CN105979529B - LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法 - Google Patents

LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种LTE‑U密集网络中提高容量且保护Wi‑Fi公平性的信道接入方法，采用了基于竞争机制的信道接入方式，即通过联盟博弈的方式，使参与信道竞争的LTE‑U基站形成不同的分簇，并在每个分簇中采用合理的子信道分配方案，达到了减少竞争基站的数目的目标，具有既提高信道利用率，进而提高LTE‑U系统容量，又降低对Wi‑Fi系统干扰，保证Wi‑Fi系统公平性的优势。

Description

LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入 方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，尤其涉及一种在免授权频段提高LTE-U网络容量且保证Wi-Fi公平性的信道接入方法。
背景技术
随着移动设备和多种移动应用的爆发式增长，无线运营商面临着移动数据流量快速增长带来的对系统容量和保证用户服务质量的严峻考验。为了应对海量数据的巨大挑战，运营商需要获取更多的频谱资源。然而，频谱作为一种珍贵资源，授权频段常常十分昂贵。随着载波聚合技术的发展，运营商将目标放在了免费的免授权频段，即LTE Unlicensed(LTE-U)技术。作为LTE Release13中的一部分，LTE-U可以在统一的LTE网络下允许用户同时接入授权和免授权频段。
虽然LTE-U技术可以带来更高的数据速率、无缝的服务一致性以及可靠的移动性，但同样面临着许多挑战。首要的挑战就是LTE-U系统和免授权频段上已存在系统的共存问题。由于LTE-U将部署在免授权的5G Hz，在该频段的主要系统便是Wi-Fi(11a)。Wi-Fi系统采用了基于竞争机制的媒体访问控制(medium access control，MAC)协议，而LTE-U系统采用集中控制的资源调度策略。因而，LTE-U会对Wi-Fi系统带来持续的干扰，从而使Wi-Fi系统的性能急剧恶化。同时，为了保证公平性，在LTE Release 13中已经确定了采用ListenBefore Talk(LBT)机制。该机制通过让LTE-U基站在发送前对信道进行监听来避免对Wi-Fi系统的干扰并限定了最大信道占用时间。但该机制在LTE-U密集部署的情况下会造成信道利用率低，不仅降低了LTE-U系统的容量，同时使Wi-Fi系统的性能严重恶化。
现有的LTE-U信道接入机制的设计主要集中在调整LBT机制中参数，比如监听时间，空闲信道的阈值以单次传输时间等，从而合理分配LTE-U和Wi-Fi对信道占用的比例，进而保证Wi-Fi的公平性。虽然通过设计合理的参数可以保证Wi-Fi系统的公平性，然而却是以降低LTE-U系统的容量为代价的。目前对在LBT机制保证公平性，同时提高LTE-U系统容量的方法较少。特别的，在LTE-U密集部署时，解决公平性和系统容量的信道接入方法还存在着空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种信道接入方法，提高信道利用率，进而提高LTE-U系统容量，又降低对Wi-Fi系统干扰，同时保证Wi-Fi系统公平性。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法包括以下步骤：
步骤1、LTE-U控制器采用联盟博弈的方式对所控制的LTE-U基站进行分簇，在每个分簇内指定一个簇头代表本分簇进行信道接入的竞争；
步骤2、当有信息需要传输时，每个簇头监听信道的状态，同时当信道被占用时，继续监听信道直到信道空闲；
步骤3、当检测到信道空闲时，每个簇头基站产生一个随机数，在每个时隙内，如果信道空闲，则随机数减1，否则，保持不变；
步骤4、当随机数为0时，在每一个分簇中每一个LTE-U基站进行子信道划分；
步骤5、完成子信道划分之后，每个LTE-U基站进行传输，同时簇头负责检查是否有碰撞发生，若有碰撞，传输失败，将回退窗口扩大1倍；否则，传输成功，回退窗口保持不变，返回步骤2。
作为优选，在步骤1中，如果LTE-U基站的集合为一个分簇为若干LTE-U基站的集合则对LTE-U基站进行分簇的结果，即一个划分π满足且
作为优选，在步骤1中，每个LTE-U基站根据自己的收益xi(S,π)以及整个博弈的价值v(π)来决定是否加入一个特定的分簇S，即，
每个LTE-U基站的收益依据以下公式计算：整个博弈的价值的计算为：
