CN107277924A - 一种lte系统中基于业务类型的动态频率复用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LTE系统中基于业务类型的动态频率复用方法,包括如下步骤:步骤1,根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户,步骤2,给小区中心用户分配全部N带宽,小区边缘用户分配初始带宽Bb;步骤3,当基站扇区覆盖边缘区域的用户的带宽B满足调整条件时,且经过T2时间后,仍满足条件,为小区边缘用户进行带宽调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种LTE系统中基于业务类型的动态频率复用方法。
背景技术
LTE(Long Term Evolution,长期演进)采用OFDMA技术(Orthogonal FrequencyDivided Multiple Access,正交频分多址接入技术),OFDMA技术利用频率之间的正交性作为区分用户的方式,将用户的信息承载在相互正交的不同的载波上,使系统可以做到频率复用因子为1,即整个系统覆盖范围内的所有小区可以使用相同的频带为本小区内的用户提供服务。虽然由于载波频率和相位的偏移等因素会造成子信道间的干扰,但是可以在物理层通过采用先进的无线信号处理算法使这种干扰降到最低。因此小区内的干扰很小,而影响系统性能的主要干扰来自小区间的干扰。
目前,LTE系统中的频率复用方案主要有部分频率复用(FFR,FractionalFrequency Reuse),和软频率复用(SFR,Soft Frequency Reuse),SFR又分为基本型SFR和增强型SFR。
1、部分频率复用(FFR)
对于LTE系统而言,其采用的独特的OFDMA的接入方式,使得本小区内的用户之间互不干扰,而对于小区边缘的用户则收到来自于其他小区的比较强的干扰。部分频率复用的核心思想在于将处于小区中心和小区边缘的用户区别对待,对于小区中心的用户,由于其距离基站距离比较近,信道条件较好,且本身对其他小区的干扰不大,所以可以将其分配在频率复用因子为1的复用集上。而对于小区边缘的用户,其距离自身的服务基站距离较远,信道条件较差,但其对于其他小区处于相同频率的信号的干扰较大,所以将其分配在频率复用因子为3的频率复用集上,如图1所示(图中f1~f4表示小区)。
固定频率复用方式可包括以下两种方式:
(1)使用40MHz频谱,划分为4个10MHz频带,分配方式,如图2所示,其中X为系统工作频段的开始频点(其他附图中的X代表的含义同图2)。
每个小区实际可用频谱为20MHz。其中两个小区可使用连续的20MHz带宽(f1+f2小区,f1+f3小区),另一个小区只能使用2个分离的10MHz带宽(f1+f4小区)。
(2)使用20MHz频谱,内部划分为4个5MHz子频带,分配方式,如图3所示。
每个小区在20MHz的频宽下,小区边缘弱信号区域实际可用带宽为5MHz,小区内部强信号区实际可用频谱为10MHz。
2、软频率复用(SFR)
软频率复用继承了部分频率复用的优点,同时采用动态的频率复用因子,比较明显地提高了频率的利用效率。在软频率复用中,所有的频段被分成了两组子载波,一组称为主子载波,另外一组称为辅子载波。主子载波可以在小区的任何地方使用,而辅子载波则只能在小区中心被使用。不同小区之间的主子载波相互正交,在小区边缘有效地抑制了干扰,而辅子载波由于只在小区中心使用,相互之间干扰较小,则可以使用相同的频率。
(1)基本型SFR
在20MHz带宽下,划分为3个6.67MHz频带作为主子载波,供相邻的3个小区边缘各使用一个;同时各小区中心区域使用本小区另外的2/3频谱,分配方式,如图4所示(图中f1~f6表示小区)。
在这种方式下,小区中心使用2/3的可用频谱,小区边缘使用1/3的可用频谱。
(2)增强型SFR
