CN108599913B - 一种多运营商场景下LTE-U和WiFi的共存方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多运营商场景下LTE‑U和WiFi的共存方法，属于无线通信技术领域。本发明提出基于时延优先级的资源调度算法，可保证多运营商之间资源分配的公平性，同时保证WiFi的传输性能和时延敏感LTE‑U用户的传输质量。该算法首先提出一种基于用户时延优先级的子信道分配方案，其次，提出一种基于最优功率和价格的资源调度方案，该方案综合考虑用户传输速率、行道干扰和时延代价对网络性能的影响响，在满足时延敏感LTE‑U用户时延需求的前提下，最大化网络频谱效用。本发明所提算法可实现LTE‑U的用户和运营商的最优效用，保证多运营商之间资源的公平分配，同时保证时延敏感LTE‑U用户的传输质量。

Description

一种多运营商场景下LTE-U和WiFi的共存方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多运营商场景下LTE-U和WiFi的共存方法。

背景技术

随着移动互联网的发展，智能设备和移动应用迅速增长，人们可以随时随地进行通信连接，包括通话，多媒体和云服务。与此同时，物联网(Internet of Things，IoT)设备也迎来了移动网络快速发展的时代，带来了爆炸性的流量需求。无线通信的业务种类和业务需求空前增加，对通信容量、通信速率、通信延时和通信安全等提出了更高的要求。然而无线频谱资源的非可再生性，使得研究人员在新型通信技术研发和新的无线频段开发等方面面临巨大的挑战。由于LTE是目前全球蜂窝移动通信应用最广的网络，因此，扩展LTE的无线频谱资源，使之可以在5GHz未授权频段使用即LTE-U(Long Term EvolutionUnlicensed，LTE-U)，可以有效缓解频谱资源稀缺的情况。除此之外，LTE技术的相对成熟和现有的部署范围，使得LTE-U技术的推广成本大大减少，从而降低了运营商使用频谱资源的成本。然而，目前5GHz未授权频段最常见的无线接入方式是WiFi(Wireless-Fidelity,无线局域网)。由于两者使用不同的技术且各自独立发展了很多年，因此，LTE-U与WiFi的公平高效共存，是LTE-U目前面临的主要问题。

目前，业界提出了LTE-U的三种工作模式，分别为补充下行传输(SupplementaryDownlink,SDL)、时分双工模式(Time Division Duplex,TDD)以及单独工作模式(Standalone LTE-U,SA LTE-U)。对于SDL和TDD的工作模式，授权频段和未授权频段通过载波聚合给LTE-U用户提供通信服务。两者都是授权频段作为主载波(Primary ComponentCarrier，PCC)，未授权频段作为辅助载波(Secondary Component Carrier,SCC)。两者的相似之处在于，在PCC上都可传输控制信号和数据信号，可同时承载上下行数据传输，PCC根据用户的流量需求和系统内的负载量来动态决定SCC数目的增减。两者的不同在于，在SDL工作模式下，SCC只能传输数据信号并且进行下行传输，作为下行链路的补充。在SA LTE-U工作模式下，没有授权频段的支持，其数据信号和控制信号都在未授权频段上传输。这种模式适用于没有蜂窝移动通信网络覆盖的区域。

为了实现LTE-U和WiFi系统的和谐共存，减少因LTE-U使用未授权频段对WiFi的干扰，业界已提出了多种LTE-U和WiFi的共存方案，这些共存方案有两种共存场景，分别是单LTE-U和WiFi共存场景与多LTE-U和WiFi共存场景。在单LTE-U和WiFi共存的场景中，由于二者使用不同的PHY和MAC设计，两个无线接入系统接入相同的未授权频段时，需要先听后说(Listen Before Talk,LBT)机制的避免互相间干扰的方式使两个系统和谐共存，并实行公平的竞争机制。由于这两个系统之间存在很大的差异，比如不同的无线电帧结构和传输调度机制，使得实现起来有较高复杂度。

