CN102026388A - LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，主要解决小区中心用户和小区边缘用户的公平性问题以及小区协作集重叠情况下的资源分配问题。其实现步骤是：(1)计算小区内所有用户的信干噪比，根据信干噪比门限划分为小区中心用户和小区边缘用户；(2)根据用户指定方法确定每个小区边缘用户的小区协作集合；(3)根据比例公平算法计算每个RB上所有小区中心用户和小区边缘用户分别在单小区传输模式下和CoMP传输模式下的优先权值；(4)根据小区中心用户的优先权值，构造小区中心用户的最高优先权值表；(5)对系统中所有资源块进行分配。本发明能够改善系统中小区中心用户和小区边缘用户的公平性；同时可以适用于小区协作集重叠的情况，提高了系统的吞吐量。

Description

LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及无线资源的分配，可用于先进的长期演进(Long Term Evolution-Advanced简称LTE-A)系统中在协作多点传输(Coordinated Multi Point transmission/reception简称CoMP)技术下无线资源的分配。

背景技术

随着通信业务的发展以及人们需求的增长，未来的无线通信系统需要支持高速率和大容量，而现有的通信系统存在着若干的问题使高速率和大容量的性能目标难以实现，其中小区间的干扰是较为严重的一个问题，由于位于小区边缘的用户容易受到相邻小区的干扰，导致小区边缘用户的吞吐量低于小区中心用户的吞吐量，这个问题已成为制约系统整体性能的瓶颈。

针对这一问题，近几年来出现了协作多点传输CoMP技术，其基本思想是让不同小区的基站下行协作传输数据。CoMP技术能够通过在多个小区间共享信道和数据信息有效抑制小区间干扰，提高边缘频谱效率和系统吞吐量。无线资源分配是CoMP技术的关键问题之一，小区与相邻小区合理的资源管理协作流程将有效的提高边缘用户的性能。但是在CoMP系统中，由于网络架构的变化和小区之间的相互协作关系，原来LTE系统中仅依靠本小区基站的资源调度器来进行该小区的资源分配已经不再适用。需要对现有资源分配和管理算法等进行改进或重新考虑。

目前，CoMP中较为常用的资源分配算法是灵活的频率分配方案(Flexible Frequency Allocation Plan简称FFAP)和联合比例公平调度方案(Joint Proportional Fairness Scheduling简称JPF)。

在灵活的频率分配方案中，系统的整个频带被分为两个部分-CoMP频区和非CoMP频区。CoMP频区用于小区边缘用户协作地进行CoMP传输；非CoMP频区用于小区中心用户进行单小区非协作式传输。CoMP频区占整个系统频带的比例正比于每个小区中小区边缘用户在所有用户中的比例。FFAP频率分配方案虽然可以满足CoMP传输的需求，但是它使用固定的频段进行CoMP传输或单小区传输，因此会导致系统性能的损失。

在联合比例公平调度方案中，不再进行频段的划分，而是衡量每个资源块(Resource Block简称RB)在CoMP传输模式下和单小区传输模式下的优劣，然后选择该RB的传输模式。JPF频率分配方案使小区中心用户和小区边缘用户有平等的机会去使用无线资源，克服了FFAP方案的缺点，但是该方法仅适用于协作集不重叠的小区协作集选择方法，因而所得到的吞吐量增益有限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种CoMP下的无线资源分配方法，使其能够根据每个RB在CoMP传输模式下和单小区传输模式下性能，自适应地选择该RB的传输模式；同时可以适用于协作集重叠的小区协作集选择方法，提高了系统的吞吐量。

