一种LTE-A系统多小区无线网络的基站功率控制方法

摘要

本发明公开了一种LTE-A系统多小区无线网络的基站功率控制方法，系统中eNodeB周期性地检测小区内负载以及小区内UE上报的CQI信息，当负载状况满足功控门限值时，即启动虚拟功率控制使得过载小区负载向低载小区转移；若小区中不存在负载不均衡问题或负载不均衡已得到解决，则通过CQI判断小区边缘用户比例，若该比例大于门限值，则启动多点协同传输的功率控制方案，改善小区边缘用户QoS；若小区中不存在负载不均衡问题且不存在边缘用户QoS低于门限值状况，或者上述问题得到解决，则通过实际功率调整的方法提高小区能量利用率。本发明通过实际或虚拟的功率控制在一个流程中解决多小区场景下负载不均衡，小区边缘QoS以及能量利用率等问题，避免了分开进行系统控制的不完整问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种LTE-A系统多小区无线网络的基站功率控制方法，用以解决多小区场景下负载不均衡、小区边缘业务质量保障(QoS)和功率利用率等问题，属于网络通信技术领域。 

背景技术

LTE-A是3GPP组织最新标准化成果，它极大的提高了无线通信传输速率。但同时也将面临着许多重大挑战。负载均衡，边缘用户QoS的提高以及提高能量利用率是亟需解决的三个重要问题。 

一股的，当负载不均衡时，LTE-A系统通过调整切换参数来达到负载转移；当小区边缘用户过多时，系统通过CoMP技术来达到提高小区边缘用户通信；当负载较低时，可以降低基站功率甚至关闭基站以达到提高能量利用率。 

现有技术通常将上述问题分开解决，造成算法过于复杂。为此，需要一种简单的统一的方案来解决上述挑战。 

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种LTE-A系统多小区无线网络的基站功率控制方法，它为简单地实现负载均衡，提高小区边缘QoS以及提高小区能量效率描述了一个框架。由于改善小区中负载不均衡问题的优先级高于提高小区边缘QoS保障，提高小区边缘QoS的优先级高于增加小区能量利用率。本发明的技术方案如下。 

技术方案：一种LTE-A系统多小区无线网络的基站功率控制方法，在判决成功的基础上，依次对小区运用虚拟功率控制、多点协作传输(CoMP)以及功率控制。若小区负载不平衡，则对小区进行基于虚拟功率控制的小区呼吸；若小区边缘用户比例大于门限值，即说明小区边缘用户过多，则对小区进行多点协作传输以提高边缘用户通信速率；若小区负载低于门限值，则对小区运用功率控制以提高小区能量利用率。LTE-A系统将在N个TTI中循环整个流程。 

具体步骤如下： 

步骤一：LTE-A系统在N×TTI时间内每隔TTI时间段周期性的检测小区 i(i＝1，2，3...)负载以及小区i内上报的信干噪比 t=t₀+TTI，，t₀+2·TTI，…，f₀+N·TTI，其中，t₀为上一个N×TTI周期的结束时间点；按照规则[1]计算小区i的负载统计平均值以及按照规则[2]计算小区i内UE j的信干噪比均值并执行步骤二； 

步骤二：若当前小区i负载统计平均值大于门限值L，基于规则[3]的目标小区选定法则选取合适的小区作为负载转移目标小区，并对当前小区和目标小区按照基于虚拟发射功率的负载均衡的规则[5]和[6]进行负载均衡。若当前小区i负载统计平均值低于门限值L，则执行步骤三； 

步骤三：判断当前小区i内边缘用户所占比例r，若r大于门限值R，则执行步骤四；若否，则执行步骤五； 

步骤四：按照规则[8]判断UE类型，对当前小区i以及其相邻小区进行功率控制，为使用多点协同传输(CoMP)联合发送、联合调度和波速成型等传输方案做好准备。若UE属于边缘类型A的用户，则UE的协作小区数为2；若UE属于边缘类型B的用户，则UE的协作小区数为3； 

