CN107734700B - 超密集网络中保障用户QoS需求的网络资源分配方法 - Google Patents

超密集网络中保障用户QoS需求的网络资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超密集网络中保障用户QoS要求的网络资源分配方法，该方法将资源分配过程分为初始资源分配阶段和补偿分配阶段。在初始资源分配阶段，微小区基站根据贪婪算法将最优资源块分配给用户，若最优资源块被占用则分配次优资源块同时标记用户为Level‑1用户。若用户在资源块上的速率不满足用户QoS需求，则直接将用户标记为Level‑2用户。在补偿分配阶段，在剩余可用资源块中根据最优原则优先分配最优资源块给Level‑2用户，直至所有Level‑2用户满足QoS需求。基站再将剩余资源块分配给Level‑1用户作为一定的补偿，直至所有Level‑1用户补偿完毕或者没有剩余资源块可用。该方法可以在最大化系统吞吐量的同时保证用户的QoS需求，能够应用于超密集网络中的资源分配。

Description

超密集网络中保障用户QoS需求的网络资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种超密集网络中保障用户QoS需求的网络资源分配方法。
背景技术
近年来，越来越多的通信设备接入网络中，使得整个网络结构变得庞大而复杂，同时用户对数据流量的需求呈现爆炸性增长，无线网络也将面临着巨大的挑战。在超密集网络中，通过将微小区基站密集部署在小区中，可以提高无线网络的系统容量。然而由于大量基站的密集部署，使得网络中干扰问题日趋严重，资源分配不合理的问题也亟待解决。
在频率分配方面，正交频分复用(OFDM)可以保证小区内各用户之间的正交性，从而有效地避免用户间的干扰，同时还能实现很高的小区容量。传统的频谱资源分配方法，如基于频谱资源分配的贪婪算法，根据用户在相互正交的子信道上的接收信干噪比(SINR)为用户分配增益最高的子信道来进行信息传输，从而达到最大化网络吞吐量的目的。
在功率分配方面，基站发射的功率越大，可能产生的干扰就越大，因此功率控制也是解决超密集网络中干扰的重要手段。传统的功率资源分配方法，如基于注水算法的功率控制算法可以有效地利用高质量的信道，提高系统容量。
然而，以上这些资源分配算法却忽视了用户的公平性，往往使得一些处于小区边缘位置的用户速率不到QoS需求，甚至得不到正常的服务。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种超密集网络中保障用户QoS需求的网络资源分配方法，
实现本发明目的的技术解决方案为：一种超密集网络中保障用户QoS需求的网络资源分配方法。该方法将网络资源分配过程分为初始资源分配阶段和补偿分配阶段，所述方法包括以下步骤：
步骤1中初始资源分配阶段具体为：
步骤1-1基站定义为超密集网络中密集分布的微小区基站，包括家庭基站(Femtocell Base Station)、微微小区基站(Pico Base Station)以及其他接入节点；RB(Resource Block)表示资源块，表示第k个资源块。
基站采用OFDM技术，可分配K个相互正交的资源块，用ΦRB＝{1,2,...,k,...,K}表示K个资源块集合，ΦRB'表示基站在资源块分配过程中的剩余可用资源块集合且初始化ΦRB'＝ΦRB。规定一个资源块最多只能分配给一个用户，一个用户可同时获得多个资源块；
对用户m在第k个资源块RB k上的接收SINR的定义具体描述为：
Figure BDA0001386947430000021
其中，
Figure BDA0001386947430000022
表示基站j和其他非j基站在资源块RB k上的发送功率。
Figure BDA0001386947430000023
分别表示在资源块RB k上，从基站j和非j基站到用户m的信道增益。σ2代表加性高斯白噪声(AWGN)的方差；
对最优资源块的定义具体描述为：
分别计算用户m在K个资源块上的接收SINR，即
Figure BDA0001386947430000024
然后找出使用户接收SINR最大的资源块，即
Figure BDA0001386947430000025
那么资源块RB k*则称为基站分配给用户m的最优资源块；
