CN103298126B - 一种td-lte集群通信系统的动态信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于TD-LTE集群通信系统的动态信道分配方法。当语音类调度业务发起呼叫却无足够资源传输时，查看系统中有无正在传输普通类数据业务的RB，如果存在，则选择正在传输普通类数据业务且信道质量好的RB进行抢占。同时，在群组成员集体协同行动时，本群组内成员所处环境类似，在信道资源质量满足的情况下可以尽可能多的人共享此RB，可有效降低调度业务阻塞率，并且对被抢用户的影响降到最低。保证了军队、消防、政府部门在指挥调度，协同行动需要发起调度业务时，其重要功能的实现。

Description

一种TD-LTE集群通信系统的动态信道分配方法

技术领域

本发明涉及TD-LTE集群通信技术领域，具体是一种基于TD-LTE集群通信系统动态信道分配方法。

背景技术

TD-LTE系统下行采用正交频分复用(OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术,上行采用基于DFT的OFDM(DFT-s-OFDM,DiscreteFourierTransform-spreadOFDM)技术，系统将资源的最小分配单位为资源块RB(RB,ResourceBlock)：频域连续的12个子载波以及时域7个OFDMA符号(常规CP),示意图见图1。TD-LTE帧结构如图2，其10ms的无线帧包含两个半帧，半帧的长度均为5ms。TD-LTE系统可以根据业务需求灵活配置上下行资源比例，帧结构分为了5ms与10ms周期两种。特殊子帧由DwPTS、GP、UpPTS组成。

集群系统现有动态资源分配方法，侧重点在于根据不同业务进行优先级划分。中国专利申请201010279852.0公开了，基站根据当前下行信道资源的质量等级进行资源分配。此方法在资源充足条件下效果较好，在资源匮乏情况下，高优先级业务发起也无法得到可用资源，从而产生掉话。中国专利申请201010280601.4公开了，由系统为用户划分不同优先级，当有业务到达，基站根据系统现有资源数目以及用户优先级高低，计算出用户所需RB数，根据用户优先级高低顺序，由高到低顺序分配RB。此方法与专利申请201010279852.0类似，在资源匮乏情况下，高优先级用户也无法得到可用资源。中国专利申请200510093036.X中，提出了抢占资源算法。将呼叫分为优先级呼叫以及普通呼叫，当无可用资源时，可任选一普通呼叫进行资源释放，释放资源供优先级呼叫使用。但是由于选择随机性，可能使得系统容量降低，当借用语音类业务时会导致实时性业务掉话。

发明内容

为解决现有技术中存在的系统容量降低，实时性业务掉话等技术问题，本发明根据TD-LTE集群通信系统业务特点设计一种TD-LTE集群通信系统的动态信道分配方法，用来保证集群调度业务的实现。

当资源紧张，语音类调度业务发起但没有足够资源时，查看系统中有无正在使用RB资源的普通类数据业务，由于调度业务的重要性以及数据类业务的非实时性，使得语音调度类业务可以抢占普通类数据业务资源以保证其重要功能实现。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，一种TD-LTE集群通信系统动态信道分配方法，用户UE发起语音类调度业务会话请求，UE在完成随机接入以及RRC连接后，由集群通信系统核心网完成用户鉴权、创建会话响应请求并检查业务的PCC规则以及抢占能力信息单元PCIE信息；eMME发送指示消息，指示E-NodeB为用户分配上行资源，建立请求，以及指示E-NodeB为用户分配下行资源，建立请求；E-NodeB收到eMME指示消息后，若系统中有足够信道资源进行语音类调度业务传输，则对用户进行信道资源分配；若系统中没有足够资源进行语音类调度业务传输，eMME确定主抢用户和被抢占信道资源的对象，向该对象发送释放资源命令，命令其释放部分或全部普通类数据业务资源；更新S1接口无线承载，被抢占信道资源的普通类数据业务释放RB资源；释放的资源由主抢用户的语音类调度业务使用，用于语音类调度业务传输，主抢用户更新自身资源情况，当满足LTE系统最低要求的QPSK调制条件，即使得语音类调度业务满足公式：要求，可进行QPSK编码调制，抢占结束，其中,p_k，n为用户k在占用资源块n时系统所分配的功率，W为每个资源块RB占用的带宽，h_k，n为用户k经历的信道增益，N₀为高斯白噪声功率谱密度。

