CN110446217A - 一种基于laa蜂窝系统的分布式资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法，所述分布式资源分配方法应用于LAA蜂窝系统中，在宏基站覆盖下，小基站通过LBT机制共享免许可频段，同时复用许可频段子信道，服务其用户。所述分布式资源分配方法包括：采用图论中的邻接矩阵A表示小基站间信息交互关系，即矩阵A记录宏基站范围内小基站的连通关系，并且该矩阵A是连通的、无向形式；宏基站通过回程链路，按照连接矩阵A向小基站广播其他小基站的分布式算法的参数，小基站采用分布式算法优化许可频段和免许可频段上的资源分配，以获得最佳的频谱资源利用率。该分布式资源分配方法在保证小基站复用许可信道带来的同信道干扰在限制值的同时，提高蜂窝系统的吞吐量。

Description

一种基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于LAA蜂窝系统的分布式资 源分配方法。

背景技术

随着新型应用场景的出现，人们对移动通信的速率的需求也不断增加， 提高频谱的利用效率或者引入新的频谱资源来提高数据传输速率是下一 代移动通信技术的主要内容之一。其中，在许可频段上应用更高效率的技 术来提高效率是最为直接的方式。拥有丰富频段资源的免许可频段，同样 也引起了工业界和学术界的关注。目前，将免许可频段作为辅助频段来提 高移动用户的速率，即LAA(License Assisted Access)技术，是引入免许可频段可行技术之一。由于免许可频段上已有的通信协议与许可频段上蜂 窝通信技术不同，随意使用免许可频段反而会降低频谱利用效率。因此， 如何根据系统的负载状况，合理地分配许可频段和免许可频段资源是一个 关键的问题。

另外，为了满足高容量场景的高流量密度、高峰值速率等要求，基站 间的距离将会进一步缩小，形成超密集组网(UDN，Ultra Dense Network)。 在典型的密集网络部署的场景下，小基站更大程度地复用信道，在一定程 度上可以提高系统的频谱效率。但更高的复用率，导致小基站间同信道干 扰更为强烈，这也是超密集组网技术不可避免的问题。因此，对小基站覆 盖范围内的用户进行功率控制以减小其对宏基站的干扰尤为重要。

目前已经有许多工作对密集组网下，同信道干扰的问题进行研究，但 其中很少研究是基于LAA蜂窝网络展开的。由于免许可频段的引入，许 可频段的功率控制将会有很大的变化。具体表现在，当用户的所在的信道 对宏基站的干扰较为强烈时，引入免许可频段，可以减小其在许可频段的 传输功率，以减少同信道干扰。同时增加其在免许可频段上的频谱和功率 分配，满足该用户的服务质量(QoS)。

上述引入免许可频段的功率控制来减少同信道干扰机制，可以采用中 心式算法来实现，即将蜂窝网络中的宏基站看作整个系统的控制中心，由 宏基站来完成资源的调度。此方法需要宏基站获取其覆盖范围内所有用户 的信道状态信息(CSI)，优点是能够比较容易获得全局的最优解。但由此 带来的严重的信令开销不可忽视，不适用于趋于分布式结构的系统。另外， 用户的数据应该由其上层的小基站管理，宏基站获取系统范围内全部的用 户信息意味的不能保证用户数据的私有性以及安全性。因此需要一种可以 降低信令开销、可以分布式部署、不需要跨基站直接交互用户的信息同时 可以获得最优解的算法。

发明内容

本发明的目的提供一种基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法， 在基于LAA的蜂窝系统中，该分布式资源分配方法可以分布式部署在每 个小基站，在消耗少量的信令开销的同时，获得最优的资源分配方案，其 中包括许可频段和免许可频段的功率和频谱分配，保证因为小基站复用许 可信道带来的同信道干扰在限制值的同时，提高蜂窝系统的吞吐量。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法，所述分布式资源分 配方法应用于LAA蜂窝系统中，在宏基站覆盖下，小基站通过LBT机制 共享免许可频段，同时复用许可频段子信道，服务其用户；

所述分布式资源分配方法包括：

采用图论中的邻接矩阵A表示小基站间信息交互关系，即矩阵A记 录宏基站范围内小基站的连通关系，并且该矩阵A是连通的、无向形式；

宏基站通过回程链路，按照连接矩阵A向小基站广播其他小基站的分 布式算法的参数，小基站采用分布式算法优化许可频段和免许可频段上的 资源分配，以获得最佳的频谱资源利用率。

