CN106922027A - 一种基于系统稳定性的abs动态配置方法和系统 - Google Patents

一种基于系统稳定性的abs动态配置方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于系统稳定性的ABS动态配置方法，属于无线通信技术领域；所述ABS动态配置方法包括：宏基站和Pico基站根据定义的效益函数，评估ABS和常规子帧之间基站所取得的效益之差，其中宏基站计算ABS子帧不发送数据带来的效益损失，Pico基站估计在ABS干扰减小带来的效益增量；宏基站覆盖范围内的Pico基站向宏基站上报ABS带来的收益增量；宏基站综合考虑宏基站在ABS子帧的损失和Pico基站上报的效益增量，动态配置ABS子帧。该方法考虑到用户业务的随机性以及用户队列的有限性，充分利用用户信道质量信息和数据积压信息，有效的保证了网络系统稳定性，优化了用户体验，具有良好的前景和经济效益。

Description

一种基于系统稳定性的ABS动态配置方法和系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种基于系统稳定性的ABS动态配置方法和ABS动态配置系统。
背景技术
近年来，随着智能终端的快速发展，用户对于移动通信的流量需求呈现爆炸式的增长。为了迎合用户的需求，未来5G网络正朝着多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。LTE-Advanced系统引入异构网(HetNet，Heterogeneous Network)的概念，在宏蜂窝的覆盖范围内部署低功率节点来增强覆盖，在增加功率和部署成本的开销的同时，通过频率复用带来提高系统的频谱效率，能够大大提高网络容量。这种分层式的网络部署可以增强特定区域的覆盖质量，改善边缘用户的性能，同时降低宏蜂窝的负载。异构网络的引入也为网络带来一个新的名词，跨层干扰(Inter-tier Interference)。
为了解决异构网络中的跨层干扰问题，3GPP Rel中提出了增强型干扰协调(eICIC，Enhanced Inter-cell Interference Cooridination)方案。其中针对网络中的宏小区和热点区域的Pico小区重叠覆盖的场景，几乎空白子帧(ABS，Almost BlankSubframe)与小区范围扩展(CRE，Cell Range Expansion)结合的方案是研究的一个热点。由于Pico基站的发送功率较小，在通过参考信号接收功率(RSRP，Reference SignalReceived Power)进行小区选择时，用户往往倾向于连接宏基站，导致宏基站接入用户过多。而CRE则是用户在进行小区选择时，在Pico基站RSRP上增加的一个偏置值，用于将更多的宏基站用户卸载到小蜂窝。宏基站在ABS期间不发送用户数据，用于降低对于小蜂窝边缘用户的干扰，提高其频谱效率。由于用户业务各部相同且各用户的业务到达都是随机过程，每一段时间内用户需要传输的数据量是不同的，也就是说不同时刻用户对资源的需求也不同。在现有的干扰管理方案中，干扰管理优化方法大都是以吞吐量与用户公平性作为优化目标，往往忽略了这一问题。Lyapunov优化方法作为经典的控制理论，考虑到用户业务到达的随机性以及不同的业务需求被用于应用到保证系统稳定性和降低功耗的优化的问题中。
发明内容
本发明的目的之一是提出一种基于系统稳定性的ABS动态配置方法；本发明的目的之二是提出一种基于系统稳定性的ABS动态配置系统。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的基于系统稳定性的动态ABS配置方法，包括以下步骤：
a、用户测量并上报信道信息，所述用户包括宏基站用户和Pico基站用户；
b、宏基站和Pico基站将用户的信道信息和队列信息输入调度计算模块，调度计算模块根据用户的信道信息选择MCS得到用户在每个资源块上传输的比特数，然后根据调度算法计算调度矩阵；
c、根据求得的调度矩阵，宏基站和Pico基站分别按照以下公式计算优化目标函数值：
其中，fm(t)表示当前子帧为常规子帧时，宏基站能够获得的效益；Qm(t)表示当前宏基站的队列长度；bm(t)表示当前子帧为常规子帧时；宏基站能够发送的数据包数量；用于指示宏基站资源块的分配，其中时资源块i被分配到了用户u；ru,i(t)表示用户u利用资源块i能够传输的数据量；S表示单个数据包的大小，单位为bit；U表示用户集合；Um表示宏基站m所服务的用户集合；
和分别表示当前子帧为常规子帧和ABS时，Pico基站能够获得的效益；Qp(t)表示Pico基站当前的队列长度；和表示当前子帧为常规子帧和ABS时，Pico基站p能够发送的数据包数量；和分别用于指示Pico基站p在常规子帧和ABS子帧的资源分配；和分别表示在常规子帧和ABS，用户u利用资源块i能够传输的数据量；Up表示Pico基站p所服务的用户集合；
d、宏基站覆盖范围内的Pico基站向宏基站上报值；
e、宏基站根据各Pico基站上报的函数值，做出ABS判决，并向其覆盖范围类的各Pico基站p∈Pm下发ABS决定；
具体的，判决准则如下：
f、Pico基站确定最终的调度矩阵并向用户发送数据；具体如下：
获取优化参数α(t)，并根据优化参数α(t)进行判断，如果α(t)＝1，则宏基在该时隙不向用户发送数据，Pico基站采用调度矩阵调度资源和同时选择相应的MCS向用户发送数据包，并更新基站下各用户的队列长度；
如果α(t)＝0，则宏基站在该时隙采用调度矩阵wm(t)和相应的MCS向用户发送数据包，Pico基站采用调度矩阵和相应的MCS向用户发送数据包。
进一步，所述优化目标函数值按照以下步骤计算：
根据图7确定调度矩阵后，按照以下公式计算优化目标函数值：
其中，p表示Pico基站，Pm表示宏基站m覆盖范围内的Pico基站的集合；
