CN102905272A - 一种无线中继场景下频率复用的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线中继场景下频率复用的方法，根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱；计算小区内每个中继(Relay)覆盖的所有移动台(MS)的负载情况，并上报给基站(BS)；BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，并对MS进行调度。本发明还公开了一种无线中继场景下频率复用的系统，通过上述方法和系统，使得频谱规划具有可配置性，并引入了随机接入频谱，并且兼顾了负载均衡和用户公平性，提升了小区边缘吞吐量，特别是能够极大的提升吞吐量排名靠后的用户的吞吐量。

Description

一种无线中继场景下频率复用的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域中的频率复用技术，特别是指一种无线中继场景下频率复用的方法和系统。

背景技术

正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)，也可简称为OFDM作为未来高数据速率的无线网络系统中最主要的一种多址接入方式，已经作为规范写入全球微波互联接入(WorldwideInteroperability for Microwave Access，WiMAX)协议和长期演进(Long TermEvolution，LTE)协议中，并且在高级国际移动通信(IMT-Advanced)的两个候选标准：第三代合作伙伴(3GPP)推进的LTE-Advanced和美国电气工程师协会(IEEE)推进的802.16m中确定为接入技术。

通常OFDM技术将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，这样同一个小区内的多个用户可以同时在不同的子载波上同时进行传输，极大的减小了小区内干扰。但是当相邻小区边缘用户分配到相同的频带时，小区间干扰(ICI)将对系统性能产生很大的影响。为了解决这个问题，考虑到电磁波在空间传播的衰减特性，当一个频率在一个区域使用之后，在远离这个区域的地方，功率已经衰减了很多，干扰能够降低到可以接受的程度，于是这个频率就可以再次使用，因此频率复用的概念被提出。频率复用方案一般通过配置适当的频率复用因子(FRF)以达到最大程度避免ICI的目的。复用因子过小，虽然表面上可以达到很高的频谱效率，但是这也意味着相邻小区交界处的用户使用同一频率的概率增加，小区边缘用户彼此间产生的ICI将会急剧增大，严重影响小区边缘的服务质量。另一方面，如果复用因子过大，系统的频谱效率将降低，难以满足第四代通信(4G)系统高质量、高速率的业务需求。因此根据小区部署场景选择合适的复用因子是非常必要的。

传统的频率复用方案包括复用因子为3的频率复用、部分频率复用、软频率复用等。复用因子为3的频率复用方案是将频率资源划分为三个等同的子带宽，相邻的小区分别使用三个不同的子带宽以避免小区间同频造成的干扰；部分频率复用方案是所有小区内部使用相同频率，而小区边缘采用高的复用因子，相邻小区间的边缘区域使用不同的频率，是为了有效减小ICI的同时提升了频率效率；而软频率复用方案在部分频率复用的基础上考虑了功率因素使频谱不再是机械地被割裂成几个部分，而是用功率规定了其使用程度，使复用因子可以在整数1至N间平滑过渡，以获得更大的带宽和频谱效率。同时，考虑扇区化、时间、功率、负载等因素，可以得到更多频率复用变种方案。

IMT-Advanced是国际电信联盟(ITU)为满足未来10至15年全球移动通信需求而启动的，其特点是能够实现更高的数据率、更大的系统容量、更灵活广泛的服务和应用、更强的支持新的业务的能力。为了满足这些需求，IMT-Advanced的各个候选标准几乎都把中继(Relay)传输作为关键技术引进标准制定进程中。目前，三种中继标准已经或者正在IEEE 802.16j、IEEE 802.16m和3GPP LTE-A Release 10中分别进行了规范。中继就是通过在基站(BS)和移动台(MS)之间增加中间节点，对基站的发射信号或者终端的发射信号进行再生、放大处理后，再转发给终端或者基站，以此提高信号传输的质量和可靠性。中继技术的主要作用是扩大小区覆盖面积，为小区中阴影衰落严重的地区以及覆盖的死角提供服务信号，并提供热点地区的覆盖以及室内覆盖等。按照中继节点(RS)是否具有独立的小区ID，3GPP将RS分为Type1 Relay和Type2 Relay。其中，Type1 Relay具有独立的小区ID，能够传输自己的同步信号、参考信号、并且具有独立的HARQ反馈等，此时RS相当于一个Release 8基站，终端可以分辨RS和BS。而Type2 Relay没有独立的小区ID，终端不能分辨出RS，RS可以传输业务信道，但由于没有独立的小区ID，因此至少不能传输公共导频信号(CRS)和物理下行控制信道(PDCCH)等。同时，根据中继链路和接入链路是否共享相同的频率资源又可以分为in-band Relay和out-band Relay。