在多LTE-U和WiFi共存的场景中，除了上述问题，在未要求LBT规范的市场中，同一部署区域内不同的运营商使用相同的未授权频段时，若协调不当，会产生很大的同频干扰。为了减少干扰，提高LTE-U的频谱效率，需要引入适当的接入机制。在要求LBT的市场中，其公平竞争原则可以作为改善LTE-U性能的可选功能。在这个场景下，不同运营商需使用相同的技术，这样不同运营商之间可以互相协调，从而更有效地共享未授权频谱。除此之外，不同运营商之间的资源分配方案会直接影响WiFi的性能。与此同时，当LTE-U和WiFi共享未授权频段时，LTE-U无法连续使用信道传输数据，因此，时延敏感业务的服务质量问题同样亟待解决。

综上所述，本发明提出一种基于时延优先级的资源调度算法来保证多运营商之间资源的公平分配，同时保证WiFi的性能和时延敏感LTE-U用户的传输质量。该算法首先提出一种基于用户时延优先级的子信道分配方案。该方案根据用户对时延敏感的程度，将用户划分不同优先级，高优先级用户可优先选择和接入子信道。与此同时，该方案引入基于时延最大容忍因子和信道质量估计值的优先级因子，用户根据优先级因子大小依次接入子信道，从而实现对LTE-U用户接入信道排序。其次，提出一种基于最优功率和价格的资源调度算法。该算法综合考虑用户的传输速率、干扰代价和时延代价对网络性能的影响响，将运营商的价格和用户传输功率作为约束条件，引入拉格朗日对偶方法对问题进行求解，并对算法的收敛性进行证明。从而在满足时延敏感LTE-U用户时延需求的前提下，最大化LTE-U运营商和用户的频谱效用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多运营商场景下LTE-U和WiFi的共存方法，考虑异构网络场景，其中，LTE M-eNB为宏基站，LTE-U eNB为LTE-U基站，WiFi AP是WiFi接入点。LTE-U UE为可分别接入授权频段和未授权频段的设备，LTE-WiFi为可分别使用LTE网络和WiFi网络的用户设备，LTE carrier aggregation为只能使用LTE网络的用户设备。该异构网络中，包含M个LTE-U eNB，由集合M＝{1,2,…,m,…M}表示，N个LTE-U用户，由集合N＝{1,2,…,m,…N}表示和W个WiFi AP，系统总带宽为B，包含s个子信道。假定用户优先使用授权频段，当授权频段资源紧张，吞吐量达到门限值U^lic后，用户利用载波聚合技术，使用未授权频段传输数据。假设在未授权频段上用户可共享信道，若不对用户的传输功率做出限制，将产生同信道干扰。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多运营商场景下LTE-U和WiFi的共存方法，该方法包括基于用户时延优先级的子信道分配(Delay-based Priority Sub-channel Allocation,DPSA)方法和基于最优功率和价格的资源调度(Optimal power and price resource scheduling,OPPS)方法；

所述基于用户时延优先级的子信道分配方法为：根据用户对时延敏感的程度，将用户划分不同优先级，高优先级用户优先选择和接入子信道；引入基于时延最大容忍因子和信道质量估计值的优先级因子，确定用户接入次序，并进行子信道分配；由两步完成：首先实现用户优先级初步排序，其次基于其信道质量和可接入信道数，实现用户最终排序并分配子信道；在最终排序时，满足两个原则：第一，在相同优先级群G_p下，可用信道数量较少的用户优先选择信道；第二，在相同优先级群G_p下，可用信道数量相同的用户，可选信道的信道质量较差的用户优先选择信道；最后得出用户的时延满意度；

所述基于最优功率和价格的资源调度方法为：将问题分成两个子优化问题，子优化问题一是在运营商固定价格r时的最优功率分配问题，是一个凸优化问题，通过拉格朗日对偶方法求解获得局部最优功率分配方案；子优化问题二是基于功率分配方案的最优价格r重置，重复以上过程直至算法收敛则获得全局最优价格与功率分配方案；由三步完成，第一，设置初始价格r，通过拉格朗日对偶功率分配算法求解该价格下的局部最优功率分配

