本發(fā)明屬于移動通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在許可和免許可頻段工作的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入控制方法。

背景技術(shù)：

移動端應(yīng)用的大量增長對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了全新的挑戰(zhàn)，為此許多新的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，例如軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和小基站覆蓋等，但是稀缺的頻譜資源依舊是提高網(wǎng)絡(luò)容量的主要瓶頸之一。將LTE(Long Term Evolution，長期演進(jìn))系統(tǒng)應(yīng)用在免許可頻段的技術(shù)即LTE-U(LTE-unlicensed)是緩解許可頻段流量壓力的手段之一。將工作在許可頻段的LTE系統(tǒng)和工作在免許可頻段的LTE-U系統(tǒng)聯(lián)合部署，構(gòu)成LTE/LTE-U混合網(wǎng)絡(luò)，就可以擴(kuò)充頻譜資源、提高系統(tǒng)容量。又由于LTE/LTE-U系統(tǒng)是高度中心化控制的系統(tǒng)，相比于工作在免許可頻段內(nèi)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，LTE-U系統(tǒng)可以大大提高免許可頻段的頻譜利用率。

為了與Wi-Fi在免許可頻段公平地共存，LTE-U系統(tǒng)不能連續(xù)占用免許可頻段，因此用戶實(shí)際可用的信道資源不確定。如果沿用傳統(tǒng)LTE系統(tǒng)的用戶關(guān)聯(lián)方法以及接入控制方法，LTE-U系統(tǒng)用戶的吞吐量性能和用戶接入時延性能都無法得到很好的保證，即用戶在免許可頻段內(nèi)不能被提供很好的服務(wù)保障。具體表現(xiàn)如下：

(1)在蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶關(guān)聯(lián)指將移動用戶設(shè)備關(guān)聯(lián)至某一個具體的基站，當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)傳輸需求時向該基站發(fā)起接入請求。在現(xiàn)有的LTE系統(tǒng)中用戶通常是根據(jù)接收到的參考信號的強(qiáng)度來選擇關(guān)聯(lián)基站的。一般而言，參考信號強(qiáng)，代表該基站離用戶近，用戶有好的信道條件，基站能提供給用戶的服務(wù)好。在3GPP標(biāo)準(zhǔn)TS 36.304中規(guī)定當(dāng)用戶接收到某基站參考信號電平滿足S準(zhǔn)則時，用戶即關(guān)聯(lián)至該基站。但是在LTE-U系統(tǒng)中單一的信號強(qiáng)度并不能完全表征這個基站對于用戶的適宜程度，原因如下：首先在免許可頻段中干擾情況比許可頻段中復(fù)雜很多，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的干擾不可控也無法完全預(yù)測，所以即使用戶在特定時間能夠接收到比較強(qiáng)的參考信號強(qiáng)度，但由于Wi-Fi可能的干擾導(dǎo)致的低信噪比會嚴(yán)重降低用戶的實(shí)際傳輸速率。其次，在免許可頻段中考慮到所有設(shè)備需要在公平的前提下接入信道，所以LTE-U小基站和用戶都只能在部分時間內(nèi)占用信道，如果LTE-U小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)有比較多的Wi-Fi設(shè)備競爭信道，則LTE-U小基站和用戶占用免許可頻段信道的時間比例很小，用戶的平均吞吐量也會很小。綜上即使用戶在特定時間能夠接收到LTE-U基站比較強(qiáng)的參考信號，用戶也并不一定適合關(guān)聯(lián)到該基站。

