通信被中断。公式1给出了Okumura-Hata路径损耗的表达式：

L_dB＝α+βlog₁₀d-γ

α＝69.55+26.16log₁₀f_c-13.82log₁₀h_b

β＝44.9-6.55log₁₀h_b    (1)

γ＝3.2(log₁₀(11.7554h_r))²-4.97

从公式(1)中可以看出，随着频率的增加，路径损耗值将有明显的增加。图3是频谱切换对系统覆盖范围的影响示意图，图3显示了当频率从低频段切换到高频段时，对D2D系统的覆盖范围产生的影响。从图3中可以看出，当频率从低频段切换到高频段时，D2D系统的覆盖范围明显减小，使得处于小区边缘的终端设备4在新的工作频率下无法再接入D2D系统中。由此可以看出，准确地检测干扰频率和可以使用的频率，并在保证不影响终端设备正常工作的情况下，根据可使用的频率进行频谱切换，是面向IMT-Advanced的异构网络亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种移动通信异构网络中的频谱切换方法，检测蜂窝系统的干扰频率和可使用频率，并根据检测结果进行频谱切换，从而保证D2D系统的边缘设备在工作频率切换过程中仍然能够保持通信而不掉线。

技术方案是，一种移动通信异构网络中的频谱切换方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：获取蜂窝系统终端设备对D2D系统的平均干扰水平信息表，设定可接受平均干扰水平；

步骤2：在平均干扰水平信息表中，按照平均干扰水平由小到大的顺序，将与平均干扰水平对应的蜂窝系统终端设备进行排序，而后移动到平均干扰水平信息表的最顶部的记录；

步骤3：当D2D系统发生频谱切换时，在平均干扰水平信息表中，查找当前的平均干扰水平所对应的终端设备；

步骤4：D2D系统判断使用查找到的终端设备的频率是否会导致覆盖范围缩小，如果是，则执行步骤5；否则，执行步骤7；

步骤5：判断当前的平均干扰水平是否大于可接受平均干扰水平，如果是，则执行步骤8；否则，执行步骤6；

步骤6：在平均干扰水平信息表中，下移一条记录，返回步骤3；

步骤7：D2D系统的簇头通知每个终端设备使用查找到的终端设备的频率进行D2D通信；

步骤8：D2D系统的簇头通知基站和该D2D系统边缘的终端设备切换至蜂窝系统，并将待发送的数据发送至基站；或者，将D2D系统边缘的终端设备切换至另一个D2D系统中，并将待发送的数据发送至另一个D2D系统中。

所述获取WiMAX蜂窝系统终端设备对D2D系统的平均干扰水平信息表具体包括：

步骤11：基站通过下行广播信道向D2D系统中的所有终端设备发送上行资源分配信息；

步骤12：D2D系统每一个终端设备接收到上行资源分配信息，在所述上行资源分配信息上进行检测从而得到各自的平均干扰水平，并将其存储到平均干扰水平信息表中。

所述获取LTE蜂窝系统终端设备对D2D系统的平均干扰水平信息表具体包括：

步骤21：基站通过下行广播信道向D2D系统中的所有终端设备发送终端设备所对应的小区无线网络临时标识；

步骤22：基站通过下行物理控制信道向D2D系统中的所有终端设备发送加密的上行资源分配信息；

步骤23：每一个D2D系统中的终端设备使用各自的小区无线网络临时标识，解密所述加密的上行资源分配信息，得到上行资源分配信息；

步骤24：D2D系统的簇头根据上行资源分配信息，计算每一个终端设备的平均干扰水平，并将计算结果存储到平均干扰水平信息表中。

本发明能够获得终端设备复用资源所使用的工作频率，在保证D2D系统的边缘用户在该工作频率下不掉线的同时，确保受到来自于蜂窝小区干扰最小，同时不干扰蜂窝用户的正常通信。

附图说明

图1是面向IMT-Advanced的异构网络示意图；

图2是蜂窝系统上行通信对D2D系统的干扰示意图；

图3是频谱切换对系统覆盖范围的影响示意图；

图4是移动通信异构网络中的频谱切换方法流程图；

图5是蜂窝系统终端设备的平均干扰水平信息表生成示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

在3G和B3G系统中，基站给终端设备分配上行资源的时候是动态分配的，这意味着精确预测终端设备将要使用的上行频率几乎是不可能的。因此，常用的盲检测方法并不适用于IMT-Advanced的异构网络。在本发明中，我们将针对蜂窝系统为WiMAX的系统与LTE的系统，分别阐述D2D系统的终端设备如何进行干扰的检测。