宏基站ABS损失计算模块根据用户的队列信息和从调度计算模块获取的可发送的包数量信息，计算ABS损失为fm(t)；
Pico基站ABS效益增量计算模块根据用户的队列信息和从两个调度计算模块中获取的用户在ABS子帧和非ABS子帧可以发送的数据包数量；
得到ABS效益增量为
进一步，所述调度矩阵按照以下步骤进行计算：
获取每个资源块上发送的数据包的最大数量；
按照以下公式计算用户调度优先级矩阵
其中，Ux为基站x的用户集合；x可以表示宏基站m，也可以表示Pico基站p，metricu,i表示用户调度优先级；ru,i(t)表示用户u利用资源块能够传输的数据量，单位为比特，对于宏基站用户调度优先级和Pico基站用户在ABS和常规子帧上的调度优先级进行计算时，rui(t)分别对应取和S表示单个数据包的大小，单位为比特；
基站初始化调度矩阵w为元素全零的矩阵；
选择调度优先级矩阵中最大的元素，若该元素对用关联用户u*和资源块j，则将调度矩阵w中与用户u*和资源块j相关联的元素置为1，即
将调度优先级矩阵中与资源块j关联的列置为0；
检查用户u*是否还有剩余数据要发送，即用户u*是否需要更多的资源来发送数据，若无，则将调度优先级矩阵中与用户u*关联的行置0；
重新选择调度优先级矩阵中最大的元素，对应的更新调度矩阵和调度优先级矩阵；
当调度优先级矩阵中所有元素都为0，则退出循环，并输出调度矩阵w，
该流程适用于宏基站m计算调度矩阵wm(t)，Pico基站计算调度矩阵和
进一步，所述Macro基站设置有ABS动态配置；所述宏基站在ABS期间不向用户发送数据，所述Pico基站向宏基站上报信息，并由宏基站权衡决定是否要配置ABS子帧；所述Pico基站还包括以下步骤：：
设置两个调度计算模块，分别根据用户的ABS子帧和常规子帧的信道质量选择用户对应的MCS，计算用户在每个资源块上传输的数据量，及用户对应的调度矩阵、可发送包数量；
计算ABS效益增量：计算Pico基站在ABS调度用户由于信道质量提升带来的收益，即Pico基站在ABS子帧上处理数据包带来的效益和Pico基站在常规子帧上发送数据包带来的效益之差，有Pico基站当前的队列长度、在ABS和常规子帧上可发送包数量；
Pico基站向宏基站上报ABS效益增量值；
Pico基站获取来自宏基站的ABS配置信息；
Pico基站选择对应调度器计算的调度结果来为用户提供服务，若下一子帧为ABS子帧，则基站选择从一个调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵，否则选择另一个调度计算模块中的调度结果。
进一步，所述Macro基站的ABS动态配置，具体包括以下步骤：
根据用户反馈的常规信道信息，选择对应的MCS，计算用户在每个资源块上传输的数据量、用户对应的调度矩阵，及可发送包数量；
计算宏基站在ABS不发送数据带来的损失，等价于基站常规子帧发送数据带来的效益fm(t)；
获取宏基站覆盖范围内Pico基站上报的ABS的增益信息；
在宏基站的损失和Pico基站的增益之间进行权衡并做出ABS判决，根据公式(4)的判决准则，Pico基站的增益较大时，判决结果是ABS子帧，相反，若宏基站增益较大时，判决结果是常规子帧；
宏基站向Pico基站告知子帧配置类型；
根据子帧配置类型，宏基站选择是否发送数据，若下一子帧为常规子帧，则基站依据从调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵为用户提供服务，否则将在下一个子帧静默。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的基于系统稳定性的动态ABS配置系统，包括信道测量模块、调度计算模块、调度矩阵计算模块、ABS判决模块和调度矩阵确定模块；
所述信道测量模块，用于实现用户测量并上报信道信息，所述用户包括宏基站用户和Pico基站用户；
所述调度计算模块，用于宏基站和Pico基站将用户的信道信息和队列信息输入调度计算模块，调度计算模块根据用户的信道信息选择MCS得到用户在每个资源块上传输的比特数，然后根据调度算法计算调度矩阵；
所述调度矩阵计算模块，根据求得的调度矩阵，宏基站和Pico基站分别按照以下公式计算优化目标函数值：
其中，fm(t)表示当前子帧为常规子帧时，宏基站能够获得的效益；Qm(t)表示当前宏基站的队列长度；bm(t)表示当前子帧为常规子帧时；宏基站能够发送的数据包数量；用于指示宏基站资源块的分配，其中时资源块i被分配到了用户u；ru,i(t)表示用户u利用资源块i能够传输的数据量；S表示单个数据包的大小，单位为bit；U表示用户集合；Um表示宏基站m所服务的用户集合；
和分别表示当前子帧为常规子帧和ABS时，Pico基站能够获得的效益；Qp(t)表示Pico基站当前的队列长度；和表示当前子帧为常规子帧和ABS时，Pico基站p能够发送的数据包数量；和分别用于指示Pico基站p在常规子帧和ABS子帧的资源分配；和分别表示在常规子帧和ABS，用户u利用资源块i能够传输的数据量；Up表示Pico基站p所服务的用户集合；
所述Pico基站效益计算模块，用于宏基站覆盖范围内的Pico基站向宏基站上报值；
所述ABS判决模块，用于宏基站根据各Pico基站上报的函数值，做出ABS判决，并向其覆盖范围类的各Pico基站p∈Pm下发ABS决定；
具体的，判决准则如下：
所述调度矩阵确定模块，用于Pico基站确定最终的调度矩阵并向用户发送数据；具体如下：
获取优化参数α(t)，并根据优化参数α(t)进行判断，如果α(t)＝1，则宏基在该时隙不向用户发送数据，Pico基站采用调度矩阵调度资源和同时选择相应的MCS向用户发送数据包，并更新基站下各用户的队列长度；
如果α(t)＝0，则宏基站在该时隙采用调度矩阵wm(t)和相应的MCS向用户发送数据包，Pico基站采用调度矩阵和相应的MCS向用户发送数据包。
进一步，所述优化目标函数值按照以下步骤计算：
