一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法
【專利摘要】一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法，本發(fā)明屬于無線通信系統(tǒng)中的中繼【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的目的是通過提出合理的上行資源分配算法，解決目前中繼系統(tǒng)資源分配算法系統(tǒng)開銷大、并未兼顧公平性和吞吐量的問題?；靖鶕?jù)直傳用戶和中繼用戶的業(yè)務(wù)需求量動態(tài)地為中繼和直傳用戶分配頻率資源；接入鏈路的上行子幀中上中繼采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度中繼用戶，直傳鏈路上基站采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度直傳用戶；回程鏈路的上行子幀中基站基于中繼用戶在中繼緩存的隊列信息為中繼用戶資源分配，同時，基站采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度直傳用戶。本發(fā)明方法既能更好地提升中繼用戶的性能，又能滿足用戶的公平性。
【專利說明】-種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的 上行資源分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信系統(tǒng)中的中繼【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種TD-LTE-Advanced中 繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年中，人們對移動通信的高數(shù)據(jù)速率、高服務(wù)質(zhì)量、業(yè)務(wù)多樣化的需求 日益增長，為了應(yīng)對這個趨勢，第三代合作伙伴計劃G lrd Generation Partnership Project，3GPP)組織提出了以 LTE(Long Term Evolution)為基礎(chǔ)的 LTE-Advanced 系統(tǒng)。 LTE-Advanced系統(tǒng)，對LTE具有很強的兼容性，提出了超過lGbit/s的下行峰值速率和超過 500Mbit/s的上行峰值速率性能指標。在小區(qū)中心，可沿用LTE中基站端的0FDMA、MM0、發(fā) 射分集等技術(shù)，但對于同樣高吞吐量業(yè)務(wù)需求的小區(qū)邊緣，這些技術(shù)還不能夠解決其受到 的鄰小區(qū)干擾問題。因此，LTE-A引入了中繼（Relay)技術(shù)。中繼技術(shù)能以經(jīng)濟有效的方 式擴大小區(qū)覆蓋面積，改善小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量，加強用戶間的公平性，提升系統(tǒng)的整 體性能。對于LTE-A系統(tǒng)中提出的高峰值速率、高工作頻段的要求，中繼技術(shù)無疑是擴大小 區(qū)覆蓋范圍、提高系統(tǒng)性能、減弱小區(qū)邊緣干擾影響的有效手段。并且，中繼的復雜度遠低 于基站，它體積小，重量輕，低功率，增加終端接入選擇自由度，節(jié)省終端的發(fā)射功率，從而 延長電池壽命，中繼還具有架設(shè)布網(wǎng)方便、運營維護成本低的優(yōu)點。因此如何合理有效地利 用中繼成為當前的研究熱點。
[0003] 如何有效地利用中繼以提升系統(tǒng)性能很大程度上取決于基站采取何種資源分配 策略來處理用戶對無線資源的競爭問題，在中繼系統(tǒng)中既存在用戶與基站直接連接的單跳 鏈路又存在經(jīng)由中繼的兩跳鏈路，資源分配需要考慮很多因素，包括基站-中繼節(jié)點、中繼 節(jié)點-用戶、基站-用戶的信道特性，以及基站和中繼節(jié)點的負載情況。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的單 跳資源分配算法并不適用于LTE-A中繼系統(tǒng)，而合理有效的資源分配直接關(guān)系到整個通信 系統(tǒng)的性能，因此，對LTE-A中繼系統(tǒng)中的資源分配算法的研究是非常重要也是非常必要 的。
