CN108337690A - 一种应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法，包括：(1)初始化资源分配参数；(2)在当前的资源分配状态下，计算每个UE的Wi‑Fi连接状态；(3)构建Wi‑Fi连接可行方案集；(4)遍历Wi‑Fi连接可行方案集，做线性规划，选取系统数据率最优的方案，用该方案更新当前系统最优方案；(5)判断是否满足收敛条件，若不满足则返回(2)；(6)分布式综合接入系统按照当前系统最优方案分配频谱资源。该方法将免许可LTE技术集成在分布式综合接入系统上，实现多制式网络资源分配，增加原移动通信覆盖设备的集成度和组网灵活度，降低单一制式网络的竞争激烈程度，提升了频谱资源的利用率。

Description

一种应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法。

背景技术

随着移动业务的迅猛发展，人们对于数据的需求正在逐年增加。面对这一日益严峻的挑战，一方面需要提高有限的已有频谱资源的利用率和复用率，另一方面在有限的已经“严重负荷”的许可频段之外，还需要探索更多的可使用频谱资源。因此，工业界和学术界提出了一项新技术免许可LTE，简称LTE-U(LTE Advanced in Unlicensed Spectrum)，它通过利用免许可频段资源来扩充LTE网络的容量。LTE-U的特点使LTE-U能够成为Wi-Fi的重要补充。LTE-U技术可用于短距离传输，共享的是Wi-Fi使用的免许可无线电频段。

多制式(multi-homing)网络指的是用户可以同时向多个无线接入网(radioaccess networks，RANs)传送数据的网络机制，如用户可以同时接入并向蜂窝网络和Wi-Fi网络传送数据。专门为在许可频段上工作而设计的LTE系统具有基于免竞争MAC协议的网络单元的集中式控制，用以防止用户之间的数据包冲突，时频资源块是LTE系统最小的资源分配单位。对于Wi-Fi系统，Wi-Fi采用基于竞争的MAC协议，依靠载波侦听多冲突避免(CSMA/CA)和随机退避机制来减少数据包碰撞。一旦Wi-Fi用户接入信道，将会竞争占用信道全部资源。

采用多制式机制来调度免许可频段上Wi-Fi和LTE-U的资源，可以在Wi-Fi和LTE-U间合理分配频谱资源，增加频谱利用率，降低单一网络制式的竞争程度，提升用户体验。根据Wi-Fi的DCF协议，用户数达到一定规模时，Wi-Fi的饱和数据率随竞争节点数的增加而下降，降低Wi-Fi的竞争激烈程度在Wi-Fi过载时有助于提升Wi-Fi的性能。

分布式综合接入系统(lntegrated Distributed Access System，iDAS)是一种新型的多网融合室内分布系统。分布式综合接入系统同时支持2G、3G、LTE和WLAN，集成度和覆盖率均较高，在室内用一套设备可实现多种制式、多种频段网络灵活组网。该系统采用三层网络架构，接入单元AU耦合不同制式的基站射频信号，进行数字化处理后组帧经光纤传输至扩展单元EU；WLAN等数字信号通过扩展单元EU上的以太网口接入，并和接入单元AU输入的光纤信号重新共同组帧传输至远端单元RU；远端单元RU将接收到的不同制式、不同频段的信号经射频变换和放大处理，实现所支持多种制式、多种频段网络的远端覆盖。

原有的分布式综合接入系统不支持免许可LTE接入技术，免许可频段上只有频谱利用率不高的Wi-Fi，无法充分使用免许可频谱资源。再者，随着第五代移动通信技术(5G)时代的到来，室内分布系统必将向着集成度更高、组网方式更灵活的方向发展。因此，将免许可LTE接入技术集成在原分布式综合接入系统上，并与许可LTE接入技术、Wi-Fi接入技术共同组成多制式异构网络，联合分配频谱资源，实现多制式通信，具有潜在的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法。该方法能够增加原移动通信覆盖设备的集成度和组网灵活度，降低单一制式网络的竞争激烈程度，提升频谱资源的利用率。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法，所述多制式网络包括许可LTE接入技术、免许可LTE接入技术以及Wi-Fi接入技术，其特征在于，所述多制式网络资源分配方法包括以下步骤：

