专利名称：在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法
技术领域：
本发明涉及频谱聚合的决策和分配方法，特别是涉及宽带网络中各网络节点基站的频谱聚合的决策和分配方法。
背景技术：
频谱聚合，与增强MM0，协同通信，和中继通信一起，是面向第4代以及未来的无线宽带通信系统的重大新技术，所述MIMO全称Multiple Input Multiple Output,即多输入多输出技术。所述频谱聚合技术旨在感知并且优化利用离散的频谱资源，形成一个临时应用的较宽的频谱，来实现多用户多业务通信。其本质是对分布于一定范围内的离散频谱资源的统计复用。具有载波聚合功能的基站可以灵活地使用大带宽上的资源。移动台可以同时接入大带宽上的多个载波而无需进行切换。在一个支持频谱聚合功能的网络系统架构中，每个基站节点均包含了频谱聚合的决策与控制功能，针对变化中的实际情况，每个基站 节点都假设在预知可供分配使用的离散或连续频谱的带宽的基础上进行频谱分配的决策。本发明涉及频谱聚合的决策方面.实际上，针对变化中的实际情况，每个基站节点都在频谱感知的基础上进行频谱分配的决策。一方面，系统实时处理带有服务质量要求QoS的服务请求，并且按照一定的准则排队，由介质访问控制MAC调度器来安排处理；所述服务质量要求QoS就是Quality of Service ;所述介质访问控制MAC就是Media Access Control。另一方面，系统的无线资源管理器实时管理，分配和回收各种离散的频谱碎片，并且将它们分配给服务请求队列中的通信实体，包括基站和移动终端。在实施频谱聚合时，考虑一个时间区域内的多个用户及其业务，以及与各自业务关联的服务质量(QoS)指标，对频谱进行合理分配。带宽分配是将频谱对用户进程的映射。由于存在多用户和多业务，以及不同的QoS指标，所以任何以最优方式对存在于MAC处理器输入队列中的业务用户进行资源分配是一个重要的系统设计任务，需要考虑高性能的方法和实施步骤。频谱聚合技术目前比较多在载波调度方面，比较成熟的是正比公平调度算法。用
rM (t)
户i的优先级计算公式为召。式中调度时刻t用户i在第k个资源块(RB)上的瞬时速率，W,i)为用户i在时刻t往前Tc时间长度内的平均服务速率，考虑到载波聚
/ i \I I
合，其计算公式为i￠+1)= I--,式中為4)为时刻t用户i在第j
V i< / V j-i
个载波的传输速率，假设系统共有L个载波。这种调度器有效地实现吞吐量和公平性之间的折中，但是复杂度比较高，而且实时性也相对较差，无法根据带宽的变化进行动态调度。现有技术主要考虑LTE和LTE-Advanced等系统框架，所述LTE是指长期演进长期演进Long Term Evolution,具有一定程度的局限性，尚未解决更广泛意义下的频谱最优化分配的普适性原理和方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，本发明引入最小带宽浪费准则，以及在这个准则下的，普遍适用的最优分配解决方案和步骤，以及实施的方法。本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现
实施一种在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，基于具有频谱聚合的决策和控制功能的基站，所述基站设置在宽带网络系统架构内的网络节点处；其特征在于所述方法包括如下循环执行的步骤
A.所述基站搜索、感知当前时刻的离散频谱，收集形成离散频谱集合A;同时，搜集当前的带有服务质量要求QoS的#项服务请求仏队列，#是不小于I的自然数；
B.根据各自的服务质量要求QoS确定各项服务请求Q 的最小充分带宽(Qu)； 针对任一服务请求4，以聚合后频谱Aifo的带宽A仏不小于该服务请求&的最小充分
带宽#53 (Qm)为条件，对所述离散频谱集合A中的各段离散频谱实施聚合，从而形成聚合后频谱与对应服务请求4的频谱分配映射关系r，并且从频谱分配映射关系r中找到带宽浪费最小的一组映射，即令离散频谱集合S、服务请求^和频谱分配映射关系r满足目标函数，
M
Tl= Jrg MWFiB,Q, T)= Jrg MlNj^ [bm - MSBiQj},
h-4,
