CN110856260A - 一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法 - Google Patents

一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法，属于第五代移动通信技术领域。该方法在基站上采用同频方式部署多个波束，并将空域等分为多个区域，每个波束在对应区域内旋转以覆盖该区域并服务该区域内的用户；在每个调度时隙，首先确定第一个区域内波束的待分配用户，然后依次确定下一个相邻区域内波束的待分配用户。该方法基于差异化业务需求、用户公平性、时延、用户缓存构建了波束资源效用函数，可有效表征网络的服务质量，并以最大化网络总用户的效用为目标函数，构建了多用户多波束的资源分配优化模型。本方法通过波束选择和用户调度两个过程实现多波束的高效分配，可有效提升网络的服务质量。

Description

一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法
技术领域
本发明涉及第五代移动通信技术领域，特别是指一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法。
背景技术
为了应对未来***性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，仅仅依赖LTE-A***的演进已无法满足多样化的通信需求，因此第五代移动通信(5G)***应运而生。然而，仅仅凭借6GHz以下频谱资源已经无法满足5G时代大带宽高速率的数据需求，因此需要寻找新的频谱资源，充分挖掘可用的频谱来满足5G的发展需求。
为了应对频谱资源短缺的严峻挑战，5G***需要开拓更为丰富的高频毫米波频谱资源实现大带宽传输，以60GHz频段为例，每个信道的可用信号带宽高达2GHz。然而，毫米波自身存在高路损、大衰减、易被遮挡的缺陷，导致毫米波链路质量极不稳定，因此毫米波频段并不能独立于低频频谱独立部署。
3GPP Release-15(R15)已经提出了非独立组网(NSA)的5G新空口(NR)标准，5G需要依托现有的LTE网络，将控制面锚定在LTE网络上，用户面数据则是由5G新空口和LTE共同承载，或者由5G新空口独立承载。因此，考虑到毫米波通信链路特性，如何将毫米波资源对多用户进行合理分配以保证服务质量至关重要。
在毫米波场景中，目前的资源分配方法只解决单波束对多用户的分配问题，并没有考虑到基站部署多波束下的分配问题，且没有考虑到用户间差异化的业务需求对资源分配的影响。与此同时，当基站部署多波束时，现有的资源分配方法并没有考虑到波束间干扰的潜在影响，当用户分布较为密集时，用户服务质量将会极大降低。此外，在现有的资源分配方法中，通常采用最大化***内总的用户速率或比例公平的方式，没有考虑到不同业务对速率、时延、丢包率等性能指标的差异化需求，不能够有效体现每个资源调度周期下多业务对资源的需求程度和分配的高效性，进而无法满足用户的服务质量。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法，该方法考虑了差异化业务需求以及波束间干扰的影响，能够有效解决毫米波场景下多用户多波束的资源分配问题，保证了用户的服务质量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法，其在基站上采用同频方式部署M个波束，M≥2，将空域等分为M个区域，波束m在区域m内旋转以覆盖该区域并服务该区域内的用户，1≤m≤M；在调度时隙t，首先确定第一个区域内波束的待分配用户，然后依次确定下一个相邻区域内波束的待分配用户，具体的分配过程包括以下步骤：
(1)令m＝1，然后转到步骤(2)；
(2)基于效用函数确定波束m的待分配用户，使得当波束m分配给该用户时，该用户的效用函数取最大值，然后转到步骤(3)；
(3)判断m是否大于1，若是则转到步骤(4)，否则转到步骤(7)；
(4)判断m是否等于M，若是则转到步骤(9)，否则转到步骤(5)；
(5)确定波束m待分配用户与波束m-1待分配用户相对于基站的角度距离，判断这两个待分配用户之间是否存在干扰，若是则转到步骤(6)，否则转到步骤(7)；
(6)基于效用函数重新确定波束m的待分配用户，使得当波束m分配给该重新确定的待分配用户时，该用户的效用函数与波束m-1待分配用户的效用函数之和取最大值，然后转到步骤(7)；
(7)令m＝m+1，然后转到步骤(8)；
(8)判断m是否大于M，若是则转到步骤(11)，否则转到步骤(2)；
