一种基于统一优先级的LTE-A系统全双工资源分配方法

摘要

本发明提供了一种基于统一优先级的LTE-A系统全双工资源分配方法，对原有的资源分配算法进行改进，调度时隙开始时，先计算所有用户上行PF值和下行PF值，然后进行统一的优先级排序，根据优先级顺序，依次为用户业务选择最优的资源块，后面的用户业务要避免和前面的业务发生同频干扰。本发明的资源分配方法使得LTE-A系统的频谱利用率、吞吐量明显高于普通资源算法；上下行的吞吐量差别不大，用户间公平性和上下行公平性都很好。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种LTE-A系统全双工资源分配方法。

背景技术

LTE-A是LTE的演进版本，其目的是为满足未来几年内无线通信市场的更高需求和更多应用，满足和超过IMT-Advanced的需求，同时还保持对LTE较好的后向兼容性。LTE-A采用了载波聚合、上/下行多天线增强、多点协作传输、中继、异构网干扰协调增强等关键技术，能大大提高无线通信系统的峰值数据速率、峰值频谱效率、小区平均谱效率以及小区边界用户性能，同时也能提高整个网络的组网效率，这使得LTE和LTE-A系统成为未来几年内无线通信发展的主流。

LTE-A系统有两种调度方式：动态调度和半持续调度，其中动态调度适用于数据量大、突发性强、时延要求不高的分组业务，而半持续调度是在动态调度基础上为支持LTE语音等业务引入的。动态调度主要有三种经典算法，轮询算法、最大载干比算法和比例公平算法。最大载干比算法只优先选择载干比最大的用户进行资源分配，即优先给信道条件好的用户分配资源，来进行传输数据；而如果该用户的信道条件变差，算法就会重新选择当前具有良好信道的其他用户。此算法可以达到系统吞吐量的极限值，但同时它也失去了实际意义，因为完全忽略了用户之间的公平性轮询算法对所有用户一视同仁，机械地按照一定周期循环地为每个用户分配相同的资源，与MAXC/I算法相同，并不考虑用户已经得到过的服务情况，即无记忆的分配算法，该算法出色地满足了用户间的公平性，但是系统的吞吐量可能很低比例公平算法上文两种算法分别对系统吞吐量指标和用户公平性指标分别进行了极端的侧重，因此自然出现了一种对两个指标进行折中的算法，这就是PF算法目前业内已有共识，资源分配算法将主要以基于比例公平算法而改进提出适用于实际系统的资源分配算法。

传统半双工模式主要是频分双工(FDD)和时分双工(TDD)，用以避免发射机信号对接收机信号在频域或时域上的干扰。在FDD移动通信系统中，基站发射机通过下行信道，将信号发送至移动终端，而移动终端则通过上行信道发送信号至基站接收机，因为下行信道和上行信道采用不同的频率，基站接收机利用滤波器的通带和禁带分别获得接收信号和抑制下行信道信号(即抑制基站发射机信号的干扰)。为此，FDD付出两份频率开销：一份是下行信道频率开销，另一份是上行信道频率开销。而TDD系统下行信道设置在一系列时隙上，上行信道则设置在另外一系列时隙上，基站在接收上行信道信号时，其发射机停止工作，从而避免了发射信号的干扰，系统时间资源开销一份用于上行，另一份用于下行信道。无论FDD还是TDD，系统为双工通信都付出了双份资源开销。因为频率资源和时间资源具有等效性，所以理论上FDD和TDD具有相同的频谱效率。结果满足局部最大化，但算法复杂度比遍历算法复杂度低。而新兴的同频同时全双工技术(CCFD)使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而达到提高频谱效率的目的。

引入全双工后，上行信号和下行信号会同时在一个信道传输，这就使得接收端在接收目标信号时会受到自身发射的同频信号的干扰，所以全双工技术使得实现全双工技术的关键在于消除基站和UE端的自干扰。

国内外都对自干扰抵消展开了深入的研究，但大都侧重于基站本地自干扰抵消的方案验证，主要思路一般限于天线自干扰抑制、射频自干扰抑制和数字干扰抑制，很少涉及到用户端的干扰消除。