其中，Ri(S,π)表示在给定划分π和所属分簇S下，LTE-U i的容量，即，
其中，表示LTE-U i在子信道m与用户k的发送功率，表示LTE-U i在子信道m与用户k的信道增益，LTE-U i在子信道m与用户k的同道干扰，B表示子信道带宽，表示在子信道m上的高斯白噪声，ps(S,π)表示在给定划分π和所属分簇S下LTE-U i成功接入信道的概率。
作为优选，ps(S,π)根据以下公式进行计算：ps＝nτ(1-τ)n-1，其中，n为参与竞争的LTE-U基站和Wi-Fi节点的总和，τ为每个时隙的接入概率，p为碰撞概率；
通过离散时间马尔科夫链模型计算出每个时隙的接入概率τ和碰撞概率其中，W是最小的回退窗口大小，m表示最大的回退状态。
作为优选，在步骤4中，如果采用表示分簇S可使用的子信道集合，对分簇S中的一个LTE-U基站i，采用表示其用户的集合，则其分配到的子信道集合为：
其中，为LTE-U基站i中第l个用户的子信道，
作为优选，步骤3中，每个簇头基站产生一个大小在(0，W)之间的随机数，其中，W为回退窗口的大小。
本发明一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法的优点在于：
1、本发明采用了联盟博弈的方式，通过定义联盟内部合理的子信道分配策略，使得LTE-U基站形成稳定的分簇，从而极大的减少了在LTE-U密集部署网络下参与信道竞争的LTE-U基站的数目，有效的提高了信道的利用效率，增加了LTE-U系统的容量，同时保证了Wi-Fi系统的公平。
2、本发明利用递归核的概念，合理的设定博弈中每个参与者的收益以及整个系统的博弈价值，按照递归的方式对解空间进行搜索，从而降低了计算的复杂程度。
附图说明
图1为本发明LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实例中的附图对本发明方案的实施方式进行详细描述。
本发明提供一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法，采用了基于竞争机制的信道接入方式，即通过联盟博弈的方式，使参与信道竞争的LTE-U基站形成不同的分簇，并在每个分簇中采用合理的子信道分配方案，达到了减少竞争基站的数目的目标，具有既提高信道利用率，进而提高LTE-U系统容量，又降低对Wi-Fi系统干扰，保证Wi-Fi系统公平性的优势。
本发明提供一种信道接入方法包括以下步骤：
步骤1、LTE-U控制器采用联盟博弈的方式对所控制的LTE-U基站进行分簇，如果LTE-U基站的集合为一个分簇是若干LTE-U基站的集合那么对LTE-U基站进行分簇的结果，即一个划分π满足且在完成分簇之后，在每个分簇内指定一个簇头代表本分簇进行信道接入的竞争。
本发明适用于LTE-U密集部署的场景下，此时由于参与信道竞争的LTE-U节点数目较大，由基于竞争的信道接入机制的特点可知在此场景下会导致大多数竞争者会处于回退状态，从而极大的降低了信道的利用率，导致LTE-U系统容量的降低并对Wi-Fi系统的性能造成了影响。为了减小竞争者数目，提高LTE-U系统容量同时保证Wi-Fi系统的公平性，需要对LTE-U基站进行分簇。
如果LTE-U基站的集合为此时对划分的集合为目标是找到一个稳定的划分使得整个博弈价值最大，即
根据博弈价值和每个参与者的收益的定义可知，
由于每个参与者的收益正比于博弈价值，在博弈价值v(π)最大时，每个参与者的收益也是最大的。
所述Ri(S,π)表示在给定划分π和所属分簇S下，LTE-U i的容量，该容量可以由Shannon公式得出，即
其中表示LTE-U i在子信道m与用户k的发送功率，表示LTE-U i在子信道m与用户k的信道增益，LTE-U i在子信道m与用户k的同道干扰，B表示子信道带宽，表示在子信道m上的高斯白噪声。
另外ps(S,π)表示在给定划分π和所属分簇S下，LTE-U i成功接入信道的概率。可以按照以下公式进行计算
ps＝nτ(1-τ)n-1
其中，表示参与竞争的LTE-U基站和Wi-Fi节点的总和。
通过离散时间马尔科夫链模型可以计算出每个时隙的接入概率τ和碰撞概率p
其中W是最小的回退窗口大小，而m表示最大的回退状态。
但上述问题是一个组合优化问题，且该问题是NP问题，采用暴力搜索法难以满足实际实现的要求。为了高效的解决上述NP问题，引入递归核的概念，通过采用对解空间的合理搜索顺序，并采用有效的剪枝方法来减小搜索空间，从而有效的降低计算复杂度。
递归核通过采用分治策略，通过将原问题转换为更小的子问题，在求解子问题的过程中得到原问题的解。设该联盟博弈的递归核为其中x表示每个参与者的收益向量，π表示一个划分。递归核的求解过程如下：
(1)递归终止条件：
