一种基于信道频选特性的时频资源分配方法与流程

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种基于信道频选特性的时频资源分配方法。

背景技术：

在LTE(Long Term Evolution)系统设计中，无线资源管理(Radio Resource Management,RRM)提供了空中接口的无线资源管理功能，确保了空中接口资源的有效利用，是维持系统稳定工作，保证各个用户通信质量最为关键的一环。而LTE系统较高的传输速率、繁多的业务种类，对无线资源管理提出了极大的挑战。

无线资源管理的目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障。其基本出发点是在网络话务量分布不均匀，信道特性因信道衰落和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞，保持尽可能小的信令负荷。

无线资源管理技术包括以下几个方面：1)接纳控制及负载控制，以避免系统的拥塞和不稳定；2)信道分配及功率分配，以最大化系统资源的利用效率；3)切换控制，以提供移动性支持；4)系统状态监控，以保证系统正常运行。其中，合理的资源分配方案在提升系统性能方面具有重要意义，相关研究已经成为无线通信研究领域的热点。

目前，资源调度策略的相关研究还不是非常成熟，现有资源调度方案大多从保证用户公平性和最大化系统容量的角度出发，并没有考虑信道频选特性等因素所带来的影响。现有技术中，典型上行调度方案包括轮询(Round Robin,RR)算法、最大载干比(Max Carrier to Interference,Max C/I)算法和比例公平(Proportional Fair,PF)算法三种。

轮询算法，也称为公平时间算法，其基本实现方法是：一个小区内的用户按照顺序逐一循环占用完全相等的资源用于自身数据传输。该方案将资源周期性分配给用户，而不区别不同用户的优先级，能够保证每个用户传输数据所使用的总时间完全相等，即保证了用户的公平性。轮询调度算法流程如图1所示。尽管轮询算法保证了用户的长期公平性和短期公平性，且计算复杂度不高，非常容易实现，但由于资源分配时，该方案没有考虑每个用户具体的信道情况以及业务需求，使系统资源产生了浪费，系统吞吐量不是很高。

最大载干比算法将所有等待调度的用户按照其接收信号的C/I预测值大小进行排序，将时频资源优先分配给信道质量最好的用户使用，从而能保证系统容量的最大化。其资源分配流程如图2所示。最大载干比算法保证任意时刻总是C/I最大的用户获得服务，从而能够达到无线资源的最大利用率，获得最大的系统容量。但是，该方案忽略了用户之间的公平性，距离基站近的用户由于其信道条件好，可能被持续调度；而处在小区边缘的用户因其载干比较低，可能始终无法分配到时频资源，导致部分用户资源“饿死”的现象出现。

与轮询算法和最大载干比算法不同，比例公平算法兼顾了用户的公平性和系统的吞吐量。该方案给小区内的每个用户分配一个优先级，该优先级定义如公式(1)和公式(2)所示。

$P_i=\frac{{\mathrm{DRC}}_i\left(t\right)}{\stackrel{\‾}{R_l\left(t\right)}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{R_l\left(t\right)}=(1-\frac{1}{t_c})\stackrel{\‾}{R_l(t-1)}+\frac{1}{t_c}{\mathrm{DRC}}_i(t-1)---\left(2\right)$

其中，DRC_i(t)是第i个用户在t时刻可以达到的最大传输速率，是该用户在t时刻之前的平均传输速率，t_c是更新时间窗。当用户进行连续通信时，将持续增大，该用户的优先级将逐渐减小，从而保证小区内信道质量最好的用户不会一直占用资源。此外，不同用户的DRC_i(t)满足独立同分布，所以任意时刻同一小区内不同用户得到服务的概率是相同的，保证了用户的公平性。比例公平算法的处理流程如图3所示。比例公平方案在一定程度上保证了时频资源不会被个别信道质量好的用户一直占用，保护了用户的公平性，同时资源调度方案考虑了用户信道状况，保证时频资源优先分配给信道质量好的用户，保证了较大的系统吞吐量。

然而，轮询方案、最大载干比方案和比例公平方案均仅从用户公平性和系统吞吐量的角度确定资源分配方案，而事实上，信道频选特性等因素在对系统性能的影响同样不可忽视。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于信道频选特性的时频资源分配方法，是基于信道频选特性的资源块(Resource Block,RB)分配方案，在提升LTE系统性能方面具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在上行资源调度方案中考虑信道频选特性所带来的影响，提升用户通信性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于信道频选特性的时频资源分配方法，包括以下步骤：

步骤1、利用射线跟踪法按照通信环境参数对信道进行建模；

步骤2、设定信号参数；

步骤3、通过LTE上行链路仿真确定信道特性；

步骤4、用户向基站反馈各个子带对应的信道信息；

步骤5、所述基站对各个子带的所述信道信息进行比较，如果在各个子带上无法支持同一编码调制方式进行传输，或是使用同一编码调制方式在部分子带上无法获得预期性能，则认为所述信道具有较强的频率选择性；如果能够在全带宽上使用相同编码调制方式进行传输并达到预期性能，则认为所述信道服从平坦衰落；

步骤6、对于信道服从频率选择性衰落的用户，按照用户的需求分配相应的时频资源；对于信道服从平坦衰落的用户，则分配较少量的时频资源。

进一步地，所述通信环境参数包括评估区域的建筑密度、建筑高度分布、建筑尺寸和散射体在建筑物上的分布方式。

进一步地，所述步骤1中还包括根据所述通信环境参数进行随机撒点模拟，分析信号经由各个散射体的传输到达接收端的信号功率；对接收到的各径信号功率进行统计量化得到信道的功率时延谱。