步骤五：若i相邻小区的空闲负载可维持关闭小区i后小区i内UE的原通信速率，则执行步骤六；若否，则执行步骤七； 

步骤六：若小区i负载低于或等于其相邻任一小区的负载，则按照规则[9][10][11]是否可关闭小区i。若是，则关闭小区i；若否，则将当前小区修改为i相邻的负载最低的小区j，并对新的当前小区j运用上述步骤一至步骤六； 

步骤七：按照规则[12]修改小区i的实际发射功率至P′_A，使得P′_A能够维持小区i中的用户保持原有的通信速率。假设P″_A为低于P′_A的任意发射功率，则P″_A都将降低小区i中的用户原有的通信速率。 

所述步骤一至步骤七，按照周期M×NxTTI重复执行；其中，TTI表示LTE系统中传输时间间隔，通常为1ms。 

进一步地，所述步骤一中，小区负载加权统计均值计算基于规则[1]： 

${\mathrm{Load}}_i^{\mathrm{avg}}\left(t\right)=\frac{\underset{t=0}{\overset{N·\mathrm{TTI}·(k-1)}{\Sigma }}m\left(t\right)·{\mathrm{Load}}_i^{\mathrm{cur}}\left(t\right)}{N},$      规则[1] 

其中，为小区it时刻负载大小，k表示周期(指NxTTI)数。 

进一步地，所述步骤一中，UE的SINR均值计算基于规则[2]： 

${\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)=\frac{\underset{t=0}{\overset{N·\mathrm{TTI}·(k-1)}{\Sigma }}{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{cur}}\left(t\right)}{N},$      规则[2] 

其中，为基于用户t时刻上报的CQI而计算出的SINR值的大小，k表示周期(指NxTTI)数。 

进一步地，所述步骤二中，UE转移目标小区的选择基于规则[3]： 

$T_{\mathrm{cell}}=w_1·\frac{\mathrm{loa}{d}_i}{{\mathrm{load}}_j}+w_2\frac{{1\mathrm{gP}}_j}{{1\mathrm{gP}}_i}$      规则[3] 

其中，T_cell表示目标小区编号，load_i表示当前过载小区的负载，load_I表示小区i相邻小区的负载，P_i表示UE检测到的小区i的接收功率，P_I为UE检测到的j小区的接受功率，w₁和w₂为加权系数，通常取1。小区将选择T_cell最大的相邻小区作为目标转移小区。 

进一步地，所述步骤二中，小区i负载计算基于规则[4]： 

${\mathrm{Load}}_i=\frac{\underset{j}{\Sigma }{\mathrm{Num}}_j^i}{N_{\mathrm{cell}}}$      规则[4] 

其中，为小区i中任意用户j所用PRB数量。N_cell为小区i中所有用户占用的PRB总量，N_cell为小区的PRB数量。 

进一步地，所述步骤二中，t+1时刻当前小区i与目标小区I的虚拟发射功率分别修正基于规则[5][6]： 

Pⁱ_V(t+1)=P^I_V(t)+P^I_A(f)-Pⁱ_A(t)+△_iI，     规则[5] 

${\Delta }_{\mathrm{iI}}=\underset{\mathrm{UE}}{\max }\left\{\right[{P^i}_A\left(\mathrm{UE}\right)+{P^i}_A\left(\mathrm{UE}\right)]-[{P^I}_V\left(\mathrm{UE}\right)+{P^I}_A\left(\mathrm{UE}\right)\left]\right\},$      规则[6] 

其中，Pⁱ_V(t+1)为小区i在t+1时刻的虚拟发射功率，P^I_V(t)为小区i在t时刻的虚拟发射功率，Pⁱ_A(t)为小区it时刻实际发射功率，P^I_A(t)为j小区t时刻实际发射功率，Δ_iI为小区i和小区i虚拟发射功率的修正值，和分别为t时刻UE接收到的来自小区i的实际功率和虚拟功率，和分别为t时刻UE接收到的来自小区i的实际功率和虚拟功率。 

进一步地，所述步骤三中，小区边缘用户比例的计算基于规则[7]： 

$r=\frac{N_{\mathrm{below}}}{N_{\mathrm{sum}}}$      规则[7] 

