CN101442808B - 一种lte-a中的上行多点协作联合调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LTE-A中的上行多点协作联合调度方法。该方法包括以下步骤：1)确定协作和非协作调度用户；2)小区内协作用户调度；3)小区间协作用户联合资源调度；4)小区内非协作用户调度。本发明采用了小区内和小区间分步优化的方法，并且在小区间联合调度中同时考虑了用户的调度优先级和信道相关性，降低了同频协作用户间的干扰，在保证用户公平性的同时，提高整个***的吞吐量，并且具有较低的计算复杂性。

Description

一种LTE-A中的上行多点协作联合调度方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，其涉及一种LTE-A中的上行多点协作联合调度方法。通过采用小区内和小区间协作用户联合资源调度，大大提高小区边缘用户上行链路吞吐量。

背景技术

在现行的LTE(Long Term Evolution，3G长期演进)中，小区边缘用户的吞吐量远远低于中心区域用户的吞吐量。为了提高小区边缘用户传输的数据速率，以及提高整个***的吞吐量和平均吞吐效率，LTE-Advanced(Long TermEvolution-Advanced，高级长期演进，简写为LTE-A)将CoMP(Coordinated MultiPoint Transmission and Reception，多点协作)技术列为其重要的候选技术之一，其主要通过小区间的协作来改善小区边缘吞吐量。

多点协作可以分为基站间多点协作和基站内多点协作。基站内多点协作指的是各小区内的用户通过一个站点(SITE)接入网络，多个站点之间可以传递数据或信令，并由一个基站或中心调度器来管理。本发明主要针对的是基站内多点协作模式下的联合资源调度，如图1所示，但是可以很容易地扩展到基站间协作的模式。

目前常见的用户调度算法包括轮询算法和比例公平算法，而比例公平方法在非实时业务中更具实用价值。此外，北电还给出了根据用户信道空间相关性进行多用户调度的方法。但这些方法都是在小区内实现的。

在CoMP***中，相邻小区边缘用户可能会出现同频传输的情况。如果不能很好地调度相邻小区的用户，就会由于信道的空间相关带来严重的小区间干扰。因此，如何对多小区同频用户进行有效的联合调度成为一个亟待解决的问题。

虽然可以采用干扰抑制的方式来提取用户数据，但是这也会带来很大的容量损失。当图1中不同小区间多个同频协作用户存在很强的相关性时，为了使用户发送的信息能够被正确接收，就不得不减少同频发送的协作用户数，如图2所示，于是大大降低了***吞吐量。

发明内容

本发明为解决背景技术中存在的上述技术问题，而提供一种大大降低同频协作用户间干扰，在保证小区内用户间比例公平的同时尽可能提高***吞吐量，并且具有较低复杂度的LTE-A***的上行多点协作联合调度方法。本发明涉及支持协作的小区，一组支持协作的小区成为协作小区簇；按照用户的信道质量或订购的业务，将边缘的且适合比例公平调度的用户称为协作用户，将中心用户或实时话音业务用户称为非协作用户；协作用户和非协作用户在***中共存。

本发明的技术解决方案是：本发明为一种LTE-A中的上行多点协作联合调度方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