然而无论何种类型的中继，何种中继部署场景，同样需要考虑BS和RS的频率规划和频率复用，解决ICI的问题，这样才能提升小区覆盖面积，提升系统容量，峰值速率等性能。相对于没有部署中继的蜂窝网络，部署了中继的蜂窝网络除了BS和其覆盖范围内的移动台MS_c进行直接通信外，还需要通过多跳Relay和边缘小区移动台MS_r进行间接通信，即第一跳链路BS→BS，和第二跳链路RS→MS_r，因此Relay系统频率复用方案相比传统OFDM蜂窝小区频率复用需要更多更灵活的考虑。类似传统蜂窝网络的频率复用方案，可以分别派生出Relay场景的小区的频率复用方案，例如两跳Relay的部分频率复用，软频率复用等。但是传统的频率复用方案大多只是以最大限度的消除小区间干扰为目的，或者进一步兼顾频谱效率，对于用户公平性和负载均衡的问题有所忽略。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无线中继场景下频率复用的方法和系统，解决了无线中继的场景下不能兼顾用户公平性和负载均衡的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种无线中继场景下频率复用的方法，所述方法包括：

根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱；

计算小区内每个中继(Relay)覆盖的所有移动台(MS)的负载情况，并上报给基站(BS)；

BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，并对MS进行调度。

其中，所述计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况之前，还包括：从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS。

其中，所述预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱之后，还包括：判断预设时间是否到达，如果到达则计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，或者从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS；否则保持Relay的带宽资源。

其中，所述小区中的场景参数包括：小区的中继数目、位置、帧结构、及小区用户统计特性。

其中，所述BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，包括：

BS对所有Relay依据负载情况进行排序；根据最轻负载的Relay的负载系数计算出每个Relay的相对负载系数；根据相对负载系数计算出每个Relay分配到随机接入频谱的概率值，为概率值高的Relay分配随机接入频谱。

其中，所述对MS进行调度具体为：采用比例公平调度算法对MS进行调度。

本发明还提供了一种无线中继场景下频率复用的系统，所述系统包括：BS、Relay和MS，其中，

所述BS，用于根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱，根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，并对MS进行调度；

所述Relay，用于计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，并上报给BS。

其中，所述BS，还用于从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS。

其中，所述BS，还用于判断预设时间是否到达，如果到达则计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，或者从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS；否则保持Relay的带宽资源。

其中，所述小区中的场景参数包括：小区的中继数目、位置、帧结构、及小区用户统计特性。

其中，所述BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，包括：

BS对所有Relay依据负载情况进行排序；根据最轻负载的Relay的负载系数计算出每个Relay的相对负载系数；根据相对负载系数计算出每个Relay分配到随机接入频谱的概率值，为概率值高的Relay分配随机接入频谱。

本发明所提供的无线中继场景下频率复用的方法和系统，根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱；计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，并上报给BS；BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，并对MS进行调度。使得频谱规划具有可配置性，即根据小区的中继数目、位置、时隙结构、及小区用户统计特性等参数可以预配置中心频谱，边缘频谱和随机接入频谱；同时本发明考虑了负载均衡的因素，很大程度上保证用户公平性，提升小区边缘吞吐量，特别是能够极大的提升吞吐量排名靠后的用户的吞吐量，其中，所述吞吐量排名靠后的用户是指吐量排名最后的5％的用户。