[0004] 目前LTE存在兩大主流標準，其中，由我國主導制定的TD-LTE標準也正向 TD-LTE-Advanced演進。本發(fā)明基于TD-LTE-Advanced系統(tǒng)，研究中繼系統(tǒng)的資源上行分配 算法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的 上行資源分配方法，以提高TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)的性能，增加上行系統(tǒng)吞吐量，同時 保證用戶間公平性，兼顧LTE用戶上行資源連續(xù)性分配的要求，實現(xiàn)通信系統(tǒng)能合理有效 地分配資源。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明提供一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源 分配方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟一、基站根據(jù)直傳用戶和中繼用戶的業(yè)務(wù)需求量動態(tài)地為中繼和直傳用戶 (Macro UE)分配頻率資源；
[0009] 步驟二、中繼在接入鏈路上采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度中繼用戶（Relay UE)， 同時基站在直傳鏈路上采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度直傳用戶；
[0010] 步驟三、基站在回程鏈路上基于中繼用戶在中繼緩存的隊列信息為中繼用戶資源 分配，同時，基站采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度直傳用戶；即完成一種TD-LTE-Advanced中 繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法。
[0011] 步驟一中直傳用戶和中繼用戶頻率資源的初始劃分的分配原則為：
[0012] 初始劃分步驟如下：
[0013] a、參數(shù)設(shè)定：設(shè)A為分配給Macro UE的資源塊的集合，ε ^為分配給中繼r的資 源塊的集合，設(shè)Cm為％中資源塊η的承載能力；初始設(shè)置為A= [1，2,…，M]，€ =0，（； 為基站處歸屬于中繼r的中繼用戶的用戶隊列緩存的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的總和，(^為基站處直傳用 戶的用戶隊列緩存的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的總和，R為小區(qū)內(nèi)中繼數(shù)量；
[0014] b、為中繼r分配與前一個分配出的資源塊連續(xù)的資源塊，將此資源塊從A中刪除， 添加到L中；每分配一個資源塊進行步驟c的判斷；
[0015] c、若A是為空集，則初始劃分過程結(jié)束，反之，繼續(xù)判斷；若Σ 重復步驟b ; 若Σ cm彡Cy r = r+1，若;KR則重復步驟b，否則初始劃分過程結(jié)束；
[0016] 初始過程得到的分配給Macro UE的資源塊數(shù)md以及分配給中繼r的資源塊數(shù)m, 作為后續(xù)動態(tài)分配的輸入?yún)?shù)，之后的子幀內(nèi)采用動態(tài)調(diào)整劃分方法，其過程如下：比較(； 與HV的比值和扒與叫的比值，如果前者小，則將L中的資源塊劃分給直傳用戶集，直至 前者不小于后者；如果后者小，則將（^中的資源塊劃分給中繼 r，直至后者不小于前者；完 成對所有中繼和直傳用戶集的比較和劃分調(diào)整，即結(jié)束當前子幀的頻率劃分。
[0017] 所述步驟二中接入鏈路和直傳鏈路的資源分配過程為：
[0018] 依次遍歷資源塊，從編號為1的資源塊開始，首先計算待調(diào)度用戶集中的所有用 戶在該資源塊上的優(yōu)先級，在優(yōu)先級矩陣中查找對應(yīng)該資源塊優(yōu)先級最大的用戶，并將該 資源塊分配給此用戶；隨后，判斷此用戶分配到該資源塊后其業(yè)務(wù)需求能否得到滿足，若能 被滿足，將此用戶從調(diào)度用戶集中刪除，繼續(xù)分配下一個尚未分配的資源塊；若未被滿足， 考慮到上行資源分配連續(xù)性要求，則將和上一次被分配到的資源塊連續(xù)的資源塊分配給此 用戶，直至此用戶在當前子幀內(nèi)得到的資源塊達到系統(tǒng)設(shè)置的資源塊數(shù)目上限，或是此用 戶的業(yè)務(wù)需求被滿足，繼續(xù)遍歷下一個未被分配的資源塊；當待調(diào)度用戶集為空或所有資 源塊均被分配，結(jié)束當前子幀內(nèi)的調(diào)度。
[0019] 在接入鏈路和直傳鏈路的資源分配中，所述用戶在相應(yīng)資源塊上的優(yōu)先級計算方 法如下：
[0020] priori!^ (,?= 聊)) ?Π ?)
[0021] 式中，W為第q個資源塊的帶寬，為用戶χ在第q個資源塊上的信噪比， 咐是窗吞吐量，如下所示：
[0022] Fw = I 1-7 F(?-i)+v/r(n-1) \ I) ?
