一种面向吞吐量需求的LTE-U系统成分载波选择方法与流程

一种面向吞吐量需求的lte
‑
u系统成分载波选择方法
技术领域
1.本发明涉及移动通信中lte
‑
u系统与wifi系统非授权频段共存技术领域，具体涉及一种面向吞吐量需求的lte
‑
u系统成分载波选择方法。


背景技术：

2.随着蜂窝网络业务的多样化，lte
‑
u系统需要具备支持不同的业务和用户特定吞吐量需求的能力。例如，一些iot设备需要低功耗传输以延长电池寿命，而对吞吐量需求很低，而ar/vr以及高清在线直播等业务则对吞吐量有很高的需求。由于5g应用场景的多样化，考虑到实际场景中用户吞吐量需求的差异性和非授权频段上信道质量的不稳定性，lte
‑
u基站不限于在单个频带内调度时频资源，而是通过采用载波聚合(carrier aggregation,ca)技术，使用户可以同时使用非授权频段的多个正交成分载波，以满足用户对吞吐量的特定需求。3gpp在r10中提出了载波聚合技术，通过聚合多个连续或不连续的成分载波来获得更大的带宽，为用户提供更高的数据速率，以满足用户高吞吐量业务的需求。
3.实现载波聚合需要有效的成分载波选择方法，为用户选择和分配合适的载波(单个或者多个)，以满足用户的吞吐量需求。载波选择时需要综合考虑用户的吞吐量需求信息、终端的载波聚合能力以及信道的状态信息，如每个成分载波上的负荷状况、信道质量等。传统lte/lte
‑
a系统的成分载波选择方法主要分为两大类：一类基于负载均衡，另一类基于信道质量。非授权频段的载波选择问题不同于传统lte系统的载波选择问题，因为除了考虑负载均衡和信道质量等因素之外，还需要考虑lte
‑
u系统和wifi系统共存公平性、wifi用户到达的随机性等因素。因此，lte/lte
‑
a系统中所采用的成分载波选择方法不能直接应用于lte
‑
u系统，需要研究和设计适用于lte
‑
u和wifi共存网络的有效成分载波选择方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为解决上述问题提供一种面向吞吐量需求的lte
‑
u系统成分载波选择(component carrier selection，ccs)方法。该方法在保障lte
‑
u和wifi共存公平性以及网络中现有lte
‑
u用户吞吐量需求的基础上，根据lte
‑
u新用户的吞吐量需求为其选择一个或者多个合适的载波，有效地提升了共存网络的lte
‑
u用户满意度。
5.为实现上述目标，本发明采用的方法是一种面向吞吐量需求的lte
‑
u系统成分载波选择方法，该方法的主要步骤如下：
6.(1)初始化下一csat周期开始时共存网络用户数：假设第t个csat周期开始时共存网络中第i个载波上需要服务的wifi用户和lte
‑
u用户数分别为和由于在该周期内共存网络中会有wifi用户和lte
‑
u用户动态地到达或离去，第t 1个csat周期开始时第i个载波上的用户数和分别会有相应的增加或减少。为了确定和首先设置然后随着用户的到达或离去，对和进行增减；
7.(2)在第t个csat周期内，根据共存网络中用户的动态到达或离去，更新各载波上需要服务的用户数：若有一个用户(wifi用户或lte
‑
u用户)完成传输后离开共存网络，则将该用户移出其所使用载波上的相应用户组，并对或进行减一操作；若有一个新用户到达共存网络，首先判断新用户类型，若该用户是wifi用户，则将该用户加入到其关联ap使用的第i个载波上的wifi用户组，并对进行加一操作；若该用户是lte
‑
u用户，则不为其立即选择和分配载波，而是先记录该新用户，等到当前周期结束前再为其进行载波选择；
8.(3)在第t个csat周期结束前，为该周期内到达的所有lte
‑
u新用户选择合适的载波：根据lte
‑
u新用户到达的时间顺序，依次为该周期内到达的所有lte
‑
u新用户选择合适的载波。
9.本发明方法中，步骤(1)—(3)中，采用一种基于网络虚拟化技术的lte
‑
u系统与wifi系统融合网络架构，用以在lte
‑
u系统和wifi系统之间共享信息。该融合网络架构描述如下：
