專利名稱：一種自適應(yīng)的多小區(qū)單頻網(wǎng)的資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)的多小區(qū)單頻網(wǎng)的資源分配方法，用于解決多小區(qū)單頻網(wǎng)中基于干擾抑制的資源分配問題，以便實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所消耗的資源塊和速率、覆蓋等各個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能之間的折中或均衡。屬于移動(dòng)通信的資源分配技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
3GPP Release 6 (R6)中引進(jìn)的組播廣播多媒體服務(wù) MBMS (Multicast/Broadcast Multimedia krvices)，不僅能實(shí)現(xiàn)低速的文本傳輸，還可以實(shí)現(xiàn)高速的多媒體廣播組播業(yè)務(wù)，也是手機(jī)電視業(yè)務(wù)的技術(shù)基石。MBMS使用公共信道給多個(gè)接收者傳送相同數(shù)據(jù)，增加了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣播和組播的容量，還節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。雖然經(jīng)過長期的研究和發(fā)展，MBMS 在R6和R7版本的3G系統(tǒng)中已經(jīng)得到了完整的實(shí)現(xiàn)。但是，傳統(tǒng)的單小區(qū)MBMS仍然無法滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求，尤其是4G系統(tǒng)的高速率、高服務(wù)質(zhì)量的業(yè)務(wù)需求，因此，國內(nèi)外業(yè)內(nèi)科技人員都對(duì)多小區(qū)MBMS技術(shù)開展了廣泛、深入的探索與研究。眾所周知，每個(gè)基站集合覆蓋的區(qū)域所使用的資源相同、且同時(shí)傳輸?shù)膬?nèi)容也相同時(shí)，該區(qū)域就被稱為組播廣播單頻網(wǎng)MBSFN(Multicast/Broadcast Single Frequency Network)，即多小區(qū)MBMS。MBSFN克服了傳統(tǒng)單小區(qū)模式在部署MBMS時(shí)，小區(qū)邊緣區(qū)域用戶的通信性能受到相鄰小區(qū)嚴(yán)重干擾的問題，且獲得的分集增益可以提高小區(qū)邊緣用戶的接收信干噪比，較好地解決了用戶終端的通信性能會(huì)隨著遠(yuǎn)離發(fā)射基站而逐漸下降的缺點(diǎn)， 提升了長期演進(jìn)LTE (Long-Term Evolution)網(wǎng)絡(luò)的MBMS的性能。多小區(qū)MBMS (即MBSFN)合并了從相鄰小區(qū)發(fā)送來的帶有較長循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)的信號(hào)，解決了普通蜂窩小區(qū)邊緣用戶信噪比低、通信質(zhì)量差的問題。MBSFN可以被構(gòu)建成相交或不相交兩種情況。若有相交區(qū)域，則需要分配不同的資源，以保證交叉區(qū)域的基站能夠無沖突地傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些基站不能同時(shí)使用相同資源來傳輸不同內(nèi)容。若無相交區(qū)域，則理論上MBSFN之間可以使用相同資源，但是，MBSFN區(qū)域的邊緣用戶所受的干擾不容小覷。目前已有比較多的有關(guān)MBMS的研究成果，也有針對(duì)MBSFN網(wǎng)絡(luò)的研究成果。例如， 文獻(xiàn)《Efficient Resource Allocation Strategies for Multicast Broadcast Services in 3GPP Long Term Evolution Single Frequency Networks》給出了一種降低所需資源塊數(shù)量的資源分配策略，該策略給有相交區(qū)域的MBSFN分配不同資源塊，而互不相交的MBSFN 區(qū)域則可使用相同資源。但是，該方案中處于MBSFN區(qū)域邊緣的用戶會(huì)遭受到很嚴(yán)重的、 來自使用相同資源的相鄰MBSFN的同頻干擾，這種干擾是由相鄰MBSFN所包含的所有基站發(fā)送信號(hào)合并而成的。為了解決該方案中相鄰MBSFN干擾嚴(yán)重問題，文獻(xiàn)《Research on Resource Allocation in Multi-cell MBMS Single Frequency Networks》^"[JB 了