[0023] 式中，Rx(n-1)為用戶X在子幀η-1的瞬時吞吐量，T為時間窗口大小。
[0024] 所述步驟三的實現(xiàn)過程為：
[0025] 中繼用戶在競爭回程鏈路的資源來傳送自己的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，回程鏈路基于中繼緩存 信息的資源分配算法的優(yōu)先級設(shè)定為中繼處用戶隊列中各中繼用戶待傳送的比特數(shù)；具體 方法為：查找待調(diào)度用戶集中優(yōu)先級最大的中繼用戶，基站將該中繼在權(quán)利要求2中劃分 得到的頻率資源中的一個資源塊分配給該用戶，更新該用戶優(yōu)先級，并判斷該中繼用戶在 中繼緩存的待傳輸比特數(shù)是否為零，若為零則將該用戶從待調(diào)度用戶集中刪除；重復上述 步驟，直至待調(diào)度用戶集為空或所有資源塊均被分配，即完成回程鏈路的資源分配過程。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：
[0027] 本發(fā)明中的TD-LTE-A中繼系統(tǒng)上行資源分配算法對于系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性 的性能均有提高，本發(fā)明中的動態(tài)調(diào)整頻率劃分方法既適用于用戶需求量相當又能適用于 用戶需求量不對等的情況，本發(fā)明的基于隊列信息的回程鏈路方法較好地均衡了回程鏈路 和接入鏈路，并節(jié)省了系統(tǒng)開銷。本發(fā)明的目的是通過提出合理的上行資源分配算法，提高 TD-LTE-A中繼系統(tǒng)中的上行性能，解決了目前中繼系統(tǒng)資源分配算法系統(tǒng)開銷大、并未兼 顧公平性和吞吐量的問題。
[0028] 本發(fā)明的效果在于，對比本發(fā)明提出的算法和無中繼系統(tǒng)以及其它算法的性能中 發(fā)現(xiàn)：中載時，中繼用戶的平均吞吐量是無中繼系統(tǒng)中相應(yīng)用戶的6倍，系統(tǒng)總吞吐量提高 了 16% ;與其它算法對比，本發(fā)明算法能夠達到更高的Jain' s公平性指數(shù)和更大的吞吐 量。本發(fā)明方法既能更好地提升中繼用戶的性能，又能滿足用戶的公平性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為【具體實施方式】一所述的動態(tài)頻率劃分方法的流程示意圖；
[0030] 圖2為【具體實施方式】二所述的上行接入和直傳鏈路動態(tài)分配算法的流程示意圖；
[0031] 圖3為【具體實施方式】三所述的上行基于用戶隊列信息的回程鏈路分配算法的流 程不意圖；
[0032] 圖4為實施例所述的TD-LTE-A中繼系統(tǒng)上行資源調(diào)度流程圖；
[0033] 圖5為【具體實施方式】二所述的頻率劃分算法和現(xiàn)有的基于用戶數(shù)目劃分算法的 對比曲線示意圖；
[0034] 圖6為【具體實施方式】五所述的基于用戶隊列信息的回程鏈路分配算法與現(xiàn)有的 回程鏈路輪循算法對比曲線示意圖；
[0035] 圖7為本發(fā)明（【具體實施方式】一）所述的TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)上行資源分 配方法在輕載、中載、重載情況下的中繼用戶平均吞吐量增益柱狀圖；
[0036] 圖8為本發(fā)明（【具體實施方式】一）所述的TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)上行資源分 配方法在輕載、中載、重載情況下的所有用戶平均吞吐量增益柱狀圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0037] 一：本實施方式所述的TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和 公平性的上行資源分配方法，包括如下步驟：
[0038] 步驟一、基站根據(jù)直傳用戶和中繼用戶的業(yè)務(wù)需求量動態(tài)地為中繼和直傳用戶分 配頻率資源；
[0039] 步驟二、接入鏈路的上行子幀中上中繼按照比例公平算法的優(yōu)先級為中繼用戶分 配資源，同時直傳鏈路上基站采用比例公平算法為直傳用戶分配資源；
[0040] 步驟三、回程鏈路的上行子幀中基站基于中繼用戶在中繼緩存的隊列信息為中繼 用戶資源分配，同時，基站為直傳用戶分配資源；即完成一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中 兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法。

