一种LAA授权信道和未授权信道动态分配方法及系统与流程

本发明涉及异构无线网络通信技术领域，更具体地，涉及一种LAA授权信道和未授权信道动态分配方法及系统。

背景技术：

智能设备和移动数据流量的爆发式增长导致频谱资源稀缺，从而阻碍无线通信系统进一步提升容量。LTE(Long Term Evolution，长期演进)授权信道资源匮乏，易造成热点地区网络服务质量差等问题。为从根本上解决这些问题，LAA(License Assisted Access，授权辅助接入)技术利用带宽充足的未授权信道，基于载波聚合架构在未授权信道中使用LTE网络技术，为用户提供优质服务。

由于未授权信道的特性，该信道上同时存在多种通信系统，如WiFi，如果小小区基站(LAA-enabled small base station,SBS)在未授权信道直接使用LTE的MAC协议而不加修改，SBS将对原WiFi造成连续性的干扰。SBS要想使用此信道，必须保证与其他在未授权信道工作的系统有效公平共存，采用基于负载的非固定长度竞争窗口的随机信道竞争接入机制(Listen-Before-Talk,LBT)。

具备LAA功能的基站SBS需要做到几点：(1)在任何地区的管理要求下运行，且提供足够的可配置性；(2)与Wi-Fi系统有效公平共存，具体表现在吞吐量方面，SBS对某WiFi接入点的影响不超过工作在同一载波上的另一个WiFi对此WiFi的影响；(3)不同运营商部署的LAA网络之间的有效、公平共存。另外，SBS要复用宏基站的授权信道，必须控制对原先的LTE系统造成的干扰在一个合适的干扰阈值范围内。

随着SBS系统的密集部署和WiFi数量的动态变化，授权信道的干扰问题和未授权信道的冲突问题更加严重，将严重影响用户的QoS(quality of service，用户服务质量)，降低系统能效。如何设计一种LAA系统的动态分配授权信道和未授权信道的方案，在保证用户QoS的前提下，最小化对原LTE系统造成的授权信道干扰和未授权信道冲突，对LAA系统的最终部署和市场认可度都有很大研究和实际意义。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的LAA授权信道和未授权信道动态分配方法及系统，结合网络状况，将在权衡对原有LTE和WiFi系统的干扰和冲突的前提下实现SUE服务质量全局优化，提高了LAA系统的市场接受度。

根据本发明的一个方面，提供一种LAA授权信道和未授权信道动态分配方法，包括以下步骤：

S1、在MBS覆盖范围内设置若干SBS，在SBS中周期性动态更新SUE用户测量信息和信道可用性信息，生成SUE可用信道列表，得到周期更新的SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表；

S2、在保证SUE信道QoS情况下，根据SBS信道干扰冲突表和SBS信道速率表的信息获得SBS初级信道分配表；

S3、MBS对SBS初级信道分配表进行修正，SBS按照修正后的动态信道分配表分配信道。

作为优选的，在步骤S1中，所述MBS和所述若干SBS均可使用全部可用信道，且所述若干SBS使用的未授权信道不重叠。

作为优选的，所述步骤S1具体包括：

S11、根据SBS信道条件和SUE的QoS要求初始化信道分配表；

S12、SBS对网络状态和用户信道质量进行周期性测量，通过LBT技术感测未授权信道的可用性；

S13、生成SUE可用信道列表，得到SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表。

作为优选的，所述步骤S11具体包括：

若信道资源足够，则SBS根据SUE的QoS等级初始化信道分配表；

若信道资源不足够，则SBS根据SUE的QoS等级初始化信道分配表，并将未得到服务的SUE优先级加1。

作为优选的，所述步骤S12具体包括：根据用户测量信息检测当前时隙SUE在所分配授权信道上所受干扰大小，若某SUE的授权信道受到干扰或未授权信道受到冲突以致满足不了其QoS要求时，则判断该SUE下一时隙需要进行信道的重新分配。

