一种功率分配方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术,尤其涉及一种功率分配方法及装置。
背景技术
现代无线通信进入4G(The4tr Generation,第四代移动通信)时代,随着语音、视频、网页浏览、文件传输和多媒体应用等多种业务的普及,用户的QoS(Quality ofService,业务质量)要求呈现出多样化、差异化的特点。所以在LTE系统中如何保证业务的QoS要求非常重要。
3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代移动通信标准化组织)LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目的主要性能目标包括:在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率;改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms;并可灵活配置1.25MHz到20MHz多种带宽,LTE中信道带宽及相关资源配置情况如表1所示,一个RB(资源块)中包含12个子载波。
表1LTE信道带宽情况
信道带宽(MHz) |
1.4 |
3 |
5 |
10 |
15 |
20 |
RB数 |
6 |
15 |
25 |
50 |
75 |
100 |
采样率(MHz) |
2.304 |
4.608 |
7.68 |
15.36 |
23.04 |
30.72 |
在频分双工(FDD)模式下,帧结构如图1所示。在这种情况下,1帧数据包含10个子帧(即TTI)(Transmission Time Interval,传输时间间隔),在时域上包含10ms,每个子帧由两个时隙(Time Slot)组成。
要满足LTE系统的峰值速率要求,提高系统的吞吐量,就需要减小LTE系统中的干扰,并充分利用信道信息。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex,正交频分复用)技术广泛应用于LTE系统中,因为OFDM各信道间是正交的,所以可以有效的抑制码间干扰,但是不同的小区间仍然存在着同频干扰,目前也有很多技术减小不同小区间同频干扰,如干扰随机化、干扰消除和干扰协调。除此之外,如何充分利用信道信息,提高系统的吞吐量也值得我们研究。目前的功率分配策略主要有两大类,分别是:等功率分配和注水功率分配。
等功率分配
所谓等功率分配就是无论子载波信道条件好坏,都将总功率等分在各子载波上。假设n个子载波,对应的信道衰落系数为hn,总功率为PT,则功率分配向量p=(p1,p2,…,pn),且p1+p1+…+pn=PT,p1=p1=…=pn。显然可见等功率分配并没有利用信道信息,信道容量还有很大的提升空间。
注水功率分配
在发端已知信道状态的情况,采用注水算法进行功率分配,信道条件好的子信道多分配功率,信道条件差的信道少分配功率,可以有效的提高频谱效率,提高系统的吞吐量。
对于某条链路而言,根据仙农容量公式C=wlog(1+SNR)可得容量C,其中w为信道带宽,SNR为接受端的信噪比,λ为信道增益,|h|2为信道衰落,σ2为噪声功率。
对于n个子信道的系统,系统的总容量为:
功率分配所要解决的问题就是:确定{pi},从而最大化CT。采用注水法可以很好的解决这个问题。注水功率分配如图2所示,图2中子信道i的斜线填充的部分定义为子信道的“底”,为信道增益的倒数用注水法进行功率分配时,将总功率PT注入到各子信道中,如图2中的横线标注的部分所示,每个子信道具有相同的水面高度υ。子信道i上所分配的功率所以,信道条件好的信道,即信道增益大的信道,子信道的“底”就低,从而该子信道上分配的功率也就多。而信道条件差的信道,由于“底”太高,高于水面高度,则不分配功率。这样采用注水法在总功率受限的情况,最大化了系统总容量,从而提高了频谱利用率。
假设OFDM系统信号带宽为B,划分为n=1,2,...,N个子载波,因此每个载波带宽为 表示第k个OFDM符号第n个子载波的发射功率,对应的信道衰落系数为则第k个OFDM符号的功率分配向量令每个子载波的噪声功率为σ2。在给定系统总功率Pmax约束下,最优功率分配可以表述为:
约束条件为:
利用注水法求的最优子载波发射功率为
在LTE中采用自适应编码与调制技术(AMC,Adaptive Modulation and Coding),所以为了充分利用信道带宽,需要进行迭代功率注水,对所有的子载波分配功率。但迭代功率注水的代价很高,最差情况下的计算复杂度为O(N2)。
可见,等功率分配因为不需要在发端知道信道条件信息,所以实现简单。虽然在高信噪比(SNR)时,等功率分配效果和注水功率分配相比,吞吐量差别不是很大。但是在SNR比较低时,使用等功率分配方法进行功率分配则不能充分的利用信道信息,因此其吞吐量具有很大的提升空间。
注水功率分配策略在频率选择性衰落信道中可以获得较明显的信道容量增益,但是上述的注水算法只是在频域上进行注水,如果考虑时间因素,那么信道容量可以获得更大的增益。但是必须要保证业务的QoS要求。并且采用AMC技术,为保证充分利用信道带宽,需要进行迭代注水,而迭代注水代价高,带来的延迟较大,用户体验不佳。
发明内容
本发明实施例提供一种功率分配方法及装置,以获得较大增益并提高用户体验。
一种功率分配方法,包括:
确定各用户的当前业务的时延敏感程度;
在每个时域单位中,选择当前信道条件最好的资源块RB进行功率分配,以满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输;
对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。