对次优资源块的定义具体描述为：
由于同一个资源块最多只能分配给一个用户，当两个用户m，n期望得到的最优资源块RB k*相同时，比较两个用户在此RB k*上的接收SINR，将RB k*分配给SINR相对大的用户m，而另一个用户n则在剩余可用资源块中找到使接收SINR最大的资源块RB k'，k∈ΦRB'。此时对于用户n来说，
Figure BDA0001386947430000026
所以称资源块RB k'为用户n的次优资源块。若用户最优资源块被占用，则在剩余可用资源块中分配次优资源块给用户；
对用户的QoS需求的定义具体描述为：
当用户在资源块上获得的速率大于用户最低通信需求速率时，即可认为此次对用户的资源分配满足用户QoS需求；
对用户最低通信需求速率的定义具体描述为：
能够支持用户基本的通信、视频、上网等业务的最低速率定义为用户最低通信需求速率，用
Figure BDA0001386947430000027
表示用户m的最低通信需求速率；
由于最优资源块被占用而只能获得次优资源块的用户有可能会出现用户速率达不到QoS需求，所以为了保障用户QoS需求，需要为这部分用户做出一定的补偿。本发明将获得次优资源块的用户标记为Level-1用户，并用U1表示Level-1用户的集合；
对用户速率的定义具体描述为：
Figure BDA0001386947430000031
其中，
Figure BDA0001386947430000032
表示用户m在资源块RB k上获得的速率，Δω代表资源块的带宽。
因为每个资源块最多只能分配给一个用户，而一个用户可以获得多个资源块，为了便于描述，这里定义
Figure BDA0001386947430000033
则用户m的实际速率可定义为：
Figure BDA0001386947430000034
步骤1-2根据公式(1)计算用户在资源块上的SINR。
步骤1-3根据公式(2)，利用贪婪算法分配最优资源块给用户。
步骤1-4根据公式(4)计算用户在最优资源块上获取的速率。
步骤1-5判断用户速率是否满足QoS需求，若不满足，则将用户直接标记为Level-2用户，然后进行步骤1-6；若满足，则直接进行步骤1-6。
步骤1-6判断最优资源块是否已被占用，若占用则在剩余可用资源块集合ΦRB'中分配次优资源块给用户，并将用户标记为Level-1用户；否则，将最优资源块从ΦRB'中删除。
步骤1-7判断所有用户的资源块分配是否完毕，若是则输出U1,U2,ΦRB'，结束初始资源块分配；否则重复以上步骤直至所有用户的资源块分配都完毕。
步骤2中补偿资源分配阶段具体为：
步骤2-1基站在完成所有用户的初始资源块分配后，为了保障所有用户的QoS需求，基站将剩余资源块根据最优原则优先补偿分配给Level-2用户m，计算用户速率，即
Figure BDA0001386947430000035
步骤2-2判断Level-2用户m的用户速率是否满足QoS要求，若不满足则继续在剩余可用资源块中进行补偿分配。
步骤2-3判断所有Level-2用户是否都补偿完毕，若是则重复步骤2-1，否则进行以下步骤。
步骤2-4基站在优先完成对所有Level-2用户的补偿资源分配后，检测是否还有剩余可用资源块。若无剩余可用资源块，则结束资源分配过程，否则开始进行对Level-1用户的资源补偿过程。
步骤2-5基站对Level-1用户的资源补偿过程可描述为：
基站在剩余资源块集合ΦRB'中分配使用户接收SINR最大的资源块RB k'，即将资源块
Figure BDA0001386947430000041
分配给用户，然后将资源块RB k'从ΦRB'中删除。接着继续下一个Level-1用户的补偿资源分配，直到所有Level-1用户的资源补偿分配过程完毕或者所有剩余可用资源块分配完毕。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明在为用户分配网络资源时可以有效地保证用户的QoS需求；2)本发明采用OFDM技术为用户分配相互正交的资源块，可以有效地降低用户之间的干扰问；3)本发明通过两阶段资源分配，可以在保证用户QoS需求的同时有效地提高系统的吞吐量。
附图说明
图1是本发明的系统流程图。
图2是本发明的初始资源分配流程图。
图3是本发明的补偿资源分配流程图。