作为优选的，所述步骤S2中，通过干扰冲突优化算法生成初级信道分配表。

作为优选的，所述步骤S3具体包括：各个SBS周期性同步的将各自的初级信道分配表上交MBS，MBS根据MUE授权信道受干扰的状况，对各SBS的初级信道分配表进行修正，将信道分配矩阵中对应的禁用信道修正为0回传到各SBS，各SBS根据修正后的信道分配表分配授权信道和未授权信道资源。

作为优选的，所述步骤S3进一步包括：

若SUE优先级不大于5，则SBS按照修正信道分配表分配信道；若SUE优先级大于5，则SBS将该SUE信道分配对应的0修正为1后，SBS按照修正信道分配表分配信道。

作为优选的，还包括S4：若有新SUE或新信道分配需求加入，则返回步骤S1。

一种LAA授权信道和未授权信道动态分配系统，包括SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表动态更新模块、SBS信道分配动态更新模块和MBS信道分配修正模块；

所述SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表动态更新模块用于周期性动态更新SUE用户测量信息和信道可用性信息，生成SUE可用信道列表，得到周期更新的SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表；

所述SBS信道分配动态更新模块用于SBS信道干扰冲突表和SBS信道速率表的信息获得SBS初级信道分配表；并对SBS初级信道分配表进行动态更新，进行动态信道分配；

所述MBS信道分配修正模块用于初级信道分配表进行修正，并将修正后的SBS信道分配表返回至SBS信道分配动态更新模块。

本申请提出一种LAA授权信道和未授权信道动态分配方法及系统，并考虑SUE的动态QoS保证，结合网络状况，将在权衡对原有LTE和WiFi系统的干扰和冲突的前提下实现SUE服务质量全局优化，提高了LAA系统的市场接受度。

附图说明

图1为本发明的分配方法流程框图；

图2为根据本发明的信道分配步骤交互图；

图3为根据本发明的动态信道分配流程图；

图4为根据本发明的信道分配机制实现流程图；

图5为根据本发明的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1和图2示出了一种LAA授权信道和未授权信道动态分配方法，包括以下步骤：

S1、在MBS覆盖范围内设置若干SBS，在SBS中周期性动态更新SUE用户测量信息和信道可用性信息，生成SUE可用信道列表，得到周期更新的SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表；小小区基站(LAA-enabled small base station,SBS)要想对其授权和未授权信道资源进行合理高效的分配，必须周期性动态更新其服务用户SUE使用各种信道资源的造成的干扰或冲突状况和SUE使用不同信道资源所能获得的通信服务速率状况，动态更新这些信息可以对信道资源进行实时合理的分配。

S2、在保证SUE信道QoS情况下，根据SBS信道干扰冲突表和SBS信道速率表的信息获得SBS初级信道分配表；当SUE使用不同的授权和未授权信道时，对原LTE和WiFi系统造成的干扰和冲突以及自身所能获得的通信速率都各不同。为在保证SUE通信QoS的条件下通过动态信道分配使系统获得了授权频道干扰量和未授权信道冲突量的一种最佳均衡，以SUE-信道-干扰冲突表和SUE-信道-速率表提供的信息为参数设计一种得分机制，获得动态信道分配表，以指导下一时隙的信道分配。

S3、对SBS初级信道分配表进行修正，SBS按照修正后的动态信道分配表分配信道。SBS将各自的信道分配表周期性地上交所属MBS，当MBS覆盖区域的各个SBS的信道分配，尤其是授权信道的分配，会严重影响到MUE的QoS时，MBS对各SBS的信道分配表进行合理的修正，并回传给各SBS，SBS按照修正后的分配表分配信道。

