LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種LTE?U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi?Fi公平性的信道接入方法，采用了基于競爭機制的信道接入方式，即通過聯(lián)盟博弈的方式，使參與信道競爭的LTE?U基站形成不同的分簇，并在每個分簇中采用合理的子信道分配方案，達到了減少競爭基站的數(shù)目的目標(biāo)，具有既提高信道利用率，進而提高LTE?U系統(tǒng)容量，又降低對Wi?Fi系統(tǒng)干擾，保證Wi?Fi系統(tǒng)公平性的優(yōu)勢。
【專利說明】
LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護W i-F i公平性的信道接入 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于移動通信領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種在免授權(quán)頻段提高LTE-U網(wǎng)絡(luò)容量且保 證Wi-Fi公平性的信道接入方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動設(shè)備和多種移動應(yīng)用的爆發(fā)式增長，無線運營商面臨著移動數(shù)據(jù)流量快 速增長帶來的對系統(tǒng)容量和保證用戶服務(wù)質(zhì)量的嚴峻考驗。為了應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的巨大挑 戰(zhàn)，運營商需要獲取更多的頻譜資源。然而，頻譜作為一種珍貴資源，授權(quán)頻段常常十分昂 貴。隨著載波聚合技術(shù)的發(fā)展，運營商將目標(biāo)放在了免費的免授權(quán)頻段，目化TE化licensed (LTE-U)技術(shù)。作為LTE Released中的一部分，LTE-U可W在統(tǒng)一的LTE網(wǎng)絡(luò)下允許用戶同 時接入授權(quán)和免授權(quán)頻段。
[0003] 雖然LTE-U技術(shù)可W帶來更高的數(shù)據(jù)速率、無縫的服務(wù)一致性W及可靠的移動性， 但同樣面臨著許多挑戰(zhàn)。首要的挑戰(zhàn)就是LTE-U系統(tǒng)和免授權(quán)頻段上已存在系統(tǒng)的共存問 題。由于LTE-閑尋部署在免授權(quán)的5G Hz,在該頻段的主要系統(tǒng)便是Wi-Fi(Ila) DWi-Fi系統(tǒng) 采用了基于競爭機制的媒體訪問控制(medi皿access control ,MAC)協(xié)議，而LTE-U系統(tǒng)采 用集中控制的資源調(diào)度策略。因而，LTE-U會對Wi-Fi系統(tǒng)帶來持續(xù)的干擾，從而使Wi-Fi系 統(tǒng)的性能急劇惡化。同時，為了保證公平性，在LTE Release 13中已經(jīng)確定了采用Listen Before Ta化(LBT)機制。該機制通過讓LTE-U基站在發(fā)送前對信道進行監(jiān)聽來避免對Wi-Fi 系統(tǒng)的干擾并限定了最大信道占用時間。但該機制在LTE-U密集部署的情況下會造成信道 利用率低，不僅降低了 LTE-U系統(tǒng)的容量，同時使Wi-Fi系統(tǒng)的性能嚴重惡化。
[0004] 現(xiàn)有的LTE-U信道接入機制的設(shè)計主要集中在調(diào)整LBT機制中參數(shù)，比如監(jiān)聽時 間，空閑信道的闊值W單次傳輸時間等，從而合理分配LTE-U和Wi-Fi對信道占用的比例，進 而保證Wi-Fi的公平性。雖然通過設(shè)計合理的參數(shù)可W保證Wi-Fi系統(tǒng)的公平性，然而卻是 W降低LTE-U系統(tǒng)的容量為代價的。目前對在LBT機制保證公平性，同時提高LTE-U系統(tǒng)容量 的方法較少。特別的，在LTE-U密集部署時，解決公平性和系統(tǒng)容量的信道接入方法還存在 著空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種信道接入方法，提高信道利用率，進而提高 LTE-U系統(tǒng)容量，又降低對Wi-Fi系統(tǒng)干擾，同時保證Wi-Fi系統(tǒng)公平性。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] 一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方法包括W下步 驟：
[000引步驟ULTE-U控制器采用聯(lián)盟博弈的方式對所控制的LTE-U基站進行分簇，在每個 分簇內(nèi)指定一個簇頭代表本分簇進行信道接入的競爭；