本发明在采用分布式算法优化资源配置时，还需要考虑小基站用户复 用许可频段子信道而对宏基站带来的干扰。

在采用分布式算法优化资源配置时，小基站需要进行信息交互。由于 小基站通常无法进行直接传输信息，因此本发明中交互实现方式为通过宏 基站的回程链路进行转发。且为了发挥分布式算法的最优的性能，本发明 限定表示宏基站范围内小基站的连通关系的邻接矩阵A必须是最简单的 连通的、无向的形式。

具体地，所述小基站采用分布式算法优化许可频段和免许可频段上的 资源分配包括：

小基站按照如下更新规则进行分布式算法的参数更新和资源分配计 算：

其中，分别表示第t次更新时，许可频段子信道上用户 的频谱分配，功率分配；表示第t次更新时，免许可频段信道上用户 的频谱分配；表示为了将问题转为凸问题而引入的变量，且 表示第t次更新时，免许可频段信道上用户 的功率分配；分别表示第t+1次更新时，许可频段子 信道上用户的频谱分配，功率分配的微分；表示第t+1次更新时， 免许可频段信道上用户的频谱分配的微分；表示第t+1次更新时 引入变量的微分；是指小基站k内所有用户在所有许可频段子信道对宏 基站的干扰信道增益矩阵；是梯度算子；λ_k(t)、z_k(t)分别为小基站k 在第t次更新，执行分布式算法的参数；分别为小基 站k在第t+1次更新，执行分布式算法的参数的微分；λ_j(t)、z_j(t)分别为 小基站j在第t次更新，执行分布式算法的参数；为小基站用户对宏基站 的干扰限制值；A_k表示与小基站k能够互相交换信息的基站的集合；K表 示小基站的个数；为投影计算，定义为：

其中，X表示待投影的点，Y表示集合Ω_k中的一点，

f_k是指小基站k所有用户的吞吐量，表示为：

其中，M_k表示小基站k覆盖范围内用户的总个数；N为基站能够复用 的许可频段子信道数目；为初始化许可频段子信道n上用户m的频谱 分配；为初始化许可频段子信道n上用户m的功率分配；分 别表示小基站k下用户m在许可频段子信道n和在免许可信道w上的功率 增益；为初始化时免许可频段信道w上用户m的频谱分配；为 初始化时免许可频段信道w上用户m的功率分配；B^L、B^U分别为许可频 段信道和免许可频段信道的带宽；是宏基站对小基站在许可频段子信道 n上的干扰；N₀是环境噪声；W_k为小基站使用的免许可频段信道的数目。

当分布式算法更新参数达到最优时，小基站根据参数达到最优时，许 可频段上最优的功率最优的频谱与免许可频段上最优的功率 最优的频谱控制小基站覆盖范围内的用户通信。

当分布式算法更新参数后，小基站将获得的分布式算法参数更新结果 上传至宏基站。

小基站在进行分布式算法前，还需要获取其覆盖范围内所有用户的信 道状态信息CSI，用户的个数M_k，用户m的业务需求基站能够复用 的许可频段子信道数目N，基站可以使用的免许可频段信道的数目W_k以及 其最大可利用的值β_k,w；

初始化许可频段子信道n上用户m的频谱分配功率分配免许可频段信道w上用户的频谱分配功率分配基站间的邻接 矩阵A，分布式算法需要的参数λ_k、z_k。

上述的分布式资源分配方法，相对于中心式算法，该方法可以降低信 令开销，以及保证小基站间的数据安全性，且该分布式资源分配方法具有 良好的自适应性，即在LAA系统的信道状况发生改变时，该分布式算法 不需要重新进行初始化操作就可以获得最优的资源分配方案。

与现有技术相比，本发明提供的基于LAA蜂窝系统的分布式资源分 配方法，综合考虑系统中同信道干扰，可以将该方法分布式地部署在各小 基站，无需获取系统内部全部的CSI信息，仅需要很少的信令开销，就可 以获得最优的资源分配方案，同时也可以保证小基站间数据的安全性。即 使系统信道状况发生改变，该方法也不需要重新进行初始化，自适应地获 得最优资源分配以使得系统的吞吐量最大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员 来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明提供的基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法的流 程图；

