CN103037528B

CN103037528B - 多载波***中基于载波权重的资源调度方法

Info

Publication number: CN103037528B
Application number: CN201310017660.6A
Authority: CN
Inventors: 付卫红; 孔庆亮; 田维新; 王成; 黑永强; 刘乃安; 李晓辉; 韦娟
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: CN103037528A

Abstract

本发明公开了一种多载波***中基于载波权重的资源调度方法，主要解决现有技术的***性能与复杂度难以兼顾的问题，以及LTE用户与小区边缘用户性能受限的问题。其实现步骤是：基站端获取用户信息及载波信息，并设定每个用户最多能接入的载波数目；根据用户与载波信息计算载波覆盖范围权重因子与用户类型权重因子，得到用户的载波权重因子；根据用户的载波权重因子进行用户优先级计算，并将载波权重因子作为优先级计算公式中的一个因子；按照用户优先级顺序为用户分配资源，完成资源调度。本发明在保证吞吐量的前提下降低了***的复杂度，改善***中小区边缘用户与LTE用户的性能，可用于LTE-Advanced载波聚合***中的资源调度。

Description

多载波***中基于载波权重的资源调度方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及资源调度技术，特别涉及一种多载波***中基于载波权重的资源调度方法，可用于LTE-Advanced载波聚合***中的资源调度。

背景技术

随着移动通信技术的发展，第三代移动通信***已很难完全满足用户的需求，为了满足IMT-Advanced在频点、带宽、峰值速率及兼容性等方面的新需求，3GPP在长期演进LTE的基础上进一步演进，提出了演进的LTE版本：LTE-Advanced。

LTE-Advanced***的需求分析中指出，为了达到1Gb/s的峰值速率，要求使用最大100MHz的带宽，在现有的频谱资源表上已经很难找到这么宽的带宽，特别是对于频分复用FDD***，还需要为其找到对称的上下行各100MHz的频段，这点更加困难。应对频谱资源紧张的问题，一条思路就是将多个非连续的频谱聚合为一条宽带频谱，基于此，LTE-Advanced***引入了载波聚合的概念。

载波聚合技术的引入使得LTE-Advanced***与LTE***在无线资源管理方面有了很大的区别，尤其在无线资源调度方面，需要重新设计资源调度算法。LTE***使用一条连续频谱，资源调度在一条载波上进行，只需要维持一个调度器即可；LTE-Advanced***将多个非连续频谱聚合为一条宽带频谱，对于如何合理的分配多条载波的资源，现存方案主要有两种：一是独立载波调度IS，二是联合载波调度JS。

IS方案的特点是每个载波上有一个调度器，在每个载波上独立的进行资源调度，其优点是***的复杂度会相对较低，其缺点是无法充分利用无线资源，***吞吐量较低。

JS方案的特点是只有一个调度器，所有载波单元由一个共享的资源调度器分配资源，多个载波之间共享用户的信息，其优点是可以带来多用户分集增益和载波间的频率选择性增益，***的吞吐量能达到最大值，其缺点是载波数目多时***的复杂度会很高。因此，如何合理设计资源调度算法，使得***能够兼顾复杂度与吞吐量，是一个极为迫切的问题。

在进行资源调度时，如何保证小区边缘用户的吞吐量是一个非常关键的问题，尤其是在引入载波聚合技术之后。由于各个载波所处的频段不同，因此每个载波的覆盖范围也不同，如何为用户设计合适的载波权重因子，使得小区边缘用户能够优先使用载波覆盖范围广的载波从而保证其吞吐量，也是一个值得关注的问题。

在LTE-Advanced***中有一个十分重要的特点就是后向兼容性，该***中可以同时存在两种用户：符合LTE-Advanced***要求的LTE-A用户，以及符合LTE***要求的LTE用户。其中，LTE-A用户终端能力较强，可以接入到所有载波，而LTE用户受限于其终端能力只能接入到一条特定载波，即LTE载波。在这种情况下，如何保证LTE用户的服务质量也是一个非常重要的问题，这就需要合理的设计用户在载波上的权重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多载波***中基于载波权重的资源调度方法，以解决上述LTE-Advanced***中***性能与复杂度难以兼顾的问题，以及LTE用户与小区边缘用户性能受限的问题。