附图说明

图1为中继系统的一般传输模式结构示意图；

图2为本发明一种无线中继场景下频率复用的方法流程示意图；

图3为本发明中频谱规划的示意图；

图4为本发明无线中继场景下频率复用实施例的场景示意图；

图5为实施例所述场景下系统的时隙结构；

图6为实施例所述场景下配置的频谱规划的示意图；

图7为本发明无线中继场景下频率复用实施例的方法流程示意图；

图8为本发明一种无线中继场景下频率复用的系统结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱；计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，并上报给BS；BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，并对MS进行调度。

为了更好的理解本发明，首先介绍一下中继系统的结构。图1为中继系统的一般传输模式结构示意图，如图1所示，所述中继系统是一个多跳无线网络中，包括：BS、RS1、RS2、RS3、MS1、MS2和MS3，其中，BS与MS2之间的链路为直传链路；BS与MS3之间通过RS3连接，其中BS与RS3之间的链路为反向链路；RS3与MS3之间的链路为接入链路。

需要特殊说明的是：背景技术中所述边缘小区移动台为MS_r，其具体含义为随机通过Relay接入BS的MS。本发明后续描述中用MS_e表示所述边缘小区移动台。由于在实际应用中，通常是在小区边缘部署Relay，因此随机通过Relay接入BS的MS_r与边缘小区移动台MS_e是等同的。另外，本发明中所针对的MS均是通过Relay接入BS的，对于其具体是否处于小区边缘不予限定。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

图2为本发明一种无线中继场景下频率复用的方法流程示意图，如图2所示，所述方法包括：

步骤201，根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱；

具体的，所述小区中的场景参数包括：小区的中继数目、位置、帧结构、及小区用户统计特性等参数。所述预分配的中心频谱B_BS具体为：供基站到小区覆盖范围内的移动台，即BS→MS_c的直传链路，进行数据传输的频谱；所述边缘频谱B_RS具体为：供基站到中继和中继到边缘小区移动台，即BS→RS的后向链路和RS→MS_e的接入链路，进行数据传输的频谱；剩余的频谱作为随机接入频谱B_RA。其中，如果小区中划分为3扇区，B_BS可以继续分为B_BS1，B_BS2，B_BS3；进一步如果一个小区部署多个Relay，B_RS可以继续划分为B_RS1，......B_RSn。前述对频谱的预分配后，频谱规划的示意图如图3所示。

步骤202，计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，并上报给BS；

具体的，所述所有MS为每个Relay覆盖的边缘区域内所有MS。所述计算MS的负载情况，包括：计算每个Relay负载情况，如果采用满负载(full buffer)业务模型，则每个Relay的负载可以等效为接入Relay的所有MS的平均吞吐量，即可以简化为计算MS平均吞吐量。

进一步的，所述步骤202之前，所述方法还包括：从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS。

具体的，根据MS位置，信号与干扰加噪声比(SINR)等信息将小区内所有MS分类为BS接入的集合M_BS、或者Relay接入的集合M_RS。其中所述M_RS包含Relay接入的所有MS。

步骤203，BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，并对MS进行调度。

具体的，所述BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，包括：BS对所有Relay依据负载情况进行排序；根据最轻负载的Relay的负载系数计算出每个Relay的相对负载系数；根据相对负载系数计算出每个Relay分配到随机接入频谱的概率值，为概率值高的Relay分配随机接入频谱。所述对MS进行调度具体为：采用比例公平调度算法对MS进行调度。

进一步的，在步骤201之后，所述方法还包括：判断预设时间是否到达，如果到达则执行步骤202，否则保持Relay的带宽资源。

需要特殊说明的是，如果判断结果为预设时间到达，还可以先从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS，然后执行步骤202。

