一种LTEA蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法.pdf

本发明公开了一种LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法，利用了回程与接入链路信道的时变差异，将在每次半静态调度期间，估计回程子帧预分配的资源块个数，当回程链路的数据传输量大于接入链路的数据传输时，将多余传输数据存储于中继端缓存中，以使得在之后的半静态调度期间被读取；所述多余传输数据为本次调度期间，中继在回程子帧接收到的且在接入子帧内无法转发出去的数据；提升了用户和系统吞吐量性能，同时针对宏用户与中继用户的历史性能差异，自适应的改善他们之间的公平性。因此，本专利可以通过对于缓存队列的应用提高了不同服务站的公平性和吞吐量性能。同时，缓存设备的价格相对较低，便于应用于实际系统中。

1.  一种LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、获取LTE-A系统中的一个无线帧中总资源块数目为Ω、服务站s的集合S、服务站s接入的用户的集合K_s、蜂窝网中服务站s服务的用户k在接入子帧内吞吐量
2)、当进行数据传输时，在每次半静态调度期间，估计回程子帧预分配的资源块个数当回程链路的数据传输量大于接入链路的数据传输时，将多余传输数据存储于中继端缓存中，以使得在之后的半静态调度期间被读取；所述多余传输数据为本次调度期间，中继在回程子帧接收到的且在接入子帧内无法转发出去的数据；
3)、根据回程子帧预分配的资源块个数分配剩余的资源块Ω-Σsωin,1s:]]>

3.  1)、根据获得优化目标，即效用函数U：
U=ΣklogRa,sk---(1)]]>
Ra,sk≈ωas|Ks|γa,skGs---(2)]]>
其中，是指当采用PF调度时归属于服务站s的用户k在接入子帧中的吞吐量；表示服务站s在接入子帧内所分配的资源块数目；|K_s|表示服务站s所服务用户的数目；表示服务站s在接入子帧内单位资源块上的吞吐量；G_s表示PF调度相比RR调度所带来的额外增益；

3.  2)、根据效用函数U获取的最大效用函数max(U)以及式(3)、式(4)和式(5)联合求解ω_a,2、和
ωb,2sρbs+ωout,2sρas-ωa,2sρas=0---(3)]]>
ωa,2s≤ωa,2---(4)]]>
Σs≠0ωb,2s+ωa,2=Ω-Σs≠0ωin,1s---(5)]]>
其中，ω_a,2表示宏站在接入子帧内所占用的资源块数目，为中继s在接入子帧内所消耗的资源块，为中继s在回程子帧内所消耗的资源块，表示中继s回程子帧的每个用户每个资源块的吞吐量，表示服务站s接入子帧的每个用户每个资源块的吞吐量，为中继s在读取缓存数据所消耗的接入子帧；

3.  3)、根据拉格朗日法乘子法求解ω_a,2、和得：
ωa,2=(1Σs∈Lηs·Σs∈L|Ks||K|)(Ω-Σsωin,1s+Σsωout,2s),(s∈L)---(6)]]>
ωa,2s=(1ηs·|Ks||K|)(Ω-Σsωin,2s+Σsωout,2s),(s∉L)---(7)]]>
ωb,2s=ωa,2sηs-ωout,2s,(s∉L)---(8)]]>
其中，|K|表示该扇区内总的用户数，对于基站，η_s的取值为1，对于中继ηs=ρasρbsGs,]]>L为：
L={s|ωa,2s=ωa,2}---(9)]]>

3.  4)、根据不同基站和中继的历史平均吞吐量的性能差异，自适应地对基站分配的资源块ω_a,2、中继s分配的资源块进行修正；
4)根据ω_a,2、以及和最终的资源块分配结果为：
ωa=ωa,2ωas=ωa,2s+ωout,2s+ωout,3sωbs=ωb,2s+ωin,1s---(10)]]>
其中，ω_a为最终基站在接入子帧内所消耗的资源块；为最终中继s在接入子帧内所消耗的资源块；为最终中继s在回程子帧内所消耗的资源块。

2.  根据权利要求1所述的LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法，其特征在于，所述步骤2)获取回程链路多余传输的数据量所占用的资源块具体过程为：