(2)在移動蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，接入控制指用戶向基站發(fā)起業(yè)務(wù)請求時，基站決定是否提供給該用戶時頻資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)有的LTE系統(tǒng)中基站在做用戶的接入控制時一般都是根據(jù)自己已接入的用戶數(shù)及業(yè)務(wù)量來決定是否接入新的用戶。專利CN1941988A公開了一種方法，包括當(dāng)基站負(fù)載接近極限時，向有重疊覆蓋區(qū)域的鄰小區(qū)報告“負(fù)載接近極限”消息，從而使這些鄰小區(qū)管理該負(fù)載接近極限小區(qū)的部分用戶的接入。專利CN102104927A公開了一種方法，包括網(wǎng)絡(luò)側(cè)網(wǎng)元向核心網(wǎng)發(fā)送鄰區(qū)接入控制請求時攜帶當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的所有或部分鄰區(qū)的信息及所述終端標(biāo)識，所述核心網(wǎng)將所述終端在所述鄰區(qū)中的授權(quán)信息通過鄰區(qū)接入控制響應(yīng)返回至所述網(wǎng)絡(luò)側(cè)網(wǎng)元，從而減少在負(fù)荷均衡過程中因?yàn)猷弲^(qū)接入控制失敗導(dǎo)致的負(fù)荷均衡失敗，增加切換成功率。專利CN104168627A公開了一種方法，包括按照用戶接收導(dǎo)頻信號的強(qiáng)度將各天線單元和用戶進(jìn)行分組；接入點(diǎn)根據(jù)分組結(jié)果，建立用戶和天線單元的對應(yīng)關(guān)系，并選擇其中一個天線單元作為中心，建立服務(wù)小區(qū)，從而減少所需要的天線單元個數(shù)，減少接入所用的時間，提高系統(tǒng)資源利用率。但是，在LTE-U系統(tǒng)中由于LTE-U基站無法連續(xù)占用免許可頻段信道，所以用戶在嘗試接入一個對他比較適宜的基站時，可能由于需要等待過長時間，甚至超過用戶接入時延容忍門限而無法接入信道。傳統(tǒng)的基于負(fù)載的用戶接入控制方案并沒有考慮到因這種由于非連續(xù)占用信道而導(dǎo)致的時延成本，從而降低用戶被接入的效率。

(3)在現(xiàn)有的移動蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶關(guān)聯(lián)和接入控制通常是分開操作的。用戶先根據(jù)S準(zhǔn)則進(jìn)行小區(qū)選擇(即用戶關(guān)聯(lián))，等有具體的數(shù)據(jù)需要傳輸時再發(fā)起接入請求。但是在LTE/LTE-U混合網(wǎng)絡(luò)中，LTE-U通常僅起到一種補(bǔ)充覆蓋以及數(shù)據(jù)分流的作用，即很多情況下LTE-U基站覆蓋的區(qū)域也是被LTE宏基站覆蓋的。這種場景下如果用戶依靠單一的參考信號強(qiáng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)并在此之后進(jìn)行接入控制，會導(dǎo)致局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)負(fù)載過高而其他網(wǎng)絡(luò)內(nèi)負(fù)載很輕的局面，這極大地降低了網(wǎng)絡(luò)中資源的利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種在許可和免許可頻段工作的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入控制方法，其首先通過建立各LTE-U小基站在免許可頻段內(nèi)信道可用性預(yù)測模型，然后通過這些模型進(jìn)一步估計有關(guān)免許可頻段的相關(guān)信息，并利用這些信息設(shè)計LTE/LTE-U網(wǎng)絡(luò)中用戶關(guān)聯(lián)和接入控制聯(lián)合的決策表，并針對具體負(fù)載情況實(shí)施具體的用戶關(guān)聯(lián)和接入控制決策；使用本發(fā)明可以平衡網(wǎng)絡(luò)中不同區(qū)域的負(fù)載，使得更多的用戶能夠獲取服務(wù)。

一種在許可和免許可頻段工作的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入控制方法，包括如下步驟：

(1)建立免許可頻段的信道可用性預(yù)測模型，LTE-U小基站利用該模型對免許可頻段的信道可用性參數(shù)進(jìn)行評估計算，進(jìn)而上報給LTE宏基站；

(2)LTE宏基站根據(jù)各LTE-U小基站匯報的信息、網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的到達(dá)率以及近期的頻譜效率等環(huán)境參數(shù)，利用馬爾科夫決策過程計算出不同負(fù)載情況下的用戶關(guān)聯(lián)及接入控制策略，進(jìn)而生成一張入口為負(fù)載情況，出口為用戶關(guān)聯(lián)及接入控制策略的決策表，并存儲于LTE宏基站本地；

