CN103281695A - 一种多跳中继网络频谱规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多跳中继网络频谱规划方法，针对OFDMA多跳中继网络，综合考虑用户的速率需求、信道质量和干扰情况，以能效为优化目标提供一种基于能效的动态频谱规划方法。本发明在保证用户速率需求的情况下能够降低总发射功率，提高能量使用效率，并且对用户不均匀分布场景有较强的适应性。

Description

一种多跳中继网络频谱规划方法

所属技术领域

本发明涉及无线通信，具体涉及含中继的下一代蜂窝移动通信网络的无线资源管理方法。

背景技术

随着移动通信业的迅猛发展，下一代移动通信系统需要更高的速率，更广泛的信号覆盖及更大的移动性。中继技术能扩大小区覆盖面积，并提高小区边缘用户服务质量，已经被IEEE802.16j/m标准和3GPP LTE-Advanced标准所采纳。频谱规划是在基于OFDMA的传统网络中引入中继后不能回避的问题。在传统OFDMA网络中，一个小区内的全部子载波都供基站到用户链路使用。而在OFDMA中继网络中，全部资源一部分供基站到用户的直传链路使用，还必须留有一部分供基站到中继站链路和中继站到用户链路使用。频谱规划就是解决小区内全部资源如何分配给三种链路有效使用的问题。

无线中继网络中，各个链路共同使用系统频谱资源，频谱的使用方法有两种：一种是完全正交，另一种是完全复用。完全正交是指系统为小区内各条链路分配不同的OFDMA子载波。完全复用是指在小区内不同的链路可以使用完全相同的子载波，然后用控制功率的方法避免干扰。完全正交可以避免小区内干扰的产生，但是却减少了小区内可以使用的子载波资源，降低频谱效率。而完全复用虽然增加了小区内可用的子载波，提高系统的频谱效率，但是却不可避免的产生严重的小区内干扰，尤其对小区边缘用户干扰严重，间接地限制了频谱效率的提升。因此，部分复用作为两者的折中方案得到了广泛的关注和认可。

现有的部分复用频谱规划可以分为静态规划和动态规划。静态的频谱规划在系统投入使用前先把频率规划完成，使用中不改变已经规划了的频谱。静态的部分复用策略的优势是系统没有额外的信令开销，各个链路都在固定的频谱区域内使用资源。但缺点是缺乏灵活性，不能保证资源的有效利用，可能引起某个链路上资源过度使用，而同时另一个链路上仍有空闲资源，对于用户分布不均匀或业务分布不均匀的情况适应性不强。动态的频率复用策略在每个单位时间都进行一次频谱规划，虽然增加系统的信令开销，但却使系统内的资源能够有效的分配到各个链路上。现有的动态频谱规划发明都是以最大化吞吐量或均衡频谱效率和用户公平性为目标进行频谱规划。移动通信是高耗能行业之一，节能具有重要的意义。而目前的频谱规划方法都没有以节能为目标进行动态规划。因此，本发明以能效为目标为OFDMA多跳中继网络提供一种基于能效的动态频谱规划方法。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种基于能效的OFDMA中继网络频谱规划方法，使之达到节能的目的。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

1、一种多跳中继网络频谱规划方法，对正交频分多址OFDMA时分双工中继网络下行链路进行基于能效的频谱规划，包含如下手段：

(1)：时间域划分为两个时隙，第一时隙用于基站到中继站链路和基站到用户链路，第二时隙用于基站到用户链路和中继站到用户链路;系统频带分成N个子载波;在第一时隙，只有基站发送数据，基站使用全部N个子载波与中继站和用户通信;在第二时隙，基站和中继站同时发送数据，基站用较小的功率使用全部N个子载波与用户通信，每个小区中继站的个数为k，系统全部N个子载波分成k个正交的子集N₁,N₂…N_k，中继站分别使用正交子集N₁,N₂…N_k内的子载波资源与中继转发用户通信;

(2)：用户接入链路时，被分成中继转发用户和直传用户两组;进一步地,将直传用户分成内域直传用户和外域直传用户，内域直传用户为与基站间信道条件较好的直传用户，基站使用较小的功率在第二时隙与其通信;外域直传用户为与基站间信道条件较差的直传用户，基站使用较大的功率在第一时隙与其通信;