2.  1)、当回程子帧预分配的资源块个数为时，获取回程链路多余传输的数据量ΔI₊，并同时获取接入链路损失的传输数据量ΔI_-；然后获取ΔI₊与ΔI_-的比值ξ_s：
ξs=ΔI+ΔI----(11)]]>

2.  2)、将式(6)、(7)和(8)代入式(11)，然后定义ξ_s等于式(11)左表达式与右表达式，如下所示：
ξs=|K|ρbsΣs∈L|Ks|Σs∈LλsG0ρa0+Σs|Ks|ρbs---(12)]]>
根据与ξ_s的正比关系，定义的表达式为：
ωin,1s=0,(ξs<1)Bmaxsξsρbsξmax,(1≤ξs<ξmax)Bmaxsρbs,(ξs&GreaterEqual;ξmax)---(13)]]>
上式中，表示在ξ_s取得最大值时，存储缓存数据量的最大值；ξ_max表示ξ_s的最大取值。

3.  根据权利要求1所述的LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法，其特征在于，所述步骤3.4具体包括：
a)、当宏用户的平均吞吐量小于中继n，n∈S的用户平均吞吐量时，中继n读取缓存数据，并消耗资源的接入资源，结合等式(6)以更新ω_a,2；
b)、当宏用户的平均吞吐量大于中继m，m∈S的用户的平均吞吐量时，中继m读取缓存数据，在的基础上再消耗资源的接入资源，使得修正为

4.  根据权利要求3所述的LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法，其特征在于，所述步骤3.4)中a)步骤具体包括：
当宏用户的平均吞吐量小于ID为n的中继的用户平均吞吐量时，读取缓存数据并且消耗个接入资源块，取值为下式：
ωout,2n=min(ωoutalln,|Kn||K0|(Ω-Σl&NotEqual;0ωin,1l))---(13)]]>
式中，为读取中继n缓存数据所消耗的接入资源块数目，|K₀|为基站服务的用户的数目；
当宏用户的平均吞吐量大于ID为n的中继的用户平均吞吐量时，取值为0。

5.  根据权利要求3所述的LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法，其特征在于，所述步骤3.4)中b)步骤具体包括：
当满足宏用户的平均吞吐量大于ID为m的中继的用户平均吞吐量时， 读取缓存数据并且消耗个接入资源块，的取值为下式：
ωout,3m=min(ωoutallm,ωa,2-ωa,2m)---(14)]]>
当满足宏用户的平均吞吐量小于ID为m的中继的用户平均吞吐量时，的取值为0。