(3)當(dāng)用戶向LTE宏基站發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求時，LTE宏基站根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況查詢決策表，為該用戶選擇合適的基站，使其確定發(fā)起接入請求的目標(biāo)基站。

所述步驟(1)中建立信道可用性預(yù)測模型的方法為：LTE-U小基站用LBT(Listen before talk，先聽后說)方式對免許可頻段進(jìn)行感知以及占用，基于以下兩個廣泛應(yīng)用的模型，該感知、占用過程可以建模成一個馬爾科夫鏈，LTE-U小基站不斷地積累對于信道狀態(tài)的知識，從而自適應(yīng)學(xué)習(xí)獲得該馬爾科夫鏈完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率；

a.任意時刻開始的一定長度時間段內(nèi)LTE-U小基站在每個時隙檢測到信道由空閑到忙碌轉(zhuǎn)變的過程是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程，即此固定長度時間段內(nèi)檢測到該轉(zhuǎn)變的概率p₁是穩(wěn)定不變的；

b.一定長度時間段內(nèi)除LTE-U小基站和用戶以外的其他設(shè)備單次占用免許可頻段信道的時間長度服從參數(shù)為μ的指數(shù)分布。

所述概率p₁和參數(shù)μ的計算式如下：

上式中的給定長度時間段指LTE-U基站評估概率p₁和參數(shù)μ的時間周期。

所述步驟(1)中評估計算的信道可用性參數(shù)包括LTE-U小基站免許可頻段信道占用時間比例T_U以及用戶在時延容忍門限內(nèi)成功接入信道概率p_S。

所述LTE-U小基站免許可頻段信道占用時間比例T_U和用戶在時延容忍門限內(nèi)成功接入信道概率p_S的評估計算如下：

首先，根據(jù)LTE-U小基站信道接入方案建立馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，在該馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中，狀態(tài)被定義為(h,c)，其中c＝0、1或2，c＝0時表示免許可頻段信道處于空閑狀態(tài)，c＝1時表示免許可頻段信道正在被非LTE-U系統(tǒng)占用，c＝2時表示免許可頻段信道正在被LTE-U小基站占用；當(dāng)c＝0或1時，h表示LTE-U小基站退避計數(shù)器的值；當(dāng)c＝2時，h表示距離信道占用結(jié)束還剩的時隙數(shù)；依據(jù)該馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖以及概率p₁和參數(shù)μ得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P_LBT；

然后，通過以下方程組求解出穩(wěn)態(tài)概率分布向量π_LBT：

其中：表示元素值全為1的列向量，穩(wěn)態(tài)概率分布向量π_LBT為行向量且其中的每個元素值分別為描述LTE-U小基站LBT過程的馬爾科夫鏈中各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率；

最后，通過以下公式計算出LTE-U小基站免許可頻段信道占用時間比例T_U和用戶在時延容忍門限內(nèi)成功接入信道概率p_S：

其中：π_h,c為穩(wěn)態(tài)概率分布向量π_LBT中對應(yīng)狀態(tài)(h,c)的穩(wěn)態(tài)概率，p_h,c為用戶在LTE-U小基站處于狀態(tài)(h,c)下嘗試接入免許可頻段信道且能在時延容忍門限內(nèi)接入的概率。

所述步驟(3)的具體工作流程為：當(dāng)需要傳輸新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的用戶到達(dá)時，首先在許可頻段上向LTE宏基站發(fā)起請求，LTE宏基站根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)載情況查詢決策表：

a.若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中LTE宏基站以及LTE-U小基站的資源都比較匱乏導(dǎo)致決策表顯示無法接入該用戶，則LTE宏基站不反饋任何信息；

b.若決策表顯示將該用戶接入至LTE宏基站，則LTE宏基站直接向該用戶發(fā)送接入應(yīng)答信息，告訴其已成功被LTE宏基站接入；用戶接入后開始數(shù)據(jù)傳輸；

c.若決策表顯示將該用戶關(guān)聯(lián)至LTE-U小基站，則LTE宏基站在許可頻段上告訴用戶需要在許可頻段或者免許可頻段上向相應(yīng)的LTE-U小基站發(fā)起接入請求，同時LTE宏基站通過LTE的X2接口或其他回程鏈路通知相應(yīng)LTE-U小基站有新的用戶請求即將被重定向到該LTE-U小基站；LTE-U小基站在自己的許可頻段信道或免許可頻段信道上檢測該用戶的接入請求，在接收到用戶的接入請求后給出應(yīng)答信息，同時通過X2接口或其他回程鏈路通知LTE宏基站該重定向操作完成；接入后的用戶在免許可頻段信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：