作为优选的，在步骤S1中，所述MBS和所述若干SBS均可使用全部可用信道，且所述若干SBS使用的未授权信道不重叠。具备LAA功能的SBS可任意支配两种信道资源，即复用宏小区(Macro Base Station,MBS)的授权频谱和竞争整个WiFi未授权信道资源。SBS配置可动态调度分配这两种信道资源的控制器(Dynamic Allocation Controller,DAC)，就将这些资源的动态调度当作SBS内部资源调度分配问题，结合SUE用户的测量报告和信道资源状况进行主动有效的分配，将信道分配单位精确到子载波信道，实现更加精细的调度颗粒度。

作为优选的，所述步骤S1具体包括：

S11、根据SBS信道条件和SUE的QoS要求初始化信道分配表；用户业务类型对应的QoS越高，信道分配选择越倾向于授权信道，这是因为授权信道上使用的LTE技术具有很高的可靠性。QoS要求较低其他业务类型则竞争式地接入SBS未授权信道；

S12、SBS对网络状态和用户信道质量进行周期性测量，通过LBT技术感测未授权信道的可用性；

S13、生成SUE可用信道列表，得到SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表。其中的SUE信道速率表呈现的信息将与各SUE的QoS要求进行对比分析，再结合SUE信道干扰冲突表的信息，作为动态信道分配优化机制的参数，使系统获得授权频道干扰量和未授权信道冲突量的一种最佳均衡。动态SUE信道干扰冲突表和动态SUE信道速率表的结构分别如表1和表2所示。

表1：SUE信干扰冲突表

表2：SUE信道速率表

如图3中所示，所述步骤S11具体包括：

若信道资源足够，则SBS根据SUE的QoS等级初始化信道分配表；

若信道资源不足够，则SBS根据SUE的QoS等级初始化信道分配表，并将未服务的SUE优先级加1。

作为优选的，所述步骤S12具体包括：根据用户测量信息检测当前时隙SUE在所分配授权信道上所受干扰大小，若某SUE的授权信道受到干扰或未授权信道受到冲突以致满足不了其QoS要求时，则判断SUE下一时隙需要进行信道的重新分配。

如图4所示，所述步骤S2中，通过干扰冲突优化算法生成初级信道分配表：

将信道分配表映射为一个元素为0和1的M×(N₁+N₂)维的矩阵B，且列和均小于等于1：

b_ij＝0，信道j不分配给SUE_i；

b_ij＝1，信道j分配给SUE_i；

i＝{1,2,…,M},j＝{1,2,…,N₁+N₂}；同一时隙任一信道的占用者最多为一位，即

将SBS信道干扰冲突表对应一个M×(N₁+N₂)维的矩阵A，矩阵元素为干扰量和冲突量；SBS信道速率表对应一个M×(N₁+N₂)维的矩阵C，矩阵元素为各SUE使用不同信道时能获得的瞬时吞吐量；

令Q＝B·C，在保证矩阵Q的行和在一个滑动窗口大小时间范围内的总和大于对应SUE的QoS前提下，得到信道分配结果对原LTE系统和WiFi的影响的权衡，动态对各个信道设置影响力权重，使矩阵D＝B·C的各加权列和最优化，对应的矩阵B映射为SBS初级信道分配表，指导下一时隙SBS的初级信道资源分配。

作为优选的，所述步骤S3具体包括：各个SBS周期性同步的将各自的初级信道分配表上交MBS，MBS对于受干扰的MUE状况，对各SBS的初级信道分配表进行修正，将矩阵B中对应的禁用信道修正为0回传到各SBS，各SBS根据修正后的信道分配表分配授权信道和未授权信道资源。

作为优选的，所述步骤S3进一步包括：

若SUE优先级不大于5，则SBS按照修正信道分配表分配信道；若SUE优先级大于5，则SBS将该SUE信道分配对应的0修正为1后，SBS按照修正信道分配表分配信道。

假设某SBS覆盖范围内有多个SUE，根据SBS的网络性能参数、负荷情况、终端移动情况和用户信道质量的周期性测量报告，生成动态SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表。若发现上一时隙使用SBS授权信道的某用户所受同频干扰严重，或者使用授权信道造成的干扰很大，则该用户下一时隙的信道优先考虑使用SBS的未授权信道。如果下一时隙没有可用的SBS未授权信道子载波，则考虑该用户下一时隙不发信息；