一种LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及LTE关键技术之一的中继技术，研究了中继网络中的系统资源分配(Resource Allocation)设计方法。
背景技术
近年来，3G技术已经相当成熟，3G网络覆盖范围正日益扩大，但是随着新无线通信业务的不断涌现以及人们对通信质量要求的不断上升，而5GHz以下的频谱已经几乎被全部占用，无法配置新的专有资源给无线通信，因而无线资源日显紧缺的现象仍然日益严重。这一现象促进了人们对下一代无线通信系统的研究，目前，对于下一代网络的研究也逐渐成熟，部分地区LTE技术也开展了相关的测试工作，中继作为LTE的关键技术之一，对于改善小区的边缘用户性能、提高高数据率的覆盖范围、实现绿色通信、拓展小区覆盖范围、减轻基站的工作压力、实现临时部署等等方面有着突出贡献，同时，中继的建设费用以及耗电量相比基站也低的多，而且也有很多的灵活性。
引入中继后，小区内的干扰场景更加复杂，所面临的资源分配问题更加棘手，并且资源的分配是否合理又会直接影响到系统性能的改善。求解中继系统的资源分配问题，合理的分配策略必需要兼顾公平性与有效性。也就是考虑合适的公平性与有效性的折衷。中继系统中的公平性包括本地公平性以及全局公平性，本地公平性反映了同一服务站内不同用户间的公平性，全局公平性反映了不同服务站内的用户间的公平性即用户被服务的公平性，同时，有效性旨在提高每个扇区的累计吞吐量。
目前虽然有相关文献对LTE中继系统资源分配展开了研究，但均有不同的弊端。其中最简单的方案是假定Type I中继系统的资源分配方案，假定回程与接入子帧不同服务站占据相同的频带，并且假定回程子帧数目固定，在此基础上仅根据不同服务站内激活用户的数目来决定不同服务站所占用的资源块数。很显然，这种固定回程子帧的方式，缺乏很大的灵活性，并且容易造成资源的浪费，同时资源分配策略未能考虑到系统的公平性和有效性。在上述方案一的基础上对存在的部分问题进行了改善，我们称之为方案二，它考虑到了小区的累积吞吐量对于资源分配的影响，但是仍然未能解决固定回程子帧以及未考虑公平性所带来的弊端。方案三对于回程子帧中不同的资源利用方式(FDM，TDM)，同时分别以公平性或者有效性作为分配的目标，文章给出了兼顾公平性与有效性时资源分配的上线限，文章属于启发性质的，并未给出有效的公平性和有效性的折中。方案四基于TDM的回程子帧方式，最大化最差用户的吞吐量。对于兼顾公平性与有效性的算法，其典型方案我们记为方案五。在该方案中作者通过对数效用函数能够同时优化以上两个目标，然而由于每次半静态调度的独立性导致无法保证系统的长期公平性，并且本文同大多数研究一样在无缓存的前提下，假设回程速率等于接入速率，以防止中继端数据拥塞，但是，这样的等式约束会使得回程链路或接入链路中信道质量较差，使得该链路成为中继用户吞吐量改善的瓶颈。
发明内容
针对上述缺陷或不足，本发明提供了一种LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法。
为达到以上目的，本发明的技术方案为：
包括以下步骤：
1)、获取LTE-A系统中的一个无线帧中总资源块数目为Ω、服务站s的集合S、服务站s接入的用户的集合K_s、蜂窝网中服务站s服务的用户k在接入子帧内吞吐量
2)、当进行数据传输时，在每次半静态调度期间，估计回程子帧预分配的资源块个数当回程链路的数据传输量大于接入链路的数据传输时，将多余传输数据存储于中继端缓存中，以使得在之后的半静态调度期间被读取；所述多余传输数据为本次调度期间，中继在回程子帧接收到的且在接入子帧内无法转发出去的数据；
3)、根据回程子帧预分配的资源块个数分配剩余的资源块Ω-Σsωin,1s:]]>
3.1)、根据获得优化目标，即效用函数U：
U=ΣklogRa,sk---(1)]]>
Ra,sk&ap;ωas|Ks|γa,skGs---(2)]]>
其中，是指当采用PF调度时归属于服务站s的用户k在接入子帧中的吞吐量；表示服务站s在接入子帧内所分配的资源块数目；|K_s|表示服务站s所服务用户的数目；表示服务站s在接入子帧内单位资源块上的吞吐量；G_s表示PF调度相比RR调度所带来的额外增益；