虽然软频率复用对于小区边缘干扰情况的抑制,以及子载波的灵活分配都已有了一定的考虑,但是其分配给不同小区的相互正交的主子载波仍然会带来一定程度的资源浪费,尤其是当小区边缘的业务量较大时,会带来小区之间的频率复用因子增高、频谱利用率下降等后果。增强的软频率复用方案继承了传统的软频率复用的思想,又在其基础上进行了改进,主要在于改进了在业务量变化时可能带来的资源浪费的问题。
在20MHz频谱下,划分为3个频带作为主子载波,同时20MHz频带作为辅子载波只在小区中心使用,如图5所示(图中f1~f4表示小区)。
不仅f2、f3、f4的占用带宽根据各小区边缘区域的业务量动态调整,根据业务量大小,各小区中心区域可用频谱也可达到为20MHz。
改进型SFR采用动态配置方式,需要了解周围小区的负载信息,因此需与ICIC(Inter Cell Interference Coordination,小区间干扰协调)技术配合使用,才能达到良好的效果。
现有技术的缺点及要解决的技术问题:
LTE网络部署的实际情况需要采用动态频率分配方案,但是现有的增强型SFR太过复杂,需要基站间协调,极大增加了基站天线的复杂度以及调度器的计算量,同时目前动态频率分配方案设计的出发点,多基于提升频谱效率、减小干扰。但在网络实际运行过程中,不同业务类型对网络性能的要求不同。3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代伙伴计划协议)协议定义了会话类、交互类、流类、背景类四类业务,各业务特点及对网络性能的要求如下:
(1)会话类业务
典型的会话类业务为语音业务,其特点是端到端时延小,业务量上下行对称或几乎对称。为了保证话音类业务的时延和时延抖动指标,通常将该类业务映射成为最高优先级,并为其预留带宽。
(2)交互类业务
是终端用户(人或机器)和远程设备(如远程服务器)进行在线数据交互的业务,特点是请求响应模式。交互类业务的时延取决于人们对于等待时间的容忍度,比会话类业务要长,但是可能比流类业务要短。
(3)流类业务
流类业务是实时性的,但由于是单向传输,不需要进行交互,所以实时性要求没有会话类业务那么严格。
(4)背景类业务
主要包括一些自动的后台E-mail接收、SMS或者接收一些文件和数据库下载。这类业务的特点是用户对传输时间没有特别的要求,但是对丢包率的要求很高。
各类业务都有相应的典型应用和QoS要求,而现有的动态频率分配方案,无法根据上述业务特点和QoS要求,进行资源的有效保障。因此需要合理协调频谱效率与实现复杂度的前提下,提出具有业务类型保障能力的动态频率分配方案。
发明内容
本发明的目的在于,针对现有技术的不足,提供一种LTE系统中基于业务类型的动态频率复用方法,可以在提供基于业务特点、提供QoS(Quality of Service,服务质量)性能保障的同时,有效减少LTE网络边缘用户的干扰。
本发明包括如下步骤:
步骤1,根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户,
步骤2,给小区中心用户分配全部N带宽,小区边缘用户分配初始带宽Bb;
步骤3,当基站扇区覆盖边缘区域的用户的带宽B满足调整条件时,且经过T2时间后,仍满足条件,为小区边缘用户分配相应的带宽。
步骤1包括如下步骤:
步骤1-1,通过如下公式计算用户到基站的距离L:
其中,(a,b)为基站的位置坐标,(c,d)为用户的位置坐标,
步骤1-2,设定阈值M,当L小于等于M时,判定用户位于基站扇区覆盖的中心区域,为小区中心用户,否则判定用户位于边缘区域,为小区边缘用户;
步骤1-3,当用户位置发生变化时,变为(c1,d1)时,经过迟滞时间T1(运营商可自行设定T1的值)后,用户位置变为(c2,d2),如果在T1时间内用户的位置的变化值,即始终小于基站扇区覆盖半径的1/10,或者小于由运营商根据网络覆盖情况自行确定的其他数值时,执行步骤1-1~步骤1-2,判定用户为小区中心用户或者小区边缘用户。
