CN106028457B

CN106028457B - 电力td-lte无线专网中的上下行子帧分配方法

Info

Publication number: CN106028457B
Application number: CN201610546328.2A
Authority: CN
Inventors: 施阿丹
Original assignee: Individual
Current assignee: Siwei Tongyuan (Shandong) Energy Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-07-09
Publication date: 2020-02-04
Anticipated expiration: 2036-07-09
Also published as: CN106028457A

Abstract

一种电力TD‑LTE无线专网中的上下行子帧分配方法，将每个小区划分为中心与边缘两类区域：引入参数(u0,v0)、(uc,vc)、(gc,hc)，形成优化问题，求解优化问题，求取参数(u0,v0)、(uc,vc)、(gc,hc)的最优值。本发明的有益效果是针对每个小区选取不同的上下行子帧分配的模式，提高了无线资源的使用效率，增加了无线专网的容量。

Description

电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配方法

技术领域

本发明属于电力通信技术领域，涉及一种电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配方法。

背景技术

信息通信技术是智能电网建设的核心支撑平台。在智能电网中的智能输电环节中，如何对输电线路状态进行实时视频监测，是一个非常重要的问题，需要借助先进的通信技术才能实现。目前的主要解决方法有一下几类。

1、铺设通信光缆。该方法的优点是能为输电线路前端监测装置提供比较可靠的高带宽通讯通道，缺点是面对输电线路比较分散的前端监测装置，铺设通讯光缆施工难度大，成本大，性价比不高。

2、采用3G无线通信方式。目前无论是公网还是专网，采用3G 通讯最大的问题是带宽不足。仅可用于一般数据传输，无法支持高清视频流畅传输。

3、采用WiMAX无线通信技术。该方法能为前端设备提供高带宽无线传输通道，支持高清视频流畅传输，无流量费用，设备投资性价比相对较高。但是该方法的最大问题在于我国在政策层面并不支持该技术，申请频段困难，因此难以推广应用。

4、采用TD-LTE 4G技术。这是目前的热点通信技术，无论公网还是专网都已开始试点应用，在全球智能电网中也得到了较好的试点应用。其传输带宽高，支持移动性，可以实现专业语音集群、多媒体视频调度、高清视频监控流畅传输及高速宽带数据传输。但由于TD-LTE 4G公网基站通信容量的限制和可预见的4G用户数量爆炸式增长，采用TD-LTE 4G公网实现输电线路高清视频监控带宽不一定能得到保证。因此，应考虑利用TD-LTE 4G建设面向电力系统的无线专网，满足电力系统的特殊通信需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配方法，解决了目前采用TD方式的LTE系统来说，所有小区的上下行子帧分配的模式相同，使得频谱利用率较低的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：将每个小区划分为中心与边缘两类区域：

以基站为中心、以D₀为半径范围内的地理区域称为中心区域，而将其他区域称为边缘区域，其中，半径D₀的取值，应以相邻小区的边缘区域与中心区域之间没有或近似没有干扰为原则进行确定，可以通过链路预算的方式进行估算；

步骤2：引入参数(u₀,v₀)、(u_c,v_c)、(g_c,h_c)，形成优化问题：

引入C+1组参数，其中第一组参数为(u₀,v₀)，用来表示所有小区的边缘区域的上下行子帧分配模式；其余C组参数为(u_c,v_c)，1≤c≤ C，用来表示小区c的中心区域的上下行子帧分配模式，参数(u₀,v₀) 与(u_c,v_c)都只能在集合R中取值，对于每个小区c来说，中心区域与边缘区域之间需要在频域上进行划分，以避免小区内干扰，为此，需要再引入C组参数(g_c,h_c)，用来表示小区c内的频域资源划分情况，每个小区都可以使用全部频域资源，即S个子载波组，因此有g_c+h_c≤S，对于每个小区c来说，其边缘区域在上行与下行方向分别可以分配得到u₀h_c和v₀h_c个PRB，其中心区域在上行与下行方向则分别可以分配得到u_cg_c和v_cg_c个PRB，假设每个小区c的边缘区域在上行与下行方向上分别需求P_out,c和Q_out,c个PRB，而中心区域在上行与下行方向上分别需求P_inn,c和Q_inn,c个PRB，则电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配模式选择问题可以用下面优化公式来描述：

s.t.(u₀,v₀)∈R

(u_c,v_c)∈R,1≤c≤C

(g_c,h_c)∈N,1≤c≤C；

步骤3：根据步骤2中的电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配模式选择公式，求解优化问题，求取参数(u₀,v₀)、(u_c,v_c)、(g_c,h_c) 的最优值：构造C张小区中心优化分配待选表；