10.一个lte
‑
u子系统和多个wifi子系统在非授权频段共存；在此共存网络中，lte
‑
u子系统由一个基站bs和若干均匀分布的用户ue组成，各lte
‑
u用户具有特定的吞吐量需求；每个wifi子系统由一个ap和若干均匀分布的用户sta组成；假设非授权频段共有n个正交的成分载波，分别表示为cc1,cc2,
…
,cc
n
；每个cc可被lte
‑
u系统和一个wifi系统所共享；每个wifi ap使用一个载波，为了避免由于地理位置邻近而造成的严重同频干扰，进一步假设不同的wifi ap使用不同的载波，从而可以忽略不同wifi ap之间的相互干扰；lte
‑
u bs可使用所有n个载波为lte
‑
u用户提供服务；lte
‑
u系统下行传输采用基站集中调度的ofdma信道接入机制，为用户分配时频资源；wifi系统采用802.11n基于竞争的csma/ca信道接入机制，用户以竞争的方式接入信道；每一个载波上均采用基于时分复用的f
‑
csat机制协调两个系统的共存。
11.本方法采用基于网络虚拟化技术的lte
‑
u系统与wifi系统融合网络架构，将lte
‑
u系统与wifi系统中的物理实体lte
‑
u bs和wifi ap分别虚拟化为对应的虚拟化网络实体vbs(virtual bs)和vap(virtual ap)，通过软件定义网络(software defined network，sdn)技术对虚拟实体进行管理。lte
‑
u bs虚拟实体(vbs)和wifi ap虚拟实体(vap)由一个sdn控制器统一控制，从lte
‑
u bs和wifi ap物理实体接收无线接入网侧的负载强度、用户吞吐量需求和信道状态等信息。lte
‑
u bs可以使用n个载波为lte
‑
u用户提供服务，且lte
‑
u用户具有特定的吞吐量需求。虚拟实体之间互通所接收到的信息，据此为lte
‑
u用户选择合适的载波，以满足lte
‑
u用户的吞吐量需求。
12.本发明方法中，步骤(2)中，根据当前csat周期内用户的动态到达或离去，更新载波上的用户信息，其具体过程为：
13.第t个csat周期开始时，共存网络中第i个载波上需要服务的wifi用户和lte
‑
u用户数分别为和首先设置：
14.在第t个csat周期内，当一个用户完成传输后离开共存网络时，若该用户是wifi用户，则将该用户移出所使用的cc
i
上的wifi用户组，即：在第t 1个csat周期不再占用cc
i
；若该用户是lte
‑
u用户，则对于该用户所使用的载波集合中的每一
个cc
i
，将该用户移出cc
i
上的lte
‑
u用户组，即：u用户组，即：在第t 1个csat周期不再占用集合中的载波。
15.在第t个csat周期内，当一个新用户到达共存网络时，若该用户是wifi用户，则首先获取该用户关联的ap，然后将该用户加入到其关联ap所使用的cc
i
上的wifi用户组，即：从第t 1个周期开始竞争接入信道。若该用户是lte
‑
u用户，则不立即为其选择和分配载波，而是等到该周期结束前再进行载波选择。
16.本发明方法中，步骤(3)中，在当前csat周期结束前，为该周期到达的所有lte
‑
u新用户选择合适的载波，其具体过程为：
17.第t个csat周期结束前，第i个载波上的wifi用户和lte
‑
u用户数相对于该周期开始时会发生变化，此时可以认为第t 1个csat周期开始时第i个载波上需要服务的wifi用户数已经确定，而第i个载波上需要服务的lte
‑
u用户数则要根据载波选择的结果才能确定。在进行载波选择时，根据lte
‑
u新用户到达的时间顺序，依次为该周期内到达的所有lte
‑
u新用户选择和分配合适的载波。
18.假设在为一个lte
‑
u新到达用户进行载波选择时，第i个载波上已分配有个lte
‑
u用户，且第i个载波上的第k个lte
‑
u用户的吞吐量需求为则第i个载波上lte
‑
u用户当前的吞吐量总需求为：
[0019][0020]
假设该新lte
‑
u用户的吞吐量需求为则无论为该用户选择哪个(些)载波，所选择的载波应该满足其吞吐量需求，同时必须保障所选择的载波上已分配lte