第二，根据局部最优功率，得出运营商价格r_m；第三，重复迭代以上两步，直至算法收敛即获得全局最优

与

进一步，所述多运营商场景为异构网络场景，LTE M-eNB为宏基站，LTE-U eNB为LTE-U基站，WiFi AP是WiFi接入点；LTE-U UE为可分别接入授权频段和未授权频段的设备，LTE-WiFi为可分别使用LTE网络和WiFi网络的用户设备，LTE carrier aggregation为只能使用LTE网络的用户设备；该异构网络中，包含M个LTE-U eNB，由集合M＝{1,2,…,m,…M}表示，N个LTE-U用户，由集合N＝{1,2,…,m,…N}表示和W个WiFi AP，系统总带宽为B，包含s个子信道；设用户优先使用授权频段，当授权频段资源紧张，吞吐量达到门限值U^lic后，用户利用载波聚合技术，使用未授权频段传输数据；设在未授权频段上用户可共享信道，若不对用户的传输功率做出限制，则产生同信道干扰。

进一步，所述基于用户时延优先级的子信道分配方法具体为：

用户n的效用函数表示为：

其中，

表示用户n是否使用子信道s；r_m表示基站m的未授权频段标价；

为用户n在子信道s上的发射功率；右式第一项，

表示用户n在子信道s上的吞吐量，由以下公式得出：

其中，

表示LTE-U用户n到LTE-U基站m子信道s的路径损耗，N₀为噪声功率谱密度，B_u为单位带宽；第二项，

表示用户n在子信道s干扰代价，由以下公式得出：

其中，

表示LTE-U用户n在子信道s上受到的来自基站k(k≠m)的干扰，由以下公式得出：

其中，

表示基站k到用户n在子信道s上的路径损耗；第三项D_n(r_m)表示用户n向运营商m付出的时延代价，由以下公式得出：

其中，d_n表示在LTE-U用户的实际时延，可由以下公式得出：

其中，size_n表示用户传输的数据包大小，其满足泊松分布；Bp_n表示每个数据包可传输的数据量，其受信道质量影响；Ps_n表示每秒传输数据包的个数；

运营商m的效用是由所有接入该基站的用户效用总和组成，由以下公式得出：

基于以上，LTE-U用户和基站的系统总效用函数由以下公式得出：

首先，实现用户优先级初步排序，其次，基于其信道质量和可接入信道数，实现用户最终排序并分配子信道；

第一步实现用户优先级初步排序的方式是基于用户对时延的敏感程度不同，将时延需求相同的用户放入同一个优先级群组G_p，然后，根据用户时延需求d_n由小到大，升序排列；用户n的最大可接受时延为d_n，将其倒数作为用户n的最大时延容忍因子，即

在LTE-U和WiFi共存的环境中，LTE-U系统采用LBT技术监测信道状态，若信道处于空闲状态，则接入信道，否则继续监测；对于LTE-U用户n，将受到除服务基站m以外的所有同享该信道的基站的干扰；LTE-U用户n在信道s上的信干噪比SINR_s ⁿ表示为：

将总干扰及噪声功率之和的倒数作为用户n对于子信道s的信道质量估计值，即：

根据信道质量估计值和可接入信道数，实现用户最终排序并分配子信道；第二步排序，应满足以下两个原则：

(1)在相同优先级群G_p下，可用信道数量较少的用户优先选择信道；

(2)在相同优先级群G_p下，可用信道数量相同的用户，可选信道的信道质量较好的用户优先选择信道；

最后，用户完成接入次序和子信道的分配问题，即求解系统总效用函数U_total中的

得出用户n的时延满意度SD_n，即：

其中，d_n表示用户实际时延，d_D表示用户需求时延。

进一步，所述基于最优功率和价格的资源调度方法为：

步骤一：设置初始价格r，通过拉格朗日对偶功率分配算法求解该价格下的局部最优功率分配

步骤二：根据局部最优功率，从初始价格逐步迭代，得出运营商价格r_m；

步骤三：重复迭代以上两步，直至算法收敛即可获得全局最优

与

用户先基于DPSA方案分配好子信道，然后根据不同运营商的设定价格和子信道情况，运用OPPS算法得出最优传输功率和最优价格；至此，LTE-U运营商和用户的效用实现最大化；