实现本发明目的技术思路是：利用基站端为用户维护合理的载波权重因子，在调度过程中通过限定用户接入特定的一个或多个载波，在保证吞吐量的前提下降低***的复杂度；通过提高边缘用户在载波上的权重，改善小区边缘用户的性能；通过降低LTE-A用户在LTE载波上的权重，改善***中LTE用户的性能。其具体实现步骤如下：

(1)基站端获取用户与基站之间的距离d、载波数目n、LTE用户占所有用户的比例α、LTE载波占所有载波的比例β、每个载波的频率f以及载波的覆盖半径R，并设定每个用户最多能接入的载波数目m，1≤m≤n；

(2)根据步骤(1)中得到的用户与载波信息，计算用户在不同载波上的载波权重因子：

(2.1)设用户i处于第k-1个载波的覆盖范围与第k个载波的覆盖范围之间，计算用户i在不同载波上的载波覆盖范围权重因子：

若k=1，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} \frac{d_{i}}{R_{l}}, & 1 \leq l \leq m \\ 0, & m + 1 \leq l \leq n \end{matrix}

若2≤k≤n-m，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} 0, & 1 \leq l \leq k - 1 \\ \frac{d_{i}}{R_{l}}, & k \leq l \leq k + m - 1 \\ 0, & k + m \leq l \leq n \end{matrix}

若n-m+1≤k≤n，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} 0, & 1 \leq l \leq k - 1 \\ \frac{d_{i}}{R_{l}}, & k \leq l \leq n \end{matrix}

其中，符号l表示***中的第l个载波，W_i，l表示用户i在载波l上的载波覆盖范围权重因子，d_i表示用户i与基站之间的距离，R_i表示载波l的覆盖半径；

(2.2)计算用户i在不同载波上的用户类型权重因子：

其中，U_i,l表示用户i在载波l上的用户类型权重因子，α表示LTE用户占所有用户的比例，β表示LTE载波占所有载波的比例；

(2.3)综合步骤(2.1)得到的载波覆盖范围权重因子以及步骤(2.2)得到的用户类型权重因子，计算用户在不同载波上的载波权重因子：

P_i，l=U_i，lW_i,l

其中，P_i，l表示用户i在载波l上的载波权重因子，U_i,l表示用户i在载波l上的用户类型权重因子，W_i,l表示用户i在载波l上的载波覆盖范围权重因子；

(3)根据步骤(2)得到的用户在不同载波上的载波权重因子，计算用户在不同载波上的优先级：

PP_i，l=P_i，lF_i，l

其中，PP_i，l表示用户i在载波l上的优先级，F_i,l为比例公平调度算法的优先级计算公式，D_i，l是用户i在载波l上的最高数据速率，是用户i在载波l上过去一段时间t_c的平均传输速率，t_c为算法的时间窗，一般取1000ms；

(4)根据步骤(3)得到的用户优先级，按照用户优先级顺序为用户分配载波的无线资源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明由于构建了简单的计算载波权重因子的公式，能够降低***的计算复杂度；

2)本发明通过限定了用户接入特定的一个或多个载波，可以在***性能与复杂度之间获得一个合理的折中；

3)本发明通过引入载波覆盖范围权重因子，提高了小区边缘用户在载波上的权重，使得小区中心用户优先使用覆盖范围小的载波的资源，覆盖范围大的载波资源留给小区边缘用户使用，从而改善小区边缘用户的性能；

4)本发明通过引入用户类别权重因子，降低了LTE-A用户在LTE载波上的优先级，使得LTE载波资源优先被LTE用户使用，从而在同时存在LTE-A用户与LTE用户的情况下，改善LTE用户的性能。

附图说明

图1是本发明的应用场景示意图；

图2是本发明的实现总流程图；

图3是本发明中计算载波权重因子的子流程图；

图4是当LTE用户占所有用户的比例α=0.2，LTE载波占所有载波的比例β=0.25时，用现有方法和本发明方法仿真得到的LTE-A用户与LTE用户的平均吞吐量曲线；

图5是当LTE用户占所有用户的比例α=0.4，LTE载波占所有载波的比例β=0.25时，用现有方法和本发明方法仿真得到的LTE-A用户与LTE用户的平均吞吐量曲线；

