本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于小區(qū)間中繼蜂窩網(wǎng)負(fù)載均衡的公平性提升方法。

背景技術(shù)：

由于正交頻分多址接入技術(shù)(ofdma)在小區(qū)內(nèi)部采用的是正交頻分多址(ofdm)調(diào)制技術(shù)，有效消除符號間干擾(isi)，避免了小區(qū)內(nèi)干擾。然而，在ofdma無線蜂窩通信系統(tǒng)中，不同小區(qū)采用相同的頻譜資源，產(chǎn)生了嚴(yán)重的小區(qū)間干擾(ici)。尤其是在小區(qū)邊緣的用戶，其服務(wù)質(zhì)量(qos)受到嚴(yán)重影響。在現(xiàn)有技術(shù)中利用簡單的小區(qū)間切換進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移并不能很好的降低系統(tǒng)干擾提升系統(tǒng)資源利用率，目前亟需一種方式克服現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中負(fù)載分布不均衡、載波資源利用率低和系統(tǒng)公平性低的問題。

一種基于能效最優(yōu)的協(xié)作通信系統(tǒng)資源分配方法(申請?zhí)枺?01610662327.4)，包括步驟：建立系統(tǒng)模型，系統(tǒng)場景分析，問題歸結(jié)，使用凸優(yōu)化方法求解最優(yōu)化問題。本發(fā)明考慮時(shí)間平均下的系統(tǒng)能效，基于時(shí)間平均的能效算法不僅考慮當(dāng)前系統(tǒng)性能，同時(shí)將當(dāng)前時(shí)刻之前時(shí)刻系統(tǒng)性能考慮在內(nèi)，保證系統(tǒng)資源分配的公平性，并給出用戶公平性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，同時(shí)能夠通過運(yùn)算巧妙地得到更簡單的功率子載波自適應(yīng)分配公式。

面向lte-a的中繼定向配置聯(lián)合分頻復(fù)用方法(申請?zhí)枺?01410198834.8)，利用定向天線的方向性，提高系統(tǒng)的頻譜利用率，根據(jù)中繼定向天線的方向和角度配置聯(lián)合頻譜分配方案，降低小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的同頻干擾，控制中繼站和宏蜂窩基站之間的相互干擾，提高系統(tǒng)性能。

上述技術(shù)方案均沒有解決蜂窩系統(tǒng)負(fù)載均衡的問題以及蜂窩小區(qū)間和小區(qū)內(nèi)用戶公平性問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于小區(qū)間中繼蜂窩網(wǎng)負(fù)載均衡的公平性提升方法，在蜂窩小區(qū)系統(tǒng)中，兩相鄰小區(qū)之間設(shè)置一個(gè)基于頻譜時(shí)隙劃分模型共享中繼負(fù)載均衡方案，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于距離權(quán)重的子載波再分配算法和小區(qū)間中繼覆蓋半徑的最優(yōu)化方案，提升小區(qū)系統(tǒng)資源利用率和蜂窩小區(qū)系統(tǒng)整體的用戶公平性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種應(yīng)用于小區(qū)間中繼蜂窩網(wǎng)負(fù)載均衡的公平性提升方法，將過載蜂窩小區(qū)、共享中繼站以及其周圍六個(gè)相鄰蜂窩小區(qū)組成一個(gè)資源分配及通信傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系。蜂窩基站收集各自小區(qū)的負(fù)載信息，計(jì)算載波需求，配合共享中繼站協(xié)調(diào)過載蜂窩小區(qū)邊緣用戶的轉(zhuǎn)移。在蜂窩小區(qū)系統(tǒng)中，采用的頻率復(fù)用因子為1，頻率復(fù)用模式為1*6*6，蜂窩小區(qū)被近似為6邊形，劃分為6個(gè)扇區(qū)，不同位置扇區(qū)內(nèi)的用戶使用不同載波集的子載波。在整個(gè)設(shè)計(jì)方法中，主要分為兩部分：一是將過載蜂窩小區(qū)、共享中繼站以及其周圍六個(gè)相鄰蜂窩小區(qū)組成一個(gè)資源分配及通信傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)。二是結(jié)合頻譜劃分和時(shí)隙劃分確定干擾模型，根據(jù)用戶在小區(qū)內(nèi)與服務(wù)基站距離確定再分配權(quán)重以及相鄰小區(qū)負(fù)載量確定中繼優(yōu)化方案，以充分合理地提升系統(tǒng)公平性。