为求得最优功率，采用拉格朗日对偶方法进行求解，引入拉格朗日因子

τ得到拉格朗日函数，其对

求一阶偏导并等于0，最终得出最优功率，即：

其中，

由于LTE-U用户功率太大，会增大对其他LTE-U用户造成的干扰，因此功率的约束条件为

得出运营商的价格范围：

其中，

最后，实现资源分配并最大化LTE-U运营商和用户的效用。

本发明的有益效果在于：本发明所提算法可实现LTE-U的用户和运营商的最优效用，保证多运营商之间资源的公平分配，同时保证时延敏感LTE-U用户的传输质量。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的系统网络场景模型图；

图2为用户时延满意度对比图；

图3为基于时延优先级的资源调度算法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的系统网络场景模型图。本发明针对多个LTE-U运营商和WiFi在未授权频段上的共存问题，提出了一种基于时延优先级的资源调度算法。本发明考虑异构网络场景，其中，LTE M-eNB为宏基站，LTE-U eNB为LTE-U基站，WiFi AP是WiFi接入点。LTE-U UE为可分别接入授权频段和未授权频段的设备，LTE-WiFi为可分别使用LTE网络和WiFi网络的用户设备，LTE carrier aggregation为只能使用LTE网络的用户设备。该异构网络中，包含M个LTE-U eNB，由集合M＝{1,2,…,m,…M}表示，N个LTE-U用户，由集合N＝{1,2,…,m,…N}表示和W个WiFi AP，系统总带宽为B，包含s个子信道。假定用户优先使用授权频段，当授权频段资源紧张，吞吐量达到门限值U^lic后，用户利用载波聚合技术，使用未授权频段传输数据。假设在未授权频段上用户可共享信道，若不对用户的传输功率做出限制，将产生同信道干扰。

本发明综合考虑用户传输速率、干扰代价和时延代价对网络性能的影响。用户对相邻基站的干扰为干扰代价。同时，不同用户的传输时延需求不同，例如，联网游戏用户，视频通话用户等。因此，用户n的效用函数可表示为：

其中，

表示用户n是否使用子信道s；r_m表示基站m的未授权频段标价；

为用户n在子信道s上的发射功率。右式第一项，

表示用户n在子信道s上的吞吐量，可由以下公式得出：

其中，

表示LTE-U用户n到LTE-U基站m子信道s的路径损耗，N₀为噪声功率谱密度，B_u为单位带宽。第二项，

表示用户n在子信道s干扰代价，可由以下公式得出：

其中，

表示LTE-U用户n在子信道s上受到的来自基站k(k≠m)的干扰，可由以下公式得出：

其中，

表示基站k到用户n在子信道s上的路径损耗。第三项D_n(r_m)表示用户n向运营商m付出的时延代价，可由以下公式得出：

其中，d_n表示在LTE-U用户的实际时延，可由以下公式得出：

其中，size_n表示用户传输的数据包大小，其满足泊松分布；Bp_n表示每个数据包可传输的数据量，其受信道质量影响；Ps_n表示每秒传输数据包的个数。

本发明运营商m的效用是由所有接入该基站的用户效用总和组成，可由以下公式得出：

基于以上，LTE-U用户和基站的系统总效用函数可由以下公式得出：

接下来介绍基于用户时延的优先级子信道分配方案。该方案由两步完成，首先，实现用户优先级初步排序，其次，基于其信道质量和可接入信道数，实现用户最终排序并分配子信道。

第一步实现用户优先级初步排序的方式是基于用户对时延的敏感程度不同，将时延需求相同的用户放入同一个优先级群组G_p，然后，根据用户时延需求d_n由小到大，升序排列。用户n的最大可接受时延为d_n，本发明将其倒数作为用户n的最大时延容忍因子，即

在LTE-U和WiFi共存的环境中，LTE-U系统采用LBT技术监测信道状态，若信道处于空闲状态，则接入信道，否则继续监测。因此，对于LTE-U用户n，将受到除服务基站m以外的所有同享该信道的基站的干扰。LTE-U用户n在信道s上的信干噪比