一种功率分配装置,包括:
确定单元,用于确定各用户的当前业务的时延敏感程度;
第一功率分配单元,用于在每个时域单位中,选择当前信道条件最好的资源块RB进行功率分配,以满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输;
第二功率分配单元,用于对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。
本发明实施例提供一种功率分配方法及装置,在进行功率分配时,首先确定各用户的当前业务的时延敏感程度,然后在每个时域单位中,选择当前信道条件最好的资源块RB进行功率分配,以满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输,进而再对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。由于优先满足了对时延较敏感的业务的传输,所以用户体验较佳,对于对时延不敏感的业务,可以通过信道条件不太好的RB进行传输,从而获得较大的增益,在保证业务QoS要求的同时,提高系统的吞吐量,从而提高能量利用率。
附图说明
图1为现有技术中LTE在FDD模式下的帧结构示意图;
图2为现有技术中注水法进行功率分配示意图;
图3为本发明实施例提供的功率分配方法流程图;
图4a为本发明实施例提供的单小区单用户场景示意图;
图4b为本发明实施例提供的单小区多用户场景示意图;
图4c为本发明实施例提供的多小区多用户场景示意图;
图5为本发明实施例提供的业务划分与功率分配的关系示意图;
图6为本发明实施例提供的通过注水窗进行功率分配的时频资源示意图之一;
图7为本发明实施例提供的通过注水窗进行功率分配的时频资源示意图之二;
图8为本发明实施例提供的通过具有两组时域单位组的注水窗进行功率分配的时频资源示意图;
图9为本发明实施例提供的业务分类示意图;
图10为本发明实施例提供的为速率受限业务进行功率分配的流程图;
图11为本发明实施例提供的保证速率受限业务后RB的使用情况示意图;
图12为本发明实施例提供的为速率非受限业务进行分类及功率分配示意图;
图13为本发明实施例提供的功率分配装置结构示意图;
图14为本发明实施例提供的单发单收场景下,不同功率分配策略的能量利用率与SNR关系图;
图15为本发明实施例提供的单小区多用户场景下,不同功率分配策略吞吐量与SNR的关系图;
图16为本发明实施例提供的单小区多用户场景下,本发明实施例提供的功率分配实现方法与其它功率注水的比较图;
图17为多小区多用户场景下,不同功率分配粗略吞吐量比较图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种功率分配方法及装置,在进行功率分配时,首先确定各用户的当前业务的时延敏感程度,然后在每个时域单位中,选择当前信道条件最好的资源块RB进行功率分配,以满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输,进而再对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。由于优先满足了对时延较敏感的业务的传输,所以用户体验较佳,对于对时延不敏感的业务,可以通过信道条件不太好的RB进行传输,从而获得较大的增益,在保证业务QoS要求的同时,提高系统的吞吐量,从而提高能量利用率。
如图3所示,本发明实施例提供的功率分配方法,包括:
步骤S301、确定各用户的当前业务的时延敏感程度;
步骤S302、在每个时域单位中,选择当前信道条件最好的资源块RB进行功率分配,以满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输;
步骤S303、对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。
时域单位可以是一个TTI,也可以根据实际情况选择合适的单位。
由于首先将信道条件最好的RB分给了对时延敏感的业务,保证了对时延敏感的业务的传输,提高了用户的体验,再通过剩下的RB和功率来进行对时延不敏感的业务的传输,获得时间增益,进而提高吞吐量。
在确定一个子帧所有RB均功率分配完成后,再依次发送已完成功率分配的各个子帧。
具体的,步骤S302中,在每个时域单位中,选择当前信道条件最好的RB进行功率分配,以满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输,具体包括:
对于每个时域单位,确定对当前时域单位上的所有RB进行等功率分配时,每个用户在每个RB上的吞吐量;
选择出数量最少的RB,使得各用户在所选择的RB上的吞吐量的和达到该用户的时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输速率;
对选择出的RB进行功率分配。
在对选择出的RB进行功率分配时,可以使用各种功率分配方法,为了更好的利用信道条件好的RB,可以对选择出的RB通过注水法进行功率分配。
进一步,当为当前时域单位上所有RB进行功率分配后,仍未满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输时,通过下一时域单位上的RB来满足剩余的时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输。
在具有多个用户时,步骤S303中,对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输,具体包括:
对各个用户进行调度;