下面以ofdma蜂窩系統(tǒng)下行鏈路場景進(jìn)行說明：

主要變量及其定義：

rbs：蜂窩小區(qū)bs的覆蓋半徑

β：蜂窩系統(tǒng)中鏈路的路徑損耗指數(shù)

r：目標(biāo)用戶ms到其服務(wù)基站的距離

ri：目標(biāo)用戶ms到第i個(gè)相鄰小區(qū)基站bs的距離

w：子載波帶寬

rreq：用戶需求的最低數(shù)據(jù)速率

pbs：蜂窩小區(qū)bs的傳輸功率

slotⁱ：表示第i個(gè)時(shí)隙

表示鏈路link在時(shí)隙第i個(gè)時(shí)隙的信擾比。

表示bs區(qū)域剩余的子載波數(shù)。

表示rs區(qū)域剩余的子載波數(shù)。

wi：表示第i個(gè)小區(qū)的負(fù)載。

表示第i個(gè)相鄰小區(qū)通話速率的期望。

e(rt)：表示目標(biāo)過載小區(qū)通話速率的期望。

表示中繼覆蓋半徑

將過載蜂窩小區(qū)、共享中繼站以及其周圍相鄰蜂窩小區(qū)組成一個(gè)資源分配及通信傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)；結(jié)合頻譜劃分和時(shí)隙劃分的小區(qū)間中繼模型實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)移，通過基于距離權(quán)重的調(diào)度方案對子載波進(jìn)行再分配，根據(jù)相鄰小區(qū)不同負(fù)載確定各中繼的覆蓋最優(yōu)半徑。設(shè)置頻譜劃分與時(shí)隙劃分模型，具體為：

1)在系統(tǒng)的下行傳輸模型中，每一傳輸幀劃分為兩個(gè)時(shí)隙，對相鄰小區(qū)，在時(shí)隙一時(shí)，為基站bs到小區(qū)間中繼rs的中繼傳輸與bs到用戶ms的直連傳輸，在時(shí)隙二時(shí)，為rs到ms的中繼傳輸；對目標(biāo)小區(qū)，兩個(gè)時(shí)隙均為bs到ms的直連傳輸。

2)頻率復(fù)用模式為1*6*6，復(fù)用因子為1的頻譜劃分方案，將總載波劃分為6個(gè)不同的子載波集，將每個(gè)小區(qū)劃分成6個(gè)等面積的扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分別采用一套子載波集，小區(qū)內(nèi)相同位置的扇區(qū)采用相同的子載波集，中繼區(qū)域內(nèi)采用的子載波集來自于對應(yīng)最近相鄰小區(qū)的扇區(qū)。

之后，按以下步驟執(zhí)行：

步驟1：蜂窩基站收集各自小區(qū)的負(fù)載信息，計(jì)算載波需求；

若不超過閾值，直接進(jìn)行子載波分配；

若超過閾值，則執(zhí)行步驟2；

步驟2：根據(jù)蜂窩系統(tǒng)所處時(shí)隙及各個(gè)相鄰小區(qū)的不同負(fù)載情況對不同中繼的覆蓋半徑進(jìn)行最優(yōu)化；

步驟3：負(fù)載轉(zhuǎn)移，計(jì)算子載波需求，進(jìn)行初次分配；

步驟4：負(fù)載轉(zhuǎn)移后，分別計(jì)算各區(qū)域子載波剩余數(shù)，基于距離權(quán)重的子載波分配算法進(jìn)行子載波再分配；

步驟5：負(fù)載均衡執(zhí)行結(jié)束后蜂窩基站層更新負(fù)載信息，并返回步驟1。

步驟1中具體包括如下步驟：在通話請求的第一個(gè)時(shí)隙初始時(shí)，蜂窩基站層計(jì)算每個(gè)通話滿足最低速率要求rreq的子載波數(shù)；并對相應(yīng)范圍進(jìn)行積分得到當(dāng)前小區(qū)所有用戶所需求的總子載波數(shù)，然后進(jìn)行子載波預(yù)分配。

計(jì)算鏈路link在時(shí)隙第i個(gè)時(shí)隙的信擾比，計(jì)算每個(gè)通話鏈路link在不同時(shí)隙滿足最低速率要求rreq的子載波數(shù)：