图4为本发明无线中继场景下频率复用实施例的场景示意图，如图4所示，实施范例为两跳的Relay蜂窝网络，每个小区分为3扇区，每个扇区配置一个120°的定向发送天线，并在顶点处部署一个Relay节点，即每个扇区的边缘区域有一个Relay，一个小区共有3个Relay节点来覆盖边缘小区。由此可见所述场景下系统的时隙结构参见图5。任何一个时隙直传链路BS→MS_c(如上方图a所示)都会进行数据传输，而后向链路和接入链路BS→RS，RS→MS_e(如下方图b所示)将分两个时隙分别进行数据传输，且上下行都将采用这种传输模式。假设系统分得的总带宽为20M，等效折合为100个物理资源块(PRBs)。根据用户统计特性，假设中心区域预配置60PRBs，边缘区域预配置30PRBs，可以得到(B_BS、B_RS、B_RA)的预配置等效为(60、30、10)。由于分3个扇区并部署3个Relay，因此中心区域和边缘区域资源块将会继续划分，具体配置的频谱规划的示意图参见图6。

图7为本发明无线中继场景下频率复用实施例的方法流程示意图，如图7所示，在如图4所示的场景中，所述方法包括：

步骤701，根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱；

具体的，所述小区中的场景参数包括：小区的中继数目、位置、帧结构、及小区用户统计特性等参数。所述预分配的中心频谱B_BS、边缘频谱B_RS、随机接入频谱B_RA分别等效为：60、30、10。

步骤702，从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS；

具体的，根据MS位置，信号与干扰加噪声比(SINR)等信息将小区内所有MS分类为BS接入的集合M_BS、或者Relay接入的集合M_RS。其中所述M_RS包含Relay接入的所有MS。

进一步的，在步骤702之前，所述方法还包括：判断预设时间是否到达，如果到达则执行步骤702，否则保持Relay的带宽资源。

步骤703，计算小区内每个Relay覆盖的边缘区域内所有MS的负载情况，并上报给BS；

具体的，计算MS的负载情况，包括：计算每个Relay负载情况，如果采用满负载业务模型，则每个Relay的负载可以等效为接入Relay的所有MS的平均吞吐量，即可以简化为计算MS平均吞吐量。计算完成后上报给BS。

步骤704，BS根据所有Relay的负载情况，为负载高的Relay分配随机接入频谱；

具体的，BS对所有Relay依据负载情况进行排序，确定最轻负载的Relay的负载系数α_min，并依次计算出小区内每个Relay的相对负载系数σ_i＝α_min/α_i(0≤σ_i≤1)，根据相对负载系数σ_i计算出每个Relay分配到随机接入频谱的概率值p_i＝1-σ_i，如果概率值很高，意味着Relay负载很高，即用户公平性很差，需要为Relay分配随机接入频谱来缓解这种情况。

在本实施例中，BS对小区内每个Relay的移动台平均吞吐量进行排序，例如：一种排序后的可能为thr_RS2＜thr_RS1＜thr_RS3，其中RS2的负载最重、RS3的负载最轻，则计算出小区内RS1，RS2，RS3的相对负载系数分别为： 1；接着计算出RS1，RS2，RS3分配到额外的接入带宽的概率值p₁，p₂，p₃分别为

和0；依据准则

if δ＜p_i，其中δ为参数具体为(0，1)的平均分布的随机数值，B_RSi和

分别为第i个Relay更新前和更新后可用的频谱，最终确定每个Relay是否分配到额外接入带宽。

步骤705，采用比例公平调度算法对MS进行调度。

图8为本发明一种无线中继场景下频率复用的系统结构示意图，如图8所示，所述系统包括：BS81、Relay82和MS83，其中，

所述BS81，用于根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱，根据所有Relay82的负载情况，为Relay82分配随机接入频谱，并对MS83进行调度；