(1)初始化多制式网络资源的分配参数，包括初始化每个用户设备在许可频段上通过许可LTE接入技术占用的资源块数目，在免许可频段上通过免许可LTE接入技术占用的资源块数目，初始系统数据率为零；

(2)在当前资源分配状态下，执行遍历步骤：假设当前正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w，并在当前用户设备数目N_w基础上，根据当前资源分配参数计算分布式综合接入系统中每个用户设备的Wi-Fi连接状态，形成Wi-Fi连接预可行方案；

(3)对于每一个Wi-Fi连接预可行方案，更改某些用户设备的Wi-Fi连接状态形成Wi-Fi连接可行方案，以使Wi-Fi连接可行方案中连接Wi-Fi的用户设备数目N_w′与步骤(2)中假设的正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w相等；

(4)添加每一个Wi-Fi连接预可行方案对应的所有Wi-Fi连接可行方案至Wi-Fi连接可行方案集合C中；

(5)对Wi-Fi连接可行方案集合C中的每一个Wi-Fi连接可行方案做线性规划以分配资源，选取系统数据率最大的Wi-Fi连接可行方案对应的资源分配参数作为当前最优的资源分配方案，并更新当前资源分配参数；

(6)判断当前最优的资源分配方案对应的系统数据率与上一次迭代的系统数据率的差值是否小于预先设定的终止距离，若是，执行步骤(7)，若否，更新系统数据率后，跳转执行步骤(2)；

(7)分布式综合接入系统按照当前最优的资源分配方案分配多制式网络资源。

步骤(1)中，初始化每个用户设备在许可频段上通过许可LTE接入技术占用的资源块数目和在免许可频段上通过免许可LTE接入技术占用的资源块数目，再根据多制式网络总资源，即可以获得在许可频段上通过许可LTE接入技术分配给第n个UEn的资源比例α_n和免许可频段上通过免许可LTE接入技术分配给UEn的资源比例β_n。

步骤(2)中，若分布式综合接入系统中共计有j个用户设备UE，则假设的当前正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w的取值为{0,1,2,…,j}，其中，N_w＝0表示没有UE正在使用Wi-Fi，N_w＝j表示所有用户均正在使用Wi-Fi。步骤(2)中，分别计算N_w取值为0,1,2,…,j情况下，每个用户设备的Wi-Fi连接状态。

具体地，所述根据当前资源分配参数计算分布式综合接入系统中每个用户设备的Wi-Fi连接状态包括：

根据以下公式计算每个用户设备的Wi-Fi连接状态：

其中，α_n表示许可频段上通过许可LTE接入技术分配给第n个UEn的资源比例(α_n∈[0,1])，β_n表示免许可频段上通过免许可LTE接入技术分配给UEn的资源比例(β_n∈[0,1])，二值变量γ_n表示UEn是否与Wi-Fi网络相连接，γ_n＝1表示UEn与Wi-Fi网络连接，γ_n＝0表示UEn没有与Wi-Fi网络连接，和分别表示UEn在许可频段和免许可频段上的发射功率，P^w为Wi-Fi发射功率，为UEn在许可频段上通过许可LTE接入技术获得的总数据率，为UEn在免许可频段上通过免许可LTE接入技术获得的总数据率，为每个UE的最小需求数据率，P_n为最大发射功率限制，表示Wi-Fi网络的饱和数据率。

在计算完每个UE的Wi-Fi连接状态后，即可以形成如{case 1，case 0，case 0，case 2，……}的j元组，每个元素代表一个UE的Wi-Fi连接状态，该j元组即为Wi-Fi连接预可行方案。

