CN102791002B

CN102791002B - Lte网络中基于能效的资源分配方法

Info

Publication number: CN102791002B
Application number: CN201210270566.7A
Authority: CN
Inventors: 李云; 刘文晶; 刘期烈
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: CN102791002A

Abstract

本发明LTE网络中基于能效的资源分配方法。适用于LTE网络，由于用户终端和对应的业务流量进入小区时具有随机性、时变性，导致整个网络中的负载可能出现不均衡分布状态。本发明对于不均衡低负载网络，首先根据各小区的负载情况，判断是否需要进行虚拟负载均衡，使整个网络得到一个均衡状态。虚拟负载均衡过程完成之后自行对各小区中的用户启动带宽扩展，将各用户的信道质量进行优先级从高到低的排序，高优先级的用户在每轮分配中，具有优先分配额外的一个RB的权利。在合理有效地利用整个网络的频谱资源基础上，最终达到整个网络能耗降低的目的，并且极大地提高了整个网络的频谱利用率。

Description

LTE网络中基于能效的资源分配方法

技术领域

本发明涉及LTE网络，具体涉及LTE网络中的资源分配方法。

背景技术

LTE（Long Term Evolution）是近几年来3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）启动的新技术研发项目，它以新架构、OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）、MIMO（Multiple Input Multiple Output）等核心技术为主要标志。然而，随着移动通信***的快速发展，网络建设规模不断扩大，整个通信行业的年耗电量急剧上升，这不仅给运营商带来了较大的运营成本负担，也给环境带来了污染。因此，实现绿色通信，采用高效的绿色无线网络节能算法，对于通信行业来说是一项必不可少的工作，特别是在下一代移动通信***中尤为重要。为了顺应“绿色通信”这个当今社会的主流研究理念，如何才能达到更多的能耗降低，移动运营成本的减少以及环境污染的降低，都是移动运营过程中值得思考的问题。综上所述，节能技术研究有必要应用到通信的各个领域当中去。

统计表明，基站所消耗的能量占据了移动通信运营总能耗的67%左右，可见基站是移动运营过程中最主要的能耗来源。因此，致力于基站节能问题的研究显得尤为重要，现阶段LTE节能技术的研究主要集中在基站端。由于在LTE***中上行和下行链路信道的资源调度是由基站负责管理的，关于节能资源分配算法的研究在LTE***基站端的节能研究占有举足轻重的地位。然而传统的资源分配方法多是在轮询、比例公平、最大载干比等经典调度算法的基础上进行一定的性能优化，以提高整个通信***中各用户间公平性、***吞吐量最大化为目标，很少考虑基站用于资源分配的能效问题。为此，在当今发展最迅速的LTE***中，如何降低资源分配时基站所消耗的能量问题是一个值得研究的方向。

近些年来，致力于节能资源分配算法的研究越来越多，基于节能资源分配算法的研究主要有：（1）MP（Minimum transmit Power-based）资源分配算法（参见文献：Jungsup Song, Gye-Tac Gil, and Dong-Hoi Kim, Packet-Scheduling Algorithm by the Ratio of Transmit Power to the Transmission Bits in 3GPP LTE Downlink, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2010, pp. 1-8.）：该机制考虑了传输每比特信息所需的最小传送功率。通过分配资源块RB（Resource Block）给传输每比特信息所需最小传送功率的用户以达到节约能耗的目的。与传统的调度算法相比，该算法在达到节能传输的同时保证了***吞吐量增益以及公平性的提高。（2）基于调制编码方式MCS（Modulation and Coding Scheme）、资源块RB（Resource Block）、功率的联合优化方法(参见文献：David López-Pérez, ákos Ladányi, Optimization Method for the Joint Allocation of Modulation Schemes, Coding Rates, Resource Blocks and Power in Self-Organizing LTE Networks, 30th IEEE INFOCOM 2011, pp.111-115.)：该方法在LTE自组织网络的基础上考虑了自适应的调整调制编码方式MCS、资源块RB以及功率的联合优化分配问题。在保证各个用户所需最小服务质量水平的基础上最小化整个小区的辐射功率，该算法在一定程度上缓解了小区间的干扰，并且在相同带宽下可以容纳更多的用户，同时降低了用户中断的可能性。但以上方法均是基于峰值负载条件下的能效优化研究。

