CN107318150A - 一种lte‑u独立系统的用户驻留流程 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LTE‑U独立系统的用户驻留流程，其使用户优先搜索非授权频段来驻留LTE‑U独立系统，以此缓解LTE网络的压力；同时在搜索LTE‑U独立系统的小区以及同步的过程中引入与LTE‑U基站相邻两次接入信道的平均时间间隔T，使用户可以尽快完成驻留；此外本发明的小区选择准则NS在考虑小区参考信号接收功率强度的同时结合了LTE‑U独立系统基站相邻两次接入信道的平均时间间隔指标，还利用了当前LTE‑U独立系统中的剩余资源信息和用户自身的业务需求信息，从而使用户能够做出更加合适的小区选择决策，降低了用户小区重选的频率以及小区重选所带来的资源消耗，并有效平衡了LTE和LTE‑U两个网络的负载。
Description
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种LTE-U独立系统的用户驻留流程。
背景技术
思科在2015年全球移动数据预测的报告中指出：到2020年，每个月的全球移动数据会达到30.6EB，相比于2015年的3.7EB，翻了8倍多。随着移动智能设备的飞速发展、无线用户数量的急剧增长、高清晰多媒体流业务的快速涌现等，使得日益增长的无线频谱需求与昂贵有限的授权频谱之间的矛盾日益凸显；为了缓解移动通信网络在授权频谱的压力，利用频谱资源相对丰富的非授权频段进行组网成为一种可行的解决方案。
将LTE(Long Term Evolution，长期演进)部署到非授权频段，在非授权频段上采用LTE空口协议完成通信，即非授权频谱上的LTE，简称LTE-U(LTE Advanced inUnlicensed Spectrum)。采用LTE-U技术，可以利用集中调度、干扰协调、混合自动重传请求(HARQ)等技术，相比Wi-Fi等接入技术，LTE-U系统具有更好的鲁棒性，可以获得更高的频谱效率，提供更大的覆盖范围以及更好的用户体验。LTE-U目前主要分为两种场景：LTE-U独立系统和LAA(Licensed-Assisted Access，授权辅助接入)LTE，其主要区别在于LAA LTE利用授权辅助访问技术将控制信息和部分数据信息放在授权频段传输，而LTE-U独立系统的控制和数据信息全部在非授权频段传输。
在3GPP TS 36.304 V12.2.0中，规定了LTE在授权频段上的用户驻留流程，但是该驻留流程中针对的是信道连续可用的场景。而LTE-U独立系统与LTE系统不同，由于其没有授权频段的辅助，同时在非授权频段上需要与原先工作在此频段的系统(如Wi-Fi)共享信道，所以对LTE-U独立系统来说其信道为非连续可用的，即无法直接在LTE-U独立系统中沿用LTE系统的用户驻留流程。此外，3GPP TS 36.304 V12.2.0中规定了采用S准则来做小区选择，在该准则中用户根据接收到的参考信号功率强度和参考信号质量来决定是否驻留该小区；然而对于LTE-U独立系统来说，由于其信道为非连续可用，相邻两次接入信道之间的时间间隔也在很大程度上决定了LTE-U独立系统的性能，所以在评估一个LTE-U独立系统是否适合驻留时需要进一步结合其相邻两次接入信道的时间间隔等信息来设计新的小区选择准则。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种LTE-U独立系统的用户驻留流程，该方案充分考虑LTE-U独立系统的信道非连续可用这一特点，更好地保证用户做出合适的驻留选择。
一种LTE-U独立系统的用户驻留流程，包括如下步骤：
(1)对于任一用户终端并标记为n，其开机后通过侦听同步信号进行LTE-U小区搜索，以确定待接入小区；
(2)用户终端n与待接入小区进行同步，以获取该小区的系统信息；
(3)将用户终端n发起过的所有业务根据时延敏感程度分为时延敏感业务(如语音业务、视频业务等)和非时延敏感业务(如邮件业务、文件传输业务等)，并统计每个业务在一天各个时段内的历史发起次数；
(4)根据小区系统信息、业务类型、业务特征参数以及各时段业务发起次数判断是否驻留当前待接入小区，若否且仍有LTE-U小区可供搜索，则返回步骤(1)重新确定一个待接入小区再进行驻留判断；若无LTE-U小区可驻留，执行LTE系统驻留流程，即开始侦听LTE小区。