[0009] 步驟2、當(dāng)有信息需要傳輸時，每個簇頭監(jiān)聽信道的狀態(tài)，同時當(dāng)信道被占用時，繼 續(xù)監(jiān)聽信道直到信道空閑；
[0010] 步驟3、當(dāng)檢測到信道空閑時，每個簇頭基站產(chǎn)生一個隨機數(shù)，在每個時隙內(nèi)，如果 信道空閑，則隨機數(shù)減1，否則，保持不變；
[0011] 步驟4、當(dāng)隨機數(shù)為加寸，在每一個分簇中每一個LTE-U基站進行子信道劃分；
[0012] 步驟5、完成子信道劃分之后，每個LTE-U基站進行傳輸，同時簇頭負責(zé)檢查是否有 碰撞發(fā)生，若有碰撞，傳輸失敗，將回退窗口擴大1倍;否則，傳輸成功，回退窗口保持不變， 返回步驟2。
[0013] 作為優(yōu)選，在步驟1中，如果LTE-U基站的集合為策，一個分簇為若干LTE-U基站的 集合5c J，則對LTE-U基站進行分簇的結(jié)果，即一個劃分滿足
且
[0014] 作為優(yōu)選，在步驟1中，每個LTE-U基站根據(jù)自己的收益Xi(S，3i) W及整個博弈的價 值V(JI)來決定是否加入一個特定的分簇S，即，
[0015] 每個LTE-U基站的收益依據(jù)W下公式計算
，整個博弈的價值 的計算另
[0016] 其中，Ri(S，3T)表示在給定劃分JT和所屬分簇S下，LTE-U i的容量，即，
[0017]
[001 引
[0019] 其中，/^*)表示1；^-1] 1在子信道111與用戶4的發(fā)送功率，:；^")表示1；^-1] 1在子信道111 與用戶4的信道增益，&"11；^-1]1在子信道111與用戶4的同道干擾，8表示子信道帶寬，；\^,"'|表 示在子信道m(xù)上的高斯白噪聲，ps(S,31)表示在給定劃分JT和所屬分簇S下LTE-U i成功接入 信道的概率。
[0020] 作為優(yōu)選，Ps(S，3I)根據(jù)W下公式進行計算:ps = nT(l-T)n-i，其中，n為參與競爭的 LTE-U基站和Wi-Fi節(jié)點的總和，T為每個時隙的接入概率，P為碰撞概率；
[0021] 通過離散時間馬爾科夫鏈模型計算出每個時隙的接入概率T和碰撞概率
，其中，W是最小的回退窗口大小，m表示最大的回退狀態(tài)。
[0022] 作為優(yōu)選，在步驟4中，如果采用31;表示分簇S可使用的子信道集合，對分簇S中的 一個LTE-U基站i，采用義;表示其用戶的集合，則其分配到的子信道集合為：
[0023]
[0024] 其中，>^^^戸￡'-。為116-1]基站沖第1個用戶的子信道，/€化2,3,.....，閱)。
[0025] 作為優(yōu)選，步驟3中，每個簇頭基站產(chǎn)生一個大小在(0，W)之間的隨機數(shù)，其中，W為 回退窗口的大小。
[0026] 本發(fā)明一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方法的優(yōu) 點在于：
[0027] 1、本發(fā)明采用了聯(lián)盟博弈的方式，通過定義聯(lián)盟內(nèi)部合理的子信道分配策略，使 得LTE-U基站形成穩(wěn)定的分簇，從而極大的減少了在LTE-U密集部署網(wǎng)絡(luò)下參與信道競爭的 LTE-U基站的數(shù)目，有效的提高了信道的利用效率，增加了LTE-U系統(tǒng)的容量，同時保證了 Wi-Fi系統(tǒng)的公平。
[0028] 2、本發(fā)明利用遞歸核的概念，合理的設(shè)定博弈中每個參與者的收益W及整個系統(tǒng) 的博弈價值，按照遞歸的方式對解空間進行捜索，從而降低了計算的復(fù)雜程度。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方法的流 程示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好的理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實例中的附 圖對本發(fā)明方案的實施方式進行詳細描述。
[0031] 本發(fā)明提供一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方法， 采用了基于競爭機制的信道接入方式，即通過聯(lián)盟博弈的方式，使參與信道競爭的LTE-U基 站形成不同的分簇，并在每個分簇中采用合理的子信道分配方案，達到了減少競爭基站的 數(shù)目的目標(biāo)，具有既提高信道利用率，進而提高LTE-U系統(tǒng)容量，又降低對Wi-Fi系統(tǒng)干擾， 保證Wi-Fi系統(tǒng)公平性的優(yōu)勢。
[0032] 本發(fā)明提供一種信道接入方法包括W下步驟：
