CN102158867B - 协作资源调度及协作通信的方法、装置及系统 - Google Patents

协作资源调度及协作通信的方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及移动通信技术，特别涉及一种协作资源调度及协作通信的方法、装置及系统。本发明实施中协作资源调度的方法，包括：网络中心控制器获得其所管辖的所有用户在第一时间周期内的统计信息；根据所述统计信息进行基站的协作簇划分；将所述协作簇划分结果发送到基站，所述协作簇划分结果用于所述基站在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配。同时还提供了相应的协作通信的方法及装置。本发明实施例的方案能够给协作簇边缘的用户提升传输速率和用户体验，提高系统用户的公平性的同时，又能降低系统信令开销，将运算任务分开，降低了整个系统的实现难度。

Description

协作资源调度及协作通信的方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及移动通信技术，特别涉及一种协作资源调度及协作通信的方法、装置及系统。
背景技术
协作MIMO(Co-MIMO)技术已经被视为IMT-Advanced标准的一项关键物理层技术。在全局范围内频率复用的蜂窝系统中，小区间干扰已经成为限制移动通信性能的主要因素，而Co-MIMO的基本思想则是协调多个基站的信号传输，以减轻蜂窝间干扰。如图1所示，在Co-MIMO系统中，多个基站(BS)将同时协作的为多个移动终端(MS)提供通信服务。
在基站中，可以通过SDMA(Spatial Division Multiple Access，空分多址)不断调整无线环境，为每位用户提供优质的下行链路信号。在网络中，这种先进的基站性能可以用来增加基站覆盖范围，降低网络成本，提高系统容量，最终达到提高频率利用的目的。SDMA可以与任何空间调制方式或频段兼容，因此具有巨大的实用价值。基站协作以后的SDMA因为能有效克服蜂窝边缘的干扰问题，将干扰变为有用信号，能进一步提高频谱效率。通常将基站协作定义为基站之间数据的共享以及联合运算，信道信息可以共享、部分共享或者不共享。基站协作在带来巨大增益的同时将开销更多的放到网络端，这也为现有蜂窝网络带来了一些新的问题：整个网络的协作可以完全利用干扰，但其复杂度随用户数的指数增长，并且网络及用户资源调度的信令开销太高；而且协作网络始终存在边缘效应，扩展性始终是一个问题。
按簇(cluster)为单位，将簇内基站协作，能够有效的解决上述问题。簇定义为参与共享数据和联合计算的协作基站群。网络中簇的大小取决于网络中backhaul(回程)的容量以及簇的运算能力。而当前的网络中的基站分簇方案，如固定的簇划分和动态的簇划分等，都需要很大的信令开销，以致于网络整体性能损失相对于全局协作较大，网络的整体性能不高。
发明内容
本发明实施例提供一种协作资源调度方法、装置及系统，以提高网络的整体性能。
一种协作资源调度的方法，包括：
网络中心控制器获得其所管辖的所有用户在第一时间周期内的统计信息；
根据所述统计信息进行基站的协作簇划分；
向基站发送所述协作簇划分结果。
一种协作通信的方法，包括：
在第一时间周期内，统计所属用户的统计信息并向网络中心控制器发送；
所述第一时间周期结束后，接收所述中心控制器发送的根据所述统计信息确定的协作簇划分结果；
根据协作簇划分结果，基站与协作簇内其它基站进行协作通信。
一种协作通信系统，包括基站及网络中心控制器，其中：
所述基站在第一时间周期内统计所属用户的统计信息，并向所述网络中心控制器发送，在第一时间周期结束后，接收所述网络中心控制器发送的协作簇划分结果并依据所述划分结果与该协作簇内其它基站进行协作通信；
所述网络中心控制器：用于获得和计算第一时间周期内的用户统计信息，根据所述统计信息进行基站的协作簇划分，并将协作簇的划分结果发送到相应基站。
一种网络中心控制器，包括：
信息收集单元，用于获得其所管辖的所有用户在第一时间周期内的统计信息；
协作簇划分单元，用于根据所述统计信息进行基站的协作簇划分获得协作簇划分结果；
发送单元，用于向基站发送所述协作簇划分结果。
一种基站，包括：
统计信息处理单元，用于在第一时间周期内统计所属用户的统计信息并向网络中心控制器发送；
簇划分接收单元，用于所述第一时间周期结束后，接收所述中心控制器发送的根据所述统计信息确定的；
通信单元，用于根据所述协作簇划分结果与协作簇内其它基站进行协作通信。
本发明实施例的方案在第一时间周期内根据用户的统计信息更新簇划分，能够提高系统用户的公平性的同时，降低系统信令开销，降低了整个系统的实现难度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种协作MIMO系统的结构图。