其中，N_below是指小区i内通信速率低于门限值V的UE的数量，N_sum是指小区i内总的UE数量。 

进一步地，所述步骤四中，用户所属边缘类型的判断基于规则[8]： 

|P₁-P₂|＞T_edge...用户属于边缘类型A 

|P₁-P₂|≤T_edge...用户属于边缘类型B      规则[8] 

其中，P_i表示用户接收到的来自小区i的信号强度，P_j表示用户接收到的来自小区j的信号强度，T_edge为预设门限值。 

进一步地，所述步骤六中，i相邻小区的空闲负载是否可维持小区i关闭后小区i内UE的原通信速率基于规则[8][9][10]： 

${\mathrm{load}}_{n\_j}^{\mathrm{idle}}\ge \frac{\underset{j=1}{\overset{n\_j}{\Sigma }}{k}_j·N_j}{N_{\mathrm{cell}}}$      规则[9] 

$k_j=\frac{y_1(1+\frac{y_1^2}{3}+\frac{y_1^4}{5}+\frac{y_1^6}{7})}{y_2(1+\frac{y_2^2}{3}+\frac{y_2^4}{5}+\frac{y_2^6}{7})},$      规则[10] 

$y_1=\frac{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)}{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)+2}$      规则[11] 

$y_2=\frac{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{after}}\left(t\right)}{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{after}}\left(t\right)+2}$      规则[12] 

${\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{after}}\left(t\right)=\frac{S^{\text{'}}}{\frac{S}{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)}-S^{\text{'}}+S}$      规则[13] 

其中，表示i的相邻小区j的空闲负载，N_m表示UE j在切换前所使用的PRB数量，表示小区i中的UE j在切换发生前的SINR统计平均值，表示小区i中的UE j在切换发生后的SINR值，S表示切换前UE接收到的信号强度，S′表示目标切换小区的信号强度。S和S′可通过UE上报获得，可基于规则[2]获得。 

进一步地，所述步骤七中，P′_A的取值基于规则[12]： 

$P_A^{\prime }=P_A\left(t\right)·\frac{{(1+\overline{{\gamma }_i})}^{\rho }-1}{\overline{{\gamma }_i}}$      规则[14] 

其中，P_A(t)为小区i原发射功率，ρ为原小区i负载大小，为小区i原UE内SINR的平均值，可通过规则[11]计算。 

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的LTE-A系统多小区无线网络的基站功率控制方法，解决了多小区场景下负载不均衡，小区边缘QoS以及能量利用率等问题，避免了分开进行系统控制的不完整问题，提高了系统性能，降低了解决问题的复杂度。 

附图说明

图1为本发明实施例的网络结构图； 

图2为本发明实施例的流程图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

如图2所示，用于LTE-A系统多小区无线网络的基站功率控制方法， 

(1)系统在N个TTI内周期性检测各小区负载以及各UE上报的SINR信息，计算并比较各小区负载加权统计均值以及各小区内各UE的SINR统计均值，并执行步骤(2)； 

其中，各小区负载加权统计均值的计算基于规则[1]： 

${\mathrm{Load}}_i^{\mathrm{avg}}\left(t\right)=\frac{\underset{t=0}{\overset{N·\mathrm{TTI}·(k-1)}{\Sigma }}m\left(t\right)·{\mathrm{Load}}_i^{\mathrm{cur}}\left(t\right)}{N},$      规则[1] 

小区内各UE的SINR均值的计算基于规则[2]： 

${\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)=\frac{\underset{t=0}{\overset{N·\mathrm{TTI}·(k-1)}{\Sigma }}{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{cur}}\left(t\right)}{N},$      规则[2] 

(1)若当前小区i负载load_i大于门限值L，基于目标小区选定法则选取合适的小区作为目标小区，并对当前小区和目标小区采用基于虚拟发射功率的负载均衡方案。若当前小区i负载load_i低于门限值L，则执行步骤(3)； 

其中，UE转移目标小区的选择基于规则[3]： 

$T_{\mathrm{cell}}=w_1·\frac{{\mathrm{load}}_i}{{\mathrm{load}}_j}+w_2\frac{1g{P}_j}{1g{P}_i}$       规则[3] 