3.2)、根据效用函数U获取的最大效用函数max(U)以及式(3)、式(4)和式(5)联合求解ω_a,2、和
ωb,2sρbs+ωout,2sρas-ωa,2sρas=0---(3)]]>
ωa,2s≤ωa,2---(4)]]>
Σs&NotEqual;0ωb,2s+ωa,2=Ω-Σs&NotEqual;0ωin,1s---(5)]]>
其中，ω_a,2表示宏站在接入子帧内所占用的资源块数目，为中继s在接入子帧内所消耗的资源块，为中继s在回程子帧内所消耗的资源块，表示中继s回程子帧的每个用户每个资源块的吞吐量，表示服务站s接入子帧的每个用户每个资源块的吞吐量，为中继s在读取缓存数据所消耗的接入子帧；
3.3)、根据拉格朗日法乘子法求解ω_a,2、和得：
ωa,2=(1Σs&Element;Lηs&CenterDot;Σs&Element;L|Ks||K|)(Ω-Σsωin,1s+Σsωout,2s),(s&Element;L)---(6)]]>
ωa,2s=(1ηs&CenterDot;|Ks||K|)(Ω-Σsωin,2s+Σsωout,2s),(s&NotElement;L)---(7)]]>
ωb,2s=ωa,2sηs-ωout,2s,(s&NotElement;L)---(8)]]>
其中，|K|表示该扇区内总的用户数，对于基站，η_s的取值为1，对于中继ηs=ρasρbsGs,]]>L为：
L={s|ωa,2s=ωa,2}---(9)]]>
3.4)、根据不同基站和中继的历史平均吞吐量的性能差异，自适应地对基站分配的资源块ω_a,2、中继s分配的资源块进行修正；
4)根据ω_a,2、以及和最终的资源块分配结果为：
ωa=ωa,2ωas=ωa,2s+ωout,2s+ωout,3sωbs=ωb,2s+ωin,1s---(10)]]>
其中，ω_a为最终基站在接入子帧内所消耗的资源块；为最终中继s在接入子帧内所消耗的资源块；为最终中继s在回程子帧内所消耗的资源块。
所述步骤2)获取回程链路多余传输的数据量所占用的资源块具体过程为：
2.1)、当回程子帧预分配的资源块个数为时，获取回程链路多余传输的数据量ΔI₊，并同时获取接入链路损失的传输数据量ΔI_-；然后获取ΔI₊与ΔI_-的比值ξ_s：
ξs=ΔI+ΔI----(11)]]>
2.2)、将式(6)、(7)和(8)代入式(11)，然后定义ξ_s等于式(11)左表达式与右表达式，如下所示：
ξs=|K|ρbsΣs&Element;L|Ks|Σs&Element;LλsG0ρa0+Σs|Ks|ρbs---(12)]]>
根据与ξ_s的正比关系，定义的表达式为：
ωin,1s=0,(ξs<1)Bmaxsξsρbsξmax,(1≤ξs<ξmax)Bmaxsρbs,(ξs&GreaterEqual;ξmax)---(13)]]>
上式中，表示在ξ_s取得最大值时，存储缓存数据量的最大值；ξ_max表示ξ_s的最大取值。
所述步骤3.4具体包括：
a)、当宏用户的平均吞吐量小于中继n，n∈S的用户平均吞吐量时， 中继n读取缓存数据，并消耗资源的接入资源，结合等式(6)以更新ω_a,2；
b)、当宏用户的平均吞吐量大于中继m，m∈S的用户的平均吞吐量时，中继m读取缓存数据，在的基础上再消耗资源的接入资源，使得修正为
所述步骤3.4中a步骤具体包括：
当宏用户的平均吞吐量小于ID为n的中继的用户平均吞吐量时，读取缓存数据并且消耗个接入资源块，取值为下式：
ωout,2n=min(ωoutalln,|Kn||K0|(Ω-Σl&NotEqual;0ωin,1l))---(13)]]>
式中，为读取中继n缓存数据所消耗的接入资源块数目，|K₀|为基站服务的用户的数目；
当宏用户的平均吞吐量大于ID为n的中继的用户平均吞吐量时，取值为0。
所述步骤3.4中b步骤具体包括：
当满足宏用户的平均吞吐量大于ID为m的中继的用户平均吞吐量时，读取缓存数据并且消耗个接入资源块，的取值为下式：
ωout,3m=min(ωoutallm,ωa,2-ωa,2m)---(14)]]>
当满足宏用户的平均吞吐量小于ID为m的中继的用户平均吞吐量时，的取值为0。