自干扰抵消技术对于基站端而言已经比较容易实现，但是对于UE端技术水准还是很难达到，所以现在解决全双工问题的一个普遍思路就是改进系统模型，使基站端使用全双工，UE端使用单工模式，在这种情况下，也可以大幅提升系统吞吐量和频谱利用率。如附图1所示，在某时隙，UE1在上行使用RB1资源块，在下行使用RB2资源块；相反的，UE2在上行使用RB2资源块，在下行使用RB1资源块，前提是要保证UE1和UE2之间不会相互干扰。所以，加入了全双工后的资源分配比原LTE-A系统的资源分配要复杂的多，需要充分考虑一个用户对于其他同频用户的干扰情况。

目前，已经有一些全双工资源分配方案，可以有效提升系统吞吐量，但是仍存在一些问题。有的方案先找出当前资源块上最好的下行用户，然后为其尝试匹配上行用户，PF之和最大的组合作为此资源块的上下行使用者，然后再为下一个资源块寻找用户。还有的方案先把所有资源块分配给下行业务，然后再复用给上行业务，前提是要求上行不会对下行造成影响。由此可以看出，现在的很多全双工方案都以下行的资源分配为主，上行资源分配为辅，这样就会导致系统的下行流量明显高于上行流量，造成一定的不平衡。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于统一优先级的LTE-A系统全双工资源分配方法，在LTE-A中引入全双工后，运用该方法进行系统资源分配，可以减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而达到提高频谱效率和系统容量效果的目的。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于统一优先级的LTE-A系统全双工资源分配方法，所述方法包括以下步骤：

S100：当前时隙k，计算每个用户的上行平均速度v_U(k,n)和下行平均速度v_D(k,n)；

S101：计算出上行业务优先级系数p_U(k,n)和下行优先级系数和p_D(k,n)；

S102：对所有上行业务和下行业务按照优先级系数从大到小的方式进行统一排序，得到优先级序列priority(t)；

S103：重新计算UE间的干扰影响，更新用户干扰表influence(n₁,n₂)，其中，n₁、n₂别分别代表两个UE的标号；

S104：按照优先级序号，从优先级最高的UE业务开始分配资源块，设置n＝1；

S105：按照资源块标号，遍历所有资源块，查找当前UE业务最适合的资源块，从第一个资源块开始，设置m＝1；

S106：判断该资源块是否被与当前UE业务方向相同的其他UE业务所使用；若是，跳转到S110；

S107：判断该资源块是否已经被与当前UE业务方向相反的其他UE业务所使用；若不是，跳转到S109；

S108：查找用户干扰表，若S107中共用资源块的两个用户之间的干扰不可以忽略不计，则跳转到S110；

S109：把该资源块和本次搜索的临时最大值进行对比，若优于临时最大值，则更新临时最大值；

S110：若资源块未完全遍历，则继续判断下一个资源块，m＝m+1，跳转到S106；

S111：判断所有UE业务是否都分配到资源块，若是，跳转到S113；

S112：判断每个资源块是否都被上下行各使用一次，若不是，n＝n+1，然后跳转到S105；

S113：当前时隙的资源分配结束。

作为本发明的进一步改进，所述下行平均速度v_D(k,n)为：

$>v_D(k,n)=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{v}_D(k,m,n)}{M},$>n＝1,2,3,....N，

其中，v_D(k,m,n)为第k个时隙上第n个UE在第m个RB的下行传输速率。

作为本发明的进一步改进，所述上行PF值为其中，t_U(k,n)是第n个UE在前k个子帧的平均速率，v_U(k,n)是第k个时隙上第n个UE的上行平均速率。

作为本发明的进一步改进，所述下行PF值为其中，t_D(k,n)是第n个UE在前k个子帧的平均速率，v_D(k,n)是第k个时隙上第n个UE的下行平均速率。

作为本发明的进一步改进，所述用户干扰表中，influence(n₁,n₂)大于热噪声强度标为1，代表不可以共用相同资源块，小于则标为0，代表可以共用相同资源块。

本发明的有益效果是：本发明对原有的资源分配算法进行改进，调度时隙开始时，先计算所有用户上行PF值和下行PF值，然后进行统一的优先级排序，根据优先级顺序，依次为用户业务选择最优的资源块，后面的用户业务要避免和前面的业务发生同频干扰。根据本发明的方法可得：(1)系统频谱利用率、吞吐量明显高于普通资源算法；(2)上下行的吞吐量差别不大，用户间公平性和上下行公平性都很好。

