CN104394596A - 一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，本发明属于无线通信系统中的中继技术领域。本发明的目的是通过提出合理的上行资源分配算法，解决目前中继系统资源分配算法系统开销大、并未兼顾公平性和吞吐量的问题。基站根据直传用户和中继用户的业务需求量动态地为中继和直传用户分配频率资源；接入链路的上行子帧中上中继采用动态的资源分配方法调度中继用户，直传链路上基站采用动态的资源分配方法调度直传用户；回程链路的上行子帧中基站基于中继用户在中继缓存的队列信息为中继用户资源分配，同时，基站采用动态的资源分配方法调度直传用户。本发明方法既能更好地提升中继用户的性能，又能满足用户的公平性。

Description

一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信系统中的中继技术领域，特别涉及一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法。

背景技术

近几年中，人们对移动通信的高数据速率、高服务质量、业务多样化的需求日益增长，为了应对这个趋势，第三代合作伙伴计划(3^rd Generation Partnership Project，3GPP)组织提出了以LTE(Long Term Evolution)为基础的LTE-Advanced系统。LTE-Advanced系统，对LTE具有很强的兼容性，提出了超过1Gbit/s的下行峰值速率和超过500Mbit/s的上行峰值速率性能指标。在小区中心，可沿用LTE中基站端的OFDMA、MIMO、发射分集等技术，但对于同样高吞吐量业务需求的小区边缘，这些技术还不能够解决其受到的邻小区干扰问题。因此，LTE-A引入了中继(Relay)技术。中继技术能以经济有效的方式扩大小区覆盖面积，改善小区边缘用户的通信质量，加强用户间的公平性，提升系统的整体性能。对于LTE-A系统中提出的高峰值速率、高工作频段的要求，中继技术无疑是扩大小区覆盖范围、提高系统性能、减弱小区边缘干扰影响的有效手段。并且，中继的复杂度远低于基站，它体积小，重量轻，低功率，增加终端接入选择自由度，节省终端的发射功率，从而延长电池寿命，中继还具有架设布网方便、运营维护成本低的优点。因此如何合理有效地利用中继成为当前的研究热点。

如何有效地利用中继以提升系统性能很大程度上取决于基站采取何种资源分配策略来处理用户对无线资源的竞争问题，在中继系统中既存在用户与基站直接连接的单跳链路又存在经由中继的两跳链路，资源分配需要考虑很多因素，包括基站-中继节点、中继节点-用户、基站-用户的信道特性，以及基站和中继节点的负载情况。传统蜂窝网络的单跳资源分配算法并不适用于LTE-A中继系统，而合理有效的资源分配直接关系到整个通信系统的性能，因此，对LTE-A中继系统中的资源分配算法的研究是非常重要也是非常必要的。

目前LTE存在两大主流标准，其中，由我国主导制定的TD-LTE标准也正向TD-LTE-Advanced演进。本发明基于TD-LTE-Advanced系统，研究中继系统的资源上行分配算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，以提高TD-LTE-Advanced中继系统的性能，增加上行系统吞吐量，同时保证用户间公平性，兼顾LTE用户上行资源连续性分配的要求，实现通信系统能合理有效地分配资源。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明提供一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，包括如下步骤：

步骤一、基站根据直传用户和中继用户的业务需求量动态地为中继和直传用户(Macro UE)分配频率资源；

步骤二、中继在接入链路上采用动态的资源分配方法调度中继用户(Relay UE)，同时基站在直传链路上采用动态的资源分配方法调度直传用户；

步骤三、基站在回程链路上基于中继用户在中继缓存的队列信息为中继用户资源分配，同时，基站采用动态的资源分配方法调度直传用户；即完成一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法。

步骤一中直传用户和中继用户频率资源的初始划分的分配原则为：

初始划分步骤如下：

a、参数设定：设A为分配给Macro UE的资源块的集合，ε_r为分配给中继r的资源块的集合，设c_rn为ε_r中资源块n的承载能力；初始设置为A＝[1,2,…,M]，C_r为基站处归属于中继r的中继用户的用户队列缓存的业务数据的总和，φ_d为基站处直传用户的用户队列缓存的业务数据的总和，R为小区内中继数量；

b、为中继r分配与前一个分配出的资源块连续的资源块，将此资源块从A中删除，添加到ε_r中；每分配一个资源块进行步骤c的判断；

c、若A是为空集，则初始划分过程结束，反之，继续判断；若∑c_rn<C_r，重复步骤b；若∑c_rn≥C_r，r＝r+1，若r<R则重复步骤b，否则初始划分过程结束；