通常在深夜至凌晨期间，或是人烟稀少偏远地区，整个网络的负载将处于偏低的状态。按照常规的工作模式，在满足各用户服务质量需求的基础上为了能够容纳更多的用户，整个***用于下行链路数据传送的能耗将一直处于峰值发送状态。此时将会有大量的空闲频谱资源未能得到充分有效的利用，并且在一定程度上造成了能耗的浪费。

通过大量的调研发现，现有的关于节能资源分配算法的研究一般都是基于峰值负载条件下的相关性能分析：探讨在峰值负载条件下，如何能够在满足各用户服务质量需求的基础上，进一步提高***/用户的吞吐量，缩短队列等待时延以及节约传送功率等相关性能的提升。然而对于在低负载场景或者不均衡低负载场景下，关于如何降低LTE***中基站用于下行链路资源分配时所消耗的能量问题的相关研究则很少。因此，对于低负载或者不均衡低负载场景下节能资源分配问题的研究将具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的问题是：针对整个网络的业务流量是随着时间的变化而动态变化，具有极大的随机性，导致了整个网络中的负载经常处于不均衡的状态，使得在不均衡低负载网络中大量的频谱资源处于空闲状态，没有得到合理有效利用。提出一种适用于不均衡低负载场景的基于能效的资源分配方法，提高了整个网络的频谱资源利用率，并能够带来一定的能量节约。

本发明解决上述问题的技术方案是：通过将虚拟负载均衡与带宽扩展方式有效地结合，尝试实现多个小区无线网络频谱资源的充分利用，进而达到多小区下行链路用于资源分配的总功耗降低的目的。

本发明“LTE网络中基于能效的资源分配方法”具体包括以下步骤：

在当前小区配置中增加其他小区的位置信息，小区之间互相交换自身的负载信息。网络中各小区利用各自获得的负载信息，判断是否需要启动虚拟负载均衡。如果需要，由当前虚拟高负载小区向目标低负载邻居小区发送负载分担切换请求，由当前小区选择处于两个小区重叠区域的用户终端向目标小区切换。通过增加当前活跃用户的有限带宽，根据当前***中资源块RB剩余情况对用户u选择合适的扩展因子α进行带宽扩展，使每个资源块RB上所承载的信息量降低。

虚拟负载均衡进一步具体为：

(1) 网络初始化。网络中各小区利用获得的负载信息判断自身和邻居小区之间是否需要启动虚拟负载均衡；

(2) 根据平均最大扩展因子值检测当前小区是否为虚拟高负载小区，本发明最优选择如平均最大扩展因子值小于2为虚拟高负载小区。获取各邻居小区负载信息，将终端可以切换过去的邻居小区加入目标虚拟负载均衡小区集合，生成目标邻区列表Nbr_cell_list；