根据图7确定调度矩阵后，按照以下公式计算优化目标函数值：
其中，p表示Pico基站，Pm表示宏基站m覆盖范围内的Pico基站的集合；
宏基站ABS损失计算模块根据用户的队列信息和从调度计算模块获取的可发送的包数量信息，计算ABS损失为fm(t)；
Pico基站ABS效益增量计算模块根据用户的队列信息和从两个调度计算模块中获取的用户在ABS子帧和非ABS子帧可以发送的数据包数量；
得到ABS效益增量为
进一步，所述调度矩阵按照以下步骤进行计算：
获取每个资源块上发送的数据包的最大数量；
按照以下公式计算用户调度优先级矩阵
其中，Ux为基站x的用户集合；x可以表示宏基站m，也可以表示Pico基站p，metricu,i表示用户调度优先级；ru,i(t)表示用户u利用资源块能够传输的数据量，单位为比特，对于宏基站用户调度优先级和Pico基站用户在ABS和常规子帧上的调度优先级进行计算时，ru,i(t)分别对应取和S表示单个数据包的大小，单位为比特；
基站初始化调度矩阵w为元素全零的矩阵；
选择调度优先级矩阵中最大的元素，若该元素对用关联用户u*和资源块j，则将调度矩阵w中与用户u*和资源块j相关联的元素置为1，即
将调度优先级矩阵中与资源块j关联的列置为0；
检查用户u*是否还有剩余数据要发送，即用户u*是否需要更多的资源来发送数据，若无，则将调度优先级矩阵中与用户u*关联的行置0；
重新选择调度优先级矩阵中最大的元素，对应的更新调度矩阵和调度优先级矩阵；
当调度优先级矩阵中所有元素都为0，则退出循环，并输出调度矩阵w，
该流程适用于宏基站m计算调度矩阵wm(t)，Pico基站计算调度矩阵和
进一步，所述Macro基站设置有ABS动态配置；所述宏基站在ABS期间不向用户发送数据，所述Pico基站向宏基站上报信息，并由宏基站权衡决定是否要配置ABS子帧；所述Pico基站还包括以下步骤：：
设置两个调度计算模块，分别根据用户的ABS子帧和常规子帧的信道质量选择用户对应的MCS，计算用户在每个资源块上传输的数据量，及用户对应的调度矩阵、可发送包数量；
计算ABS效益增量：计算Pico基站在ABS调度用户由于信道质量提升带来的收益，即Pico基站在ABS子帧上处理数据包带来的效益和Pico基站在常规子帧上发送数据包带来的效益之差，有Pico基站当前的队列长度、在ABS和常规子帧上可发送包数量；
Pico基站向宏基站上报ABS效益增量值；
Pico基站获取来自宏基站的ABS配置信息；
Pico基站选择对应调度器计算的调度结果来为用户提供服务，若下一子帧为ABS子帧，则基站选择从一个调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵，否则选择另一个调度计算模块中的调度结果。
进一步，所述Macro基站的ABS动态配置，具体包括以下步骤：
根据用户反馈的常规信道信息，选择对应的MCS，计算用户在每个资源块上传输的数据量、用户对应的调度矩阵，及可发送包数量；
计算宏基站在ABS不发送数据带来的损失，等价于基站常规子帧发送数据带来的效益fm(t)；
获取宏基站覆盖范围内Pico基站上报的ABS的增益信息；
在宏基站的损失和Pico基站的增益之间进行权衡并做出ABS判决，根据公式(4)的判决准则，Pico基站的增益较大时，判决结果是ABS子帧，相反，若宏基站增益较大时，判决结果是常规子帧；
宏基站向Pico基站告知子帧配置类型；
根据子帧配置类型，宏基站选择是否发送数据，若下一子帧为常规子帧，则基站依据从调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵为用户提供服务，否则将在下一个子帧静默。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明提供的基于系统稳定性的ABS(Almost Blank Subframe)动态配置方法和ABS动态配置系统，通过定义宏基站和Pico基站效益函数，评估ABS和常规子帧之间基站所取得的效益之差，其中宏基站计算ABS子帧不发送数据带来的效益损失，Pico基站估计在ABS干扰减小带来的效益增量；宏基站覆盖范围内的Pico基站向宏基站上报ABS带来的收益增量；宏基站综合考虑宏基站在ABS子帧的损失和Pico基站上报的效益增量，动态配置ABS子帧。该方法考虑到用户业务的随机性以及用户队列的有限性，充分利用用户信道质量信息和数据积压信息，有效的保证了网络系统稳定性，优化了用户体验，具有良好的前景和经济效益。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为系统模型图，Pico基站可以通过小区范围扩展将卸载宏基站边缘用户，宏基站可以通过ABS减少对Pico边缘用户的干扰；
图2为本发明中ABS动态配置实施例的流程示意图；
图3为本发明中ABS动态配置系统实施例的结构示意图；
图4为本发明中Pico基站实施例的结构示意图；
图5为本发明中宏基站实施例的结构示意图；
图6为本发明中实施例中ABS动态配置方法操作示意图；
图7为本发明中基站侧调度矩阵计算方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供的基于系统稳定性的动态ABS配置方法，是在考虑各基站的数据积压情况下，首先建立衡量系统拥塞程度的函数。以最大程度降低系统在每个子帧的拥塞程度为目标，动态调整ABS子帧的配置；
基站侧的调度计算模块只需要根据用户的信道反馈信息和各个用户队列长度，计算调度矩阵，而不需要进行资源分配，其中计算得到的每个用户分到的资源数量是有限的，当用户分到足够传输其数据包的资源后，将退出资源的竞争；
为了实现动态的ABS子帧配置，宏基站侧包含的处理模块有：调度计算模块、ABS损失计算模块、Pico基站ABS效益增量获取模块、ABS决策下发模块、资源和MCS(Modulationand Coding)选择模块，Pico基站侧包含的处理模块有：调度计算模块1和2、ABS效益增量函数计算模块、ABS效益增量函数上报模块，ABS决策获取模块、资源和MCS选择模块；