T；是指最优化的映射关系，即带宽浪费最小的映射关系，n是指符合聚合后频谱(&)
的带宽不小于该服务请求4的最小充分带宽#53 的解的个数，#是不小于I的自然数；
C.返回步骤A。具体地，所述步骤B还包括如下分步骤，
BI.根据各自的服务质量要求QoS确定各项服务请求Q 的最小充分带宽(Qm)；B2.针对任一服务请求仏，对所述离散频谱集合A用子集生成算法从聚合后频谱中找出的带宽与所述最小充分带宽#53 (Qm)的差值最小的带宽最小浪费聚合后频谱更为具体地，所述分步骤B2，即子集生成算法包括如下分步骤，
B21.按带宽升序排列所述离散频谱集合A中的各段频谱，形成第一行频谱行；
B22.找出将各行行首频谱中带宽最窄的频谱，并且比较该最窄频谱的带宽是否不小于所述最小充分带宽#59 (4」，如果是，执行步骤B24 ;如果否，执行一下步骤B23 ；
B23.在步骤B22所述各行行首频谱中带宽最窄的频谱所在频谱行内，删去该带宽最窄的频谱，同时，将所述带宽最窄的频谱分别与步骤B21所述第一行频谱行的各段频谱聚合，形成一行新频谱行；返回执行步骤B22 ；
B24.将步骤B22找出的各行行首频谱中带宽最窄的频谱做为所述带宽最小浪费聚合后频谱。所述宽带网络系统架构包括Node B基站和演进型eNode B基站。 所述方法工作在网络的介质访问控制MAC层。
同现有技术相比较，本发明“在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法”的技术效果在于
本发明提供的最小浪费准则下的频谱分配方法和过程，可保证分配的频谱资源的使用达到最小浪费。在频谱资源日益紧张的背景下，本发明将有巨大的实际意义，一旦实施，将产生巨大的经济效益。目前的频谱分配方法仅仅考虑某些特定系统的应用。本发明给出的分配方法考虑频谱分配过程中不可避免的浪费问题，可使得频谱使用的浪费达到最小，或者使系统对带宽使用的成本达到最低，从而节省大量的运用成本和能源。在未来的网络中，系统性能将更多地依赖于无线资源的合理优化利用。本发明可用于网络的调度控制，提高效率，降低成本和系统开销，提高总体的QoS，所以具有实用价 值。
具体实施例方式以下结合实施例作进一步详述。载波聚合中，MAC层调度器一般采用联合队列调度结构，所有载波共用一个用户等待队列，使用一个共享的调度器完成所有载波上资源块Resource Block，即RB的分配。联合队列调度结构可以有效地平衡2个或者多个载波上的业务负载。从而避免出现一个载波过于空闲，而另一个载波由于服务用户业务过大出现拥堵的现象。各个载波之间同时共享全部用户信息，采用联合分配频谱资源的方式，通过提高多用户的分集增益及载波间的频率选择性增益的方式提高系统整体性能。本发明即针对这种调度结构，根据不同的优化准则提出最佳的资源分配方法。本发明提出一种考虑用户群的QoS和优先等级，带宽需求的带宽分配过程和步骤，以及实施的方法。本发明可在基站，例如NodeB，eNodeB等系统架构中的MAC层处理器中实现。NodeB是指无线宽带网络3G系统中的收发信台，是WCDMA系统的基站，包括无线收发信机和基带处理部件。通过标准的Iub界面和RNC互联主要完成Uu界面物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能。所述eNodeB就是演进型基站evolved Node B。本发明基于一个新型的组合子集有序生成技术，实时给出频谱分配矢量和QoS排序结果。在感知到频谱分布变化后，再进行即时更新。在本发明的系统架构中，每个基站节点均包含了频谱聚合的决策与控制功能，并且通过下行实施该项控制.对于基站节点和终端节点，需要考虑支持频谱聚合SA =SpectrumAggregation的功能需求。首先考虑频谱聚合的广度SA-Span,以及频谱聚合的颗粒度SAGranularity。考虑一段频谱, =，其成员Wi为当前系统可用的频谱CarrierCompoent,即CC资源，且;=I…i按频带所在位置升序排列，它们相互之间可以是连续的关系或不连续的关系。可以定义,即CC所占带宽大小，则频谱聚合的
r度可以定义为晒L細’显然曙=■啊。
