基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，考虑了上下行的非对称信道的接入，提高了用户的传输速率；提出了一种UM-ABS协议，重新设计了传统的ABS协议，通过把宏基站在几乎空白子帧(ABS)的下行静默改为可以配置宏用户的上行传输，有效的提高了ABS子帧的利用率，改善了系统容量；提出了松弛-取整算法，使得用户有效地接入宏基站或者微基站，同时使得UM-ABS协议得到很好地配置，并且对上下行传输的时间资源进行有效地分配。本发明改善了系统的负载均衡和系统的容量，提高了用户传输速率，使得整个系统的性能得到了很大的提升。
【专利说明】基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信网络【技术领域】，尤其涉及一种基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法。
【背景技术】
[0002]随着蜂窝网络的发展，为了满足快速增长的无线业务需求，3GPPLTE-AdVanced在Rel-1l中提出了异构蜂窝网络的概念。在高功率的宏基站覆盖范围内部署低功率的节点，形成多层的异构蜂窝网络，以改善热点区域的覆盖和容量，提高频谱利用率。这些低功率的节点分为微微蜂窝(picocells)和家庭基站(femtocells)。其中微微蜂窝覆盖范围在几百米，大多部署在室外，可以被所有用户使用；家庭基站覆盖范围几十米内，主要部署在室内，限制在家庭用户中使用。随着小基站的大量部署，尤其是家庭基站的大量使用，在未来无线网络中基站的数量很可能超过手机终端。
[0003]宏蜂窝和微微蜂窝组成的异构双层网络场景，其中宏蜂窝和微微蜂窝被同一个运营商运营，以便于进行集中的干扰协调和管理。在宏蜂窝和微微蜂窝共同组成的双层网络中，由于不同层之间共享相同的频谱，会带来严重的同层干扰和跨层干扰，影响蜂窝网络的性能。在异构蜂窝网络，研究减少或者消除同层干扰和跨层干扰是现在研究的热点问题也是难点问题。因此，3GPP在干扰管理中提出elCIC，旨在宏基站和微基站之间在时域进行干扰协调，减小宏基站对微微蜂窝的干扰。
[0004]在异构蜂窝网络中，由于基站的发射功率不同，覆盖范围不同，根据传统的最大的SINR的接入方式，微微基站会常处于轻负载，而宏基站将会处于重负载，大部分用户接入宏基站。因此，拥塞和负载将会成为影响用户速率的主要因素。有人以速率效用最大化为目标建立优化模型研究用户接入的问题，并求得的接收功率的偏置(bias)，基于偏置(bias)的接入可以获得该问题的次优解，发现比采用最大SINR接入，边缘用户可以获得3.5倍的速率增益，中心用户可以获得2倍的速率增益，原因是以速率效用最大化为目标的优化问题，负载从宏蜂窝转移到微微蜂窝，负载更加均衡。但是负载均衡会导致转移到微微蜂窝中用户的接收功率变小，并且易受到宏基站更严重的干扰。针对这个问题，3GPP提出了 elCIC的对于下行的几乎空白子巾贞(ABS, Almost Blank Subframes)方案宏蜂窝在特定的时间/频率资源静默，不进行传输，使得在该静默期即几乎空白子帧上转移到微微蜂窝的用户可以接收更大的SINR，获得更大的传输速率。尽管宏蜂窝由于在ABS子帧静默会产生一定的速率损失，但如果微微蜂窝在ABS子帧同时传输的用户数量足够多，则可以获得更大的系统容量的提升和满足更多的用户QoS要求。但elCIC的提出仅针对下行，没有考虑上行的情况。
[0005]在异构蜂窝网中，由于不同类型基站的下行传输功率不同，宏蜂窝比微微蜂窝有更大的覆盖范围。而对于上行，用户传输相同的功率，基站的覆盖范围几乎相同。因此，上下行有不同的SINR分布，上下行不应该接入相同的基站。对于不同类型的业务，上下行业务的负载比重不同，但是对于对称业务，上下行的负载比重却是相同的。所以需要考虑用户上下行非对称新到的接入问题。现有的文章中，有人研究了在单个基站和多用户场景下，联合考虑上下行，研究多用户空间复用的速率容量，并给出了根据上下行的业务负载比例，在给定的移动速度下，确定导频和CSI (channel state information)比例的算法。但没有考虑异构蜂窝网络中多个基站的情况。也有人研究了在TDD-LTE(Time Division DuplexingLong Term Evolution)的异构蜂窝网络系统中如何进行动态的上下行时间资源的配置避免跨层干扰的问题，并通过仿真显示了动态的上下行配置可以带来系统性能的改善，但没有给出最优的上下行配置比例以及相关的配置算法。
[0006]现有的基于ABS的接入算法存在的没有考虑上下行的非对称信道接入，用户传输速率较低，没有对上下行传输的时间资源进行有效地分配。
【发明内容】
[0007]本发明实施例的目的在于提供一种基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，旨在解决现有的基于ABS的接入算法存在的没有考虑上下行的非对称信道接入，用户传输速率较低，没有对上下行传输的时间资源进行有效地分配的问题。
