CN108668325B - 基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法 - Google Patents

基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于LTE‑A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法，引入用户等级的概念，为需要切换的不同等级的用户选择最优协作集进行无缝切换，相较于传统CoMP方案，本方案能满足不同等级用户的个性化业务需求，因为高等级用户对QoS需求高，且在通信过程中对时延敏感，所以考虑在资源受限时优先为处于切换区域的高等级用户选择协作资源，从而保证高级用户的通信质量，提高切换成功率；用户在移动过程中不断的测量移动用户的位置和信号强度，采用以用户为中心动态选择协作簇满足用户通信需求。切换用户在移动过程为高等级切换用户动态调整协作簇来满足其通信需求，提高切换效率；此外，从能效的角度出发，在满足用户的通信需求的同时选择功耗最小的协作簇提高系统能效。

Description

基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法
技术领域
本发明涉及一种基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方 法，属于电子通信技术领域。
背景技术
随着人们生活方式的改变，对通信的需求也在发生不断的变化。人们 生活节奏的变快，使得发生在火车，地铁，高铁等具有高速移动属性的交 通工具上的通信量逐年增加。处于这种高速交通工具上的高速移动终端相 比较于不动或者低速终端，由于高速的影响，使其在通信的过程中面临这 一系列的技术问题：如频繁的越区切换、多普勒频移以及多普勒导致的信 道快速变化等，这些问题直接影响用户的通信服务质量。
频繁的越区切换、多普勒效应等问题都会导致车地通信系统通信质量 的下降，从而严重影响移动用户的通信体验。其中越区切换问题需要特别 关注，目前LTE仅支持传统的硬切换方式，不仅切换时延较长，而且切 换区处于两个小区的边界，受到阴影衰落、多径效应以及多普勒频偏的影 响，接收信号质量降低，严重影响系统的切换成功率。基于此切换方式， 高速移动场景下频繁的越区切换将带来频繁的掉话和数据中断，从而严重 影响旅客的通信质量。因此，必须对现有的LTE硬切换机制进行优化， 提高其越区切换的成功率。
CoMP技术的定义是多个传输节点，通过分集或复用技术，使得地理 位置上不同的传输节点同时服务于同一用户，从而抑制小区间干扰使得系 统性能得到提升，是LTE_A系统为解决蜂窝小区中小区边缘用户干扰大、 吞吐量低等问题而提出的。参与协作的多个传输点通常指不同的小区基 站。
当移动用户穿越小区切换区域时，会导致和当前基站通信质量急剧下 降。然而此时相邻基站如果采用协作多点传输CoMP的多基站协同通信技 术，则可以让当前小区的切换通信转化为相邻协作小区间的不切换通信。 利用其协作通信的特点解决移动场景下的终端切换问题，旨在提升系统切 换性能。但是以往的基于CoMP的切换策略，对所有用户都选用同样大小 的协作集，也没有考虑用户的QoS需求。切换方案中没有考虑根据用户的 业务种类，比如视频或者语音用户比数据用户的QoS需求要高，可以定义 前者为高等级用户后者为低等级用户。总之，现有的切换方案不能满足不 同等级用户的个性化通信需求，切换过程中部分用户的通信体验较差而且 协作过程中固定协作簇大小没有考虑到用户QoS需求和系统能效这一重 要指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于用户等级划分，在保证通 信质量的同时，能够有效提高切换效率的基于LTE-A系统的面向用户等级 能效CoMP切换方法。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种 基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法，包括如下步骤：
步骤A.实时监测各个移动通信终端的当前位置，以及各个移动通信 终端所接收所属基站的信号强度，同时，计算获得各个移动通信终端的信 道增益，并分别向所属小区上报全局信道状态信息；
步骤B.按预设用户等级划分规则，基于各个移动通信终端的当前业 务，分别针对各个移动通信终端进行用户等级划分，确认为高等级用户或 低等级用户；
步骤C.当移动通信终端的当前位置处于切换区域时，则开始进行切 换准备，其中，根据该移动通信终端的信道增益进行基站排序，选择预设 数量的最优基站作为该移动通信终端的候选协作基站集；同时当该移动通 信终端所接收所属基站信号强度低于其当前业务通信的门限值，并且该信 号强度持续预设时长T时，则该移动通信终端向所属基站发起切换请求；
步骤D.分别针对各个小区，构建系统功耗模型；
步骤E.针对系统功耗模型进行求解，获得切换用户的最优协作簇；