对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现各用户的时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。
具体的,步骤S303中,对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输,具体包括:
在已进行信道条件最好的RB的功率分配且未进行剩余RB的功率分配的时域单位个数达到设定值m后,结合位于该m个时域单位之前的设定个数n的时域单位,为该m+n个时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输;
确定m+n个时域单位中的前m个时域单位完成功率分配。
进一步,对于时延敏感程度未达到设定阈值的业务,也可以根据对时延的敏感程度,优先实现对时延的敏感程度较大的业务的传输,此时,步骤S303中,对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输,具体包括:
对时延敏感程度未达到设定阈值的业务,根据各类业务的时延敏感程度划分优先级;
对应优先级从高到底的业务,分别设定注水门限值,优先级低的业务的注水门限值大于优先级高的业务的注水门限值;
在每次已进行信道条件最好的RB的功率分配且未进行剩余RB的功率分配的时域单位个数达到第i个优先级对应的注水门限值mi后,结合位于该mi个时域单位之前的设定个数ni的时域单位,从该mi+ni个时域单位中剩余的RB选择信道条件最好的RB进行功率分配,以满足当前注水门限值对应的优先级的业务的传输,并确定m+n个时域单位中的前m个时域单位完成对该优先级的业务的功率分配。
为便于计算,可以使得n=N*m,ni=N*mi,N为正整数。
在具体进行功率分配时,也可以使用注水法,共同使用注水法进行功率分配的TTI越多,功率分配的效果越好,增益越大,但其带来的时延也越大,所以可以根据所能承受的时延情况,合理确定共同使用注水法进行功率分配的TTI。
具体的,为该m+n个时域单位中剩余的RB进行功率分配,具体包括:
将该m+n个时域单位按时间顺序等分为至少两个时域单位组;
确定对每个时域单位组中的剩余RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度;
当相邻的两个时域单位组中,时间靠前的时域单位组的水面高度总是小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度时,则确定当前功率分配情况为功率分配结果;
当相邻的两个时域单位组中,存在时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度,则将满足时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度的两个相邻的时域单位组合并为一个时域单位组,重新确定对每个时域单位组中的剩余RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度,直至相邻的两个时域单位组中,时间靠前的时域单位组的水面高度总是小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度;
同样的,从该mi+ni个时域单位中剩余的RB选择信道条件最好的RB进行功率分配,具体包括:
将该mi+ni个时域单位中剩余的RB选择信道条件最好的RB以满足该优先级的业务的传输;
将该mi+ni个时域单位中所选出的RB按时间顺序等分为至少两个时域单位组;
确定对每个时域单位组中所选出的RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度;
当相邻的两个时域单位组中,时间靠前的时域单位组的水面高度总是小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度时,则确定当前功率分配情况为功率分配结果;
当相邻的两个时域单位组中,存在时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度,则将满足时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度的两个相邻的时域单位组合并为一个时域单位组,重新确定对每个时域单位组中所选出的RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度,直至相邻的两个时域单位组中,时间靠前的时域单位组的水面高度总是小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度。
进一步,可以根据实际情况设置能量存储器,当时间靠后的时域单位组的能量存储器达到最大值时,确定该时域单位分得的能量为能量存储器的最大值,并在本次功率分配中停止进行对该时域单位组的功率分配。
例如,当使用两个时域单位组进行一次功率分配时,为该m+n个时域单位中剩余的RB进行功率分配,具体包括:
将该m+n个时域单位按时间顺序等分为两个时域单位组;
确定对每个时域单位组中的剩余RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度;
当时间靠前的时域单位组的水面高度小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度时,则确定当前功率分配情况为功率分配结果;