构造C张小区中心与边缘联合优化分配待选表；

将确定参数(u₀,v₀)的最优取值；

对于每个小区c，确定参数(g_c,h_c)的最优取值；

对于每个小区c，确定参数(u_c,v_c)的最优取值。

本发明的有益效果是针对每个小区选取不同的上下行子帧分配的模式，提高了无线资源的使用效率，增加了无线专网的容量。

附图说明

图1是电力无线专网蜂窝系统示意图；

图2是LTE系统中的无线资源定义示意图；

图3是TD-LTE的上下行时隙分配模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

下表1为本发明中所用术语说明。

表1

下表2表示本发明中所有符号的说明。

表2

如图1所示，考虑一个基于TD-LTE的电力无线专网系统，其中包括有C个小区。例如，如图1中的 (a)中所示，建有C＝4个小区。每个小区都将覆盖以基站为中心、D为半径范围内的地理区域，并且专门为覆盖区域内的电力系统设备提供无线传输服务。本专利要解决的是电力TD-LTE无线专网中的上下行无线资源分配问题。

为了解释这个问题，首先需要给出LTE系统中的无线资源的定义。根据3GPP制定的相关标准^[1]，LTE系统中的无线资源可以由在时域与频域二维平面上定义的栅格图来表示，如图2中所示。其中，在时域上，一帧的长度为10ms，被划分为10个子帧，然后每个子帧又被进一步划分为2个时隙；在频域上，系统带宽被划分为S个子载波组，其中每个子载波组包含12个子载波。在LTE系统中，无线资源的基本单位被称为PRB，对应于时域上的1个时隙与频域上的1 个子载波组。因此，在LTE系统中，所谓无线资源分配问题，就是指如何在不同的无线资源竞争者之间合理分配PRB的问题。本专利所涉及的，就是如何在上下行之间合理分配PRB的问题。

事实上，对于采用FD方式的LTE系统，由于上下行使用不同的频段，双方各自使用独立的PRB资源池，不存在竞争，也就没有上下行无线资源分配的问题。但对于采用TD方式的LTE系统来说，由于上下行共用同一频段，双方需要共享同一PRB资源池，有竞争关系，从而需要在上下行之间进行资源分配。根据3GPP制定的标准^[1]，在TD-LTE中共定义有7中上下行子帧分配的模式，如图3中所示。这样，上下行无线资源分配问题就被转化为上下行子帧分配模式选择的问题。

上下行无线资源分配是建设电力TD-LTE无线专网过程中亟需解决的关键问题之一。本发明满足了电力系统通信需求、提高频谱利用效率，提出一种有效的上下行子帧分配模式选择方法，从而解决电力 TD-LTE无线专网中的上下行无线资源分配问题。

对于TD-LTE系统来说，如果各个小区采用不同的上下行子帧分配模式，则相邻小区在交叉子帧上会产生较强的互相干扰，从而严重影响无线通信质量、减低系统的容量。因此，目前通用的做法，是强制系统中的所有小区都采用相同的上下行子帧分配模式，以避免相邻小区间的干扰。也就是说，在整个系统中只引入一组参数(u,v)，然后每个小区根据该参数确定上下行时隙分配模式，从而保证每个小区的上下行子帧分配模式都相同。

现有的方法中，可以采用下列方法确认参数(u,v)的取值。事实上，给定参数(u,v)，即每个小区在上行与下行方向分别可以分配u个和v 个PRB。假设每个小区c在上行与下行方向上分别需求P_c和Q_c个 PRB。则可以通过求解下列优化问题得到(u,v)的取值：

s.t.(u,v)∈R

(1)

其中R是上下行时隙配比参数允许取值的集合。根据3GPP标准^[1]，在TD-LTE中共定义有7种上下行子帧分配的模式，如图3中所示。因此，在集合R中将包括有7个不同元素，分别记为(r_ul,i,r_dl,i)， i＝1,2,…,7，分别对应于7中可能的模式。给定P_c和Q_c的取值，只需简单的进行穷举即可得到最优的(u,v)的取值，其中P_c和Q_c的取值可根据覆盖范围内的长期流量统计特性进行估算得到。

该方法虽然简单，但缺点是显然的，即严重缺乏灵活性。在该方法中，所有小区都要使用相同的分配模式，因此一定无法处理不同小区上下行流量特性差异较大时的情形。本专利将提出一种新方法以克服已有方法的缺点。