图4是移动通信异构网络中的频谱切换方法流程图，图4中，本发明提供的移动通信异构网络中的频谱切换方法包括：

步骤1：获取蜂窝系统终端设备对D2D系统的平均干扰水平信息表，设定可接受平均干扰水平。

在WiMAX系统里，上行的资源分配信息是可以被所有终端设备译出来的，因此可以利用这个特点实现D2D系统中的干扰检测。具体实现步骤为：

步骤11：基站通过下行广播信道向D2D系统中的所有终端设备发送上行资源分配信息。

在WiMAX系统里，这个上行资源分配信息在802.16的UL-MAP中，没有被其他算法加密，因此对于D2D系统的终端设备而言，只要知道了WiMAX系统的下行广播信道，就可以接收这个资源分配信息。

步骤12：D2D系统每一个终端设备接收到上行资源分配信息，在上行资源分配信息上进行检测从而得到各自的平均干扰水平，并将其存储到平均干扰水平信息表中。

终端设备译出上行资源分配的消息表后，具有认知功能的D2D系统的终端设备就能知道资源分配的消息。然后D2D系统的终端设备就去到上行资源分配信息中进行检测，检测一段时间就能得到一个平均的干扰水平的信息，并且将这个信息记录在平均干扰水平信息表中。

在LTE系统中，平均干扰水平信息表的获取过程与在WiMAX系统的过程相似，所不同的是，在LTE系统中，终端设备的上行资源分配信息在基站发送的下行物理控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)上的信令中，而这个信令是由每个终端设备的C-RNTI(Cell Radio Network TemporaryIdentifier)所加密的。因此，为了能够译出PDCCH上关于上行资源分配的信令，基站(eNB)需要把蜂窝小区用户的C-RNTI的列表先广播给所有D2D系统的簇头。在LTE系统中，平均干扰水平信息表获取过程是：

步骤21：基站通过下行广播信道向D2D系统中的所有终端设备发送终端设备所对应的小区无线网络临时标识。

步骤22：基站通过下行物理控制信道向D2D系统中的所有终端设备发送加密的上行资源分配信息。

步骤23：每一个终端设备使用各自的小区无线网络临时标识，解密所述加密的上行资源分配信息，得到上行资源分配信息。

步骤24：D2D系统的簇头根据上行资源分配信息，计算每一个终端设备的平均干扰水平信息，并将计算结果存储到平均干扰水平信息表中。

步骤2：在平均干扰水平信息表中，按照平均干扰水平由小到大的顺序，将与平均干扰水平对应的终端设备进行排序，而后移动到平均干扰水平信息表的最顶部的记录。

图5是蜂窝系统终端设备的平均干扰水平信息表生成示意图。图5中，蜂窝系统终端设备1对D2D系统产生的干扰最小，其影响程度被标为1。产生这种情况的原因是由于终端设备1距离D2D系统较远，或者采用了有效的功率控制，使得终端设备1的发射功率较小。

平均干扰水平信息表直接表明蜂窝系统中的终端设备对D2D系统的影响，不是某个频率上干扰大小的反应。这个结果是经过一段时间测量后得到的平均值，而不是根据一次结果得到的值。由于是平均值，所以能较真实地反映出蜂窝系统中的终端设备对D2D系统的影响水平。每一个D2D系统形成一个簇(cluster)，其中的簇头(cluster head)承担干扰检测和制表的任务。

步骤3：当D2D系统发生频谱切换时，在平均干扰水平信息表中，查找当前的平均干扰水平所对应的终端设备。

步骤4：D2D系统判断使用查找到的终端设备的频率是否会导致覆盖范围缩小，如果是，则执行步骤5；否则，执行步骤7。

这里需要重申D2D系统的握手过程。在一个宏蜂窝小区中，可能包含多个D2D系统。为了避免多个D2D系统之间发生的资源的争用，不同D2D系统的簇头将通过CSMA/CA的接入机制进行握手，双方互相发送RTS/CTS/ACK/NACK等信令，类似于ad-hoc网络中的握手过程。这种接入机制保证了在同一时刻，在同一个干扰范围内，仅有一个D2D系统使用一个专门的频率资源，而不会发生多个D2D系统在可以干扰的范围内使用相同的频率资源进行传输从而产生干扰的情况。另外，在握手过程中发送的信令中将包含有发送的数据信号的功率强度的信息。基于这样的信息，进行检测的D2D系统簇头将能够得到准确的干扰检测结果：