初始过程得到的分配给Macro UE的资源块数m_d以及分配给中继r的资源块数m_r作为后续动态分配的输入参数，之后的子帧内采用动态调整划分方法，其过程如下：比较C_r与m_r的比值和φ_d与m_d的比值，如果前者小，则将ε_r中的资源块划分给直传用户集，直至前者不小于后者；如果后者小，则将φ_d中的资源块划分给中继r，直至后者不小于前者；完成对所有中继和直传用户集的比较和划分调整，即结束当前子帧的频率划分。

所述步骤二中接入链路和直传链路的资源分配过程为：

依次遍历资源块，从编号为1的资源块开始，首先计算待调度用户集中的所有用户在该资源块上的优先级，在优先级矩阵中查找对应该资源块优先级最大的用户，并将该资源块分配给此用户；随后，判断此用户分配到该资源块后其业务需求能否得到满足，若能被满足，将此用户从调度用户集中删除，继续分配下一个尚未分配的资源块；若未被满足，考虑到上行资源分配连续性要求，则将和上一次被分配到的资源块连续的资源块分配给此用户，直至此用户在当前子帧内得到的资源块达到系统设置的资源块数目上限，或是此用户的业务需求被满足，继续遍历下一个未被分配的资源块；当待调度用户集为空或所有资源块均被分配，结束当前子帧内的调度。

在接入链路和直传链路的资源分配中，所述用户在相应资源块上的优先级计算方法如下：

${\mathrm{priority}}_q^x\left(n\right)=\frac{W\&CenterDot;\log (1+{\mathrm{SINR}}_q^x\left(n\right))}{\stackrel{\&OverBar;}{R^x}\left(n\right)}$

式中，W为第q个资源块的带宽，为用户x在第q个资源块上的信噪比，是窗吞吐量，如下所示：

$\stackrel{\&OverBar;}{R^x}\left(n\right)=(1-\frac{1}{T})\stackrel{\&OverBar;}{R^x}(n-1)+\frac{1}{T}{R}^x(n-1)$

式中，R^x(n-1)为用户x在子帧n-1的瞬时吞吐量，T为时间窗口大小。

所述步骤三的实现过程为：

中继用户在竞争回程链路的资源来传送自己的业务数据，回程链路基于中继缓存信息的资源分配算法的优先级设定为中继处用户队列中各中继用户待传送的比特数；具体方法为：查找待调度用户集中优先级最大的中继用户，基站将该中继在权利要求2中划分得到的频率资源中的一个资源块分配给该用户，更新该用户优先级，并判断该中继用户在中继缓存的待传输比特数是否为零，若为零则将该用户从待调度用户集中删除；重复上述步骤，直至待调度用户集为空或所有资源块均被分配，即完成回程链路的资源分配过程。

本发明的有益效果是：

本发明中的TD-LTE-A中继系统上行资源分配算法对于系统吞吐量和用户公平性的性能均有提高，本发明中的动态调整频率划分方法既适用于用户需求量相当又能适用于用户需求量不对等的情况，本发明的基于队列信息的回程链路方法较好地均衡了回程链路和接入链路，并节省了系统开销。本发明的目的是通过提出合理的上行资源分配算法，提高TD-LTE-A中继系统中的上行性能，解决了目前中继系统资源分配算法系统开销大、并未兼顾公平性和吞吐量的问题。

本发明的效果在于，对比本发明提出的算法和无中继系统以及其它算法的性能中发现：中载时，中继用户的平均吞吐量是无中继系统中相应用户的6倍，系统总吞吐量提高了16％；与其它算法对比，本发明算法能够达到更高的Jain’s公平性指数和更大的吞吐量。本发明方法既能更好地提升中继用户的性能，又能满足用户的公平性。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的动态频率划分方法的流程示意图；