本发明采用的技术方案是：

步骤1：将每个小区划分为中心与边缘两类区域。

在该步骤中，需要将每个小区的覆盖范围进一步划分为两类区域，其中第一类区域称为中心区域，即距离基站较近的区域，第二类区域称为边缘区域，即距离基站较远的区域。例如，如图1中的 (b)中所示，我们将小区中以基站为中心、以D₀为半径范围内的地理区域称为中心区域，而将其他区域称为边缘区域。其中，半径D₀的取值，应以相邻小区的边缘区域与中心区域之间没有或近似没有干扰为原则进行确定，可以通过链路预算的方式进行估算。对于陆地蜂窝系统来说，小区的覆盖范围通常都较小，因此一般来说不易区分小区的中心与边缘。但是对于电力无线专网来说，小区半径通常都较大，因此可以容易区分出小区的中心区域与边缘区域。在划分为中心与边缘两类区域后，则每个小区的中心区域可以采用与本小区边缘区域、相邻小区都不同的上下行子帧分配模式，从而大大增加了灵活性。

在该步骤中，需要将上下行子帧分配模式选择的问题用数学优化的方法进行准确描述。在将每个小区划分为中心与边缘两类区域后，可以观察到，每个小区的中心区域可以选择不同的上下行子帧分配模式而不会引起小区间干扰，但所有小区的边缘区域还是不得不使用相同的上下行子帧分配模式以避免小区间干扰。因此，需要引入C+1 组参数，其中第一组参数为(u₀,v₀)，用来表示所有小区的边缘区域的上下行子帧分配模式；其余C组参数为(u_c,v_c)，1≤c≤C，用来表示小区c的中心区域的上下行子帧分配模式。如前所述，由于受到TD-LTE标准的限制，参数(u₀,v₀)与(u_c,v_c)都只能在集合R中取值。

对于每个小区c来说，中心区域与边缘区域之间需要在频域上进行划分，以避免小区内干扰。为此，需要再引入C组参数(g_c,h_c)，用来表示小区c内的频域资源划分情况。由于LTE是重用-1系统，每个小区都可以使用全部频域资源，即S个子载波组。因此有g_c+h_c≤S 的约束。进一步的，在LTE系统中，还有大量的控制信道也需要占用频域资源。为了一般性地表示，我们引入集合N，用来表示参数(g_c, h_c)的所有允许取值的集合。集合N中元素的具体取值可根据目标专网系统的特定要求与特点进行确定。

这样，对于每个小区c来说，其边缘区域在上行与下行方向分别可以分配得到u₀h_c和v₀h_c个PRB，其中心区域在上行与下行方向则分别可以分配得到u_cg_c和v_cg_c个PRB。假设每个小区c的边缘区域在上行与下行方向上分别需求P_out,c和Q_out,c个PRB，而中心区域在上行与下行方向上分别需求P_inn,c和Q_inn,c个PRB。则电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配模式选择问题可以用下列优化公式来描述：

s.t.(u₀,v₀)∈R

(u_c,v_c)∈R,1≤c≤C

(g_c,h_c)∈N,1≤c≤C

(2)

步骤3：参数的求解优化问题，求解过程分为五个子步骤进行，分别叙述如下：

子步骤3.1：构造C张小区中心优化分配待选表；

在该子步骤中，对于每个小区c，需要针对参数(g_c,h_c)的每个可能取值，计算相应的参数(u_c,v_c)的最佳取值，使得能够最小化(u_cg_c- P_inn,c)²+(v_cg_c-Q_inn,c)²的取值。由于参数(u_c,v_c)的可能取值只有7种，该计算过程只需简单的穷举即可。记参数(u_c,v_c)的最佳取值为(u_c ^*(g_c), v_c ^*(g_c))，从而可以构造出一张小区中心优化分配待选表，对每个小区都进行上述操作，从而可以构造出C张小区中心优化分配待选表如下表3所示。

表3

参数(g<sub>c</sub>,h<sub>c</sub>)的取值	参数(u<sub>c</sub>,v<sub>c</sub>)的取值
		(n<sub>inn,1</sub>,n<sub>out,1</sub>)	(u<sub>c</sub><sup></sup>(n<sub>inn,1</sub>),v<sub>c</sub><sup></sup>(n<sub>inn,1</sub>))
(n<sub>inn,2</sub>,n<sub>out,2</sub>)	(u<sub>c</sub><sup></sup>(n<sub>inn,2</sub>),v<sub>c</sub><sup></sup>(n<sub>inn,2</sub>))
		……	……
(n<sub>inn,k</sub>,n<sub>out,k</sub>)	(u<sub>c</sub><sup></sup>(n<sub>inn,k</sub>),v<sub>c</sub><sup></sup>(n<sub>inn,k</sub>))
		……	……
(n<sub>inn,K</sub>,n<sub>out,K</sub>)	(u<sub>c</sub><sup></sup>(n<sub>inn,K</sub>),v<sub>c</sub><sup></sup>(n<sub>inn,K</sub>))

