CN108777856A - 一种面向未来5g网络的虚拟ue自主发现和连接建立过程 - Google Patents

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牛沐楚
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Abstract

本发明提出一种面向未来5G网络的虚拟UE自主发现和连接建立过程。虚拟UE由一个主用户和多个从用户组成，从用户为主用户进行协助传输。主用户利用基站配置的公共传输资源对周围用户进行自主发现并建立连接。虚拟UE的信息由主用户发送给控制节点(主用户所连小站)，并由控制节点对虚拟UE进行管理。主用户可以从从用户处获取其所需的数据，确认数据完整无误后向控制节点发送确认消息。本发明根据虚拟UE的Context信息，由控制节点对虚拟UE进行调整；虚拟UE的控制节点也会根据用户位置以及Context信息的改变进行切换。本发明可以减少用户与小站间信令的交互，并使得潜在的用户侧传输资源可以用于提升数据业务速率。

Description

一种面向未来5G网络的虚拟UE自主发现和连接建立过程
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及第五代移动通信系统(5G)中超密集网络场景下以用户为中心网络(UCN,User Centric Network)组成和用户终端协作研究。
背景技术
超高密度网络(Ultra-Dense Network，UDN)作为改善网络吞吐量与提高资源利用效率的有效手段，已经成为第五代移动通信中的关键技术。网络节点的密集分布在干扰抑制、能量消耗、移动性管理等方面为通信系统带来了新的挑战。LTE的用户接入，切换机制已无法适用于超密集网络中。虚拟化是解决超密集网络中产生的新问题的一种新思路。网络虚拟化将重点研究如何利用站点密度的潜在增益，构建以用户为中心的虚拟小区，消除传统的小区边界。
无线网络资源虚拟化的两个重要问题是为不同业务提供服务的节点映射问题和虚拟资源分配问题。节点映射即确定某个业务采用哪些节点来为其提供服务。传统网络中，按照信号强度如RSRP/RSRQ等指标为用户选择一个服务小区，该用户所有业务均由该服务小区提供。超密集网络场景下，大量无规则部署的Small Cell将面临干扰复杂和负荷分布不均的问题，传统的以信号强度为指标的小区选择方式将不再适用。
接入网络侧虚拟化在底层考虑小区的虚拟化，即弱化小区概念，消除小区边界，始终以用户或业务为中心。用户或业务不再由固定的某一小区来服务，而是根据节点特性、业务QoS需求以及无线环境等综合因素，由管理节点选择并将节点列表通知控制面节点，构建针对该业务的虚拟小区，同时，随着UE的移动，动态更新虚拟小区内的节点成员。
针对未来5G网络的虚拟小区，小区不再和节点关联，而是以用户为中心形成虚拟小区，用于数据传输的参考信号会和节点ID解耦，管理、控制和数据节点分离，实现站点虚拟化。网络中的终端也可以作为站点为其他终端提供服务，实现用户侧的虚拟化。
而现网中已有终端间直接进行数据传输的通信方式(比如D2D技术)以及协助传输策略(如中继、虚拟MIMO等技术)致力于在不改变网络现有条件的情况下，改善用户链路质量，提高网络资源(时域、频域、空域)利用率，具体如下：
D2D技术通过复用小区频谱资源，能够提高蜂窝系统频谱效率，降低终端发射功率，是未来通信发展的关键技术之一，也是下一代(5G)移动网络的重要组成部分。D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高， D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。
将协作中继技术应用到蜂窝网中，可以提高自身信道条件差的用户的信号质量，延展基站的覆盖范围。此外，无线中继站成本低廉，布置灵活方便；用户终端也可以作为无线中继站。3GPP LTE、欧盟第六框架联合项目(WINNER) 和下一代WiMax系统标准(IEEE802.16)都把基于中继协作传输的蜂窝移动通信系统作为了下一代无线通信中主要的网络架构进行研究。