为了衡量系统的拥塞程度，可以利用宏基站和Pico基站队列的加权平方和来构建Lyapunov函数则用于衡量系统拥塞程度在每一个子帧的增量可以用Lyapunov转移函数来衡量：在考虑以最小化宏基站队列拥塞增量作为优化目标时，V为非负的系统控制参数，用于区分宏基站和Pico基站之间的优先级，当宏基站用户较多，业务到达率较高时，可以适当的减小V的取值，反之可以增大V的取值。为了降低计算复杂度，根据宏基站和Pico基站数据包到达和离开的有界性，可以将最小化Δ(t)的优化目标转化为最小化Δ(t)上界。
优化目标可以按基站和子帧类型分解为多个效益函数，各基站在本地计算对应在ABS和常规子帧下的效益函数。
由于宏基站在ABS不发送数据，因此默认宏基站在ABS的效益函数为0，宏基站只需要计算常规子帧的调度矩阵和效益函数，Pico基站需要计算ABS和常规子帧的效益函数，因此在Pico基站侧需要计算ABS和常规子帧的调度矩阵。
在计算调度矩阵的过程中，为了防止给用户分配过多的资源：
1)每分配一个资源块，结合信道质量对应的MCS，估计该资源块能够传输的数据量，更新用户的队列。
2)若用户队列为0，即用户无数据包待发或分配的资源已经足够发送所有数据包，用户将退出剩余资源的竞争。
其中，Pico基站动态ABS配置，通过两个调度计算模块，分别根据用户的ABS子帧和常规子帧的信道质量选择用户对应的MCS，评估用户在每个资源块上传输的数据量，计算用户对应的调度矩阵，以及可以发送的包数量，但并不执行调度。
ABS效益增量计算模块，用于计算Pico基站在ABS调度用户由于信道质量提升带来的收益，即Pico基站在ABS子帧上处理数据包带来的效益和Pico基站在常规子帧上发送数据包带来的效益之差，有Pico基站当前的队列长度和其在ABS和常规子帧上能够传输的数据量决定。
ABS效益增量上报模块，用于Pico基站向宏基站上报ABS效益增量值。
ABS决策获取模块，用于Pico基站获取来自宏基站的ABS配置信息。
MCS和调度矩阵选择模块，用于Pico基站选择对应调度器计算的调度结果来为用户提供服务，若下一子帧为ABS子帧，则基站选择从调度计算模块1中获取的MCS和调度矩阵，否则选择调度计算模块2中的调度结果。
同时，Macro基站动态ABS配置，设置有调度计算单元，该单元根据用户反馈的常规信道信息，选择对应的MCS，评估用户在每个资源块上传输的数据量，计算用户对应的调度矩阵，以及可以发送的包数量，但并不执行调度；还设置有以下模块：
ABS损失计算模块，用于计算宏基站在ABS不发送数据带来的损失，等价于基站常规子帧发送数据带来的效益，由宏基站常规子帧能够发送的数据包和基站当前的队列决定。
ABS效益增量获取模块，搜集本宏基站覆盖范围内Pico基站上报的ABS的增益信息。
ABS判决模块，用于在宏基站的损失和Pico基站的增益之间进行权衡并做出ABS判决，Pico基站的增益较大时，判决结果是ABS子帧，宏基站增益较大时，判决结果是常规子帧。
ABS决策下发模块，用于宏基站向Pico基站告知子帧配置类型。
MCS和调度矩阵选择模块，根据子帧配置类型，宏基站选择是否发送数据，若下一子帧为常规子帧，则基站依据从调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵为用户提供服务，否则将在下一个子帧静默。
实施例2
本实施例提供的基于系统稳定性的ABS动态配置方案；基于Lyapunov优化理论设计了优化模型，充分利用了用户队列的积压信息和每个调度时隙的信道状况来控制资源的调度以及ABS的配置，使宏基站和Pico基站的队列长度都能达到稳定，同时将数据积压状态降低到最小，提高了整体的网络性能。
本实施例提供的ABS动态配置方法，根据各基站的数据积压情况，建立衡量系统拥塞程度的函数。以最大程度降低系统在每个子帧的拥塞程度为目标，动态配置ABS子帧。基于该优化目标，当Pico基站在ABS上取得的增益较大时，子帧将被配置为ABS，当宏基站在ABS上的损失较大时，子帧将被配置为常规子帧，在权衡宏基站的损失和Pico基站的增益时，参数V用于调整宏基站和Pico基站的优先级。其中基站的调度方法会影响宏基站和Pico基站对与损失和增益的评估，本实施例还提出了调度矩阵的计算的方法。
本实施例还提供了支持ABS动态配置的系统，该系统包括调度计算模块，该调度计算模块根据用户的信道反馈信息和队列信息，获取用户MCS，并计算资源调度矩阵、用户可以发送的包数，不执行调度。其中宏基站侧只需要一个调度计算模块，用于计算常规子帧的调度结果，Pico基站侧需要两个调度计算模块，分别用于计算ABS和常规子帧的调度结果。具体的，调度计算模块的输入包括：用户信道信息、用户队列信息，输出包括：用户MCS和资源调度矩阵，用户可以发送的包数。其中宏基站调度计算模块输入的用户信道信息只有常规信道信息，Pico基站的两个调度计算模块分的输入则分别是用户ABS信道信息和常规子帧信道信息，调度计算模块在计算调度矩阵时的主要特征如下：
1)每分配一个资源块，结合信道质量对应的MCS，估计该资源块能够传输的数据量，更新用户的队列。
2)若用户队列为0，即用户无数据包待发或分配的资源已经足够发送所有数据包，用户将退出剩余资源的竞争。
ABS损失函数计算模块，用于计算宏基站在ABS不发送数据带来的损失。
ABS效益增量计算模块，用于计算Pico基站在ABS调度用户由于信道质量提升带来的收益。
ABS效益增量上报模块和ABS效益增量获取模块，用于Pico基站向宏基站反馈ABS的增益信息和宏基站搜集Pico基站的ABS效益增量信息。
ABS判决模块，用于在宏基站的损失和Pico基站的增益之间进行权衡并做出ABS判决，并采取相应的配置方式。
ABS决策下发模块和ABS决策获取模块，用于宏基站向Pico基站告知ABS配置类型。