图4是本发明实施例的系统吞吐量对比图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
在本实施例中，每个资源块的带宽为180KHz，系统载波频率为2GHz。用户QoS速率需求门限是1M bit/s。每个微小区基站可以同时为两个用户提供服务，每个用户与相距最近的基站进行通信。基站与用户之间的信号传输信道模型定为大尺度衰落、穿透损耗和瑞利衰落的联合信道模型。微小区基站的覆盖面积为半径10m的圆形区域，用户随机出现在此区域的任意位置。
整个系统流程图如图1所示，本发明的一种超密集网络中保障用户QoS需求的网络资源分配方法分为初始资源分配阶段和补偿资源分配阶段，具体步骤为：
如图2所示，步骤1中初始资源分配阶段具体为：
步骤1-1基站定义为超密集网络中密集分布的微小区基站，包括家庭基站(Femtocell Base Station)、微微小区基站(Pico Base Station)以及其他接入节点；RB(Resource Block)表示资源块，表示第k个资源块。
基站采用OFDM技术，可分配K个相互正交的资源块，用ΦRB＝{1,2,...,k,...,K}表示K个资源块集合，ΦRB'表示基站在资源块分配过程中的剩余可用资源块集合且初始化ΦRB'＝ΦRB。规定一个资源块最多只能分配给一个用户，一个用户可同时获得多个资源块；
对用户m在第k个资源块RB k上的接收SINR的定义具体描述为：
Figure BDA0001386947430000051
其中，
Figure BDA0001386947430000052
表示基站j和其他非j基站在资源块RB k上的发送功率。
Figure BDA0001386947430000053
分别表示在资源块RB k上，从基站j和非j基站到用户m的信道增益。σ2代表加性高斯白噪声(AWGN)的方差；
对最优资源块的定义具体描述为：
分别计算用户m在K个资源块上的接收SINR，即
Figure BDA0001386947430000054
然后找出使用户接收SINR最大的资源块，即
Figure BDA0001386947430000055
那么资源块RB k*则称为基站分配给用户m的最优资源块；
对次优资源块的定义具体描述为：
由于同一个资源块最多只能分配给一个用户，当两个用户m，n期望得到的最优资源块RB k*相同时，比较两个用户在此RB k*上的接收SINR，将RB k*分配给SINR相对大的用户m，而另一个用户n则在剩余可用资源块中找到使接收SINR最大的资源块RB k'，k∈ΦRB'。此时对于用户n来说，
Figure BDA0001386947430000056
所以称资源块RB k'为用户n的次优资源块。若用户最优资源块被占用，则在剩余可用资源块中分配次优资源块给用户；
对用户的QoS需求的定义具体描述为：
当用户在资源块上获得的速率大于用户最低通信需求速率时，即可认为此次对用户的资源分配满足用户QoS需求；
对用户最低通信需求速率的定义具体描述为：
能够支持用户基本的通信、视频、上网等业务的最低速率定义为用户最低通信需求速率，用
Figure BDA0001386947430000057
表示用户m的最低通信需求速率；
由于最优资源块被占用而只能获得次优资源块的用户有可能会出现用户速率达不到QoS需求，所以为了保障用户QoS需求，需要为这部分用户做出一定的补偿。本发明将获得次优资源块的用户标记为Level-1用户，并用U1表示Level-1用户的集合；
对用户速率的定义具体描述为：
Figure BDA0001386947430000061
其中，
Figure BDA0001386947430000062
表示用户m在资源块RB k上获得的速率，Δω代表资源块的带宽。
因为每个资源块最多只能分配给一个用户，而一个用户可以获得多个资源块，为了便于描述，这里定义
Figure BDA0001386947430000063
则用户m的实际速率可定义为：
Figure BDA0001386947430000064
步骤1-2根据公式(1)计算用户在资源块上的SINR。
步骤1-3根据公式(2)，利用贪婪算法分配最优资源块给用户。
步骤1-4根据公式(4)计算用户在最优资源块上获取的速率。
步骤1-5判断用户速率是否满足QoS需求，若不满足，则将用户直接标记为Level-2用户，然后进行步骤1-6；若满足，则直接进行步骤1-6。