频谱聚合的颗粒度SA-Granularity定义为所有系统承载的各种业务中所需要的最小信号带宽，记为U。所以，为了支持频谱聚合的广度为Q和颗粒度为U的频谱聚合功能，基站节点和终端节点的射频需求应该包括对P(w)#(w)}的支持能力。记S = (B1,...,Bm)为可用离散CC的集合，记2B为B在频谱聚合后的子集的集合，Q= [Qi,...,Qk,...)为QoS队列。考虑频谱分配的实施过程，一次频谱分配定义为映射T，定义如下vet€g , T :2s , T表示一个经过QoS排序的待处理业务Q到B的一个子集
的--对应。对于一组有限的业务矢量Q = [Q1,…，QM]，定义其频谱分配矢量T = [ T
1，…，T N]，每个Tk是Qk与b k的一一对应,，即B的一个子集。离散频谱的最佳性定义为一个预先定义的性能准则，以及与其相关的目标函数F(B, Q, T)，一个CC使用最优化问题的解是使得该目标函数达到最优值的映射矢量
fr = argmax。
T对于每个待处理业务Qk,定义支持该业务的最小充分带宽Minimum SufficientBandwidth MSB为MSB(Qk)。MSB(Qk)是满足Qk的QoS需求的最小带宽。实际上，MSB (Qk)也与信道状态有密切关系。如果对于一个Qk，一个频谱分配解为bk，那么根据MSB的定义，bk彡MSB (Qk)，并且定义分配带宽超过最小充分带宽的部分为带宽浪费Bandwidth Waste为A k =bk_MSB(Qk)。定义 MSB (Q) = [MSB (Q1), MSB (Q2)，…，MSB (Qn) ]。MSB (Q)与 Q 密切相关。这里 Q 代表 QoS要求，可定义为Q= {比特率，频率FER，时延，吞吐率，…}。MSB的计算在MAC处理器中实现。根据信道状态，服务请求进行实时计算和更新。引入一个考虑QoS的离散频谱的最佳分配准则如下。考虑最小浪费准则MinimumWaste Criterion
定义最小浪费准则目标函数为R，一个频谱分配最小浪费
k-l
解是使得此目标函数达到最优值的映射矢量T *
Tt = ArgMM F(B,QJ) = ArgMIN V [hk - MSB(Qk)]。rT *.1基于上述考虑，本发明提出一种在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，基于具有频谱聚合的决策和控制功能的基站，所述基站设置在宽带网络系统架构内的网络节点处；其特征在于所述方法包括如下循环执行的步骤所述宽带网络系统架构包括Node B基站和演进型eNode B基站。所述方法工作在网络的介质访问控制MAC层。A.所述基站搜索、感知当前时刻的离散频谱，收集形成离散频谱集合凡该离散频谱集合由若干段搜索到的离散频谱B1, B2, B3,…组成；同时，搜集当前的带有服务质量要求QoS的#项服务请求仏队列，#是不小于I的自然数；
B.根据各自的服务质量要求QoS确定各项服务请求的最小充分带宽#53 (Qu);如上所述，所述最小充分带宽是指根据服务质量要求QoS而确定的适于该项服务请求Qm的最小带宽；
各段离散频谱B1, B2, B3,…经过聚合后可以有组合成多段聚合后频谱，所有可能的聚合后频谱应当有2Y，Y是离散频谱集合A中的离散频谱段的数量；
针对任一服务请求4，以聚合后频谱Aifo的带宽A仏不小于该服务请求&的最小充分带宽爾(Qm)为条件，即以洲^ >#53 (Qm)为条件找出所有可用与仏的聚合后频谱& ；显然，针对每项服务请求4都会有一组聚合后频谱&与该服务请求4对应，即服务请求0对应一组聚合后频谱…，&#，服务请求％对应一组聚合后频谱&7，/ ,…，么>#，月艮务请求込对应一组聚合后频谱/ ,/ , ...，b3N等;对所述离散频谱集合A中的各段离散频谱实施聚合，从而形成聚合后频谱b-与对应服务请求Q 的频谱分配映射关系T,并且从频谱分配映射关系r中找到带宽浪费最小的一组映射，即令离散频谱集合(S)、服务请求P和频谱分配映射关系Z1满足目标函数，
M
Tl= Arg MINFiB,Q, T)= Jrg MINjs [bm — MSBiQj},
h-4,
T；是指最优化的映射关系，即带宽浪费最小的映射关系，/7是指符合聚合后频谱Aifo的
带宽不小于该服务请求4的最小充分带宽#53 的解的个数，#是不小于I的自然数；
C.返回步骤A，即更新所述离散频谱集合A和服务请求Qm队列，包括移除已经用于聚合的离散频谱段，加入新的离散频谱段，去除以分配频谱的服务请求，加入当前新的服务请求。所述步骤B还包括如下分步骤，