图2a为本发明实施例一种协作资源调度的方法流程图。
图2a为本发明实施例一种协作通信的方法流程图。
图3为本发明实施例三层网络架构实施例的架构图。
图4为本发明实施例二层网络架构实施例的架构图。
图5为本发明实施例网络中心控制器的结构示意图。
图6为本发明实施例基站的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供协作通信中资源调度与协作通信的方法及装置。
如图2a所示，本发明实施例揭示的一种协作资源调度方法，该方法包括：
S201网络中心控制器获得其所管辖的所有用户在第一时间周期内的统计信息；
S203网络中心控制器根据所述统计信息进行基站的协作簇划分；
S205网络中心控制器向基站发送所述协作簇划分结果。
所述协作簇划分结果用于所述基站在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配。
如图2b所示，本发明实施例揭示的一种协作通信的方法，由基站完成，该方法包括：
S211在第一时间周期内，统计所属用户的统计信息并向网络中心控制器发送；
S213所述第一时间周期结束后，接收所述中心控制器发送的根据所述统计信息确定的协作簇划分结果；
S215根据协作簇划分结果，基站与协作簇内其它基站进行协作通信。
进一步，在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配，基站再根据协作资源分配的结果与协作簇内其它基站进行协作通信。
本发明实施例的方案在第一时间周期内根据用户的统计信息更新簇划分，能够提高系统用户的公平性的同时，降低系统信令开销，降低了整个系统的实现难度。
本发明实施例同时揭露一协作通信系统，该系统对通信资源进行调度并完成协作通信。该系统包括包括基站及网络中心控制器。其中，所述基站在第一时间周期内统计所属用户的统计信息，并向网络中心控制器发送，在第一时间周期结束后，接收所述网络中心控制器发送的协作簇划分结果并依据所述划分结果与该协作簇内其它基站进行协作通信。所述网络中心控制器用于获得和计算第一时间周期内的用户统计信息，根据统计信息进行基站的协作簇划分，并将协作簇的划分结果发送到相应基站。
进一步，在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配，基站再根据协作资源分配的结果与协作簇内其它基站进行协作通信。
本发明实施例的方案在第一时间周期内根据用户的统计信息更新簇划分，能够提高系统用户的公平性的同时，降低系统信令开销，降低了整个系统的实现难度。
本发明的又一实施例，继续揭示一种通信资源进行调度并完成协作通信的方法，在该实施例中在第一时间周期内：各基站统计和更新所有用户的信息，向中心处理器汇报其所有用户的信息，然后中心处理器根据所有的用户信息决定如何划分簇，各基站重新根据自己所在的簇，为簇内的用户分配和调度资源，在足够多个时刻之后返回，重复以上所有步骤。在该实施例中在在第二时间周期内：基站根据新的簇划分重新共享数据信息，如有需要也包括实时信道信息；基站控制器调度用户，并决定通信方式以及在本簇内的资源分配；基站更新记录录的用户的平均信息。完成资源的分配以后，基站和簇内的其他基站对用户进行协作通信。实例中，第一时间周期远大于第二时间周期。定义第一时间周期为Tp，第二时间周期为Ts，则Tp＝NpTs，Np？1。
在具体的实施过程中，可以设计三层网络架构或和两层网络架构。其中网络中心控制器一种逻辑单元，物理上可以是独立的中心控制器实体，也可以由现有网络单元完成其功能。
如图3所示，为三层网络架构实施例。其中第一层为基站(Base Station，BS)，各基站之间可以对终端用户进行协作通信。第二层为基站控制器(BaseStation Controller，BSC)，在协作簇内进行优化并共享数据。第三层为网络中心控制器(Central Station，CS)，计算和决定协作簇的划分。各基站周期性向BSC反馈其所有用户队列或者相关统计信息，之后BSC将接收到的其所管理的基站发送的信息发送给网络中心控制器。网络中心控制器根据当前的总体队列或相关统计信息进行基站协作簇的划分。
在具体实施中统计信息包括用户的队列长度或者所述用户的队列长度的势函数。根据统计信息进行基站的协作簇划分可以包括根据总体队列信息的势函数最小或者为各用户队列信息的势函数之和最小的原则进行所述协作划分。划分簇的过程中用到的是势函数，但是势函数的计算可以在网络中心控制器，也可以在基站。所以，收集的统计信息可以是队列长度，也可以是各用户的势函数。如果队列长度的势函数是由网络中心控制器计算的，那么接收基站发送的用户的队列长度即可。