当时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度,则对两个时域单位组中的剩余RB共同通过注水法进行功率分配,若时间靠后的时域单位组分得的能量值不超过其能量存储器的最大值,则确定当前功率分配情况为功率分配结果,若时间靠后的时域单位组分得的能量值超过其能量存储器的最大值,则确定时间靠后的时域单位组分得的能量值为其能量存储器的最大值,时间靠前的时域单位组分得两个时域单位组剩余功率和减去能量存储器的最大值后其余的能量值,并根据注水法分别为两组时域单位组中剩余RB进行功率分配。
下面,针对具体的场景对本发明实施例提供的功率分配方法进行详细说明:
本发明实施例将通过单发单收场景、单小区多用户场景、多小区多用户场景进行说明,单发单收场景如图4a所示,单小区多用户场景如图4b所示,多小区多用户场景如图4c所示,在单小区多用户场景和多小区多用户场景中用户UE均匀分布。
以下实施例在进行功率分配时,均通过时频二维注水的方式实现,调度与功率分配的最小单元是时域上的一个TTI、频域上的一个RB。
首先对系统中的业务分为两类,将时延敏感程度达到设定阈值的业务确定为速率受限业务,将时延敏感程度未达到设定阈值的业务确定为速率非受限业务,再通过注水法进行功率分配保证速率受限业务的正常传输,然后定向注水进行功率分配实现速率非受限业务的传输。
例如,对时延敏感的实时业务包括:IP电话、可视电话、网络视频点播等。因为这类业有时延要求,有速率要求,所以将这类业务称为速率受限业务。系统必须保证速率受限业务的即时传输。另一类业务对时延不是特别敏感,如网页数据检索、电子邮件等,所以将这类业务称为速率非受限业务,也就是说这类业务在传输的时候允许存在一定的时延。
在LTE系统中,业务纷繁复杂,业务的QoS要求呈现多样化和差异化的特点。3GPP定义了四种业务模型,分别是会话式业务、流媒体业务、交互式业务、后台业务。不同的业务有着不同的QoS要求。四种类型业务之间的主要区别是对传输延迟的敏感程度,其中会话类业务传输敏感程度最高,而后台类型业务是传输敏感程度最低的。四类业务类型的主要QoS要求参数如表2所示。
表2不同业务的QoS参数比较
业务类型 |
典型应用 |
数据速率特性 |
端到端延时要求 |
会话 |
IP电话,可视电话 |
稳定 |
延时小、抖动小 |
流媒体 |
网络视频点播 |
比较稳定 |
延时较小、抖动小 |
交互 |
网页浏览、网络数据检索 |
随机 |
允许一定时延 |
后台 |
电子邮件 |
随机 |
对时延不敏感 |
如图5所示,首先将业务按照其对时延的敏感程度分类,再分别保证每一类业务的QoS要求。
首先选择信道条件好的RB来保证速率受限业务的正常传输:选择信道条件好的RB时,首先等功率分配,将所有RB按照信道条件由好到坏排序,再选择信道条件较好的RB直到满足受限速率。再在选择的RB上采用注水法保证速率受限业务。如图6所示,其中斜线填充的RB已经用于保证速率受限业务,未填充的RB可以用于发送速率非受限业务。
发送速率非受限业务:设定个数的TTI中的RB共同通过注水法进行功率分配,设定个数的TTI即为注水窗口(Wate-Filling Window),注水窗口的长度由业务的QoS要求决定,在剩下的RB上,在注水窗口内,首先采用比例公平进行资源调度,在采用定向注水法进行功率分配。
如图6所示,一个注水窗包含a个Epoch(时域单位组),而每个Epoch又包含多个TTI。其中Epoch和注水窗的大小与业务的QoS要求相关。在一个注水窗内定向注水,由于能量满足时间上的因果性,所以下一个Epoch可以使用上一个Epoch的能量,但反之,上一个Epoch不能使用下一个Epoch的能量。在注水窗内完成定向注水后,依次发送Epoch1中的数据,注水窗滑向下一个Epoch。如图7所示
下面通过具体实施例分别说明各场景下的功率分配方法:
实施例一、
通常情况下,考虑在一个注水窗口由2个Epoch组成,每个Epoch有m个TTI(或子帧)。假设RB资源情况如图8所示。s为频域上RB个数,考虑系统中信道带宽为20MHz,则频域上有100个RB,即s=100。
发射端(或基站)在每个TTI上,将上层业务数据按照其对时延的敏感程度分类为速率受限业务和速率非受限业务;在注水窗口内,每个TTI上,选择当前TTI上信道条件好的RB用于保证速率受限业务,采用注水法进行功率分配策略。最后在注水窗口内才用定向注水法为发送速率非受限业务进行功率分配。然后发送Epoch1中的数据,可见每隔一个Epoch时间,进行一次功率分配,所以需要根据业务的QoS要求合理的设置Epoch的大小。
具体步骤如下:
发射端将上层的业务数据根据其对时延的敏感程度进行分类为速率受限业务和速率非受限业务。如图9所示,速率受限业务对时延比较敏感,也就说时延会对该类业务产生很大的影响,所以这些业务需要即时保证。因此首先为保证速率受限业务进行功率分配。而速率非受限业务对时延不敏感,也就是时延对这类业务的影响小,因此不需要即时发送出去。
一个注水窗口内,在每个TTI上,发射端首先保证速率非受限业务。在第i个TTI上对保证速率受限业务进行功率分配的具体步骤如图10所示,包括:
判断当前时刻i是否有速率受限业务。如果没有,则将所有的RB用于发送速率非受限业务。如果有速率受限业务,业务速率为Ri,则从当前TTI的s个RB中选择信道条件好的RB用于保证速率受限业务;
选择当前信道条件最好的RB用于保证速率受限业务。假设在i时刻所有s上等功率分配,计算每个RB上的吞吐量Ti,j,其中i表示第i时刻,j表示第j个RB,1≤j≤s。对{Ti,j}递减排序 选择信道条件最好的RB,即吞吐量最大的RB;
判断速率受限业务是否已经保证,即选出的RB的吞吐量和是否大于等于受限速率Ri。如果已经保证,则将i时刻剩下的RB用于发送速率非受限业务;如果没有保证,并且i时刻还有剩余的RB,再选择当前最好的RB,如果i时刻的RB已经全部用于保证速率受限业务,但此时i时刻仍有速率受限业务,则将剩下的速率受限业务在下一个TTI保证;