其中，可设置语音类调度业务优先级高于普通类数据业务优先级,当语音类调度业务抢占普通类数据业务资源时，选择优先级最好的RB占用

系统首先会检查用户承载中的抢占能力信息单元PCIE(PreemptionCapabilityIE)是否具备抢占能力，如果PreemptionCapabilityIE设置为可以触发抢占，那么E-eNodeB会找到一个被抢占信息单元PVIE(PreemptionVulnerabilityIE)为可以被抢占的业务承载，并释放其承载，PreemptionCapabilityIE设置为可以触发抢占的业务建立业务承载。系统中，根据上述要求预先设置语音类调度业务的PCIE，设置普通类数据业务的PVIE。

本发明针对集群系统的主要特点，用户在执行任务、抢险救灾、军事部门调度指挥等，常常在较短时间内聚集，使得某一小区在短时间内成为热点，造成资源紧张，产生较高的阻塞率。本发明提出的动态信道资源分配方法，有效的降低了调度业务的阻塞率，保证了其在集群系统中重要功能的实现。同时，有效降低了对被抢占资源的用户的影响。

附图说明

图1本发明所涉及的TD-LTE系统帧结构；

图2本发明所涉及的RB示意图；

图3本发明所涉及的TD-LTE集群通信系统的接入网、核心网结构图；

图4本发明的实现方法流程图；

图5本发明的语音类调度业务信令流程图；

图6本发明的强占算法信令流程图。

具体实施方式

本发明适用于TD-LTE集群通信系统。TD-LTE集群通信系统接入网、核心网如图3所示。在TD-LTE集群通信系统中，接入网与核心网主要网络实体为：增强型基站(EvolvedeNodeB,E-eNodeB)、增强型移动管理实体(EvolvedMoveManagementEntity,eMME)、服务网关(ServiceGateway,S-GW)、增强型归属签约用户服务器(EvolvedHomeSubscriberServer,eHSS)、分组数据网络网关(PacketDateNetworkGateway,P-GW)、调度网关(DispatchGateway,D-GW)等，以此系统对本发明的实施作进一步具体描述。

在接入网部分，E-eNodeB成为接入网中唯一节点，其在eNodeB节点之上增加了无线集群调度功能模块(RadioTrunkingDispatchFunction,RTDF)成为了E-eNodeB，E-eNodeB与eMME的接口为S1接口，与S-GW接口为S1-U接口。核心网部分主要由以下节点构成，eMME、eHSS、S-GW、PCRF、P-GW、D-GW等，其中eMME与eHSS为S6a接口，与D-GW为D1接口。eHSS与D-GW为D6a接口，与PCRF为Sp接口。S-GW与P-GW为S5接口。

由于TD-LTE系统采取了链路自适应(AdaptiveModulationCoding,AMC)技术，其支持QPSK，16-QAM，以及64-QAM三种调制方式。QPSK低阶调制能允许较高的干扰，但是QPSK的传输速率较低。较高阶的调制能提供更高的传输速率，但是却对信道质量要求较高，且容易出错。由于集群通信系统属于无线通信系统，因此时变性强是其一个重要特点。一方面，在抢占资源时，先根据公共参考信号进行测量，主抢用户选择质量好的RB进行抢占，但是主抢用户很可能在较短时间内就在该RB上的信道增益变差。另一方面，由于集群系统中用户运动的群体性，很有可能用户下一阶段运动离开原有小区，导致了抢占资源无法正常使用。因此，如果抢占资源使用了高阶调制的话，很有可能导致大量资源的浪费，同时由于高阶调制对资源要求较高，势必要抢占更多资源，使得被抢数据业务的时延上升较明显。因此，在主抢用户抢占资源时，只需要满足LTE系统最低要求的QPSK调制条件，QPSK调制方式即可满足调度类语音业务的速率需求，同时将资源浪费的可能性降低，也减少对数据业务的影响。借出RB的数据业务降速或者进入缓存待有资源时进行传输。

当资源紧张，语音类调度业务发起但没有足够资源时，查看系统中有无正在传输的普通类数据业务，由于调度业务的重要性以及数据类业务的非实时性，使得语音调度类业务可以抢占普通类数据业务资源以保证其重要功能实现。TD-LTE系统采用AMC方式，同时为了避免系统内资源浪费，并且对被抢占资源用户影响降到最低，使得资源的强占只要使得语音类调度业务可进行最低编码调制QPSK即可。由用户终端对下行公共参考信号进行测量，得知该时刻的下行信道质量，检测完毕之后，终端将信道质量信息以信道质量指示(ChannelQualityIndicator，CQI)反馈给基站，基站根信道质量，选择信道增益高并且用户普通类数据业务传输的RB进行抢占，借出RB的数据业务降速或者进入缓存待有资源时进行传输。

