CN102056305A

CN102056305A - 一种用于无线中继网络的用户分组和资源分配方法

Info

Publication number: CN102056305A
Application number: CN2011100018374A
Authority: CN
Inventors: 彭木根; 谢信乾; 赵中原; 段洪涛; 王文博
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Guangzhou Yucheng Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2031-01-06
Also published as: CN102056305B

Abstract

本发明公开了一种用于无线中继网络的用户分组和资源分配方法，应用于多用户上行多址接入中继通信系统；每个TTI（TransmissionTimeInterval，传输时间间隔）内，对小区内激活的用户进行调度，根据激活用户接收到的下行导频信号的平均接收功率信息将用户划分为基站服务区组、中继服务区组和混合服务区组。将系统可用资源分配给各用户分组，每组获得的资源构成与该用户分组对应的资源集合，对于不同的用户分组可采用不同的资源分配方式。为各用户分组设置不同的优先级，优先对具有高优先级的用户分组中的用户分配资源；当具有高优先级的用户分组的资源集合中资源不足时，将该高优先级相邻的低优先级用户分组的共享资源分配给具有高优先级的用户分组中的用户。

Description

一种用于无线中继网络的用户分组和资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于无线中继网络的用户分组和资源分配方法。

背景技术

LTE（Long Term Evolution，长期演进）系统是3G（3rd Generation，第三代移动通信系统）的演进，LTE改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）作为无线网络演进的唯一标准。LTE能够在20MHz频谱带宽下，提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量，并降低了系统延迟。其中，LTE的技术特征包括高数据速率、分组传送、低延迟、广域覆盖和向下兼容。随着移动终端用户数量的迅速增长，终端用户的业务容量呈指数增长，为了满足持续增加的终端用户的业务需求，需要提供更大的带宽来满足终端用户的业务和应用所需要的更高峰值速率。即在未来的移动通信系统中，例如在B3G（Beyond three Generation，后三代）中或LTE-A（LTE-Advanced，高级LTE）中，系统将提供更高的峰值数据速率和小区吞吐量，同时也需要更大的带宽。目前2GHz以下的未分配带宽已经很少，B3G系统（以B3G系统为例进行说明）需要的部分或全部带宽只能在更高的频段上，例如在3GHz以上的频段上进行寻找，而在实际的应用中，频段越高，电波传播衰减的越快，传输距离越短；即在同样的覆盖区域下，要保证连续覆盖，则需要更多的基站。由于基站具有较高的造价，当需要很多的基站时，将会增加创建网络的成本。为了解决上述问题，各个厂商以及标准化组织将中继（relay）引入到蜂窝系统中，从而增加覆盖的区域。

因此，下一代宽带蜂窝移动通信系统中，可采用无线中继技术扩展系统的覆盖范围，并提供额外的空间分集增益，以提高信息传输速率和系统频谱效率。其中，协同中继技术作为一种先进的无线传输模式，通过将接收到的多路信息进行联合处理，扩展了中继的覆盖范围，增强无线传输性能，同时提高无线传输的频谱效率，因此采用协同中继传输模式可有效地改善系统的性能。

具体的，对于处在小区边缘的用户，其与基站的直射链路信道状况差，中继设备可为其提供一条信息传输通路，以提高边缘用户的吞吐量。另外，在多用户场景中，可根据用户节点的瞬时信道状况，综合考虑系统的吞吐量和公平性，以采用相应的调度算法选择合适的用户进行调度，从而可得到多用户分集增益，并提高系统的吞吐量。

在传统的中继模式中，中继设备只对接收到的信息进行简单的存储和转发。在协同中继模式中，为了避免直传链路和中继链路信息间的干扰，需要消耗额外的时频资源，相应的时分接入传输方案的帧结构示意图如图1所示。

以单对用户为例，该时分接入传输方案可在4个时隙完成单对用户节点到基站的上行数据通信，其中，每个用户节点需要2个时隙完成信息的传输。以用户节点u₁为例，在第1时隙中，用户节点u₁同时向基站和中继设备发送信息；在第2时隙中，中继设备将来自用户节点u₁的信息转发给基站；同样的，用户节点u₂也需要2个时隙完成信息的传输。