在所选的RB采用注水算法保证速率受限业务。保证速率受限业务后RB的使用情况如图11所示,斜线填充的部分表示用于保证速率受限业务的RB。
为发送速率非受限业务进行功率分配:在保证速率受限业务后,在剩下的RB上采用定向注水为速率非受限业务进行功率分配。定向注水的具体步骤如下:
统计Epoch1和Epoch2的能量值E1和E2。E1和E2分别是Epoch1和Epoch2中保证速率受限业务后剩下的能量和。E1和E2对应的功率值分别是P1和P2。每个TTI上保证速率受限业务后,剩下的功率值为p1,p2,…,pm,所以每个TTI所剩下的能量ei=pi×TTI,其中i=1,2,…,m,TTI=0.5ms。因此将时域转换到频域处理,因而又有E1=P1×TTI,所以,同样的方法可得E2和P2。
在Epoch1和Epoch2上分别采用注水法进行功率分配,得到注水后水面高度υ1和υ2。
如果υ1≤υ2,则E′1=E1,E′2=E2,其中E′1和E′2分别是定向注水功率分配后Epoch1和Epoch2上的能量值。如果υ1>υ2,说明Epoch2时刻的信道条件好于Epoch1,允许在Epoch2上使用Epoch2的能量。所以在Epoch1和Epoch2上一起注水功率分配,并计算功率分配完后的E′1和E′2。
如果E′2>Emax,由于能量存储器最大值限制,E′2=Emax,E′1=E1+E2-Emax。
根据Epoch1和Epoch2上的能量值E′1和E′2,在Epoch1和Epoch2上采用注水法进行功率分配。
实施例二、
在单发单收场景中,不存在用户间干扰,又因为采用OFDM技术,各子载波间是正交的,因此载波间干扰也可消除。
假设存在t个TTI,s个RB。Ri是用户在第i个TTI上的受限速率,λi,j是第i个TTI上第j个RB的信道增益。PT为系统总功率限制。PC用于控制信道的功率。为保证速率受限业务后的功率分配矩阵,元素pi,j为分配给第i个TTI上第j个RB的功率。保证速率受限业务功率分配的步骤为:
初始化,令
计算吞吐量{Ti,j},i=1,2,…,t,j=1,2,…,s,Ti,j=Wη=W(1-BLER)Rclog(M);
其中W为RB带宽,η为频谱利用率,BLER为误块率,Rc为采用AMC的编码速率,M为调制进数。系统采用门限法来确定调制编码技术,采用28MCS的AMC技术。Rc、M由该RB的SNR(信噪比)确定,此处的功率分配采用等功率分配。
在每个TTI上,将{Ti,j}进行由大到小排序 其中i=1,2,…,t。
在每个TTI上,找到最小的c满足:
将与{Ti,1,Ti,2,…,Ti,c}相关的RB用于保证速率受限业务。
在所选出来的c个RB上,采用注水法以最小功率保证速率受限业务Ri,得到此c个RB所分配的功率{p1,p2,…,pc}(即对应于中相应的元素的值)。
统计剩下的功率和RB用于发送速率非受限业务。
在发送速率非受限业务时,采用定向注水法。如图6所示,所谓定向注水法就是只允许能量从Epoch1流向Epoch2,即满足时间上的因果性,下一个时刻可以用上一个时刻的能量,而反过来上一时刻无法用下一时刻的能量。在保证了速率受限业务后,剩下的能量是随机到达的,同样能量大小也是随机的,所以可以设置一个能量存储器来存储这些能量,能量存储器的最大值为Emax。Epoch长度的取值根据业务的QoS要求设置。一个注水窗口由多个Epoch组成,如图6所示。发送速率非受限业务时,在一个注水窗口内,定向注水,即能量只能从前一个Epoch流向下一个Epoch。每完成一次定向注水,注水窗口在时间上滑动一个Epoch。为了简单起见,以下采用一个注水窗口包含两个Epoch进行描述说明。
统计Epoch1和Epoch2的能量值E1和E2。E1和E2分别是Epoch1和Epoch2中保证速率受限业务后剩下的能量和。E1和E2对应的功率值分别是P1和P2。
假设Epoch1中包含m个TTI。每个TTI上保证速率受限业务后,剩下的功率值为p1,p2,…,pm,所以每个TTI所剩下的能量ei=pi×TTI,其中i=1,2,…,m,TTI=0.5ms。因此将时域转换到频域处理,因而又有E1=P1×TTI,所以,同样的方法可得E2和P2。
在Epoch1和Epoch2上分别采用注水法进行功率分配,得到注水后水面高度υ1和υ2。
如果υ1≤υ2,则E′1=E1,E′2=E2,其中E′1和E′2分别是定向注水功率分配后Epoch1和Epoch2上的能量值。如果υ1>υ2,说明Epoch2时刻的信道条件好于Epoch1,允许在Epoch2上使用Epoch2的能量。所以在Epoch1和Epoch2上一起注水功率分配,并计算功率分配完后的E′1和E′2。
如果E′2>Emax,由于能量存储器最大值限制,E′2=Emax,E′1=E1+E2-Emax。
根据Epoch1和Epoch2上的能量值E′1和E′2,在Epoch1和Epoch2上采用注水法进行功率分配。
实施例三、
单小区多用户场景。
单小区多用户场景与单发单收场景在保证速率受限业务时的区别是:多用户时,所有速率受限用户的受限速率都需要保证。与单发单收场景下相比,发送速率非受限业务需要对保证了速率受限业务所剩下的RB进行资源调度,本发明实施例中采用比例公平调度。
保证速率受限业务功率分配:
同样,考虑t个TTIs个RB,系统中有m速率受限用户,n个速率非受限用户。是第k个用户在第i个TTI上的受限速率。是第k个用户在第i个TTI上第j个RB的信道增益。PT为系统总功率限制。PC用于控制信道的功率。为保证速率受限业务后的功率分配矩阵,元素pi,j为分配给第i个TTI上第j个RB的功率。是保证速率受限业务后的调度结果矩阵,元素ai,j的取值范围为0,1,2,…,m,ai,j=k表示将第i个TTI上第j个RB分配给用户k。保证速率受限业务功率分配的步骤为:
初始化,令
根据用户计算吞吐量i=1,2,…,t,j=1,2,…,s,k=1,2,…,m,T=Wη=W(1-BLER)Rclog(M);
其中W为RB带宽,η为频谱利用率,BLER为误块率,Rc为采用AMC的编码速率,M为调制进数。系统采用门限法来确定调制编码技术,采用28MCS的AMC技术。Rc、M由该RB的信噪比SNR确定,此处的功率分配采用等功率分配。
在每个TTI上,将所有的进行由大到小排序 其中i=1,2,…,t,k=1,2,…,m。
在每个TTI上,找到最小的c满足:
将与相关的RB用于保证速率受限业务,即ai,1=ai,2=…=ai,c=k。
在所选出来的c个RB上,采用传统注水法以最小功率保证速率受限业务Ri,得到此c个RB所分配的功率{p1,p2,…,pc}。(即对应于中相应的元素的值)统计剩下的功率和RB用于发送速率非受限业务。
速率非受限业务功率分配:
在保证了速率受限业务后,剩下的能量是随机到达的,同样能量大小也是随机的,所以系统中有一个能量存储器来存储这些能量,能量存储器的最大值为Emax。Epoch长度的取值与业务的QoS要求密切相关。一个注水窗口由多个Epoch组成。发送速率非受限业务时,在一个注水窗口内定向注水。每完成一次定向注水,注水窗口在时间上滑动一个Epoch。
统计Epoch1和Epoch2的能量值E1和E2。E1和E2分别是Epoch1和Epoch2中保证速率受限业务后剩下的能量和。E1和E2对应的功率值分别是P1和P2。
假设Epoch1中包含m个TTI。每个TTI上保证速率受限业务后,剩下的功率值为p1,p2,…,pm,所以每个TTI所剩下的能量ei=pi×TTI,其中i=1,2,…,m,TTI=0.5ms。因此将时域转换到频域处理,因而又有E1=P1×TTI,所以,同样的方法可得E2和P2。
对剩下的RB采用比例公平进行资源调度(PFS)。
保证速率受限业务后,资源调度矩阵为其中元素为0的所对应的RB可以用于发送速率非受限业务。当用户瞬时信道质量相对于它自己随时间的平均信道质量较高时,调度该用户。
在Epoch1和Epoch2上分别采用注水法功率分配,得到注水后水面高度υ1和υ2。
如果υ1≤υ2,则E′1=E1,E′2=E2,其中E′1和E′2分别是定向注水功率分配后Epoch1和Epoch2上的能量值。如果υ1>υ2,说明Epoch2时刻的信道条件好于Epoch1,允许在Epoch2上使用Epoch1的能量。所以在Epoch1和Epoch2上一起采用注水法进行功率分配,并计算E′1和E′2。
如果E′2>Emax,由于能量存储器最大值限制,E′2=Emax,E′1=E1+E2-Emax。
根据Epoch1和Epoch2上的能量值E′1和E′2,在Epoch1和Epoch2上采用注水法进行功率分配。
实施例四、
多小区多用户场景:
在单发单收场景和单小区多用户场景中,计算吞吐量时不存在干扰,但是在多小区多用户场景下,存在邻小区的同频干扰,所以计算吞吐量时,应该采用载干比(SINR),其中I为邻小区同频干扰,与资源调度和功率分配密切相关。在多小区多用户场景中,由于是多用户,所以也需要对保证速率受限业务后剩下的RB进行资源调度。同时,因为在多小区下,邻小区间存在同频干扰,这与资源调度和功率分配密切相关,因为每完成一次注水功率分配,邻小区间的同频干扰也相应的变化,那么SINR也会变化,所以需要一个迭代的过程来趋近最优解。
保证速率受限业务功率分配:
考虑t个TTIs个RB,每个小区有m个速率受限用户,n个速率非受限用户。是第k个用户在第i个TTI上的受限速率。是第k个用户在第i个TTI上第j个RB的信道增益。PT为系统总功率限制。PC是用于控制信道的功率。为保证速率受限业务后的功率分配矩阵,元素pi,j为分配给第i个TTI上第j个RB的功率。是保证速率受限业务后的调度结果矩阵,元素ai,j的取值范围为0,1,2,…,m,ai,j=k表示将第i个TTI上第j个RB分配给用户k。每个小区中保证速率受限业务功率分配的步骤为:
初始化,令
根据用户计算吞吐量i=1,2,…,t,j=1,2,…,s,k=1,2,…,m,T=Wη=W(1-BLER)Rclog(M);
其中W为RB带宽,η为频谱利用率,BLER为误块率,Rc为采用AMC的编码速率,M为调制进数。系统采用门限法来确定调制编码技术,采用28MCS的AMC技术。Rc、M由该RB的信噪比SINR确定,此处的功率分配采用等功率分配。
在每个TTI上,将所有的进行又大到小排序 其中i=1,2,…,t,k=1,2,…,m。
在每个TTI上,找到最下的c满足:
将与相关的RB用于保证速率受限业务,即ai,1=ai,2=…=ai,c=k。
在所选出来的c个RB上,采用传统注水法以最小功率保证速率受限业务Ri,得到此c个RB所分配的功率{p1,p2,…,pc}(即对应于中相应的元素的值)。
统计剩下的功率和RB用于发送速率非受限业务。
速率非受限业务功率分配:
在保证了速率受限业务后,每个小区中剩下的能量是随机到达的,同样能量大小也是随机的,所以系统中有一个能量存储器来存储这些能量,能量存储器的最大值为Emax。Epoch长度的取值与速率非受限业务的QoS要求密切相关。一个注水窗口由多个Epoch组成。发送速率非受限业务时,在一个注水窗口内,定向注水。每完成一次定向注水,注水窗口在时间上滑动一个Epoch。因此,每个小区中发送速率非受限业务的功率分配流程如下:
初始化,功率分配为等功率分配,系统吞吐量
统计Epoch1和Epoch2的能量值E1和E2。E1和E2分别是Epoch1和Epoch2中保证速率受限业务后剩下的能量和。E1和E2对应的功率值分别是P1和P2。