图4为本发明的实现方法流程图。

TD-LTE集群通信系统动态信道分配方法，包括如下步骤：

步骤一：语音类调度业务发起，UE在完成随机接入以及RRC连接后，由集群通信系统核心网部分完成用户鉴权、创建会话响应请求以及通过预定义策略控制和计费信息规则(PolicyControlandCharging，PCC)规则，以及判断该业务承载是否具有抢占能力。

步骤二：eMME发送指示消息，指示E-NodeB为用户分配上行资源，指示E-NodeB为用户分配下行资源，建立请求。即eMME向E-NodeB发送初始上下文建立请求以及集群上下文建立请求，指示E-NodeB为用户分配上下行链路资源；

步骤三：E-NodeB收到eMME消息后，若有足够资源则进行常规情况下的资源分配；

步骤四：若系统无足够资源进行语音类调度业务传输，eMME在系统中寻找被抢占信息单元(PreemptionVulnerabilityIE,PVIE)设置为可以触发抢占的数据业务承载，令其释放部分或全部普通类数据业务资源；

步骤五：更新S1接口无线承载，释放的资源用于语音类调度业务所用。当语音类调度业务抢占普通类数据业务资源时，选择信道质量好的RB占用，这样可在抢占尽量少RB情况下达到QPSK调制所需要的条件。进一步，语音类调度业务的抢占能力信息单元(PreemptionCapabilityIE,PCIE)设置为是，表示可以抢占。普通类数据业务的PreemptionVulnerabilityIE设置为是，表示可以被抢占。

抢占RB满足进行QPSK调制的要求具体包括：

在TD-LTE系统下，用户总数K以及总RB数目为N时，根据香农公式，系统总容量为：

$\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N_{total}}{\Σ}}{c}_{k,n}\frac{B}{N}{\log }_2(1+\frac{p_{k,n}{h}_{k,n}^2}{N_0\frac{B}{N}})---\left(1\right)$

其中，当资源块n由用户k所占用时，c_k，n＝1，否则c_k，n＝0。B为系统总带宽，N_total表示系统中总RB数。p_kn为用户k在占用资源块n时系统所分配的功率，由于TD-LTE系统中资源最小分配单位为RB，每个RB占用的带宽为W＝B/N_total为180KHz。h_kn ²为用户k经历的信道增益。根据信噪比定义：

$\frac{S}{N}=\frac{\left(E_b{R}_b\right)}{\left(N_{0}W\right)}=\frac{E_b}{N_0}\frac{R_b}{W}---\left(2\right)$

其中，E_b为用户k平均比特能量，N₀为白噪声功率谱密度。Rb比特速率，W为RB带宽，为180KHz。根据表述，Eb/N₀为比特信噪比，f＝Rb/W为频谱效率，等于处理增益G的倒数，QPSK调制下f＝1。

$E_b=\frac{S}{R_k}=\frac{\underset{n\∈k}{\Σ}{p}_{kn}{h_{k,n}}^2}{R_k}---\left(3\right)$

根据(2)、(3)式带入(1)式并结合信噪比要求，QPSK调制需满足下述要求：

$\frac{2\left({\underset{n\∈k}{\Σ}}^{\frac{R_{k,n}}{10}}\right)}{\underset{n\∈k}{\Π}(1+R_{k,n})}\≥1---\left(4\right)$

其中由于进行QPSK调制时信噪比需要达到一定要求，才能正确在接收端进行解调等，公式(4)表达了调度业务抢占RB资源时，进行QPSK调制所需条件。可见，其与p_kn，以及h_kn ²等参数有关，在p_kn与h_kn较大时，所需抢占资源少，反之亦然。