步骤F.根据发起切换请求的移动通信终端的用户等级，伴随移动通 信终端的移动，动态调整切换用户的最优协作簇；
步骤G.分别针对各个发起切换请求的移动通信终端，判断移动通信 终端是否出了切换区域，若出了切换区域，则进一步判断该移动通信终端 所接收所属基站信号强度是否高于其当前业务通信的门限值，如果高于该 门限值，且持续预设时长T时，则该移动通信终端退出协作集完成切换； 若没有出切换区域，则不执行上述判断以及退出。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中，按预设用户等级划 分规则，基于各个移动通信终端的当前业务，分别针对各个移动通信终端 进行用户等级划分，其中，当移动通信终端处于语音或视频业务时，则定 义该移动通信终端为高等级用户；当移动通信终端处于数据业务时，则定 义该移动通信终端为低等级用户。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤D中，分别针对各个小区， 构建系统功耗模型如下：
Figure RE-BDA0001519441810000031
Figure RE-BDA0001519441810000032
Figure RE-BDA0001519441810000033
Figure RE-BDA0001519441810000034
Figure RE-BDA0001519441810000035
其中，M表示小区的总数，m表示第m个小区，
Figure RE-BDA0001519441810000036
表示第m个小区中 高等级用户集合，
Figure RE-BDA0001519441810000037
表示第m个小区中低等级用户集合，Nmk表示第m个 小区基站针对用户k的协作簇大小，pmk表示第m个小区基站分配给用户k 的发射功率，pm表示第m个小区基站的总发射功率，
Figure RE-BDA0001519441810000038
表示CoMP-JP模 式下第m个小区内用户k的能耗，PTotal表示所用小区内所有用户的能耗，Lm表示第m个小区内的用户数，L表示各小区基站分别最多容纳的用户数,κm表示第m个小区内基站所服务的用户集，wmk表示单位范数的预编码向量， ||wmk||2＝1。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤D中，根据如下公式：
Figure RE-BDA0001519441810000041
获得CoMP-JP模式下第m个小区内用户k的能耗
Figure RE-GDA0001704474320000012
其中，
Figure RE-GDA0001704474320000013
表示 CoMP-JP模式下第m个小区分配给用户k的发射功率，
Figure RE-GDA0001704474320000014
表示 CoMP-JP模式下第m个小区用户k进行协作传输时额外消耗的功率，Cmk表 示第m个小区用户k的协作簇。
本发明所述一种基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方 法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设 计基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法，基于针对移动 通信终端的用户等级划分，在切换过程中动态选择协作簇，能够满足不同 等级用户的通信需求，针对时延敏感，且高QoS需求的高等级用户动态调 整最优协作簇，保证其无缝切换且提高切换成功率，此外能够有效提高了 系统能效。
附图说明
图1是CoMP联合传输原理图；
图2是移动用户切换场景图；
图3是以用户为中心的协作基站选择方案框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明涉及基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法， 该切换方案引入用户等级的概念，相比较于传统的CoMP方案能满足不同 等级用户的个性化业务需求，高等级用户对QoS需求该且切换时延敏感， 可以为处于切换区域的高级用户优先选择协作资源从而进行防止高级用 户通信质量差甚至切换失败的情况发生。切换用户在移动过程中根据终端 位置以及信号强度为其动态选择最优协作集进行无缝切换，提高切换效 率，此外，该方案在选取协作簇的同时选择功耗最小的协作簇为切换用户 服务。
本发明所设计基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法， 在实际应用当中，具体包括如下步骤：
步骤A.如图1所示，实时监测各个移动通信终端的当前位置，以及 各个移动通信终端所接收所属基站的信号强度，同时，计算获得各个移动 通信终端的信道增益，并分别向所属小区上报全局信道状态信息。