‑
u用户的吞吐量总需求。如果新lte
‑
u用户被分配到第i个成分载波上，该载波当前能够为新用户提供的最大吞吐量为：
[0021][0022]
其中r(n)表示有n个用户的wifi系统独自占用第i个载波时能够获得的系统吞吐量，表示lte
‑
u系统独自占用第i个成分载波时能够获得的系统吞吐量，表示在为新lte
‑
u用户进行载波选择时第i个载波上lte
‑
u off占空比的临时值。因为只有当所有的lte
‑
u用户完成载波选择后，第t 1个周期每个载波上的用户分配情况和lte
‑
u off占空比才能确定，这个临时的值仅与当前已完成的载波选择结果有关。在wifi用户数确定的情况下，如果之后还有其他lte
‑
u用户选择第i个载波，lte
‑
u on占空比会随着lte
‑
u用户的增加而增大，因此能够保障已完成载波选择的lte
‑
u用户的吞吐量需求，即后面用户的载波选择不会影响前面用户的载波选择的结果。
[0023]
在上述假设和分析情况下，本发明所考虑的成分载波选择问题就是在保障lte
‑
u系统和wifi系统共存公平性以及网络中现有lte
‑
u用户吞吐量需求的条件下，在第t个csat周期结束时，为该周期内到达的每一个lte
‑
u用户选择最小数量的一组成分载波i*，以满足
用户的吞吐量需求，即：
[0024]
优化目标：
[0025]
约束条件：其中i*表示为lte
‑
u新用户选择的一组成分载波，c表示为lte
‑
u新用户选择的载波的数量，m表示载波选择数量的上限(c≤m)；式(4)表示任意c
‑
1个载波无法满足新用户的吞吐量需求而存在c个载波能够满足新用户的吞吐量需求。若任意m个载波都无法满足新用户的吞吐量需求，将拒绝该用户接入网络。
[0026]
在为lte
‑
u新用户选择载波时，首先判断是否存在单个载波能够满足新用户的吞吐量需求。若存在，则在所有能够满足需求的单个载波中选取能够为lte
‑
u新用户提供最大吞吐量的载波i
*
；若任意单个载波均不能满足新用户的吞吐量需求，则依次增加载波选择的数量c，直到任意c
‑
1个载波无法满足新用户的吞吐量需求而存在c个载波能够满足新用户的吞吐量需求。若存在多组c个载波能够满足需求，则在其中选取能够为lte
‑
u新用户提供最大总吞吐量的一组c个载波i
*
；若任意m个载波均无法满足新用户的吞吐量需求，则拒绝该用户接入lte
‑
u系统。lte
‑
u新用户载波选择的主要步骤如下：
[0027]
a)在为一个lte
‑
u新用户选择载波时，先获取该用户的吞吐量需求
[0028]
b)计算每个cc
i
当前能够为新用户提供的最大吞吐量
[0029]
c)将所有n个载波根据降序排列，即
[0030]
d)将载波选择数量c的初始值设置为1。若前c个载波能够满足该用户的吞吐量需求，即该用户完成载波选择；否则，依次增加载波选择的数量c，直到前c个载波能够满足该用户的吞吐量需求。若前m个载波无法满足新用户的吞吐量需求，则拒绝该用户接入lte
‑
u系统。
[0031]
有益效果
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033]
1)本发明考虑到实际场景中用户吞吐量需求的差异性和非授权频段上信道质量的不稳定性，lte
‑
u基站不限于在单个频带内调度时频资源，而是通过采用载波聚合(carrier aggregation,ca)技术，使用户可以同时使用非授权频段的多个正交成分载波，以满足用户对吞吐量的特定需求，符合实际工程应用中的需求。
[0034]
2)本发明提供的一种面向吞吐量需求的lte
‑
u系统成分载波选择方法，在保障lte
‑
u和wifi共存公平性以及网络中现有lte
‑
u用户吞吐量需求的条件下，根据lte
‑
u新用户的吞吐量需求为其选择一个或者多个合适的载波，有效地提升了共存网络的lte
‑
u用户满意度。
附图说明
[0035]
图1
‑
面向吞吐量需求的lte
‑
u系统成分载波选择方法流程示意图
[0036]
图2
‑