所述将直传用户分成内域直传用户和外域直传用户采用基于能效的直传用户分组方式,即:以能效最大为准则建立全部2N个子载波分配给两个时隙所有与基站直接通信站点的模型，得到包括中继站和用户在内的每个站点所需要的子载波数量和功率;其中基站到中继站链路必须在第一时隙传输，把所有直传用户按照功率需求由小到大排序，取子载波需求个数和为N的前面低功率需求用户为内域直传用户在第二时隙传输，剩余直传用户为外域直传用户在第一时隙传输;

在第一时隙，基站使用全部子载波N与中继站和用户通信，当小区内无子载波复用情况，基站可使用较大功率传输;在第二时隙，基站使用全部子载波N与用户通信，同时中继站分别使用全部子载波的一部分与用户通信;当小区内的子载波存在复用情况，基站需使用较小的功率传输以降低小区内的同频干扰;基站在两个时隙中可用子载波总的资源为2N，需要传输的站点有所有直传用户和k个中继站；

(3)：对第二时隙中继站到用户链路正交部分各个中继的频谱进行动态的规划:根据各个中继用户到所选中继的链路质量，以能效最大化建立优化模型，求取每个中继转发用户所需的子载波个数;最后分别对与每个中继站通信的用户所需子载波个数进行累加，即得到k个个中继站的子载波集合N₁,N₂…N_k。

采用本发明方法，可以在满足用户服务质量的条件下，降低系统使用的总能量，提高系统能量的使用效率，并且对用户不均匀分布有较强的适应性，与用户均匀分布场景相比，性能没有明显下降。

附图说明如下：

图1为本发明的小区结构和下行子帧结构图。

图2为本发明频谱复用示意图。

图3为本发明在中继站个数k=3时的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构作进一步的详述。

第一步：如图1所示，时间域划分为两个时隙，第一时隙用于基站到中继站链路和基站到用户链路，第二时隙用于基站到用户链路和中继站到用户链路。系统频带分成N个子载波。在第一时隙，只有基站发送数据，基站使用全部N个子载波与中继站和用户通信。在第二时隙，基站和中继站同时发送数据，基站用较小的功率使用全部N个子载波与用户通信，每个小区中继站的个数为k，系统全部N个子载波分成k个正交的子集N₁,N₂…N_k，以k=3为例，即每个小区配置3个中继站时，系统全部N个子载波分成3个正交的子集N₁、N₂、N₃，中继站分别使用正交子集N₁、N₂、N₃内的子载波资源与中继转发用户通信。

第二步：用户申请接入后，系统首先为用户选择接入链路，把用户分成中继转发用户和直传用户两组。由于基站在两个时隙都可以与直传用户通信，所以将直传用户分成内域直传用户和外域直传用户，内域直传用户为与基站间信道条件较好的直传用户，基站使用较小的功率在第二时隙与其通信。外域直传用户为与基站间信道条件较差的直传用户，基站使用较大的功率在第一时隙与其通信。

(1)用户接入链路选择

用户申请接入后，系统首先为用户进行路径选择，以确定用户接入的站点。本发明使用大尺度衰落算法为用户选择接入路径，依据用户的路径选择结果把用户分成中继转发用户和直传用户。

(2)直传用户分组

本发明把直传用户分成内域直传用户和外域直传用户，分别在不同的时隙与基站通信。在第一时隙，基站使用全部子载波N与中继站和用户通信，小区内无子载波复用情况，基站可使用较大功率传输。在第二时隙，基站使用全部子载波N与用户通信，同时中继站分别使用全部子载波的一部分与用户通信，小区内的子载波存在复用情况，基站需使用较小的功率传输以降低小区内的同频干扰。基站在两个时隙中共可用子载波资源为2N，共需要传输的站点有所有直传用户和三个中继站。本发明所提出的内域与外域直传用户策略的思路是：以能效最大为准则建立全部2N个子载波分配给两个时隙所有与基站直接通信站点的模型，得到每个站点(包括中继站和用户)需要的子载波数量和功率。其中基站到中继站链路必须在第一时隙传输，把所有直传用户按照功率需求由小到大排序，取子载波需求个数和为N的前面低功率需求用户为内域直传用户在第二时隙传输，剩余直传用户为外域直传用户在第一时隙传输。