图2为具体实施方式二所述的上行接入和直传链路动态分配算法的流程示意图；

图3为具体实施方式三所述的上行基于用户队列信息的回程链路分配算法的流程示意图；

图4为实施例所述的TD-LTE-A中继系统上行资源调度流程图；

图5为具体实施方式二所述的频率划分算法和现有的基于用户数目划分算法的对比曲线示意图；

图6为具体实施方式五所述的基于用户队列信息的回程链路分配算法与现有的回程链路轮循算法对比曲线示意图；

图7为本发明(具体实施方式一)所述的TD-LTE-Advanced中继系统上行资源分配方法在轻载、中载、重载情况下的中继用户平均吞吐量增益柱状图；

图8为本发明(具体实施方式一)所述的TD-LTE-Advanced中继系统上行资源分配方法在轻载、中载、重载情况下的所有用户平均吞吐量增益柱状图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，包括如下步骤：

步骤一、基站根据直传用户和中继用户的业务需求量动态地为中继和直传用户分配频率资源；

步骤二、接入链路的上行子帧中上中继按照比例公平算法的优先级为中继用户分配资源，同时直传链路上基站采用比例公平算法为直传用户分配资源；

步骤三、回程链路的上行子帧中基站基于中继用户在中继缓存的队列信息为中继用户资源分配，同时，基站为直传用户分配资源；即完成一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法的进一步限定，

所述步骤一中直传用户和中继用户频率资源的初始划分的分配原则为：

初始划分步骤如下：

a、参数设定。设A为分配给直传用户的资源块的集合，ε_r为分配给中继r的资源块的集合，设c_rn为ε_r中资源块n的承载能力。初始设置为A＝[1,2,…,M]，C_r为基站处归属于中继r的中继用户的用户队列缓存的业务数据的总和，φ_d为基站处直传用户的用户队列缓存的业务数据的总和。

b、为中继r分配与前一个分配出的资源块连续的资源块，将此资源块从A中删除，添加到ε_r中。每分配一个资源块进行步骤c的判断。

c、若A是为空集，则初始划分过程结束，反之，继续判断。若∑c_rn<C_r，重复步骤b；若∑c_rn≥C_r，r＝r+1，若r<R则重复步骤b，否则初始划分过程结束。

初始过程得到的分配给直传用户(直传用户)的资源块数m_d以及分配给中继r的资源块数m_r作为后续动态分配的输入参数，之后的TTI内采用动态调整分配方法，具体方法见说明书附图1。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法的进一步限定，

步骤二中接入链路和直传链路的资源分配方法思想：

选择优先级矩阵中增益最大值，完成UE-RB(用户-资源块)之间的对应，之后根据连续性的要求，考虑和该资源块连续的资源块，尽量满足该用户的需求。如果已经能够满足该用户需求，则认为该用户结束本次资源分配，如果分配给该用户的无线资源已达到所规定的每个用户最多可获得的资源块数目值，即使没有能够满足该用户的需求，仍认为该用户结束本次资源分配，每个用户分配结束后要进行优先级矩阵的处理。

具体资源分配方法如图2所示，图2中优先级矩阵由具体实施方式4中组成。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的接入链路和直传链路的资源分配方法的进一步限定，优先级矩阵中的优先级计算方法如下：

${\mathrm{priority}}_q^x\left(n\right)=\frac{W\&CenterDot;\log (1+{\mathrm{SINR}}_q^x\left(n\right))}{\stackrel{\&OverBar;}{R^x}\left(n\right)}$

式中，W为第q个资源块的带宽，为用户x在第q个资源块上的信噪比，是窗吞吐量，如下所示：

$\stackrel{\&OverBar;}{R^x}\left(n\right)=(1-\frac{1}{T})\stackrel{\&OverBar;}{R^x}(n-1)+\frac{1}{T}{R}^x(n-1)$

式中，R^x(n-1)为用户x在子帧n-1的瞬时吞吐量，T为时间窗口大小。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法的进一步限定，

所述步骤三中中继用户在竞争回程链路的资源来传送自己的业务数据，回程链路资源分配算法的优先级设定为中继处用户队列中各Relay-UE(中继用户)待传送的比特数。具体方法流程图如说明书附图3所示。

实施例：

本实施例为基于上述TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法进行的，具体过程：

考虑一个多小区的TD-LTE-A中继系统，本发明中参与调度的用户只分布在中心小区中。中心小区包含100个物理资源块(Physical Resource Block，PRB),占据20MHz带宽。基站位于小区的中心位置，每个小区三个中继，三个中继呈120度角，中继和基站的距离是5/12×ISD(Inter-site Distance，站址间距)。本发明中采用的TD-LTE-A中继系统的参数设置如表1所示：