BI.根据各自的服务质量要求QoS确定各项服务请求Q 的最小充分带宽(Qm)；B2.针对任一服务请求仏，对所述离散频谱集合A用子集生成算法从聚合后频谱中找出的带宽Arifo与所述最小充分带宽#53(^^的差值最小的带宽最小浪费聚合后频谱;所述带宽最小浪费聚合后频谱就是在所有可能形成的聚合频谱中分配给服务请求4的最小带宽浪费的频谱，即b^s -MSB (Qu)是最小的。以下以小区基站为例说明上述方法的具体实施过程
I.核心网侧向各个小区基站通知当前可用的离散频谱。例如，LTE架构中核心网EPC evolved packet system通过S1-U接口把频谱信息通知给基站eNodeB,所述基站eNodeB (包括宏基站、微基站等设备。2.在基站侧，根据当前在该基站所管理的小区注册的所有移动终端的会话请求的服务质量QoS，按照一定准则，例如加权公平排队算法WFQ等，所确定的优先级从高到低排进传输队列中。QoS由业务的时延和误帧率要求表达，例如语音通信要求低延迟，数据通信可以不受延迟的限制，但是必须保证低误码率和高吞吐率，ARQ次数受限。这样对带宽需求不高，但对时延要求高的语音通信拥有较高的优先级。这一步操作可以由基站的无线资源控制RRC功能中的调度器完成。3.根据队列中成员的QoS，从数据库中查找其对应的最小充分带宽MSB，即满足其QoS需求的最小带宽，作为实际需要带宽的最小参考值。QoS包含的变量有误块率BLER、时延、吞吐率，且QoS与MSB的对应关系经过定标保存在基站的数据库中。另一方面，根据信道实际传播情况，以及发送功率控制TPC和自适应编码调制AMC的综合决策，再决定是否可以分配MSB，或决定实际能够满足业务以及QoS的实际带宽。
4.根据最小浪费准则，求解频谱分配问题。即从离散的频谱中找出满足实际带宽要求的最佳频谱组合。而本发明是通过“子集生成算法”完成的。该算法可以由基站的RRC无线资源控制功能模块中完成。并把结果交给基站的无线链路控制RLC功能模块。5.基站完成频谱的分配，并通知移动终端频谱分配的结果，及开始数据传输的作业。例如，在LTE结构中，基站eNodeB通过TOCCH信道把频谱的结果通知移动端UE。6.完成了一次分配任务后，小区基站根据核心网的反馈信息更新当前可用的离散频谱，同时根据移动终端的会话请求更新调度器中的传输队列，进行下一轮的频谱分配工作。用穷举比较的方法找到带宽最小浪费聚合后频谱是最直接的方法，但是在数据量很大的情况下，会造成巨大的数据计算量和数据逻辑运算量，导致系统复杂程度增加。本发明使用子集生成算法，令聚合频谱分析和分配的运算量尽可能的小。所述子集生成算法不需要穷举就可以找到所述带宽最小浪费聚合后频谱，那么，所述分步骤B2，即子集生成算法包括如下分步骤，
B21.按带宽升序排列所述离散频谱集合A中的各段频谱，形成第一行频谱行；
B22.找出将各行行首频谱中带宽最窄的频谱，并且比较该最窄频谱的带宽是否不小于所述最小充分带宽#59 (4」，如果是，执行步骤B24 ;如果否，执行一下步骤B23 ；
B23.在步骤B22所述各行行首频谱中带宽最窄的频谱所在频谱行内，删去该带宽最窄的频谱，同时，将所述带宽最窄的频谱分别与步骤B21所述第一行频谱行的各段频谱聚合，形成一行新频谱行；返回执行步骤B22 ；
B24.将步骤B22找出的各行行首频谱中带宽最窄的频谱做为所述带宽最小浪费聚合后频谱。以下通过一项实例说明子集生成算法的具体过程
假设当前的离散频谱集合B= (B1, B2, B3, BJ离散频谱组合，各段频谱的带宽分别是=B1的带宽BW1 = I. 4，B2的带宽BW2 = 3，B3的带宽BW3 = 5，B4的带宽BW4 = 10。当前服务请求Q的最小充分带宽MSB (Q)是8. 5。那么以下是用子集生成算法找出带宽最小浪费聚合后频谱示意性描述
(1)按带宽升序排列所述离散频谱集合A中的各段频谱，形成第一行频谱行，为简化示意，后文都以带宽表示频谱，即I. 4就是带宽是I. 4的频谱，用符合U表示频谱聚合。那么第一行频谱行就是
1.43510
(2)由于只有一行频谱行，因此各行行首频谱中带宽最窄的频谱就是带宽是I.4的频谱，显然该带宽是I. 4的频谱不能满足当前服务请求Q的最小充分带宽MSB (Q) = 8.5；