【具體實施方式】 [0041] 二：本實施方式是對一所述的TD-LTE-Advanced中繼 系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法的進一步限定，
[0042] 所述步驟一中直傳用戶和中繼用戶頻率資源的初始劃分的分配原則為：
[0043] 初始劃分步驟如下：
[0044] a、參數(shù)設(shè)定。設(shè)A為分配給直傳用戶的資源塊的集合，L為分配給中繼r的資源 塊的集合，設(shè)Cm為％中資源塊η的承載能力。初始設(shè)置為A= [1，2,…，M]，f,.=0，（； 為基站處歸屬于中繼r的中繼用戶的用戶隊列緩存的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的總和，(^為基站處直傳用 戶的用戶隊列緩存的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的總和。
[0045] b、為中繼r分配與前一個分配出的資源塊連續(xù)的資源塊，將此資源塊從A中刪除， 添加到L中。每分配一個資源塊進行步驟c的判斷。
[0046] c、若A是為空集，則初始劃分過程結(jié)束，反之，繼續(xù)判斷。若Σ 重復步驟b ; 若Σ cm彡Cy r = r+1，若;KR則重復步驟b，否則初始劃分過程結(jié)束。
[0047] 初始過程得到的分配給直傳用戶（直傳用戶）的資源塊數(shù)md以及分配給中繼!的 資源塊數(shù)πν作為后續(xù)動態(tài)分配的輸入?yún)?shù)，之后的TTI內(nèi)采用動態(tài)調(diào)整分配方法，具體方 法見說明書附圖1。

【具體實施方式】 [0048] 三：結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式是對一所 述的TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法的進一步限 定，
[0049] 步驟二中接入鏈路和直傳鏈路的資源分配方法思想：
[0050] 選擇優(yōu)先級矩陣中增益最大值，完成UE-RB(用戶-資源塊）之間的對應(yīng)，之后根 據(jù)連續(xù)性的要求，考慮和該資源塊連續(xù)的資源塊，盡量滿足該用戶的需求。如果已經(jīng)能夠滿 足該用戶需求，則認為該用戶結(jié)束本次資源分配，如果分配給該用戶的無線資源已達到所 規(guī)定的每個用戶最多可獲得的資源塊數(shù)目值，即使沒有能夠滿足該用戶的需求，仍認為該 用戶結(jié)束本次資源分配，每個用戶分配結(jié)束后要進行優(yōu)先級矩陣的處理。
[0051] 具體資源分配方法如圖2所示，圖2中優(yōu)先級矩陣由【具體實施方式】4中(fl) 組成。
[0052] 【具體實施方式】四：本實施方式是對【具體實施方式】三所述的接入鏈路和直傳鏈路的 資源分配方法的進一步限定，優(yōu)先級矩陣中的優(yōu)先級計算方法如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法，其特 征在于：一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法具體 是按照以下步驟進行的： 步驟一、基站根據(jù)直傳用戶和中繼用戶的業(yè)務(wù)需求量動態(tài)地為中繼和直傳用戶分配頻 率資源； 步驟二、中繼在接入鏈路上采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度中繼用戶，同時基站在直傳 鏈路上采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度直傳用戶； 步驟三、基站在回程鏈路上基于中繼用戶在中繼緩存的隊列信息為中繼用戶資源分 配，同時，基站采用動態(tài)的資源分配方法調(diào)度直傳用戶；即完成一種TD-LTE-Advanced中繼 系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行資源分配方法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上行 資源分配方法，其特征在于，所述步驟一中直傳用戶和中繼用戶頻率資源的初始劃分的分 配原則為： 初始劃分步驟如下： a、 參數(shù)設(shè)定：設(shè)A為分配給Macro UE的資源塊的集合，ε ^為分配給中繼r的資源塊 的集合，設(shè)Cm為％中資源塊η的承載能力；初始設(shè)置為A= [1，2,…，M]，盡=0，（；為基 站處歸屬于中繼r的中繼用戶的用戶隊列緩存的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的總和，為基站處直傳用戶的 用戶隊列緩存的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的總和，R為小區(qū)內(nèi)中繼數(shù)量； b、 為中繼r分配與前一個分配出的資源塊連續(xù)的資源塊，將此資源塊從A中刪除，添加 到L中；每分配一個資源塊進行步驟c的判斷； c、 若A是為空集，則初始劃分過程結(jié)束，反之，繼續(xù)判斷；若Σ 重復步驟b ;若 Σ Cm彡(；，r = r+Ι，若KR則重復步驟b，否則初始劃分過程結(jié)束； 初始過程得到的分配給Macro UE的資源塊數(shù)md以及分配給中繼r的資源塊數(shù)πν作為 后續(xù)動態(tài)分配的輸入?yún)?shù)，之后的子幀內(nèi)采用動態(tài)調(diào)整劃分方法，其過程如下：比較(；與πν 的比值和（^與％的比值，如果前者小，則將L中的資源塊劃分給直傳用戶集，直至前者 不小于后者；如果后者小，則將的資源塊劃分給中繼r，直至后者不小于前者；完成對 所有中繼和直傳用戶集的比較和劃分調(diào)整，即結(jié)束當前子幀的頻率劃分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平 性的上行資源分配方法，其特征在于，所述步驟二中接入鏈路和直傳鏈路的資源分配過程 為： 依次遍歷資源塊，從編號為1的資源塊開始，首先計算待調(diào)度用戶集中的所有用戶在 該資源塊上的優(yōu)先級，在優(yōu)先級矩陣中查找對應(yīng)該資源塊優(yōu)先級最大的用戶，并將該資源 塊分配給此用戶；隨后，判斷此用戶分配到該資源塊后其業(yè)務(wù)需求能否得到滿足，若能被 滿足，將此用戶從調(diào)度用戶集中刪除，繼續(xù)分配下一個尚未分配的資源塊；若未被滿足，考 慮到上行資源分配連續(xù)性要求，則將和上一次被分配到的資源塊連續(xù)的資源塊分配給此用 戶，直至此用戶在當前子幀內(nèi)得到的資源塊達到系統(tǒng)設(shè)置的資源塊數(shù)目上限，或是此用戶 的業(yè)務(wù)需求被滿足，繼續(xù)遍歷下一個未被分配的資源塊；當待調(diào)度用戶集為空或所有資源 塊均被分配，結(jié)束當前子幀內(nèi)的調(diào)度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平性的上 行資源分配方法，其特征在于：在接入鏈路和直傳鏈路的資源分配中，所述用戶在相應(yīng)資源 塊上的優(yōu)先級計算方法如下：
式中，W為第q個資源塊的帶寬，SMRfIii)為用戶X在第q個資源塊上的信噪比， 是窗吞吐量，如下所示：
式中，Rx(n-1)為用戶X在子幀n-1的瞬時吞吐量，T為時間窗口大小。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種TD-LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中兼顧吞吐量和公平 性的上行資源分配方法，其特征在于，所述步驟三的實現(xiàn)過程為： 中繼用戶在競爭回程鏈路的資源來傳送自己的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，回程鏈路基于中繼緩存信息 的資源分配算法的優(yōu)先級設(shè)定為中繼處用戶隊列中各中繼用戶待傳送的比特數(shù)；具體方法 為：查找待調(diào)度用戶集中優(yōu)先級最大的中繼用戶，基站將該中繼在權(quán)利要求2中劃分得到 的頻率資源中的一個資源塊分配給該用戶，更新該用戶優(yōu)先級，并判斷該中繼用戶在中繼 緩存的待傳輸比特數(shù)是否為零，若為零則將該用戶從待調(diào)度用戶集中刪除；重復上述步驟， 直至待調(diào)度用戶集為空或所有資源塊均被分配，即完成回程鏈路的資源分配過程。
【文檔編號】H04W72/04GK104394596SQ201410802818
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】吳宣利, 趙婉君, 李卓明, 吳瑋, 沙學軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學