步骤B.按预设用户等级划分规则，基于各个移动通信终端的当前业 务，分别针对各个移动通信终端进行用户等级划分，其中，当移动通信终 端处于语音或视频业务时，则定义该移动通信终端为高等级用户；当移动 通信终端处于数据业务时，则定义该移动通信终端为低等级用户。
步骤C.当移动通信终端的当前位置处于切换区域时，则开始进行切 换准备，如图2所示，红色虚线为用户移动轨迹，箭头方向为移动方向， 其中影阴区域为切换区域，其中，根据该移动通信终端的信道增益进行基 站排序，选择预设数量的最优基站作为该移动通信终端的候选协作基站 集；同时当该移动通信终端所接收所属基站信号强度低于其当前业务通信 的门限值，并且该信号强度持续预设时长T时，则该移动通信终端向所属 基站发起切换请求。
步骤D.分别针对各个小区，构建系统功耗模型，具体如下：
构建系统模型，本发明专利假定系统有M小区，每个基站位于小区中 心，基站集合记为B。小区m内有个Lm个用户随机分布。BS和UE的天 线数分别为Nt和1。每个基站最多容纳的用户数为L，κm指基站m服务的 用户集，Ck指k用户协作簇，|Ck|表示用户k的协作簇大小，P0表示每个 基站的总发射功率。按预设用户等级划分规则，将各个移动通信终端分为 高等级用户和低等级用户，其中高等级用户表示较低等级用户其QoS需求 更高，在速率方面满足min(γVIP)＞max(γNo-VIP)。
本论文研究SLNR预编码，经过多小区协作预编码后,用户k接收信 号表示为式(1)：
Figure RE-BDA0001519441810000051
其中，xk为发送给用户k的有用信号，wmk∈Nt×l为用户k的协作基站m 对其的预编码向量，wmk为单位范数的预编码向量，即||wmk||2＝1，hmk∈l×Nt表示基站m到用户k的信道矢量，pmk表示第m个小区基站分配给用户k的 发射功率，用户k的噪声方差为
Figure RE-GDA00017894392500000110
上式中第1项表示用户k接收到来自 协作基站的有用信号，第2项表示收到的簇内用户的干扰信号，第3项表 示收到的簇外用户的干扰信号。通过预编码可以有效减小第二项。计算出 SLNR预编码向量为式(2)：
Figure RE-BDA0001519441810000064
我们令Amk＝hmk Hhmk，
Figure RE-BDA0001519441810000065
其最优解就是矩阵束(Amk,Bmk) 最大特征值对应的特征向量，可以表示为式(3)：
Figure RE-BDA0001519441810000066
接着，为系统内需要切换的用户采用协作方式通信，用户k的预编码 矩阵是
Figure RE-BDA0001519441810000067
用户k收到的信号为式(4)：
Figure RE-BDA0001519441810000068
用户k的信干噪比为式(5)：
Figure RE-BDA0001519441810000069
第m个小区内高等级用户集合和低等级用户集合分别是
Figure RE-BDA00015194418100000610
和
Figure RE-BDA00015194418100000611
CoMP技术中采用SLNR预编码及混合传输模式时系统总功耗定义为式 (6)：
Figure RE-BDA00015194418100000612
上式表明系统总功耗是所有高等级用户与低等级用户的功耗之和，其 中
Figure RE-BDA0001519441810000071
和
Figure RE-BDA0001519441810000072
分别表示高等级用户k和低等级用户k′消耗的功耗，这两者 的计算功耗公式相同，所以下面不区分用户类型，计算第m个小区内用户 k在不同传输模式下的功耗。后面关于高等级用户k和低等级用户k′在不同 传输模式下的功率计算也是采用该公式进行计算。CoMP-JP模式下第m个 小区内用户k的能耗为式(7)：
Figure RE-BDA0001519441810000073
其中，
Figure RE-BDA0001519441810000074
表示CoMP-JP模式下第m个小区分配给用户k的发射功率，
Figure RE-BDA0001519441810000075
表示CoMP-JP模式下第m个小区用户k进行协作传输时额外消耗的 功率，Cmk表示第m个小区用户k的协作簇，
Figure RE-BDA0001519441810000076
决于第m个小区内用户umk的信号处理功率
Figure RE-BDA0001519441810000077
和回程功率
Figure RE-BDA0001519441810000078
计算公式为:
Figure RE-BDA0001519441810000079
中信号 处理功率
Figure RE-BDA00015194418100000710
取决于协作簇大小
Figure RE-BDA00015194418100000711
和单基站信号处理功率基准psp，