(9)确定波束M待分配用户与相邻两区域内待分配用户相对于基站的角度距离，判断波束M待分配用户与任一相邻区域内的待分配用户之间是否存在干扰，若是则转到步骤(10)，否则转到步骤(11)；
(10)基于效用函数重新确定波束M的待分配用户，使得当波束M分配给该重新确定的待分配用户时，该用户的效用函数与相邻两区域内待分配用户的效用函数之和取最大值，然后转到步骤(11)；
(11)将各波束分配给最终确定的待分配用户，结束分配过程；
所述效用函数为：
Figure BDA0002273418390000031
其中，
Figure BDA0002273418390000032
Figure BDA0002273418390000033
Ri(t)＝Blog2(1+SINR)，
Figure BDA0002273418390000041
Figure BDA0002273418390000042
式中，
Figure BDA0002273418390000043
表示调度时隙t时波束m分配给用户i的效用函数，Qi(t)表示调度时隙t时基站侧用户i的队列长度，ωs为用户i当前业务s的权重因子，
Figure BDA0002273418390000044
为业务s的最小速率需求值，
Figure BDA0002273418390000045
为所有业务中速率需求最高的业务的最小速率需求值，表示业务s的数据包最大忍受时延，
Figure BDA0002273418390000047
表示用户i缓存中队首数据包的已等待时间，Ri(t)为调度时隙t时用户i的瞬时传输速率，表示时隙t之前用户i的历史平均速率，B为毫米波频段带宽，SINR为中间变量，pm、pk分别为波束m和波束k的传输功率，
Figure BDA0002273418390000049
和
Figure BDA00022734183900000410
分别为发送端和接收端的天线增益，
Figure BDA00022734183900000411
分别为波束m和波束k的莱斯衰落信道系数，L(di)为基站到达用户i的毫米波波束传输损耗，
Figure BDA00022734183900000412
为波束k和用户j的分配关联因子，N0为高斯白噪声功率谱密度，
Figure BDA00022734183900000413
分别表示相应波束的指向角度，θb表示接收端和发送端的波束宽度，ε表示旁瓣增益，
Figure BDA00022734183900000414
表示波束m与波束k之间的干扰增益。
采用上述技术方案的有益效果在于：
1、本发明方法基于差异化业务需求、用户公平性、时延、用户缓存构建了波束资源效用函数，可有效表征网络的服务质量。
2、本发明方法以最大化网络总用户的效用为目标函数，构建了多用户多波束的资源分配优化模型。
3、现有技术并未考虑到波束间的干扰对资源分配的影响，本发明为了解决毫米波多波束干扰下的波束分配问题，提出了一种基于波束干扰的多波束分配算法，该算法通过波束选择和用户调度两个过程实现多波束的高效分配，可有效提升网络的服务质量。
总之，相比于现有技术所存在的业务类型单一、单波束分配方案的局限性、多波束分配方案的低效性、服务质量得不到有效保障等缺点，本发明方法充分考虑了差异化业务需求、用户公平性、时延、用户缓存等因素，能够有效解决毫米波场景下多用户多波束的资源分配问题，保证了用户的服务质量。
附图说明
图1是毫米波通信多用户多波束的场景示意图。
图2是当|βm,i-βk,j|≥θb成立时的波束干扰示意图。
图3是当
Figure BDA0002273418390000051
成立时的波束干扰示意图。
图4是当
Figure BDA0002273418390000052
成立时的波束干扰示意图。
图5是本发明实施例中的波束分配示意图。
图6是本发明实施例中多用户多波束分配算法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法，其在基站上采用同频方式部署M个波束，M≥2，将空域等分为M个区域，波束m在区域m内旋转以覆盖该区域并服务该区域内的用户，1≤m≤M；在调度时隙t，首先确定第一个区域内波束的待分配用户，然后依次确定下一个相邻区域内波束的待分配用户，具体的分配过程包括以下步骤：
(1)令m＝1，然后转到步骤(2)；
(2)基于效用函数确定波束m的待分配用户，使得当波束m分配给该用户时，该用户的效用函数取最大值，然后转到步骤(3)；
(3)判断m是否大于1，若是则转到步骤(4)，否则转到步骤(7)；
(4)判断m是否等于M，若是则转到步骤(9)，否则转到步骤(5)；