作為優(yōu)選，閾值為最大子載波數(shù)的90％。

步驟2中具體包括如下步驟：計(jì)算中繼覆蓋半徑的最優(yōu)值時(shí)，對于第i個(gè)中繼覆蓋區(qū)域，其可用子載波與第i個(gè)相鄰小區(qū)的負(fù)載wi相關(guān)。當(dāng)目標(biāo)小區(qū)的負(fù)載w0已知時(shí)，中繼覆蓋半徑為當(dāng)滿足如下約束條件，使蜂窩小區(qū)系統(tǒng)內(nèi)各小區(qū)間的平均通話速率的方差最低時(shí)，所對應(yīng)的中繼覆蓋半徑值為最優(yōu)值。

步驟3中具體包括如下步驟：基于頻譜劃分與時(shí)隙劃分策略，將過載小區(qū)中不同分區(qū)的邊緣用戶通過共享中繼站向?qū)?yīng)輕負(fù)載相鄰小區(qū)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過后的用戶與對應(yīng)相鄰小區(qū)的最近分區(qū)共用一套載波集，根據(jù)干擾情況，計(jì)算子載波需求，進(jìn)行子載波初次分配。

步驟4中具體包括如下步驟：負(fù)載轉(zhuǎn)移后，分別計(jì)算各區(qū)域子載波剩余數(shù)和基于距離權(quán)重的子載波分配算法進(jìn)行子載波再分配；

基于距離權(quán)重的再分配算法具體為：對于bs區(qū)域，將各ms到其服務(wù)基站bs的距離與該區(qū)域所有ms到bs的總距離dt的比值作為公平因子；對于rs區(qū)域，將各ms到中繼rs的距離與該區(qū)域內(nèi)所有ms到rs的總距離的比值作為公平因子。各ms獲得再分配子載波數(shù)為，公平因子·對應(yīng)區(qū)域子載波剩余數(shù)。

得到基于距離的公平因子及所獲再分配資源為：

bs區(qū)域：公平因子：再分配資源：

rs區(qū)域：公平因子：再分配資源：

當(dāng)某ms所獲得總子載波數(shù)ki確定時(shí)，其通話速率可通過下式(4)計(jì)算：

本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明采用復(fù)用因子為1，頻率復(fù)用模式為1*6*6的頻率時(shí)隙模型來降低系統(tǒng)干擾，根據(jù)負(fù)載后系統(tǒng)剩余子載波資源進(jìn)行按距離權(quán)重的子載波再分配以提升小區(qū)內(nèi)公平、根據(jù)相鄰小區(qū)不同負(fù)載確定各中繼的覆蓋最優(yōu)半徑以提升小區(qū)間公平性。克服現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中負(fù)載分布不均衡、載波資源利用率低和系統(tǒng)公平性低的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的共享中繼站設(shè)置示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的頻譜劃分模型示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)隙劃分模型示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用于小區(qū)間中繼蜂窩網(wǎng)負(fù)載均衡的公平性提升方法流程圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例：將過載蜂窩小區(qū)、共享中繼站以及其周圍六個(gè)相鄰蜂窩小區(qū)組成一個(gè)資源分配及通信傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合頻譜劃分和時(shí)隙劃分的小區(qū)間中繼模型實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)移，通過基于距離權(quán)重的調(diào)度方案對子載波進(jìn)行再分配，通過最優(yōu)化中繼覆蓋半徑以提升系統(tǒng)公平性。

首先在小區(qū)間的相鄰處設(shè)置共享中繼站，如下圖1所示。假設(shè)每個(gè)蜂窩小區(qū)的覆蓋半徑rbs為100m。目標(biāo)小區(qū)的用戶數(shù)為74，6個(gè)相鄰小區(qū)的用戶數(shù)分別為40、35、30、25、20、15，且每個(gè)小區(qū)均勻分布。小區(qū)總子載波數(shù)k為512，子載波帶寬w為30khz，路徑損耗指數(shù)β為2。每個(gè)用戶需求的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)速率rreq為256kbps。

其次將過載蜂窩小區(qū)、共享中繼站以及其周圍六個(gè)相鄰蜂窩小區(qū)組成一個(gè)資源分配及通信傳輸?shù)幕倔w系結(jié)構(gòu)。如上圖2和圖3所示的設(shè)置頻譜劃分與時(shí)隙劃分模型，具體為：

1)在系統(tǒng)的下行傳輸模型中，每一傳輸幀劃分為兩個(gè)時(shí)隙，對相鄰小區(qū)，在時(shí)隙一時(shí)，為基站bs到小區(qū)間中繼rs的中繼傳輸與bs到用戶ms的直連傳輸，在時(shí)隙二時(shí)，為rs到ms的中繼傳輸；對目標(biāo)小區(qū)，兩個(gè)時(shí)隙均為bs到ms的直連傳輸。