基于融合网络架构的lte
‑
u和wifi共存网络场景示意图
[0037]
图3
‑
lte
‑
u用户载波选择步骤流程示意图
具体实施方式
[0038]
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。本发明提供一种面向吞吐量需求的lte
‑
u系统成分载波选择方法，如图1所示，按如下步骤实施：
[0039]
(1)初始化下一csat周期开始时共存网络用户信息：假设第t个csat周期开始时共存网络中第i个载波上需要服务的wifi用户和lte
‑
u用户数分别为和由于在该周期内共存网络中会有wifi用户和lte
‑
u用户动态地到达或离去，第t 1个csat周期开始时第i个载波上的用户数和分别会有相应的增加或减少。为了确定和首先设置：然后随着用户的到达或离去，对和进行增减。
[0040]
本发明方法针对由单个lte
‑
u子系统和多个wifi子系统组成的一个非授权频段共存网络，如图2所示。在此共存网络中，lte
‑
u子系统由一个基站bs和若干均匀分布的用户ue组成，各lte
‑
u用户具有特定的吞吐量需求。每个wifi子系统由一个ap和若干均匀分布的用户sta组成。假设非授权频段共有n个正交的成分载波(component carrier，cc)，分别表示为cc1,cc2,
…
,cc
n
。每个cc可以被lte
‑
u系统和一个wifi系统所共享。每个wifi ap使用一个载波。为了避免由于地理位置邻近而造成的严重同频干扰，进一步假设不同的wifi ap使用不同的载波，从而可以忽略不同wifi ap之间的相互干扰。lte
‑
u bs可以使用所有n个载波为lte
‑
u用户提供服务。lte
‑
u系统下行传输采用基站集中调度的ofdma信道接入机制为用户分配时频资源；wifi系统采用802.11n基于竞争的csma/ca信道接入机制，用户以竞争的方式接入信道。每一个载波上均采用基于时分复用的f
‑
csat机制协调两个系统的共存。
[0041]
本发明方法采用基于网络虚拟化技术的lte
‑
u系统与wifi系统融合网络架构，将lte
‑
u系统与wifi系统中的物理实体lte
‑
u bs和wifi ap分别虚拟化为对应的虚拟化网络实体vbs(virtual bs)和vap(virtual ap)，通过软件定义网络(software defined network，sdn)技术对虚拟实体进行管理。lte
‑
u bs虚拟实体(vbs)和wifi ap虚拟实体(vap)由一个sdn控制器统一控制，从lte
‑
u bs和wifi ap物理实体接收无线接入网侧的负载强度、用户吞吐量需求和信道状态等信息。lte
‑
u bs可以使用n个载波为lte
‑
u用户提供服务，且lte
‑
u用户具有特定的吞吐量需求。虚拟实体之间互通所接收到的信息，据此为lte
‑
u用户选择合适的载波，以满足lte
‑
u用户的吞吐量需求。
[0042]
(2)在第t个csat周期内，根据共存网络中用户的动态到达或离去，更新载波上的用户信息：
[0043]
第t个csat周期开始时，共存网络中第i个载波上需要服务的wifi用户和lte
‑
u用户数分别为和首先设置：
[0044]
在第t个csat周期内，当一个用户完成传输完成后离开共存网络时，若该用户是wifi用户，则将该用户移出所使用的cc
i
上的wifi用户组，即：在第t 1个csat周期不再占用cc
i
；若该用户是lte
‑
u用户，则对于该用户所使用的载波集合中的每一个cc
i
，将该用户移出cc
i
上的lte
‑
u用户组，即：u用户组，即：在第t 1个csat周期不再占用集合中的载波。
[0045]
在第t个csat周期内，当一个新用户到达共存网络时，若该用户是wifi用户，则首
先获取该用户关联的ap，然后将该用户加入到其关联ap所使用的cc
i
上的wifi用户组，即：从第t 1个周期开始竞争接入信道。若该用户是lte
‑
u用户，则不立即为其选择和分配载波，而是等到该周期结束前再进行载波选择。
[0046]