在具体实施中统计信息包括用户的时间平均速率或者时间平均速率的效用函数或者时间平均速率的效用函数的梯度。根据统计信息进行基站的协作簇划分可以包括计算所有用户的平均速率的效用函数的梯度，根据获得的梯度获得各簇划分结果出现的概率，依据该概率确定选择协作簇划分。簇划分应用的是时间平均速率的效用函数的梯度，这里用户的时间平均速率是指用户的数据速率在时间上的平均值。时间平均速率的效用函数的梯度可以由基站计算，也可以由网络中心控制器计算。通过用户的时间平均速率或者时间平均速率的效用函数都可以计算获得间平均速率的效用函数的梯度。所以统计信息可以包括用户的时间平均速率或者时间平均速率的效用函数。
网络中心控制器将划分的协作簇划分结果发送给基站控制器，基站控制器根据新的协作簇划分结果更新其所管理的基站信息。然后基站控制器将协作簇划分结果通知其所管理的基站，基站在协作簇内进行数据共享和信息交互，完成协作资源的分配。最后各协作簇内的基站为用户(UE)提供协作服务。
如图4，为二层网络架构实施例。其中第一层为基站(Base Station，BS)，各基站之间可以对终端用户进行协作通信。第二层为网络中心控制器(CentralStation，CS)计算和决定协作簇划分。各基站周期性的向网络中心控制器反馈其所有用户队列或相关统计信息。网络中心控制器根据当前所有用户的总体统计状态划分基站的协作簇，根据新的协作簇划分结果更新簇划分信息，并更新所管理的基站信息。网络中心控制器将新的簇划分结果通知所有基站。各基站在协作簇内进行相应的数据共享及信息交互，完成协作资源的分配。最后各协作簇内的基站为用户(UE)提供协作服务。在二层网络架构中协作簇的划分过程与三层网络基本相同。
在实施例中，如果统计信息包括用户的队列长度或者所述用户的队列长度的势函数则具体的簇划分的过程如下：
中心控制器以Tp为时间单位，更新其所有用户的队列长度，并根据当前队列的总体情况选择下一个时间单位Tp内所有基站的簇划分。
在Tp时刻，各基站同时向中心控制器反馈其所有用户的队列状态或队列状态的势函数；中心控制器根据当前的总体队列状态计算整个网络的势函数，根据得到的势函数选择与其对应的最佳簇划分；中心控制器将簇划分信息通知所有基站。
基站与簇内其他基站协作通信，在每个Ts时间：
基站可以与其所在协作簇内的其他基站共享数据以及信道信息，该共享可以在基站控制器完成，也可以是共享到某个基站(主基站)。信道信息也可以不共享。并在下行通信中联合预编码，上行通信中采用联合检测。在下行通信中，以势函数为参量根据注水(waterfilling)原理为簇内用户分配功率。如果簇内的功率分配能够在簇间达到纳什均衡点(Nash Equilibrium)，则整个网络的延时能降低到最小值。
此外，如果由用户计算自身的势函数，可以在每个第二时间周期更新自身的势函数。
在具体的实例中，以时延最小化为目的，统计用户的队列信息，根据队列信息的势函数选择簇划分；以平均效用函数最大化为目的，则统计用户的平均速率，根据平均速率效用函数的梯度，更新簇划分概率，根据概率选择簇划分。
对于时延的情况，根据簇内用户的队列变化，第二时间周期更新(可以实时)用户的势函数，根据势函数之差调整用户功率分配。对于效用函数的情况，在第二时间周期以使所述协作簇的效用函数最大为目标，与所述协作簇内的其它基站联合选择簇内用户，在第二时间周期内只是更新簇内用户的统计平均速率；但该数据并不用于调整簇内协作通信的资源分配。这里是把实时信息(比如实时信道信息)也定义为第二时间周期的统计信息，所以每一个第二时间周期都会需要这些信息来重新计算预编码矩阵、用户选择、功率分配等等。
在实施例中，如果统计信息包括用户的时间平均速率或者时间平均速率的效用函数或者时间平均速率的效用函数的梯度则具体的簇划分的过程如下：
中心控制器以Tp为时间单位，更新其所有用户平均速率的效用函数的梯度，用此梯度计算所有簇划分的出现概率，并根据得到的概率选择下一个时间单位Tp内所有基站的簇划分：
在Tp时刻，各基站同时向中心控制器反馈其所有用户的平均速率的相关信息；基站控制器根据当前的总体平均速率相关信息的效用函数计算整个网络效用函数的梯度，并用此梯度更新簇划分的出现概率，根据得到的概率选择与其对应的最佳簇划分；基站控制器将簇划分信息通知所有基站。
基站在Tp时间内与簇内其他基站协作通信，在每个Ts时间：
基站与其所在的簇内其他基站共享数据以及信道信息(信道信息也可以不共享)；以令当前簇的效用函数最大为目标，与所有簇内的基站联合选择簇内用户；并在下行通信中联合预编码，上行通信中采用联合检测；在下行通信中，根据注水(waterfilling)原理为簇内用户分配功率。
此外，在每个Ts时间基站或者用户需要更新该用户自身平均速率的相关信息。