进一步地，所述步骤(1)的具体实现过程如下：
1.1用户终端n开机后检查本地是否存有小区信息：若有，则执行步骤1.2；若无，则执行步骤1.3；
1.2根据本地存储的小区信息逐条搜索对应的LTE-U小区：对于任一条小区信息，根据该信息开始侦听同步信号，若在预定时间内侦听到了对应的同步信号，则将发出该同步信号的LTE-U小区作为待接入小区；若在预定时间内未侦听到对应的同步信号，则选择下一条小区信息进行侦听，当遍历完所有的小区信息均还未侦听到相应的同步信号，则执行步骤1.3；
1.3用户终端n根据自身能力扫描LTE-U全频段，根据侦听到的中心频点接收功率强度建立一个优先级由高到低排序的频段列表，功率强度越大优先级越高；
1.4根据优先级对频段列表中的频段进行搜索：对于任一频段，侦听该频段内的同步信号，若在预定时间内侦听到了相应的同步信号，则取最先侦听到的同步信号所对应的LTE-U小区作为待接入小区；若在预定时间内未侦听到任何同步信号且频段列表中还有未搜索的频段，则搜索下一频段以侦听同步信号并确定待接入小区。
进一步地，所述步骤(2)中用户终端n通过解调PBCH(Physical BroadcastChannel，物理广播信道)和PDSCH(Physical Downlink Shared Channel，下行共享信道)分别获取MIB(Master Information Block，主信息块)和SIB(System Information Blocks，系统信息块)，从而得到包括系统带宽、系统帧号、天线端口号、小区选择和驻留以及重选所需要的小区系统信息。
进一步地，所述时延敏感业务的业务特征参数包括数据包最大容忍时延、丢包率门限以及数据到达速率，所述非时延敏感业务的业务特征参数包括最低吞吐量。
进一步地，所述步骤(4)的具体实现过程如下：
4.1用户终端n根据开机时间确定其所在时段并记为k，并统计时段k内所有时延敏感业务的发起总数以及所有非时延敏感业务的发起总数MS和MR分别时延敏感业务和非时延敏感业务的数量，为第i个时延敏感业务在时段k内的历史发起次数，为第j个非时延敏感业务在时段k内的历史发起次数；
4.2若大于则执行步骤4.3，否则执行步骤4.4；
4.3计算用户终端n所有时延敏感业务到达速率的期望E[ri]以及当前待接入小区对用户终端n发起时延敏感业务所能提供剩余有效容量的期望若则用户终端n选择驻留当前待接入小区，否则返回步骤(1)重新确定一个待接入小区再进行驻留判断；
4.4计算用户终端n发起非时延敏感业务需要最低吞吐量的期望E[hj]以及当前待接入小区的剩余吞吐量若则用户终端n选择驻留当前待接入小区，否则返回步骤(1)重新确定一个待接入小区再进行驻留判断。
进一步地，所述期望E[ri]的计算表达式如下：
其中：P(i)为用户终端n在时段k内发起第i个时延敏感业务的概率即ri为第i个时延敏感业务的数据到达速率。
进一步地，所述期望E[hj]的计算表达式如下：
其中：P(j)为用户终端n在时段k内发起第j个非时延敏感业务的概率即hj为第j个非时延敏感业务需要的最低吞吐量。
进一步地，所述剩余吞吐量的计算表达式如下：
其中：Rn为用户终端n的固定传输速率，Tr为当前待接入小区基站接入信道后的剩余可服务时长，为待接入小区基站相邻两次接入信道的平均时间间隔。
进一步地，所述期望的计算表达式如下：
其中：P(i)为用户终端n在时段k内发起第i个时延敏感业务的概率即为待接入小区对于用户终端n发起第i个时延敏感业务所能提供的剩余有效容量。
进一步地，所述剩余有效容量的计算表达式如下：
其中：θi为第i个时延敏感业务的服务质量参数即θi＝-ln(εi)/Di,max，εi为第i个时延敏感业务的丢包率门限，Di,max为第i个时延敏感业务的数据包最大容忍时延，R{PΦn(θi)}为矩阵PΦn(θi)的谱半径，Tr为当前待接入小区基站接入信道后的剩余可服务时长，为待接入小区基站相邻两次接入信道的平均时间间隔，Δt为单个时隙的长度，Rn为用户终端n的固定传输速率。
进一步地，所述剩余可服务时长Tr的计算表达式如下：