步骤2中,设定网络单载频带宽为N,小区结构为全向基站或者三扇区基站,给小区中心用户分配全部N带宽,小区边缘用户分配初始带宽Bb。
步骤3包括如下步骤:
步骤3-1,通过如下公式计算单小区内全部业务的等效业务吞吐量S:
S=Hh*I1+Jh*I2+Lm*I3+Bj*I4,
其中,Hh、Jh、Lm、Bj分别为单小区内会话类业务的吞吐量、交互类业务的吞吐量、流类业务的吞吐量和背景类业务的吞吐量,I1、I2、I3、I4分别为单小区内会话类业务的加权系数、交互类业务的加权系数、流类业务的加权系数和背景类业务的加权系数,I1、I2、I3、I4四个加权系数之和为1。对于这四个加权系数,数值越高,则代表该业务在等效业务量中的比重越大,反之越小。为了反映单小区内各类业务的实际等效业务量,而不区分业务类型,I1、I2、I3、I4这四个参数取值建议取相同的数值,即0.25;
步骤3-2,取S的一定比例,作为门限值Sm:
Sm=S*η,
其中,η为比例系数;
步骤3-3,通过如下公式计算小区边缘用户等效业务吞吐量Sb:
Sb=Hby*I5+Jby*I6+Lby*I7+Bby*I8,
其中,Hby、Jby、Lby、Bby分别为小区边缘用户会话类业务的吞吐量、交互类业务的吞吐量、流类业务的吞吐量和背景类业务的吞吐量,I5、I6、I7、I8分别为小区边缘用户会话类业务的加权系数、交互类业务的加权系数、流类业务的加权系数和背景类业务的加权系数,其中I5≥I1,I6≥I2,I7≥I3,I8≥I4,具体数值由运营商根据网络需要重点保障的业务类型自行设定。对于会话类、交互类、流类和背景类这四类业务,其对网络性能的要求依次降低。由于会话类业务对网络性能要求最高,需要首先保证,因此其加权系数I5的数值大于其他加权系数,即I5≥I6≥I7≥I8;
步骤3-4,当小区边缘用户等效业务吞吐量Sb满足调整条件,即ROUND(Sb/Sm)大于等于1,并经过迟滞时间T2(T2的取值可以设为10s,或者由运营商自行设定)后仍然满足调整条件,则根据如下公式对小区边缘用户的带宽B进行调整:
B=Bb*(ROUND(Sb/Sm)+1),
其中,ROUND()为四舍五入取整函数,当ROUND(Sb/Sm)=(N/Bb)-1,即Bb=N时,带宽调整结束。
有益效果:
本发明具有以下技术优点:
1、动态调整频谱
本方案可以根据基站扇区内中心区域和边缘区域内的各类业务吞吐量分布情况动态调整频谱,使得对网络性能要求较高的业务如会话类、交互类业务分布在小区边缘区域分布较多时,系统给了为小区边缘用户分配更多的频谱,提升小区边缘区域的业务吞吐量,提升用户感知;在网络小区边缘区域对网络性能要求较高的业务如会话类、交互类业务分布在小区边缘区域分布较少多时,分配较少的频谱,减少对其它小区的干扰。
2、实现复杂度低
与增强型SFR需要多基站协调处理相比,本方案只需要考虑本小区的业务吞吐量分布情况,不需要考虑邻近小区的网络业务分布情况,因此本方案实现复杂度较低,对网络的改动较少。
3、网络运维方便
本方案实现简单,每个基站只需要收集、监控本小区内业务量的分布情况,基站之间不需要协同,在新增基站、搬迁基站等网络变动情况下不需要修改任何参数,网络运维非常方便。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明,本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为部分频率复用示意图。
图2为部分频率复用划分方式(一)。
图3为部分频率复用划分方式(二)。
图4为基本型软频率复用。
图5为增强型软频率复用。
图6为基于业务类型的动态频率复用方案(全向基站)。
图7为基于业务类型的动态频率复用方案(三扇区基站)。
图8为基于业务类型的动态频率复用方案。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