小区i负载计算基于规则[4]： 

${\mathrm{Load}}_i=\frac{\underset{j}{\Sigma }{\mathrm{Num}}_j^i}{N_{\mathrm{cell}}},$      规则[4] 

t+1时刻当前小区i与目标小区I的虚拟发射功率分别修正基于规则[5][6]： 

Pⁱ_V(t+1)=P^I_V(t)+P^I_A(t)-Pⁱ_A(t)+Δ_iI，     规则[5] 

${\Delta }_{\mathrm{iI}}=\underset{\mathrm{UE}}{\max }\left\{\right[{P^i}_A\left(\mathrm{UE}\right)+{P^i}_A\left(\mathrm{UE}\right)]-[{P^I}_V\left(\mathrm{UE}\right)+{P^I}_A\left(\mathrm{UE}\right)\left]\right\},$      规则[6] 

(2)当前小区i通过UE反馈的SINR信息来判断小区边缘用户的比例r。若r高于门限值R，则对当前小区i以及其相邻小区采取CoMP技术，并执行步骤(4)。若r低于门限值R，并执行步骤(5)； 

其中，小区边缘用户比例的计算基于规则[7]： 

$r=\frac{N_{\mathrm{below}}}{N_{\mathrm{sum}}}$                 规则[7] 

(3)判断UE类型。若UE属于A型边缘用户，则UE的协作小区数为2；若UE属于B型边缘用户，则UE的协作小区数为3； 

其中，用户所属边缘类型的判断基于规则[8]： 

|P₁-P₂|>T_edge...用户属于边缘类型A 

|P₁-P₂|≤T_edge...用户属于边缘类型B      规则[8] 

(5)若i相邻小区的空闲负载可维持关闭小区i后小区i内UE的原通信速率，则执行步骤(6)；若否，则执行步骤(7)； 

其中，i相邻小区的空闲负载是否可维持小区i关闭后小区i内UE的原通信速率基于规则[8][9][10]： 

${\mathrm{load}}_{n\_j}^{\mathrm{idle}}\ge \frac{\underset{m=1}{\overset{n\_j}{\Sigma }}{k}_m·N_m}{N_{\mathrm{cell}}}$             规则[9] 

$k_j=\frac{y_1(1+\frac{y_1^2}{3}+\frac{y_1^4}{5}+\frac{y_1^6}{7})}{y_2(1+\frac{y_2^2}{3}+\frac{y_2^4}{5}+\frac{y_2^6}{7})},$             规则[10] 

$y_1=\frac{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)}{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)+2}$                 规则[11] 

$y_2=\frac{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{after}}\left(t\right)}{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{after}}\left(t\right)+2}$               规则[12] 

${\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{after}}\left(t\right)=\frac{S^{\prime }}{\frac{S}{{\mathrm{SINR}}_{i,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)}-S^{\prime }+S}$          规则[13] 

(6)若小区i负载低于或等于其相邻任一小区的负载，则关闭小区i；若否，则将当前小区修改为i相邻的负载最低的小区j，并对新的当前小区j运用上述过程； 

(7)修改小区i的实际发射功率至错误!未找到引用源。，使得错误!未找到引用源。能够维持小区i中的用户保持原有的通信速率。假设P″_A为低于错误!未找到引用源。的任意发射功率，则P″_A都将降低小区i中的用户原有的通信速率。 

其中，P′_A的取值基于规则[11]： 

$P_A^{\prime }=P_A\left(t\right)·\frac{{(1+\overline{{\gamma }_i})}^{\rho }-1}{\overline{{\gamma }_i}}$              规则[14] 

所述步骤(1)～(7)按照周期若干个TTI重复执行；其中，TTI表示传输时间间隔，为1ms。 

实施例一 

如图2所示构造一个构造TDD-LTE-A网络，一共有19个小区，每个小区采用全向天线，小区间的频率复用因子为1，除了边缘小区外，每个小区有六个相邻小区。基站功率限制为P_max=30w。每次功率控制运行的周期为100×10个TTI。 