其中：TL为LTE-U每次占用信道的固定时长，Q为当前已驻留在待接入小区并正在接受基站服务的用户终端集合，q为用户终端集合Q中的任一用户终端，tq为用户终端q为满足其发起业务的服务质量要求所需要的服务时长；若用户终端q当前发起的业务为非时延敏感业务a，则Rq为用户终端q的固定传输速率，ha为非时延敏感业务a需要的最低吞吐量；若用户终端q当前发起的业务为时延敏感业务b，则tq通过解以下方程得到：
其中：θb为时延敏感业务b的服务质量参数即θb＝-ln(εb)/Db,max，εb为时延敏感业务b的丢包率门限，Db,max为时延敏感业务b的数据包最大容忍时延，rb为时延敏感业务b的数据到达速率，R{UΦq(θb)}为矩阵UΦq(θb)的谱半径， Δt为单个时隙的长度。
本发明通过计算系统内已有业务所需的服务时长来评估LTE-U独立系统的剩余有效容量和剩余吞吐量，LTE-U基站会记录目前小区内已有的用户、每个用户发起的业务类型以及每个用户的数据传输速率；在估算剩余有效容量和剩余吞吐量时，假定LTE-U基站每次接入信道后分配资源的策略为频域上使用整个带宽，时域上根据业务需求分配时长；每次接入信道时LTE-U基站可以根据有效容量计算方法得到每一个已接入用户的每一项时延敏感业务所需的服务时长，也可以根据吞吐量需求计算出每一个已接入用户的每一项非时延敏感业务所需的服务时长，于是LTE-U基站可以得到每次接入信道后所剩余的时间资源，并在SIB中把它广播给所有潜在的用户；新用户获取这一消息之后，再结合信道传输速率、LTE-U小区相邻两次接入信道的平均时间间隔，即可计算出系统的剩余有效容量和剩余吞吐量。因此，本发明的有益技术效果如下：
(1)本发明用户驻留流程中用户优先搜索驻留LTE-U小区，使用非授权频段资源，缓解LTE小区以及授权频段的压力。
(2)本发明用户驻留流程充分考虑LTE-U独立系统的信道非连续可用特性，在搜索LTE-U小区以及同步过程中引入计时器T，从而减小用户完成驻留所需要的时间。
(3)本发明用户驻留流程中的小区选择准则不仅考虑了LTE-U独立系统相邻两次接入信道的平均时间间隔，而且考虑了用户可以获得的传输速率、用户自身驻留后可能发起的业务以及LTE-U独立系统的负载，使得用户在做小区选择时能够做出合适的选择。
附图说明
图1为本发明LTE-U独立系统用户驻留流程示意图。
图2为本发明LTE-U独立系统基站信道接入机制示意图。
图3为本发明马尔可夫链建模下的LTE-U独立系统信道占用模型示意图。
图4为本发明在两种不同的Wi-Fi节点个数下驻留LTE-U小区的用户比例与用户到达率关系的仿真结果示意图。
图5为本发明在两种不同的Wi-Fi节点个数下驻留LTE-U小区的用户成功发起业务的概率与用户到达率关系的仿真结果示意图。
图6为本发明在两种不同的Wi-Fi节点个数下LTE网络的负载与用户到达率关系的仿真结果示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图以及具体实施方式对本发明的技术方案及相关原理进行详细说明。
本发明LTE-U独立系统的用户驻留流程如图1所示，当用户开机之后，它会先选择PLMN(Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络)；与原先LTE不同的是本发明为了让用户尽可能地驻留在LTE-U小区，在选定PLMN之后让用户优先搜索LTE-U小区，当搜不到LTE-U小区或者没有合适的LTE-U小区时才会搜索LTE小区。在搜索LTE-U小区时，用户侦听小区的同步信号并与之做同步，根据用户有无存储LTE-U小区信息分为有存储信息的小区选择和初始小区选择两种情况，分别对应图1中的左半部分和右半部分。
有存储信息的小区选择：当用户有存储小区信息时，用户优先根据存储的小区信息搜索对应小区。由于LTE-U小区信道非连续可用，相邻两次接入信道的时间间隔不确定，当Wi-Fi节点较多时，时间间隔可能会比较大，为了避免这种情况下用户一直等待延长完成驻留的时间，用户每次开始侦听同步信号时开启一个定时器，定时器时间长度为T(其大小为系统参数，可设置为略大于一般LTE-U小区相邻两次接入信道的平均时间间隔)，超过T时间如果还没有与该小区完成同步即视为同步失败，开始下一次搜索。