(1)本發(fā)明可以動態(tài)地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載情況以及各個LTE-U小區(qū)內(nèi)免許可頻譜資源對于用戶業(yè)務(wù)的保障能力，將用戶關(guān)聯(lián)至不同的基站，避免了在重復(fù)覆蓋區(qū)域中的部分小區(qū)擁塞而其他小區(qū)較空閑的情況，起到了均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的作用。

(2)本發(fā)明考慮了用戶在嘗試接入LTE-U小基站時延超過容忍門限的代價，避免了大量用戶嘗試接入免許可頻段內(nèi)Wi-Fi設(shè)備競爭較劇烈的LTE-U小區(qū)而出現(xiàn)大量用戶掉話的結(jié)局。

附圖說明

圖1為本發(fā)明蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入控制方法的流程示意圖。

圖2(a)為本發(fā)明LTE/LTE-U混合組網(wǎng)場景中用戶向LTE宏基站發(fā)起接入請求并被其接入的流程示意圖。

圖2(b)為本發(fā)明LTE/LTE-U混合組網(wǎng)場景中用戶向LTE宏基站發(fā)起接入請求但被重定向到某LTE-U小基站的流程示意圖。

圖3為本發(fā)明中LTE-U小基站采用LBT方式進(jìn)行信道檢測的時序示意圖。

圖4(a)為本發(fā)明中LTE-U小基站基于馬爾科夫鏈的信道可用性預(yù)測模型圖。

圖4(b)為本發(fā)明中LTE-U小基站具有吸收態(tài)下的信道可用性預(yù)測模型變形圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的LTE/LTE-U混合組網(wǎng)場景示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明在許可和免許可頻段工作的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入控制方法，包括如下步驟：

(1)建立LTE-U小基站的信道可用性預(yù)測模型，進(jìn)行模型的參數(shù)估計。

(2)通過建立的信道可用性預(yù)測模型，計算用戶接入各個LTE-U小基站對用戶的業(yè)務(wù)保障能力參數(shù)并上報至宏基站；

(3)宏基站收集各個LTE-U小基站上報的信息，利用這些信息和其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)基于最大化網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)期望的原則生成離線決策表；

(4)當(dāng)用戶發(fā)起業(yè)務(wù)請求時，LTE宏基站根據(jù)步驟(3)生成的決策表決定將新用戶關(guān)聯(lián)至哪個基站，并且是否接入。

關(guān)于步驟(1)，目前由于很多國家和地區(qū)規(guī)定使用免許可頻段前必須進(jìn)行信道空閑評估(CCA channel clear assessment)，大部分現(xiàn)有的3GPP關(guān)于LTE-U技術(shù)的報告都建議LTE-U小基站遵循LBT的準(zhǔn)則?；谠摐?zhǔn)則，LTE-U小基站通常在每個時隙的開始去檢測免許可頻段信道上的能量，若能量高于某一門限則認(rèn)為信道忙碌，若能量低于某一門限則認(rèn)為信道空閑，當(dāng)LTE-U小基站檢測到信道空閑的次數(shù)滿足一定條件時(例如上次LTE-U小基站傳輸后空閑次數(shù)大于某個值或者LTE-U小基站連續(xù)檢測到信道空閑次數(shù)滿足一定條件時)，LTE-U小基站則發(fā)起對免許可頻段信道的占用。顯然LTE-U小基站檢測和占用信道的行為和周圍其他活動在免許可頻段上的設(shè)備的信道使用方式有關(guān)，而通常這些設(shè)備的活動規(guī)律在一段時間內(nèi)可以視為穩(wěn)定的?；谝韵聝蓚€廣泛應(yīng)用的模型：