图5为本发明的语音类调度业务信令流程图。调度业务发起信令流程包括以下步骤：

1-2.完成用户设备(UserEquipment,UE)随机接入过程；

3-8.完成无线资源控制(RadioResourceControl,RRC)的连接建立过程；

9.主叫用户通过E-NodeB的向eMME发送集群调度呼叫建立请求消息；

10-11.eMME与eHSS进行交互，对主叫用户进行鉴权并请求用户信息；

12-13.eMME向S-GW发送创建集群会话请求消息,S-GW分配承载资源，并向P-GW发送创建集群会话请求消息。P-GW收到创建集群会话请求消息后，会与PCRF、eHSS进行交互，请求预定义的策略控制和计费信息规则(PolicyControlandCharging，PCC)，如果业务类型标识为语音类调度业务，则可为此调度业务实行资源抢占；

14.P-GW分配承载资源，向S-GW返回创建集群会话响应消息；P-GW向S-GW返回创建集群会话响应消息时会携带抢占请求消息；

15.S-GW向eMME返回创建集群会话响应消息，同时携带强占请求消息；

16.eMME向E-eNodeB1发送初始上下文建立请求，指示E-eNodeB1为主叫用户分配上行链路资源。若有足够资源，则进行正常资源分配。若无足够资源，则根据本专利提出方法进行资源抢占。

17-20.建立无线承载；

21.E-eNodeB1向eMME发送初始上下文建立响应消息；

22.eMME向S-GW发送更新集群承载请求消息；

23.S-GW向eMME发送更新集群承载响应消息，确认S1承载建立完成；

24.eMME向E-eNodeB2发送集群上下文建立请求消息，同时携带强占请求消息。指示E-eNodeB2为组内用户分配下行链路共享资源；

25.E-eNodeB2根据eMME的指示分配下行链路共享资源。若有足够资源，则进行正常资源分配。若无足够资源，则进行资源抢占；

26.E-eNodeB2完成资源分配后在其所包含的每个小区中周期性广播组呼通知消息；

27.E-eNodeB向eMME发送集群上下文建立响应消息；

28-29.eMME接收到任意一个E-eNodeB发送的集群上下文建立响应消息后，随即向S-GW发送更新承载请求消息；S-GW更新承载，并向eMME发送更新承载响应消息；

30-32.eMME通过E-eNodeB1向UE1发送话权授权提示；

33-34.eMME通过E-eNodeB2向UE2发送话权占用提示。

如图6所示为抢占信令流程图。当现有资源无法满足语音类调度业务需求，进行资源抢占。

a1.E-eNodeB1向eMME发送资源抢占请求；

a2.eMME核查当前占有资源的普通类数据业务，根据算法决定被抢占对象；eMME向E-eNodeB发送集群上下文修改请求消息；

a3-a6.E-eNodeB根据指示与被抢占用户进行交互，更新或者删除该用户的无线承载；

a7.E-eNodeB向eMME返回集群上下文修改响应；

a8-a9.更新S1承载；

a10.eMME向E-eNodeB发送初始上下文建立请求；为抢占用户重新分配资源。

本发明所列举的实施方式如上所述，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的一个案例，并非用以限定本发明。在不背离本发明精神以及实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明在实施的形式上或细节上做出各种相应的修改和变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利保护书所界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种TD-LTE集群通信系统动态信道分配方法，其特征在于:用户UE发起语音类调度业务会话请求，UE在完成随机接入以及RRC连接后，由集群通信系统核心网完成用户鉴权、创建会话响应请求并检查业务的PCC规则以及抢占能力信息单元PCIE信息；eMME发送指示消息，指示E-NodeB为用户分配上行资源，建立请求，以及指示E-NodeB为用户分配下行资源，建立请求；E-NodeB收到eMME指示消息后，若系统中有足够信道资源进行语音类调度业务传输，则对用户进行信道资源分配；若系统中没有足够资源进行语音类调度业务传输，eMME确定被抢占信道资源的对象，向该对象发送释放资源命令，命令其释放部分或全部普通类数据业务资源；更新S1接口无线承载，被抢占资源的普通类数据业务释放RB资源；释放的资源由主抢用户的语音类调度业务使用，用于语音类调度业务传输，主抢用户更新自身资源情况，当语音类调度业务满足公式：要求，进行QPSK编码调制，抢占结束，其中,p_kn为用户k在占用资源块n时系统所分配的功率，W为每个资源块RB占用的带宽，h_kn为用户k经历的信道增益，N₀为高斯白噪声功率谱密度。

2.根据权利要求1所述的动态信道分配方法，其特征在于，设置语音类调度业务优先级高于普通类数据业务优先级,当语音类调度业务抢占普通类数据业务资源时，选择优先级最好的RB占用。