1)确定协作和非协作调度用户；

2)小区内协作用户调度；

3)小区间协作用户联合资源调度；

4)小区内非协作用户调度。

上述步骤1)的具体步骤如下：

1.1)根据接收到的参考信号确定用户的信号质量是否到达接入网络的要求；确定参与调度的用户集合；

1.2)根据参考信号强度的测定和用户业务的需求，确定调度用户的类型：协作或非协作；

上述步骤2)的具体步骤如下：

2.1)根据协作用户的请求速率和平均吞吐量，根据比例公平算法计算出各协作用户在小区内被调度的顺序，得到协作用户的调度优先级；

2.2)根据协作用户的调度优先级和信道信息，为其分配频带，按优先级顺序将协作用户分配到信道增益最好的频带上；

2.3)协作小区簇内的各小区分别将得到的调度优先级和频带划分结果发送给中心调度器或基站。

上述步骤3)的具体步骤如下：

3.1)如果不同小区的协作用户均处于不同频带时，则直接执行步骤4)；否则执行步骤3.2)；

3.2)计算处于相同频带上的协作用户之间的信道相关性；

3.3)设定相关性门限值，如果信道相关性值小于相关性门限值时，则直接执行步骤4)；否则，调整协作用户使用的频率资源；

3.4)重复步骤3.1)～步骤3.3)，直到所有协作用户不同频或所有同频协作用户间相关性小于相关性门限值。

上述步骤3.3)中调整协作用户使用的频率资源的具体步骤如下：

3.3.1)如果各协作用户在其服务小区内的调度优先级相同时，任意选择一个或多个小区的用户进行频带微调，依照频带被占用情况为用户重新分配其使用频带；

3.3.2)如果用户的调度优先级不相同时，对优先级低的用户进行频带微调。

上述步骤3.2)中两个用户之间的相关性计算公式为：

$R=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\left|\right|H_{1k}{H}_{2k}^H\left|\right|}{\left|\right|H_{1k}\left|\right|\left|\right|H_{2k}\left|\right|}=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i1}{h}_{i2}^{*}\right|}{{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{i1}\right|}^2\right)}^{1/2}{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{i2}\right|}^2\right)}^{1/2}}\right]}_k$

其中频带宽度为L，即频点数为L；H_1k＝[h_i1]_k和H_2k＝[h_i2]_k，表示两个用户分别在频点k的信道参数，h_ij表示用户j到接收天线i之间的信道参数值。

上述步骤4)的具体步骤如下：

4.1)根据比例公平调度算法确定非协作模式用户的调度等级；并为每个非协作模式用户确定频带的调度优先级；

4.2)为非协作模式用户分配频带。

上述步骤2.1)和步骤4.1)中比例公平算法如下：

$\begin{array}{cc}\mathrm{Max}\frac{R_k\left(t\right)}{T_k\left(t\right)}& (k=\mathrm{1,2,3},...,M)\end{array}$

其中：R_k(t)：用户k的请求速率，T_k(t)：用户k在窗口长度为t_c窗口的平均吞吐量

用户的平均吞吐量的更新公式：

计算所有用户的

值，并根据该值的大小对用户排序：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R_{P_1}\left(t\right)}{T_{P_1}\left(t\right)},\frac{R_{P_2}\left(t\right)}{T_{P_2}\left(t\right)},\frac{R_{P_3}\left(t\right)}{T_{P_3}\left(t\right)},\frac{R_{P_4}\left(t\right)}{T_{P_4}\left(t\right)}...\frac{R_{P_M}\left(t\right)}{T_{P_M}\left(t\right)}\\ b\\ P_1,P_2,P_3,P_4..{.P}_M\end{array}\right\}\⇒\left\{\begin{array}{c}\frac{R_1\left(t\right)}{T_1\left(t\right)},\frac{R_2\left(t\right)}{T_2\left(t\right)}...\frac{R_i\left(t\right)}{T_i\left(t\right)},\frac{R_j\left(t\right)}{T_j\left(t\right)}...\frac{R_M\left(t\right)}{T_M\left(t\right)}\\ b\\ Q_1,Q_2...Q_i,Q_j...Q_M\end{array}\right\}$

其中，{P₁，P₂，P₃，P₄...P_M}是未排序的调度用户，{Q₁，Q₂...Q_i，Q_j...Q_M}是排序后的调度用户， $\frac{R_i\left(t\right)}{T_i\left(t\right)}\&le;\frac{R_j\left(t\right)}{T_j\left(t\right)}(i<j).$