进一步的，在协同中继网络编码模式中，中继设备可同时接收多个用户发送的信息，并将接收到的混合信息转发给基站，从而在维持中继设备所带来的系统分集增益的情况下，可在一定程度上解决由于传统的中继转发导致的资源利用率降低的问题。

如图2所示，为协同中继网络编码传输方案的帧结构示意图，该方案可在2个时隙完成单对用户节点与基站的上行通信。在第1时隙中，用户节点u₁和用户节点u₂同时向基站与中继设备发送信息，中继设备接收到的两个用户发送信息的混合；在第2时隙中，中继设备将上一时隙接收到的混合信息转发给基站。

综上所述，现有技术中，在具体的蜂窝小区内部，根据基站和中继设备设置的具体位置不同，小区内处于不同位置的用户将采用不同的接入方式，例如，与基站距离较近的用户可直接接入基站，而处于小区边缘的用户则接入中继设备，之后通过中继设备的协助将信息转发给基站。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

中继设备只协助直射链路信道状况差的用户转发信息，资源利用率和遍历容量较低，不能实现用户信息的最大速率传输；而在调度时，基站调度器只根据用户到基站直射链路的信道状态信息进行用户选择，并未考虑中继设备链路的状况对用户传输性能的影响，处于小区边缘的用户依然难以被服务，导致整个网络的传输效率较低。

发明内容

本发明实施例提供一种用于无线中继网络的用户分组和资源分配方法，以提高网络的传输效率。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种用于无线中继网络的用户分组和资源分配方法，该方法包括：

步骤a、在每个调度周期，根据激活用户的下行导频信号的平均接收功率信息将用户划分为对应的用户分组；所述用户分组包括：基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组；当用户分配了资源时，将该用户从所在的用户分组中删除；

步骤b、将系统可用资源分配给各用户分组，每组获得的资源构成与该用户分组对应的资源集合；并对不同用户分组采用不同的资源分配方式；其中：

根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将基站服务区组的资源集合中的资源块分配给基站服务区组中用户；

根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将混合服务区组的资源集合中的资源块分配给混合服务区组中用户，并根据瞬时信道衰落为当前调度用户选择隔离度最大用户配对传输；

根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将中继服务区组的资源集合中的资源块分配给中继服务区组中用户。

根据激活用户的下行导频信号的平均接收功率信息将用户划分为对应的用户分组，包括：

当用户u_i的平均功率值P_Bi和P_Ri满足

时，将该用户划分为基站服务区组；

当用户u_i的平均功率值P_Bi和P_Ri满足

时，将该用户划分为中继服务区组；

当用户u_i的平均功率值P_Bi和P_Ri满足

时，将该用户划分为混合服务区组；

其中，用户u_i为小区内需要调度的用户、P_Bi为用户u_i接收到来自基站的下行导频信号的平均功率、P_Ri为用户u_i接收到来自中继设备的下行导频信号的平均功率、P₁为预设第一功率阈值、P₂为预设第二功率阈值，所述第一功率阈值和所述第二功率阈值可根据系统的静态配置设置为不同数值。

将系统可用资源分配给各用户分组，每组获得的资源构成与该用户分组对应的资源集合，之后还包括：

为各用户分组设置不同的优先级，并优先对具有高优先级的用户分组中的用户分配资源；

当具有高优先级的用户分组的资源集合中资源不足时，将该高优先级用户分组和相邻低优先级用户分组共享的资源分配给具有高优先级的用户分组中的用户。

该方法进一步包括：

将系统可用资源分配给基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组，并为基站服务区组和混合服务区组，以及混合服务区组和中继服务区组设置共享的可用资源；设置基站服务区组具有最高优先级，混合服务区组具有次优先级，中继服务区组具有最低优先级；

首先对基站服务区组中的用户分配资源，当基站服务区组的资源集合中资源不足时，将基站服务区组和混合服务区组的共享的可用资源分配给基站服务区组中的用户，一直到基站服务区组中所有激活用户资源分配完毕或基站服务区组和混合服务区组的共享的可用资源用完为止；