表1仿真参数配置

图4为LTE-A中继系统上行资源调度流程，基站首先根据频率划分算法完成直传用户和中继之间频率划分。当用户有数据要传输时，直传用户和Relay-UE通过上行调度请求(Scheduling Request，SR)分别告知基站和所属中继，并通过缓存器状态报告(BufferStateReport，BSR)告知有多少数据量需要传送。基站和中继根据上行探测参考信号(SoundingReferenceSignal，SRS)分别测量得到直传链路和接入链路的信道质量状况，根据某种资源分配算法对所连用户进行调度，通过PDCCH发送上行调度信令，用户通过盲检获取资源分配信息，根据调度结果将数据填充在物理上行共享信道(Physical Uplink SharedChannel，PUSCH)上。至此，基站接收直传用户数据，完成了对直传用户的一次调度。中继接收中继用户的数据，并向基站发送SR，并上报其缓存状态报告，即用户队列的各用户待传送的比特数，基站根据上报信息为其分配资源，在R-PDCCH上发送回程链路的上行调度信令，中继根据检测到的信令，以及回程链路的信道状况将接收到的用户数据重新编码调制，在相应的资源块上发送给基站，完成了对中继用户的一次调度。

在上行数据传输过程中，需要进行上行功率控制(Power Control，PC)，上行功控能够补偿信道的路径损耗、阴影衰落以及快衰落的影响，同时也可以限制小区间的干扰，降低小区间的同频干扰。在本文的工作中，开环部分功率控制(FPC)应用到PUSCH上以限制用户的发射功率，功率的表达式如下所示：

P＝min{P_max，P₀+10log₁₀M+α·L}

其中，P_max是用户的最大允许发射功率，对于第3等级用户此值为23dBm；P₀是功率初始值，由高层信令给出，可以被设为-126dBm到23dBm间以1dBm为步长的值；M是分配给用户的资源块的数目；α是路径损耗因子，是小区专属参数，为1时称为完全补偿功率控制(FCPC)；L是用户测量的下行路径损耗。P的单位为dBm。

本实施例的上行仿真中，P₀取-56dBm，α取0.6，在中继用户的功率控制表达式中，L为所属中继到该用户的路径损耗值。

根据图1、图2、图3所示的上行资源分配算法进行TD-LTE-A中继系统的资源调度。

表2给出了在中载情况下本发明所述的上行资源分配方法和无中继情况的各类用户上行平均吞吐量的对比数据。通过无中继系统和中继系统中的中继用户平均吞吐量的对比，中继技术使得处于小区边缘的用户的性能得到了极大的提升。相对于无中继系统的系统吞吐量28.5Mbps，采用本发明方法的中继系统的系统吞吐量为33.2Mbps，提升了16％。两种种情况下的Jain’s公平性指数分别为0.67、0.81，Jain’s公平性指数越接近1表明公平性越高，说明中继的加入增加了用户间公平性。

表2不同情况下的各类用户平均吞吐量(单位：kbps)

图5给出了在中继用户传输的数据量大于直传用户的数据量的情况下，本发明所述的频率划分算法和现有的基于用户数目划分算法的对比图。由中继用户的CDF曲线可以看出，基于用户需求的动态微调算法优于基于用户数目的划分算法，因为后者无法感知用户需求量的变化，无法做到权衡直传用户和中继用户的需求、进行合理的资源划分。

图6给出了本发明所述的基于用户队列信息的回程链路(图例中的user queue-based)分配算法与现有的回程链路轮循算法(图例中的rr)对比图，验证了前者的优越性。由于是回程链路的分配算法，因此只有中继用户的性能受到影响，中继用户性能的下降也导致系统的Jain’s公平指数下降到了0.78。

图7、图8分别给出了本发明所述的TD-LTE-Advanced中继系统上行资源分配方法在轻载、中载、重载情况下的中继用户和所有用户的平均吞吐量增益，验证了本发明提出的中继系统上行资源分配算法的普适性。

由以上实施方案可以看出，本发明的TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法能够在兼顾吞吐量和公平性的基础上达到较好的系统性能。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，其特征在于：一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、基站根据直传用户和中继用户的业务需求量动态地为中继和直传用户分配频率资源；