当发生类似某SBS附近的多个WiFi AP占据某未授权信道的状况时，为降低使用该未授权信道的WiFi用户的发包冲突概率，应尽量使该SUE连接其他未授权信道。当存在多个可用的未授权信道时，用户将选择具有最佳信号质量的未授权信道；如果此时没有可用的未授权信道，则该用户不发任何信息；为了避免用户的QoS下降，如果用户在某段时间内连续地处于中断状态，并且没有其它具有可用未授权信道为其服务，将尝试切换到具有最优通信条件的授权信道。如果此时没有可用的SBS授权信道子载波，则目前时隙该用户不发任何信息；

对于该时隙停发的用户，将在下一时隙较其他用户对所有可用信道资源拥有优先使用权。实现方式是对于每个SUE，均有属于自己的服务记录滑动窗口，大小为8。每一时隙若该SUE得到服务，则对应位置写入“1”，未得到服务则滑动窗口对应位置写入“0”。根据不同SUE的QoS，系统需保证滑动窗口中“1”的数目，对应知道用户的信道分配。即高QoS(如实时性业务)的SUE滑动窗口中“1”的数目高于低QoS(如非实时性业务)用户；

如果某SUE的QoS要求其服务滑动窗口的“1”数量达到6，当该用户的滑动窗口出现2个“0”时，则表示该用户下一时隙应该分配信道资源。当SUE移动时，为了防止信号中断，用户将使用可提供最佳信号质量授权信道。

为保证SUE的QoS，SBS必须对所有信道进行合理的分配。然而SBS使用授权信道难免会对原LTE系统造成干扰，且SBS使用授权信道越多，干扰量越大；SBS使用未授权信道难免会对WiFi系统造成冲突，按照时分复用的方式复用某一未授权信道，SBS的时间占空比越大，对WiFi造成的冲突越严重。而若要保证SUE的QoS，必须选择使用一定的信道。使用授权信道的减少就相应意味着未授权信道的增多，对周围WiFi的影响越大。本发明在确保SUE的QoS前提下取得授权信道的干扰和未授权信道的冲突权衡。另外，当SUE用户过多时，由于授权和未授权信道资源有限，在某一时隙进行SUE的适当选择是非常必要的，选择顺序的依据有多个度量标准，本专利考虑服务滑动窗口“0”数目超标的SUE具有优先调度权，基数为0，超一个“0”优先级加1，通过优先级体现，SUE的信道质量造成的吞吐量差异可以作为第二度量标准。

实施例1

假设场景布局配置是一个半径为260米的宏小区，在宏基站覆盖区域内随机均匀分布有8个SBS，每个SBS下有10个SUE和5个WiFi节点。每个SBS总共有6个授权信道和8个未授权信道可供选择分配。假设此时网络没有超载的危险，SUE数量和业务量在安全值范围内，信道资源足够。当为这10个不同QoS业务类型的SUE提供服务时，动态信道分配具体过程如下(其中M＝10，N₁＝6，N₂＝8)：

当这10个SUE向SBS发出业务请求时，DAC(Dynamic AllocationController,控制器)接入控制单元根据其高QoS特征做出最适当的接入判决。此时LAA系统信道资源足够，按照QoS要求高低排序，最高QoS的用户SUE1允许接入当前空闲的信道质量最好的授权信道，其他SUE依次接入各授权信道和未授权信道；

SBS对网络状态和用户信道质量进行周期性测量，通过LBT技术感测未授权信道的可用性；

SBS根据用户测量信息发现SUE₁在所分配授权信道上所受干扰太大，且对原LTE系统造成较大干扰，则SUE₁下一时隙的信道选择应尽量不接入授权信道，而使用SBS的未授权信道。利用用户测量信息和信道可用性结果，生成SUE可用信道列表，得到SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表；

