一种应用于下行OFDMA蜂窝网络的区间中继负载均衡方法与流程

本发明是一种应用于下行OFDMA蜂窝网络的区间中继负载均衡方法。主要用于解决过载小区资源紧张相邻小区资源利用率低及用户数据传输速率低的问题，属于蜂窝网络通信技术领域。

背景技术：

OFDMA是基于正交频分多址(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，将子载波分配给不同用户而采取的一种多址接入方案。近年来在无线通信中得到了广泛应用。由于OFDMA技术在小区内部采用的是OFDM调制技术，各个子载波之间相互正交，有效消除符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)，即可以避免小区内干扰。但是因为在OFDMA无线蜂窝通信系统中，频率复用因子为1，也就是说，不同小区采用相同的频谱资源，产生了严重的小区间干扰(Inter-Cell Interference,ICI)。在一些城市商业中心地段，因为高密度的用户量，往往形成通信热点区域，造成频谱资源短缺和高阻塞率。然而，邻近的小区地段通常还会有充足的剩余资源，相对于过载区域产生资源浪费。为了充分而有效地利用系统资源，负载均衡技术(Load Balancing,LB)应运而生。

OFDMA蜂窝网络的负载均衡技术方案能够有效均衡资源利用率差别较大的小区系统，缓解过载小区资源紧张，降低阻塞率，提高轻负载小区资源利用率，提升用户数据传输速率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应用于下行OFDMA蜂窝网络的区间中继负载均衡方法，该方法能够在热点小区过载拥塞时解决过载小区资源紧张相邻小区资源利用率低及用户数据传输速率低的问题。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案是一种应用于下行OFDMA蜂窝网络的小区间中继负载均衡方法，包含以下步骤：

1)某一时隙初始时，蜂窝基站层负责计算当前小区所有用户所需求的总子载波数，并进行载波预分配，判断是否超过阈值，若超过阈值则执行步骤2，否则执行步骤4；

2)基于划时隙和载波集的频谱划分策略，将过载小区中不同分区的边缘用户通过共享中继站向对应轻负载相邻小区进行负载转移，转移过后的用户与对应相邻小区的最近分区共用一套载波集；

3)在边缘用户转移后的状态下，蜂窝基站以及共享中继站根据重新计算的用户子载波需求，进行子载波再分配；

4)负载均衡执行结束后，蜂窝基站层更新负载信息，并返回步骤1。

作为优选，步骤1中的阈值为最大子载波数的90％。

进一步，步骤2中所述划时隙和载波集的频谱划分方案具体为：

1)在此系统的帧传输中，每一帧分为两个时隙，不同时隙不同小区传输情况不同，对相邻小区来说，在时隙一时，为基站BS到小区间中继RS的传输，或为BS到用户MS的直连传输，在时隙二时，为小区间RS到MS的间接传输；而对目标小区来说，在时隙一时，是BS到MS的传输，在时隙二时，仍为BS到MS的传输，当目标小区过载时，目标小区BS的传输范围变小，6个RS分别向周围6个相邻小区中继用户；

2)采用频率复用模式为1*6*6载波分配方案，将总载波N分为6个不同的子载波集，分别编号为N1、N2、N3、N4、N5、N6，将每个小区划分成6个扇区，每个扇区分别采用一套子载波集，且每个小区中相同位置的扇区采用相同的子载波集，中继区域内采用的子载波集来自于对应的相邻小区最近扇区。

本发明的有益效果在于：

1，本发明采用了小区间共享中继站，具有结构简单、传输稳定和吞吐量较大的优点，使小区系统间的负载得到较好的平衡。

2，本发明使用的划时隙载波集的新型资源分配方案，以及1*6*6的频率复用模式可以有效减少蜂窝小区系统的小区间干扰，提高了频谱利用率，节省载波资源提升用户数据传输速率。

附图说明

图1是本发明方法的蜂窝体系结构模型示意图。

图2是本发明方法载波集的频谱划分策略模型示意图。

图3是本发明方法体系结构的时隙划分策略示意图。

图4是本发明的下行OFDMA蜂窝网络的区间中继负载均衡方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细的说明。

本发明方法针对传统的基于小区间切换的负载均衡方法效率较低问题，该方法基于小区间中继实现用户切换的负载均衡机制以及一种新型资源分配方案以降低系统干扰，提高频谱利用率；结合子载波再分配方案提高系统吞吐率及用户数据速率。在相邻小区之间设置共享中继站以实现用户切换，并结合一种划时隙载波集的新型资源分配方案进行负载均衡。采用的共享中继站及蜂窝基站根据计算的子载波需求量可以协调过载蜂窝小区边缘用户的转移。划时隙和载波集的频谱划分方案，将每一传输帧分为两个时隙，采用1*6*6的频率复用模式。该方案能够有效减少蜂窝系统的小区间干扰，从而节省载波资源提升用户服务质量。