附图说明

图1是LTE-A小区中全双工的实现机制示意图；

图2是本发明的优先级序列示意图；

图3是本发明的优先级序列初始化示意图；

图4是本发明的用户干扰表示意图；

图5是本发明的资源分配方法的流程图；

图6是每个用户在仿真时间段内的上下行流量曲线图；

图7是提升基站发射功率后每个用户在仿真时间段内的上下行流量曲线图；

图8是距离远近和流量的关系曲线图；

图9是仿真时间和系统流量的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

在将全双工技术加入到LTE-A后，本发明在已有的物理模型(如附图1所示)基础上，改进资源分配算法，规定每个调度时隙开始时，先分别求出每个用户在所有资源块上的上下行平均速率，再计算出每个用户的上下行业务的PF值，然后对所有上下行业务进行统一排序，按照优先级顺序为依次用户选择资源块，后面的用户业务在选择资源块时要避免对前面的用户业务造成同频干扰。

假设在一个eNode所服务的小区中，有N个UE和M个RB资源块，令v_D(k,m,n)为第k个时隙上第n个UE在第m个RB的下行传输速率，则在第k个时隙上第n个UE的下行平均速率为

$>v_D(k,n)=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{v}_D(k,m,n)}{M},$>n＝1,2,3,....N

其PF的度量值p_D(k,n)可以表示为：

$>p_D(k,n)=\frac{v_D(k,n)}{t_D(k,n)},$>n＝1,2,3,....N

其中，t_D(k,n)是第n个UE在前k个子帧的平均速率。

同样的还可以得到第k个时隙上第n个UE的上行PF值p_U(k,n)，过程类似，不再详述。

在得到当前时隙下所有用户的p_U(k,n)、p_D(k,n)后，进行统一排序，按照从大到小的顺序，得到一个长度为2N的序列，格式如附图2所示，一个UE被分成两次加入序列，分别是对应它的上行业务和下行业务。

再按照优先级顺序依次为用户业务分配资源，在当前用户业务下，遍历所有资源块，找出传输速率最大的资源块作为实际分配时的选择资源块，并且对选择资源块做出标注，记录其被某个UE的某种业务所使用，设置record_U(i)表示第i个资源块在上行被哪个UE使用；record_D(i)表示第i个资源块在下行被哪个UE使用。但是在遍历的过程中要注意两种情况：

第一，如果该资源块已经被与当前UE业务方向相同的其他UE业务所使用，则跳过此资源块，继续寻找。

第二，如果该资源块已经被与当前UE业务方向相反的其他UE业务所使用，则查找用户干扰表。若它们之间的干扰可以忽略不计，则该资源块可以在考虑范围内；若干扰不可以忽略，则跳过此资源块，继续寻找。

当前UE业务寻找到合适的资源块后，继续下一个UE业务的寻找工作，直到所有的UE业务都分配到了资源块或者所有资源块已被分配了两次(上行一次、下行一次)，那么这次调度时隙的资源分配任务结束。

另外，在第一次分配分配资源块的时候，PF计算公式不适用，因为所有UE业务的之前平均速度都为0。在此，人为规定第一次分配资源块时的优先级顺序，所有下行优先级高于所有上行优先级；相同业务方向，序号低的UE优先级高。如附图3所示.