初始小区选择：用户根据自身的能力扫描免许可频段，根据侦听到的中心频点接收功率强度建立一个优先级由高到低的列表，功率强度越大优先级越高。然后根据优先级依次搜索，在选定频段后，和有存储信息的小区选择一样，每次侦听同步信号时开启定时器，定时器长度为T；与有存储信息的小区选择不同的是用户侦听所有在该频段上的小区的同步信号，与最先侦听到的同步信号的小区做同步。
经过前面的步骤，用户完成了同步，但用户接入系统还需要小区系统信息，包括系统带宽、系统帧号、天线端口号、小区选择和驻留以及重选等重要信息，这些信息由主信息块MIB和系统信息块SIB承载，分别映射在物理广播信道PBCH和下行共享信道PDSCH。通过解调PBCH获取MIB信息以及解调PDSCH获取SIB信息，根据获取到的小区选择信息用户需要判断当前LTE-U小区是否值得驻留，该判断准则即为小区选择准则。
结合用户在一天的不同时段发起业务类型的不同以及存在的规律性，本发明提出一种基于数据挖掘的小区选择准则(称为NS准则)。假设用户有一个统计了以往每一天中不同时段内发起的业务类型、业务发起次数以及业务特征参数的数据库，用户开机后根据数据库中的信息以及从目标小区获得的小区信息来决定是否驻留该小区。
如表1所示，将一天划分为K个时段，假设智能终端可以统计用户以往每个时段内发起的业务类型及次数。本发明将业务类型按大类分为时延敏感业务和非时延敏感业务，其中时延敏感业务分为MS个具体的时延敏感业务(如语音业务、视频业务等)，用表示时延敏感业务i；非时延敏感业务分为MR个具体的非时延敏感业务(如邮件业务、文件传输业务等)，用表示非时延敏感业务j。为第k个时段(k＝1,2,...,K)内时延敏感业务i出现过的次数，同理为第k个时段内非时延敏感业务j出现过的次数。
表1
另外，在统计每一种业务发起次数的同时，智能终端对第i种时延敏感业务会记录其数据包的最大容忍时延Di,max、丢包率门限εi以及数据的到达速率ri，如表2所示；对第j种非时延敏感业务会记录其所需的最低吞吐量要求hj，如表3所示。
表2
表3
对于用户n发起的时延敏感业务i，可采用有效容量来衡量小区性能的好坏；有效容量定义为在满足时延敏感业务i的QoS要求下，一个稳态遍历服务过程能够支持的恒速率到达业务的最大速率(D.Wu,R.Negi.“Effective capacity:A wireless link model forsupport of quality of service”.IEEE Transactions on Wireless Communications,Jul.2003.2(4):630-643.)，其定义为：
其中，Λn(θi)是t时间内用户n关于时延敏感业务i累积服务包的总数的极限，其表达式如下：
公式(1)和(2)中的θi为时延敏感业务i的服务质量参数，由其QoS要求(即数据包最大容忍时延和丢包率门限)确定；公式(2)中的其中Rn(τ)为用户n在第τ时刻的传输速率，由用户n根据接收到的小区参考信号功率强度，利用信噪比与传输速率的对应关系(Andrea Goldsmith,Wireless communications.Cambridge,U.K.:Cambridge University Press,2004)或香农公式来估算得到。当无线资源分配使得用户得到传输速率不随时间变化时，Rn(τ)＝Rn；E[]表示期望函数。
对时延敏感业务i，其QoS要求为丢包率不超过门限εi，即：
Pe＝P(D＞Di,max)≤εi (3)
其中，D为数据包的时延大小，Di,max为该业务数据包的最大容忍时延。根据文献(D.Wu,R.Negi.“Effective capacity:A wireless link model for support of qualityof service”.IEEE Transactions on Wireless Communications,July 2003.2(4):630-643)，θi存在如下关系式：
本发明中LTE-U独立系统采用LBE(Load Based Equipment)接入机制，如图2所示。LTE-U基站每次接入信道前在一个固定或窗长可变的退避窗长W内选取一个退避值进行退避，退避过程中一旦被Wi-Fi打断则冻结退避值，当退避值为0时接入信道并占用信道固定时长TL。图2中标出Wi-Fi节点每次成功传输占用信道时长为TS，Wi-Fi节点发生碰撞占用信道时长为TC。