然后对混合服务区组中的用户分配资源，当混合服务区组的资源集合中资源不足时，优先将混合服务区组和中继服务区组的共享的可用资源分配给混合服务区组中的用户，一直到混合服务区组中所有激活用户资源分配完毕或中继服务区组、混合服务区组和中继服务区组的共享的可用资源用完为止；如果此时还有混合服务区组激活用户没有分配资源，则检查是否还有基站服务区组和混合服务区组的共享的可用资源，如果有，优先让基站服务区组中的用户使用，当基站服务区组中的用户不再需要使用时，分配剩下的共享的可用资源给混合服务区组的用户，一直到混合服务区组中所有激活用户资源分配完毕或基站服务区组和混合服务区组的共享的可用资源用完为止；

最后对中继服务区组中的用户分配资源，一直到中继服务区组中所有激活用户资源分配完毕或中继服务区组的资源集合为空；如果此时还有中继服务区组中的激活用户没有分配资源，则检查是否还有混合服务区组和中继服务区组的共享的可用资源，如果有，优先让混合服务区组中的用户使用，当混合服务区组中的用户不再需要使用时，分配剩下的共享的可用资源给中继服务区组的用户，一直到中继服务区组中所有激活用户资源分配完毕或混合服务区组和中继服务区组的共享的可用资源用完为止。

所述根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将基站服务区组的资源集合中的资源块分配给基站服务区组中用户，包括：

将基站服务区组的资源分配给使用上行发射信噪比值最大的用户u_d；

其中，

为基站服务区组内用户u_d上行发射信号的平均信噪比，

为基站服务区组内用户u_d上行发射信号的瞬时信噪比，

为预设加权因子。

所述根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将混合服务区组的资源集合中的资源块分配给混合服务区组中用户，包括：

将基站服务区组的资源分配给使用上行发射信噪比值最大的用户u_s；

其中，为混合服务区组中用户u_s上行发射信号的平均信噪比，

为混合服务区组中用户u_s上行发射信号的瞬时信噪比，

为预设加权因子。

所述根据瞬时信道衰落为当前调度用户选择隔离度最大用户配对传输，包括：

选择与用户u_s信道隔离度最高的用户u_p进行配对；

对于所选择的用户u_p，如果E_s,p小于E_s时，则u_s与u_p信道不匹配；如果E_s,p不小于时，则u_s与u_p信道匹配，确定该u_p为当前调度用户u_s的配对用户；

其中，E_s,p为用户u_s与u_p的信道隔离度、E_s为当前调度用户u_s信道隔离度阈值；

；

；

h_Bs为用户u_s到基站B的瞬时信道衰落系数、h_Rp为用户u_p到中继设备R的瞬时信道衰落系数、h_Bp为用户u_p到基站B的瞬时信道衰落系数、h_Rs为用户u_s到中继设备R的瞬时信道衰落系数。

所述根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将中继服务区组的资源集合中的资源块分配给中继服务区组中用户，包括：

将基站服务区组的资源分配给使用上行发射信噪比值最大的用户u_R；

其中，为中继服务区组内用户u_R上行发射信号的平均信噪比，

为中继服务区组内用户u_R上行发射信号的瞬时信噪比，

为预设加权因子；

对于空间隔离的中继设备所对应的中继服务区组内用户进行资源复用，所述方法进一步包括：根据地域位置关系静态确定中继设备之间是否为空间隔离，如果隔离，则资源进行复用。

与现有技术相比，本发明中至少具有以下优点：

在每个调度周期，通过将蜂窝通信小区中的激活用户划分为基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组，并将系统可用资源分配给各用户分组，对不同用户分组采用不同的资源分配方式，从而提升了传输信道容量和信息传输效率，有效的解决了传统中继方式下系统资源利用率降低的问题，最大限度的提升单个用户的信息传输速率。

进一步的，通过为基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组设置不同的优先级，并优先对具有高优先级的用户分组中的用户分配资源，当具有高优先级的用户分组的资源集合中资源不足时，将该高优先级用户分组和相邻低优先级用户分组共享的资源分配给具有高优先级的用户分组中的用户，从而优先保证具有高优先级的用户分组中的用户的资源分配。