与现有技术比较，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法，在数据进行传输时，将多余传输数据进行缓存处理，充分利用了回程与接入链路信道的时变差异，提升了用户和系统吞吐量性能，同时针对宏用户与中 继用户的历史性能差异，自适应的改善他们之间的公平性。因此，本专利可以通过对于缓存队列的应用提高了不同服务站的公平性和吞吐量性能。同时，缓存设备的价格相对较低，便于应用于实际系统中。
附图说明
图1为本发明的TSA算法的流程图；
图2为本发明干扰场景模型图，其中，(a)为回程链路传输，(b)为接入链路传输；
图3为本发明的资源分配模型图；
图4为本发明中参数ξ_s的变化范围的分布曲线图；
图5为本发明中算法步骤2中L域的确定方式的流程图；
图6为本发明仿真场景的拓扑图；
图7为本发明任意一个扇区内宏用户与中继用户的平均吞吐量比值的仿真曲线图；
图8为本发明任意一个扇区内不同服务站内用户的平均吞吐量的衡量因子的分布曲线；
图9为本发明不同扇区的累积吞吐量的分布曲线；
图10为本发明小区内所有用户吞吐量的分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种LTE-A蜂窝网络中基于缓存控制的资源分配方法，包括以下步骤：
1)、获取LTE-A系统中的一个无线帧中总资源块数目为Ω、服务站s的集合S、服务站s接入的用户的集合K_s、蜂窝网中服务站s服务的用户k在接 入子帧内吞吐量如图2所示，其中，(a)为回程链路传输干扰场景模型，(b)为接入链路传输干扰场景模型。
2)、当进行数据传输时，在每次半静态调度期间，估计回程子帧预分配的资源块个数当回程链路的数据传输量大于接入链路的数据传输时，将多余传输数据存储于中继端缓存中，以使得在之后的半静态调度期间被读取；所述多余传输数据为本次调度期间，中继在回程子帧接收到的且在接入子帧内无法转发出去的数据；如图3所示，图3为资源分配模型。
获取回程链路多余传输的数据量所占用的资源块具体过程为：
2.1)、当回程子帧预分配的资源块个数为时，获取回程链路多余传输的数据量ΔI₊，并同时获取接入链路损失的传输数据量ΔI_-；然后获取ΔI₊与ΔI_-的比值ξ_s：
ξs=ΔI+ΔI----(11)]]>
2.2)、将式(6)、(7)和(8)代入式(11)，然后定义ξ_s等于式(11)左表达式与右表达式，如下所示：
ξs=|K|ρbsΣs&Element;L|Ks|Σs&Element;LλsG0ρa0+Σs|Ks|ρbs---(12)]]>
根据与ξ_s的正比关系，定义的表达式为：
ωin,1s=0,(ξs<1)Bmaxsξsρbsξmax,(1≤ξs<ξmax)Bmaxsρbs,(ξs&GreaterEqual;ξmax)---(13)]]>
上式中，表示在ξ_s取得最大值时，存储缓存数据量的最大值；ξ_max 表示ξ_s的最大取值。本发明中，如图5所示，通过对于系统级仿真平台的测量，得到在模拟的真实网络环境下ξ_s的最大值为ξ_max＝2.5。
3)、根据回程子帧预分配的资源块个数分配剩余的资源块Ω-Σsωin,1s:]]>
3.1)、根据获得优化目标，即效用函数U：
U=ΣklogRa,sk---(1)]]>
Ra,sk&ap;ωas|Ks|γa,skGs---(2)]]>
其中，是指当采用PF调度时归属于服务站s的用户k在接入子帧中的吞吐量；表示服务站s在接入子帧内所分配的资源块数目；|K_s|表示服务站s所服务用户的数目；表示服务站s在接入子帧内单位资源块上的吞吐量；G_s表示PF调度相比RR调度所带来的额外增益；
3.2)、根据效用函数U获取的最大效用函数max(U)以及式(3)、式(4)和式(5)联合求解ω_a,2、和
ωb,2sρbs+ωout,2sρas-ωa,2sρas=0---(3)]]>
ωa,2s≤ωa,2---(4)]]>
Σs&NotEqual;0ωb,2s+ωa,2=Ω-Σs&NotEqual;0ωin,1s---(5)]]>