3GPP LTE系统中提出了上行虚拟MIMO技术，将具有单天线的多个用户组合起来，在同一资源块中形成虚拟MIMO信道，同时向具有多天线的基站发送数据，从而达到MIMO技术具有的性能。其主要研究点在于协作分集用户之间的功率分配、以及在空分复用用户之间进行用户配对等，通过多用户之间的协作提高用户传输速率，有效改善通信系统性能。
发明内容
本发明通过为信道条件不佳的用户选择协助传输用户从而保证用户速率，达到满足用户需求，提升用户体验的目的。
本发明在现有D2D发现信号设计以及发现信号资源分配的基础上，使用3GPPTR36.843协议中发现信号传输资源配置的Type 2B，也就是为D2D发现信号分配半固定的资源(公共资源池)，用户终端利用这部分资源进行自主的发现和配对，用户间连接成功后再将虚拟UE组成员的信息上报到虚拟 UE的控制节点。这个过程中虚拟UE成员发现和建立连接都是自主完成的，而且发现过程中用户可以一直处于空闲态而不用进入连接态，复杂度很低。
控制节点(一般是主用户所连接的小站)对虚拟UE的信息进行记录和维护，并根据一定策略(提升系统吞吐量或能效等)决定虚拟UE的最终构成以及分配任务传输任务。控制节点可以根据虚拟UE的主用户(受协助的用户)的反馈来实时调整虚拟UE的成员和传输任务，直到虚拟UE完成了主用户所需求的数据传输任务。
有益效果
虚拟UE利用临近的终端的网络资源为一些自身信道条件差的用户提供协助传输，可以有效提升用户的传输速率。
虚拟UE的自主发现可以减少基站侧的运算复杂度。
通过虚拟UE构建过程中的信息交互使得控制节点可以优化虚拟UE的成员选择以及对虚拟UE组进行控制。
附图说明
图1是超密集组网下用户虚拟化(虚拟UE)的示意图；
图2是本发明基于虚拟UE设计的用户组构建流程图；
图3是本发明中虚拟UE进行切换的流程图；
图4是本发明的方案实施流程图；
图5是不同用户速率需求下使用虚拟UE技术的满足概率；
图6是不同的虚拟UE触发条件(SINR阈值)下本方案对用户平均速率的影响。
具体实施方式
本发明实施案例结合附图做详细说明。
本发明主要应用于密集小站部署的异构网络中，由于用户终端的数量也急剧上升，若只是单纯的采用D2D通信(网络基站侧不进行有效控制)并不能明显的提升网络的容量和频谱资源的利用率。因此我们提出了虚拟UE技术，通过为信道条件不佳的用户选择协助传输用户从而保证用户速率，同时最大化利用了用户侧的资源。
附图1是实例应用的系统架构和场景，虚拟UE技术将网络中临近的多个终端组成一个虚拟UE——VUE，其目的是为一个特定的用户提供数据传输协助；虚拟UE以这个用户(也就是虚拟UE组的主用户)为中心。主用户通过D2D链路与其他用户建立连接后，组内其他用户(从用户)与主用户交换各自的context信息，同时确定一个对外交互的节点(一般情况下选择主用户)，目的是与基站间进行控制信息的交互；从用户使用VUE ID从其所连接的基站获取主用户所需的数据，再将这些数据转发给主用户，完成协助传输。虚拟UE组的从用户集合用V表示，V＝{i|i＝1,...,n,n≤N&i∈A}，其中， A代表某种选择策略，可以是速率优先策略，也可以是能效优先策略。
附图2是一个完整的建立虚拟UE并完成传输任务的流程图。虚拟UE构建的过程主要分为以下五个步骤：公共资源配置信息下发，用户自主发现，控制信息交互，组内传输模式选择以及数据传输。具体步骤如下：
步骤一：所有的小站都会给其所连接的用户下发D2D通信公共资源配置信息(1)，网络当前所有用户都会开启广播监听状态。
步骤二：当有用户满足虚拟UE触发条件(信道条件差/速率无法满足业务需求/剩余电量不足)时，利用配置的公共资源发送构建虚拟UE请求的广播消息(2)。收到的用户返回确认消息(3)(包含context信息)，与Host UE 建立连接，内容主要包括：从用户与主用户间的链路质量(内信道)；从用户与基站间的链路质量(外信道)；从用户是否加入其它虚拟UE等。若考虑特殊场景需求，还应包括终端的剩余电量等。
步骤三：之后主用户会将所有潜在的虚拟UE的成员的信息上报给控制节点(4)，控制节点根据一定的判断准则选定虚拟UE的成员，并分配传输任务。从用户使用VUE ID从其所连接的基站获取相应的数据。