步骤1-6判断最优资源块是否已被占用，若占用则在剩余可用资源块集合ΦRB'中分配次优资源块给用户，并将用户标记为Level-1用户；否则，将最优资源块从ΦRB'中删除。
步骤1-7判断所有用户的资源块分配是否完毕，若是则输出U1,U2,ΦRB'，结束初始资源块分配；否则重复以上步骤直至所有用户的资源块分配都完毕。
如图3所示，步骤2中补偿资源分配阶段具体为：
步骤2-1基站在完成所有用户的初始资源块分配后，为了保障所有用户的QoS需求，基站将剩余资源块根据最优原则优先补偿分配给Level-2用户m，计算用户速率，即
Figure BDA0001386947430000065
步骤2-2判断Level-2用户m的用户速率是否满足QoS要求，若不满足则继续在剩余可用资源块中进行补偿分配。
步骤2-3判断所有Level-2用户是否都补偿完毕，若是则重复步骤2-1，否则进行以下步骤。
步骤2-4基站在优先完成对所有Level-2用户的补偿资源分配后，检测是否还有剩余可用资源块。若无剩余可用资源块，则结束资源分配过程，否则开始进行对Level-1用户的资源补偿过程。
步骤2-5基站对Level-1用户的资源补偿过程可描述为：
基站在剩余资源块集合ΦRB'中分配使用户接收SINR最大的资源块RB k'，即将资源块
Figure BDA0001386947430000071
分配给用户，然后将资源块RB k'从ΦRB'中删除。接着继续下一个Level-1用户的补偿资源分配，直到所有Level-1用户的资源补偿分配过程完毕或者所有剩余可用资源块分配完毕。
图4为本发明算法与其他资源分配算法在不同微小区基站数目下的系统吞吐量对比图。可以看到，本发明算法相比其他算法，能够有效提高系统吞吐量，同时也能保证用户QoS需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种超密集网络中保障用户QoS需求的网络资源分配方法，其特征在于，包括初始资源分配阶段和补偿分配阶段，具体包括以下步骤：
步骤1、在资源初始分配阶段，基站首先计算用户在资源块上的接收SINR的大小，然后根据贪婪算法分配最优资源块给用户，而没有分到最优资源块的用户则分配次优资源块并标记该用户为Level-1用户；同时计算用户速率是否达到QoS需求，若没有则将用户标记为Level-2用户，初始资源分配阶段包括：步骤1-1基站定义为超密集网络中密集分布的微小区基站，包括家庭基站“FemtocellBase Station”、微微小区基站“Pico Base Station”以及其他接入节点；RB(Resource Block)表示资源块，RBk表示第k个资源块；
基站采用OFDM技术，可分配K个相互正交的资源块，用ΦRB＝{1,2,...,k,...,K}表示K个资源块集合，ΦRB'表示基站在资源块分配过程中的剩余可用资源块集合且初始化ΦRB'＝ΦRB；规定一个资源块最多只能分配给一个用户，一个用户可同时获得多个资源块；
对用户m在第k个资源块RBk上的接收SINR的定义具体描述为：
Figure FDA0003064540070000011
其中，
Figure FDA0003064540070000012
表示基站j和其他非j基站在资源块RBk上的发送功率；
Figure FDA0003064540070000013
分别表示在资源块RBk上，从基站j和非j基站到用户m的信道增益；σ2代表加性高斯白噪声“AWGN”的方差；
对最优资源块的定义具体描述为：
分别计算用户m在K个资源块上的接收SINR，即
Figure FDA0003064540070000014
然后找出使用户接收SINR最大的资源块，即
Figure FDA0003064540070000015
那么资源块RBk*则称为基站分配给用户m的最优资源块；
对次优资源块的定义具体描述为：
由于同一个资源块最多只能分配给一个用户，当两个用户m，n期望得到的最优资源块RBk*相同时，比较两个用户在此RBk*上的接收SINR，将RBk*分配给SINR相对大的用户m，而另一个用户n则在剩余可用资源块中找到使接收SINR最大的资源块RBk'，k∈ΦRB'；此时对于用户n来说，
Figure FDA0003064540070000016
所以称资源块RBk'为用户n的次优资源块；若用户最优资源块被占用，则在剩余可用资源块中分配次优资源块给用户；