前面提到的用户干扰表是记录不同UE在使用不同方向的同频资源块时是否会相互干扰的一张二维表，使用influence(n₁,n₂)来表述，其中，n₁、n₂别分别代表两个UE的标号。LTE-A系统可以通过公共信令来获取不同资源块在不同用户的上行或者下行的信道情况，但是系统无法获得用户间信道的情况。在本发明的模型中，假设系统可以通过定为技术获得UE在小区中的准确位置，用户发射功率一致，信道衰落只考虑路径损耗，就可以计算出一个用户发射信号到达另一个用户的信号强度，规定大于热噪声强度标为1，代表不可以共用相同资源块，小于则标为0，代表可以共用相同资源块，干扰用户表如附4图所示。由于UE具有一定的移动性，所以在每个时隙都要更新用户间的干扰系数。

如附图5所示，本发明的基于统一优先级的LTE-A全双工系统上下行资源分配方法的流程可详细描述如下：

S100：当前时隙k，计算每个用户的上行平均速度v_U(k,n)和下行平均速度v_D(k,n)。

S101：计算出上行业务优先级系数p_U(k,n)和下行优先级系数和p_D(k,n)。

S102：对所有上行业务和下行业务按照优先级系数从大到小的方式进行统一排序，得到优先级序列priority(t)。

S103：重新计算UE间的干扰影响，更新用户干扰表influence(n₁,n₂)。

S104：按照优先级序号，从优先级最高的UE业务开始分配资源块，设置n＝1。

S105：按照资源块标号，遍历所有资源块，查找当前UE业务最适合的资源块，从第一个资源块开始，设置m＝1。

S106：判断该资源块是否被与当前UE业务方向相同的其他UE业务所使用；若是，跳转到S110。

S107：判断该资源块是否已经被与当前UE业务方向相反的其他UE业务所使用；若不是，跳转到S109。

S108：查找用户干扰表，若S107中共用资源块的两个用户之间的干扰不可以忽略不计，则跳转到S110。

S109：把该资源块和本次搜索的临时最大值进行对比，若优于临时最大值，则更新临时最大值。

S110：若资源块未完全遍历，则继续判断下一个资源块，m＝m+1，跳转到S106。

S111：判断所有UE业务是否都分配到资源块，若是，跳转到S113。

S112：判断每个资源块是否都被上下行各使用一次，若不是，n＝n+1，然后跳转到S105。

S113：当前时隙的资源分配结束。

性能评估是针对LTE-A系统来进行的，考虑一个eNode及小区，UE在小区中随机分布，并且具有一定的移动速度，基站端发射功率不变，UE端发射功率相同且不变。具体参数如表1所示：

表1仿真参数

仿真参数设置值用户个数50资源块个数40基站半径1km

系统载频2GHz带宽大小10MHz用户速度20km/h基站发射功率30dBm用户发射功率30dBm调度时隙1ms路径损耗L＝32.45+20lg(f)+20lg(d)流量模式上下行持续业务热噪声功率谱-174dBm/Hz链路自适应按照3GPP LTE-A规定目标误块率10％重传方案有增量冗余的HARQ

附图6表示基站和UE发射功率相同时，每个用户在仿真时间内的上下行流量，横轴表示用户标号，纵轴表示流量。由图可以看出，在LTE-A加入了全双工，并使用新的算法调度资源后，每个用户的下行流量约等于上行流量，这是因为本算法将上行业务和下行业务进行统一分配，同一个用户的上下行业务流量不会有太大差距。如果调整基站发射功率，使其略大于UE发射功率，下行业务流量会相应的高出上行业务流量，如附图7所示。

附图8是对附图6信息的重新排列，横轴改为用户与基站距离和小区半径的比值，最大值1表示恰好在小区边界上。由附图8所示可以看到，距离基站越远，上行和下行的流量越小，这符合正常小区的资源分配结果，边境用户一般不如中心用户的信道条件好。还可以看到，距离基站较远的地方，用户的下行流量并不会明显区别于上行流量，这更进一步说明了附图6中的问题，用户间公平性和上下行公平性非常好。

附图9表示了整个LTE-A小区的上下行流量和仿真时间的关系。考虑到在未加入全双工之前，所有资源块同一时隙只会被分给上行或者下行，而且小区通信中，下行速率又普遍高于下行速率，所以，假设非全双工情况下，资源全部分给下行用户，即达到了图中红线所代表的流量，而加入全双工，改善PF算法后，比之前多出了一些流量，达到蓝线所代表的流量，频谱利用率得到大幅提升，在保证公平性的前提下极大提升了系统吞吐率。但是此算法也有一定弊端，小区的上下行流量不够稳定，有大的波动，在有些低谷时刻虽然实现了频率的复用，但是并未有效提升频谱利用率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。