进一步地，所述信号参数包括载波带宽BW、载波频率f、信号发射功率P_T、天线增益A、馈线损耗P_lt和噪声系数NF。

进一步地，所述步骤3中还包括将根据步骤1所得到的信道功率时延谱代入LTE上链路仿真得到不同信噪比下信号的误块率。

进一步地，所述步骤3中还包括设置用户解调门限为误块率10％所对应的信噪比值。

目前现有的上行资源调度方案均从用户公平性和系统吞吐量的角度考虑，而并未考虑信道频选特性所带来的影响。事实上，对于平坦衰落信道而言，带宽增大将导致解调门限上升，用户性能变差；而对于频率选择性信道，大带宽意味着能更好的对抗深衰，用户通信性能将得到提升。因此，本发明提出了一种基于信道频选特性的资源块分配方案，首先通过LTE链路仿真，证实了信道频选特性对用户性能的影响，即频选特性强的信道，用户解调门限随带宽增大而变低，通信性能增强；平坦衰落的信道，用户解调门限随分配带宽增大而增大，通信性能恶化。基于该结论，本发明提出如下时频资源分配方案：对于服从频率选择性衰落的信道，基站尽可能将时频资源分给少量用户使用；对于服从平坦衰落的信道，基站则将时频资源分配给尽可能多的用户使用，每个用户占用少量资源块，从而实现频谱资源利用率的提升。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术中的轮询调度算法资源分配流程示意图；

图2是现有技术中的最大载干比算法资源分配流程示意图；

图3是现有技术中的比例公平算法资源分配流程示意图；

图4是本发明的不同带宽对应LTE上行链路仿真结果；

图5是本发明的LTE上行信道在不同建筑密度区域不同带宽的子带信道图(左：郊区，右：城市)；

图6是本发明的不同带宽下，城市与郊区信道增益示意图；

图7本发明的一个较佳实施例的方法流程图。

具体实施方式

如图7所示，本发明所述的基于信道频选特性的时频资源分配方法，包括以下步骤：

a)利用射线跟踪法对信道进行合理建模。通信环境参数包括评估区域的建筑密度、建筑高度分布、建筑尺寸，散射体在建筑物上的分布方式等。根据环境参数进行随机撒点模拟，利用射线跟踪法分析信号经由各个散射物的传输到达接收端的信号功率。对接收到的各径信号功率进行统计量化，可以得到信道的功率时延谱。

b)信号参数设定。信号相关参数包括载波带宽BW、载波频率f、信号发射功率P_T、天线增益A、馈线损耗P_lt和噪声系数NF。

c)LTE上行链路仿真，确定信道特性。将根据步骤a)所得到的信道功率时延谱代入LTE链路仿真平台进行仿真，可以得到不同信噪比(SNR)下信号的误块率(Block Error Rate，BLER)，即SNR-BLER曲线。不同带宽下的SNR-BLER曲线如图4所示。

定义用户解调门限为误块率10％所对应的SNR值。由上行链路仿真结果可以明显看出，随着所分配带宽增大，在建筑较为密集的城市区域，用户解调门限减小，即性能得到提升；而在建筑密度较小的城郊、乡村，用户分配到的带宽增大，解调门限反而变大，即用户性能变差。

d)确定时频资源分配方案。LTE上行链路仿真证实(如图5和图6所示)，在建筑密度较为稀疏的通信场景(图6中灰线所示)，信道多径分量较少，接收信号的功率集中于首径，信道可以视为单径瑞利信道，服从平坦衰落，当通信带宽增大时，如果将更多的资源块分配给单个用户通信使用，尽管误比特率(Bit Error Rate，BER)不会出现太大波动，由于包长变长，误块率BLER将出现恶化；而对于建筑密度较大的区域(图6中黑线所示)，由于其信道包含丰富的多径分量，具有频率选择性，在大带宽的条件下性能反而能够得到提升。

综上，我们使用如下时频资源分配方案：小区内不同位置的用户首先向基站反馈各个子带对应的信道质量指示(Channel Quality Indicator，CQI)。基站对各个子带的CQI进行比较，如果在各个子带上无法支持同一编码调制方式进行传输，或是使用同一编码调制方式在部分子带上无法获得预期性能，则认为所述信道具有较强的频率选择性；如果能够在全带宽上使用相同编码调制方式进行传输并达到预期性能，则认为所述信道服从平坦衰落。对于信道服从频率选择性衰落的用户，因为用户性能随着分配带宽增大而有所提升，因此按照用户的需求分配相应的时频资源；对于信道服从平坦衰落的用户，因为用户分配到的带宽越大，解调门限反而变差，因此仅给该用户分配较少量的时频资源。

本发明首先通过LTE链路仿真，证实了信道频选特性对用户性能的影响，即频选特性强的信道，用户解调门限随带宽增大而变低，通信性能增强；平坦衰落的信道，用户解调门限随分配带宽增大而增大，通信性能恶化。基于该结论，本发明提出如下时频资源分配方案：对于服从频率选择性衰落的信道，基站尽可能将时频资源分给少量用户使用；对于服从平坦衰落的信道，基站则将时频资源分配给尽可能多的用户使用，每个用户占用少量资源块，从而实现频谱资源利用率的提升。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。