(3) 选择负载差距最大的小区为进行虚拟负载均衡目标小区；

(4) 当前虚拟高负载小区统计可切换到目标小区的终端列表集合UE_list；

(5)依次将UE_list中的用户切换到目标小区，直至当前小区转变为非虚拟高负载小区。

带宽扩展进一步包括：

(1) 计算达到各用户最小请求数据速率所需要的最少RB个数；

(2) 为各用户分配满足其最小数据速率请求所需的最少RB个数；

(3) 统计各小区RB剩余情况；

(4) 根据各用户的信道质量信息，对用户进行优先级排序。根据各用户不同的衰落特性对不同用户使用不同的扩展因子α；

(5) 按用户优先级，依次为各用户分配额外的RB。

由于用户终端和对应的业务流量进入小区时具有随机性、时变性并且常常是不平衡分布的，导致整个网络中负载可能出现不平衡的分布状态。这时就会出现部分小区负载较高，新的用户到达无法成功接入，而相邻的低负载小区却有大量空闲资源未能得到充分利用。关于负载均衡机制的研究一直是通信网整体性能提升的关键所在，如果将有效的负载均衡技术应用到通信***中来，将会使高负载小区的呼叫拥塞率得到很大的降低，并且能够极大的提高无线网络***整体的资源利用率。

通过结合使用上述的虚拟负载均衡机制以及带宽扩展模式，可以使得不均衡低负载网络中的空闲资源得到更为有效地利用，在提高整个网络***频谱资源利用率的同时，达到了整个网络用于下行链路传送能耗节约的目的。

附图说明

图1为本发明中整体模型框图；

图2为本发明中虚拟负载均衡流程图；

图3为本发明中带宽扩展流程图。

具体实施方式

本发明通过将虚拟负载均衡与带宽扩展方式有效地结合，尝试实现多个小区无线网络频谱资源的充分利用，进而达到多小区下行链路用于资源分配的总功耗降低的目的。具体包括：

1. 虚拟负载均衡：

在当前小区配置中增加其他小区的位置信息，小区之间互相交换自身的负载信息。网络中各小区利用各自获得的负载信息，判断是否需要启动虚拟负载均衡。如果需要，由当前虚拟高负载小区向目标低负载邻居小区发送负载分担切换请求，目标小区收到该消息后反馈回一个接收请求响应，由当前小区选择自身合适的终端向目标小区切换（为了不影响用户的服务质量，进行切换转移的用户必须是处于两个小区重叠区域的用户）。与常规的负载均衡不同的是，当前虚拟高负载小区不一定处于过载状态才向目标低负载小区进行负载转移，只要转移过后通过使用带宽扩展模式能够带来整个网络的能耗降低，即可进行用户切换转移。

2. 带宽扩展：

低负载网络经过虚拟负载均衡以后，两个邻居小区负载会在一定程度上得到均衡，且均处于非饱和负载状态。此时，通过增加当前活跃用户的有限带宽，即适当增加分配给当前活跃用户的RB数。即可在保证各用户原服务速率不变的基础上达到节约能耗的目的。具体方法如下：

假定常规模式下，用户u被分配了n个资源块RB以满足其服务质量需求。带宽扩展模式下,则根据当前***中资源块RB剩余情况对用户u选择合适的扩展因子α进行带宽扩展，具体α值的选择与小区剩余RB数有关，剩余资源块RB越多，α值越大。经过带宽扩展后，用户u被分配的资源块RB个数由原来的n个变为个（其中为***总的资源块RB个数）。因此，原来n个RB上所承载的比特信息将均匀分布在扩展后的个RB上。由于每个资源块RB上所承载的信息量降低，导致了每个资源块RB上的调制编码等级MCS（Modulation and Coding Scheme）以及信干噪比SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）需求都将相应降低。因此，基站用于下行链路传送功率的分配也将相应降低。

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

无线网络***由若干小区构成，***负载较轻，有大量剩余带宽，且各小区负载处于不均衡状态。对于LTE多小区***，小区间频率复用因子为1，***模型主要基于LTE/3GPP下行链路标准，在下行发送过程中，基站可以获得本小区用户在每个子信道上的瞬时链路增益，且各基站控制本小区内的资源块RB分配和传送功率分配。

如图1所示为LTE网络中适用于不均衡低负载网络的节能资源分配整体模型框图。通过考虑***频谱资源以及能耗问题，联合使用虚拟负载均衡与带宽扩展机制，最终达到节能以及提高***频谱资源利用率的目的。包括虚拟负载均衡和带宽扩展。