另外，对于处于混合服务区组的用户，中继设备可协助用户进行信息转发，提升了小区边缘用户的吞吐量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中协同中继时分接入的传输方案的帧结构示意图；

图2为现有技术中单对用户网络编码的时分接入的传输方案的帧结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种用于无线中继网络的用户分组和资源分配方法流程图；

图4为本发明实施例中的用户分组和资源分配方法与其他分配方法的小区吞吐量的仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图3所示，本发明实施例一提供一种用于无线中继网络的用户分组和资源分配方法，该方法适用于的场景包括但不限于：蜂窝通信网络（如应用于多用户上行多址接入中继通信系统，可针对上行数据业务进行处理），该方法包括以下步骤：

步骤301，在每个调度周期，根据激活用户的下行导频信号的平均接收功率信息将用户划分为对应的用户分组；所述用户分组包括：基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组；当用户分配了资源时，将该用户从所在的用户分组中删除。

其中，在每个调度周期，对小区内部有调度需求的用户进行激活，确定所有激活用户的下行导频信号的平均接收功率信息，并根据该平均接收功率信息将用户划分为基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组，对于处于同一分组的用户节点可采用相应的信息传输方式。

本发明实施例中，小区内的基站记为符号B，中继设备记为符号R，将用户划分为基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组的过程，包括：当用户u_i的平均功率值P_Bi和P_Ri满足

时，将该用户划分为基站服务区组；当用户u_i的平均功率值P_Bi和P_Ri满足

时，将该用户划分为中继服务区组；当用户u_i的平均功率值P_Bi和P_Ri满足

时，将该用户划分为混合服务区组；其中，用户u_i为小区内需要调度的用户、P_Bi为用户u_i接收到来自基站的下行导频信号的平均功率、P_Ri为用户u_i接收到来自中继设备的下行导频信号的平均功率、P₁为预设第一功率阈值、P₂为预设第二功率阈值，上述功率值是长期统计的结果，表征用户的平均信道状态；第一功率阈值和所述第二功率阈值可根据系统的静态配置设置为不同数值。

步骤302，将系统可用资源分配给各用户分组，每组获得的资源构成与该用户分组对应的资源集合；为各用户分组设置不同的优先级，并优先对具有高优先级的用户分组中的用户分配资源；对不同用户分组采用不同的资源分配方式。

本发明实施例中，需要为各用户分组设置不同的优先级，并优先对具有高优先级的用户分组中的用户分配资源；当具有高优先级的用户分组的资源集合中资源不足时，将该高优先级用户分组和相邻低优先级用户分组共享的资源分配给具有高优先级的用户分组中的用户。

进一步的，将系统可用资源分配给基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组，并为基站服务区组和混合服务区组，以及混合服务区组和中继服务区组设置共享的可用资源；设置基站服务区组具有最高优先级，混合服务区组具有次优先级，中继服务区组具有最低优先级；

基于上述资源分配策略，对不同用户分组采用不同的资源分配方式包括：

步骤3021，根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将基站服务区组的资源集合中的资源块分配给基站服务区组中用户。

本步骤中，将基站服务区组的资源分配给使用上行发射信噪比值最大的用户u_d；

；

；其中，

为基站服务区组内用户u_d上行发射信号的平均信噪比，

为基站服务区组内用户u_d上行发射信号的瞬时信噪比，

为预设加权因子。

步骤3022，根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将混合服务区组的资源集合中的资源块分配给混合服务区组中用户，并根据瞬时信道衰落为当前调度用户选择隔离度最大用户配对传输。

在将资源块分配给混合服务区组中的用户时，将基站服务区组的资源分配给使用上行发射信噪比值最大的用户u_s；

；

；其中，

为混合服务区组中用户u_s上行发射信号的平均信噪比，

为混合服务区组中用户u_s上行发射信号的瞬时信噪比，

为预设加权因子。

另外，根据瞬时信道衰落为当前调度用户选择隔离度最大用户配对传输时，选择与用户u_s信道隔离度最高的用户u_p进行配对；

；对于所选择的用户u_p，如果E_s,p小于E_s时，则u_s与u_p信道不匹配；如果E_s,p不小于

时，则u_s与u_p信道匹配，确定该u_p为当前调度用户u_s的配对用户；其中，E_s,p为用户u_s与u_p的信道隔离度，其值越大表明用户u_s与用户u_p的信道状态越匹配；E_s为当前调度用户u_s信道隔离度阈值。