为实现上述目的，本发明的方法包括如下步骤：

(1)根据用户接收到的信号，计算出小区内所有用户的信干噪比，根据信干噪比门限将小区内所有用户划分为小区中心用户和小区边缘用户；

(2)根据用户指定方法确定每个小区边缘用户的小区协作集合；

(3)根据比例公平算法计算每个RB上所有小区中心用户和小区边缘用户分别在单小区传输模式下和CoMP传输模式下的优先权值；

(4)根据小区中心用户的优先权值，构造小区中心用户的最高优先权值表，该表中的第i行第j列元素为小区j中RBi所对应的具有最高权值的小区中心用户；

(5)对系统中所有RB进行资源分配：

(5a)初始化i＝1，其中，i为RB计数标识；

(5b)初始化集合Ω，Ω为整个系统中所有小区的集合；

(5c)令用户集合

其中：

为用户UE_k的小区协作集合，Y_CoMP为整个系统中所有小区边缘用户的集合；

(5d)根据小区边缘用户的优先权值，挑选出具有最高优先权值的小区边缘用户UE_m为：

${\mathrm{UE}}_m=\underset{{\mathrm{UE}}_k\∈U}{\arg \max }\left(P_{k,i}\right)$

其中：P_k，i为用户UE_k在RB_i上的优先权值，arg max表示寻找具有最大评分的参数；

(5e)根据(2)确定用户UE_m的小区协作集合并记为{Cella，Cellb，Cellc}；

(5f)在(4)中所得到的最高优先权值表中分别找出RB_i和Cella，Cellb，Cellc相对应的元素，分别记为UE_a，UE_b和UE_c；

(5g)根据以下关系确定RB_i的传输模式：

当3×P_m，i≥P_a，i+P_b，i+P_c，i时，用户UE_m使用资源RB_i进行CoMP传输；

当3×P_m，i＜P_a，i+P_b，i+P_c，i时，用户UE_a，UE_b和UE_c使用资源RB_i进行单小区传输；

其中：P_m，i，P_a，i，P_b，i和P_c，i分别为用户UE_m，UE_a，UE_b和UE_c在RB_i上的优先权值；

(5h)更新集合Ω，Ω＝Ω-{Cell_a，Cell_b，Cell_c}，其中，＝表示将右边的集合赋给左边的集合；

(5i)如果Ω≠Φ，返回(5c)；否则执行步骤(5j)；

(5j)如果i＝N_RB，其中N_RB为RB总数，算法结束，资源分配完成；

否则更新i，i＝i+1，转向步骤(5b)。

所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其中步骤(1)所述的计算出小区内所有用户的信干噪比，是通过信干噪比SINR_l的算法计算，即利用如下公式计算：

${\mathrm{SINR}}_l=\frac{{\left|\right|H_l{w}_l\left|\right|}^2{P}_l}{\underset{k\≠l}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|H_k{w}_k\left|\right|}^2{P}_k+N},$

其中：H_l为服务小区到用户l的信道增益矩阵，w_l为服务小区的预编码矩阵，P_l为服务小区的发送功率，H_k为小区k到用户l的信道增益矩阵，w_k为小区k的预编码矩阵，P_k为小区k的发送功率，N为噪声功率，‖‖表示对其中的函数取范数。

所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其中步骤(1)所述的根据信干噪比门限将小区内所有用户划分为小区中心用户和小区边缘用户，是通过信干噪比门限算法划分用户类别，即：

当SINR_l≥SINR_threshold时，用户l为小区中心用户；

当SINR_l＜SINR_threshold时，用户l为小区边缘用户，

其中：SINR_threshold为划分小区中心用户和小区边缘用户的信干噪比门限，其值由系统设定。

所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其中步骤(2)所述的根据用户指定方法确定每个小区边缘用户的小区协作集合，包括如下步骤：

(2a)测量系统中所有小区的基站在小区边缘用户处的参考信号接收功率(Reference Signal Received Power简称RSRP)；

(2b)将所测得所有RSRP值按照从大到小的顺序进行排序；

(2c)最大的3个RSRP值对应的小区所组成的集合构成小区边缘用户的小区协作集合。

所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其中步骤(3)所述的根据比例公平算法计算每个RB上所有小区中心用户和小区边缘用户分别在单小区传输模式下和CoMP传输模式下的优先权值，是利用如下公式计算：

$P_{k,i}\left(t\right)=\frac{R_{k,i}\left(t\right)}{R_{k,i}\left(t\right)},$

其中：P_k，i(t)为用户UE_k在RB_i上的优先权值，R_k，i(t)为RB_i上用户UE_k在调度时刻t所能达到的最高传输速率，为RB_i上用户UE_k在调度时刻t之前的平均传输速率，