Figure RE-BDA00015194418100000712
表 达式为式(8)：
Figure RE-BDA00015194418100000713
其中，
Figure RE-BDA00015194418100000714
和
Figure RE-BDA00015194418100000715
分别表示CoMP信道估计和预编码对应的功耗， 两者均随簇大小增加而增大，协作簇大小Nmk，其中，
Figure RE-BDA00015194418100000716
表示和第m个小 区用户k选择相同协作簇的用户数。回程功率
Figure RE-BDA00015194418100000717
主要包括协作基站间信道 状态信息和数据共享所损耗的功率，如式(9)：
Figure RE-BDA00015194418100000718
这里，pbh表示在回程上传送1比特信息所对应的功耗，
Figure RE-BDA00015194418100000719
和
Figure RE-BDA00015194418100000720
分别 表示每个基站共享的第m个小区内用户k用户的数据和信道状态信息。
在满足对不同级的用户QoS需求下最小化系统功耗，考虑用户选簇和 功率分配的作用，构建优化问题模型如下式(10)：
Figure RE-BDA0001519441810000081
其中，M表示小区的总数，m表示第m个小区，
Figure RE-BDA0001519441810000082
表示第m个小区中 高等级用户集合，
Figure RE-BDA0001519441810000083
表示第m个小区中低等级用户集合，Nmk表示第m个 小区基站针对用户k的协作簇大小，pmk表示第m个小区基站分配给用户k 的发射功率，pm表示第m个小区基站的总发射功率，Lm表示第m个小区内 的用户数，L表示各小区基站分别最多容纳的用户数,κm表示第m个小区内 基站所服务的用户集，wmk表示单位范数的预编码向量，||wmk||2＝1，PTotal表示 所用小区内所有用户的能耗，
Figure RE-BDA0001519441810000084
表示CoMP-JP模式下第m个小区内用户k 的能耗。
这里，约束条件1表示每个用户所选协作簇大小不能超过3，约束条 件2表示需要满足用户k的最小信干噪比，约束条件3表示满足单基站最 大功率约束，其中JP模式下
Figure RE-BDA0001519441810000085
约束条件4表示基站对多容纳的用 户数，约束条件5表示高等级用户和低等级用户满足的速率条件，其中 β＞1。对式(10)求解中，假定各基站的归一化传输功率为pm＝p0＝1,
Figure RE-BDA0001519441810000086
此外由于系统总功耗是用户功率和用户速率的单调增函数，因此当系统功 耗最小时对约束条件3式取等式。
步骤E.针对系统功耗模型进行求解，获得切换用户的最优协作簇。
上面的优化问题模型中，优化变量为Nmk、wmk、pmk，其中Nmk是离散 变量，wmk和pmk是连续变量，所以问题式(10)是组合优化问题，属于NP-hard 问题，我们对该问题采用启发式的算法进行求解。问题式(10)求解流程 下：
切换用户SINR阈值设定
高等级用户和低等级用户的SINR阈值分别为α、η且α≥η。
功率分配：
我们先确定出优化变量pmk，所以为了简化求解文中我们采用的功率分 配方案是依据用户的信道强度按比例为用户进行功率分配，则各基站为各 用户所分配功率为式(11)：
Figure RE-BDA0001519441810000091
协作簇选择：
采用以用户为中心的动态选簇方案，如图3所示，优先为高等级用户 选簇，接着为低等级用户选簇，本算法中簇的大小限定为3，选择信道条 件最好的1个、2个和3个基站作为用户候选协作簇，满足用户SINR下， 最终选择候选簇中功耗最小作为用户的协作簇。如果协作资源不足，即低 等级用户没有协作基站，则该用户将采用硬切换。
步骤F.根据发起切换请求的移动通信终端的用户等级，伴随移动通 信终端的移动，动态调整切换用户的最优协作簇。
协作集动态调整，按照前面五步可以根据切换用户的等级、当前的信 道质量以及系统资源为该用户选择能满足Qos需求且最小化系统能耗的 最优协作簇。随着用户的快速移动，可能在一段时间后该协作簇能满足用 户业务需求，这就需要动态调整协作簇。由于调整过程需要占用系统资源 且过程复杂，本发明只考虑对高等级用户在切换移动的过程中进行协作簇 动态调整。具体的做法是，不断的检测该用户在协作方式下接收到的信号强度以及信道增益，当用户位置以及信道条件变化导致当前的协作簇不能 满足SINR阈值时，按照步骤C到步骤E的实施步骤，为该用户重新选取 协作簇。
步骤G.分别针对各个发起切换请求的移动通信终端，判断移动通信 终端是否出了切换区域，若出了切换区域，则进一步判断该移动通信终端 所接收所属基站信号强度是否高于其当前业务通信的门限值，如果高于该 门限值，且持续预设时长T时，则该移动通信终端退出协作集完成切换； 若没有出切换区域，则不执行上述判断以及退出。
