CN105188147B - 一种基于功率控制的lte-a系统全双工资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于功率控制的LTE‑A系统全双工资源分配方法，对原有的资源分配算法进行改进，调度时隙开始时，先对用户进行下行的资源分配，再根据分配结果调节用户上行功率，选择合适的资源块进行上行资源分配，避免同频上下行信号的相互干扰。本发明的资源分配方法系统频谱利用率、吞吐量明显高于普通资源调度算法。本发明的资源分配方法先分配下行资源，上行相应调整，会造成下行吞吐量明显高于上行，但是不会差太多，有着很好的公平性。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种LTE-A系统全双工资源分配方法。
背景技术
LTE-A是LTE的演进版本，其目的是为满足未来几年内无线通信市场的更高需求和更多应用，满足和超过IMT-Advanced的需求，同时还保持对LTE较好的后向兼容性。LTE-A采用了载波聚合、上/下行多天线增强、多点协作传输、中继、异构网干扰协调增强等关键技术，能大大提高无线通信系统的峰值数据速率、峰值频谱效率、小区平均谱效率以及小区边界用户性能，同时也能提高整个网络的组网效率，这使得LTE和LTE-A系统成为未来几年内无线通信发展的主流。
LTE-A系统有两种调度方式：动态调度和半持续调度，其中动态调度适用于数据量大、突发性强、时延要求不高的分组业务，而半持续调度是在动态调度基础上为支持LTE语音等业务引入的。动态调度主要有三种经典算法，轮询算法、最大载干比算法和比例公平算法。最大载干比算法只优先选择载干比最大的用户进行资源分配，即优先给信道条件好的用户分配资源，来进行传输数据；而如果该用户的信道条件变差，算法就会重新选择当前具有良好信道的其他用户。此算法可以达到系统吞吐量的极限值，但同时它也失去了实际意义，因为完全忽略了用户之间的公平性轮询算法对所有用户一视同仁，机械地按照一定周期循环地为每个用户分配相同的资源，与MAX C/I算法相同，并不考虑用户已经得到过的服务情况，即无记忆的分配算法，该算法出色地满足了用户间的公平性，但是系统的吞吐量可能很低比例公平算法上文两种算法分别对系统吞吐量指标和用户公平性指标分别进行了极端的侧重，因此自然出现了一种对两个指标进行折中的算法，这就是PF算法目前业内已有共识，资源分配算法将主要以基于比例公平算法而改进提出适用于实际系统的资源分配算法。
传统半双工模式主要是频分双工(FDD)和时分双工(TDD)，用以避免发射机信号对接收机信号在频域或时域上的干扰。在FDD移动通信系统中，基站发射机通过下行信道，将信号发送至移动终端，而移动终端则通过上行信道发送信号至基站接收机，因为下行信道和上行信道采用不同的频率，基站接收机利用滤波器的通带和禁带分别获得接收信号和抑制下行信道信号(即抑制基站发射机信号的干扰)。为此，FDD付出两份频率开销：一份是下行信道频率开销，另一份是上行信道频率开销。而TDD 系统下行信道设置在一系列时隙上，上行信道则设置在另外一系列时隙上，基站在接收上行信道信号时，其发射机停止工作，从而避免了发射信号的干扰，系统时间资源开销一份用于上行，另一份用于下行信道。无论FDD 还是TDD，系统为双工通信都付出了双份资源开销。因为频率资源和时间资源具有等效性，所以理论上FDD和TDD具有相同的频谱效率。结果满足局部最大化，但算法复杂度比遍历算法复杂度低。而新兴的同频同时全双工技术(CCFD)使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而达到提高频谱效率的目的。
引入全双工后，上行信号和下行信号会同时在一个信道传输，这就使得接收端在接收目标信号时会受到自身发射的同频信号的干扰，所以全双工技术使得实现全双工技术的关键在于消除基站和UE端的自干扰。
国内外都对自干扰抵消展开了深入的研究，但大都侧重于基站本地自干扰抵消的方案验证，主要思路一般限于天线自干扰抑制、射频自干扰抑制和数字干扰抑制，很少涉及到用户端的干扰消除。
自干扰抵消技术对于基站端而言比较容易实现，但是对于UE端技术水准还是很难达到。基站端的自干扰抵消的实现已经为系统容量的提升打下了基础。
FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。它们都实现了同一时刻一个资源块仅被使用一次，所以不必考虑不同用户之间的同频干扰和自干扰，而且可以采用很多现有的资源分配方案。对于CCFD 而言，UE端自干扰抵消不能很好的实现，无法将其视为TDD去进行资源分配，所以需要对CCFD的物理模型进行重新构建，并改进原有资源分配方案，避免开UE端自干扰的问题。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于功率控制的LTE-A 系统全双工资源分配方法，在LTE-A中引入全双工后，运用该方法进行系统资源分配，可以减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而达到提高频谱效率和系统容量效果的目的。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于功率控制的LTE-A系统全双工资源分配方法，所述方法包括以下步骤：
S100：当前时隙k，进行下行资源块分配，设置起始的待分配资源块标号为m＝1；
S101：计算每个用户在当前第m个资源块的下行PF值；
S102：选择PF值最大的用户作为当前m资源块的下行分配对象，该 PF值最大的用户为UED(k,m)；
S103：判断资源块是否分配完毕，没有分完则m＝m+1，跳转到S101；分完执行S104；
S104：更新每个用户的下行平均速度；
S105：当前时隙下，进行上行资源块分配，设置m＝1；
S106：根据公式计算所有待分配上行资源的用户在第m个资源块上的功率临界值，使得上行占用第m 个资源块的用户以这个功率发射信号不会对下行占用第m个资源块的用户产生干扰，其中，pBS为基站发射功率，是基站信号到达占用第m个资源块的下行用户时的空间功率损耗，Loss(f,d(UED(k,m),n))是分别在下行和上行占用资源块m的用户之间的空间功率损耗，α是功率调节参数，pUE(k,UED(k,m),n)是用户n使用第m个资源块作为上行信道而不会对用户UED(k,m)造成干扰的发射功率；
S107：根据公式计算所有用户如果上行使用第m个资源块并以pUE(k,UED(k,m),n)作为发射功率时到达基站端的信号强度，dn为用户n到基站的距离；
S108：计算所有用户在当前m资源块的上行PF值；
S109：选择PF值最大的用户作为当前m资源块的上行分配对象；
S110：判断资源块是否分配完毕，没有分完则m＝m+1，跳转到S106，分完则结束。
作为本发明的进一步改进，所述下行平均速度tD(k,n)是第n个UE在前 k个子帧的下行平均速率，
作为本发明的进一步改进，所述下行PF值为其中，tD(k,n)是第n个UE在前k个子帧的下行平均速率，vD(k,m,n)为为第k个时隙上第n个UE的第m个RB的信道传输速率。
作为本发明的进一步改进，所述上行PF值为其中，tU(k,n)为第n个UE在前k个子帧的上行平均速率。
作为本发明的进一步改进，空间功率损耗为自由空间衰落， Loss(f,d)＝32.45+20lg(f)+20lg(d)。
本发明的有益效果是：本发明对原有的资源分配算法进行改进，调度时隙开始时，先对用户进行下行的资源分配，再根据分配结果调节用户上行功率，选择合适的资源块进行上行资源分配，避免同频上下行信号的相互干扰。(1)本发明的资源分配方法系统频谱利用率、吞吐量明显高于普通资源调度算法。(2)本发明的资源分配方法先分配下行资源，上行相应调整，会造成下行吞吐量明显高于上行，但是不会差太多，有着很好的公平性。
附图说明
图1是LTE-A小区中全双工的实现机制示意图；
图2是LTE-A小区全双工干扰模型示意图；
图3是本发明的资源分配方法的流程图；
图4是每个用户在仿真时间段内的上下行流量曲线图；
图5是距离远近和流量的关系曲线图；
图6是仿真时间和系统流量的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
在将全双工技术引入到LTE-A后，改进已有的物理模型，使一个用户的上行和另一个用户的下行在同一个时隙内可以共用同一频率点，如附图 1所示，UE5上行与UE4下行使用同一个资源块，UE3的下行同时使用了 UE1和UE2的上行资源块，UE2的上行同时使用了UE1和UE3的下行资源块，这样就避开了UE进行自干扰消除的任务，但这样仍会产生用户之间的干扰，比如UE2发送上行信号时对UE1的下行接收产生影响，所以本发明采用功率控制技术，即控制用户的发射功率，使得共用资源块的用户间的干扰信号功率足够小，不会对用户的正常信息接收产生影响。在最理想的情况下，频谱利用率会比不引入全双工的系统翻倍。
国内外自干扰抵消技术研究的比较广泛，有多套解决方案，应用于基站端比较可行，为系统容量的提升打下了基础，但是在UE端实现自干扰抵消还是有很多技术上的困难，无法实现同时收发同频信号，所以本发明合理的改进全双工模型，保持基站的全双工模式，使某个UE端的上行(下行)和其他UE端的下行(上行)共用相同资源块，通过功率调节和距离选择达到全双工效果。
首先，本发明规定每个调度时隙开始时，先对所有下行待分配资源的用户进行资源分配，在此采用PF算法，按照资源块的标号依次为每个资源块选择用户。