图2是本发明提供的分布式资源分配收敛过程图；

图3是本发明提供的分布式资源分配方法，中心式方法，随机算法的 性能比较图。

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。

在基于LAA蜂窝通信系统中，在宏基站覆盖下，小基站通过LBT机 制共享免许可频段，同时复用许可频段子信道，服务其用户。因用户所处 的信道状况以及服务需求不同，许可频段和免许可频段上的频谱和功率资 源需要被合理地分配给每个用户以提高资源利用效率，增加系统的吞吐量。 因此，本实施例提供了一种基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法， 如图1所示，具体包括以下步骤：

S101，K个小基站、宏基站，以及周围的WiFi站点开启，算法初始 化，小基站k获取其覆盖范围内所有用户的信道状态信息CSI，用户的个 数M_k，用户m的业务需求基站能够复用的许可频段子信道数目N， 基站可以使用的免许可频段信道的数目W_k以及其最大可利用的值β_k,w；

S102，初始化许可频段子信道n上用户m的频谱分配功率分配 免许可频段信道w上用户的频谱分配功率分配基站间 的邻接矩阵A，分布式算法需要的参数λ_k、z_k；

S103，宏基站通过回程链路，按照邻接矩阵A向小基站k广播其他小 基站的分布式算法的参数λ_j、z_j，j∈A_k；

S104，小基站k根据如下的更新规则进行参数更新和资源分配计算， 并将得到的参数更新结果上传至宏基站；

其中，t表示更新执行的步数；是指小基站k内所有用户在所有许 可频段子信道对宏基站的干扰信道增益矩阵；是梯度算子；f_k是指小基 站k所有用户的吞吐量，可以表示为：

其中，分别表示小基站k下用户m在许可频段子信道n和在 免许可信道w上的功率增益，B^L、B^U分别为许可频段信道和免许可频段 信道的带宽，是宏基站对小基站在许可频段子信道n上的干扰，N₀是环 境噪声；λ_k、z_k分别为矢量表示形式，代表小基站k内 所有用户在所有子信道上资源分配和参数的集合； 为小基站 用户对宏基站的干扰限制值；为投影计算，定义为：

S105，重复步骤S103、S104，直至算法收敛，得到系统最优的资源 分配方案。

通过得到最优的资源分配，各小基站覆盖范围内的用户采用许可频段 上最优的功率最优的频谱与免许可频段上最优的功率最优的频谱进行通信。

在进行资源分配时，因小基站复用许可频段子信道，小基站用户也对 宏基站产生了同信道干扰。因此小基站在许可频段的功率需要被严格的控 制以减小其带来的同信道干扰。

该分布式资源分配方法实现了在控制对宏基站同信道干扰的条件下， 各小基站分别优化其服务用户的资源分配，在仅需要通过宏基站交换算法 所必须的参数情况下，可以获得最优的频谱功率分配，使得系统的吞吐量 达到最大。该方法可以降低信令开销，以及保证小基站数据的安全性。

上述分布式资源分配方法还具有良好的自适应性。从所周知，无线信 道环境通常情况下都会因为环境的变化而变化，此时，基于LAA蜂窝系统 内的资源分配方案也应该同步变化，也就是说，算法必须要自适应地改变 频率和功率分配。该分布式算法可以满足此特性，即在LAA系统的信道状 况发生改变时，该分布式算法不需要重新进行初始化操作就可以获得最优 的资源分配方案。

实施例

本实施例提供的分布式资源分配方法适用于一个基于LAA的蜂窝系 统中，该蜂窝系统采用宏基站与小基站同步覆盖的方式进行组网。对于其 它更复杂的组网方式，可以以相同的工作模式工作，因此在本实施例中， 只考虑一个宏基站与多个小基站共同工作的情况。

技术场景如下：本实施例的模型包括1个宏基站与4个LAA小基站， 小基站可以同时使用许可频段和免许可频段，许可频段与宏基站共同使用， 免许可频段与WiFi站点共同使用，各个小基站距离足够远以忽略站点之 间的干扰。小基站在许可频段上最大的发射功率为35dBm，在免许可频段 上最大发射功率为23dBm，每个小基站覆盖范围内随机投入若干个用户， 用户满足均匀分布，噪声功率-95dBm/20MHz。

