一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法
【专利摘要】一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，本发明属于无线通信系统中的中继【技术领域】。本发明的目的是通过提出合理的上行资源分配算法，解决目前中继系统资源分配算法系统开销大、并未兼顾公平性和吞吐量的问题。基站根据直传用户和中继用户的业务需求量动态地为中继和直传用户分配频率资源；接入链路的上行子帧中上中继采用动态的资源分配方法调度中继用户，直传链路上基站采用动态的资源分配方法调度直传用户；回程链路的上行子帧中基站基于中继用户在中继缓存的队列信息为中继用户资源分配，同时，基站采用动态的资源分配方法调度直传用户。本发明方法既能更好地提升中继用户的性能，又能满足用户的公平性。
【专利说明】-种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的 上行资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信系统中的中继【技术领域】，特别涉及一种TD-LTE-Advanced中 继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 近几年中，人们对移动通信的高数据速率、高服务质量、业务多样化的需求 日益增长，为了应对这个趋势，第三代合作伙伴计划G lrd Generation Partnership Project，3GPP)组织提出了以 LTE(Long Term Evolution)为基础的 LTE-Advanced 系统。 LTE-Advanced系统，对LTE具有很强的兼容性，提出了超过lGbit/s的下行峰值速率和超过 500Mbit/s的上行峰值速率性能指标。在小区中心，可沿用LTE中基站端的0FDMA、MM0、发 射分集等技术，但对于同样高吞吐量业务需求的小区边缘，这些技术还不能够解决其受到 的邻小区干扰问题。因此，LTE-A引入了中继（Relay)技术。中继技术能以经济有效的方 式扩大小区覆盖面积，改善小区边缘用户的通信质量，加强用户间的公平性，提升系统的整 体性能。对于LTE-A系统中提出的高峰值速率、高工作频段的要求，中继技术无疑是扩大小 区覆盖范围、提高系统性能、减弱小区边缘干扰影响的有效手段。并且，中继的复杂度远低 于基站，它体积小，重量轻，低功率，增加终端接入选择自由度，节省终端的发射功率，从而 延长电池寿命，中继还具有架设布网方便、运营维护成本低的优点。因此如何合理有效地利 用中继成为当前的研究热点。
[0003] 如何有效地利用中继以提升系统性能很大程度上取决于基站采取何种资源分配 策略来处理用户对无线资源的竞争问题，在中继系统中既存在用户与基站直接连接的单跳 链路又存在经由中继的两跳链路，资源分配需要考虑很多因素，包括基站-中继节点、中继 节点-用户、基站-用户的信道特性，以及基站和中继节点的负载情况。传统蜂窝网络的单 跳资源分配算法并不适用于LTE-A中继系统，而合理有效的资源分配直接关系到整个通信 系统的性能，因此，对LTE-A中继系统中的资源分配算法的研究是非常重要也是非常必要 的。
[0004] 目前LTE存在两大主流标准，其中，由我国主导制定的TD-LTE标准也正向 TD-LTE-Advanced演进。本发明基于TD-LTE-Advanced系统，研究中继系统的资源上行分配 算法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的 上行资源分配方法，以提高TD-LTE-Advanced中继系统的性能，增加上行系统吞吐量，同时 保证用户间公平性，兼顾LTE用户上行资源连续性分配的要求，实现通信系统能合理有效 地分配资源。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0007] 本发明提供一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源 分配方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤一、基站根据直传用户和中继用户的业务需求量动态地为中继和直传用户 (Macro UE)分配频率资源；
[0009] 步骤二、中继在接入链路上采用动态的资源分配方法调度中继用户（Relay UE)， 同时基站在直传链路上采用动态的资源分配方法调度直传用户；