假设在一个eNode所服务的小区中，有N个UE和M个RB资源块，令 v(k,m,n)为第k个时隙上第n个UE的第m个RB的信道传输速率，则下行 PF的度量值pD(k,m,n)可以表示为：
其中m＝1,2,3,....M，n＝1,2,3,....N，tD(k,n)是第n个UE在前k个子帧的平均速率。在对第m个资源块分配时，PF调度器总是试图调度待调度UE 中PF值最大的用户，所以，PF调度器对如下第m个RB和第k个子帧索引下标号为UED(k,m)的UE进行了调度：
当所有资源块分配完毕或者用户都获得所需资源后，更新所有用户的下行平均速度：
但是在首次资源调度时，由于缺少每个用户的平均速率信息，在这里设置调度器会试图最大化被调度用户当前传输速率总和：
下行分配完毕后再对上行待分配资源的用户分配资源块。之前下行分配资源的时候，所有频率正交，所以不用考虑用户之间的干扰，而上行和下行共用所有频率资源，当给上行用户分配资源块的时候要注意和下行用户不要产生干扰。对此，我们考虑的因素主要有两个，用户之间的距离和上行用户的发射功率。
如附图2所示，UE1与基站距离为d1，下行使用的资源块为RB1，UE2 与基站距离为d2，下行使用的资源块为RB2，UE3与基站距离为d3，下行使用的资源块为RB3，UE4与基站距离为d4，下行使用的资源块为RB4，RB1、 RB2、RB3、RB4中的子载波完全正交。现在我们需要把RB1资源块分配给上行用户，而且它已经被UE1的下行所占用，由于用户端还无法实现基站的自干扰抵消，所以不可以将它分配到UE1的上行。剩余的可分配用户为 UE2、UE3、UE4，设定在此模型中衰落模型为自由空间衰落，如下:
Loss(f,d)＝32.45+20lg(f)+20lg(d)
然后计算剩余用户使用RB1时的临界发射功率，使得其发射信号到达 UE1时的强度远小于UE1接收到的基站信号强度，此时用户占用RB1作为上行信道不会影响UE1的下行传输，计算公式如下：
其中pBS为基站发射功率，设为恒定值，是基站信号到达占用m资源块的下行用户时的空间功率损耗，Loss(f,d(UED(k,m),n))是分别在下行和上行占用资源块m的用户之间的空间功率损耗，α是功率调节参数， pUE(k,UED(k,m),n)是用户n使用m资源块作为上行信道而不会对用户 UED(k,m)造成干扰的发射功率。
在确定了各个用户共用m资源块作为上行传输信道时的假设功率后，再减去自由空间衰减。如下：
得到共用m资源块时，基站可能接受到的用户n的信号功率 pUER(k,UED(k,m),n)，再除以用户n的上行平均速度tU(k,n)，得到上行PF值，如下：
然后根据上行PF值大小选择最合适的用户：
同下行一样，上行资源分配结束后，更新用户的上行平均速率，等待下一个分配时隙。
如附图3，基于上行功率调整的资源分配方法的过程可详细描述如下：
S100：当前时隙k，进行下行资源块分配，设置起始的待分配资源块标号为m＝1；
S101：计算每个用户在当前m资源块的下行PF值
S102：选择PF值最大的用户作为当前m资源块的下行分配对象；
S103：判断资源块是否分配完毕，没有分完跳转到S101；分完执行 S104；
S104：更新每个用户的下行平均速度
S105：当前时隙下，进行上行资源块分配，设置m＝1；
S106：根据公式计算所有待分配上行资源的用户在m资源块上的功率临界值，使得上行占用m资源块的用户以这个功率发射信号不会对下行占用m资源块的用户产生干扰；
S107：根据公式计算所有用户如果上行使用m资源块并以pUE(k,UED(k,m),n)作为发射功率时到达基站端的信号强度；
S108：计算所有用户在当前m资源块的上行PF值
S109：选择PF值最大的用户作为当前m资源块的上行分配对象；
S110：判断资源块是否分配完毕，没有分完跳转到S106。
性能评估是针对LTE-A系统来进行的，考虑一个eNode及小区，UE 在小区中随机分布，并且具有一定的移动速度。我们还规定一个用户在上行或者下行至多只有一个资源块为用户服务，即一个资源块就可以达到用户的业务需求，具体参数如表1所示：
表1仿真参数
| 仿真参数 | 设置值 |
| 用户个数 | 50 |
| 资源块个数 | 40 |
| 基站半径 | 1km |
| 系统载频 | 2GHz |
| 带宽大小 | 10MHz |
| 用户速度 | 20km/h |
| 基站发射功率 | 46dBm |
| 用户发射功率 | 10dBm-30dBm可调节 |
| 调度时隙 | 1ms |
| 路径损耗 | L＝32.45+20lg(f)+20lg(d) |
| 流量模式 | 上下行持续业务 |
| 热噪声功率谱 | -174dBm/Hz |