的更新公式为：

$\stackrel{\‾}{R_{k,i}\left(t\right)}=(1-\frac{1}{t_c})\·\stackrel{\‾}{R_{k,i}(t-1)}+\frac{1}{t_c}{R}_{k,i}(t-1)$

其中：t_c为更新时间窗，为RB_i上用户UE_k在调度时刻t-1之前的平均传输速率，R_k，i(t-1)为RB_i上用户UE_k在调度时刻t-1所能达到的最高传输速率。

本发明设计由于不进行频带划分，而是自适应的选择每个RB的传输模式，因而能够改善系统中小区中心用户和小区边缘用户的公平性；同时克服了JPF方法的局限性，使其可适用于小区协作集重叠的情况，因而提高了系统的吞吐量。

附图说明

图1是本发明流程示意图；

图2是本发明资源分配方法与FFAP方法和JPF方法在不同负载情况下用户平均吞吐量的仿真比较图；

图3是本发明资源分配方法与FFAP方法和JPF方法在固定负载情况下用户吞吐量的CDF(累积分布概率)曲线仿真比较图。

具体实施方式

参见图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，根据用户接收到的信号，计算出小区内所有用户的信干噪比SINR_l：

${\mathrm{SINR}}_l=\frac{{\left|\right|H_l{w}_l\left|\right|}^2{P}_l}{\underset{k\≠l}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|H_k{w}_k\left|\right|}^2{P}_k+N},$

其中：H_l为服务小区到用户l的信道增益矩阵，w_l为服务小区的预编码矩阵，P_l为服务小区的发送功率，H_k为小区k到用户l的信道增益矩阵，w_k为小区k的预编码矩阵，P_k为小区k的发送功率，N为噪声功率，‖‖表示对其中的函数取范数。

步骤2，根据信干噪比门限将小区内所有用户划分为小区中心用户和小区边缘用户：

当SINR_l≥SINR_threshold时，用户l为小区中心用户；

当SINR_l＜SINR_threshold时，用户l为小区边缘用户，

其中：SINR_threshold为划分小区中心用户和小区边缘用户的信干噪比门限，其值由系统设定。

步骤3，根据用户指定方法确定每个小区边缘用户的小区协作集合：

(3a)测量系统中所有小区的基站在小区边缘用户处的参考信号接收功率(Reference Signal Received Power简称RSRP)；

(3b)将所测得所有RSRP值按照从大到小的顺序进行排序；

(3c)最大的3个RSRP值对应的小区所组成的集合构成小区边缘用户的小区协作集合。

步骤4，根据比例公平算法计算每个RB上所有小区中心用户和小区边缘用户分别在单小区传输模式下和CoMP传输模式下的优先权值P_k，i(t)：

$P_{k,i}\left(t\right)=\frac{R_{k,i}\left(t\right)}{R_{k,i}\left(t\right)},$

其中：P_k，i(t)为用户UE_k在RB_i上的优先权值，R_k，i(t)为RB_i上用户UE_k在调度时刻t所能达到的最高传输速率，

为RB_i上用户UE_k在调度时刻t之前的平均传输速率，

的更新公式为：

$\stackrel{\‾}{R_{k,i}\left(t\right)}=(1-\frac{1}{t_c})\·\stackrel{\‾}{R_{k,i}(t-1)}+\frac{1}{t_c}{R}_{k,i}(t-1)$