[0033] 步驟ULTE-U控制器采用聯(lián)盟博弈的方式對所控制的LTE-U基站進行分簇，如果 LTE-U基站的集合為J，一個分簇是若干LTE-U基站的集合Sc ，那么對LTE-U基站進行分 簇的結(jié)果，即一個劃分n滿足且至= 0，Vj'j€/7,芝S。在完成分簇之后，在 每個分簇內(nèi)指定一個簇頭代表本分簇進行信道接入的競爭。
[0034] 本發(fā)明適用于LTE-U密集部署的場景下，此時由于參與信道競爭的LTE-U節(jié)點數(shù)目 較大，由基于競爭的信道接入機制的特點可知在此場景下會導(dǎo)致大多數(shù)競爭者會處于回退 狀態(tài)，從而極大的降低了信道的利用率，導(dǎo)致LTE-U系統(tǒng)容量的降低并對Wi-Fi系統(tǒng)的性能 造成了影響。為了減小競爭者數(shù)目，提高LTE-U系統(tǒng)容量同時保證Wi-Fi系統(tǒng)的公平性，需要 對LTE-U基站進行分簇。
[003引如果LTE-U基站的集合為J，此時對又劃分的集合為月（J)，目標(biāo)是找到一個穩(wěn)定 的劃分；T E J4 (J)使得整個博弈價值最大，即
[0036] '.乃巧/(/了）
[0037] 根據(jù)博弈價值和每個參與者的收益的定義可知，
[00；3 引
[0039]
[0040] 由于每個參與者的收益正比于博弈價值，在博弈價值V(JT)最大時，每個參與者的 收益也是最大的。
[0041 ]所述Ri( S ,31)表示在給定劃分JT和所屬分簇S下，LTE-U i的容量，該容量可W由 Shannon公式得出，即
[0042]
[0043]
[0044] 其中表示LTE-U i在子信道m(xù)與用戶k的發(fā)送功率，表示LTE-U i在子信道m(xù) 與用戶k的信道增益，/^">LTE-U i在子信道m(xù)與用戶k的同道干擾，B表示子信道帶寬，S表 示在子信道m(xù)上的高斯白噪聲。
[0045] 另外Ps(s，3i)表示在給定劃分31和所屬分簇S下，LTE-U i成功接入信道的概率。可 W按照W下公式進行計算
[0046] ps = nT(l-T)n-i
[0047] 其中，表示參與競爭的LTE-U基站和Wi-Fi節(jié)點的總和。
[004引通過離散時間馬爾科夫鏈模型可W計算出每個時隙的接入概率T和碰撞概率P
[0049]
[(K)加 ]共TW巧取凹化圓U人/J、，而m表示最大的回退狀態(tài)。
[0051] 但上述問題是一個組合優(yōu)化問題，且該問題是NP問題，采用暴力捜索法難W滿足 實際實現(xiàn)的要求。為了高效的解決上述NP問題，引入遞歸核的概念，通過采用對解空間的合 理捜索順序，并采用有效的剪枝方法來減小捜索空間，從而有效的降低計算復(fù)雜度。
[0052] 遞歸核通過采用分治策略，通過將原問題轉(zhuǎn)換為更小的子問題，在求解子問題的 過程中得到原問題的解。設(shè)該聯(lián)盟博弈(J>)的遞歸核為巧乂句=批死)，其中X表示每個 參與者的收益向量，n表示一個劃分。遞歸核的求解過程如下：
[0化3] (1)遞歸終止條件：
[0054] 只有一個參與者i的聯(lián)盟博弈的遞歸核有唯一解的為
[0055] C({i},v) = ((v({i})),{i})
[0056] (2)誘導(dǎo)假設(shè)：
[0057] 設(shè)C(臾，V)是其子問題的核。令n(：R，V)表示子問題(馬V)的所有可能解。誘導(dǎo)假設(shè) /;(臾，V')為
[0化引
[0059] (3)優(yōu)勢解：
[0060] (x，3i)是在分簇S的優(yōu)勢解如果滿足一下W下條件
[0061 ]至少有一個解(》.、-，町.0 e ^護\如），存在一個解((.V,' a,;T} -、j，;r、u；Ts,'f) en( ，使得 (杞，斯X
[0062] (4)遞歸核：
[0063] 遞歸核是所有優(yōu)勢解的結(jié)合。
[0064] 步驟2、當(dāng)有信息需要傳輸時，每個簇頭監(jiān)聽信道的狀態(tài)，當(dāng)信道被占用時，繼續(xù)監(jiān) 聽信道直到信道空閑。
[00化]步驟3、在檢測到信道空閑時，每個簇頭基站產(chǎn)生一個大小在(0，W)之間的隨機數(shù)， 其中，W是回退窗口的大小，在每個時隙內(nèi)，如果信道空閑，則隨機數(shù)減一;否則，保持不變。
[0066] 步驟4、當(dāng)隨機數(shù)為加寸，在每一個分簇內(nèi)部進行子信道劃分。如果用鳳4表示分簇S 可使用的子信道集合，對分簇S中的一個LTE-U基站1，用^；表示其用戶的集合，則其分配到 的子信道集合為WT-U=，...，乃護W'，…，:U}。
[0067] 在形成分簇之后，需要在每一個分簇內(nèi)進行子信道的劃分。由于每個分簇占用的 信道時間受限，因此子信道的分配方案應(yīng)盡可能的簡單，同時還要降低同一個分簇中個 LTE-U用戶之間的干擾。為了使信道分配方案簡單高效且每個用戶均至少有一個子信道，提 出了如下的信道分配方案。