MCS和调度矩阵选择模块，根据子帧配置类型，宏基站选择是否发送数据，若发送，则依据调度计算模块计算的MCS和调度矩阵来为用户发送数据，Pico基站根据ABS的配置类型从调度计算模块1或2中选择对应一组MCS合调度矩阵来为用户提供服务。
由于在对ABS进行动态配置时，考虑了用户的数据积压情况，同时兼顾了当前的信道质量，来控制资源的调度以及ABS的配置，以最小化系统阻塞程度的增量为优化目标，所以使宏基站和Pico基站的队列长度都能达到稳定，同时尽量改善系统阻塞情况，提高了整体的网络性能。
实施例3
如图1所示，图1描述了系统模型，本实施例提供的宏基站和Pico基站都是同时为多个用户提供服务，其中每一个用户都有一个缓冲区，其中MUE和PUE分别表示宏基站用户和Pico基站用户，MeNB和PeNB分别表示宏基站和Pico基站。图中，任意宏基站用户u∈Um和任意Pico基站用户u∈Up在时隙t的缓冲队列长度Qu(t)，其中用户队列的动态更新方程为：
Qu(t+1)＝max[Qu(t)+au(t)-bu(t),0] 式(11)
其中，au(t)表示在时隙t用户u的数据包到达的数量，一个时隙的长度为1ms，等于一个子帧的长度，bu(t)表示用户u在时隙t离开的包数，由用户的信道质量和基站分配的资源数，以及子帧的类型决定：
其中，用于指示宏基站m的资源分配，若资源块i分被给用户u则对应用户u在资源块i上所能传输的比特数为ru,i(t)，由宏用户上报的信道质量决定。和分别用于指示当子帧为常规子帧或ABS时的资源分配拟情况。由于每个基站下，任意资源块i只能分配给一个用户，因此有： 当对应子帧为ABS，Pico基站p将资源块i分给用户u所能传输的比特数为否则为S为一个数据包的大小，单位是比特。α(t)∈{0,1}用于指示子帧的类型，当α(t)＝1时，为ABS，否则为常规子帧。每个基站的队列的长度是所服务用户队列长度的总和：
MeNB和PeNB队列更新队列方程可以表示为：
构建Lyapunov函数L(t)，每个时隙一个宏基站和其覆盖范围内的多个PeNB的队列平方加权和：
L(t)是用来衡量网络阻塞的标量，如果L(t)很小，则所有队列都很小，若L(t)很大，则至少一个基站队列很长。Lyapunov转移量Δ(t)的具体定义如下：
Δ(t)@E{L(t+1)-L(t)|Q(t)} 式(16)
将Lyapunov函数L(t)和队列动态更新方程带入得到以下性质：
根据用户包到达的有界性：am(t)＜am,max和ap(t)＜ap,max，以及基站处理能力的有界性：bm(t)＜bm,max和bp(t)＜bp,max，存在常数和使得式(7)成立。V是一个非负的系统控制参数，用来均衡宏基站队列积压调整量和Pico基站队列积压的调整量，当宏基站队列积压量减少时，可能造成Pico基站队列长度的增加。
本实施例中每个时隙所做的调度和ABS决定的目的在于最小化Δ(t)的上界，即：
将式(2)带入，并考虑所提到的约束条件，整体优化模型建立如下：
图3为本发明中ABS动态配置系统实施例的结构示意图。本实施例的系统包括：
用户设备300和303，分别用于向Pico基站和宏基站请求业务数据，以及反馈信道信息。
Pico基站301，用于根据用户设备300的业务请求和反馈的信道信息，在不同子帧类型下为用户分配资源，并评估基站在ABS所能取得的效益提升量，反馈给宏基站。
宏基站302，用于根据用户设备304的业务请求和反馈的信道信息，在常规子帧下为用户分配资源，评估在ABS不发送数据带来的损失，并结合Pico基站上报的在ABS的效益增量，动态配置子帧类型。
图6为本发明中实施例中ABS动态配置方法操作示意图；
步骤600：用户测量并上报信道信息，包括宏基站用户和Pico基站用户。
具体的，用户信道信息的测量与上报是周期性的，基站可以根据用户上报的信道信息，选择相应的调制编码方式，估计用户在各个资源块上能够传输的数据量，当用户信道质量较好时，用户在单个资源块上传输的数据量较大。
步骤601：宏基站和Pico基站将用户的信道信息和队列信息输入调度计算模块，有调度计算模块根据用户的信道信息选择MCS得到用户在每个资源块上传输的比特数，然后根据调度方法计算调度矩阵。
具体的，图7给出了本实施例中调度计算模块的调度矩阵计算流程图，其中每个基站的调度矩阵的计算都是相互独立的，为了达到优化目标，通过最大化每个资源块上发送的数据包数量(或)，来使得基站所发送的总数据包数量(或)最大。
其中，宏基站调度计算模块用到的用户调度优先级矩阵的计算公式为：
Pico基站中调度计算模块1和2分别用到用户ABS和常规子帧的调度优先级的矩阵的计算公式为：
根据不同的用户调度优先级矩阵，按照图7的流程，可以分别得到宏基站的调度矩阵wm(t)、和具体的步骤如下：
步骤700：宏基站根据对应式(15)计算调度优先级矩阵，若是Pico基站，则根据式(16)和(17)分别计算常规资源和ABS资源对应的调度优先级矩阵，同时初始化调度矩阵w的元素全0；
步骤701：判断是否有用户队列长度为0，即无数据传输需求，若有则执行步骤702，否则转入步骤703；
步骤702：将调度优先级矩阵中与没有数据要传的用户相关联的行置为-∞；
步骤703：选择优先级矩阵中最大的元素，确定与之关联的用户为u*，资源块分别为j，更新调度矩阵w：
步骤704：将调度优先级矩阵中对应与资源块j相关的列元素置0；
步骤705：判断用户u*是否还有剩余数据要传，若无数据要传，则执行步骤706，否则转入步骤707；
步骤706：将与用户u*相关联行元素置0；
步骤707：判断调度优先级矩阵中是否所有元素都为-∞，若是则退出循环，输出调度矩阵w，否则转入步骤703；
步骤602：根据求得的调度矩阵，宏基站和Pico基站分别可以得到与优化目标相关的函数值：
确定可行的调度矩阵后，剩下的优化参数为α(t)，优化目标可以变形为：