本发明主要是为了在不同小区间选择信道相关性较小的多个协作用户来同时发送数据，在保证各个小区公平发送的同时，提高整个***的吞吐量。其优点如下：

1、在小区间联合调度过程中，通过考虑协作小区同频用户之间的信道相关性，大大降低了协作小区间同频用户间的干扰。

2、利用比例公平来初始各小区内用户调度的优先级，并且为用户选择最好的信道，在保证小区内用户间比例公平的同时使得用户吞吐量尽可能高。

3、通过采用各小区内协作用户的初始调度、小区间协作用户的联合调度以及小区内非协作用户的调度的分步方法，与所有协作小区联合调度算法相比，具有较低的计算复杂度。

附图说明

图1是背景技术中CoMP工作模式及不同用户间的干扰；

图2是CoMP退化为同一频带上不能有多个用户同时发送的情况；

图3是本发明的方法流程图；

图4是本发明中的确定协作和非协作调度用户过程流程图；

图5是本发明中的小区内协作用户调度过程流程图；

图6是本发明中的小区间协作用户联合调度过程流程图；

图7是本发明中的小区内非协作用户调度过程流程图；

图8小区内协作用户初始资源调度后的频带分配示意图；

图9是小区间协作用户联合资源调度后的频带分配示意图；

图10是整个资源调度过程完成后的频带分配示意图。

具体实施方式

参见图3，本发明包括以下步骤：

1)根据信道状态选择参与调度的用户及其类型，即确定协作和非协作用户；

2)小区内协作用户调度；

3)小区间协作用户联合调度；

4)小区内非协作用户调度。

参见图4，本发明的确定协作和非协作用户的方法如下：

1.1)确定参与调度用户集合，用户集合可以表示为：{K₁，K₂，K₃，K₄...K_M}；

1.2)根据参考信号强度的测定，判断用户类型：协作或非协作；其中协作用户可以表示为：{C₁，C₂，C₃，C₄，...，C_M1}，非协作用户可以表示为：{E₁，E₂，E₃，E₄...E_M2}，约束：M1+M2＝M，其中M1是协作用户数，M2是非协作用户数，M是一个调度周期内使用比例公平调度的用户总数；

参见图5，本发明的小区内协作用户资源调度方法如下：

2.1)根据用户k请求的速率R_k和其平均吞吐量T_k，利用比例公平算法计算出用户调度的初始优先级；

比例公平算法的准则可以表示如下：

$\begin{array}{cc}\mathrm{Max}\frac{R_k\left(t\right)}{T_k\left(t\right)}& (k=\mathrm{1,2,3},...,M)\end{array}$

R_k(t)：用户k的请求速率

T_k(t)：用户k在窗口长度为t_c窗口的平均吞吐量

用户的平均吞吐量的更新公式：

计算所有用户的

值，并根据该值的大小对用户排序：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R_{P_1}\left(t\right)}{T_{P_1}\left(t\right)},\frac{R_{P_2}\left(t\right)}{T_{P_2}\left(t\right)},\frac{R_{P_3}\left(t\right)}{T_{P_3}\left(t\right)},\frac{R_{P_4}\left(t\right)}{T_{P_4}\left(t\right)}...\frac{R_{P_M}\left(t\right)}{T_{P_M}\left(t\right)}\\ b\\ P_1,P_2,P_3,P_4..{.P}_M\end{array}\right\}\&DoubleRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{R_1\left(t\right)}{T_1\left(t\right)},\frac{R_2\left(t\right)}{T_2\left(t\right)}...\frac{R_i\left(t\right)}{T_i\left(t\right)},\frac{R_j\left(t\right)}{T_j\left(t\right)}...\frac{R_M\left(t\right)}{T_M\left(t\right)}\\ b\\ Q_1,Q_2...Q_i,Q_j...Q_M\end{array}\right\}$

其中，{P₁，P₂，P₃，P₄...P_M}是未排序的调度用户，{Q₁，Q₂...Q_i，Q_j...Q_M}是排序后的调度用户， $\frac{R_i\left(t\right)}{T_i\left(t\right)}\&le;\frac{R_j\left(t\right)}{T_j\left(t\right)}(i<j).$