①我們的預(yù)測模型認(rèn)為LTE-U小基站一定長度的時間段內(nèi)在每個時隙檢測到信道由空閑到忙碌轉(zhuǎn)變的過程是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程，即一段時間內(nèi)該概率值(我們記其值為p₁)是穩(wěn)定不變的。

②我們的預(yù)測模型假設(shè)其他設(shè)備單次占用免許可頻段信道的時間在一定長度的時間段內(nèi)是服從參數(shù)為μ的指數(shù)分布的，這是與很多其他網(wǎng)絡(luò)測試場景中的業(yè)務(wù)模型一致的。

LTE-U小基站檢測和占用免許可頻段信道的過程即可建模成一個只與自身行為狀態(tài)以及免許可頻段信道狀態(tài)相關(guān)的隨機(jī)過程，并且該隨機(jī)過程通常可以用馬爾科夫鏈來進(jìn)行建模。LTE-U小基站通過對免許可頻段環(huán)境不斷地學(xué)習(xí)和估計來獲得p₁和μ的具體數(shù)值，具體計算的公式如下：

時間窗W的存在是為了保證LTE-U小基站對環(huán)境的估計能夠隨著免許可頻段內(nèi)其他設(shè)備的行為特點(diǎn)發(fā)生變化時而自適應(yīng)地更新估計值。

關(guān)于步驟(2)，在LTE-U小區(qū)內(nèi)，由于LTE-U小基站不能連續(xù)占用信道，相應(yīng)的用戶也只能使用免許可頻段的部分頻譜資源和部分時間資源，對于用戶實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苡绊懞艽?。所以我們在做用戶關(guān)聯(lián)和接入控制決策設(shè)計的時候應(yīng)當(dāng)希望當(dāng)LTE-U小基站能占用免許可頻段時間比例較高時，我們應(yīng)當(dāng)將更多的用戶重定向至該LTE-U小基站。同時由于LTE-U小基站非連續(xù)占用信道，用戶被重定向至LTE-U小基站并嘗試接入時，可能LTE-U小基站還未開始占用信道，所以該用戶需要等待一段時間直至LTE-U小基站重新占用信道，但如果用戶等待時間過長超過其初始接入時延門限，則會導(dǎo)致用戶的接入失敗。所以同樣類似地，當(dāng)LTE-U小基站內(nèi)用戶初始接入時延超過門限值的概率較高時，我們應(yīng)當(dāng)將更少的用戶重定向至該LTE-U小基站。而這些由于LTE-U小基站非連續(xù)占用信道特性導(dǎo)致用戶性能的差異都可以從步驟(1)中的信道可用性預(yù)測模型來推導(dǎo)。

關(guān)于步驟(3)，在原來的LTE系統(tǒng)中加入了工作在免許可頻段上的LTE-U小基站后，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜铜h(huán)境也變得更加復(fù)雜，依靠某一單一的準(zhǔn)則來進(jìn)行用戶關(guān)聯(lián)以及接入控制無法達(dá)到網(wǎng)絡(luò)全局的負(fù)載均衡。所以我們通過最大化網(wǎng)絡(luò)效用函數(shù)期望值來生成對應(yīng)于具體負(fù)載情況下的用戶關(guān)聯(lián)和接入控制決策表。該效用函數(shù)具有以下幾個特性：

1.接入用戶數(shù)越多，效用函數(shù)值越大；

2.在同樣負(fù)載以及資源利用效率相等的情況下，每個用戶傳輸速率值相差越小，資源分配越均衡，效用函數(shù)值越大；

3.在優(yōu)化該效用函數(shù)值時應(yīng)當(dāng)能夠指導(dǎo)決策按照過程(2)所提的若干原則來進(jìn)行。

利用隨機(jī)優(yōu)化的算法求解最優(yōu)的決策表。

步驟(1)～(3)周期性地執(zhí)行，使得決策表能夠動態(tài)地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)場景中環(huán)境參數(shù)的改變。