[0010] 步骤三、基站在回程链路上基于中继用户在中继缓存的队列信息为中继用户资源 分配，同时，基站采用动态的资源分配方法调度直传用户；即完成一种TD-LTE-Advanced中 继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法。
[0011] 步骤一中直传用户和中继用户频率资源的初始划分的分配原则为：
[0012] 初始划分步骤如下：
[0013] a、参数设定：设A为分配给Macro UE的资源块的集合，ε ^为分配给中继r的资 源块的集合，设Cm为％中资源块η的承载能力；初始设置为A= [1，2,…，M]，€ =0，（； 为基站处归属于中继r的中继用户的用户队列缓存的业务数据的总和，(^为基站处直传用 户的用户队列缓存的业务数据的总和，R为小区内中继数量；
[0014] b、为中继r分配与前一个分配出的资源块连续的资源块，将此资源块从A中删除， 添加到L中；每分配一个资源块进行步骤c的判断；
[0015] c、若A是为空集，则初始划分过程结束，反之，继续判断；若Σ 重复步骤b ; 若Σ cm彡Cy r = r+1，若;KR则重复步骤b，否则初始划分过程结束；
[0016] 初始过程得到的分配给Macro UE的资源块数md以及分配给中继r的资源块数m, 作为后续动态分配的输入参数，之后的子帧内采用动态调整划分方法，其过程如下：比较(； 与HV的比值和扒与叫的比值，如果前者小，则将L中的资源块划分给直传用户集，直至 前者不小于后者；如果后者小，则将（^中的资源块划分给中继 r，直至后者不小于前者；完 成对所有中继和直传用户集的比较和划分调整，即结束当前子帧的频率划分。
[0017] 所述步骤二中接入链路和直传链路的资源分配过程为：
[0018] 依次遍历资源块，从编号为1的资源块开始，首先计算待调度用户集中的所有用 户在该资源块上的优先级，在优先级矩阵中查找对应该资源块优先级最大的用户，并将该 资源块分配给此用户；随后，判断此用户分配到该资源块后其业务需求能否得到满足，若能 被满足，将此用户从调度用户集中删除，继续分配下一个尚未分配的资源块；若未被满足， 考虑到上行资源分配连续性要求，则将和上一次被分配到的资源块连续的资源块分配给此 用户，直至此用户在当前子帧内得到的资源块达到系统设置的资源块数目上限，或是此用 户的业务需求被满足，继续遍历下一个未被分配的资源块；当待调度用户集为空或所有资 源块均被分配，结束当前子帧内的调度。
[0019] 在接入链路和直传链路的资源分配中，所述用户在相应资源块上的优先级计算方 法如下：
[0020] priori!^ (,?= 聊)) ?Π ?)
[0021] 式中，W为第q个资源块的带宽，为用户χ在第q个资源块上的信噪比， 咐是窗吞吐量，如下所示：
[0022] Fw = I 1-7 F(?-i)+v/r(n-1) \ I) ?
[0023] 式中，Rx(n-1)为用户X在子帧η-1的瞬时吞吐量，T为时间窗口大小。
[0024] 所述步骤三的实现过程为：
[0025] 中继用户在竞争回程链路的资源来传送自己的业务数据，回程链路基于中继缓存 信息的资源分配算法的优先级设定为中继处用户队列中各中继用户待传送的比特数；具体 方法为：查找待调度用户集中优先级最大的中继用户，基站将该中继在权利要求2中划分 得到的频率资源中的一个资源块分配给该用户，更新该用户优先级，并判断该中继用户在 中继缓存的待传输比特数是否为零，若为零则将该用户从待调度用户集中删除；重复上述 步骤，直至待调度用户集为空或所有资源块均被分配，即完成回程链路的资源分配过程。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] 本发明中的TD-LTE-A中继系统上行资源分配算法对于系统吞吐量和用户公平性 的性能均有提高，本发明中的动态调整频率划分方法既适用于用户需求量相当又能适用于 用户需求量不对等的情况，本发明的基于队列信息的回程链路方法较好地均衡了回程链路 和接入链路，并节省了系统开销。本发明的目的是通过提出合理的上行资源分配算法，提高 TD-LTE-A中继系统中的上行性能，解决了目前中继系统资源分配算法系统开销大、并未兼 顾公平性和吞吐量的问题。
[0028] 本发明的效果在于，对比本发明提出的算法和无中继系统以及其它算法的性能中 发现：中载时，中继用户的平均吞吐量是无中继系统中相应用户的6倍，系统总吞吐量提高 了 16% ;与其它算法对比，本发明算法能够达到更高的Jain' s公平性指数和更大的吞吐 量。本发明方法既能更好地提升中继用户的性能，又能满足用户的公平性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1为【具体实施方式】一所述的动态频率划分方法的流程示意图；