可表示为：

将总干扰及噪声功率之和的倒数作为用户n对于子信道s的信道质量估计值，即：

根据信道质量估计值和可接入信道数，实现用户最终排序并分配子信道。第二步排序，应满足以下两个原则：

1.在相同优先级群G_p下，可用信道数量较少的用户优先选择信道；

2.在相同优先级群G_p下，可用信道数量相同的用户，可选信道的信道质量较好的用户优先选择信道。

基于以上步骤，用户完成接入次序和子信道的分配问题，即可求解系统总效用函数U_total中的

综上，可得出用户n的时延满意度SD_n，即：

其中，d_n表示用户实际时延，d_D表示用户需求时延。

基于时延优先级的资源调度算法可以由以下三步实现：

步骤一：设置初始价格r，通过拉格朗日对偶功率分配算法求解该价格下的局部最优功率分配

步骤二：根据局部最优功率，从初始价格逐步迭代，得出运营商价格r_m；

步骤三：重复迭代以上两步，直至算法收敛即可获得全局最优r_m*与

DPRS算法的资源分配过程可分为两步，即用户先基于DPSA方案分配好子信道，然后根据不同运营商的设定价格和子信道情况，运用OPPS算法得出最优传输功率和最优价格。至此，LTE-U运营商和用户的效用都实现最大化。

本发明在仿真中，场景为包含多运营商部署的小蜂窝网络和WiFi网络共存场景。场景中有一个宏基站(Macrocell Base Station，MBS),半径为500m和多个eNB，10个WiFiAP，用户随机分布于场景中，MBS的发射功率为46dBm，子信道带宽B_u＝1MHz，子信道数S＝100。场景中考虑上行传输链路，用户与基站或接入节点之间的信道衰落均服从瑞利分布，用户到基站路径损耗由公式可得：

g^m,n＝38.46+20lg(l^m,n)+0.7l^m,n (16)

其中，l^m,n表示用户n到基站m的距离。用户的数据类型随机产生，数据包的大小服从λ＝0.1的泊松分布。将时延需求设置为以下五类：

表4 用户时延需求

基于用户时延的优先级子信道分配方案中，将时延需求相同的用户放入同一个优先级群组，根据用户时延需求d_n由小到大升序排列可得表1。如表1(a)所示，表中

在表1(a)中，用户选择信道次序先按照用户ID依次匹配，用户2和4的需求时延

最小，因此，对应第一优先级群G₁；用户1和3的时延

比大，因此，对应第二优先级群G₂；依此类推，将所有的用户依据他们的时延需求，分别划分到相应的优先集群。

基于表1(a)中的优先级群的划分，根据其时延需求d_n由小到大，升序排列。由此可得基于时延需求的初步用户优先级排序表，如表1(b)所示。在该表中，由于时延需求

最小，属于第一优先级群G₁，因此，用户2和4的信道选择次序提前；用户1和3属于第二优先级群G₂，依次排列。在同一优先级群下的用户，按照原用户ID的顺序排列。在表1(a)和表1(b)中分别用蓝色实框、红色虚框、蓝色虚框和红色实框标识出用户选择信道次序的动态变化。

表1 用户优先级表

用户最终排序并分配子信道的过程，如前所述两个原则进行。基于表1(b)，将用户所有可选信道和其信道质量列出，并对信道质量进行降序排列，如表2所示。表中假设可选子信道的信道质量顺序为s₁＞s₂＞s₃＞s₄＞s_p。其中，

表示用户n选子信道s_p的信道质量。信道质量依据假设由高到低排列。

表2 用户信道质量表

表3示出用户优先级接入次序和信道选择的最终结果，其由两步组成，首先，实现用户接入次序最终排序，其次，基于用户接入次序，进行子信道分配。由表中①和②表示。在表3中，根据假设信道质量s₁＞s₂＞s₃＞s₄。在G₁下的用户2和4均有两个可接入信道，因此，适用排序原则二。由假设可得用户4可接入信道的信道质量优于用户2，因此，将用户4的信道选择次序提高至第1位，用户2次之。在G₂下的用户1和3，分别对应可接入信道数量为2和1，根据排序原则一，拥有较少可接入信道的用户3优先选择信道。因此，用户3的优先级升至第3位。依此类推，得出用户优先级接入次序如表3中第二列所示。