(1)方案原理
在基站扇区覆盖范围内,可以根据用户到基站之间的距离来判断此用户是位于基站扇区覆盖的中心区域,还是边缘区域,如公式(1)所示。设定一个阀值,阀值可以根据系统模拟优化得到或者运营商自行设定。如用户与基站间的距离小于阀值时,认为该用户位于基站扇区覆盖的中心区域,反之,则认为该用户位于基站扇区覆盖的边缘区域。
其中:(a,b)为基站的位置,(c,d)为用户的位置,L为用户到基站的距离。
对于位于基站扇区覆盖中心区域的用户,不区分其业务类型(会话类、交互类、流类、背景类),分配给用户所有的频谱资源,以便增加扇区整体吞吐量。在位于基站扇区边缘区域的用户,根据其业务类型(会话类、交互类、流类、背景类),进行一定的等效计算,并依据等效计算的结果,进行动态频谱调整,从而使处于基站覆盖扇区边缘区域,同时承载高网络性能要求业务的用户,可以分配较多的频谱,从而可以有效提供业务的QoS性能保障,提升用户感知。在基站覆盖扇区边缘区域,用户承载高网络性能保障的业务较少情况下,分配较少的频谱,从而减少对其它小区的干扰,以便提升系统的整体频谱效率。
(2)方案详细描述
预计网络单载频带宽为N,小区结构可以为全向基站或者三扇区基站(分别见示意图6和图7,图中f1~f2表示小区)。
基站扇区覆盖中心区域和边缘区域的界定方法:以系统模拟优化得到或者运营上自行设定的数值作为门限值,该值暂定为M,根据公式(1)计算的结果L作为参考,当L小于等于M时,认为此用户位于基站扇区覆盖的中心区域,反之则认为,认为该用户位于边缘区域。当用户位置发生变化时,需经过迟滞时间T1,在T1时间内用户的位置始终保持在变化后范围内,系统将用户属性相应改变。
基于业务类型的小区等效业务量的定义和计算方法:以单小区内,用户的不同业务类型(会话类、交互类、流类、背景类)业务吞吐量与其加权系数的乘积之和作为等效业务吞吐量,其计算公式如(2)所示。
S=Hh*I1+Jh*I2+Lm*I3+Bj*I4 (2)
其中:
S为小区等效业务吞吐量;
Hh、Jh、Lm、Bj分别为会话类、交互类、流类和背景类业务的吞吐量;
I1、I2、I3、I4分别为会话类、交互类、流类和背景类业务的加权系数。
在这里,I1、I2、I3、I4四个加权系数之和为1,当计算全小区等效业务吞吐量时,I1、I2、I3、I4的数值确定为0.25或者由运营商自行设定。在计算基站扇区覆盖边缘区域等效吞吐量时,Sb=Hby*I5+Jby*I6+Lby*I7+Bby*I8,其中Hby、Jby、Lby、Bby和I5、I6、I7、I8,依次为基站扇区覆盖边缘区域的会话类、交互类、流类和背景类业务的业务量和加权系数。对于I5、I6、I7、I8这四个参数,要求I5≥I1,I6≥I2,I7≥I3,I8≥I4,具体数值由运营商根据网络需要重点保障的业务类型自行设定。对于会话类、交互类、流类和背景类这四类业务,其对网络性能的要求依次降低。由于会话类业务对网络性能要求最高,需要首先保证,因此其加权系数I5的数值大于其他加权系数,即I5≥I6≥I7≥I8。为了保证会话类和交互类等高网络性能要求的QoS,在实际网络运行中,可以适当加大I5和I6的数值。
本发明设定:
S为单小区内全部业务的等效业务吞吐量,取S的一定比例(η),作为门限值Sm(Sm=S*η),η的数值可以由运营商根据业务运行情况和保障需求设定。
小区边缘用户等效业务吞吐量Sb,其定义为处于基站扇区覆盖边缘区域用户的不同业务类型(会话类、交互类、流类、背景类)业务吞吐量与其加权系数的乘积之和,其具体计算方法见公式(2)。
基站扇区覆盖边缘区域的用户的带宽初始分配为Bb(系统总带宽为N,且N是Bb的整数倍),当基站扇区覆盖边缘区域的用户等效业务吞吐量Sb发生变化,依据公式(3),对基站扇区覆盖边缘区域的用户的带宽B进行调整,当ROUND(Sb/Sm)=(N/Bb)-1,即Bb=N时,带宽调整结束。