上述技术方案所设计基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切 换方法，基于针对移动通信终端的用户等级划分，在切换过程中动态选择 协作簇，能够满足不同等级用户的通信需求，针对时延敏感，且高QoS 需求的高等级用户动态调整最优协作簇，保证其无缝切换且提高切换成功 率，此外能够有效提高了系统能效。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限 于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在 不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。

Claims (3)

1.一种基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.实时监测各个移动通信终端的当前位置，以及各个移动通信终端所接收所属基站的信号强度，同时，计算获得各个移动通信终端的信道增益，并分别向所属小区上报全局信道状态信息；
步骤B.按预设用户等级划分规则，基于各个移动通信终端的当前业务，分别针对各个移动通信终端进行用户等级划分，确认为高等级用户或低等级用户；
步骤C.当移动通信终端的当前位置处于切换区域时，则开始进行切换准备，其中，根据该移动通信终端的信道增益进行基站排序，选择预设数量的最优基站作为该移动通信终端的候选协作基站集；同时当该移动通信终端所接收所属基站信号强度低于其当前业务通信的门限值，并且该信号强度持续预设时长T时，则该移动通信终端向所属基站发起切换请求；
步骤D.分别针对各个小区，构建系统功耗模型；
步骤E.针对系统功耗模型进行求解，获得切换用户的最优协作簇；
步骤F.根据发起切换请求的移动通信终端的用户等级，伴随移动通信终端的移动，对高等级用户在切换移动的过程中进行协作簇动态调整；
步骤G.分别针对各个发起切换请求的移动通信终端，判断移动通信终端是否出了切换区域，若出了切换区域，则进一步判断该移动通信终端所接收所属基站信号强度是否高于其当前业务通信的门限值，如果高于该门限值，且持续预设时长T时，则该移动通信终端退出协作集完成切换；若没有出切换区域，则不执行上述判断以及退出。
2.根据权利要求1所述的基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法，其特征在于：所述步骤B中，按预设用户等级划分规则，基于各个移动通信终端的当前业务，分别针对各个移动通信终端进行用户等级划分，其中，当移动通信终端处于语音或视频业务时，则定义该移动通信终端为高等级用户；当移动通信终端处于数据业务时，则定义该移动通信终端为低等级用户。
3.根据权利要求1所述的基于LTE-A系统的面向用户等级能效CoMP切换方法，其特征在于：所述步骤D中，分别针对各个小区，构建系统功耗模型如下：
Figure FDA0002622069380000021
Figure FDA0002622069380000022
Figure FDA0002622069380000023
Figure FDA0002622069380000024
Figure FDA0002622069380000025
其中，M表示小区的总数，m表示第m个小区，
Figure FDA0002622069380000026
表示第m个小区中高等级用户集合，
Figure FDA0002622069380000027
表示第m个小区中低等级用户集合，Nmk表示第m个小区基站针对用户k的协作簇大小，pmk表示第m个小区基站分配给用户k的发射功率，pm表示第m个小区基站的总发射功率，
Figure FDA0002622069380000028
表示CoMP-JP模式下第m个小区内用户k的能耗，PTotal表示所用小区内所有用户的能耗，Lm表示第m个小区内的用户数，L表示各小区基站分别最多容纳的用户数,κm表示第m个小区内基站所服务的用户集，wmk表示单位范数的预编码向量，||wmk||2＝1；SINRmk表示第m个小区内用户k的信干噪比，SINR0 mk表示第m个小区内用户k的最小信干噪比；
根据如下公式：
Figure FDA0002622069380000029
获得CoMP-JP模式下第m个小区内用户k的能耗
Figure FDA00026220693800000210
其中，
Figure FDA00026220693800000211
表示CoMP-JP模式下第m个小区分配给用户k的发射功率，
Figure FDA00026220693800000212
表示CoMP-JP模式下第m个小区用户k进行协作传输时额外消耗的功率，Cmk表示第m个小区用户k的协作簇。
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