關(guān)于步驟(4)，當(dāng)需要傳輸新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的用戶到達(dá)時，首先在許可頻段上向LTE宏基站發(fā)起請求，LTE宏基站根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)載情況查詢決策表：

a.如圖2(a)所示，若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中LTE宏基站以及LTE-U小基站的資源都比較匱乏導(dǎo)致決策表顯示無法接入該用戶，則LTE宏基站不反饋任何信息；

b.如圖2(b)所示，若決策表顯示將該用戶接入至LTE宏基站，則LTE宏基站直接向該用戶發(fā)送接入應(yīng)答信息，告訴其已成功被LTE宏基站接入；用戶接入后開始數(shù)據(jù)傳輸；

c.若決策表顯示將該用戶關(guān)聯(lián)至LTE-U小基站，則LTE宏基站在許可頻段上告訴用戶需要在許可頻段或者免許可頻段上向相應(yīng)的LTE-U小基站發(fā)起接入請求，同時LTE宏基站通過LTE的X2接口或其他回程鏈路通知相應(yīng)LTE-U小基站有新的用戶請求即將被重定向到該LTE-U小基站；LTE-U小基站在自己的許可頻段信道或免許可頻段信道上檢測該用戶的接入請求，在接收到用戶的接入請求后給出應(yīng)答信息，同時通過X2接口或其他回程鏈路通知LTE宏基站該重定向操作完成；接入后的用戶在免許可頻段信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

以下是本發(fā)明的一個實(shí)施例，具體過程如下：

(1)LTE-U小基站采用如圖3所示的LBT機(jī)制，基站的信道接入包括兩個基本階段：信道感知階段和信道占用階段。在信道感知階段，LTE-U小基站會產(chǎn)生一個固定的退避窗長H作為自己退避計數(shù)器的初值。每個時隙(時長為Δ_s)內(nèi)基站都會感知免許可頻段信道的使用情況，如果接收到的功率小于門限值ξ，表示免許可頻段信道處于空閑狀態(tài)，LTE-U小基站的退避計數(shù)器會進(jìn)行減1操作；反之如果接收到的功率大于門限值ξ，表示免許可頻段信道處于忙碌狀態(tài)，LTE-U小基站的退避計數(shù)器值維持不變。一旦LTE-U小基站的計數(shù)器值退避到0，LTE-U小基站就會發(fā)起對免許可頻段信道的占用，信道占用持續(xù)時間固定為T_L。

基于該具體的LBT過程我們根據(jù)步驟(1)的前述流程，將LTE-U小基站感知和占用的過程建模成如圖4(a)所示的模型，LTE-U小基站的LBT過程的狀態(tài)表示為(h,c)的二元組，其中c＝0、1或2，c＝0時表示免許可頻段信道處于空閑狀態(tài)，c＝1時表示免許可頻段信道正在被非LTE-U系統(tǒng)占用，c＝2時表示免許可頻段信道正在被LTE-U小基站占用；當(dāng)c＝0或1時，h表示LTE-U小基站退避計數(shù)器的值；當(dāng)c＝2時，h表示距離信道占用結(jié)束還剩的時隙數(shù)；其中p₁的值可根據(jù)公式(1)計算，而在計算p₂的值時，由于指數(shù)分布具有無記憶性，且單個感知時隙的時隙長比較短，因此信道在已被Wi-Fi占用的情況下，下個時隙信道依舊被占用的概率為p₂＝μΔ_s。依據(jù)此馬爾科狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P_LBT。然后求解方程組式(3)來計算各個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率：

其中：π_LBT是各個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)分布概率π_h,c組成的行向量，是一個全為1的列向量。

(2)在此實(shí)施例下，我們希望計算出LTE-U小基站信道占用比例以及用戶初始接入時延門限內(nèi)成功接入LTE-U小基站的概率。于是LTE-U信道占用比例計算方法如公式(4)所示：

為了計算用戶能在時延門限T_HΔ_s內(nèi)接入LTE-U小基站的概率，我們在圖4(b)的基礎(chǔ)上將所有LTE-U小基站占用信道的狀態(tài)聚合成一個新的吸收態(tài)(h,2)，將該狀態(tài)設(shè)置為吸收態(tài)是因?yàn)橐坏㎜TE-U小基站重新占用信道，我們即認(rèn)為用戶能成功接入。在新的馬爾科夫模型中我們有新的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣而用戶在LTE-U小基站處于狀態(tài)(h,c)下開始嘗試接入且能在時延容門限內(nèi)接入的概率p_h,c可通過計算新的馬爾科夫鏈演化T_H次后進(jìn)入狀態(tài)(h,2)的概率得到，即：