(5)确定波束m待分配用户与波束m-1待分配用户相对于基站的角度距离，判断这两个待分配用户之间是否存在干扰，若是则转到步骤(6)，否则转到步骤(7)；
(6)基于效用函数重新确定波束m的待分配用户，使得当波束m分配给该重新确定的待分配用户时，该用户的效用函数与波束m-1待分配用户的效用函数之和取最大值，然后转到步骤(7)；
(7)令m＝m+1，然后转到步骤(8)；
(8)判断m是否大于M，若是则转到步骤(11)，否则转到步骤(2)；
(9)确定波束M待分配用户与相邻两区域内待分配用户相对于基站的角度距离，判断波束M待分配用户与任一相邻区域内的待分配用户之间是否存在干扰，若是则转到步骤(10)，否则转到步骤(11)；
(10)基于效用函数重新确定波束M的待分配用户，使得当波束M分配给该重新确定的待分配用户时，该用户的效用函数与相邻两区域内待分配用户的效用函数之和取最大值，然后转到步骤(11)；
(11)将各波束分配给最终确定的待分配用户，结束分配过程；
所述效用函数为：
其中，
Figure BDA0002273418390000073
Ri(t)＝Blog2(1+SINR)，
Figure BDA0002273418390000074
式中，
Figure BDA0002273418390000076
表示调度时隙t时波束m分配给用户i的效用函数，Qi(t)表示调度时隙t时基站侧用户i的队列长度，ωs为用户i当前业务s的权重因子，为业务s的最小速率需求值，
Figure BDA0002273418390000078
为所有业务中速率需求最高的业务的最小速率需求值，
Figure BDA0002273418390000079
表示业务s的数据包最大忍受时延，
Figure BDA00022734183900000710
表示用户i缓存中队首数据包的已等待时间，Ri(t)为调度时隙t时用户i的瞬时传输速率，
Figure BDA00022734183900000711
表示时隙t之前用户i的历史平均速率，B为毫米波频段带宽，SINR为中间变量，pm、pk分别为波束m和波束k的传输功率，
Figure BDA00022734183900000712
和分别为发送端和接收端的天线增益，分别为波束m和波束k的莱斯衰落信道系数，L(di)为基站到达用户i的毫米波波束传输损耗，
Figure BDA00022734183900000715
为波束k和用户j的分配关联因子，N0为高斯白噪声功率谱密度，βm,i、βk,j分别表示相应波束的指向角度，θb表示接收端和发送端的波束宽度，ε表示旁瓣增益，
Figure BDA0002273418390000081
表示波束m与波束k之间的干扰增益。
该方法的应用场景如图1所示，室内部署的小基站类型为5G NR毫米波基站，通过空分复用实现多波束下行并行传输。当用户分布较为密集时，基站为相距较近的用户分配波束将会产生严重的波束间干扰，进而降低服务质量，因此在设计波束分配方案时需将波束干扰因素考虑进来。
该方法的设计思路如下：
(1)多波束干扰分析
当基站采用同频方式部署M个波束，波束集合为
Figure BDA0002273418390000082
用户集合为
Figure BDA0002273418390000083
波束宽度为θt，基站根据分配决策调节波束发射方向。假设接收端和发送端波束宽度相等θt＝θr＝θb，因此具有相同的波束增益，为了便于分析，发射波束和接收波束的主瓣和旁瓣增益如下所示：
Figure BDA0002273418390000084
Figure BDA0002273418390000085
和
Figure BDA0002273418390000086
代表发射和接收端波束的主瓣增益，
Figure BDA0002273418390000087
和
Figure BDA0002273418390000088
代表发射和接收波束的旁瓣增益。其中，ε＜＜1，代表旁瓣增益远远小于主瓣增益，且波束宽度越宽，波束主瓣增益越小。
波束干扰示意图如图2所示，采用极坐标表示方法(d,α)，UE表示用户终端，i、j表示两个用户，m、k表示两个波束，d代表用户到基站的距离，α代表用户位置角度，β代表波束指向角度。为了方便简洁，示意图中没有给出旁瓣。
(2)正交波束间旁瓣干扰模型
波束m和波束k满足条件|βm,i-βk,j|≥θb时，主瓣波束间无重叠覆盖区域，只存在旁瓣干扰，此时波束之间为正交关系。定义(m,i)为波束-用户对，其中Δθm,i表示波束m相对用户i的偏移角度，此时，波束间干扰增益为旁瓣干扰增益，如下所示：
当
Figure BDA0002273418390000092