对于采用上述接入机制的LTE-U独立系统，在信道时隙化的前提下(记单个时隙的长度为Δt)，可将LTE-U独立系统占用信道的过程建模为一个两状态离散马尔可夫链，如图3所示，图3中1状态表示LTE-U在传输阶段，0状态表示LTE-U在退避阶段。
该马尔可夫链的状态转移概率Pab(a,b∈{0,1})表示信道占用从状态a经过一个时隙后转移到状态b的概率。由于LTE-U传输时隙数为于是根据稳态概率满足的下述方程组：
可以得到π1＝P01/(P01+P10)，于是公式(5)中的π0和π1分别是系统处于0状态和1状态的稳态概率。因此，马尔可夫链的状态转移概率可以通过和π1表示为：
实际应用中，π1可由LTE-U基站在窗长为WS(WS＞＞TL)的滑动窗内先统计出其相邻两次接入信道的平均时间间隔再根据计算得到。为方便新到达用户根据有效容量理论做出合适的小区选择决策，基站会在SIB中把测量得到的广播给用户。
对于LTE-U独立系统中用户n的时延敏感业务i，其有效容量根据矩阵理论(G.U.Hwang,S.Roy.“Design and analysis of optimal random access policies incognitive radio networks”.IEEE Transactions on Communications,Jan.2012.60(1):121-131)可以得到：
其中，状态转移概率矩阵是一个对角阵，R{MΦn(θi)}是矩阵MΦn(θi)的谱半径，即矩阵的谱半径为其特征值的模的最大值(R.A.Hornand C.R.Johnson,Matrix Analysis,Cambridge University Press,1987.)，Rn为用户n得到的固定传输速率。
对于LTE-U独立系统中用户n发起的非时延敏感业务，网络吞吐量为：
以上求得的是LTE-U独立系统只服务用户n发起时延敏感业务i时的有效容量和只服务用户n发起的非时延敏感业务时的吞吐量，然而由于系统中已经存在的业务会占用系统资源，新的用户并不可能得到系统所有的资源，所以为了使得用户能选择一个真正合适的小区，本发明采用剩余有效容量和剩余吞吐量来判断小区的性能好坏。
本发明通过以下方法来计算系统内已有业务所需的服务时长，从而评估系统的剩余有效容量和剩余吞吐量。考虑LTE-U基站每次接入信道后分配资源的策略为频域上使用整个带宽，时域上根据业务需求分配时长，同时基站会记录目前小区内已有的用户、每个用户发起的业务类型以及每个用户的数据传输速率；如表4所示，假定目前小区中有Q个已接入用户构成集合Q，每个用户都有自己的业务。
表4
定义tq为每次LTE-U基站接入信道后第q个已接入用户至少需要基站为其服务的时长,则其占用的时隙数若用户q发起的业务为时延敏感业务i，本发明将该用户占用信道的过程同样建模为如图3所示的两状态离散马尔可夫链，但是这里的0状态和1状态分别表示该用户不占用信道和该用户占用信道，其转移概率的表达式与公式(6)类似，只需用tq和分别代替公式(6)中的TL和即可，用π0′和π1′表示此新马尔可夫链0状态和1状态的稳态概率。于是通过求解以下方程可以得到已接入用户q为了满足其时延敏感业务i的QoS要求所需要的服务时长tq：
其中，
同理，若用户q发起的业务为非时延敏感业务j，用tq代替公式(8)中的TL，使得LTE-U独立系统的吞吐量等于非时延敏感业务j需要的最低吞吐量，即可求出为了满足非时延敏感业务j的吞吐量要求，已接入用户q需要的服务时长的tq：
于是可以计算出每次LTE-U基站接入信道后的剩余可服务时长Tr：
基站可在SIB中把Tr广播给所有潜在用户供其做小区选择，相应的Tr所对应的时隙数
最后，为了让有时延敏感业务需求的新到达用户根据剩余有效容量做出合适的小区选择决策，同样建立一个如图3所示的马尔可夫链模型，但是用0状态表示LTE-U基站处于正在退避或者正在服务已接入用户的状态，用1状态表示LTE-U基站处于服务完已接入用户后仍有剩余时间的状态(即Tr＞0)，其转移概率的表达式与公式(6)类似，只需要用Tr和分别代替公式(6)中的TL和即可，用π0″和π1″表示此新马尔可夫链0状态和1状态的稳态概率。于是，本发明需要的目标LTE-U小区对新用户n发起时延敏感业务i所能提供的剩余有效容量可如下计算：
其中，