B=Bb*(ROUND(Sb/Sm)+1) (3)
其中:ROUND(X)为四舍五入取整函数,例如ROUND(1.2)=1,ROUND(2.6)=3。
为了防止“乒乓效应”的出现,当基站扇区覆盖边缘区域的用户的带宽B满足调整条件时,需要经过迟滞时间T2,在T2时间内基站扇区覆盖边缘区域的用户的带宽B仍满足调整条件,则系统为边缘区域用户增加/减少B带宽。
系统处理单元:即LTE系统用来为边缘区域用户分配带宽的系统模块,可以在基站中新增相应模块,也可以集成在BBU(Building Base band Unit,基带处理单元)设备中。
方案运行过程:初始运行时,系统处理单元根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户,给小区中心用户分配全部N带宽,小区边缘用户分配初始带宽Bb。当基站扇区覆盖边缘区域的用户的带宽B满足调整条件时,且经过T2时间内,仍满足条件,则根据公式(3)计算的带宽需求,系统处理单元为基站扇区覆盖边缘区域的用户分配相应的带宽;以此类推直到系统处理单元给小区边缘用户分配全部N带宽。
实施例
假设某运营商LTE网络所有基站采用三扇区模式组网,其频谱带宽为20MHz;以小区覆盖半径的1/2作为门限,根据公式(1)确定用为为小区中心区域用户或边缘区域用户。迟滞时间T1为5s。小区内会话类、交互类、流类、背景类业务的吞吐量依次为4Mbps、6Mbps、8Mbps、6Mbps,其加权系数均为0.25,则单小区等效业务吞吐量为S=4*0.25+6*0.25+8*0.25+6*0.25=6Mbps,调整比例系数η的取值为0.1,则Sm=S*η=0.6Mbps。对于基站扇区覆盖边缘区域的用户的会话类、交互类、流类、背景类业务的吞吐量的加权系数依次为0.4、0.3、0.25、0.25。初始带宽Bb为2MHz;迟滞时间T2为10s;系统处理单元集成在BBU中。为了简化分析,本实施例认为在整个系统运营过程中,各种类型业务的吞吐量保持不变,只是在基站扇区覆盖范围内移动,从而影响边缘区域的业务等效吞吐量。
方案运行过程如下(参考图8,图中f1、f2表示小区):
初始运行时,BBU给小区中心用户分配20MHz带宽,小区边缘用户分配2MHz带宽;
当小区边缘用户的会话类、交互类、流类、背景类的业务吞吐量依次变化为2Mbps、1Mbps、3Mbps、2Mbps,则Sb=2*0.4+1*0.3+3*0.25+2*0.25=2.35Mbps,且持续的时间超过10s时,BBU给小区边缘用户分配的带宽为B=Bb*(ROUND(Sb/Sm)+1)=2*(ROUND(2.35/0.6)+1)=2*(4+1)=10MHz带宽;
当小区边缘用户各类业务吞吐量依次变化为3Mbps、1Mbps、3Mbps、3Mbps,则Sb=3*0.4+1*0.3+3*0.25+3*0.25=3Mbps,且持续的时间超过10s时,BBU给小区边缘用户分配的带宽为B=Bb*(ROUND(Sb/Sm)+1)=2*(ROUND(3/0.6)+1)=2*(5+1)=12MHz带宽;
当小区边缘用户各类业务吞吐量变化依次为1Mbps、1Mbps、0.5Mbps、0.5Mbps,则Sb=1*0.4+1*0.3+0.5*0.25+0.5*0.25=0.95Mbps,且持续的时间超过10s时,BBU给小区边缘用户分配的带宽为B=Bb*(ROUND(Sb/Sm)+1)=2*(ROUND(0.95/0.6)+1)=2*(2+1)=6MHz带宽;
当小区边缘用户各类业务吞吐量变化依次为3Mbps、4Mbps、6Mbps、4Mbps,则Sb=3*0.4+4*0.3+6*0.25+4*0.25=4.9Mbps,且持续的时间超过10s时,BBU给小区边缘用户分配的带宽为B=Bb*(ROUND(Sb/Sm)+1)=2*(ROUND(4.9/0.6)+1)=2*(8+1)=18MHz带宽。