下表给出TDD-LTE-A网络的实际系统参数表： 

(1)系统计算100×10个TTI内小区1的平均负载情况： 

${\mathrm{load}}_1^{\mathrm{avg}}=\frac{\underset{t=0}{\overset{99\times (10\times 1\mathrm{ms})}{\Sigma }}{\mathrm{load}}_1^{\mathrm{cur}}(t+t_0)}{100}$

计算小区1内的UE j在100×10个TTI内的SINR的统计均值： 

${\mathrm{SINR}}_{1,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)=\frac{\underset{t=0}{\overset{99\times (10\times 1\mathrm{ms})}{\Sigma }}{\mathrm{SINR}}_{1,j}^{\mathrm{cur}}(t+t_0)}{N}$

(2)若大于门限值L=0.95，则启动虚拟功率控制。若否，则执行步骤(3)继续判断。 

(3)计算小区1内SINR低于门限值S=0.5dB的UE所占UE总数的比例r是否大于门限值R=20％。若是，则启动CoMP以提高小区边缘用户通信速率。 

(4)判断边缘处UE所属边缘类型。若UE属于A型边缘用户，则利用2个小区对UE进行多点协作通信；若UE属于B型边缘用户，则利用3个小区对UE进行多点协作通信。 

(5)判断在小区1关闭的情况下，小区1的相邻小区(小区2,3,4,5,6和7)的空闲负载能否维持原小区1中各UE的通信速率。若是，执行步骤(6)；若否，则执行步骤(7)。 

(6)判断是否小区1的负载低于其相邻小区中的任意一个小区。若是，则关闭小区1。若否，则将目标小区转为其相邻小区中负载最小的小区，并对该小区执行步骤(5)。其中，对于规则[10]中以2为底的对数的计算可以参考图2。 

(7)降低小区1的默认发射功率P_A=30w至P′_A，使得小区1内各UE通信速率不受影响。 

整个系统每次将在100×10个TTI内重复上述步骤。 

实施例二 

如图1所示构造一个构造FDD-LTE-A网络，同样包含19个小区，每个小区采用全向天线，小区间的频率复用因子为1，除了边缘小区外，每个小区有六个相邻小区。基站功率限制为P_max＝30w。每次功率控制运行的周期为100×10个TTI。 

(1)系统计算100个TTI内小区1的平均负载情况： 

${\mathrm{load}}_1^{\mathrm{avg}}=\frac{\underset{t=0}{\overset{99\times (10\times 1\mathrm{ms})}{\Sigma }}{\mathrm{load}}_1^{\mathrm{cur}}(t+t_0)}{100}$

计算小区1内的UE j在100×10个TTI内的SINR的统计均值： 

${\mathrm{SINR}}_{1,j}^{\mathrm{avg}}\left(t\right)=\frac{\underset{t=0}{\overset{99\times (10\times 1\mathrm{ms})}{\Sigma }}{\mathrm{SINR}}_{1,j}^{\mathrm{cur}}(t+t_0)}{N}$

(2)若大于门限值L=0.95，则启动虚拟功率控制。若否，则执行步骤(3)继续判断。 

(3)计算小区1内SINR低于门限值S=0.5dB的UE所占UE总数的比例r是否大于门限值R=20％。若是，则启动CoMP以提高小区边缘用户通信速率。 

(4)判断边缘处UE所属边缘类型。若UE属于A型边缘用户，则利用2个小区对UE进行多点协作通信；若UE属于B型边缘用户，则利用3个小区对 UE进行多点协作通信。 

(5)判断在小区1关闭的情况下，小区1的相邻小区(小区2，3，4，5，6和7)的空闲负载能否维持原小区1中各UE的通信速率。若是，执行步骤(6)；若否，则执行步骤(7)。对于规则[10]中以2为底对数的计算同样可参考图2。 

(6)判断是否小区1的负载低于其相邻小区中的任意一个小区。若是，则关闭小区1。若否，则将目标小区转为其相邻小区中负载最小的小区，并对该小区执行步骤(5)。 

(7)降低小区1的默认发射功率P_A=30w至P′_A，使得小区1内各UE通信速率不受影响。 

整个系统每次将在100×10个TTI内重复上述步骤。