其中，步骤(3)的具体步骤为：

对于每一个Wi-Fi连接预可行方案，更改处于case 2的用户设备的Wi-Fi连接状态为case 0或case 1，以使Wi-Fi连接可行方案中处于case 1的用户设备数目N_w′与步骤(2)中假设的正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w相等。

步骤(2)～步骤(4)通过先假设正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w，再根据计算和更改步骤获得满足假设的所有Wi-Fi连接可行方案，为后续选择最优的资源分配方案提供选择基础，以确保能够获得最优的资源分配方案。

步骤(5)中，遍历Wi-Fi连接可行方案集合C中的每一个Wi-Fi连接可行方案，并对每个Wi-Fi连接可行方案做线性规划，通过以下公式计算每个Wi-Fi连接可行方案的最大数据率T_max，组成最大数据率集合T，

然后从最大数据率集合T中选择最大的最大数据率T_max，该最大的最大数据率T_max对应的资源分配参数作为当前最优的资源分配方案。

步骤(7)的具体过程为：

根据最大数据率T_max对应的α_n、β_n以及γ_n，确定每个UE在许可频段上通过LTE接入技术占用的资源块数目，在免许可频段上通过免许可LTE接入技术占用的资源块数目，以及Wi-Fi连接状态。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

将免许可LTE接入技术集成在原分布式综合接入系统上，并将三种不同的网络接入技术联合进行多制式网络资源分配，增加了原移动通信覆盖设备的集合度和组网灵活度，在原分布式综合接入系统的基础上提高了频谱资源的利用率，降低了单一制式网络的竞争激烈程度，同时提升了网络系统的速率。

附图说明

图1是实施例提供的分布式综合接入系统的结构示意图；

图2是实施例提供的应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法的流程示意图；

图3是对图1提供的分布式综合接入系统进行多制式网络资源分配的一种结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

图1是实施例提供的分布式综合接入系统的结构示意图。如图1所示，分布式综合接入系统一般应用在室内，系统中某远端单元RU的覆盖半径R＝100m，覆盖范围内有5个正在通信的多制式UE。由于哪些UE应该接入哪些RU不在本发明的考虑范围之内，因此，不妨设定这5个UE全部接入了该RU。系统中的所有UE都集成了多制式网络技术，能够同时获取一种或多种网络资源进行通信，包括工作在许可频段上的许可LTE、工作在免许可频段上的免许可LTE和Wi-Fi这三种不同的网络制式。

本实施例需要分布式综合接入系统获取接收信号的功率和信道参数，以及每个UE的最小需求数据率和最大发射功率限制，并执行相应的算法计算，分配频谱资源。

图2是实施例提供的应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法的流程示意图。结合图1提供的分布式综合接入系统，对图2的流程图进行详细地描述。

本实施例中，设定Wi-Fi采用IEEE 802.11n协议，工作在5GHz频段，Wi-Fi工作在饱和状态。Wi-Fi的饱和数据率可以通过一种离散时间马尔科夫链模型来计算，除一些信道参数外，Wi-Fi的饱和数据率仅与当前正在使用Wi-Fi的UE数目N_w有关，表示为R(N_w)，

令和分别表示第n个UE(即UEn)在许可和免许可频段上的发射功率，P^w为Wi-Fi发射功率。UEn在许可频段上的总数据率和免许可频段上通过LTE-U获得的总数据率可由下式表征：

令和分别表示第n个UE(即UEn)在许可和免许可频段上的发射功率，P^w为Wi-Fi发射功率。UEn在许可频段上的总数据率和免许可频段上通过LTE-U获得的总数据率可由下式表征：

其中，B^c表示该RU能分配的许可频段带宽，B^w表示该RU能分配的免许可频段带宽，表示UEn以许可LTE方式接入的信道功率增益，表示UEn以免许可LTE方式接入的信道功率增益，N₀表示加性高斯白噪声的功率密度，α_n表示许可频段上分配给UEn的资源比例(α_n∈[0,1])，β_n表示免许可频段上通过LTE-U接入方式分配给UEn的资源比例(β_n∈[0,1])。二值变量γ_n则用来指示UEn是否与Wi-Fi网络相连：γ_n＝1代表UE与Wi-Fi网络连接，γ_n＝0相反。在满足每个用户的最小需求数据率和最大发射功率限制P_n的前提下，图1中系统的最大数据率T_max可由下式表示：