作为本发明实施例的进一步处理，还可以根据所述统计信息进行基站的协作簇划分后存储所述协作簇划分结果的集，然后从中选择协作簇划分结果并将所述协作簇划分结果发送到基站。例如在中心控制器储存有该网络中所有的簇划分选择，也可以是存有部分的簇划分选择。选取可以是根据延时最小或者效用函数最大来选择。
本发明实施例提供一网络中心控制器，如图5所示，网络中心控制器50包括：信息收集单元501，协作簇划分单元503，发送单元505。
信息收集单元501，用于获得其所管辖的所有用户在第一时间周期内的统计信息；
协作簇划分单元503，用于根据所述统计信息进行基站的协作簇划分获得协作簇划分结果。其中所述协作簇划分结果用于所述基站在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配。
发送单元505，用于向基站发送所述协作簇划分结果。
在一种实现中，信息收集单元501获得的统计信息包括所述用户的队列长度的势函数。协作簇划分单元503根据总体队列信息的势函数最小或者为各用户队列信息的势函数之和最小的原则进行所述协作划分。在另一种实现中，信息收集单元501获得的统计信息包括用户的时间平均速率的效用函数的梯度。协作簇划分单元503计算所有用户的平均速率的效用函数的梯度，根据所述获得的梯度获得各协作簇划分结果出现的概率，依据所述概率确定选择协作簇划分。
进一步，网络中心控制器还可以包括存储单元507，用于存储根据所述统计信息进行基站的协作簇划分后的协作簇划分结果的集。选择单元509，用于从所述存储单元507中选择所述协作簇划分结果，选择出的簇划分结果通过所述发送单元505向所述基站发送。
同时本发明的实施例还提供一种基站，如图6所示，基站60包括：
统计信息处理单元601，用于在第一时间周期内统计所属用户的统计信息并向网络中心控制器50发送；
簇划分接收单元603，用于所述第一时间周期结束后，接收所述中心控制器50发送的根据所述统计信息确定的协作簇划分结果；
资源分配单元605，用于根据协作簇划分结果，在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配；
通信单元607，用于所述资源分配完成后与协作簇内其它基站进行协作通信。
在实施中，统计信息处理单元601处理的统计信息包括所述用户的队列长度的势函数，资源分配单元605在第二时间周期内更新用户的队列长度的势函数，根据所述势函数之差调整用户功率分配。
在另一种实施中，统计信息处理单元601处理的统计信息包括所述用户的队列长度的势函数，资源分配单元605第二时间周期内更新用户的队列长度的势函数，根据所述势函数之差调整用户功率分配。
本发明实施例的通信装置在第一时间周期更新簇划分，第二时间周期簇内资源分配的动态分簇方式能够给簇边缘的用户提升传输速率和用户体验，提高系统用户的公平性的同时，又能降低系统信令开销，将运算任务分开，降低了整个系统的实现难度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (22)

1.一种协作资源调度的方法，其特征在于，所述方法包括： 
网络中心控制器获得其所管辖的所有用户在第一时间周期内的统计信息，所述统计信息包括所述用户的队列长度的势函数或所述用户的时间平均速率的效用函数的梯度； 
根据所述统计信息进行基站的协作簇划分； 
向基站发送所述协作簇划分结果。 
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述协作簇划分结果用于所述基站在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配。 
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 
所述根据所述统计信息进行基站的协作簇划分包括：根据总体队列信息的势函数最小或者各用户队列信息的势函数之和最小的原则进行所述协作簇划分。 
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于， 
所述根据所述统计信息进行基站的协作簇划分包括：计算所有用户的平均速率的效用函数的梯度，根据所述获得的梯度获得各簇划分结果出现的概率， 
依据所述概率确定选择协作簇划分。 
5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 
根据所述统计信息进行基站的协作簇划分后存储所述协作簇划分结果的集； 
从中选择协作簇划分结果并将所述协作簇划分结果发送到基站。 
6.一种协作通信的方法，其特征在于，所述方法包括： 
在第一时间周期内，基站统计所属用户的统计信息并向网络中心控制器发送，所述统计信息包括所述用户的队列长度的势函数或所述用户的时间平均速率的效用函数的梯度； 
所述第一时间周期结束后，所述基站接收所述中心控制器发送的根据所述统计信息确定的协作簇划分结果； 