宏基站ABS损失计算模块根据用户的队列信息和从调度计算模块获取的可发送的包数量信息，可以计算ABS损失为fm(t)，Pico基站ABS效益增量计算模块根据用户的队列信息和从调度计算模块1和2获取的用户在ABS子帧和非ABS子帧可以发送的数据包数量，能够得到ABS效益增量为
步骤603：宏基站m覆盖范围内的Pico基站p∈Pm向宏基站上报的值，即
步骤604：宏基站根据各Pico基站上报的函数值，做出ABS判决，并向覆盖范围类的各Pico基站p∈Pm下发ABS决定。
具体的，由于α(t)∈{0,1}，为了达到优化目标，则：
则ABS的判决准则为：
该准则的含义是，当Pico基站中受到宏基站严重干扰的用户待发送的包较多时，相对于非ABS的子帧的配置而言，子帧配置为ABS能够给Pico基站带来较大的增益；而当Pico基站中心用户队列较长，待发送的包数较多时，Pico基站优先调度中心用户，因而不能从ABS获取较大增益，则宏基站在判决时，会将下一时刻的子帧类型定为常规子帧。
步骤605：Pico基站确定最终的调度矩阵并向用户发送数据；
具体的，若α(t)＝1，则宏基在该时隙不向用户发送数据，Pico基站采用调度矩阵调度资源和同时选择相应的MCS向用户发送数据包，并更新基站下各用户的队列长度；若α(t)＝0，则宏基站在该时隙采用调度矩阵wm(t)和相应的MCS向用户发送数据包，Pico基站采用调度矩阵和相应的MCS向用户发送数据包。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种基于系统稳定性的动态ABS配置方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、用户测量并上报信道信息，所述用户包括宏基站用户和Pico基站用户；
b、宏基站和Pico基站将用户的信道信息和队列信息输入调度计算模块，调度计算模块根据用户的信道信息选择MCS得到用户在每个资源块上传输的比特数，然后根据调度算法计算调度矩阵；
c、根据求得的调度矩阵，宏基站和Pico基站分别按照以下公式计算优化目标函数值：
f m ( t ) = Q m ( t ) b m ( t ) = Q m ( t ) Σ i = 1 N Σ u ∈ U m w u , i m ( t ) r u , i ( t ) S ;
f p n A B S ( t ) = Q p ( t ) b p n A B S ( t ) = Q p ( t ) Σ i = 1 N Σ u ∈ U p w u , i p , n A B S ( t ) r u , i n A B S ( t ) S ;
f p A B S ( t ) = Q p ( t ) b p A B S ( t ) = Q p ( t ) Σ i = 1 N Σ u ∈ U p w u , i p , A B S ( t ) r u , i A B S ( t ) S ;
其中，fm(t)表示当前子帧为常规子帧时，宏基站能够获得的效益；Qm(t)表示当前宏基站的队列长度；bm(t)表示当前子帧为常规子帧时；宏基站能够发送的数据包数量；用于指示宏基站资源块的分配，其中时资源块i被分配到了用户u；ru,i(t)表示用户u利用资源块i能够传输的数据量；S表示单个数据包的大小，单位为bit；U表示用户集合；Um表示宏基站m所服务的用户集合；
和分别表示当前子帧为常规子帧和ABS时，Pico基站能够获得的效益；Qp(t)表示Pico基站当前的队列长度；和表示当前子帧为常规子帧和ABS时，Pico基站p能够发送的数据包数量；和分别用于指示Pico基站p在常规子帧和ABS子帧的资源分配；和分别表示在常规子帧和ABS，用户u利用资源块i能够传输的数据量；Up表示Pico基站p所服务的用户集合；
d、宏基站覆盖范围内的Pico基站向宏基站上报值；
e、宏基站根据各Pico基站上报的函数值，做出ABS判决，并向其覆盖范围类的各Pico基站p∈Pm下发ABS决定；
具体的，判决准则如下：
α ( t ) = 1 , i f V Σ p ∈ P m [ f p A B S ( t ) - f p n A B S ( t ) ] > f m ( t ) 0 , i f V Σ p ∈ P m [ f p A B S ( t ) - f P n A B S ( t ) ] ≤ f m ( t ) ;
f、Pico基站确定最终的调度矩阵并向用户发送数据；具体如下：
获取优化参数α(t)，并根据优化参数α(t)进行判断，如果α(t)＝1，则宏基在该时隙不向用户发送数据，Pico基站采用调度矩阵调度资源和同时选择相应的MCS向用户发送数据包，并更新基站下各用户的队列长度；
如果α(t)＝0，则宏基站在该时隙采用调度矩阵wm(t)和相应的MCS向用户发送数据包，Pico基站采用调度矩阵和相应的MCS向用户发送数据包。
2.根据权利要求1所述的基于系统稳定性的动态ABS配置方法，其特在于：所述优化目标函数值按照以下步骤计算：
当确定调度矩阵后，按照以下公式计算优化目标函数值：
max α ( t ) [ 1 - α ( t ) ] [ f m ( t ) + V Σ p ∈ P m f p n A B S ( t ) ] + V α ( t ) Σ p ∈ P m f p A B S ( t ) = max α ( t ) f m ( t ) + V Σ p ∈ P m f p n A B S ( t ) + α ( t ) { V Σ p ∈ P m [ f p A B S ( t ) - f p n A B S ( t ) ] - f m ( t ) } ;
其中，p表示Pico基站，Pm表示宏基站m覆盖范围内的Pico基站的集合；
宏基站ABS损失计算模块根据用户的队列信息和从调度计算模块获取的可发送的包数量信息，计算ABS损失为fm(t)；
Pico基站ABS效益增量计算模块根据用户的队列信息和从两个调度计算模块中获取的用户在ABS子帧和非ABS子帧可以发送的数据包数量；