蜂窝系统的干扰＝在检测频率上接收到的总的干扰-其他D2D系统在同一检测频率上发送的信号强度-干扰D2D系统的簇头距离检测D2D系统簇头之间的路径损耗。

步骤5：判断当前的平均干扰水平是否大于可接受平均干扰水平，如果是，则执行步骤8；否则，执行步骤6。

由于当达到一定的平均干扰水平，蜂窝终端设备对D2D终端设备的干扰就可能已经很大，以至于不能复用相同频率了，因此在本发明的步骤1中，要设定一个平均干扰水平，即可接受平均干扰水平，当平均干扰水平信息表中的某一平均干扰水平大于可接受平均干扰水平时，则说明在该平均干扰水平下，不能复用相同频率了。

步骤6：在平均干扰水平信息表中，下移一条记录，返回步骤3。

步骤7：D2D系统的簇头通知每个终端设备使用查找到的终端设备的频率进行D2D通信。

步骤8：D2D系统的簇头通知基站和该D2D系统边缘的终端设备切换至蜂窝系统，并将待发送的数据发送至基站；或者，将D2D系统边缘的终端设备切换至另一个D2D系统中，并将待发送的数据发送至另一个D2D系统中。

当D2D系统是由几个或者十几个甚至几十个成员组成的簇时，距离簇头较远的用户在使用较高频率进行数据传输时，可能会由于路径损耗的加大(参考公式1)而导致在新的工作频率下无法接入簇头进行通信。这样，对于一个实际的D2D系统而言，工作频率的选择不但与受到的干扰有关系，也与新的工作频率的选择有关系。本发明通过上述干扰检测，能获得可以与哪个终端设备复用相同的资源，从而使得D2D系统的边缘用户在新的工作频率下不掉线，在保证受到来自于蜂窝小区干扰较小的同时，也能够维护自己的QoS。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种移动通信异构网络中的频谱切换方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：获取蜂窝系统终端设备对D2D系统的平均干扰水平信息表，设定可接受平均干扰水平；

步骤2：在平均干扰水平信息表中，按照平均干扰水平由小到大的顺序，将与平均干扰水平对应的蜂窝系统终端设备进行排序，而后移动到平均干扰水平信息表的最顶部的记录；

步骤3：当D2D系统发生频谱切换时，在平均干扰水平信息表中，查找当前的平均干扰水平所对应的终端设备；

步骤4：D2D系统判断使用查找到的终端设备的频率是否会导致覆盖范围缩小，如果是，则执行步骤5；否则，执行步骤7；

步骤5：判断当前的平均干扰水平是否大于可接受平均干扰水平，如果是，则执行步骤8；否则，执行步骤6；

步骤6：在平均干扰水平信息表中，下移一条记录，返回步骤3；

步骤7：D2D系统的簇头通知每个终端设备使用查找到的终端设备的频率进行D2D通信；

步骤8：D2D系统的簇头通知基站和该D2D系统边缘的终端设备切换至蜂窝系统，并将待发送的数据发送至基站；或者，将D2D系统边缘的终端设备切换至另一个D2D系统中，并将待发送的数据发送至另一个D2D系统中。

2.根据权利要求1所述的一种移动通信异构网络中的频谱切换方法，其特征是所述获取蜂窝系统终端设备对D2D系统的平均干扰水平信息表具体包括：

步骤11：基站通过下行广播信道向D2D系统中的所有终端设备发送上行资源分配信息；

步骤12：D2D系统每一个终端设备接收到上行资源分配信息，在所述上行资源分配信息上进行检测从而得到各自的平均干扰水平，并将其存储到平均干扰水平信息表中。

3.根据权利要求1所述的一种移动通信异构网络中的频谱切换方法，其特征是所述获取蜂窝系统终端设备对D2D系统的平均干扰水平信息表具体包括：

步骤21：基站通过下行广播信道向D2D系统中的所有终端设备发送终端设备所对应的小区无线网络临时标识；

步骤22：基站通过下行物理控制信道向D2D系统中的所有终端设备发送加密的上行资源分配信息；

步骤23：每一个D2D系统中的终端设备使用各自的小区无线网络临时标识，解密所述加密的上行资源分配信息，得到上行资源分配信息；

步骤24：D2D系统的簇头根据上行资源分配信息，计算每一个终端设备的平均干扰水平，并将计算结果存储到平均干扰水平信息表中。

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