[发明专利]基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法

摘要

本发明公开了一种基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，考虑了上下行的非对称信道的接入，提高了用户的传输速率；提出了一种UM‑ABS协议，重新设计了传统的ABS协议，通过把宏基站在几乎空白子帧(ABS)的下行静默改为可以配置宏用户的上行传输，有效的提高了ABS子帧的利用率，改善了系统容量；提出了松弛‑取整算法，使得用户有效地接入宏基站或者微基站，同时使得UM‑ABS协议得到很好地配置，并且对上下行传输的时间资源进行有效地分配。本发明改善了系统的负载均衡和系统的容量，提高了用户传输速率，使得整个系统的性能得到了很大的提升。

主权项

一种基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法，其特征在于，该基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载分配方法包括：第一步，构建一个双层的TDD‑LTE异构蜂窝网络系统，该系统由宏基站、微基站以及用户组成；其中，用户上下行接入基站可以动态配置，即上下行可以进行非对称接入；第二步，各个微基站和用户通过控制信道将各自的信道条件和干扰信息上报给宏基站中的eNode B，然后该eNode B为资源的调度进行统一的计算；第三步，eNode B根据用户所接收到的信号强度，分别选择信号最强的一个宏基站和一个微基站作为用户下行动态接入的集合；然后根据松弛‑取整算法对用户的下行接入进行选择；对用户的上行，eNode B根据接收到的信号强度，选择信号强度最强的基站让其接入；第四步，根据松弛‑取整算法，eNode B为宏基站和微基站配置所发明的UM‑ABS协议，即配置宏基站需要保持下行静默并且可以进行上行传输的UM‑ABS子帧数Ap以及所有基站都可以进行上下行传输的non‑UM‑ABS子帧数Nm；UM‑ABS协议中规定了两种子帧，UM‑ABS子帧和non‑UM‑ABS子帧，帧的总长度为10ms，在UM‑ABS子帧上，宏基站需要保持下行静默，而接入宏基站的用户可以进行上行传输，微基站上下行都可以进行传输；在non‑UM‑ABS子帧上，所有基站都可以进行上下行的传输；第五步，根据松弛‑取整算法，eNode B为用户分配接入宏基站或微基站上下行需要传输的时间资源以及可进行传输的速率，并且得到系统总容量；第六步，计算结束后，宏基站中的eNode B将资源管理和调度的结果通过控制信道传送给各个微基站和用户，从而调度用户进行有效的数据传输；第三步、第四步、第五步中的松弛‑取整算法包括松弛和取整两步：松弛包括以下步骤：步骤一，根据干扰和UM‑ABS协议建立SINR模型，并且采用香农公式得到用户可利用的平均传输速率ru；步骤二，采用效应函数Ln(Ru)和用户可利用的平均传输速率ru建立基于增强型小区间干扰协调的联合上下行负载均衡问题模型OP1，并证明该问题为NP‑hard模型，求解的变量表示为：χ→={xuup,xudown,yu,Aup,yu,Adown,yu,nAup,yu,nAdown,Ap,Nm,Ru}]]>OP1:s.t.Ru=Ruup+Rudown---(2)]]>Ruup:Rudown=wu---(3)]]>Ruup≤xuup·ru,macroup+xu,Aup·ru,A,macroup+yu,Aup·ru,A,picoup+yu,nAup·ru,nA,picoup---(4)]]>Rudown≤xudown·ru,macrodown+yu,Adown·ru,A,picodown+yu,nAdown·ru,nA,picodown---(5)]]>xuup(yu,Aup+yu,nAup)=0,∀u∈U---(6)]]>xu,Aup(yu,Aup+yu,nAup)=0,∀u∈U---(7)]]>xudown(yu,Adown+yu,nAdown)=0,∀u∈U---(8)]]>Ap+Nm≤Nsf,∀p,m∈IBS---(9)]]>Σu∈Um(xuup+xudown)≤Nm,m∈M---(10)]]>Σu∈Umxu,Aup≤Ap,m∈M---(11)]]>Σu∈Up(yu,Aup+yu,Adown)≤Ap,∀p∈P---(12)]]>Σu∈Up(yu,Aup+yu,Adown+yu,nAup+yu,nAdown)≤Nsf---(13)]]>xuup≥0,xudown≥0,yu,Aup≥0,yu,Adown≥0,yu,nAup≥0,yu,Adown≥0---