得到ABS效益增量为
3.根据权利要求1所述的基于系统稳定性的动态ABS配置方法，其特在于：所述调度矩阵按照以下步骤进行计算：
获取每个资源块上发送的数据包的最大数量；
按照以下公式计算用户调度优先级矩阵
metric u , i = r u , i ( t ) S ;
其中，Ux为基站x的用户集合；x可以表示宏基站m或Pico基站p，metricu,i表示用户调度优先级；ru,i(t)表示用户u利用资源块能够传输的数据量，单位为比特，对于宏基站用户调度优先级和Pico基站用户在ABS和常规子帧上的调度优先级进行计算时，ru,i(t)分别对应取和S表示单个数据包的大小，单位为比特；
Card(Ux)表示基站x所服务的用户个数；N表示资源块数量；
基站初始化调度矩阵w为元素全零的矩阵；
选择调度优先级矩阵中最大的元素，若该元素对用关联用户u*和资源块j，则将调度矩阵w中与用户u*和资源块j相关联的元素置为1，即wu*,j＝1；
将调度优先级矩阵中与资源块j关联的列置为0；
检查用户u*是否还有剩余数据要发送，即用户u*是否需要更多的资源来发送数据，若无，则将调度优先级矩阵中与用户u*关联的行置0；
重新选择调度优先级矩阵中最大的元素，对应的更新调度矩阵和调度优先级矩阵；
当调度优先级矩阵中所有元素都为0，则退出循环，并输出调度矩阵w，
该流程适用于宏基站m计算调度矩阵wm(t)，Pico基站计算调度矩阵和
4.根据权利要求1所述的基于系统稳定性的动态ABS配置方法，其特在于：所述Macro基站设置有ABS动态配置；所述宏基站在ABS期间不向用户发送数据，所述Pico基站向宏基站上报信息，并由宏基站权衡决定是否要配置ABS子帧；所述Pico基站还包括以下步骤：：
设置两个调度计算模块，分别根据用户的ABS子帧和常规子帧的信道质量选择用户对应的MCS，计算用户在每个资源块上传输的数据量，及用户对应的调度矩阵、可发送包数量；
计算ABS效益增量：计算Pico基站在ABS调度用户由于信道质量提升带来的收益，即Pico基站在ABS子帧上处理数据包带来的效益和Pico基站在常规子帧上发送数据包带来的效益之差，有Pico基站当前的队列长度、在ABS和常规子帧上可发送包数量；
Pico基站向宏基站上报ABS效益增量值；
Pico基站获取来自宏基站的ABS配置信息；
Pico基站选择对应调度器计算的调度结果来为用户提供服务，若下一子帧为ABS子帧，则基站选择从一个调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵，否则选择另一个调度计算模块中的调度结果。
5.根据权利要求1所述的基于系统稳定性的动态ABS配置方法，其特在于：所述Macro基站的ABS动态配置，具体包括以下步骤：
根据用户反馈的常规信道信息，选择对应的MCS，计算用户在每个资源块上传输的数据量、用户对应的调度矩阵，及可发送包数量；
计算宏基站在ABS不发送数据带来的损失，等价于基站常规子帧发送数据带来的效益fm(t)；
获取宏基站覆盖范围内Pico基站上报的ABS的增益信息；
在宏基站的损失和Pico基站的增益之间进行权衡并做出ABS判决，根据公式(4)的判决准则，Pico基站的增益较大时，判决结果是ABS子帧，相反，若宏基站增益较大时，判决结果是常规子帧；
宏基站向Pico基站告知子帧配置类型；
根据子帧配置类型，宏基站选择是否发送数据，若下一子帧为常规子帧，则基站依据从调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵为用户提供服务，否则将在下一个子帧静默。
6.一种基于系统稳定性的动态ABS配置系统，其特征在于：包括信道测量模块、调度计算模块、调度矩阵计算模块、ABS判决模块和调度矩阵确定模块；
所述信道测量模块，用于实现用户测量并上报信道信息，所述用户包括宏基站用户和Pico基站用户；
所述调度计算模块，用于宏基站和Pico基站将用户的信道信息和队列信息输入调度计算模块，调度计算模块根据用户的信道信息选择MCS得到用户在每个资源块上传输的比特数，然后根据调度算法计算调度矩阵；
所述调度矩阵计算模块，根据求得的调度矩阵，宏基站和Pico基站分别按照以下公式计算优化目标函数值：
f m ( t ) = Q m ( t ) b m ( t ) = Q m ( t ) Σ i = 1 N Σ u ∈ U m w u , i m ( t ) r u , i ( t ) S ;
f p n A B S ( t ) = Q p ( t ) b p n A B S ( t ) = Q p ( t ) Σ i = 1 N Σ u ∈ U p w u , i p , n A B S ( t ) r u , i n A B S ( t ) S ;
f P A B S ( t ) = Q p ( t ) b p A B S ( t ) = Q p ( t ) Σ i = 1 N Σ u ∈ U p w u , i p , A B S ( t ) r u , i A B S ( t ) S ;
其中，fm(t)表示当前子帧为常规子帧时，宏基站能够获得的效益；Qm(t)表示当前宏基站的队列长度；bm(t)表示当前子帧为常规子帧时；宏基站能够发送的数据包数量；用于指示宏基站资源块的分配，其中时资源块i被分配到了用户u；ru,i(t)表示用户u利用资源块i能够传输的数据量；S表示单个数据包的大小，单位为bit；U表示用户集合；Um表示宏基站m所服务的用户集合；
和分别表示当前子帧为常规子帧和ABS时，Pico基站能够获得的效益；Qp(t)表示Pico基站当前的队列长度；和表示当前子帧为常规子帧和ABS时，Pico基站p能够发送的数据包数量；和分别用于指示Pico基站p在常规子帧和ABS子帧的资源分配；和分别表示在常规子帧和ABS，用户u利用资源块i能够传输的数据量；Up表示Pico基站p所服务的用户集合；