判定准则可以是简单的根据信道条件(RSRP)选择从用户；也可以考虑主用户的业务速率需求，要求从用户的传输的总速率能够满足当前的业务速率。
判定的结果包含在控制节点的请求响应(5)中，包括每个从用户是否加入虚拟UE，以及加入虚拟UE后需要承担的传输任务。
主用户收到控制节点的请求响应后，将该请求响应发送给在自主发现过程中与其建立连接的从用户(6)；每个加入该虚拟UE的从用户获取其需要协助主用户传输的数据的相关信息，并向其所连接的小站请求该部分数据(7)。随后小站与从用户进行该部分数据传输(8)。
步骤四：组内传输模式备选方案，若终端间LTE链路质量不能满足用户的业务速率需求(一般情况下由于控制节点已经根据context信息作出的选择满足主用户的业务需求，但无线信道的状态是时变的，如果信道条件由于某些原因变差，而数据已经传输到了该用户终端)，考虑利用WiFi网络完成数据传输；该策略只应用在某些从用户处，无需从用户全部切换传输模式。确定传输模式之后从用户就可以开始为主用户传输数据。
步骤五：组内数据传输(12)可采用CoMP联合传输方式，也可采用虚拟 MIMO方式(空时码)，还可以分时隙进行数据的传输。数据传输完成后(或主用户的状况有所改善后)，向基站发送确认消息(13)，之后可解散虚拟 UE。
附图3是虚拟UE切换流程图。由于主用户的控制节点也可能发生改变，当虚拟UE当前的控制节点的RSRP与目标控制节点的RSRP满足以下公式* 关系时，控制节点会发生切换。
Pt≥Ps+offset*
附图4是本发明的方案实施流程图
算法步骤如下：
S400，主用户对周围用户进行自主发现并建立连接，并将虚拟UE的 context信息发送给控制节点。
这里，所有的小站都会给其所连接的用户下发D2D通信公共资源配置信息用于发现周围的终端和建立终端直接通信连接。同时，网络当前所有用户都会开启广播监听状态。
S410，控制节点根据用户组的Context信息由控制节点对虚拟UE组进行控制并分配传输任务，同时对该虚拟UE进行管理和记录。
这里，context信息的内容主要包括，从用户与主用户间的链路质量(内信道)；从用户与基站间的链路质量(外信道)；从用户是否加入其它虚拟 UE组等。若考虑特殊场景需求，还应包括终端的剩余电量等。
S420，虚拟UE的从用户为主用户进行协助传输，主用户确认数据完整无误后向控制节点发送确认消息。
附图5中可以看出，随着主用户的速率需求越高，其需求得到满足的概率(也就是成功概率)越小；而相同速率需求下从用户的数量越多，满足速率需求概率也越大，尤其在速率需求大的情况下增加从用户的数量可以明显提升满足概率。与LTE现有系统调度方式相比(用户只与基站相连，不存在用户间协作)，可以看出在用户速率需求高时，虚拟UE技术带来的增益更明显。
附图6中横坐标为虚拟UE的SINR触发阈值，即用户当前的SINR低于该值时，该用户就成为潜在的虚拟UE主用户(设定从用户最大数为4)；阈值越高，说明网络中可以组建虚拟UE的主用户越多。从图中可看出，阈值的设定如果太大，并不能给网络中需要协助的用户带来更多的吞吐量上的增益；如果太小，则给网络整体带来的增益有限，因此应该取适中的值(0～5dB)。

Claims (3)

1.本发明提出一种面向未来5G网络的虚拟UE自主发现和连接建立过程。由小站作为控制节点提供管理功能，用户组中的从用户所连小站先将数据卸载到从用户处，然后从用户转发小站传输的数据至主用户,为主用户提供协助。
2.本发明的虚拟UE构建过程设计包含资源配置、用户自主发现、建立连接、传输模式选择以及数据传输五个过程，由从用户为主用户提供协助、转发数据，使得主用户传输条件欠佳时，可以利用临近终端的传输资源通过协作满足其业务速率需求。
3.本发明的虚拟UE构建过程由作为控制节点的小站辅助执行。主用户将测量信息以及Context信息报告给控制节点，由控制节点判断是否构建虚拟UE并分配传输任务，然后将判决结果反馈给主用户,主用户再将该结果反馈给虚拟UE内的从用户。
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