具体的，所述小区中的场景参数包括：小区的中继数目、位置、帧结构、及小区用户统计特性等参数。所述预分配的中心频谱B_BS具体为：供基站到小区覆盖范围内的移动台，即BS→MS_c的直传链路，进行数据传输的频谱；所述边缘频谱B_RS具体为：供基站到中继和中继到边缘小区移动台，即BS→RS的后向链路和RS→MS_e的接入链路，进行数据传输的频谱；剩余的频谱作为随机接入频谱B_RA。其中，如果小区中划分为3扇区，B_BS可以继续分为B_BS1，B_BS2，B_BS3；进一步如果一个小区部署多个Relay82，B_RS可以继续划分为B_RS1，......B_RSn。

所述BS81根据所有Relay82的负载情况，为Relay82分配随机接入频谱，包括：BS81对所有Relay82依据负载情况进行排序；根据最轻负载的Relay82的负载系数计算出每个Relay82的相对负载系数；根据相对负载系数计算出每个Relay82分配到随机接入频谱的概率值，为概率值高的Relay82分配随机接入频谱。所述对MS83进行调度具体为：采用比例公平调度算法对MS83进行调度。

所述Relay82，用于计算小区内每个Relay32覆盖的所有MS83的负载情况，并上报给BS81。

具体的，所述所有MS83为每个Relay82覆盖的边缘区域内所有MS83。所述计算MS83的负载情况，包括：计算每个Relay82负载情况，如果采用满负载业务模型，则每个Relay82的负载可以等效为接入Relay82的所有MS83的平均吞吐量，即可以简化为计算MS83平均吞吐量。

进一步的，所述BS81，还用于从小区内所有的MS83中，区分出通过Relay82接入的MS83。

具体的，根据MS83位置，SINR等信息将小区内所有MS83分类为BS81接入的集合M_BS、或者Relay82接入的集合M_RS。其中所述M_RS包含Relay82接入的所有MS83。

进一步的，所述BS81，还用于判断预设时间是否到达，如果到达则计算小区内每个Relay82覆盖的所有MS83的负载情况，或者从小区内所有的MS83中，区分出通过Relay82接入的MS83；否则保持Relay82的带宽资源。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种无线中继场景下频率复用的方法，其特征在于，所述方法包括：

根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱；

计算小区内每个中继(Relay)覆盖的所有移动台(MS)的负载情况，并上报给基站(BS)；

BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，并对MS进行调度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况之前，还包括：从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱之后，还包括：判断预设时间是否到达，如果到达则计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，或者从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS；否则保持Relay的带宽资源。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述小区中的场景参数包括：小区的中继数目、位置、帧结构、及小区用户统计特性。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，包括：

BS对所有Relay依据负载情况进行排序；根据最轻负载的Relay的负载系数计算出每个Relay的相对负载系数；根据相对负载系数计算出每个Relay分配到随机接入频谱的概率值，为概率值高的Relay分配随机接入频谱。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对MS进行调度具体为：采用比例公平调度算法对MS进行调度。

7.一种无线中继场景下频率复用的系统，其特征在于，所述系统包括：BS、Relay和MS，其中，

所述BS，用于根据小区中的场景参数，为小区预分配中心频谱、边缘频谱和随机接入频谱，根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，并对MS进行调度；

所述Relay，用于计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，并上报给BS。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述BS，还用于从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述BS，还用于判断预设时间是否到达，如果到达则计算小区内每个Relay覆盖的所有MS的负载情况，或者从小区内所有的MS中，区分出通过Relay接入的MS；否则保持Relay的带宽资源。

10.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述小区中的场景参数包括：小区的中继数目、位置、帧结构、及小区用户统计特性。

11.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述BS根据所有Relay的负载情况，为Relay分配随机接入频谱，包括：

BS对所有Relay依据负载情况进行排序；根据最轻负载的Relay的负载系数计算出每个Relay的相对负载系数；根据相对负载系数计算出每个Relay分配到随机接入频谱的概率值，为概率值高的Relay分配随机接入频谱。

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