法，其主要思路是同時(shí)滿足不相交、且不相鄰的MBSFN區(qū)域才能使用相同資源。該算法雖然能在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)性能，但只有MBSFN區(qū)域面積相對(duì)較大時(shí)才有效，MBSFN區(qū)域面積較小時(shí)，性能增益并不明顯，無法滿足某些特定需求。這是由于MBSFN區(qū)域面積小，包含小區(qū)數(shù)少，分集增益不明顯；而且，此時(shí)即使兩個(gè)資源復(fù)用的MBSFN并不相鄰，但是，因?yàn)樗鼈冎g相隔的距離也相對(duì)較小，仍然會(huì)使用戶遭受較大干擾。除此之外，由于不同MBSFN內(nèi)傳輸業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of krvice)需求不同，各基站使用的發(fā)射功率也不同。當(dāng)基站分配的發(fā)射功率相對(duì)較大時(shí)，其對(duì)附近使用相同資源的MBSFN內(nèi)用戶的干擾也較大，就需要適當(dāng)加大復(fù)用距離。而且，有研究表明通過調(diào)整發(fā)射功率，可以在單頻網(wǎng)中獲得大于99%的覆蓋率，因此發(fā)射功率對(duì)干擾的影響不容忽視。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的資源分配方案存在的上述缺陷，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和發(fā)射功率對(duì)資源分配的影響，提供一種自適應(yīng)的多小區(qū)單頻網(wǎng)的資源優(yōu)化分配方法，本發(fā)明是一種通過調(diào)整資源復(fù)用距離來控制資源塊消耗數(shù)量的方法，因而可以實(shí)現(xiàn)算法性能和資源塊使用數(shù)量的折中和均衡。此外，該方法還能在可用的資源塊數(shù)目設(shè)定的情況下，通過調(diào)整資源復(fù)用距離計(jì)算公式中的參數(shù)，獲得網(wǎng)絡(luò)性能的最大化。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種自適應(yīng)的多小區(qū)組播廣播單頻網(wǎng)MB SFN(Multicast/Broadcast Single Frequency Network)的資源分配方法，其特征在于先利用基站的位置信息對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有多小區(qū)MBSFN的地域形狀、大小及其拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行建模，以便對(duì)其中每個(gè)單頻網(wǎng)包含的小區(qū)基站個(gè)數(shù)和任意兩個(gè)單頻網(wǎng)之間的相對(duì)位置對(duì)同頻干擾的影響進(jìn)行量化；然后根據(jù)發(fā)射功率對(duì)資源復(fù)用距離的影響，即基站的發(fā)射功率較大時(shí)，其對(duì)附近使用相同資源的MBSFN內(nèi)用戶的干擾也會(huì)較大，給出計(jì)算兩個(gè)MBSFN區(qū)域之間資源復(fù)用距離的公式；再綜合考慮上述因素，根據(jù)不同MBSFN區(qū)域之間資源復(fù)用距離的公式計(jì)算得到復(fù)用距離和動(dòng)態(tài)分配資源塊，減小各MBSFN之間的同頻干擾，提高系統(tǒng)整體性能。本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有的MBSFN資源分配算法存在的干擾問題，提出的一種基于干擾抑制的改進(jìn)的自適應(yīng)MBSFN資源分配方案，該方法對(duì)MBSFN區(qū)域形狀、大小及拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對(duì)同頻干擾給出了量化表示，同時(shí)結(jié)合基站發(fā)射功率對(duì)MBSFN間同頻干擾的影響，給出了完善的資源復(fù)用距離的計(jì)算公式，以確定資源分配方案，以提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。 本發(fā)明方法在系統(tǒng)覆蓋和速率上較現(xiàn)有算法均有明顯改善，利用該方法能夠通過調(diào)整資源復(fù)用距離來控制資源塊消耗數(shù)量，取得資源塊使用數(shù)量和算法性能之間的折中與平衡，更靈活、更適用于實(shí)際情況。而且，還能在可用的資源塊數(shù)量設(shè)定的情況下，通過調(diào)整復(fù)用距離計(jì)算公式中的相關(guān)參數(shù)來盡可能提高網(wǎng)絡(luò)性能，獲得網(wǎng)絡(luò)性能的最大化。