(3)在所述各行行首频谱中带宽最窄的频谱，即带宽是I.4的频谱所在频谱行内，删去该带宽最窄的频谱，同时，将所述带宽最窄的频谱分别与所述第一行频谱行的各段频谱聚合，形成一行新频谱行，即如下
3 510 14U1 1.4U5 1.4U10
(4)在两行频谱行的行首频谱中，带宽最窄的频谱就是带宽是3的频谱，显然该带宽是3的频谱不能满足当前服务请求Q的最小充分带宽MSB (Q) = 8. 5 ；
(5)在所述各行行首频谱中带宽最窄的频谱，即带宽是3的频谱所在频谱行内，删去该带宽最窄的频谱，同时，将所述带宽最窄的频谱分别与所述第一行频谱行的各段频谱聚合，形成一行新频谱行，即如下
权利要求
1.一种在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，基于具有频谱聚合的决策和控制功能的基站，所述基站设置在宽带网络系统架构内的网络节点处；其特征在于所述方法包括如下循环执行的步骤 A.所述基站搜索、感知当前时刻的离散频谱，收集形成离散频谱集合0 );同时，搜集当前的带有服务质量要求QoS的#项服务请求( )队列，#是不小于I的自然数； B.根据各自的服务质量要求QoS确定各项服务请求( )的最小充分带宽(#53(Qm))-, 针对任一服务请求(4)，以聚合后频谱(&)的带宽0 仏)不小于该服务请求( )的最小充分带宽(MSB ay )为条件，对所述离散频谱集合{B、中的各段离散频谱实施聚合，从而形成聚合后频谱(D与对应服务请求( )的频谱分配映射关系(H，并且从频谱分配映射关系a)中找到带宽浪费最小的一组映射，即令离散频谱集合(们、服务请求(仍和频谱分配映射关系(r)满足目标函数，
2.根据权利要求I所述的在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，其特征在于 所述步骤B还包括如下分步骤，BI.根据各自的服务质量要求QoS确定各项服务请求( )的最小充分带宽(MSB(Qm))'B2.针对任一服务请求(仏)，对所述离散频谱集合0 )用子集生成算法从聚合后频谱中找出的带宽(AD与所述最小充分带宽{MSB化#刀的差值最小的带宽最小浪费聚合后频谱(办孤)。
3.根据权利要求2所述的在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，其特征在于 所述分步骤B2，即子集生成算法包括如下分步骤， B21.按带宽升序排列所述离散频谱集合0 )中的各段频谱，形成第一行频谱行； B22.找出将各行行首频谱中带宽最窄的频谱，并且比较该最窄频谱的带宽是否不小于所述最小充分带宽(#59 ( )),如果是，执行步骤B24 ;如果否，执行一下步骤B23 ； B23.在步骤B22所述各行行首频谱中带宽最窄的频谱所在频谱行内，删去该带宽最窄的频谱，同时，将所述带宽最窄的频谱分别与步骤B21所述第一行频谱行的各段频谱聚合，形成一行新频谱行；返回执行步骤B22 ； B24.将步骤B22找出的各行行首频谱中带宽最窄的频谱做为所述带宽最小浪费聚合后频谱(&)。
4.根据权利要求I所述的在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，其特征在于 所述宽带网络系统架构包括Node B基站和演进型eNode B基站。
5.根据权利要求I所述的在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，其特征在于 所述方法工作在网络的介质访问控制MAC层。
全文摘要
本发明提出一种在频谱聚合过程中按照最小浪费准则优化频谱分配的方法，基于具有频谱聚合的决策和控制功能的基站，所述基站设置在宽带网络系统架构内的网络节点处，本发明引入最小带宽浪费准则，以及在这个准则下的，普遍适用的最优分配解决方案和步骤，以及实施的方法，从而在所有可能形成的聚合频谱中分配给服务请求QM的最小带宽浪费的频谱。本发明提供的最小浪费准则下的频谱分配方法和过程，可保证分配的频谱资源的使用达到最小浪费。在频谱资源日益紧张的背景下，本发明将有巨大的实际意义，一旦实施，将产生巨大的经济效益。
文档编号H04W16/10GK102752757SQ20111009813
公开日2012年10月24日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者周维鸥, 方军 申请人:深圳清华大学研究院