S201，初始化资源分配参数。

具体地，在S201中，为所有UE的资源分配参数α_n和β_n设定初始值。其中，初始值的设立需要满足资源限制条件，许可频段和免许可频段上分配给所有UE的资源比例之和均不能超过1。

S202，在当前资源分配状态下，执行遍历步骤：假设当前正在使用Wi-Fi的UE数目N_w，并在当前UE数目N_w基础上，根据当前资源分配参数计算每个UE的Wi-Fi连接状态，形成Wi-Fi连接预可行方案。

根据S202，在初始的资源分配参数基础上，遍历系统中可能的正在使用Wi-Fi的UE数目，即遍历N_w＝0，1,2,3,4，5。对于每一个当前正在使用Wi-Fi的UE数目，根据下式计算每个UE的Wi-Fi连接状态，可分为case0“禁止连接”、case 1“必须连接”和case 2“可选是否连接”三种状态。

S203，构建Wi-Fi连接可行方案集合C。

具体地，对于每一个Wi-Fi连接预可行方案，更改某些用户设备的Wi-Fi连接状态形成Wi-Fi连接可行方案，以使Wi-Fi连接可行方案中连接Wi-Fi的用户设备数目N_w′与S202中假设的正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w相等，并添加每一个Wi-Fi连接预可行方案对应的所有Wi-Fi连接可行方案至Wi-Fi连接可行方案集合C中。

对于每一个处于case 2的UE，都有两种可能，即转化成确定的case 0或case 1。但事实上只有少数转化方式才是可行的，处于case 1的UE数目之和，即当前正在使用Wi-Fi的UE数目，需要与S202中的当前N_w吻合，才是可行方案。本实施例中，例如，当前N_w为3，计算后，得到Wi-Fi连接预可行方案为{case1，case2，case 0，case 2，case 2}，需要将处于case2的3个UE中的1个UE的Wi-Fi连接状态转发为case0，另外2个应转化为case 1，使得当前Wi-Fi用户数N_w可行。此时，获取所有可行的转化方案，构造Wi-Fi连接可行方案集合C。

S204，对Wi-Fi连接可行方案集合C中的每一个Wi-Fi连接可行方案做线性规划以分配资源，选取系统数据率最大的Wi-Fi连接可行方案对应的资源分配参数作为当前最优的资源分配方案。

具体地，遍历Wi-Fi连接可行方案集合C中的每一个Wi-Fi连接可行方案，并对每个Wi-Fi连接可行方案做线性规划，通过以下公式计算每个Wi-Fi连接可行方案的最大数据率T_max，组成最大数据率集合T，

然后从最大数据率集合T中选择最大的最大数据率T_max，该最大的最大数据率T_max对应的资源分配参数{α_n}和{β_n}作为当前最优的资源分配方案，并更新当前的资源分配参数。

S205，判断是否满足收敛条件，即判断当前最优的资源分配方案对应的系统数据率与上一次迭代的系统数据率的差值是否小于预先设定的终止距离，若是，执行S206，若否，更新系统数据率后，跳转执行S202。

S206，分布式综合接入系统按照当前最优的资源分配方案分配多制式网络资源。

具体地，按照{α_n}和{β_n}值中的比例分配许可频段和免许可频段给对应的UE，剩余的免许可频段应分配给Wi-Fi，按照确定的Wi-Fi连接可行方案对应的UE是否连接Wi-Fi。

图3是对图1提供的分布式综合接入系统进行多制式网络资源分配的一种结果示意图。图3中，UE1仅接入了许可频段上的LTE网络，UE2正在使用许可LTE和免许可LTE，UE4则在使用三种不同的网络制式。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法，所述多制式网络包括许可LTE接入技术、免许可LTE接入技术以及Wi-Fi接入技术，其特征在于，所述多制式网络资源分配方法包括以下步骤：