其中，ω_a,2表示宏站在接入子帧内所占用的资源块数目，为中继s在接入子帧内所消耗的资源块，为中继s在回程子帧内所消耗的资源块，表示中继s回程子帧的每个用户每个资源块的吞吐量，表示服务站s接入子帧的每个用户每个资源块的吞吐量，为中继s在读取缓存数据所消 耗的接入子帧；
3.3)、根据拉格朗日法乘子法求解ω_a,2、和得：
ωa,2=(1Σs&Element;Lηs&CenterDot;Σs&Element;L|Ks||K|)(Ω-Σsωin,1s+Σsωout,2s),(s&Element;L)---(6)]]>
ωa,2s=(1ηs&CenterDot;|Ks||K|)(Ω-Σsωin,2s+Σsωout,2s),(s&NotElement;L)---(7)]]>
ωb,2s=ωa,2sηs-ωout,2s,(s&NotElement;L)---(8)]]>
其中，|K|表示该扇区内总的用户数，对于基站，η_s的取值为1，而对于中继域L如图4所示：
L={s|ωa,2s=ωa,2}---(9)]]>
3.4)、根据不同基站和中继的历史平均吞吐量的性能差异，自适应地对基站分配的资源块ω_a,2、中继s分配的资源块进行修正，具体包括：
a)、当宏用户的平均吞吐量小于中继n(n∈S)的用户平均吞吐量时，中继n读取缓存数据，并消耗资源的接入资源，结合等式(6)以更新ω_a,2；
具体的，当宏用户的平均吞吐量小于ID为n的中继的用户平均吞吐量时，读取缓存数据并且消耗个接入资源块，取值为下式：
ωout,2n=min(ωoutalln,|Kn||K0|(Ω-Σl&NotEqual;0ωin,1l))---(13)]]>
式中，为读取中继n缓存数据所消耗的接入资源块数目，|K₀|为基站服务的用户的数目；
当宏用户的平均吞吐量大于ID为n的中继的用户平均吞吐量时，取值为0。
b)、当宏用户的平均吞吐量大于中继m(m∈S)的用户的平均吞吐量时，中继m读取缓存数据，在的基础上再消耗资源的接入资源，使得修正为
当满足宏用户的平均吞吐量大于ID为m的中继的用户平均吞吐量时，读取缓存数据并且消耗个接入资源块，的取值为下式：
ωout,3m=min(ωoutallm,ωa,2-ωa,2m)---(14)]]>
当满足宏用户的平均吞吐量小于ID为m的中继的用户平均吞吐量时，的取值为0。
4)根据ω_a,2、以及和最终的资源块分配结果为：
ωa=ωa,2ωas=ωa,2s+ωout,2s+ωout,3sωbs=ωb,2s+ωin,1s---(10)]]>
其中，ω_a为最终基站在接入子帧内所消耗的资源块；为最终中继s在接入子帧内所消耗的资源块；为最终中继s在回程子帧内所消耗的资源块。
最后给出仿真环境以及仿真结果和分析：
如图6所示的小区拓扑结构，图7——图10分别给出不同资源分配算法下系统公平性和吞吐量性能的比较，比较算法包括固定回程子帧数目的分配方法(Fixed Backhaul-subframes Algorithm,FBA)、兼顾公平性与有效性的方案(Generalized Proportional Fairness,GPF)。
仿真分析如下：首先考虑任意一个扇区内宏用户与中继用户吞吐量性 能比值的CDF曲线(如图7)，仿真结果显示本专利中提到的TSA算法离1更近，这表明与GPF和FBA算法相比，TSA算法能够很好的改善宏用户与中继用户之间的公平性，提案中TSA算法相比FBA算法改善最为明显，是由于FBA算法未考虑宏用户与中继用户间的公平性；
其次，对于不同服务站之间的公平性考虑用下列因子来衡量：
I=(Σsrs)2|S|Σsrs2]]>
该因子I越接近1说明越公平，图8给出了三种方案的全局公平性的比较，仿真结果说明TSA算法相比GPF算法的全局公平性有略微下降，但结合图9可知，TSA算法的吞吐量有明显提升，这是由于本提案的方案可以显著提高吞吐量，而从算法的第二和第三步可以看出本提案对于全局公平性是尽可能的改善。图9中，TSA算法比GPF算法和FBA算法的扇区累计吞吐量有明显的提升。图10描绘了不同方案下用户吞吐量的分布曲线，所提出的算法中用户的吞吐量可以得到改善。具体地，相比FBA算法，所提出算法吞吐量更优的用户所占比例小于10％，这是由于FBA算法未考虑公平性，使得存在部分用户可以获得更多的资源，这使得大部分用户吞吐量较低。