本实施例中，最终的目标要在控制对宏基站同信道干扰的前提下，使 用分布式资源分配方法优化许可频段和免许可频段的功率和频谱资源，以 最大化系统的吞吐量。

具体实现过程如上述分布式资源分配方法中S101～S105，图2为本实 施例方法的收敛过程，可以看出，本发明方法可以收敛至稳定的值。

图3为本实施例方法、中心式方法、随机算法的性能比较图，可以看 出，本发明方法可以获得最优解。

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 (6)

1.一种基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法，其特征在于，所述分布式资源分配方法应用于LAA蜂窝系统中，在宏基站覆盖下，小基站通过LBT机制共享免许可频段，同时复用许可频段子信道，服务其用户；

所述分布式资源分配方法包括：

采用图论中的邻接矩阵A表示小基站间信息交互关系，即矩阵A记录宏基站范围内小基站的连通关系，并且该矩阵A是连通的、无向形式；

宏基站通过回程链路，按照连接矩阵A向小基站广播其他小基站的分布式算法的参数，小基站采用分布式算法优化许可频段和免许可频段上的资源分配，以获得最佳的频谱资源利用率。

2.如权利要求1所述的基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法，其特征在于，所述小基站采用分布式算法优化许可频段和免许可频段上的资源分配包括：

小基站按照如下更新规则进行分布式算法的参数更新和资源分配计算：

其中，分别表示第t次更新时，许可频段子信道上用户的频谱分配，功率分配；表示第t次更新时，免许可频段信道上用户的频谱分配；表示为了将问题转为凸问题而引入的变量，且 表示第t次更新时，免许可频段信道上用户的功率分配；分别表示第t+1次更新时，许可频段子信道上用户的频谱分配，功率分配的微分；表示第t+1次更新时，免许可频段信道上用户的频谱分配；表示第t+1次更新时引入变量的微分；是指小基站k内所有用户在所有许可频段子信道对宏基站的干扰信道增益矩阵；是梯度算子；λ_k(t)、z_k(t)分别为小基站k在第t次更新，执行分布式算法的参数；分别为小基站k在第t+1次更新，执行分布式算法的参数；λ_j(t)、z_j(t)分别为小基站j在第t次更新，执行分布式算法的参数；为小基站用户对宏基站的干扰限制值；A_k表示与小基站k能够互相交换信息的基站的集合；K表示小基站的个数；为投影计算，定义为：

其中，X表示待投影的点，Y表示集合Ω_k中的一点，

f_k是指小基站k所有用户的吞吐量。

3.如权利要求1所述的基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法，其特征在于，用户的吞吐量f_k表示为：

其中，M_k表示小基站k覆盖范围内用户的总个数；N为基站能够复用的许可频段子信道数目；为许可频段子信道n上用户m的频谱分配；为许可频段子信道n上用户m的功率分配；分别表示小基站k下用户m在许可频段子信道n和在免许可信道w上的功率增益；为免许可频段信道w上用户m的频谱分配；为免许可频段信道w上用户m的功率分配；B^L、B^U分别为许可频段信道和免许可频段信道的带宽；是宏基站对小基站在许可频段子信道n上的干扰；N₀是环境噪声；W_k为小基站使用的免许可频段信道的数目。

4.如权利要求1所述的基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法，其特征在于，当分布式算法更新参数达到最优时，小基站根据参数达到最优时，许可频段上最优的功率最优的频谱与免许可频段上最优的功率最优的频谱控制小基站覆盖范围内的用户通信。

5.如权利要求1所述的基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法，其特征在于，当分布式算法更新参数后，小基站将获得的分布式算法参数更新结果上传至宏基站。

6.如权利要求1所述的基于LAA蜂窝系统的分布式资源分配方法，其特征在于，小基站在进行分布式算法前，还需要获取其覆盖范围内所有用户的信道状态信息CSI，用户的个数M_k，用户m的业务需求基站能够复用的许可频段子信道数目N，基站可以使用的免许可频段信道的数目W_k以及其最大可利用的值β_k,w；

初始化许可频段子信道n上用户m的频谱分配功率分配免许可频段信道w上用户的频谱分配功率分配基站间的邻接矩阵A，分布式算法需要的参数λ_k、z_k。