接下来阐述步骤②，子信道的分配。第一位用户4有两个可选子信道，因此，用户4选择信道质量最优的子信道，ID为s₁。第二位用户2根据信道质量，其选择的子信道ID为s₂。第三位用户3只有一个可选子信道，其选择的子信道ID为s₃。第四位用户1有两个可选子信道分别是s₃和s₄，虽然子信道s₃的信道质量优于s₄，然而子信道s₃已经有用户选择接入，因此，其只能选择子信道s₄。

表3 用户优先等级和信道选择表

基于以上，完成基于用户时延的优先级子信道分配。为求得最优功率，本发明采用拉格朗日对偶方法进行求解，引入拉格朗日因子

τ得到拉格朗日函数，其对

求一阶偏导并等于0，最终得出最优功率，即：

其中，

由于LTE-U用户功率太大，会增大对其他LTE-U用户造成的干扰，因此功率的约束条件为

基于以上两式，可得出运营商的价格范围：

其中，

从而依据时延优先级的资源调度算法的三个步骤，实现资源分配并最大化LTE-U运营商和用户的效用。

图2为用户时延满意度对比图；图3为基于时延优先级的资源调度算法流程图。除此之外，本发明将所提算法和以下三种算法进行了对比分析：对比算法一是价格固定(Price fixed)算法，即，用户使用本发明提出的DPSA方案接入信道，而运营商价格固定；对比算法二是将运营商减少一半(Half operators)；对比算法三是随机接入算法(Randomaccess)，即用户随机接入信道。本发明将四种算法随着用户数的增加，用户效用和运营商效用以及系统总效用进行对比；同时，将四种算法随着用户最大功率的增加，用户效用和运营商效用以及系统总效用进行对比。与此同时，本发明将所提算法的用户时延满意度随着用户数的变化情况和随机接入算法进行对比。经过对比分析，本发明所提算法可实现LTE-U的用户和运营商的最优效用，保证多运营商之间资源的公平分配，同时保证时延敏感LTE-U用户的传输质量。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种多运营商场景下LTE-U和WiFi的共存方法，其特征在于：该方法包括基于用户时延优先级的子信道分配DPSA方法和基于最优功率和价格的资源调度OPPS方法；

所述基于用户时延优先级的子信道分配方法为：根据用户对时延敏感的程度，将用户划分不同优先级，高优先级用户优先选择和接入子信道；引入基于时延最大容忍因子和信道质量估计值的优先级因子，确定用户接入次序，并进行子信道分配；由两步完成：首先实现用户优先级初步排序，其次基于其信道质量和可接入信道数，实现用户最终排序并分配子信道；在最终排序时，满足两个原则：第一，在相同优先级群G_p下，可用信道数量较少的用户优先选择信道；第二，在相同优先级群G_p下，可用信道数量相同的用户，可选信道的信道质量较差的用户优先选择信道；最后得出用户的时延满意度；

所述基于最优功率和价格的资源调度方法为：将问题分成两个子优化问题，子优化问题一是在运营商固定价格r时的最优功率分配问题，是一个凸优化问题，通过拉格朗日对偶方法求解获得局部最优功率分配方案；子优化问题二是基于功率分配方案的最优价格r重置，重复以上过程直至算法收敛则获得全局最优价格与功率分配方案；由三步完成，第一，设置初始价格r，通过拉格朗日对偶功率分配算法求解该价格下的局部最优功率分配