成立时，干扰示意图如图3所示；当
Figure BDA0002273418390000093
成立时，干扰示意图如图4所示。
波束间为非正交关系，波束重叠角度为：
Figure BDA0002273418390000094
此时，波束间的干扰增益为：
Figure BDA0002273418390000095
因此，基站发送侧波束m和波束k的干扰增益表达式如下所示：
Figure BDA0002273418390000096
dB形式的毫米波传输损耗L(d)[dB]为：
L(d)[dB]＝A+20log10(fc)+10nlog10(d)
其中，fc为载频(GHz)，d为距离(km)，A为衰减值，n为路径损耗指数。
因此，用户速率表达式为：
Ri(t)＝Blog2(1+SINR)
(3)效用函数设计
为了对用户有效分配波束资源，本方法基于用户公平性、时延、干扰等影响因素构建了毫米波波束分配效用函数，毫米波波束m分配给用户i的效用函数如下所示：
Figure BDA0002273418390000102
其中，Qi(t)表示时间t时基站侧用户i的队列长度。ωs为业务s的权重因子，由于不同业务对速率的需求不同，若不考虑加权因子的影响，则高速率需求业务的公平性得不到保证，因此从速率需求的角度将差异业务进行归一化处理，定义归一化权重因子如下所示，为基准业务的速率需求大小。
若
Figure BDA0002273418390000106
代表所有业务中速率需求最高的业务的最小速率需求值，
Figure BDA0002273418390000107
为业务s的最小速率需求值，则速率需求越低的业务其权重因子越低。
Figure BDA0002273418390000108
和
Figure BDA0002273418390000109
分别代表业务s数据包最大忍受时延大小和用户i缓存队首数据包已经等待的时间大小，
Figure BDA00022734183900001010
表示队首数据包所能忍耐的最大时间。
(4)波束分配优化模型
毫米波波束关联矩阵分配矩阵如下所示：
Figure BDA0002273418390000111
其中，
Figure BDA0002273418390000112
Figure BDA0002273418390000113
表示在时隙t将波束m分配给用户i，可知矩阵
Figure BDA0002273418390000114
为稀疏矩阵。因此，毫米波多波束分配优化模型如下：
Figure BDA0002273418390000116
Figure BDA0002273418390000117
Figure BDA0002273418390000118
Figure BDA0002273418390000119
(5)多波束分配算法设计
为了解决上述提出的分配优化问题，本方法采用了一种基于干扰的波束分配(Interference based multi-beam allocation algorithm，IMA)算法。该算法首先进行波束选择过程，从空域维度对波束的服务覆盖区域进行划分，每个波束的旋转区域为
Figure BDA00022734183900001110
每个区域内的用户定义为同组用户，即波束m选择服务的用户集合为
Figure BDA00022734183900001111
如图5所示。
其次，进行用户调度过程，依次计算每个区域的用户调度优先级，并考虑干扰影响对待调度用户进行实时更新，如图6所示，具体的调度过程如下：
步骤1：在调度时隙t，令m＝1，基于效用函数确定区域m内用户优先级，初步确定待调度用户
Figure BDA00022734183900001112
(此时无邻区波束干扰)，
Figure BDA00022734183900001113
需满足
Figure BDA00022734183900001114
令
Figure BDA00022734183900001115
m＝m+1；
步骤2：基于效用函数计算区域m内用户优先级，初步确定该区域待调度用户
Figure BDA0002273418390000121
(不考虑区域波束m-1的潜在干扰影响)；
步骤3：若m＝M，转到步骤5；若m＜M，确定用户
Figure BDA0002273418390000122
和
Figure BDA0002273418390000123
之间的角度距离，进一步确定是否存在干扰。若不存在干扰，m＝m+1，转到步骤2；若存在，
Figure BDA0002273418390000124
转到步骤4；
步骤4：基于
Figure BDA0002273418390000125