本发明实施例中，

；；h_Bs为用户u_s到基站B的瞬时信道衰落系数、h_Rp为用户u_p到中继设备R的瞬时信道衰落系数、h_Bp为用户u_p到基站B的瞬时信道衰落系数、h_Rs为用户u_s到中继设备R的瞬时信道衰落系数。

步骤3023，根据用户上行发射信号的平均信噪比和瞬时信噪比的信息将中继服务区组的资源集合中的资源块分配给中继服务区组中用户。其中，步骤3021、步骤3022和步骤3023之间并没有顺序关系。

本步骤中，将基站服务区组的资源分配给使用上行发射信噪比值最大的用户u_R；

；

；其中，

为中继服务区组内用户u_R上行发射信号的平均信噪比，

为中继服务区组内用户u_R上行发射信号的瞬时信噪比，

为预设加权因子。

需要说明的是，本发明实施例中，还可以对空间隔离的中继设备所对应的中继服务区组内用户进行资源复用，确定中继设备之间是否为空间隔离的方式包括但不限于根据地域位置关系静态确定中继设备之间是否为空间隔离，如果隔离，则资源进行复用。

综上所述，通过采用本发明实施例提供的技术方案，可至少具有以下优点：在每个调度周期，通过将蜂窝通信小区中的激活用户划分为基站服务区组，中继服务区组和混合服务区组，并将系统可用资源分配给各用户分组，对不同用户分组采用不同的资源分配方式，从而提升了传输信道容量和信息传输效率，有效的解决了传统中继方式下系统资源利用率降低的问题，最大限度的提升单个用户的信息传输速率。

为了更加清楚的阐述本发明实施例的技术，以下结合具体的应用场景进行详细说明。如图4所示，为多址上行中继网络在瑞利信道状况下遍历50000次单个蜂窝通信小区吞吐量的仿真柱状图。仿真参数如下：基站、中继设备和用户都配备单天线，中继设备数为4，用户数为35，并且均匀的分布在小区内部；中继设备总发射总功率为30dBm，用户节点的发射总功率为23dBm，噪声功率谱密度为-174dBm/Hz。

在图4中，自左而右分别为信息传输方式只采用直射传输的资源分配方法、信息传输方式只采用配对传输方式的资源分配方法和采用本发明实施例中的基于分组的资源分配方法的单小区平均吞吐量柱状图。

可以看出，在所设定的通信场景中，采用本发明实施例中的资源分配方法的小区吞吐量高于其他两种资源分配方法，本发明实施例中的方法可以有效提高信息传输效率，从而提升小区平均吞吐量。

因此，本发明实施例中，在对小区内用户进行调度之前，基站和中继设备根据用户接收到下行导频信号的功率值将用户进行分组，该分组过程充分考虑了用户与基站和中继设备的信道状态以及位置因素对用户通信质量的影响。

对于只接入基站的用户，采用直射传输方式与基站通信；对于只接入中继设备的用户，只采用中继设备转发的传输方式，避免处于小区边缘信道状况较差的用户一直处于通信中断状态。

对于属于混合服务区组的用户，采用中继网络编码传输方式，可在维持中继设备所带来的系统分集增益的情况下，有效地解决系统的资源利用率降低的问题，从而提高传输的吞吐量和可靠性，改善系统的容量和分集性能。

在具体调度时，综合考虑用户直射链路和中继链路的信道状态选择当前信道状态最优的用户作为当前调度用户，最大限度的提升用户的信息传输速率。根据当前调度用户的当前信道状态，确定是否选择中继设备协助其进行信息传输，并为其选择信道状态匹配的用户进行配对。本发明实施例中，中继设备不单纯用于协助小区边缘用户向基站转发信息，用户间可进行合理配对，并利用中继设备采用网络编码传输方式与基站通信，从而能够显著地提高多址上行中继网络的传输效率。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。