圖1是現(xiàn)有的MBSFN網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。圖2是本發(fā)明方法中的MBSFN拓?fù)潢P(guān)系模型示意圖。圖3是本發(fā)明自適應(yīng)的多小區(qū)單頻網(wǎng)的資源分配方法操作步驟方框圖。圖4(A)、(B)、(C)分別是單頻網(wǎng)包含的小區(qū)個(gè)數(shù)對(duì)三種算法傳輸速率、系統(tǒng)覆蓋率和消耗資源塊的不同指標(biāo)的影響(P = 12，k = 20)曲線示意圖。圖5 (A)、⑶、(C)分別是發(fā)射功率對(duì)三種算法傳輸速率、系統(tǒng)覆蓋率和消耗資源塊的不同指標(biāo)的影響(k = 20)曲線示意圖。圖6 (A)、(B)、(C)分別是參數(shù)k的值對(duì)三種算法傳輸速率、系統(tǒng)覆蓋率和消耗資源塊的不同指標(biāo)的影響(P = 12)曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參見圖1，先介紹目前現(xiàn)有的MBSFN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即本發(fā)明方法的應(yīng)用場(chǎng)景圖中不同標(biāo)記的小區(qū)分別表示不同的MBSFN區(qū)域，其分別使用不同的資源塊，承擔(dān)不同的傳輸業(yè)務(wù)。小區(qū)Cl為MBSFN2與MBSFN3的交叉區(qū)域，也就是其同時(shí)傳輸MBSFN2和MBSFN3的兩種業(yè)務(wù)。MBSFM和MBSFN4則是兩個(gè)資源復(fù)用的區(qū)域，使用相同的資源塊傳輸各自的業(yè)務(wù)。Ul 為MBSFNl中的用戶，其接收到的有用信號(hào)是來自MBSFNl中包含的所有小區(qū)基站發(fā)送的合并信號(hào)，其受到的干擾是MBSFN4中所有小區(qū)基站發(fā)送信號(hào)合并的。因?yàn)檎麄€(gè)單頻網(wǎng)是動(dòng)態(tài)組建的，其結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于來自于同一個(gè)MBSFN內(nèi)部的多個(gè)基站傳輸?shù)男盘?hào)到達(dá)某個(gè)用戶1的信號(hào)存在時(shí)延差，導(dǎo)致產(chǎn)生符號(hào)間干擾。因此，不同于單小區(qū)MBMS，現(xiàn)有的組播廣播單頻網(wǎng)為此設(shè)計(jì)更長的循環(huán)前綴CP，以降低或避免該單頻網(wǎng)內(nèi)部的符號(hào)間干擾。因此，本發(fā)明假設(shè)單頻網(wǎng)內(nèi)部各基站到達(dá)用戶的傳輸時(shí)延都位于該CP范圍內(nèi)，則其中任一用戶1接收的信干噪比
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)的多小區(qū)組播廣播單頻網(wǎng)MBSFN的資源分配方法，其特征在于先利用基站的位置信息對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有多小區(qū)MBSFN的地域形狀、大小及其拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行建模， 以便對(duì)其中每個(gè)單頻網(wǎng)包含的小區(qū)基站個(gè)數(shù)和任意兩個(gè)單頻網(wǎng)之間的相對(duì)位置對(duì)同頻干擾的影響進(jìn)行量化；然后根據(jù)發(fā)射功率對(duì)資源復(fù)用距離的影響，即基站的發(fā)射功率較大時(shí)， 其對(duì)附近使用相同資源的MBSFN內(nèi)用戶的干擾也會(huì)較大，給出計(jì)算兩個(gè)MBSFN區(qū)域之間資源復(fù)用距離的公式；再綜合考慮上述因素，根據(jù)不同MBSFN區(qū)域之間資源復(fù)用距離的公式計(jì)算得到復(fù)用距離和動(dòng)態(tài)分配資源塊，減小各MBSFN之間的同頻干擾，提高系統(tǒng)整體性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括下列操作步驟(1)先將網(wǎng)絡(luò)中所有MBSFN按照各自包含的小區(qū)個(gè)數(shù)的多少進(jìn)行降序排列的編號(hào)，并以Si順序標(biāo)記之；式中，自然數(shù)下標(biāo)i為MBSFN的序號(hào)；(2)計(jì)算任意兩個(gè)MBSFNSi和h之間的最近距離，即任意兩個(gè)MBSFN包含的各小區(qū)中相距最近的兩個(gè)基站間的距離，得到一個(gè)維數(shù)為mXm的最小距離矩陣dmin，式中，下標(biāo)i和 