假设Epoch1中包含m个TTI。每个TTI上保证速率受限业务后,剩下的功率值为p1,p2,…,pm,所以每个TTI所剩下的能量ei=pi×TTI,其中i=1,2,…,m,TTI=0.5ms。因此将时域转换到频域处理,因而又有E1=P1×TTI,所以,同样的方法可得E2和P2。
对剩下的RB采用比例公平进行资源调度,保证速率受限业务后,资源调度矩阵为其中元素为0的所对应的RB可以用于发送速率非受限业务。当用户瞬时信道质量相对于它自己随时间的平均信道质量较高时,调度该用户。
计算每个小区每个用户在每个RB上的SINR,得到信道增益其中k=m+1,m+2,…,m+n,i=1,2,…,t,j=1,2,…,s。
在Epoch1和Epoch2上分别采用注水法进行功率分配,得到注水后水面高度υ1和υ2。
如果υ1≤υ2,则E′1=E1,E′2=E2,其中E′1和E′2分别是定向注水功率分配后Epoch1和Epoch2上的能量值。如果υ1>υ2,说明Epoch2时刻的信道条件好于Epoch1,允许在Epoch2上使用Epoch1的能量。所以在Epoch1和Epoch2上一起采用注水法进行功率分配,并计算E′1和E′2。
如果E′2>Emax,由于能量存储器最大值限制,E′2=Emax,E′1=E1+E2-Emax。
根据Epoch1和Epoch2上的能量值E′1和E′2,在Epoch1和Epoch2上采用注水法进行功率分配
统计系统的吞吐量T。
判定迭代,如果T和之差的绝对值大于设定门限值Thre,则并重新进行注水功率分配,否则注水窗口划向下一个Epoch。
进一步,由于速率非受限业务也可以再继续分类,所以可以将速率非受限业务再细分,对每一类速率非受限业务分别发送,根据其QoS要求自适应地调整注水窗口大小,从而提高系统的吞吐量。
如图12所示,在发送速率非受限业务时,可以将业务具体细分为交互式业务和后台业务。由于交互式业务相对于后台业务而言,对时延更敏感,所以系统首先采用定向注水法为发送交互式业务分配功率,再采用定向注水法为发送后台业务分配功率。两次定向注水的注水窗长度是根据业务的QoS要求自适应调整的,很显然,发送交互式业务时,注水窗长度小于发送后台业务时的注水窗长度。
本发明实施例还相应提供一种功率分配装置,该装置可以具体为基站等能够进行功率分配的装置,如图13所示,该装置包括:
确定单元1301,用于确定各用户的当前业务的时延敏感程度;
第一功率分配单元1302,用于在每个时域单位中,选择当前信道条件最好的资源块RB进行功率分配,以满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输;
第二功率分配单元1303,用于对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。
第一功率分配单元1302具体用于:
对于每个时域单位,确定对当前时域单位上的所有RB进行等功率分配时,每个用户在每个RB上的吞吐量;
选择出数量最少的RB,使得各用户在所选择的RB上的吞吐量的和达到该用户的时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输速率;
对选择出的RB进行功率分配。
第一功率分配单元1302对选择出的RB进行功率分配,具体包括:
对选择出的RB通过注水法进行功率分配。
第一功率分配单元1302还用于:
当为当前时域单位上所有RB进行功率分配后,仍未满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输时,通过下一时域单位上的RB来满足剩余的时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输。
第二功率分配单元1303具体用于:
对各个用户进行调度;
对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现各用户的时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。
第二功率分配单元1303具体用于:
在已进行信道条件最好的RB的功率分配且未进行剩余RB的功率分配的时域单位个数达到设定值m后,结合位于该m个时域单位之前的设定个数n的时域单位,为该m+n个时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输;
确定m+n个时域单位中的前m个时域单位完成功率分配。
第二功率分配单元1303具体用于:
对时延敏感程度未达到设定阈值的业务,根据各类业务的时延敏感程度划分优先级;
对应优先级从高到底的业务,分别设定注水门限值,优先级低的业务的注水门限值大于优先级高的业务的注水门限值;
在每次已进行信道条件最好的RB的功率分配且未进行剩余RB的功率分配的时域单位个数达到第i个优先级对应的注水门限值mi后,结合位于该mi个时域单位之前的设定个数ni的时域单位,从该mi+ni个时域单位中剩余的RB选择信道条件最好的RB进行功率分配,以满足当前注水门限值对应的优先级的业务的传输,并确定m+n个时域单位中的前m个时域单位完成对该优先级的业务的功率分配。
较佳的,n=N*m,ni=N*mi,N为正整数。
第二功率分配单元1303为该m+n个时域单位中剩余的RB进行功率分配,具体包括:
将该m+n个时域单位按时间顺序等分为至少两个时域单位组;
确定对每个时域单位组中的剩余RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度;