如图2所示，为虚拟负载均衡流程图。网络中的业务流量接入小区时，具有极大的随机性，在低负载场景下也经常会出现不均衡负载的状态。提出适用于不均衡低负载场景的虚拟负载均衡方法，当前虚拟高负载小区不一定处于过载状态才向目标低负载小区进行负载转移，只要转移过后通过使用带宽扩展模式能够带来整个网络的能耗降低，即可进行用户切换转移。

其具体步骤如下：

(1) 网络初始化。在当前小区配置中增加其他小区的位置信息，小区之间可以互相交换自身的负载信息，网络中各小区利用获得的负载信息判断自身和邻居小区之间是否需要启动虚拟负载均衡。

(2) 检测当前小区是否为虚拟高负载小区。所谓虚拟高负载小区即：没有足够的资源使用带宽扩展，最优可选择经过带宽扩展后可供各用户使用的平均最大扩展因子值，其中U为各小区总的用户数，为用户u被分得的扩展因子值。如果满足上述条件则为虚拟高负载小区。

如果当前小区为虚拟高负载小区，则获取各邻居小区负载信息，判断是否存在可以将终端切换过去的邻居小区（即负载处于相对偏低状态，最优可选择可供各用户使用的平均最大扩展因子值的邻居小区），并将其加入目标虚拟负载均衡小区集合。最终生成目标邻区列表Nbr_cell_list，统计满足负载差值阈值的邻居小区。

(3) 选择负载差距最大的小区为进行虚拟负载均衡目标小区，并由当前虚拟高负载小区向目标虚拟负载均衡小区发送负载分担切换请求，目标小区收到该消息后反馈回一个接收请求响应，

(4) 当前虚拟高负载小区统计可切换到目标小区的终端列表集合UE_list，UE_list中的用户集合为两个邻居小区重叠区域的当前虚拟高负载小区服务用户。

(5) 将UE_list中第一个用户作为虚拟负载均衡的第一个用户，判断该终端切换到目标小区后，目标小区是否会变为虚拟高负载状态，即可供各用户使用的平均最大扩展因子值。若目标小区没有变为虚拟高负载状态，则执行UE_list中的终端向该目标小区的强制切换过程，然后判断执行切换后当前小区是否仍为虚拟高负载状态，若当前小区转变为非虚拟高负载小区，则停止虚拟负载均衡过程。若切换后当前小区仍为虚拟高负载状态，将UE_list中下一个终端作为负载均衡切换终端，重复执行步骤(4)。

经过虚拟负载均衡后，各小区将对各自服务的用户使用带宽扩展。

如图3所示为带宽扩展流程图。尽管调度决策的实现是特定的且没有在3GPP中进行规定，但大多数调度器的最终目的都是为了尽可能利用移动终端之间信道波动的优势，使移动终端调度在具有良好信道状况的资源上进行传输。本发明中对于LTE下行链路采用信道相关调度，移动终端需要发送信息状态报告以反映频域和时域的瞬时信道质量。

具体步骤如下：

(1) 首先，计算达到各用户最小请求数据速率所需要的最少RB个数。

统计各用户的信道质量情况及各用户的服务质量需求请求，根据各用户实际SINR情况统计出各用户达到请求数据速率所需要的最少RB数。其中为用户u的数据速率请求；为当前信道条件下RB i上所能承载的信息bit数，B _i表示RB i的带宽，P _i代表基站用于RB i上的传送功率，|h _m,u|²代表服务基站m到目标用户u的路径增益，h _m,u代表相应的频率响应并且假定在基站端能够知道相对准确的数值，N ₀代表噪声功率谱密度，I _i代表RB i 上受到的干扰功率之和；为所得到的最大整数。