| 链路自适应 | 按照3GPP LTE-A规定 |
| 目标误块率 | 10％ |
| 重传方案 | 有增量冗余的HARQ |
附图4表示每个用户在仿真时间内的上下行流量，横轴表示用户标号，纵轴表示流量。由图可以看出，在LTE-A加入了全双工，并使用新的算法调度资源后，一部分用户的下行流量约等于上行流量，剩余用户的上行流量约明显小于上行流量，这是因为本算法在调度时隙开始时先为下行用户分配资源，当为上行用户分配资源时，会考虑之前下行信号干扰因素，适当降低用户发射功率，导致了上行传输速率普遍偏低于下行传输速率。
附图5是对附图4信息的重新排列，横轴改为用户与基站距离和小区半径的比值，最大值1表示恰好在小区边界上。如附图5所示，可以看到，距离基站越远，上行和下行的流量越小，这很符合正常小区的资源分配结果，边境用户一般不如中心用户的信道条件好。我们还可以看到，距离基站越远，用户的下行流量基本越高于上行流量，这更进一步说明了附图4 中的问题，上行的资源分配本来就要在下行分配结果基础上进行分配，要考虑到对同频用户的影响，需要限制发射功率，而且边境用户的自由空间损耗更大，导致上行流量明显低于下行。但是不论是所有用户之间对比流量还是自己上下行流量对比，都没有差出一个数量级，改进的PF算法能够很好的顾及到均衡性。
附图6表示了整个LTE-A小区的上下行流量和仿真时间的关系。如附图6所示，在仿真期间，小区的上下行流量比较稳定，没有大的波动，而且下行流量一直是上行流量的两倍左右。考虑到在未加入全双工之前，所有资源块同一时隙只会被分给上行或者下行，而且小区通信中，下行速率又普遍高于下行速率，所以我们假设非全双工情况下，资源全部分给下行用户，即达到了图中蓝线所代表的流量，而加入全双工，改善PF算法后，比之前多出了红线代表的流量，频谱利用率得到大幅提升，在保证公平性的前提下极大提升了系统吞吐率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于功率控制的LTE-A系统全双工资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100：当前时隙k，进行下行资源块分配，设置起始的待分配资源块标号为m＝1；
S101：计算每个用户在当前第m个资源块的下行PF值；
S102：选择PF值最大的用户作为当前m资源块的下行分配对象，该PF值最大的用户为UED(k,m)；
S103：判断资源块是否分配完毕，没有分完则m＝m+1，跳转到S101；
分完执行S104；
S104：更新每个用户的下行平均速度；
S105：当前时隙下，进行上行资源块分配，设置m＝1；
S106：根据公式计算所有待分配上行资源的用户在第m个资源块上的功率临界值，使得上行占用第m个资源块的用户以这个功率发射信号不会对下行占用第m个资源块的用户产生干扰，其中，pBS为基站发射功率，是基站信号到达占用第m个资源块的下行用户时的空间功率损耗，Loss(f,d(UED(k,m),n))是分别在下行和上行占用资源块m的用户之间的空间功率损耗，α是功率调节参数，pUE(k,UED(k,m),n)是用户n使用第m个资源块作为上行信道而不会对用户UED(k,m)造成干扰的发射功率；
S107：根据公式计算所有用户如果上行使用第m个资源块并以pUE(k,UED(k,m),n)作为发射功率时到达基站端的信号强度，dn为用户n到基站的距离；
S108：计算所有用户在当前m资源块的上行PF值；
S109：选择PF值最大的用户作为当前m资源块的上行分配对象；
S110：判断资源块是否分配完毕，没有分完则m＝m+1，跳转到S106，分完则结束。
2.根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述下行平均速度tD(k,n)是第n个UE在前k个子帧的下行平均速率，
3.根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述下行PF值为其中，tD(k,n)是第n个UE在前k个子帧的下行平均速率，vD(k,m,n)为为第k个时隙上第n个UE的第m个RB的信道传输速率。
4.根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述上行PF值为
其中，tU(k,n)为第n个UE在前k个子帧的上行平均速率。
5.根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述空间功率损耗为自由空间衰落，Loss(f,d)＝32.45+20lg(f)+20lg(d)。
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