SBS根据干扰冲突优化机制为各个SUE分配合适的信道，更新初级信道分配表，此时SUE₁被分配一个未授权信道；8个SBS均将初级信道分配表上交MBS，MBS发现MUE所受干扰状况在容忍范围内，直接将初级信道分配表作为修正信道分配表回传各SBS；SBS根据其修正版信道分配表分配各SUE的下一个服务信道，并预留准入控制所需的资源；SBS为SUE分配信道，并通知用户，执行用户到目标信道的接入过程。

实施例2

假设场景布局配置是一个半径为260米的宏小区，在宏基站覆盖区域内随机均匀分布有8个SBS，每个SBS下有20个SUE和5个WiFi节点。每个SBS总共有6个正交授权信道和8个未授权信道可供选择分配。假设此时网络由于SUE(Smallcell User Equipment，小小区用户)数量过多，业务量增大，信道资源不足。当多个高QoS需求的SUE要求服务时，SBS对其进行动态信道分配具体过程如下(其中M＝20，N₁＝6，N₂＝8)：

当20个不同QoS需求的SUE向SBS发出业务请求时,DAC接入控制单元根据用户的业务类型和信道条件做出适当的接入判决。此时LAA系统信道资源不足以同时服务所有用户，QoS要求高且信道质量好的用户SUE₁-SUE₁₄按序允许接入空闲的授权信道和未授权信道，其他用户SUE₁₅-SUE₂₀暂时等待，但在SBS信道分配优先表中它们的优先级加1；

SBS对网络状态和用户信道质量进行周期性测量，通过LBT技术感测未授权信道的可用性；SBS发现某一中等QoS的用户SUE₉在某一未授权信道上与其他WiFi有较大冲突，则考虑接入信道条件合适的授权信道1；另外，同时有一低QoS的用户SUE₁₃在某一未授权信道上与其他WiFi有较大冲突，授权信道被较高QoS的SUE₉占用，则下一时隙SUE₁₃考虑不分配信道，但优先级加1。利用用户测量信息和信道可用性结果，生成SUE可用信道列表，得到SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表；

SBS根据干扰冲突优化机制为各个SUE分配合适的信道，更新初级信道分配表，此时SUE₉被分配给授权信道1；8个SBS均将初级信道分配表上交MBS，MBS发现MUE₁使用的授权信道1所受干扰超过阈值，决定关闭对其干扰量最大的且此次停发不对其造成QoS明显下降的SUE₉，同理修改其他授权信道分配，将修正信道分配表回传各SBS；

SBS根据其修正版信道分配表分配各SUE的下一个服务信道，并预留准入控制所需的资源，且将SUE₉的服务记录滑动窗口对应位置记为0，其他该时隙未得到服务的SUE的服务记录滑动窗口对应位置也记为0；SBS为用户分配信道，并通知用户，执行用户到目标信道的接入过程。

实施例3

本发明的实施例还示出了一种LAA授权信道和未授权信道动态分配系统，如图5所示，包括SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表动态更新模块、SBS信道分配动态更新模块和MBS信道分配修正模块；

所述SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表动态更新模块用于周期性动态更新SUE用户测量信息和信道可用性信息，生成SUE可用信道列表，得到周期更新的SUE信道干扰冲突表和SUE信道速率表；

所述SBS信道分配动态更新模块用于SBS信道干扰冲突表和SBS信道速率表的信息获得SBS初级信道分配表；并对SBS初级信道分配表进行动态更新，进行动态信道分配；

所述MBS信道分配修正模块用于初级信道分配表进行修正，并将修正后的SBS信道分配表返回至SBS信道分配动态更新模块。

本申请提出一种LAA授权信道和未授权信道动态分配方法及系统，并考虑SUE的动态QoS保证，结合网络状况，将在权衡对原有LTE和WiFi系统的干扰和冲突的前提下实现SUE服务质量全局优化，提高了LAA系统的市场接受度。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。