(2) 根据统计结果，为各用户分配满足其最小数据速率请求所需的最少RB个数。即为各用户分配满足其最小数据速率请求所需的D _u个具有良好信道状况的RB，并且保证在1个传输时间间隔TTI（Transmission Time Interval）内每个RB最多只能分配给一个用户，且分配给一个用户的各RB上必须使用相同的调制编码机制MCS（Module code scheme）。

(3) 根据分配结果统计各小区RB剩余情况，剩余RB数为***总RB个数与***已分配出去的RB个数之差。

(4) 根据各用户的信道质量信息，对用户进行优先级排序。

各用户按信道质量从高到低进行优先级排序，信道质量好的用户具有优先使用带宽扩展的权利，即信道质量好的用户偏向于使用较大的扩展因子值。（由于各用户的移动速度，地理位置条件等相关因素的影响，导致了各用户的信道衰落情况不同，各用户的相关性能特性在一定程度上存在着差异。经理论分析发现，具有高目标SINR的用户通过使用带宽扩展模式所带来的下行链路传送能量节约越多。因此，根据各用户不同的衰落特性对不同用户使用不同的扩展因子α，与对所有用户使用相同的带宽扩展因子α值来说是一个很好的节约能耗选择。）

(5) 按用户优先级，依次为各用户分配额外的RB。

首次分配时，扩展因子α=2，当遍历所有用户之后,判断是否仍有RB剩余，如果有剩余资源，则按各用户优先级再次分配额外的一个RB给各用户，如此轮询下去直至没有剩余资源。经过带宽扩展模式之后，***的频谱资源利用率可以得到极大的提升。

本发明采用了不同于传统负载均衡的虚拟负载均衡机制，并将其与带宽扩展联合使用。该方法适用于低负载场景特别是不均衡的低负载场景，极大的提高了整个网络的频谱利用率，并且能够带来可观的能量节约，弥补了现有研究的不足。

Claims

1.LTE网络中基于能效的资源分配方法，其特征在于，根据平均最大扩展因子值检测当前小区是否为虚拟高负载小区，获取各邻居小区负载信息，将终端可以切换过去的邻居小区加入目标虚拟负载均衡小区集合，生成目标邻区列表Nbr_cell_list，选择负载差距最大的小区为进行虚拟负载均衡目标小区，当前虚拟高负载小区统计可切换到目标小区的终端列表集合UE_list，依次将UE_list中的用户切换到目标小区，直至当前小区转变为非虚拟高负载小区；网络中由当前虚拟高负载小区向目标低负载邻居小区发送负载分担切换请求，并选择处于两个小区重叠区域的用户终端向目标低负载邻居小区切换；***根据当前剩余资源块RB对用户选择合适的扩展因子α进行带宽扩展，增加当前活跃用户的带宽，使每个资源块上所承载的信息量降低，所述带宽扩展具体为：根据公式确定第i个资源块RB_i上所能承载的信息bit数，根据公式计算各用户达到请求数据速率所需要的最少RB数；为各用户分配满足其最小数据速率请求所需的最少RB个数，统计各小区RB剩余情况，根据各用户的信道质量信息，对用户进行优先级排序，按用户优先级，依次为各用户分配额外的RB，其中，可供各用户使用的平均最大扩展因子值的小区为虚拟高负载小区，终端可以切换过去的邻居小区满足：可供各用户使用的平均最大扩展因子值的邻居小区，B_i表示RB_i的带宽，P_i代表基站用于RB_i上的传送功率，|h_m,u|²代表服务基站m到目标用户u的路径增益，N₀代表噪声功率谱密度，I_i代表RB_i上受到的干扰功率之和，为用户u的数据速率请求，其中U为各小区总的用户数，α_u为用户u被分得的扩展因子值。

2.根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于，所述为各用户分配满足其最小数据速率请求所需的最少RB个数，即为各用户分配满足其最小数据速率请求所需的D_u个RB，并且保证在1个传输时间间隔TTI内每个RB最多只能分配给一个用户，且分配给一个用户的各RB上使用相同的调制编码机制。