[006引
[0069]步驟5、完成子信道劃分之后，每個LTE-U基站進行傳輸;同時簇頭負責(zé)檢查是否有 碰撞發(fā)生，若有碰撞，傳輸失敗，將回退窗口擴大一倍;否則，傳輸成功，回退窗口保持不變， 返回步驟2。
[0070] W上實施例僅為發(fā)明的示例性實施例，不用于限制發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍由權(quán) 利要求書限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可W在本發(fā)明的實質(zhì)和保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出各種修 改或等同替換，運種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方法，其特征在于， 包括W下步驟： 步驟ULTE-U控制器采用聯(lián)盟博弈的方式對所控制的LTE-U基站進行分簇，在每個分簇 內(nèi)指定一個簇頭代表本分簇進行信道接入的競爭； 步驟2、當(dāng)有信息需要傳輸時，每個簇頭監(jiān)聽信道的狀態(tài)，同時當(dāng)信道被占用時，繼續(xù)監(jiān) 聽信道直到信道空閑； 步驟3、當(dāng)檢測到信道空閑時，每個簇頭基站產(chǎn)生一個隨機數(shù)，在每個時隙內(nèi)，如果信道 空閑，則隨機數(shù)減1，否則，保持不變； 步驟4、當(dāng)隨機數(shù)為加寸，在每一個分簇中每一個LTE-U基站進行子信道劃分； 步驟5、完成子信道劃分之后，每個LTE-U基站進行傳輸，同時簇頭負責(zé)檢查是否有碰撞 發(fā)生，若有碰撞，傳輸失敗，將回退窗口擴大1倍;否則，傳輸成功，回退窗口保持不變，返回 步驟2。2. 如權(quán)利要求1述的一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方 法，其特征在于，在步驟沖，如果LTE-U基站的集合為J，一個分簇為若干LTE-U基站的集合S : r, 則對LTE-U基站進行分簇的結(jié)果，即一個劃分π滿足=.尹且?'ηΙ = 0，喊3 e E j吉寶。3. 如權(quán)利要求2所述的一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入 方法，其特征在于，在步驟1中，每個LTE-U基站根據(jù)自己的收益Xi(S，3i)W及整個博弈的價 值v(>)來決定是否加入一個特定的分簇S，即， 每個LTE-U基站的收益依據(jù)W下公式計算整個博弈的價值的計 算為：其中，Ri (S，31)表示在給定劃分31和所屬分簇S下，LTE-U i的容量，即，其中，if)表示LTE-U i在子信道m(xù)與用戶k的發(fā)送功率，嗦示LTE-U i在子信道m(xù)與用 戶k的信道增益，巧";LTE-U i在子信道m(xù)與用戶k的同道干擾，B表示子信道帶寬，嗦示在 子信道m(xù)上的高斯白噪聲，ps(S，n)表示在給定劃分π和所屬分簇S下LTE-U i成功接入信道 的概率。4. 如權(quán)利要求3述的一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方 法，其特征在于，Ps(S，3i)根據(jù)W下公式進行計算:ps = nT(l-T)n^其中，η為參與競爭的LTE- U基站和Wi-Fi節(jié)點的總和，τ為每個時隙的接入概率，Ρ為碰撞概率； 通過離散時間馬爾科夫鏈模型計算出每個時隙的接入概率τ和碰撞概率Ρ:，其中，W是最小的回退窗口大小，m表不最大的回退狀態(tài)。5. 如權(quán)利要求1述的一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方 法，其特征在于，在步驟4中，如果采用：M.、表示分簇S可使用的子信道集合，對分簇S中的一 個LTE-U基站i，采用式表示其用戶的集合，則其分配到的子信道集合為：其中，訊護為LTE-U基站沖第1個用戶的子信道，/6-(1，2,3，.....，於|)。6. 如權(quán)利要求1述的一種LTE-U密集網(wǎng)絡(luò)中提高容量且保護Wi-Fi公平性的信道接入方 法，其特征在于，步驟3中，每個簇頭基站產(chǎn)生一個大小在(0，W)之間的隨機數(shù)，其中，W為回 退窗口的大小。
【文檔編號】H04W16/14GK105979529SQ201610472227
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】丁無窮, 景文鵬, 路兆銘, 溫向明, 陳昆, 陳志強
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)