其中：是矩陣的T_H次方，表示T_HΔ_s時間后各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率，而加上括號中的(h,c)→(h,2)表示T_HΔ_s時間后從狀態(tài)(h,c)轉(zhuǎn)移到狀態(tài)(h,2)的概率。

基站通過下式計算所有用戶能夠在時延容忍門限內(nèi)成功接入基站的概率：

各個LTE-U小基站每隔時間W周期性地將本基站的T_U和p_S值上報給宏基站。

(3)我們考慮如圖5所示的場景，在關(guān)心的區(qū)域內(nèi)有一個工作在許可頻段上的LTE宏基站和K_L個工作在免許可頻段上的LTE-U小基站。許可頻段帶寬為B_L，免許可頻段帶寬為B_U。宏基站能夠覆蓋整個區(qū)域，而LTE-U小基站只能覆蓋一部分區(qū)域并且我們認(rèn)為LTE-U作為熱點(diǎn)覆蓋的補(bǔ)充作用由運(yùn)營商布置所以小基站之間沒有重疊的覆蓋區(qū)域。用戶可以被接入至宏基站，也可以被重定向至自己所在區(qū)域被覆蓋的LTE-U小基站，但是不能同時與宏基站和LTE-U小基站有連接?；诖宋覀儼颜麄€區(qū)域根據(jù)不同基站的覆蓋范圍劃分成若干個子區(qū)域：其中表示只有宏基站覆蓋的區(qū)域，表示LTE-U小基站k的覆蓋區(qū)域。

用戶會隨機(jī)地在整個區(qū)域內(nèi)的任一位置以及隨機(jī)的時間發(fā)起新的業(yè)務(wù)請求。子區(qū)域內(nèi)的新業(yè)務(wù)的到達(dá)過程符合參數(shù)為λ_k的泊松過程。并且每個用戶的服務(wù)時間服從參數(shù)為μ的指數(shù)分布。當(dāng)需要傳輸新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的用戶到達(dá)時，由宏基站決定用戶被宏基站接入還是被重定向至LTE-U小基站，或者干脆拒絕。當(dāng)用戶被宏基站接入或者被重定向至LTE-U小基站時，其擁有不同的傳輸譜效率，在區(qū)域中的用戶被LTE宏基站接入時所能獲取的頻譜效率為r_0,k，在區(qū)域中的用戶被LTE-U小基站k接入時能獲取的頻譜效率為r_1,k。

我們用不同區(qū)域內(nèi)被不同基站接入的用戶數(shù)作為系統(tǒng)的狀態(tài)特征來表征全網(wǎng)的負(fù)載情況，每個區(qū)域內(nèi)的特征表示為o_k＝(n_0,k,n_1,k)，其中n_0,k表示區(qū)域中被LTE宏基站接入的用戶數(shù)，n_1,k表示區(qū)域中被LTE-U小基站k接入的用戶數(shù)。在區(qū)域中，由于只有LTE宏基站覆蓋，所以該區(qū)域的特征表示為o₀＝n_0,0。所以整個網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載用狀態(tài)變量s＝(o₀,o₁,…,o_K)表示。同時為了保證被接入的用戶有一個基本的QoS保障，我們限制被同一基站接入的用戶數(shù)不能超過某一門限，即且n_1,k≤N_1,k。