j分別是兩個(gè)不同單頻網(wǎng)的序號(hào)，m為網(wǎng)絡(luò)中MBSFN的總個(gè)數(shù)，即自然數(shù)i、j的最大值為m ；(3)根據(jù)資源復(fù)用距離計(jì)算公式，分別計(jì)算任意兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和h之間的資源復(fù)用距離dy，得到一個(gè)維數(shù)為mXm的資源復(fù)用距離矩陣d ；(4)構(gòu)造單頻網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系對(duì)稱矩陣X當(dāng)兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和h的最小距離大于資源復(fù)用距離，即最小距離矩陣dmin中對(duì)應(yīng)該兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和h的元素不小于資源復(fù)用距矩陣d 中的對(duì)應(yīng)元素時(shí)，設(shè)置其拓?fù)潢P(guān)系對(duì)稱矩陣X中的對(duì)應(yīng)元素Xi,」=0，表明該兩個(gè)單頻網(wǎng)之間的距離足夠遠(yuǎn)，符合資源復(fù)用條件，能夠使用相同資源而不造成嚴(yán)重干擾；否則，最小距離矩陣Clmin中對(duì)應(yīng)該兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和h的元素小于資源復(fù)用距離矩陣d中的對(duì)應(yīng)元素時(shí)， 則設(shè)置對(duì)稱矩陣X中的該對(duì)應(yīng)元素Xi,」=1，表明該兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和h之間的距離太近，不能使用相同資源；其中，對(duì)稱矩陣X的對(duì)角線元素為0 ；(5)按照設(shè)定步驟分配資源先根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系矩陣X得到第一個(gè)資源分配輔助矩陣Ctl， 再對(duì)矩陣Ctl進(jìn)行變換，即給第一個(gè)單頻網(wǎng)S1分配第1個(gè)資源塊后，就對(duì)輔助矩陣Ctl替換相應(yīng)元素，得到第二個(gè)資源分配輔助矩陣C1 ；然后，給第二個(gè)單頻網(wǎng)&分配資源塊后，再對(duì)輔助矩陣C1替換相應(yīng)元素，得到第三個(gè)資源分配輔助矩陣C2 ；依次處理，就得到后續(xù)各個(gè)輔助矩陣C3、C4、...，直至得到第m+1個(gè)輔助矩陣Cm，該輔助矩陣Cm的m個(gè)對(duì)角線元素就是依次對(duì)每個(gè)單頻網(wǎng)S1到分配的資源塊序號(hào)，即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源分配方案實(shí)質(zhì)是針對(duì)拓?fù)潢P(guān)系對(duì)稱矩陣X得出的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(3)進(jìn)一步包括下列操作內(nèi)容(31)分別在兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和h各自內(nèi)部距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)基站之間連線，得到該兩條接連線的中點(diǎn)Oi、…和該兩條連接線的夾角；(32)計(jì)算該兩個(gè)中點(diǎn)0i、Oj之間的距離Diij,以及該兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和h各自包含的小區(qū)個(gè)數(shù)Cni禾口 Cnj ；(33)根據(jù)資源復(fù)用距離公式，計(jì)算該兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和Sj的資源復(fù)用距離 , ,I I R CndU = k x Icos Ix TT X :,式中，大于零的常數(shù)k為比例系數(shù)，R為小區(qū)半徑，cn =ljIJ- Cn0max(Cni, Cnj)，即cn是該兩個(gè)單頻網(wǎng)Si和。各自包含的小區(qū)個(gè)數(shù)Cni和Cnj中的較大值， Cn0 = 1，即以單小區(qū)結(jié)構(gòu)作為基準(zhǔn)；(34)按照上述步驟(31) (33)，分別輪詢?nèi)我鈨蓚€(gè)單頻網(wǎng)Si和。之間的資源復(fù)用距離dy，得到一個(gè)維數(shù)為mXm的復(fù)用距離矩陣d。