2.2)根据用户的调度优先级依次为用户进行频带划分；

按照调度优先级的顺序选出一个用户，并为其选择一个信道质量最好的未被占用的频带；

2.3)将用户调度信息发送给中心调度器或基站。

和不考虑协作时的单小区用户调度方法相比，各小区内的用户调度主要的区别在于：

1、由于考虑到多点协作的结合，在资源调度时首先要判断用户是协作用户还是非协作用户，再为选出的协作用户优先用户分配工作频段；

2、每个小区要将协作用户的资源分配情况报告给中心调度器或基站，用于后面的小区间联合调度。

参见图6，本发明的小区间协作用户联合资源调度方法如下：

3.1)如果不同小区的协作用户均处于不同频带时，则直接执行步骤4)；否则执行步骤3.2)。

3.2)计算一个小区的协作用户邻小区同频协作用户之间的信道相关性；

对于频带宽度为L(即频点数为L)的情况；H_1k＝[h_i1]_k和H_2k＝[h_i2]_k表示两个用户分别在频点k的信道参数，其中h_ij表示用户j到接收天线i之间的信道参数值，

两个用户之间的信道空间相关性计算公式为：

$R=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\left|\right|H_{1k}{H}_{2k}^H\left|\right|}{\left|\right|H_{1k}\left|\right|\left|\right|H_{2k}\left|\right|}=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\frac{\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{i1}{h}_{i2}^{*}\right|}{{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|h_{i1}\right|}^2\right)}^{1/2}{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|h_{i2}\right|}^2\right)}^{1/2}}\right]}_k$

3.3)如果信道相关性值小于门限值时，则直接执行步骤4)；

否则，调整协作用户使用的频率资源，调整的步骤如下：

3.3.1)如果各协作用户在其服务小区内的调度优先级相同时，任意选择一个或多个小区的用户进行频带调整。依照频带被占用情况为用户重新分配其使用频带。

3.3.2)如果用户的调度优先级不相同时，对优先级低的用户进行频带微调。

3.4)重复步骤3.1)～步骤3.3)，直到所有协作用户不同频或所有同频协作用户间相关性小于门限值。

参见图7，本发明的小区内非协作用户资源调度方法如下：

4.1)采用和步骤2.1)相同的办法为各小区非协作用户排序(调度优先级)；

4.2)根据用户的调度优先级依次为非协作用户进行频带划分；

按照调度优先级的顺序选出一个非协作用户，并为其选择一个信道质量最好的未被占用的频带，直到为该调度周期的所有用户完成资源调度

参见图8，示意小区内协作用户初始资源调度后的频带分配。

参见图9，示意小区间协作用户联合资源调度后的频带分配。

参见图10，本发明的2小区间联合调度方法具体实施例的方法如下：

1)2小区(小区A和小区B)各有4个协作用户({A1，A2，A3，A4}和{B1，B2，B3，B4})和4个非协作用户(和{B5，B6，B7，B8})；

2)小区内协作用户频率资源分配如图8所示。其中协作用户A1和B1同频，A3和B2同频，其他协作用户不同频；

3)由于A1和B1在其各自的小区内都具有的是最高调度优先级，因此，我们从中随机选择一个进行频率调整，例如B1。由于A3在其服务小区内的调度优先级为3，而B2在其服务小区内的调度优先级为2，A3的调度优先级低于B2的调度优先级，因此对B2进行调整。经频率调整，B1调整在协作小区范围内没有同频用户，而A3调整到与其空间相关性很小的B4同频，因此满足了小区间联合调度的要求，如图9所示。

4)小区A为{A5，A6，A7，A8}分配频率资源，小区B为{B5，B6，B7，B8}分配频率资源。

根据本发明的方法，现有方法也能够实现CoMP的联合资源调度，与发明方法相比的情况为：

在小区内调度的方案中，能够通过步骤2)实现多点协作的频率资源调度功能，但是在两个协作用户信道空间相关性很强时，会带来很大的干扰。

在一个协作簇内的多个小区中只有一个协作用户的方法中，各协作用户不能同频，这种方式会由于没有很好地利用空间资源而降低***吞吐量。

还可以采用不在小区内调度而直接小区间联合调度，这种方法通过合理的优化算法，会具有最优的性能，但是其复杂度是实际实现中不能被接受的。

Claims (4)

1.一种LTE-A中的上行多点协作联合调度方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)根据接收到的参考信号确定用户的信号质量是否到达接入网络的要求；确定参与调度的用户集合；根据参考信号强度的测定和用户业务的需求，确定协作或非协作调度用户；