第二，根据局部最优功率，得出运营商价格r_m；第三，重复迭代以上两步，直至算法收敛即获得全局最优

与

所述基于用户时延优先级的子信道分配方法具体为：

用户n的效用函数表示为：

其中，

表示用户n是否使用子信道s；r_m表示基站m的未授权频段标价；

为用户n在子信道s上的发射功率；右式第一项，

表示用户n在子信道s上的吞吐量，由以下公式得出：

其中，

表示LTE-U用户n到LTE-U基站m子信道s的路径损耗，N₀为噪声功率谱密度，B_u为单位带宽；第二项，

表示用户n在子信道s干扰代价，由以下公式得出：

其中，

表示LTE-U用户n在子信道s上受到的来自基站k(k≠m)的干扰，由以下公式得出：

其中，

表示基站k到用户n在子信道s上的路径损耗；第三项D_n(r_m)表示用户n向运营商m付出的时延代价，由以下公式得出：

其中，d_n表示在LTE-U用户的实际时延，由以下公式得出：

其中，size_n表示用户传输的数据包大小，其满足泊松分布；Bp_n表示每个数据包可传输的数据量，其受信道质量影响；Ps_n表示每秒传输数据包的个数；

运营商m的效用是由所有接入该基站的用户效用总和组成，由以下公式得出：

基于以上，LTE-U用户和基站的系统总效用函数由以下公式得出：

首先，实现用户优先级初步排序，其次，基于其信道质量和可接入信道数，实现用户最终排序并分配子信道；

第一步实现用户优先级初步排序的方式是基于用户对时延的敏感程度不同，将时延需求相同的用户放入同一个优先级群组G_p，然后，根据用户时延需求d_n由小到大，升序排列；用户n的最大可接受时延为d_n，将其倒数作为用户n的最大时延容忍因子，即

在LTE-U和WiFi共存的环境中，LTE-U系统采用LBT技术监测信道状态，若信道处于空闲状态，则接入信道，否则继续监测；对于LTE-U用户n，将受到除服务基站m以外的所有同享该信道的基站的干扰；LTE-U用户n在信道s上的信干噪比

表示为：

将总干扰及噪声功率之和的倒数作为用户n对于子信道s的信道质量估计值，即：

根据信道质量估计值和可接入信道数，实现用户最终排序并分配子信道；第二步排序，应满足以下两个原则：

(1)在相同优先级群G_p下，可用信道数量较少的用户优先选择信道；

(2)在相同优先级群G_p下，可用信道数量相同的用户，可选信道的信道质量较好的用户优先选择信道；

最后，用户完成接入次序和子信道的分配问题，即求解系统总效用函数U_total中的

得出用户n的时延满意度SD_n，即：

其中，d_n表示用户实际时延，d_D表示用户需求时延；

所述基于最优功率和价格的资源调度方法为：

步骤一：设置初始价格r，通过拉格朗日对偶功率分配算法求解该价格下的局部最优功率分配

步骤二：根据局部最优功率，从初始价格逐步迭代，得出运营商价格r_m；

步骤三：重复迭代以上两步，直至算法收敛即获得全局最优

与

用户先基于DPSA方案分配好子信道，然后根据不同运营商的设定价格和子信道情况，运用OPPS算法得出最优传输功率和最优价格；至此，LTE-U运营商和用户的效用实现最大化；

为求得最优功率，采用拉格朗日对偶方法进行求解，引入拉格朗日因子

τ得到拉格朗日函数，其对

求一阶偏导并等于0，最终得出最优功率，即：

其中，

由于LTE-U用户功率太大，会增大对其他LTE-U用户造成的干扰，因此功率的约束条件为

得出运营商的价格范围：

其中，

最后，实现资源分配并最大化LTE-U运营商和用户的效用。

2.根据权利要求1所述的一种多运营商场景下LTE-U和WiFi的共存方法，其特征在于：所述多运营商场景为异构网络场景，LTEM-eNB为宏基站，LTE-U eNB为LTE-U基站，WiFi AP是WiFi接入点；LTE-UUE为可分别接入授权频段和未授权频段的设备，LTE-WiFi为可分别使用LTE网络和WiFi网络的用户设备，LTE carrier aggregation为只能使用LTE网络的用户设备；该异构网络中，包含M个LTE-U eNB，由集合M＝{1,2,…,m,…M}表示，N个LTE-U用户，由集合N＝{1,2,…,m,…N}表示和W个WiFiAP，系统总带宽为B，包含s个子信道；设用户优先使用授权频段，当授权频段资源紧张，吞吐量达到门限值U^lic后，用户利用载波聚合技术，使用未授权频段传输数据；设在未授权频段上用户可共享信道，若不对用户的传输功率做出限制，则产生同信道干扰。

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