本发明提供了一种LTE系统中基于业务类型的动态频率复用方法,具体实现该技术方案的方法和途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种LTE系统中基于业务类型的动态频率复用方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户;
步骤2,给小区中心用户分配全部N带宽,小区边缘用户分配初始带宽Bb;
步骤3,当基站扇区覆盖边缘区域的用户的带宽B满足调整条件时,且经过T2时间后,仍满足条件,为小区边缘用户进行带宽调整。
2.根据权利要求1所述的一种LTE系统中基于业务类型的动态频率复用方法,其特征在于,步骤1包括如下步骤:
步骤1-1,通过如下公式计算用户到基站的距离L:
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mo>-</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mo>-</mo>
<mi>b</mi>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</msqrt>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中,(a,b)为基站的位置坐标,(c,d)为用户的位置坐标,
步骤1-2,设定阈值M,当L小于等于M时,判定用户位于基站扇区覆盖的中心区域,为小区中心用户,否则判定用户位于边缘区域,为小区边缘用户;
步骤1-3,当用户位置发生变化,变为(c1,d1)时,设经过迟滞时间T1后,用户位置变为(c2,d2),如果在T1时间内用户的位置的变化值,即始终小于基站扇区覆盖半径的1/10,执行步骤1-1~步骤1-2,判定用户为小区中心用户或者小区边缘用户。
3.根据权利要求2所述的一种LTE系统中基于业务类型的动态频率复用方法,其特征在于,步骤2中,设定网络单载频带宽为N,小区结构为全向基站或者三扇区基站,给小区中心用户分配全部N带宽,小区边缘用户分配初始带宽Bb。
4.根据权利要求3所述的一种LTE系统中基于业务类型的动态频率复用方法,其特征在于,步骤3包括如下步骤:
步骤3-1,通过如下公式计算单小区内全部业务的等效业务吞吐量S:
S=Hh*I1+Jh*I2+Lm*I3+Bj*I4,
其中,Hh、Jh、Lm、Bj分别为单小区内会话类业务的吞吐量、交互类业务的吞吐量、流类业务的吞吐量和背景类业务的吞吐量,I1、I2、I3、I4分别为单小区内会话类业务的加权系数、交互类业务的加权系数、流类业务的加权系数和背景类业务的加权系数,I1、I2、I3、I4四个加权系数之和为1;
步骤3-2,取S的一定比例,作为门限值Sm:
Sm=S*η,
其中,η为比例系数;
步骤3-3,通过如下公式计算小区边缘用户等效业务吞吐量Sb:
Sb=Hby*I5+Jby*I6+Lby*I7+Bby*I8,
其中,Hby、Jby、Lby、Bby分别为小区边缘用户会话类业务的吞吐量、交互类业务的吞吐量、流类业务的吞吐量和背景类业务的吞吐量,I5、I6、I7、I8分别为小区边缘用户会话类业务的加权系数、交互类业务的加权系数、流类业务的加权系数和背景类业务的加权系数,其中I5≥I1,I6≥I2,I7≥I3,I8≥I4,且I5≥I6≥I7≥I8;
步骤3-4,当小区边缘用户等效业务吞吐量Sb满足调整条件,即ROUND(Sb/Sm)大于等于1,并经过迟滞时间T2,仍然满足调整条件,则根据如下公式对小区边缘用户的带宽B进行调整:
B=Bb*(ROUND(Sb/Sm)+1),
其中,ROUND()为四舍五入取整函数,当ROUND(Sb/Sm)=(N/Bb)-1,即Bb=N时,带宽调整结束。
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