步骤二、中继在接入链路上采用动态的资源分配方法调度中继用户，同时基站在直传链路上采用动态的资源分配方法调度直传用户；

步骤三、基站在回程链路上基于中继用户在中继缓存的队列信息为中继用户资源分配，同时，基站采用动态的资源分配方法调度直传用户；即完成一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法。

2.根据权利要求1所述一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，其特征在于，所述步骤一中直传用户和中继用户频率资源的初始划分的分配原则为：

初始划分步骤如下：

a、参数设定：设A为分配给Macro UE的资源块的集合，ε_r为分配给中继r的资源块的集合，设c_rn为ε_r中资源块n的承载能力；初始设置为A＝[1,2,…,M]，C_r为基站处归属于中继r的中继用户的用户队列缓存的业务数据的总和，φ_d为基站处直传用户的用户队列缓存的业务数据的总和，R为小区内中继数量；

b、为中继r分配与前一个分配出的资源块连续的资源块，将此资源块从A中删除，添加到ε_r中；每分配一个资源块进行步骤c的判断；

c、若A是为空集，则初始划分过程结束，反之，继续判断；若∑c_rn<C_r，重复步骤b；若∑c_rn≥C_r，r＝r+1，若r<R则重复步骤b，否则初始划分过程结束；

初始过程得到的分配给Macro UE的资源块数m_d以及分配给中继r的资源块数m_r作为后续动态分配的输入参数，之后的子帧内采用动态调整划分方法，其过程如下：比较C_r与m_r的比值和φ_d与m_d的比值，如果前者小，则将ε_r中的资源块划分给直传用户集，直至前者不小于后者；如果后者小，则将φ_d中的资源块划分给中继r，直至后者不小于前者；完成对所有中继和直传用户集的比较和划分调整，即结束当前子帧的频率划分。

3.根据权利要求1或2所述的一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，其特征在于，所述步骤二中接入链路和直传链路的资源分配过程为：

依次遍历资源块，从编号为1的资源块开始，首先计算待调度用户集中的所有用户在该资源块上的优先级，在优先级矩阵中查找对应该资源块优先级最大的用户，并将该资源块分配给此用户；随后，判断此用户分配到该资源块后其业务需求能否得到满足，若能被满足，将此用户从调度用户集中删除，继续分配下一个尚未分配的资源块；若未被满足，考虑到上行资源分配连续性要求，则将和上一次被分配到的资源块连续的资源块分配给此用户，直至此用户在当前子帧内得到的资源块达到系统设置的资源块数目上限，或是此用户的业务需求被满足，继续遍历下一个未被分配的资源块；当待调度用户集为空或所有资源块均被分配，结束当前子帧内的调度。

4.根据权利要求3所述的一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，其特征在于：在接入链路和直传链路的资源分配中，所述用户在相应资源块上的优先级计算方法如下：

${\mathrm{priority}}_q^x\left(n\right)=\frac{W\&CenterDot;\log (1+{\mathrm{SINR}}_q^x\left(n\right))}{\stackrel{\&OverBar;}{R^x}\left(n\right)}$

式中，W为第q个资源块的带宽，为用户x在第q个资源块上的信噪比，是窗吞吐量，如下所示：

$\stackrel{\&OverBar;}{R^x}\left(n\right)=(1-\frac{1}{T})\stackrel{\&OverBar;}{R^x}(n-1)+\frac{1}{T}{R}^x(n-1)$

式中，R^x(n-1)为用户x在子帧n-1的瞬时吞吐量，T为时间窗口大小。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，其特征在于，所述步骤三的实现过程为：

中继用户在竞争回程链路的资源来传送自己的业务数据，回程链路基于中继缓存信息的资源分配算法的优先级设定为中继处用户队列中各中继用户待传送的比特数；具体方法为：查找待调度用户集中优先级最大的中继用户，基站将该中继在权利要求2中划分得到的频率资源中的一个资源块分配给该用户，更新该用户优先级，并判断该中继用户在中继缓存的待传输比特数是否为零，若为零则将该用户从待调度用户集中删除；重复上述步骤，直至待调度用户集为空或所有资源块均被分配，即完成回程链路的资源分配过程。