根据协作簇划分结果，所述基站与协作簇内其它基站进行协作通信。 
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，接收所述协作簇划分结果后在 第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配。 
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，第二时间周期内更新用户的队列长度的势函数，根据所述势函数之差调整用户功率分配。 
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在第二时间周期以使所述协作簇的效用函数最大为目标，与所述协作簇内的其它基站联合选择簇内用户，完成资源分配。 
10.一种协作通信系统，包括基站及网络中心控制器，其特征在于： 
所述基站在第一时间周期内统计所属用户的统计信息，并向所述网络中心控制器发送，在第一时间周期结束后，接收所述网络中心控制器发送的协作簇划分结果并依据所述划分结果与该协作簇内其它基站进行协作通信，所述统计信息包括所述用户的队列长度的势函数或所述用户的时间平均速率的效用函数的梯度； 
所述网络中心控制器：用于获得和计算第一时间周期内的用户统计信息，根据所述统计信息进行基站的协作簇划分，并将协作簇的划分结果发送到相应基站。 
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于， 
网络中心控制器根据总体队列信息的势函数最小或者各用户队列信息的势函数之和最小的原则进行所述协作簇划分。 
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于， 
网络中心控制器计算所有用户的平均速率的效用函数的梯度，根据所述获得的梯度获得各簇划分结果出现的概率，依据所述概率确定选择协作簇划分。 
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述基站接收所述协作簇划分结果后在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配。 
14.一种网络中心控制器，其特征在于，所述网络中心控制器包括： 
信息收集单元，用于获得其所管辖的所有用户在第一时间周期内的统计信息，所述统计信息包括所述用户的队列长度的势函数或所述用户的时间平均速率的效用函数的梯度； 
协作簇划分单元，用于根据所述统计信息进行基站的协作簇划分获得协作 簇划分结果； 
发送单元，用于向基站发送所述协作簇划分结果。 
15.如权利要求14所述的网络中心控制器，其特征在于，所述协作簇划分结果用于所述基站在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配。 
16.如权利要求14所述的网络中心控制器，其特征在于， 
所述协作簇划分单元根据总体队列信息的势函数最小或者各用户队列信息的势函数之和最小的原则进行所述协作簇划分。 
17.如权利要求14所述的网络中心控制器，其特征在于，
所述协作簇划分单元计算所有用户的平均速率的效用函数的梯度，根据所述获得的梯度获得各簇划分结果出现的概率，依据所述概率确定选择协作簇划分。 
18.如权利要求14所述的网络中心控制器，其特征在于，还包括： 
存储单元，用于存储根据所述统计信息进行基站的协作簇划分后的协作簇划分结果的集。 
19.如权利要求18所述的网络中心控制器，其特征在于，还包括： 
选择单元，用于从所述存储单元中选择所述协作簇划分结果，选择出的簇划分结果通过所述发送单元向所述基站发送。 
20.一种基站，其特征在于，所述基站包括： 
统计信息处理单元，用于在第一时间周期内统计所属用户的统计信息并向网络中心控制器发送；所述统计信息包括所述用户的队列长度的势函数或所述用户的时间平均速率的效用函数的梯度； 
簇划分接收单元，用于所述第一时间周期结束后，接收所述中心控制器发送的根据所述统计信息确定的协作簇划分结果； 
通信单元，用于根据所述协作簇划分结果与协作簇内其它基站进行协作通信。 
21.如权利要求20所述的基站，其特征在于，所述基站还包括： 
资源分配单元，用于根据协作簇划分结果，在第二时间周期内根据该协作簇内所属用户的统计信息进行协作资源分配。 
22.如权利要求21所述的基站，其特征在于，所述统计信息处理单元处理的统计信息包括所述用户的队列长度的势函数；所述资源分配单元在第二时间周期内更新用户的队列长度的势函数，根据所述势函数之差调整用户功率分配。 
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