[0030] 图2为【具体实施方式】二所述的上行接入和直传链路动态分配算法的流程示意图；
[0031] 图3为【具体实施方式】三所述的上行基于用户队列信息的回程链路分配算法的流 程不意图；
[0032] 图4为实施例所述的TD-LTE-A中继系统上行资源调度流程图；
[0033] 图5为【具体实施方式】二所述的频率划分算法和现有的基于用户数目划分算法的 对比曲线示意图；
[0034] 图6为【具体实施方式】五所述的基于用户队列信息的回程链路分配算法与现有的 回程链路轮循算法对比曲线示意图；
[0035] 图7为本发明（【具体实施方式】一）所述的TD-LTE-Advanced中继系统上行资源分 配方法在轻载、中载、重载情况下的中继用户平均吞吐量增益柱状图；
[0036] 图8为本发明（【具体实施方式】一）所述的TD-LTE-Advanced中继系统上行资源分 配方法在轻载、中载、重载情况下的所有用户平均吞吐量增益柱状图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0037] 一：本实施方式所述的TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和 公平性的上行资源分配方法，包括如下步骤：
[0038] 步骤一、基站根据直传用户和中继用户的业务需求量动态地为中继和直传用户分 配频率资源；
[0039] 步骤二、接入链路的上行子帧中上中继按照比例公平算法的优先级为中继用户分 配资源，同时直传链路上基站采用比例公平算法为直传用户分配资源；
[0040] 步骤三、回程链路的上行子帧中基站基于中继用户在中继缓存的队列信息为中继 用户资源分配，同时，基站为直传用户分配资源；即完成一种TD-LTE-Advanced中继系统中 兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法。
【具体实施方式】 [0041] 二：本实施方式是对一所述的TD-LTE-Advanced中继 系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法的进一步限定，
[0042] 所述步骤一中直传用户和中继用户频率资源的初始划分的分配原则为：
[0043] 初始划分步骤如下：
[0044] a、参数设定。设A为分配给直传用户的资源块的集合，L为分配给中继r的资源 块的集合，设Cm为％中资源块η的承载能力。初始设置为A= [1，2,…，M]，f,.=0，（； 为基站处归属于中继r的中继用户的用户队列缓存的业务数据的总和，(^为基站处直传用 户的用户队列缓存的业务数据的总和。
[0045] b、为中继r分配与前一个分配出的资源块连续的资源块，将此资源块从A中删除， 添加到L中。每分配一个资源块进行步骤c的判断。
[0046] c、若A是为空集，则初始划分过程结束，反之，继续判断。若Σ 重复步骤b ; 若Σ cm彡Cy r = r+1，若;KR则重复步骤b，否则初始划分过程结束。
[0047] 初始过程得到的分配给直传用户（直传用户）的资源块数md以及分配给中继!的 资源块数πν作为后续动态分配的输入参数，之后的TTI内采用动态调整分配方法，具体方 法见说明书附图1。
【具体实施方式】 [0048] 三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对一所 述的TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法的进一步限 定，
[0049] 步骤二中接入链路和直传链路的资源分配方法思想：
[0050] 选择优先级矩阵中增益最大值，完成UE-RB(用户-资源块）之间的对应，之后根 据连续性的要求，考虑和该资源块连续的资源块，尽量满足该用户的需求。如果已经能够满 足该用户需求，则认为该用户结束本次资源分配，如果分配给该用户的无线资源已达到所 规定的每个用户最多可获得的资源块数目值，即使没有能够满足该用户的需求，仍认为该 用户结束本次资源分配，每个用户分配结束后要进行优先级矩阵的处理。
[0051] 具体资源分配方法如图2所示，图2中优先级矩阵由【具体实施方式】4中(fl) 组成。
[0052] 【具体实施方式】四：本实施方式是对【具体实施方式】三所述的接入链路和直传链路的 资源分配方法的进一步限定，优先级矩阵中的优先级计算方法如下：
【权利要求】