同理，用Tr替换式(8)中吞吐量计算公式中的TL，即为本发明需要的目标LTE-U小区对新用户n发起非时延敏感业务所能提供的剩余吞吐量：
有了前面所描述的数据库以及计算公式，NS准则中执行以下步骤来决定是否驻留该小区：
第1步：新用户n根据开机时间算出所在时段k,k∈{1,2,...,K}，计算出以往这个时段内发起时延敏感业务的总数和非时延敏感业务的总数
第2步：如果时延敏感业务的总数大于非时延敏感业务的总数，执行第3步，否则执行第5步；
第3步：计算该用户所有时延敏感业务到达速率的期望和待评估网络性能的LTE-U小区对该用户发起时延敏感业务所能提供的剩余有效容量的期望其中为在这个时间段内该用户发起第i类时延敏感业务的概率；
第4步：如果该LTE-U小区对该用户发起时延敏感业务所能提供的剩余有效容量的期望不小于该用户发起时延敏感业务的到达速率的期望(即)，该用户选择驻留该小区，否则继续搜索；
第5步：计算该用户发起非时延敏感业务需要最低吞吐量的期望和待评估网络性能的LTE-U小区的剩余吞吐量其中为在这个时间段内该用户发起第j类非时延敏感业务的概率；
第6步：如果该LTE-U小区的剩余吞吐量不小于该用户发起非时延敏感业务需要最低吞吐量的期望(即)，该用户选择驻留该小区，否则继续搜索。
为了验证上述驻留准则的有效性，本发明针对实际系统场景进行仿真，并且采用S准则作为对比，具体仿真参数如表5所示：
表5
图4给出了用户到达率与驻留LTE-U小区用户比例的关系。从图4中可以看出在Wi-Fi节点数固定的情况下，采用NS准则的驻留LTE-U小区的用户比例随着用户到达率的增大而减小。这是因为随着用户到达率的增大，LTE-U小区的负载增大，剩余时间资源减小，导致无法满足NS准则而选择到LTE的用户数增加。而采用S准则的驻留LTE-U小区的用户数不会随着用户到达率的增大而改变，这是因为S准则仅仅根据小区参考信号功率强度和参考信号质量来决定是否驻留，与用户到达率无关。
从图4中还可以看出不论是采用NS准则还是S准则，Wi-Fi用户数为36时驻留LTE-U小区的用户比例均比其在Wi-Fi用户数为96时要高。这是因为Wi-Fi用户数增大使得LTE-U相邻两次接入信道的平均时间间隔变长，一方面导致同步阶段用户在定时器T时长内侦听到LTE-U小区同步信号的概率减小，无法在规定时间内与LTE-U小区完成同步的概率增加；另一方面导致系统中已接入用户的业务在得到发送机会时需要的服务时长增加，导致剩余资源减小，从而使无法满足LTE-U新用户业务要求的概率增大。
图5给出了用户达到率与驻留LTE-U小区的用户成功发起业务概率的关系。从图5中可以看出Wi-Fi节点数固定的情况下，无论是采用NS准则还是S准则，其驻留LTE-U小区的用户成功发起业务的概率都随着用户到达率的增大而减小。这是因为随着用户到达率的增加，无论是采用NS准则还是S准则，驻留LTE-U在用户数都在不断增加，而LTE-U所能承受的总负载有限，即所能服务的用户数有限，从而导致驻留LTE-U小区的用户成功发起业务的概率不断减小。
从图5中还可以看出在Wi-Fi节点数固定的情况下，采用NS准则时驻留LTE-U小区的用户成功发起业务的概率大于S准则下的概率，并且随着用户到达率的增大，其性能增益不断提升。这说明用户到达率越大，NS准则越适合LTE-U独立系统，这是因为NS准则下随着用户到达速率的增大，驻留LTE-U独立系统小区的用户比例不断减小，而S准则保持不变。所以NS准则能够更好地保证驻留在LTE-U独立系统的用户发起业务的成功率。
最后，还可以从图5中看出不论是采用NS准则还是S准则，Wi-Fi用户数为36时驻留LTE-U小区的用户成功发起业务的概率均比其在Wi-Fi用户数为96时要高，这是因为Wi-Fi用户数增大使得LTE-U基站相邻两次接入信道的平均时间间隔变长，这段时间内要发起业务的累积新用户数增加，LTE-U基站接入信道后无法满足新用户业务需求的概率增大。
图6给出了用户达到率与LTE宏基站平均负载的关系。从图6中可以看出随着用户到达率的增大，不管采用NS准则还是S准则，LTE宏基站平均负载都不断增大，最终都会达到满负载；但是NS准则下LTE宏基站的平均负载比其在S准则下的高，且先达到满负载，这是因为随着用户到达率的增大，NS准则下驻留LTE-U的用户比例不断减小，而S准则下则保持不变，说明NS准则能够更加合理地平衡LTE和LTE-U网络的负载。