原则，重新确定待调度用户
Figure BDA0002273418390000126
m＝m+1，转到步骤2。
步骤5：分别确定用户
Figure BDA0002273418390000127
和
Figure BDA0002273418390000128
之间的角度距离，进一步确定是否存在干扰。若不存在干扰，更新
Figure BDA0002273418390000129
矩阵，结束流程；若存在，令
Figure BDA00022734183900001210
基于
Figure BDA00022734183900001211
原则，重新确定
Figure BDA00022734183900001212
更新
Figure BDA00022734183900001213
矩阵，结束流程。
总之，该方法基于差异化业务需求、用户公平性、时延、用户缓存构建了波束资源效用函数，可有效表征网络的服务质量，并以最大化网络总用户的效用为目标函数，构建了多用户多波束的资源分配优化模型。本方法通过波束选择和用户调度两个过程实现多波束的高效分配，可有效提升网络的服务质量。

Claims (1)

1.一种毫米波通信***多波束多用户资源分配方法，其特征在于，在基站上采用同频方式部署M个波束，M≥2，将空域等分为M个区域，波束m在区域m内旋转以覆盖该区域并服务该区域内的用户，1≤m≤M；在调度时隙t，首先确定第一个区域内波束的待分配用户，然后依次确定下一个相邻区域内波束的待分配用户，具体的分配过程包括以下步骤：
(1)令m＝1，然后转到步骤(2)；
(2)基于效用函数确定波束m的待分配用户，使得当波束m分配给该用户时，该用户的效用函数取最大值，然后转到步骤(3)；
(3)判断m是否大于1，若是则转到步骤(4)，否则转到步骤(7)；
(4)判断m是否等于M，若是则转到步骤(9)，否则转到步骤(5)；
(5)确定波束m待分配用户与波束m-1待分配用户相对于基站的角度距离，判断这两个待分配用户之间是否存在干扰，若是则转到步骤(6)，否则转到步骤(7)；
(6)基于效用函数重新确定波束m的待分配用户，使得当波束m分配给该重新确定的待分配用户时，该用户的效用函数与波束m-1待分配用户的效用函数之和取最大值，然后转到步骤(7)；
(7)令m＝m+1，然后转到步骤(8)；
(8)判断m是否大于M，若是则转到步骤(11)，否则转到步骤(2)；
(9)确定波束M待分配用户与相邻两区域内待分配用户相对于基站的角度距离，判断波束M待分配用户与任一相邻区域内的待分配用户之间是否存在干扰，若是则转到步骤(10)，否则转到步骤(11)；
(10)基于效用函数重新确定波束M的待分配用户，使得当波束M分配给该重新确定的待分配用户时，该用户的效用函数与相邻两区域内待分配用户的效用函数之和取最大值，然后转到步骤(11)；
(11)将各波束分配给最终确定的待分配用户，结束分配过程；
所述效用函数为：
Figure FDA0002273418380000021
其中，
Figure FDA0002273418380000022
Ri(t)＝Blog2(1+SINR)，
Figure FDA0002273418380000024
Figure FDA0002273418380000025
式中，表示调度时隙t时波束m分配给用户i的效用函数，Qi(t)表示调度时隙t时基站侧用户i的队列长度，ωs为用户i当前业务s的权重因子，为业务s的最小速率需求值，r1 min为所有业务中速率需求最高的业务的最小速率需求值，
Figure FDA0002273418380000031
表示业务s的数据包最大忍受时延，
Figure FDA0002273418380000032
表示用户i缓存中队首数据包的已等待时间，Ri(t)为调度时隙t时用户i的瞬时传输速率，
Figure FDA0002273418380000033
表示时隙t之前用户i的历史平均速率，B为毫米波频段带宽，SINR为中间变量，pm、pk分别为波束m和波束k的传输功率，Gtm(θt)和Grm(θr)分别为发送端和接收端的天线增益，分别为波束m和波束k的莱斯衰落信道系数，L(di)为基站到达用户i的毫米波波束传输损耗，为波束k和用户j的分配关联因子，N0为高斯白噪声功率谱密度，βm,i、βk,j分别表示相应波束的指向角度，θb表示接收端和发送端的波束宽度，ε表示旁瓣增益，
Figure FDA0002273418380000036
表示波束m与波束k之间的干扰增益。
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