图6是当LTE用户占所有用户的比例α=0.2，LTE载波占所有载波的比例β=0.25时，用现有方法和本发明方法仿真得到的小区边缘用户与小区中心用户的平均吞吐量曲线；

图7是当LTE用户占所有用户的比例α=0.4，LTE载波占所有载波的比例β=0.25时，用现有方法和本发明方法仿真得到的小区边缘用户与小区中心用户的平均吞吐量曲线。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例详细说明本发明的实施方式，此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参照图1，本发明应用的应用场景为一个多载波通信***。该***的某小区内有一个基站eNB以及多个用户设备UE，其中UE为LTE用户设备或LTE-A用户设备。***中有n个载波，每个载波的频率不同，覆盖范围也各不相同，每个UE能接入载波CC中的一个成员或多个成员。

参照图2，本发明实现步骤如下：

步骤1，基站端获取用户信息及载波信息：

1)基站端向用户发送导频信号，用户接收之后对导频信号进行处理，并通过上行链路向基站反馈位置信息，基站根据用户反馈的位置信息获得用户与基站之间的距离d；

2)基站端统计***中的LTE用户数与总的用户数，计算LTE用户占所有用户的比例α：

3)基站端统计***中LTE载波数与总的载波数n，计算LTE载波占所有载波的比例β：

4)按如下公式计算载波的覆盖半径R：

58.83+37.6log(10R_l)+21log(10f_l)=L_th

其中，R_l为载波l的覆盖半径，f_l为载波l的频率，L_th为载波的路径损失门限值，其值由基站端根据具体场景给出，并有f₁>f₂>…>f_n，R₁<R₂<…<R_n，f₁、f₂、…、f_n为每个载波的频率，R₁、R₂、…、R_n为每个载波的覆盖半径；

5)设定每个用户最多能接入的载波数目m，1≤m≤n，m值越大，用户能接入的载波数目越多，***复杂度越高，但是相应的***吞吐量会越高，相反的，m值越小，用户能接入的载波数目越少，***复杂度越低，但是***吞吐量会较低。

步骤2，根据步骤1中得到的用户与载波信息，计算用户在不同载波上的载波权重因子。

参照图3，本发明计算载波权重因子的步骤如下：

(2a)设用户i处于第k-1个载波的覆盖范围与第k个载波的覆盖范围之间，计算用户i在每个载波上的载波覆盖范围权重因子：

若k=1，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} \frac{d_{i}}{R_{l}}, & 1 \leq l \leq m \\ 0, & m + 1 \leq l \leq n \end{matrix}

若2≤k≤n-m，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} 0, & 1 \leq l \leq k - 1 \\ \frac{d_{i}}{R_{l}}, & k \leq l \leq k + m - 1 \\ 0, & k + m \leq l \leq n \end{matrix}

若n-m+1≤k≤n，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} 0, & 1 \leq l \leq k - 1 \\ \frac{d_{i}}{R_{l}}, & k \leq l \leq n \end{matrix}

其中，符号l表示***中的第l个载波，W_i，l表示用户i在载波l上的载波覆盖范围权重因子，d_i表示用户i与基站之间的距离，R_l表示载波l的覆盖半径；

通过设定载波覆盖范围权重因子，提高小区边缘用户在载波上的权重，从而提高其优先级，改善其性能；

(2b)计算用户i在不同载波上的用户类型权重因子：

当α>β，即LTE用户比例大于LTE载波比例时，(β-α)<0，LTE-A用户在LTE载波上的权重max{0，(β-α)}=0，禁止LTE-A用户接入LTE载波，这样就能保证LTE载波资源只能被LTE用户利用，可以改善LTE用户的性能；

当α<β，即LTE用户比例小于LTE载波比例时，(β-α)>0，LTE-A用户在LTE载波上的权重max{0，(β-α)}=(β-α)，允许LTE-A用户接入LTE载波，此时，0<(β-α)<1，而且β越接近于α，LTE-A用户在LTE载波上的用户类型权重越小，这样能降低LTE-A用户在LTE载波上的权重，使得在LTE载波上，LTE用户能优先被调度，从而改善其性能；