[0008]本发明实施例是这样实现的，一种基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，各个微基站和用户通过控制信道将各自的信道条件和干扰信息上报给宏基站中的eNode B,之后eNode B将为资源的调度进行统一的计算。计算完毕后，eNode B发送给各个微基站和用户所能够使用的资源信息，其中包括用户的上下行分别接入哪个基站、所发明的UM-ABS协议配置情况、用户传输速率。最后，微基站和用户根据这些信息进行数据传输。
[0009]本发明实施例的另一目的在于提供一种上下行非对称接入方式的发明，该发明使得用户的上下行可以进行动态接入基站，即用户上下行根据情况可以分别接入不同的基站，也可以接入相同的基站。该发明能够有效地利用资源，提高用户传输速率，改善系统容量。
[0010]本发明实施例的另一目的在于提供一种UM-ABS协议的发明，该发明对传统的ABS协议进行了重新设计，通过改变宏基站的在几乎空白子帧(ABS)的下行静默改为可以配置用户的上行传输，进而有效地利用了 ABS子帧，提高用户传输速率。
[0011]本发明实施例的另一目的在于提供一种松弛-取整算法，该算法的目的在于计算上述所提到的上下行非对称接入情况、配置UM-ABS协议以及计算用户的传输速率和系统容量。
[0012]本发明提供的基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，考虑了上下行的非对称信道的接入，提高了用户的传输速率；提出了一种UM-ABS协议，重新设计了传统的ABS协议，通过把宏基站在几乎空白子帧(ABS)的下行静默改为可以配置宏用户的上行传输，有效的提高了 ABS子帧的利用率，改善了系统容量；提出了松弛-取整算法，使得用户有效地接入宏基站或者微基站，同时使得UM-ABS子帧得到很好地配置，并且对上下行传输的时间资源进行有效地分配。本发明改善了系统的负载均衡和系统的容量，提高了用户传输速率，使得整个系统的性能得到了很大的提升。
【专利附图】
【附图说明】[0013]图1是本发明实施例提供的基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法的流程图；
[0014]图2是本发明实施例提供的异构蜂窝网络中联合上下行的干扰模型示意图；
[0015]图3是本发明实施例提供的用户上下行对称接入和非对称接入示意图；
[0016]图4是本发明实施例提供的elCIC的ABS和UM-ABS帧结构示意图；
[0017](a) elCIC 的 ABS 和 UM-ABS 的帧结构；(b) elCIC 的 ABS 和 UM-ABS 的帧结构；
[0018]图5是本发明实施例提供的系统容量随用户数的变化情况仿真示意图；
[0019]图6是本发明实施例提供的系统容量随微基站数目的变化情况仿真示意图；
[0020]图7是本发明实施例提供的用户上下行速率和总速率的CDF曲线仿真示意图；(a)用户上行速率的CDF曲线；(b)用户下行速率的CDF曲线；用户总速率的CDF曲线；
[0021]图8是本发明实施例提供的宏基站和微基站中的负载随着微基站数目的变化情况仿真示意图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0024]如图1所示，本发明实施例的基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法包括以下步骤:
[0025]SlOl:构建一个双层的TDD-LTE异构蜂窝网络系统，该系统由宏基站、微基站以及用户组成。其中，用户上下行接入基站可以动态配置，即上下行可以进行非对称接入；
[0026]S102:各个微基站和用户通过控制信道将各自的信道条件和干扰信息上报给宏基站中的eNode B,然后该eNode B为资源的调度进行统一的计算；
[0027]S103:eNode B根据用户所接收到的信号强度，分别选择信号最强的一个宏基站和一个微基站作为用户下行动态接入的集合。然后根据松弛-取整算法对用户的下行接入进行选择；对用户的上行，eNode B根据接收到的信号强度，选择接收到的信号强度最强的基站让其接入；
[0028]S104:根据松弛-取整算法，eNode B为宏基站和微基站配置所发明的UM-ABS协议，即配置宏基站需要保持下行静默并且可以进行上行传输的UM-ABS子帧数Ap以及所有基站都可以进行上下行传输的non-UM-ABS子帧数Nm ；
[0029]S105:根据松弛-取整算法，eNode B为用户分配接入宏基站或微基站上下行需要传输的时间资源以及可进行传输的速率，并且得到系统总容量；
[0030]S106:计算结束后，宏基站中的eNode B将资源管理和调度的结果通过控制信道传送给各个微基站和用户，从而调度用户进行有效的数据传输。
[0031]在步骤SlOl中所提到的动态配置上下行接入基站具体描述如下:
[0032]用户上下行根据接收到的信号强度动态接入基站，可以进行非对称接入也可以进行对称接入，其中非对称接入指的是用户上下行根据信道状态信息可以分别接入不同的基站；对称接入指的是用户上下行都接入同一个基站；对于下行接入，用户根据整个带宽接收到的信号强度，分别选择信号最强的一个宏基站和一个微基站作为下行非对称接入的集合，再根据松弛-取整算法选择接入哪个基站；对于上行接入，在所有宏基站和微基站中，用户根据接收的信号强度，选择接收到的信号强度最强的基站接入；