2)頻率復(fù)用模式為1*6*6，復(fù)用因子為1的頻譜劃分方案，將總載波劃分為6個(gè)不同的子載波集，將每個(gè)小區(qū)劃分成6個(gè)等面積的扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分別采用一套子載波集，小區(qū)內(nèi)相同位置的扇區(qū)采用相同的子載波集，中繼區(qū)域內(nèi)采用的子載波集來自于對應(yīng)最近相鄰小區(qū)的扇區(qū)。

之后，參照圖4所示的流程圖，按以下步驟執(zhí)行：

步驟1：在通話請求的第一個(gè)時(shí)隙初始時(shí)，蜂窩基站層根據(jù)公式(1)，(2)計(jì)算每個(gè)通話滿足最低速率要求rreq的子載波數(shù)，并對相應(yīng)范圍進(jìn)行積分得到當(dāng)前小區(qū)所有用戶所需求的總子載波數(shù)，然后進(jìn)行子載波預(yù)分配，判斷是否超過閾值，閾值為最大子載波數(shù)的90％。經(jīng)計(jì)算已超過閾值，則執(zhí)行步驟2。

計(jì)算每個(gè)通話鏈路link在不同時(shí)隙滿足最低速率要求rreq的子載波數(shù)：

計(jì)算鏈路link在時(shí)隙第i個(gè)時(shí)隙的信擾比：

步驟2：根據(jù)蜂窩系統(tǒng)所處時(shí)隙及各個(gè)相鄰小區(qū)的不同負(fù)載情況對不同中繼的覆蓋半徑進(jìn)行最優(yōu)化，執(zhí)行步驟3。

計(jì)算中繼覆蓋半徑的最優(yōu)值時(shí)，對于第i個(gè)中繼覆蓋區(qū)域，其可用子載波與第i個(gè)相鄰小區(qū)的負(fù)載wi相關(guān)。當(dāng)目標(biāo)小區(qū)的負(fù)載w0已知時(shí)，中繼覆蓋半徑為當(dāng)滿足如下約束條件，使蜂窩小區(qū)系統(tǒng)內(nèi)各小區(qū)間的平均通話速率的方差最低時(shí)，所對應(yīng)的中繼覆蓋半徑值為最優(yōu)值。根據(jù)計(jì)算，此時(shí)6個(gè)中繼的值分別為20,23,27,33,41,43。

步驟3：基于頻譜劃分與時(shí)隙劃分策略，將過載小區(qū)中不同分區(qū)的邊緣用戶通過共享中繼站向?qū)?yīng)輕負(fù)載相鄰小區(qū)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過后的用戶與對應(yīng)相鄰小區(qū)的最近分區(qū)共用一套載波集，根據(jù)干擾情況，計(jì)算子載波需求，進(jìn)行子載波初次分配，執(zhí)行步驟4；

步驟4：負(fù)載轉(zhuǎn)移后，分別計(jì)算各區(qū)域子載波剩余數(shù)和基于距離權(quán)重的子載波分配算法進(jìn)行子載波再分配，之后執(zhí)行步驟5；

基于距離權(quán)重的再分配算法具體為：對于bs區(qū)域，將各ms到其服務(wù)基站bs的距離與該區(qū)域所有ms到bs的總距離dt的比值作為公平因子；對于rs區(qū)域，將各ms到中繼rs的距離與該區(qū)域內(nèi)所有ms到rs的總距離的比值作為公平因子。各ms獲得再分配子載波數(shù)為，公平因子·對應(yīng)區(qū)域子載波剩余數(shù)。

得到基于距離的公平因子及所獲再分配資源為：

bs區(qū)域：公平因子：再分配資源：

rs區(qū)域：公平因子：再分配資源：

當(dāng)某ms所獲得總子載波數(shù)ki確定時(shí)，其通話速率可通過下式(4)計(jì)算。

最后，又由rs的最優(yōu)半徑20,23,27,33,41,43，可得各相鄰小區(qū)的平均吞吐率基本處于523kbps到574kbps之間，使系統(tǒng)小區(qū)間公平性得到保障。而小區(qū)內(nèi)各扇區(qū)平均通話速率的方差處于7到28之間浮動，這說明小區(qū)內(nèi)的用戶公平性也得到了較好的滿足。

步驟5：負(fù)載均衡執(zhí)行結(jié)束后蜂窩基站層更新負(fù)載信息，并返回步驟1。

以上的實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明未涉及的技術(shù)均可通過現(xiàn)有的技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。