(14)]]>Ap,Nm∈N+,∀p,m∈IBS---(15)]]>其中N+表示非负整数的集合；表示mu中用户在non‑UM‑ABS的上行传输时间；表示mu中用户在UM‑ABS的上行传输时间；表示mu中用户在non‑UM‑ABS的下行传输时间；表示pu中用户在UM‑ABS的上行传输时间；表示pu中用户在UM‑ABS的下行传输时间；表示pu中用户在non‑UM‑ABS的上行传输时间；表示pu中用户在non‑UM‑ABS的下行传输时间；U表示用户u的集合；m表示宏基站macro的首字母缩写；M表示宏基站的m的集合；p表示微基站pico的首字母缩写；P表示微基站p的集合；mu表示接入宏基站的用户集合；pu表示接入微基站的用户集合；Nsf表示UM‑ABS的周期,一个UM‑ABS帧包含的子帧数；Nm表示宏基站可以使用的non‑UM‑ABS子帧,即宏基站可以进行下行传输的子帧数；Ap表示微基站可以使用的UM‑ABS子帧，宏基站保持下行静默；步骤三，松弛优化问题OP1并求解，通过将式(14)中关于Nm和Ap的整数约束松弛为非负实数，然后将约束(5)‑(7)中用户的上行或者下行分别只能接入单个的宏基站或微基站放松为同时接入宏基站和微基站，即用户可以同时利用宏基站和微基站的资源，得到凸问题OP2：OP2:s.t.(2)‑(5)and(9)‑(14)Ap,Nm∈R+,∀p,m∈IBS]]>其中R+表示非负实数的集合；采用CVX优化工具箱求解该凸问题OP2，得到优化问题的解N'm,A'p,其中N+表示非负整数的集合；R+表示非负实数的集合；取整操作详细步骤如下：步骤一，取整Nm和Ap：将Nm和Ap由正实数变为整数采用如下操作：Nm*=Round(Nm′),Ap*=Round(Ap′)]]>其中步骤二，计算用户从宏基站得到的下行传输速率：Ru,macrodown=ru,macrodown·x~u,macrodown]]>步骤三，计算用户从微基站得到的下行传输速率：Ru,picodown=y~u,Adown·ru,A,picodown+y~u,nAdown·ru,nA,picodown]]>步骤四，比较用户从宏基站和微基站得到的下行的速率，若则用户的下行接入宏基站，否则用户接入微基站；步骤五，对于每一个宏基站和微基站，计算下行和上行的利用率：Xmdown=Σu∈Um,down*x~udown,Xmup=Σu∈Um,up*x~uup;]]>Xm=Xmdown+Xmup,Xm,Aup=Σu∈Um,up*x~u,Aup;]]>Yp,Adown=Σu∈Up,down*y~u,Adown,Yp,nAdown=Σu∈Up,down*yu,nAdown,Yp,A=Yp,Adown+Yp,Aup;]]>Yp,Aup=Σu∈Up,up*y~u,Aup,Yp,nAup=Σu∈Up,up*yu,nAup,Yp,nA=Yp,nAdown+Yp,nAup;]]>其中和分别为下行和上行接入宏基站用户的集合，相应的和为下行和上行接入微基站用户的集合；步骤六，对于每一个用户，计算上下行可以传输的时间：x^udown=x~udown·Nm*Xm,x^uup=x~uup·Nm*Xm,x^u,Aup=x~u,Aup·(Nsf-Nm*)Xu,Aup;]]>y^u,Adown=y~u,Adown·Ap*Yp,A,y^u,Aup=y~u,Aup·Ap*Yp,A;]]>y^u,nAdown=y~u,nAdown·(Nsf-Ap*)Yp,nA,y^u,nAup=y~u,nAup·(Nsf-Ap*)Yp,nA;]]>步骤七，计算用户接入宏基站得到传输速率：Ruup=ru,macroup·x^uup+ru,A,macroup·x^u,Aup,Rudown=ru,macrodown·x^udown;]]>步骤八，计算用户接入微基站得到的传输速率：Ruup=ru,A,picoup·y^u,Aup+ru,nA,picoup·y^u,nAup]]>Rudown=ru,A,picodown·y^u,Adown+ru,nA,picodown·y^u,nAdown]]>步骤九，计算用户总的吞吐量：其中，表示在non‑UM‑ABS子帧，接入宏基站用户u可以得到的下行数据速率；表示在UM‑ABS子帧，接入微基站用户u可以得到的下行数据速率；表示在non‑UM‑ABS子帧，接入微基站用户u可以得到的下行数据速率；表示在non‑UM‑ABS子帧，接入宏基站用户u可以得到的上行数据速率；表示在UM‑ABS子帧，接入宏基站用户u可以得到的上行数据速率；表示在non‑UM‑ABS子帧，接入微基站用户u可以得到的上行数据速率；表示在UM‑ABS子帧，接入微基站用户u可以得到的上行数据速率。