从图6中还可以看出，无论是采用NS准则还是S准则，当Wi-Fi节点数为96时LTE宏基站的平均负载比其在Wi-Fi节点数为36时高，且先达到满负载。这是因为Wi-Fi节点数越高，驻留LTE-U的用户比例越低。
结合所有仿真结果，可以发现本发明NS准则使驻留在LTE-U小区的用户有更高的成功发起业务概率，不仅有效避免了重选小区所带来的额外开销，同时也有利于提升用户的服务体验；此外NS准则能够更加合理地平衡LTE和LTE-U网络的负载，有利于提高整个网络的资源利用率。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LTE-U独立系统的用户驻留流程，包括如下步骤：
(1)对于任一用户终端并标记为n，其开机后通过侦听同步信号进行LTE-U小区搜索，以确定待接入小区；
(2)用户终端n与待接入小区进行同步，以获取该小区的系统信息；
(3)将用户终端n发起过的所有业务根据时延敏感程度分为时延敏感业务和非时延敏感业务，并统计每个业务在一天各个时段内的历史发起次数；
(4)根据小区系统信息、业务类型、业务特征参数以及各时段业务发起次数判断是否驻留当前待接入小区，若否且仍有LTE-U小区可供搜索，则返回步骤(1)重新确定一个待接入小区再进行驻留判断；若无LTE-U小区可驻留，执行LTE系统驻留流程，即开始侦听LTE小区。
2.根据权利要求1所述的用户驻留流程，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现过程如下：
1.1用户终端n开机后检查本地是否存有小区信息：若有，则执行步骤1.2；若无，则执行步骤1.3；
1.2根据本地存储的小区信息逐条搜索对应的LTE-U小区：对于任一条小区信息，根据该信息开始侦听同步信号，若在预定时间内侦听到了对应的同步信号，则将发出该同步信号的LTE-U小区作为待接入小区；若在预定时间内未侦听到对应的同步信号，则选择下一条小区信息进行侦听，当遍历完所有的小区信息均还未侦听到相应的同步信号，则执行步骤1.3；
1.3用户终端n根据自身能力扫描LTE-U全频段，根据侦听到的中心频点接收功率强度建立一个优先级由高到低排序的频段列表，功率强度越大优先级越高；
1.4根据优先级对频段列表中的频段进行搜索：对于任一频段，侦听该频段内的同步信号，若在预定时间内侦听到了相应的同步信号，则取最先侦听到的同步信号所对应的LTE-U小区作为待接入小区；若在预定时间内未侦听到任何同步信号且频段列表中还有未搜索的频段，则搜索下一频段以侦听同步信号并确定待接入小区。
3.根据权利要求1所述的用户驻留流程，其特征在于：所述时延敏感业务的业务特征参数包括数据包最大容忍时延、丢包率门限以及数据到达速率，所述非时延敏感业务的业务特征参数包括最低吞吐量。
4.根据权利要求1所述的用户驻留流程，其特征在于：所述步骤(4)的具体实现过程如下：
4.1用户终端n根据开机时间确定其所在时段并记为k，并统计时段k内所有时延敏感业务的发起总数以及所有非时延敏感业务的发起总数MS和MR分别时延敏感业务和非时延敏感业务的数量，为第i个时延敏感业务在时段k内的历史发起次数，为第j个非时延敏感业务在时段k内的历史发起次数；
4.2若大于则执行步骤4.3，否则执行步骤4.4；
4.3计算用户终端n所有时延敏感业务到达速率的期望E[ri]以及当前待接入小区对用户终端n发起时延敏感业务所能提供剩余有效容量的期望若则用户终端n选择驻留当前待接入小区，否则返回步骤(1)重新确定一个待接入小区再进行驻留判断；
4.4计算用户终端n发起非时延敏感业务需要最低吞吐量的期望E[hj]以及当前待接入小区的剩余吞吐量若则用户终端n选择驻留当前待接入小区，否则返回步骤(1)重新确定一个待接入小区再进行驻留判断。
5.根据权利要求4所述的用户驻留流程，其特征在于：所述期望E[ri]的计算表达式如下：
<mrow>
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<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
其中：P(i)为用户终端n在时段k内发起第i个时延敏感业务的概率即ri为第i个时延敏感业务的数据到达速率。