其中：t_c为更新时间窗，

为RB_i上用户UE_k在调度时刻t-1之前的平均传输速率，R_k，i(t-1)为RB_i上用户UE_k在调度时刻t-1所能达到的最高传输速率。

步骤5，根据小区中心用户的优先权值，构造小区中心用户的最高优先权值表，该表中的第i行第j列元素T_i，j为小区j中RB_i所对应的具有最高权值的小区中心用户：

$T_{i,j}=\underset{{\mathrm{UE}}_t\∈C_j}{\arg \max }\left(P_{t,i}\right),$

其中：C_j为小区j中所有小区中心用户的集合，P_t，i为用户UE_t在RB_i上的优先权值，arg max表示寻找具有最大评分的参数。

步骤6，对系统中所有RB进行资源分配：

(6a)初始化i＝1，其中，i为RB计数标识；

(6b)初始化集合Ω，Ω为整个系统中所有小区的集合；

(6c)令用户集合

其中：

为用户UE_k的小区协作集合，Y_CoMP为整个系统中所有小区边缘用户的集合；

(6d)根据小区边缘用户的优先权值，挑选出具有最高优先权值的小区边缘用户UE_m为：

${\mathrm{UE}}_m=\underset{{\mathrm{UE}}_k\∈U}{\arg \max }\left(P_{k,i}\right)$

其中：P_k，i为用户UE_k在RB_i上的优先权值，arg max表示寻找具有最大评分的参数；

(6e)根据步骤3确定用户UE_m的小区协作集合并记为{Cella，Cellb，Cellc}；

(6f)在步骤5中所得到的最高优先权值表中分别找出RB_i和Cella，Cellb，Cellc相对应的元素，分别记为UE_a，UE_b和UE_c；

(6g)根据以下关系确定RB_i的传输模式：

当3×P_m，i≥P_a，i+P_b，i+P_c，i时，用户UE_m使用资源RB_i进行CoMP传输；

当3×P_m，i＜P_a，i+P_b，i+P_c，i时，用户UE_a，UE_b和UE_c使用资源RB_i进行单小区传输；

其中：P_m，i，P_a，i，P_b，i和P_c，i分别为用户UE_m，UE_a，UE_b和UE_c在RB_i上的优先权值；

(6h)更新集合Ω，Ω＝Ω-{Cell_a，Cell_b，Cell_c}，其中，＝表示将右边的集合赋给左边的集合；

(6i)如果Ω≠Φ，返回(6c)；否则执行步骤(6j)；

(6j)如果i＝N_RB，其中N_RB为RB总数，算法结束，资源分配完成；

否则更新i，i＝i+1，转向步骤(6b)。

本发明的效果可以通过仿真图2和仿真图3进一步说明：

仿真环境，见表1

表1：仿真环境

仿真结果：

基于表1设置的仿真参数进行仿真的结果如图2和图3所示。图2中给出了在LTE-A系统中，本发明所提出的资源分配方法与FFAP方法和JPF方法在不同负载情况下用户平均吞吐量的仿真比较图。由图2可知，在不同负载情况下，本发明提出的资源分配方法与FFAP方法和JPF方法相比，提高了用户平均吞吐量，提升了整个系统的性能。图3中给出了在LTE-A系统中，本发明所提出的资源分配方法与FFAP方法和JPF方法在固定负载情况下用户吞吐量的CDF(累积分布概率)曲线仿真比较图。由图3可知，本发明提出的资源分配方法与FFAP方法和JPF方法相比，防止了信道质量好的用户过多的占用系统资源，提升了小区边缘用户的性能，改善了系统中小区中心用户和小区边缘用户的公平性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据用户接收到的信号，计算出小区内所有用户的信干噪比，根据信干噪比门限将小区内所有用户划分为小区中心用户和小区边缘用户；

(2)根据用户指定方法确定每个小区边缘用户的小区协作集合；

(3)根据比例公平算法计算每个RB上所有小区中心用户和小区边缘用户分别在单小区传输模式下和CoMP传输模式下的优先权值；

(4)根据小区中心用户的优先权值，构造小区中心用户的最高优先权值表，该表中的第i行第j列元素为小区j中RB_i所对应的具有最高权值的小区中心用户；

(5)对系统中所有RB进行资源分配。

2.根据权利要求1所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其特征在于，所述步骤(5)具体执行以下操作：