(2c)综合步骤(2a)得到的载波覆盖范围权重因子以及步骤(2b)得到的用户类型权重因子，计算用户在不同载波上的载波权重因子：

P_i，l=U_i，lW_i,l

其中，P_i，l表示用户i在载波l上的载波权重因子，U_i,l表示用户i在载波l上的用户类型权重因子，W_i，l表示用户i在载波l上的载波覆盖范围权重因子；

W_i，l与U_i，l相乘的结果分为以下四种情况：

LTE用户i在LTE载波l上的载波权重因子：P_i，l=W_i，l；

LTE用户i在LTE-A载波l上的载波权重因子：P_i，l=0；

LTE-A用户i在LTE-A载波l上的载波权重因子：P_i，l=W_i，l；

LTE-A用户i在LTE载波l上的载波权重因子：P_i，l=W_i,l·max{0，(β-α)}。

步骤3，根据步骤2得到的用户在不同载波上的载波权重因子，计算用户在不同载波上的优先级：

{PP}_{i, l} = P_{i, l} F_{i, l} = P_{i, l} \cdot \frac{D_{i, l}}{\overset{&OverBar;}{R_{i, l}}}

其中,PP_i，l表示用户i在载波l上的优先级，F_i，l为比例公平调度算法的优先级计算公式，D_i,l是用户i在载波l上的最高传输速率，是用户i在载波l上过去一段时间t_c的平均传输速率，t_c为算法的时间窗，取值为1000ms。

步骤4，根据步骤3得到的用户优先级，为用户分配载波的资源，即在每个调度时刻，在每条载波上，根据步骤3得到的用户优先级，由调度器按优先级由高到低的顺序为用户分配无线资源，分配结束之后，用户利用分配到的资源传输数据，完成资源调度过程。

本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件与方法

1.1)***总的载波数目为4，LTE载波数目为1，LTE-A载波数目为3，LTE载波频率为1.8GHz，LTE-A载波频率分别为900MHz、2.7GHz、3.6GHz，用户最多能接入的载波数目为2；

1.2)其它仿真条件如表1所示

表1仿真采用的主要***参数

1.3)仿真方法：

传统的联合载波调度比例公平算法JS-PF和本发明方法。

2.仿真内容

仿真1.

在前述的仿真条件下，用传统的联合载波调度比例公平算法JS-PF和本发明方法仿真当LTE用户数占所有用户的比例α=0.2，LTE载波占所有载波的比例β=0.25时，LTE与LTE-A两类用户的平均吞吐量，仿真结果如图4所示。

从图4可见，对于LTE用户的吞吐量，本发明比现有的JS-PF算法的吞吐量有所提高，而对LTE-A用户的吞吐量有所降低，其原因是，在α<β的情况下，当采用本发明方法时，降低了LTE-A用户在LTE载波上的优先级，这样，LTE载波上的资源会优先被LTE用户使用。

仿真2.

在前述的仿真条件下，用传统的联合载波调度比例公平算法JS-PF和本发明方法仿真当LTE用户数占所有用户的比例α=0.4，LTE载波占所有载波的比例β=0.25时，LTE与LTE-A两类用户的平均吞吐量，仿真结果如图5所示。

从图5可见，本发明与现有的JS-PF算法相比，提高了LTE用户的吞吐量，而降低了LTE-A用户的吞吐量，其原因是，在α>β的情况下，当采用本发明方法时，LTE-A用户被禁止接入到LTE载波，LTE载波资源仅分配给LTE用户使用。

仿真3.

在前述的仿真条件下，用传统的联合载波调度比例公平算法JS-PF和本发明方法仿真当LTE用户数占所有用户的比例α=0.2，LTE载波占所有载波的比例β=0.25时，小区边缘用户与小区中心用户的平均吞吐量，仿真结果如图6所示。

从图6可见，本发明与现有的JS-PF算法相比，提高了小区边缘用户的吞吐量，而降低了小区中心用户的吞吐量，原因是，本发明方法在用户优先级计算公式中引入了载波覆盖范围权重因子，提高了小区边缘用户的载波权重，从而提高了其优先级。

仿真4.