当相邻的两个时域单位组中,时间靠前的时域单位组的水面高度总是小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度时,则确定当前功率分配情况为功率分配结果;
当相邻的两个时域单位组中,存在时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度,则将满足时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度的两个相邻的时域单位组合并为一个时域单位组,重新确定对每个时域单位组中的剩余RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度,直至相邻的两个时域单位组中,时间靠前的时域单位组的水面高度总是小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度;
第二功率分配单元1303从该mi+ni个时域单位中剩余的RB选择信道条件最好的RB进行功率分配,具体包括:
将该mi+ni个时域单位中剩余的RB选择信道条件最好的RB以满足该优先级的业务的传输;
将该mi+ni个时域单位中所选出的RB按时间顺序等分为至少两个时域单位组;
确定对每个时域单位组中所选出的RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度;
当相邻的两个时域单位组中,时间靠前的时域单位组的水面高度总是小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度时,则确定当前功率分配情况为功率分配结果;
当相邻的两个时域单位组中,存在时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度,则将满足时间靠前的时域单位组的水面高度大于时间靠后的时域单位组的水面高度的两个相邻的时域单位组合并为一个时域单位组,重新确定对每个时域单位组中所选出的RB分别将该时域单位组中剩余能量通过注水法进行功率分配后,各时域单位组的水面高度,直至相邻的两个时域单位组中,时间靠前的时域单位组的水面高度总是小于或等于时间靠后的时域单位组的水面高度。
第二功率分配单元1303还用于:
当时间最靠后的时域单位组的能量存储器达到最大值时,确定该时域单位分得的能量为能量存储器的最大值,并在本次功率分配中停止进行对该时域单位组的功率分配。
本发明实施例提供的功率分配实现方法简单易于实现,算法复杂度主要在于保证速率受限业务。假设在n个RB上注水的复杂度为O(n),在选择当前信道条件最好的RB,为保证速率受限业务功率分配时,首先对对n个RB按吞吐量排序,复杂度为O(nlog(n)),如快速排序和堆排序。选择RB用于保证速率受限业务的最坏情况是所有RB均用于保证速率受限业务,所以复杂度为O(n)。
为了说明本发明实施例功率分配实现方法的效果,仿真不仅考虑了三种不同的仿真场景:单发单收场景、单小区多用户场景、多小区多用户场景,场景配置情况如表3、表4所示。同时还考虑了三种其他的功率分配策略:理想情况(IS)(在整个仿真时间上注水)、等功率分配策略(EPAS)、每个TTI上功率分配策略(WF-TTI)(这是LTE实际情况)。在仿真中,本发明实施例的功率分配实现方法定义为两级注水功率分配(TLWFS)。
表3单发单收场景参数设置
参数 |
值 |
仿真时间(tTotal) |
0.4s |
注水窗口长度(WindowLength) |
0.01s |
基站发射功率(P) |
46dBm |
能量存储器最大值(Emax) |
10J |
控制信道功率(Pc) |
38dBm |
子带宽(subf) |
1.8*10^5Hz |
RB数 |
100 |
信道总带宽(B) |
20MHz |
表4单小区多用户、多小区多用户场景配置
图14是单发单收场景下,不同功率分配策略的能量利用率与SNR关系图。从图14中可以看出,本发明实施例提供的功率分配实现方法的能量利用率很接近理想情况,而等功率分配和在每个TTI上注水功率分配能耗差不多。在低SNR情况下,本发明实施例提供的功率分配实现方法的能量利用率在每个TTI上注水提高了10%左右。
图15是单小区多用户场景下,不同功率分配策略吞吐量与SNR的关系图。从图15中可以看出本发明实施例提供的功率分配实现方法的吞吐量相对于每个TTI上注水仍然可以获得10%左右的增益。
图16是单小区多用户场景下,本发明实施例提供的功率分配实现方法与一般功率注水的比较图。一般功率注水没有保证受限速率,只是在每个TTI上进行注水功率分配。从图16中可以看出,即使在低SNR情况下,本发明实施例提供的功率分配实现方法在保证速率受限业务后,吞吐量与一般功率注水相当。事实上,因为本发明实施例提供的功率分配实现方法有时间上的增益,随着SNR的增大,吞吐量会明显高于一般功率分配策略。
图17是多小区多用户场景下,不同功率分配粗略吞吐量比较图,从图17中可以看出,本发明实施例提供的功率分配实现方法仍然可以获得10%左右的吞吐量增益。
本发明实施例提供一种功率分配方法及装置,在进行功率分配时,首先确定各用户的当前业务的时延敏感程度,然后在每个时域单位中,选择当前信道条件最好的资源块RB进行功率分配,以满足时延敏感程度达到设定阈值的业务的传输,进而再对各时域单位中剩余的RB进行功率分配,以实现时延敏感程度未达到设定阈值的业务的传输。由于优先满足了对时延较敏感的业务的传输,所以用户体验较佳,对于对时延不敏感的业务,可以通过信道条件不太好的RB进行传输,从而获得较大的增益,在保证业务QoS要求的同时,提高系统的吞吐量,从而提高能量利用率。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。