(1)初始化多制式网络资源的分配参数，包括初始化每个用户设备在许可频段上通过许可LTE接入技术占用的资源块数目，在免许可频段上通过免许可LTE接入技术占用的资源块数目，初始系统数据率为零；

(2)在当前资源分配状态下，执行遍历步骤：假设当前正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w，并在当前用户设备数目N_w基础上，根据当前资源分配参数计算分布式综合接入系统中每个用户设备的Wi-Fi连接状态，形成Wi-Fi连接预可行方案；

(3)对于每一个Wi-Fi连接预可行方案，更改某些用户设备的Wi-Fi连接状态形成Wi-Fi连接可行方案，以使Wi-Fi连接可行方案中连接Wi-Fi的用户设备数目N_w′与步骤(2)中假设的正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w相等；

(4)添加每一个Wi-Fi连接预可行方案对应的所有Wi-Fi连接可行方案至Wi-Fi连接可行方案集合C中；

(5)对Wi-Fi连接可行方案集合C中的每一个Wi-Fi连接可行方案做线性规划以分配资源，选取系统数据率最大的Wi-Fi连接可行方案对应的资源分配参数作为当前最优的资源分配方案；

(6)判断当前最优的资源分配方案对应的系统数据率与上一次迭代的系统数据率的差值是否小于预先设定的终止距离，若是，执行步骤(7)，若否，跳转执行步骤(2)；

(7)分布式综合接入系统按照当前最优的资源分配方案分配多制式网络资源。

2.如权利要求1所述的应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法，其特征在于，所述根据当前资源分配参数计算分布式综合接入系统中每个用户设备的Wi-Fi连接状态包括：

根据以下公式计算每个用户设备的Wi-Fi连接状态：

其中，α_n表示许可频段上通过许可LTE接入技术分配给第n个UEn的资源比例(α_n∈[0,1])，β_n表示免许可频段上通过免许可LTE接入技术分配给UEn的资源比例(β_n∈[0,1])，二值变量γ_n表示UEn是否与Wi-Fi网络相连接，γ_n＝1表示UEn与Wi-Fi网络连接，γ_n＝0表示UEn没有与Wi-Fi网络连接，和分别表示UEn在许可频段和免许可频段上的发射功率，P^w为Wi-Fi发射功率，为UEn在许可频段上通过许可LTE接入技术获得的总数据率，为UEn在免许可频段上通过免许可LTE接入技术获得的总数据率，为每个UE的最小需求数据率，P_n为最大发射功率限制，表示Wi-Fi网络的饱和数据率。

3.如权利要求2所述的应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法，其特征在于，步骤(3)的具体步骤为：

对于每一个Wi-Fi连接预可行方案，更改处于case2的用户设备的Wi-Fi连接状态为case 0或case 1，以使Wi-Fi连接可行方案中处于case 1的用户设备数目N_w′与步骤(2)中假设的正在使用Wi-Fi的用户设备数目N_w相等。

4.如权利要求1所述的应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法，其特征在于，步骤(5)中，遍历Wi-Fi连接可行方案集合C中的每一个Wi-Fi连接可行方案，并对每个Wi-Fi连接可行方案做线性规划，通过以下公式计算每个Wi-Fi连接可行方案的最大数据率T_max，组成最大数据率集合T，

然后从最大数据率集合T中选择最大的最大数据率T_max，该最大的最大数据率T_max对应的资源分配参数作为当前最优的资源分配方案。

5.如权利要求4所述的应用于分布式综合接入系统的多制式网络资源分配方法，其特征在于，步骤(7)的具体过程为：

根据最大数据率T_max对应的α_n、β_n以及γ_n，确定每个UE在许可频段上通过LTE接入技术占用的资源块数目，在免许可频段上通过免许可LTE接入技术占用的资源块数目，以及Wi-Fi连接状态。