在前述的仿真条件下，用传统的联合载波调度比例公平算法JS-PF和本发明方法仿真当LTE用户数占所有用户的比例α=0.4，LTE载波占所有载波的比例β=0.25时，小区边缘用户与小区中心用户的平均吞吐量，仿真结果如图7所示。

从图7可见，本发明与现有的JS-PF算法相比，提高了小区边缘用户的吞吐量，而降低了小区中心用户吞吐量，原因是，本发明方法在优先级计算公式中引入了载波覆盖范围权重因子，提高了小区边缘用户的载波权重，从而提高了其优先级。

以上仿真表明，与传统资源调度算法相比较，本发明方法可以有效的改善小区边缘用户的性能，并在同时存在LTE与LTE-A用户时改善LTE用户的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多载波***中基于载波权重的资源调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)基站端获取用户与基站之间的距离d、载波数目n、LTE用户占所有用户的比例α、LTE载波占所有载波的比例β、每个载波的频率f以及载波的覆盖半径R，并设定每个用户最多能接入的载波数目m，1≤m≤n，

覆盖半径R，按如下公式计算：

58.83 + 37.6 \log (10 R_{l}) + 21 \log (10 f_{l}) = L_{th}

其中，为载波的覆盖半径，为载波的频率，L_th为载波的路径损失门限值，具体数值由基站端给出，并有f₁＞f₂＞...＞f_n，R₁＜R₂＜...＜R_n，f₁、f₂、...、f_n为每个载波的频率，R₁、R₂、...、R_n为每个载波的覆盖半径；

2)根据步骤1)中得到的用户与载波信息，计算用户在不同载波上的载波权重因子：

2.1)设用户i处于第k-1个载波的覆盖范围与第k个载波的覆盖范围之间，计算用户i在不同载波上的载波覆盖范围权重因子：

若k＝1，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} \frac{d_{i}}{R_{l}}, & 1 \leq l \leq m \\ 0, & m + 1 \leq l \leq n \end{matrix}

若2≤k≤n-m，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} 0, & 1 \leq l \leq k - 1 \\ \frac{d_{i}}{R_{l}}, & k \leq l \leq k + m - 1 \\ 0, & k + m \leq l \leq n \end{matrix}

若n-m+1≤k≤n，则：

W_{i, l} = \{\begin{matrix} 0, & 1 \leq l \leq k - 1 \\ \frac{d_{i}}{R_{l}}, & k \leq l \leq n \end{matrix}

其中，符号表示***中的第个载波，表示用户i在载波上的载波覆盖范围权重因子，d_i表示用户i与基站之间的距离，表示载波的覆盖半径；

2.2)计算用户i在不同载波上的用户类型权重因子：

其中，表示用户i在载波上的用户类型权重因子，α表示LTE用户占所有用户的比例，β表示LTE载波占所有载波的比例；

2.3)综合步骤2.1)得到的载波覆盖范围权重因子以及步骤2.2)得到的用户类型权重因子，计算用户在不同载波上的载波权重因子：

P_{i, l} = U_{i, l} W_{i, l}

其中，表示用户i在载波上的载波权重因子；

3)根据步骤2)得到的用户在不同载波上的载波权重因子，计算用户在不同载波上的优先级：

{PP}_{i, l} = P_{i, l} F_{i, l}

其中，表示用户i在载波上的优先级，为比例公平调度算法的优先级计算公式，是用户i在载波上的最高数据速率，是用户i在载波上过去一段时间t_c的平均传输速率，t_c为算法的时间窗，一般取1000ms；

4)根据步骤3)得到的用户优先级，按照优先级顺序为用户分配载波的无线资源。

2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤1)中用户的比例α和载波的比例β，分别表示为：

3.根据权利要求1所述的方法，所述步骤2.3)中用户在不同载波上的载波权重因子，与相乘的结果分为以下四种情况：

LTE用户i在LTE载波上的载波权重因子：

LTE用户i在LTE-A载波上的载波权重因子：

LTE-A用户i在LTE-A载波上的载波权重因子：

LTE-A用户i在LTE载波上的载波权重因子：

4.根据权利要求1所述的方法，所述步骤4)中按照用户优先级顺序为用户分配载波的无线资源，是在每个调度时刻，在每条载波上，根据步骤3)得到的用户优先级，由调度器按优先级由高到低的顺序为用户分配无线资源，分配结束之后，用户利用分配到的资源传输数据，完成资源调度过程。