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(5)中的分配資源進(jìn)一步包括下列操作內(nèi)容(51)在每個(gè)單頻網(wǎng)都未分配資源時(shí)，根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系矩陣X，設(shè)置第一個(gè)資源分配輔助矩陣=C0 = -1XX；(52)先將第1個(gè)資源塊分配給第1個(gè)單頻網(wǎng)S1，并使用第一個(gè)資源分配輔助矩陣Ctl求解第二個(gè)資源分配輔助矩陣C1 先設(shè)該矩陣C1中第1行第1列的對(duì)角線元素等于分配的第Ici, =C 若￡ =-l,/e{l,w}時(shí)1個(gè)資源塊的序號(hào)1，即Cu = I,再根據(jù)資源分配公式’9 q’q Jf1 ，即將輔助矩陣Ctl中第1行、第1列中等于-1的元素值都替換為分配的資源塊序號(hào)、，，未被替換的其余元素?cái)?shù)值保持不變，如此得到第二個(gè)資源分配輔助矩陣C1，用于給下一個(gè)單頻網(wǎng)、 即&分配資源時(shí)提供判斷依據(jù)；式中，變量q為當(dāng)前進(jìn)行資源分配的單頻網(wǎng)序號(hào)，此時(shí)q = 1 ；Ici, =C 若￡ =-l,/e{l,w}時(shí)(53)繼續(xù)按照資源分配公式’9q’q Jn 給后續(xù)各個(gè)單頻網(wǎng)民分配序號(hào)為cq,q的資源塊，依次得到后續(xù)各個(gè)資源分配輔助矩陣C2、C3、C4，……,Cffl ；且在給第q個(gè)單頻網(wǎng)&分配的某個(gè)資源塊Ct^為已使用的資源塊時(shí)，要判斷輔助矩陣Ctrl中的第 q行和第q列元素是否出現(xiàn)該資源塊序號(hào)C"，若是，則說明該單頻網(wǎng)&周圍的資源復(fù)用距離內(nèi)已有其他單頻網(wǎng)使用該資源塊，不能將其分配給&，應(yīng)在已經(jīng)使用的各個(gè)資源塊中，選擇一個(gè)未出現(xiàn)于輔助矩陣Ctrl的第q行和第q列的資源塊序號(hào)分配給民；若依次判斷所有已經(jīng)使用的資源塊序號(hào)都有出現(xiàn)時(shí)，則給\分配一個(gè)尚未使用的新資源塊I ,，該Rtl序號(hào)為所有已使用過的資源塊序號(hào)的最大值加1，以保證資源塊是按序被使用的；(54)先設(shè)輔助矩陣Ctl的對(duì)角線元素、q= Rq,并按上述資源分配公式將輔助矩陣Ctrl 中的第q行第q列中等于-1的值都賦為分配的資源塊序號(hào)R,，其余元素值保持不變，得到輔助矩陣C,；(55)繼續(xù)依次輪詢，得到資源分配輔助矩陣Cq+1，直至得到最后一個(gè)資源分配輔助矩陣 Cffl,該輔助矩陣Cm中的m個(gè)對(duì)角線元素是依次對(duì)每個(gè)單頻網(wǎng)S1到分配的資源塊序號(hào)，即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源分配方案的實(shí)質(zhì)是針對(duì)拓?fù)潢P(guān)系對(duì)稱矩陣X資源分配方案。
全文摘要
一種自適應(yīng)的多小區(qū)組播廣播單頻網(wǎng)MBSFN的資源分配方法，是先利用基站的位置信息對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有多小區(qū)MBSFN的地域形狀、大小及其拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行建模，以便對(duì)其中每個(gè)單頻網(wǎng)包含的小區(qū)基站個(gè)數(shù)和任意兩個(gè)單頻網(wǎng)之間的相對(duì)位置對(duì)同頻干擾的影響進(jìn)行量化；再根據(jù)發(fā)射功率對(duì)資源復(fù)用距離的影響，即基站的發(fā)射功率較大時(shí)，其對(duì)附近使用相同資源的MBSFN內(nèi)用戶的干擾也會(huì)較大，給出計(jì)算兩個(gè)MBSFN區(qū)域之間資源復(fù)用距離的公式；再綜合考慮上述因素，根據(jù)不同MBSFN區(qū)域之間資源復(fù)用距離的公式計(jì)算得到復(fù)用距離和動(dòng)態(tài)分配資源塊，減小各MBSFN之間的同頻干擾，提高系統(tǒng)整體性能。本發(fā)明能在可用資源塊的數(shù)量設(shè)定時(shí)，通過調(diào)整資源復(fù)用距離計(jì)算公式中的參數(shù)，獲得網(wǎng)絡(luò)性能的最大化。
文檔編號(hào)H04W72/04GK102355699SQ20111030467
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月10日
發(fā)明者唐名威, 張鴻濤, 王曉湘, 王玉龍, 許帥, 馬金明 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)