以能效最大为准则建立全部2N个子载波分配给两个时隙所有与基站直接通信站点的模型即基于能效最大化的直传用户分组策略的优化模型可以表示为：

约束条件为：

$C1:\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{N}_m\≤2N$

变量为：N_m。

其中，

是基站到站点m在中心子载波的信道增益，R_m为站点m的速率需求，N_m表示为站点m分配的子载波个数。函数SINR(x)表示在一个子载波上传输x个比特数据的信干噪比需求。

表示大于x的最小整数。I_m为站点m所受的来自其他站点（基站和中继站）的同频干扰，N₀表示加性高斯白噪声。

约束条件C1的意义为：所使用的子载波数目不能超过两个时隙总的子载波数2N。

对上述优化模型求解后，得到每个站点(包括中继站和用户)需要的子载波数量和功率。其中基站到中继站链路必须在第一时隙传输，把所有直传用户按照功率需求由小到大排序，取子载波需求个数和为N的前面低功率需求用户为内域直传用户在第二时隙传输，剩余直传用户为外域直传用户在第一时隙传输。

第三步：对第二时隙中继站到用户链路正交部分各个中继的频谱进行动态的规划，以能效最大化为准则确定三个子集N₁、N₂、N₃分别占有多少子载波资源。

在图2所示的两跳中继系统部分复用的帧结构中，对第二时隙中继站到用户链路正交部分各个中继的频谱进行动态的规划，确定三个子集N₁、N₂、N₃分别占有多少子载波资源。所提算法的主要思路是：根据各个中继用户到所选中继的链路质量，以能效最大化建立优化模型，求取每个中继转发用户所需的子载波个数。最后分别对与每个中继站通信的用户所需子载波个数进行累加，即得到每个中继站的子载波集合N₁、N₂、N₃。

基于能效最大化的中继站频谱规划的优化模型可以表示为：

约束条件为：

$C1:\underset{k=1}{\mathrm{\Σ}}{N}_k\≤N$

变量为：N_k。

约束条件C1的意义为：所使用的子载波数目不能超过系统总的子载波数N。

对上述优化问题求解后，分别对与每个中继站通信的用户所需子载波个数进行累加，即得到每个中继站的子载波集合N₁、N₂、N₃。

仿真实验：

实验结果表明，在满足用户服务质量的条件下，本发明比基于信道信息和静态均分算法使用了更少的能量，提高系统能量的使用效率，并且对用户不均匀分布有较强的适应性，与用户均匀分布场景相比，性能没有明显下降。

仿真实验对比算法有三种：一是静态均分频谱规划算法，即系统中的子载波均分给k个中继站(N₁=N₂=…N_k=N/k)，二是基于信道信息的频谱规划算法，三是本发明所提算法。仿真中假设用户的速率需求相同，设置为60Kbit/s，使用用户数量的变化来反映系统负载程度的不同。分别使用了用户均匀分布和用户非均匀分布两个场景，均匀分布场景中用户均匀散落在小区内部，非均匀分布场景80%的用户均匀分布小区内部，20%的用户集中分布在其中一个中继站。仿真采用19个小区，每个小区中继站的个数k=3，基站-基站距离为1.5Km，基站-中继站距离为3/8×1.5Km。基站和中继站的最大发射功率分别为46dBm和38dBm。载波频率为3.5GHz，每个小区有128个子载波，每个子载波的带宽为15KHz。基站-中继站链路的路径损耗模型采用Recommendation ITU-RM.1225，阴影衰落3.4dB。基站-用户和中继站-用户链路的路径损耗模型采用IEEE802.16j EVM Type D，阴影衰落8dB。