2)根据协作用户的请求速率和平均吞吐量，根据比例公平算法计算出各协作用户在小区内被调度的顺序，得到协作用户的调度优先级；根据协作用户的调度优先级和信道信息，为其分配频带，按优先级顺序将协作用户分配到信道增益最好的频带上；协作小区簇内的各小区分别将得到的调度优先级和频带划分结果发送给中心调度器或基站；

3)小区间协作用户联合资源调度，具体步骤包括：

3.1)如果不同小区的协作用户均处于不同频带时，则直接执行步骤4)；否则执行步骤3.2)；

3.2)计算处于相同频带上的协作用户之间的信道相关性；

3.3)设定相关性门限值，如果信道相关性值小于相关性门限值时，则直接执行步骤4)；否则，调整协作用户使用的频率资源；

3.4)重复步骤3.1)～步骤3.3)，直到所有协作用户不同频或所有同频协作用户间相关性小于相关性门限值；

4)在各个小区分别对非协作用户调度；根据比例公平调度算法确定非协作模式用户的调度等级；并为每个非协作模式用户确定调度优先级，为非协作模式用户分配频带。

2.根据权利要求1所述的一种LTE-A中的上行多点协作联合调度方法，其特征在于：所述步骤3.3)中调整协作用户使用的频率资源的具体步骤如下：

3.3.1)如果各协作用户在其服务小区内的调度优先级相同时，任意选择一个或多个小区的用户进行频带微调，依照频带被占用情况为用户重新分配其使用频带；

3.3.2)如果用户的调度优先级不相同时，对优先级低的用户进行频带微调。

3.根据权利要求2所述的一种LTE-A中的上行多点协作联合调度方法，其特征在于：所述步骤3.2)中两个用户之间的相关性计算公式为：

$R=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\left|\right|H_{1k}{H}_{2k}^H\left|\right|}{\left|\right|H_{1k}\left|\right|\left|\right|H_{2k}\left|\right|}=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\frac{\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{i1}{h}_{i2}^{*}\right|}{{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|h_{i1}\right|}^2\right)}^{1/2}{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|h_{i2}\right|}^2\right)}^{1/2}}\right]}_k$

其中频带宽度为L，即频点数为L；H_1k＝[h_i1]_k和H_2k＝[h_i2]_k，表示两个用户分别在频点k的信道参数，h_ij表示用户j到接收天线i之间的信道参数值。

4.根据权利要求1所述的一种LTE-A中的上行多点协作联合调度方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤4)中比例公平算法如下：

$\mathrm{Max}\frac{R_k\left(t\right)}{T_k\left(t\right)}$ 其中k＝1，2，3，...，M

其中：R_k(t)：用户k的请求速率，T_k(t)：用户k在窗口长度为t_c窗口的平均吞吐量

用户的平均吞吐量的更新公式：

计算所有用户的值，并根据该值的大小对用户排序：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{R_{P1}\left(t\right)}{T_{P1}\left(t\right)},\frac{R_{P2}\left(t\right)}{T_{P2}\left(t\right)},\frac{R_{P3}\left(t\right)}{T_{P3}\left(t\right)},\frac{R_{P4}\left(t\right)}{T_{P4}\left(t\right)}...\frac{R_{{\mathrm{PM}}_P}\left(t\right)}{T_{{\mathrm{PM}}_P}\left(t\right)}\\ b\\ P1,P2,P3,P4...{\mathrm{PM}}_P\\ \end{array}\right\}\&DoubleRightArrow;\left[\begin{array}{c}\frac{R_1\left(t\right)}{T_1\left(t\right)},\frac{R_2\left(t\right)}{T_2\left(t\right)}...\frac{R_i\left(t\right)}{T_i\left(t\right)},\frac{R_j\left(t\right)}{T_j\left(t\right)}...\frac{R_{M_P}\left(t\right)}{T_{M_P}\left(t\right)}\\ b\\ Q_1,Q_2...Q_i,Q_j...Q_{M_P}\\ \end{array}\right]$

其中，{P1，P2，P3，P4，...，PM_P}是未排序的调度用户，

是排序后的调度用户，

其中i＜j。

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