在整個系統(tǒng)中宏基站基于時隙來執(zhí)行用戶關(guān)聯(lián)決策和接入控制決策，每個時隙的長度記為Δ。制定的用戶關(guān)聯(lián)和接入控制策略決定了下個時隙新發(fā)起業(yè)務(wù)請求的用戶被關(guān)聯(lián)至哪個基站并且是否被接入。具體的決策空間記為{a|a＝(a₀,a₁,a₂,…,a_K)}。a_k表示對區(qū)域內(nèi)新發(fā)起業(yè)務(wù)用戶的關(guān)聯(lián)和接入策略，其中a₀∈{0,1}，a_k∈{0,1,2}，k>0。a_k＝0表示下個時隙拒絕接入?yún)^(qū)域內(nèi)新發(fā)起業(yè)務(wù)請求的用戶；a_k＝1表示將下個時隙內(nèi)區(qū)域內(nèi)新發(fā)起業(yè)務(wù)請求的用戶關(guān)聯(lián)至LTE宏基站；a_k＝2表示將下個時隙內(nèi)區(qū)域內(nèi)新發(fā)起業(yè)務(wù)請求的用戶關(guān)聯(lián)至LTE-U小基站k?；诰W(wǎng)絡(luò)中用戶的到達(dá)模型和業(yè)務(wù)模型，計算出不同狀態(tài)下采用不同決策后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

依據(jù)本實(shí)施例的特點(diǎn)，我們將網(wǎng)絡(luò)的效益函數(shù)設(shè)置成：

在這里被接入至宏基站或者被重定向至某一LTE-U小基站的用戶平均地分享所在小區(qū)的頻譜資源。公式(7)中l(wèi)n函數(shù)的括號里中表示的單個用戶的平均吞吐量，對每個用戶的吞吐量取其ln值表示其效益值，整個公式左邊一項(xiàng)表示的是許可頻譜資源分配給用戶所產(chǎn)生的效益，右邊一項(xiàng)表示的免許可信道資源分配給用戶所產(chǎn)生的效益。LTE-U小基站只能占用部分時間的免許可頻段信道，所以在右邊一項(xiàng)中加了這一項(xiàng)，其計算公式參考公式(4)，由于每個基站的環(huán)境不同，所以加了上標(biāo)k加以區(qū)別。觀察該效益函數(shù)我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)資源分配給更多的用戶時，效益函數(shù)更大；越大，LTE-U小基站給整個網(wǎng)絡(luò)帶來的效益值更大。所以最大化該效用函數(shù)既均衡了整個網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載，又可以根據(jù)每個LTE-U小基站的干擾情況來自適應(yīng)的調(diào)整自己的策略。

基于上述的狀態(tài)空間、決策空間、狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率以及效用函數(shù)的討論，我們將整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的用戶關(guān)聯(lián)和接入控制問題建模成以下的優(yōu)化問題：

通過解該優(yōu)化問題求得在狀態(tài)s₀下最優(yōu)的決策a₀。這個問題是一個標(biāo)準(zhǔn)的馬爾科夫決策過程(Markov decision process，MDP)問題，把它等效成求解以下線性規(guī)劃問題：

其中：x(s,a)表示系統(tǒng)處于狀態(tài)s下并且采用決策a的概率。通過求解公式(9)，得出此實(shí)施例下的決策表存入宏基站的數(shù)據(jù)庫。

(4)當(dāng)需要傳輸新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的用戶到達(dá)時，首先在許可頻段上向LTE宏基站發(fā)起請求，LTE宏基站根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負(fù)載情況查詢決策表：

a.若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中LTE宏基站以及LTE-U小基站的資源都比較匱乏導(dǎo)致決策表顯示無法接入該用戶，則LTE宏基站不反饋任何信息；

b.如圖2(a)所示，若決策表顯示將該用戶接入至LTE宏基站，則LTE宏基站直接向該用戶發(fā)送接入應(yīng)答信息，告訴其已成功被LTE宏基站接入；用戶接入后開始數(shù)據(jù)傳輸；

c.如圖2(b)所示，若決策表顯示將該用戶關(guān)聯(lián)至LTE-U小基站，則LTE宏基站在許可頻段上告訴用戶需要在許可頻段或者免許可頻段上向相應(yīng)的LTE-U小基站發(fā)起接入請求，同時LTE宏基站通過LTE的X2接口或其他回程鏈路通知相應(yīng)LTE-U小基站有新的用戶請求即將被重定向到該LTE-U小基站；LTE-U小基站在自己的許可頻段信道或免許可頻段信道上檢測該用戶的接入請求，在接收到用戶的接入請求后給出應(yīng)答信息，同時通過X2接口或其他回程鏈路通知LTE宏基站該重定向操作完成；接入后的用戶在免許可頻段信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

上述對實(shí)施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。