只有一个参与者i的联盟博弈的递归核有唯一解的为
C({i},v)＝((v({i})),{i})
(2)诱导假设：
设是其子问题的核。令表示子问题的所有可能解。诱导假设为
(3)优势解：
(x,π)是在分簇S的优势解如果满足一下以下条件
至少有一个解存在一个解使得
(4)递归核：
递归核是所有优势解的结合。
步骤2、当有信息需要传输时，每个簇头监听信道的状态，当信道被占用时，继续监听信道直到信道空闲。
步骤3、在检测到信道空闲时，每个簇头基站产生一个大小在(0，W)之间的随机数，其中，W是回退窗口的大小，在每个时隙内，如果信道空闲，则随机数减一；否则，保持不变。
步骤4、当随机数为0时，在每一个分簇内部进行子信道划分。如果用表示分簇S可使用的子信道集合，对分簇S中的一个LTE-U基站i，用表示其用户的集合，则其分配到的子信道集合为
在形成分簇之后，需要在每一个分簇内进行子信道的划分。由于每个分簇占用的信道时间受限，因此子信道的分配方案应尽可能的简单，同时还要降低同一个分簇中个LTE-U用户之间的干扰。为了使信道分配方案简单高效且每个用户均至少有一个子信道，提出了如下的信道分配方案。
步骤5、完成子信道划分之后，每个LTE-U基站进行传输；同时簇头负责检查是否有碰撞发生，若有碰撞，传输失败，将回退窗口扩大一倍；否则，传输成功，回退窗口保持不变，返回步骤2。
以上实施例仅为发明的示例性实施例，不用于限制发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、LTE-U控制器采用联盟博弈的方式对所控制的LTE-U基站进行分簇，在每个分簇内指定一个簇头代表本分簇进行信道接入的竞争；
步骤2、当有信息需要传输时，每个簇头监听信道的状态，同时当信道被占用时，继续监听信道直到信道空闲；
步骤3、当检测到信道空闲时，每个簇头基站产生一个随机数，在每个时隙内，如果信道空闲，则随机数减1，否则，保持不变；
步骤4、当随机数为0时，在每一个分簇中每一个LTE-U基站进行子信道划分；
步骤5、完成子信道划分之后，每个LTE-U基站进行传输，同时簇头负责检查是否有碰撞发生，若有碰撞，传输失败，将回退窗口扩大1倍；否则，传输成功，回退窗口保持不变，返回步骤2。
2.如权利要求1所述的一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法，其特征在于，在步骤1中，如果LTE-U基站的集合为一个分簇为若干LTE-U基站的集合则对LTE-U基站进行分簇的结果，即一个划分π满足且
3.如权利要求2所述的一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法，其特征在于，在步骤1中，每个LTE-U基站根据自己的收益xi(S,π)以及整个博弈的价值v(π)来决定是否加入一个特定的分簇S，即，
每个LTE-U基站的收益依据以下公式计算：整个博弈的价值的计算为：
其中，Ri(S,π)表示在给定划分π和所属分簇S下，LTE-U基站的i的容量，即，
其中，表示LTE-U i在子信道m与用户k的发送功率，表示LTE-U i在子信道m与用户k的信道增益，表示LTE-U基站的i在子信道m与用户k的同道干扰，B表示子信道带宽，表示在子信道m上的高斯白噪声，ps(S,π)表示在给定划分π和所属分簇S下LTE-U基站的i成功接入信道的概率，表示分簇S中的一个LTE-U基站的i的用户的集合，为所述基站i分配到的子信道集合。
4.如权利要求3所述的一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法，其特征在于，ps(S,π)根据以下公式进行计算：ps＝nτ(1-τ)n-1，其中，n为参与竞争的LTE-U基站和Wi-Fi节点的总和，τ为每个时隙的接入概率；
通过离散时间马尔科夫链模型计算出每个时隙的接入概率τ和碰撞概率其中，W是最小的回退窗口大小，m表示最大的回退状态。
5.如权利要求1所述的一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法，其特征在于，在步骤4中，如果采用表示分簇S可使用的子信道集合，对分簇S中的一个LTE-U基站i，采用表示其用户的集合，则其分配到的子信道集合为：
其中，为LTE-U基站i中第l个用户的子信道，
6.如权利要求1所述的一种LTE-U密集网络中提高容量且保护Wi-Fi公平性的信道接入方法，其特征在于，步骤3中，每个簇头基站产生一个大小在(0，W)之间的随机数，其中，W为回退窗口的大小。
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