对用户的QoS需求的定义具体描述为：
当用户在资源块上获得的速率大于用户最低通信需求速率时，即可认为此次对用户的资源分配满足用户QoS需求；
对用户最低通信需求速率的定义具体描述为：
能够支持用户基本的通信、视频、上网业务的最低速率定义为用户最低通信需求速率，用
Figure FDA0003064540070000025
表示用户m的最低通信需求速率；
由于最优资源块被占用而只能获得次优资源块的用户有可能会出现用户速率达不到QoS需求，所以为了保障用户QoS需求，需要为这部分用户做出补偿；将获得次优资源块的用户标记为Level-1用户，并用U1表示Level-1用户的集合；
对用户速率的定义具体描述为：
Figure FDA0003064540070000021
其中，
Figure FDA0003064540070000022
表示用户m在资源块RBk上获得的速率，Δω代表资源块的带宽；
因为每个资源块最多只能分配给一个用户，而一个用户可以获得多个资源块，为了便于描述，这里定义
Figure FDA0003064540070000023
Figure FDA0003064540070000024
步骤1-2根据公式(1)计算用户在资源块上的SINR；
步骤1-3根据公式(2)，利用贪婪算法分配最优资源块给用户；
步骤1-4根据公式(4)计算用户在最优资源块上获取的速率；
步骤1-5判断用户速率是否满足QoS需求，若不满足，则将用户直接标记为Level-2用户，然后进行步骤1-6；若满足，则直接进行步骤1-6；
步骤1-6判断最优资源块是否已被占用，若占用则在剩余可用资源块集合ΦRB'中分配次优资源块给用户，并将用户标记为Level-1用户；否则，将最优资源块从ΦRB'中删除；
步骤1-7判断所有用户的资源块分配是否完毕，若是则输出U1,U2,ΦRB'，结束初始资源块分配；否则重复以上步骤直至所有用户的资源块分配都完毕；
步骤2、在补偿资源阶段，为了保障用户的QoS需求，基站将剩余可用资源块优先补偿分给Level-2用户，直到所有Level-2用户的用户速率满足QoS要求；然后基站再将余下的资源块分配给Level-1用户作为补偿，直到所有Level-1用户全部补偿完毕或者所有可用资源块分配完毕，补偿资源分配阶段包括：
步骤2-1基站在完成所有用户的初始资源块分配后，为了保障所有用户的QoS需求，基站将剩余资源块根据最优原则优先补偿分配给Level-2用户m，计算用户速率，即
Figure FDA0003064540070000031
j为基站索引，表示第j个基站；m为用户索引，表示第m个用户；k*表示第一阶段用户分配的最优资源块索引；k′表示用户在第二阶段补偿资源分配时获得的补偿资源块索引；k表示资源块的索引；
步骤2-2判断Level-2用户m的用户速率是否满足QoS要求，若不满足则继续在剩余可用资源块中进行补偿分配；
步骤2-3判断所有Level-2用户是否都补偿完毕，若是则重复步骤2-1，否则进行以下步骤；
步骤2-4基站在优先完成对所有Level-2用户的补偿资源分配后，检测是否还有剩余可用资源块；若无剩余可用资源块，则结束资源分配过程，否则开始进行对Level-1用户的资源补偿过程；
步骤2-5基站对Level-1用户的资源补偿过程可描述为：
基站在剩余资源块集合ΦRB'中分配使用户接收SINR最大的资源块RBk'，即将资源块
Figure FDA0003064540070000032
分配给用户，然后将资源块RBk'从ΦRB'中删除；接着继续下一个Level-1用户的补偿资源分配，直到所有Level-1用户的资源补偿分配过程完毕或者所有剩余可用资源块分配完毕。
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A Two-Stage Cluster-Based Resource Management Scheme in Ultra-Dense Networks;Rong Wei等;《2014 IEEE/CIC International Conference on Communications in China》;20141015;全文 *

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