[0033]在步骤S104中所提到的UM-ABS协议具体解释如下:
[0034]UM-ABS 帧协议(Uplink Transmission for Macro Users in ABS)中规定了两种子帧UM-ABS子帧和non-UM-ABS子帧，帧的总长度为10ms，在UM-ABS子帧上，宏基站需要进行保持下行静默，而接入宏基站的用户可以进行上行传输，微基站上下行都可以进行传输；在non-UM-ABS子帧上，所有基站都可以进行上下行的传输；
[0035]在步骤S105中所提到的松弛-取整算法包括松弛和取整两步，其中第一步松弛包括以下步骤:
[0036]步骤一，根据干扰和UM-ABS协议建立SINR模型，并且采用香农公式得到用户可利用的平均传输速率ru;
[0037]步骤二，采用效应函数Ln (Ru)和用户可利用的平均传输速率ru建立基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载均衡问题模型OPl (Optimization Probleml),并证明该问题为NP-hard模型,求解的变量表示为:
[0038]
【权利要求】
1.一种基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，其特征在于，该基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法包括: 第一步，构建一个双层的TDD-LTE异构蜂窝网络系统，该系统由宏基站、微基站以及用户组成；其中，用户上下行接入基站可以动态配置，即上下行可以进行非对称接入； 第二步，各个微基站和用户通过控制信道将各自的信道条件和干扰信息上报给宏基站中的eNode B,然后该eNode B为资源的调度进行统一的计算； 第三步，eNode B根据用户所接收到的信号强度，分别选择信号最强的一个宏基站和一个微基站作为用户下行动态接入的集合；然后根据松弛-取整算法对用户的下行接入进行选择；对用户的上行，eNode B根据接收到的信号强度，选择信号强度最强的基站让其接A ； 第四步，根据松弛-取整算法，eNode B为宏基站和微基站配置所发明的UM-ABS协议，即配置宏基站需要保持下行静默并且可以进行上行传输的UM-ABS子帧数Ap以及所有基站都可以进行上下行传输的non-UM-ABS子帧数Nm ； 第五步，根据松弛-取整算法，eNode B为用户分配接入宏基站或微基站上下行需要传输的时间资源以及可进行传输的速率，并且得到系统总容量； 第六步，计算结束后，宏基站中的eNode B将资源管理和调度的结果通过控制信道传送给各个微基站和用户，从而调度用户进行有效的数据传输。
2.如权利要求 1所述的基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，其特征在于，第一步中的上下行动态接入特征在于，用户上下行根据接收到的信号强度动态接入基站，可以进行非对称接入也可以进行对称接入，其中非对称接入指的是用户上下行根据信道状态信息可以分别接入不同的基站；对称接入指的是用户上下行都接入同一个基站；对于下行接入，用户根据整个带宽接收到的信号强度，分别选择信号最强的一个宏基站和一个微基站作为下行非对称接入的集合，再根据松弛-取整算法选择接入哪个基站；对于上行接入，在所有宏基站和微基站中，用户根据接收的信号强度，选择接收到的信号强度最强的基站接入。
3.如权利要求1所述的基于增强型小区间干扰协调联合上下行负载分配方法，其特征在于，在第四步中提出的UM-ABS帧协议中规定了两种子帧，UM-ABS子帧和non-UM-ABS子帧，帧的总长度为10ms，在UM-ABS子帧上，宏基站需要保持下行静默，而接入宏基站的用户可以进行上行传输，微基站上下行都可以进行传输；在non-UM-ABS子帧上，所有基站都可以进行上下行的传输。
4.如权利要求1所述的基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，其特征在于，第三、四、五步中的松弛-取整算法包括松弛和取整两步。
5.如权利要求4所述的基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，其特征在于，第一步松弛包括以下步骤: 步骤一，根据干扰和UM-ABS协议建立SINR模型，并且采用香农公式得到用户可利用的平均传输速率ru ； 步骤二，采用效应函数Ln(Ru)和用户可利用的平均传输速率ru建立基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载均衡问题模型0P1，并证明该问题为NP-hard模型，求解的变量表示为:
6.如权利要求4所述的基于增强型小区间干扰协调联合上下行负载分配方法，其特征在于，第二步的取整操作详细步骤如下: 步骤一，取整Nm和Ap:将Nm和Ap由正实数变为整数采用如下操作:
【文档编号】H04W28/08GK103957563SQ201410218970
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】刘勤, 郑杰, 黄鹏宇, 周天卫, 李钊, 李建东 申请人:西安电子科技大学