(3)在第t个csat周期结束前，为该周期内到达的所有lte
‑
u新用户选择合适的载波：
[0047]
第t个csat周期结束前，第i个载波上的wifi用户和lte
‑
u用户数相对于该周期开始时会发生变化，此时可以认为第t 1个csat周期开始时第i个载波上需要服务的wifi用户数已经确定，而第i个载波上需要服务的lte
‑
u用户数则要根据载波选择的结果才能确定。在进行载波选择时，根据lte
‑
u新用户到达的时间顺序，依次为该周期内到达的所有n
l
(t)个lte
‑
u新用户选择和分配合适的载波。
[0048]
假设在为一个lte
‑
u新到达用户进行载波选择时，第i个载波上已分配有个lte
‑
u用户，且第i个载波上的第k个lte
‑
u用户的吞吐量需求为则第i个载波上lte
‑
u用户当前的吞吐量总需求为：
[0049][0050]
假设该新lte
‑
u用户的吞吐量需求为则无论为该用户选择哪个(些)载波，所选择的载波应该满足其吞吐量需求，同时必须保障所选择的载波上已分配lte
‑
u用户的吞吐量总需求。如果新lte
‑
u用户被分配到第i个成分载波上，该载波当前能够为新用户提供的最大吞吐量为：
[0051][0052]
其中r(n)表示有n个用户的wifi系统独自占用第i个载波时能够获得的系统吞吐量，表示lte
‑
u系统独自占用第i个成分载波时能够获得的系统吞吐量，表示在为新lte
‑
u用户进行载波选择时第i个载波上lte
‑
u off占空比的临时值。因为只有当所有的lte
‑
u用户完成载波选择时，第t 1个周期每个载波上的用户分配情况和lte
‑
uoff占空比才能确定，这个临时的值仅与当前已完成的载波选择结果有关。在wifi用户数确定的情况下，如果之后还有其他lte
‑
u用户选择第i个载波，lte
‑
u on占空比会随着lte
‑
u用户的增加而增大，因此能够保障已完成载波选择的lte
‑
u用户的吞吐量需求，即后面用户的载波选择不会影响前面用户的载波选择的结果。
[0053]
在上述假设和分析情况下，本发明所考虑的成分载波选择问题就是在保障lte
‑
u系统和wifi系统共存公平性以及网络中现有lte
‑
u用户吞吐量需求的条件下，在第t个csat周期结束时，为该周期内到达的每一个lte
‑
u用户选择最小数量的一组成分载波i*，以满足用户的吞吐量需求，即：
[0054]
优化目标：
[0055]
约束条件：其中i*
表示为lte
‑
u新用户选择的一组成分载波，c表示为lte
‑
u新用户选择的载波的数量，m表示载波选择数量的上限(c≤m)；式(4)表示任意c
‑
1个载波无法满足新用户的吞吐量需求而存在c个载波能够满足新用户的吞吐量需求。若任意m个载波都无法满足新用户的吞吐量需求，将拒绝该用户接入网络。
[0056]
在为lte
‑
u新用户选择载波时，首先判断是否存在单个载波能够满足新用户的吞吐量需求。若存在，则在所有能够满足需求的单个载波中选取能够为lte
‑
u新用户提供最大吞吐量的载波i
*
；若任意单个载波均不能满足新用户的吞吐量需求，则依次增加载波选择的数量c，直到任意c
‑
1个载波无法满足新用户的吞吐量需求而存在c个载波能够满足新用户的吞吐量需求。若存在多组c个载波能够满足需求，则在其中选取能够为lte
‑
u新用户提供最大总吞吐量的一组c个载波i
*
；若任意m个载波均无法满足新用户的吞吐量需求，则拒绝该用户接入lte
‑
u系统。lte
‑
u新用户载波选择的主要步骤如图3所示，描述如下：
[0057]
a)在为一个lte
‑
u新用户选择载波时，先获取该用户的吞吐量需求
[0058]
b)计算每个cc
i
当前能够为新用户提供的最大吞吐量
[0059]
c)将所有n个载波根据降序排列，即
[0060]
d)将载波选择数量c的初始值设置为1。若前c个载波能够满足该用户的吞吐量需求，即该用户的载波选择结束；否则，依次增加载波选择的数量c，直到前c个载波能够满足该用户的吞吐量需求。若前m个载波无法满足新用户的吞吐量需求，则拒绝该用户接入lte
‑
u系统。