子步骤3.2：构造C张小区中心与边缘联合优化分配待选表；

在该子步骤中，对于每个小区c，需要针对参数(u₀,v₀)的每个可能取值，计算相应的参数(g_c,h_c)的最佳取值，使得能够最小化(u₀h_c- P_out,c)²+(v₀h_c-Q_out,c)²+(u_cg_c-P_inn,c)²+(v_cg_c-Q_inn,c)²的取值，其中参数(u_c,v_c) 的取值根据表3中的小区中心优化分配待选表得到。由于参数(g_c,h_c) 的可能取值是有限的K种，该计算过程也只需简单的穷举即可。记参数(g_c,h_c)的最佳取值为(g_c ^*((u₀,v₀)),h_c ^*((u₀,v₀)))，从而可以构造出一张小区中心与边缘联合优化分配待选表，如表4中所示。对每个小区都进行上述操作，从而可以构造出C张小区中心与边缘联合优化分配待选表，如表4所示。

表4

子步骤3.3：在该子步骤中，将确定参数(u₀,v₀)的最优取值。针对参数(u₀,v₀)的每个可能取值，计算下列和式的取值，

其中参数(g_c,h_c)的取值根据表4中的小区中心与边缘联合优化分配待选表得到，而参数(u_c,v_c)的取值再根据参数(g_c,h_c)的取值以及表3中的小区中心优化分配待选表得到。这样可以得到共有7个取值，选择其中最小取值对应的参数(u₀,v₀)的取值，即为参数(u₀,v₀)的最优取值，记为(u₀ ^*,v₀ ^*)。

子步骤3.4：对于每个小区c，确定参数(g_c,h_c)的最优取值：

根据之前计算得到的(u₀ ^*,v₀ ^*)，带入表4中的小区中心与边缘联合优化分配待选表进行简单的查表操作，即可得到参数(g_c,h_c)的最优取值，记为(g_c ^*,h_c ^*)。

子步骤3.5：对于每个小区c，确定参数(u_c,v_c)的最优取值：

根据之前计算得到的(g_c ^*,h_c ^*)，带入表3中的小区中心优化分配待选表进行简单的查表操作，即可得到参数(u_c,v_c)的最优取值，记为 (u_c ^*,v_c ^*)。

本发明与已有方法相比，新方法可以针对不同覆盖区域内上下行通信业务需求的不同，对上下行子帧进行灵活配置，从而提高了无线资源的使用效率，增加了无线专网的容量。另外，新方法的计算过程简便，复杂度低，实施代价小，有利于无线专网在运营过程中根据实际情况变化对上下行子帧配置进行灵活调整。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：将每个小区划分为中心与边缘两类区域：

引入C+1组参数，其中第一组参数为(u₀,v₀)，用来表示所有小区的边缘区域的上下行子帧分配模式；其余C组参数为(u_c,v_c)，1≤c≤C，用来表示小区c的中心区域的上下行子帧分配模式，参数(u₀,v₀)与(u_c,v_c)都只能在集合R中取值，对于每个小区c来说，中心区域与边缘区域之间需要在频域上进行划分，以避免小区内干扰，为此，需要再引入C组参数(g_c,h_c)，用来表示小区c内的频域资源划分情况，每个小区都可以使用全部频域资源，即S个子载波组，因此有g_c+h_c≤S，对于每个小区c来说，其边缘区域在上行与下行方向分别可以分配得到u₀h_c和v₀h_c个PRB，其中心区域在上行与下行方向则分别可以分配得到u_cg_c和v_cg_c个PRB，假设每个小区c的边缘区域在上行与下行方向上分别需求P_out,c和Q_out,c个PRB，而中心区域在上行与下行方向上分别需求P_inn,c和Q_inn,c个PRB，则电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配模式选择问题可以用下面优化公式来描述：

s.t.(u₀,v₀)∈R

(u_c,v_c)∈R,1≤c≤C

(g_c,h_c)∈N,1≤c≤C；

步骤3：根据步骤2中的电力TD-LTE无线专网中的上下行子帧分配模式选择公式，求解优化问题，求取参数(u₀,v₀)、(u_c,v_c)、(g_c,h_c)的最优值：

构造C张小区中心优化分配待选表；

构造C张小区中心与边缘联合优化分配待选表；

将确定参数(u₀,v₀)的最优取值；

对于每个小区c，确定参数(g_c,h_c)的最优取值；

对于每个小区c，确定参数(u_c,v_c)的最优取值；

所述R为上下行时隙配比参数允许取值的集合，

所述N为小区中心与边缘区域子载波组分配参数的允许取值集合。