1. 一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法，其特 征在于：一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法具体 是按照以下步骤进行的： 步骤一、基站根据直传用户和中继用户的业务需求量动态地为中继和直传用户分配频 率资源； 步骤二、中继在接入链路上采用动态的资源分配方法调度中继用户，同时基站在直传 链路上采用动态的资源分配方法调度直传用户； 步骤三、基站在回程链路上基于中继用户在中继缓存的队列信息为中继用户资源分 配，同时，基站采用动态的资源分配方法调度直传用户；即完成一种TD-LTE-Advanced中继 系统中兼顾吞吐量和公平性的上行资源分配方法。
2. 根据权利要求1所述一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上行 资源分配方法，其特征在于，所述步骤一中直传用户和中继用户频率资源的初始划分的分 配原则为： 初始划分步骤如下： a、 参数设定：设A为分配给Macro UE的资源块的集合，ε ^为分配给中继r的资源块 的集合，设Cm为％中资源块η的承载能力；初始设置为A= [1，2,…，M]，尽=0，（；为基 站处归属于中继r的中继用户的用户队列缓存的业务数据的总和，为基站处直传用户的 用户队列缓存的业务数据的总和，R为小区内中继数量； b、 为中继r分配与前一个分配出的资源块连续的资源块，将此资源块从A中删除，添加 到L中；每分配一个资源块进行步骤c的判断； c、 若A是为空集，则初始划分过程结束，反之，继续判断；若Σ 重复步骤b ;若 Σ Cm彡(；，r = r+Ι，若KR则重复步骤b，否则初始划分过程结束； 初始过程得到的分配给Macro UE的资源块数md以及分配给中继r的资源块数πν作为 后续动态分配的输入参数，之后的子帧内采用动态调整划分方法，其过程如下：比较(；与πν 的比值和（^与％的比值，如果前者小，则将L中的资源块划分给直传用户集，直至前者 不小于后者；如果后者小，则将的资源块划分给中继r，直至后者不小于前者；完成对 所有中继和直传用户集的比较和划分调整，即结束当前子帧的频率划分。
3. 根据权利要求1或2所述的一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平 性的上行资源分配方法，其特征在于，所述步骤二中接入链路和直传链路的资源分配过程 为： 依次遍历资源块，从编号为1的资源块开始，首先计算待调度用户集中的所有用户在 该资源块上的优先级，在优先级矩阵中查找对应该资源块优先级最大的用户，并将该资源 块分配给此用户；随后，判断此用户分配到该资源块后其业务需求能否得到满足，若能被 满足，将此用户从调度用户集中删除，继续分配下一个尚未分配的资源块；若未被满足，考 虑到上行资源分配连续性要求，则将和上一次被分配到的资源块连续的资源块分配给此用 户，直至此用户在当前子帧内得到的资源块达到系统设置的资源块数目上限，或是此用户 的业务需求被满足，继续遍历下一个未被分配的资源块；当待调度用户集为空或所有资源 块均被分配，结束当前子帧内的调度。
4. 根据权利要求3所述的一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平性的上 行资源分配方法，其特征在于：在接入链路和直传链路的资源分配中，所述用户在相应资源 块上的优先级计算方法如下：
式中，W为第q个资源块的带宽，SMRfIii)为用户X在第q个资源块上的信噪比， 是窗吞吐量，如下所示：
式中，Rx(n-1)为用户X在子帧n-1的瞬时吞吐量，T为时间窗口大小。
5. 根据权利要求1、2或4所述的一种TD-LTE-Advanced中继系统中兼顾吞吐量和公平 性的上行资源分配方法，其特征在于，所述步骤三的实现过程为： 中继用户在竞争回程链路的资源来传送自己的业务数据，回程链路基于中继缓存信息 的资源分配算法的优先级设定为中继处用户队列中各中继用户待传送的比特数；具体方法 为：查找待调度用户集中优先级最大的中继用户，基站将该中继在权利要求2中划分得到 的频率资源中的一个资源块分配给该用户，更新该用户优先级，并判断该中继用户在中继 缓存的待传输比特数是否为零，若为零则将该用户从待调度用户集中删除；重复上述步骤， 直至待调度用户集为空或所有资源块均被分配，即完成回程链路的资源分配过程。
【文档编号】H04W72/04GK104394596SQ201410802818
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月22日 优先权日:2014年12月22日
【发明者】吴宣利, 赵婉君, 李卓明, 吴玮, 沙学军 申请人:哈尔滨工业大学