(5a)初始化i＝1，其中，i为RB计数标识；

(5b)初始化集合Ω，Ω为整个系统中所有小区的集合；

(5c)令用户集合

其中：

为用户UE_k的小区协作集合，Y_CoMP为整个系统中所有小区边缘用户的集合；

(5d)根据小区边缘用户的优先权值，挑选出具有最高优先权值的小区边缘用户UE_m为：

${\mathrm{UE}}_m=\underset{{\mathrm{UE}}_k\∈U}{\arg \max }\left(P_{k,i}\right)$

其中：P_k，i为用户UE_k在RB_i上的优先权值，arg max表示寻找具有最大评分的参数；

(5e)根据(2)确定用户UEm的小区协作集合并记为{Cella，Cellb，Cellc}；

(5f)在(4)中所得到的最高优先权值表中分别找出RB_i和Cella，Cellb，Cellc相对应的元素，分别记为UE_a，UE_b和UE_c；

(5g)根据以下关系确定RB_i的传输模式：

当3×P_m，i≥P_a，i+P_b，i+P_c，i时，用户UE_m使用资源RB_i进行CoMP传输；

当3×P_m，i＜P_a，i+P_b，i+P_c，i时，用户UE_a，UE_b和UE_c使用资源RB_i进行单小区传输；

其中：P_m，i，P_a，i，P_b，i和P_c，i分别为用户UE_m，UE_a，UE_b和UE_c在RB_i上的优先权值；

(5h)更新集合Ω，Ω＝Ω-{Cell_a，Cell_b，Cell_c}，其中，＝表示将右边的集合赋给左边的集合；

(5i)如果Ω≠Φ，返回(5c)；否则执行步骤(5j)；

(5j)如果i＝N_RB，其中N_RB为RB总数，算法结束，资源分配完成；

否则更新i，i＝i+1，转向步骤(5b)。

3.根据权利要求1所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其特征在于，其中步骤(1)所述的计算出小区内所有用户的信干噪比，是通过信干噪比SINR_l的算法计算，即利用如下公式计算：

${\mathrm{SINR}}_l=\frac{{\left|\right|H_l{w}_l\left|\right|}^2{P}_l}{\underset{k\≠l}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|H_k{w}_k\left|\right|}^2{P}_k+N},$

其中：H_l为服务小区到用户l的信道增益矩阵，w_l为服务小区的预编码矩阵，P_l为服务小区的发送功率，H_k为小区k到用户l的信道增益矩阵，w_k为小区k的预编码矩阵，P_k为小区k的发送功率，N为噪声功率，‖‖表示对其中的函数取范数。

4.根据权利要求1所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其特征在于，其中步骤(1)所述的根据信干噪比门限将小区内所有用户划分为小区中心用户和小区边缘用户，是通过信干噪比门限算法划分用户类别，即：

当SINR_l≥SINR_threshold时，用户l为小区中心用户；

当SINR_l＜SINR_threshold时，用户l为小区边缘用户，

其中：SINR_threshold为划分小区中心用户和小区边缘用户的信干噪比门限，其值由系统设定。

5.根据权利要求1所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其特征在于，其中步骤(2)所述的根据用户指定方法确定每个小区边缘用户的小区协作集合，包括如下步骤：

(2a)测量系统中所有小区的基站在小区边缘用户处的参考信号接收功率；

(2b)将所测得所有RSRP值按照从大到小的顺序进行排序；

(2c)最大的3个RSRP值对应的小区所组成的集合构成小区边缘用户的小区协作集合。

6.根据权利要求1所述的LTE-A系统中CoMP下的无线资源分配方法，其特征在于，其中步骤(3)所述的根据比例公平算法计算每个RB上所有小区中心用户和小区边缘用户分别在单小区传输模式下和CoMP传输模式下的优先权值，是利用如下公式计算：

$P_{k,i}\left(t\right)=\frac{R_{k,i}\left(t\right)}{\stackrel{\‾}{R_{k,i}\left(t\right)}},$

其中：P_k，i(t)为用户UE_k在RB_i上的优先权值，R_k，i(t)为RB_i上用户UE_k在调度时刻t所能达到的最高传输速率，

为RB_i上用户UE_k在调度时刻t之前的平均传输速率，

的更新公式为：

$\stackrel{\‾}{R_{k,i}\left(t\right)}=(1-\frac{1}{t_c})\·\stackrel{\‾}{R_{k,i}(t-1)}+\frac{1}{t_c}{R}_{k,i}(t-1)$

其中：t_c为更新时间窗，为RB_i上用户UE_k在调度时刻t-1之前的平均传输速率，R_k，i(t-1)为RB_i上用户UE_k在调度时刻t-1所能达到的最高传输速率。

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