所述Pico基站效益计算模块，用于宏基站覆盖范围内的Pico基站向宏基站上报值；
所述ABS判决模块，用于宏基站根据各Pico基站上报的函数值，做出ABS判决，并向其覆盖范围类的各Pico基站p∈Pm下发ABS决定；
具体的，判决准则如下：
α ( t ) = 1 , i f V Σ p ∈ P m [ f p A B S ( t ) - f p n A B S ( t ) ] > f m ( t ) 0 , i f V Σ p ∈ P m [ f p A B S ( t ) - f P n A B S ( t ) ] ≤ f m ( t ) ;
所述调度矩阵确定模块，用于Pico基站确定最终的调度矩阵并向用户发送数据；具体如下：
获取优化参数α(t)，并根据优化参数α(t)进行判断，如果α(t)＝1，则宏基在该时隙不向用户发送数据，Pico基站采用调度矩阵调度资源和同时选择相应的MCS向用户发送数据包，并更新基站下各用户的队列长度；
如果α(t)＝0，则宏基站在该时隙采用调度矩阵wm(t)和相应的MCS向用户发送数据包，Pico基站采用调度矩阵和相应的MCS向用户发送数据包。
7.根据权利要求6所述的基于系统稳定性的动态ABS配置系统，其特在于：所述优化目标函数值按照以下步骤计算：
当确定调度矩阵后，按照以下公式计算优化目标函数值：
max α ( t ) [ 1 - α ( t ) ] [ f m ( t ) + V Σ p ∈ P m f p n A B S ( t ) ] + V α ( t ) Σ p ∈ P m f p A B S ( t ) = max α ( t ) f m ( t ) + V Σ p ∈ P m f p n A B S ( t ) + α ( t ) { V Σ p ∈ P m [ f p A B S ( t ) - f p n A B S ( t ) ] - f m ( t ) } ;
其中，p表示Pico基站，Pm表示宏基站m覆盖范围内的Pico基站的集合；
宏基站ABS损失计算模块根据用户的队列信息和从调度计算模块获取的可发送的包数量信息，计算ABS损失为fm(t)；
Pico基站ABS效益增量计算模块根据用户的队列信息和从两个调度计算模块中获取的用户在ABS子帧和非ABS子帧可以发送的数据包数量；
得到ABS效益增量为
8.根据权利要求6所述的基于系统稳定性的动态ABS配置系统，其特在于：所述调度矩阵按照以下步骤进行计算：
获取每个资源块上发送的数据包的最大数量；
按照以下公式计算用户调度优先级矩阵
metric u , i = r u , i ( t ) S ;
其中，Ux为基站x的用户集合；x可以表示宏基站m，也可以表示Pico基站p，metricu,i表示用户调度优先级；ru,i(t)表示用户u利用资源块能够传输的数据量，单位为比特，对于宏基站用户调度优先级和Pico基站用户在ABS和常规子帧上的调度优先级进行计算时，ru,i(t)分别对应取和S表示单个数据包的大小，单位为比特；
基站初始化调度矩阵w为元素全零的矩阵；
选择调度优先级矩阵中最大的元素，若该元素对用关联用户u*和资源块j，则将调度矩阵w中与用户u*和资源块j相关联的元素置为1，即wu*,j＝1；
将调度优先级矩阵中与资源块j关联的列置为0；
检查用户u*是否还有剩余数据要发送，即用户u*是否需要更多的资源来发送数据，若无，则将调度优先级矩阵中与用户u*关联的行置0；
重新选择调度优先级矩阵中最大的元素，对应的更新调度矩阵和调度优先级矩阵；
当调度优先级矩阵中所有元素都为0，则退出循环，并输出调度矩阵w，
该流程适用于宏基站m计算调度矩阵wm(t)，Pico基站计算调度矩阵和
9.根据权利要求6所述的基于系统稳定性的动态ABS配置系统，其特在于：所述Macro基站设置有ABS动态配置；所述宏基站在ABS期间不向用户发送数据，所述Pico基站向宏基站上报信息，并由宏基站权衡决定是否要配置ABS子帧；所述Pico基站还包括以下步骤：：
设置两个调度计算模块，分别根据用户的ABS子帧和常规子帧的信道质量选择用户对应的MCS，计算用户在每个资源块上传输的数据量，及用户对应的调度矩阵、可发送包数量；
计算ABS效益增量：计算Pico基站在ABS调度用户由于信道质量提升带来的收益，即Pico基站在ABS子帧上处理数据包带来的效益和Pico基站在常规子帧上发送数据包带来的效益之差，有Pico基站当前的队列长度、在ABS和常规子帧上可发送包数量；
Pico基站向宏基站上报ABS效益增量值；
Pico基站获取来自宏基站的ABS配置信息；
Pico基站选择对应调度器计算的调度结果来为用户提供服务，若下一子帧为ABS子帧，则基站选择从一个调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵，否则选择另一个调度计算模块中的调度结果。
10.根据权利要求6所述的基于系统稳定性的动态ABS配置系统，其特在于：所述Macro基站的ABS动态配置，具体包括以下步骤：
根据用户反馈的常规信道信息，选择对应的MCS，计算用户在每个资源块上传输的数据量、用户对应的调度矩阵，及可发送包数量；
计算宏基站在ABS不发送数据带来的损失，等价于基站常规子帧发送数据带来的效益fm(t)；
获取宏基站覆盖范围内Pico基站上报的ABS的增益信息；
在宏基站的损失和Pico基站的增益之间进行权衡并做出ABS判决，根据公式(4)的判决准则，Pico基站的增益较大时，判决结果是ABS子帧，相反，若宏基站增益较大时，判决结果是常规子帧；
宏基站向Pico基站告知子帧配置类型；
根据子帧配置类型，宏基站选择是否发送数据，若下一子帧为常规子帧，则基站依据从调度计算模块中获取的MCS和调度矩阵为用户提供服务，否则将在下一个子帧静默。
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