本发明是将过载蜂窝小区、共享中继站以及其周围六个相邻蜂窝小区组成一个资源分配及通信传输的体系结构。共享中继站及蜂窝基站根据计算的子载波需求量协调过载蜂窝小区边缘用户的转移，根据载波资源与时隙的划分，不同区域用户使用不同载波集的子载波以及1*6*6的频率复用模式可以有效减少蜂窝小区系统的小区间干扰，提高了频谱利用率，节省载波资源提升用户数据传输速率。

在整个设计方法中，主要分为两部分：一是将过载蜂窝小区、共享中继站以及其周围六个相邻蜂窝小区组成一个资源分配及通信传输的体系结构、二是设置一套划时隙和载波集的频谱划分策略。主要流程步骤，如图4所示：

步骤1)某一时隙初始时，蜂窝基站层负责计算当前小区所有用户所需求的总子载波数进行载波预分配，判断是否超过阈值，阈值为最大子载波数的90％。若超过阈值则执行步骤2，否则执行步骤4。

步骤2)基于划时隙和载波集的频谱划分策略，将过载小区中不同分区的边缘用户通过共享中继站向对应轻负载相邻小区进行负载转移，转移过后的用户与对应相邻小区的最近分区公用一套载波集，执行步骤3。

步骤3)在边缘用户转移后的状态下，蜂窝基站以及共享中继站根据重新计算的用户子载波需求，进行子载波再分配。

步骤4)负载均衡执行结束后蜂窝基站层更新负载信息，并执行步骤1。

上述方法中，所述的划时隙和载波集频谱划分方案具体包括：

1)在此系统的帧传输中，每一帧分为两个时隙。不同时隙不同小区传输情况不同。对相邻小区来说，在时隙一时，为基站(BS)到小区间中继(RS)的传输，或为BS到用户(MS)的直连传输，在时隙二时，为小区间RS到MS的间接传输。而对目标小区来说，在时隙一时，是BS到MS的传输，在时隙二时，仍为BS到MS的传输，当目标小区过载时，目标小区BS的传输范围变小，6个RS分别向周围6个相邻小区中继用户。

2)采用频率复用模式为1*6*6载波分配方案。将总载波N分为6个不同的子载波集，分别编号为N1、N2、...、N6，将每个小区划分成6个扇区，每个扇区分别采用一套子载波集，且每个小区中相同位置的扇区采用相同的子载波集。中继区域内采用的子载波集来自于对应的相邻小区最近扇区。

主要变量及其定义：

变量名含义：

R_BS：蜂窝小区BS的覆盖半径

d_R：中继RS的覆盖半径

β：蜂窝系统中链路的路径损耗指数

K：小区总子载波数

r：目标用户MS到其服务基站的距离

r_i：目标用户MS到第i个相邻小区基站BS的距离

W：子载波带宽

R_req：用户需求的最低数据速率

P_BS：蜂窝小区BS的传输功率

slotⁱ：表示第i个时隙

表示链路link在时隙第i个时隙的信扰比。

首先在小区间的相邻处设置共享中继站，如图1。为方便计算，我们假设每个蜂窝小区的覆盖半径R_BS为100m。目标小区的用户数为74，每个相邻小区的用户数为20，且每个小区均匀分布。小区总子载波数K为512，子载波带宽W为30KHZ，路径损耗指数β为2。每个用户需求的数据速率R_req为256Kbps。当中继覆盖半径d_R为20m时。

其次将过载蜂窝小区、共享中继站以及其周围六个相邻蜂窝小区组成一个资源分配及通信传输的体系结构。如图2和图3所示的设置划时隙和载波集的新型资源分配策略后，按以下步骤执行：

步骤1)在通话请求的第一个时隙初始时，蜂窝基站层根据公式(1)，(2)计算每个通话满足最低速率要求R_req的子载波数，并对相应范围进行积分得到当前小区所有用户所需求的总子载波数，然后进行载波预分配，判断是否超过阈值，阈值为最大子载波数的90％。经计算已超过阈值，则执行步骤2。

计算每个通话链路link在不同时隙满足最低速率要求R_req的子载波数：

计算链路link在时隙第i个时隙的信扰比：

步骤2)过载小区中不同分区的边缘用户通过共享中继站向对应轻负载相邻小区进行负载转移，转移过后的用户与对应相邻小区的最近分区公用一套载波集，如图2。执行步骤3。

步骤3)在边缘用户转移后的状态下，蜂窝基站以及共享中继站根据公式(1)，(2)，并对相应范围进行积分，重新计算用户的子载波需求，进行子载波再分配。新状态下，目标小区平均吞吐率提升231Kbps，并使相邻小区空闲载波得到充分利用。

步骤4)负载均衡执行结束后蜂窝基站层更新负载信息，并回到步骤1。