6.根据权利要求4所述的用户驻留流程，其特征在于：所述期望E[hj]的计算表达式如下：
<mrow>
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</mrow>
<msub>
<mi>h</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
</mrow>
其中：P(j)为用户终端n在时段k内发起第j个非时延敏感业务的概率即hj为第j个非时延敏感业务需要的最低吞吐量。
7.根据权利要求4所述的用户驻留流程，其特征在于：所述剩余吞吐量的计算表达式如下：
<mrow>
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</mover>
</mrow>
其中：Rn为用户终端n的固定传输速率，Tr为当前待接入小区基站接入信道后的剩余可服务时长，为待接入小区基站相邻两次接入信道的平均时间间隔。
8.根据权利要求4所述的用户驻留流程，其特征在于：所述期望的计算表达式如下：
<mrow>
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</mrow>
</mrow>
其中：P(i)为用户终端n在时段k内发起第i个时延敏感业务的概率即 为待接入小区对于用户终端n发起第i个时延敏感业务所能提供的剩余有效容量。
9.根据权利要求8所述的用户驻留流程，其特征在于：所述剩余有效容量的计算表达式如下：
<mrow>
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2
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</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中：θi为第i个时延敏感业务的服务质量参数即θi＝-ln(εi)/Di,max，εi为第i个时延敏感业务的丢包率门限，Di,max为第i个时延敏感业务的数据包最大容忍时延，R{PΦn(θi)}为矩阵PΦn(θi)的谱半径，Tr为当前待接入小区基站接入信道后的剩余可服务时长，为待接入小区基站相邻两次接入信道的平均时间间隔，Δt为单个时隙的长度，Rn为用户终端n的固定传输速率。
10.根据权利要求7或9所述的用户驻留流程，其特征在于：所述剩余可服务时长Tr的计算表达式如下：
<mrow>
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其中：TL为LTE-U每次占用信道的固定时长，Q为当前已驻留在待接入小区并正在接受基站服务的用户终端集合，q为用户终端集合Q中的任一用户终端，tq为用户终端q为满足其发起业务的服务质量要求所需要的服务时长；若用户终端q当前发起的业务为非时延敏感业务a，则Rq为用户终端q的固定传输速率，ha为非时延敏感业务a需要的最低吞吐量；若用户终端q当前发起的业务为时延敏感业务b，则tq通过解以下方程得到：
<mrow>
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</mtr>
</mtable>
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</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中：θb为时延敏感业务b的服务质量参数即θb＝-ln(εb)/Db,max，εb为时延敏感业务b的丢包率门限，Db,max为时延敏感业务b的数据包最大容忍时延，rb为时延敏感业务b的数据到达速率，R{UΦq(θb)}为矩阵UΦq(θb)的谱半径， Δt为单个时隙的长度。
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| CN201710631714.6A CN107318150B (zh) | 2017-07-28 | 2017-07-28 | 一种lte-u独立系统的用户驻留流程 |
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