在两种场景中，随着小区内用户数的增加，总功率都随之增大。当功率达到系统最大发射功率时，即使用户数增加，功率也趋于恒值。三种算法中，本发明消耗的总功率最小，静态均分频谱规划策略由于没有考虑用户的信道信息，只是均分了频谱资源，所以消耗的总功率最大。用户非均匀分布场景下，对用户分布适应性较强的本发明和基于信道信息的频谱规划算法，消耗的总功率较之用户均匀分布场景变化不大。

三种算法中，本发明是以能效最大为目标为各个中继分配子载波资源，所以其能效最大。而静态均分方案完全没有考虑用户的信道信息，所以其能效也最小。对于静态均分方案，用户非均匀分布场景的能效比用户均匀分布场景的能效下降较明显。而对于本发明和基于信道信息方案，用户非均匀分布场景的能效与用户均匀分布场景的能效没有明显变化。

Claims (3)

1.一种多跳中继网络频谱规划方法，对正交频分多址OFDMA时分双工中继网络下行链路进行基于能效的频谱规划，包含如下手段：

(1)：时间域划分为两个时隙，第一时隙用于基站到中继站链路和基站到用户链路，第二时隙用于基站到用户链路和中继站到用户链路;系统频带分成N个子载波;在第一时隙，只有基站发送数据，基站使用全部N个子载波与中继站和用户通信;在第二时隙，基站和中继站同时发送数据，基站用较小的功率使用全部N个子载波与用户通信，每个小区中继站的个数为k，系统全部N个子载波分成k个正交的子集N₁,N₂…N_k，中继站分别使用正交子集N₁,N₂…N_k内的子载波资源与中继转发用户通信;

(2)：用户接入链路时，被分成中继转发用户和直传用户两组;进一步地,将直传用户分成内域直传用户和外域直传用户，内域直传用户为与基站间信道条件较好的直传用户，基站使用较小的功率在第二时隙与其通信;外域直传用户为与基站间信道条件较差的直传用户，基站使用较大的功率在第一时隙与其通信;

所述将直传用户分成内域直传用户和外域直传用户采用基于能效的直传用户分组方式,即:以能效最大为准则建立全部2N个子载波分配给两个时隙所有与基站直接通信站点的模型，得到包括中继站和用户在内的每个站点所需要的子载波数量和功率;其中基站到中继站链路必须在第一时隙传输，把所有直传用户按照功率需求由小到大排序，取子载波需求个数和为N的前面低功率需求用户为内域直传用户在第二时隙传输，剩余直传用户为外域直传用户在第一时隙传输;

在第一时隙，基站使用全部子载波N与中继站和用户通信，当小区内无子载波复用情况，基站可使用较大功率传输;在第二时隙，基站使用全部子载波N与用户通信，同时中继站分别使用全部子载波的一部分与用户通信;当小区内的子载波存在复用情况，基站需使用较小的功率传输以降低小区内的同频干扰;基站在两个时隙中可用子载波总的资源为2N，需要传输的站点有所有直传用户和k个中继站；

(3)：对第二时隙中继站到用户链路正交部分各个中继的频谱进行动态的规划:根据各个中继用户到所选中继的链路质量，以能效最大化建立优化模型，

求取每个中继转发用户所需的子载波个数;最后分别对与每个中继站通信的用户所需子载波个数进行累加，即得到k个中继站的子载波集合N₁,N₂…N_k。

2.根据权利要求1所述之一种多跳中继网络频谱规划方法，其特征在于，步骤(3)中的各个中继站的频谱进行动态的规划采用基于能效的频谱规划方式，即：对第二时隙中继站到用户链路正交部分各个中继的频谱进行动态的规划，确定k个子集N₁,N₂…N_k分别占有多少子载波资源；即：根据各个中继用户到所选中继的链路质量，以能效最大化建立优化模型，求取每个中继转发用户所需的子载波个数。最后分别对与每个中继站通信的用户所需子载波个数进行累加，即得到每个中继站的子载波集合N₁,N₂…N_k。

3.根据权利要求1或2所述的一种多跳中继网络频谱规划方法，其特征在于，小区中继站的个数为k为3或6，中继站正交使用系统总频谱资源N，或优选地定义内域直传用户和外域直传用户或把用户区分成内域直传用户和外域直传用户。

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