CN109861803A - 蜂窝网络中无线资源管理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种蜂窝网络中无线资源管理方法，包括以下步骤：步骤1：初始化Z个RC三维资源块的基本参数，基本参数包括时隙、带宽、功率载波宽度以及RC三维资源块的分配矩阵C[：，m，n]，n≤Z；步骤2：将S个用户设备按信道增益信息的大小由小到大进行编号排序，生成用户序列；步骤3：按照用户序列的顺序将系统中的Z个RC三维资源块依次分配给相应的用户设备；步骤4：根据不同用户设备的QOS的要求，从功率轴顶层开始依次对每个RC三维资源块的功率进行调整。本发明无线资源管理方法在传统的时频资源块概念引入了功率域，并利用用户设备信道的增益信息，使时频资源块在同一个频段里可以被不同的用户设备同时高效利用。

Description

蜂窝网络中无线资源管理方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种蜂窝网络中无线资源管理方法和装置。

背景技术

随着移动设备的激增，频谱资源变得极度匮乏，但可用频段的频谱利用率却格外的低。因此，为利用不连续或邻近的频谱资源，频谱聚合技术成为了当代通信领域中的一个关键点。

传统的频谱聚合中的无线资源管理方法只利用RB(时频资源块)在时域和频域对资源进行调度利用，其结构不够灵活且计算复杂度高，而一些新的技术方案虽然意识到了这一缺点，却仍然在能效方面只达到了次优效果，并且无法有效的控制传输功率和无法达到QoS(服务质量)的要求。所以，在如此严峻的现实背景下，如何于无线资源管理中实现灵活、高效、计算复杂度低的资源分配成为了亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述出现的现有技术难题提供一种全新的蜂窝网络中的无线资源管理的方法和装置，并根据基础理论依据通过引入功率域的概念将现有的RB(时频资源块)拓展为RC(时域-频域-功率域三维资源块)，同时利用信道增益信息使传统的RB在相同的频段下可以被不同的用户设备同时引用，从而实现更优的资源分配和频谱利用，并具有较低的计算复杂度。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种蜂窝网络中无线资源管理方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化Z个RC三维资源块的基本参数，所述基本参数包括时隙f、带宽g以及RC三维资源块的分配矩阵C[l，m，n]，n≤Z；

步骤2：将S个用户设备按信道增益信息的大小由小到大进行编号排序，生成用户序列；

步骤3：按照所述用户序列的顺序将系统中的Z个RC三维资源块依次分配给相应的用户设备；

具体的，按照用户序列的顺序，依次将沿功率轴由低到高分布的Z个RC三维资源块分配给相应的用户设备，直到将Z个RC三维资源块分配完，即C[：，m，1]＝k₁， C[：，m，2]＝k₂,…C[：，m，n]＝k_n...；

步骤4：根据不同用户设备的QOS的要求，通过公式(1)从所述功率轴顶层开始依次对每个RC三维资源块的功率进行调整：

其中，A_i，m＝SⁱW_m；且σ表示系统噪声，h表示用户设备的信道增益值，r表示用户设备的数据传输速率，A_i，m表示系数矩阵；同时，存在着功率约束，各个RC三维资源块的功率之和远小于系统的总功率，即∑P^S＜P^max。

所述的蜂窝网络中无线资源管理方法，所述步骤1中初始化RC三维资源块的具体方法为：

假设功率分配系统的时域长度为T，总带宽为B，功率域长度为P，用户设备总个数为S，令L＝T/f，M＝B/g，N＝S，则系统大小为L×M×N；其中，L表示将时域划分的时隙个数，M表示将总带宽划分的频段个数，N表示将功率域划分的功率段个数；

则对于任意RC三维资源块，假设以矩阵C[l，m，n]来表示RC三维资源块的分配矩阵，初始化RC三维资源块即令C＝0，l＝m＝n＝1；其中，l表示第l个时隙，m表示第m个频段，n表示第n个功率段也表示第n个RC资源块，且1≤l≤L，1≤m≤M， 1≤n≤N。

所述的蜂窝网络中无线资源管理方法，所述步骤2中生成用户序列的具体方法为：将S个用户设备中信道增益信息最小的用户设备的用户序号设为1，用户信道增益信息次小的用户设备的用户序号设为2，以此类推，依次对功率分配系统中所有的用户设备进行排序，即满足其中k₁表示功率分配系统中信道增益信息最小的用户设备，k_S表示功率分配系统中信道增益信息最大的用户设备。

所述的蜂窝网络中无线资源管理方法，所述步骤4中根据公式(1)对RC三维资源块的功率进行调整的具体方法为：

步骤4.1：通过公式(2)计算所述用户序列中序号最大的用户设备k_S对应的RC三维资源块的功率P[m，k_S]；

其中，k_S表示用户序列中序号为S的用户设备，P[m，k_S]表示用户设备k_S调整后的功率，σ表示系统噪声，表示用户设备k_S的数据传输速率，表示用户设备k_S的信道增益值；

步骤4.2：通过公式(2)计算所述用户序列中序号次大的用户设备k_s-1对应的RC三维资源块的功率P[m，k_S-1]时；将用户设备k_S所对应的RC三维资源块的功率 P[m，k_S]作为噪声，则：

其中，k_S-1表示用户列中序号为S-1的用户设备，P[m，k_S-1]表示用户设备k_S-1调整后的功率，σ表示系统噪声，表示用户设备k_S-1的数据传输速率，表示用户设备k_S-1的信道增益值；

步骤4.3：通过公式(2)计算所述用户序列中序号为S-2的用户设备k_S-2对应的RC三维资源块的功率P[m，k_S-2]时，将用户设备k_S-1、k_S对应的RC三维资源块的调整后的功率P[m，k_S]、P[m，k_S-1]的和作为系统噪声，则：

以此类推，通过公式(2)对用户序列中序号较小的用户设备对应的RC三维资源块的功率进行调整时，将用户序列中序号高于该较小序号的用户设备所对应的RC三维资源块的功率之和作为噪声加入运算，即对于任意一用户设备k_S-i+1，其对应的RC三维资源块调整后的功率为P[m，k_S-i+1]：

其中，1≤i≤S。

同时，在功率域调整过程中存在着功率约束，各个RC三维资源块的功率之和远小于系统的总功率，即∑P^S＜＜P^max，若∑P^S＞P^max，则应该取消用户设备的资源分配。

此时存在两种方法：公平原则和不公平原则；

公平原则：按照先到先分配的方法，即在对序号较小的用户设备进行功率调整时发生功率溢出，则取消当前用户设备的资源分配。

不公平原则：在进行功率分配的过程中，若存在功率溢出，则取消信道衰落大的用户设备的分配。

一种蜂窝网络中无线资源管理装置，包括：

参数初始化模块：用于初始化RC三维资源块的基本参数；

信道增益排序模块：用于根据每个用户设备的信道增益值信息，对多个用户设备进行排序，生成用户序列；

资源块分配模块：用于按照所述用户序列的顺序将系统中多个RC三维资源块依次分配给多个用户设备；

功率域调整模块：用于根据不同用户设备QOS的具体要求，依次对对应的RC三维资源块的功率域进行调整。

所述的蜂窝网络中无线资源管理装置，所述参数初始化模块、信道增益排序模块、资源块分配模块、功率域调整模块可以分布在一个装置中，也可以分布于多个装置中。

本发明的有益效果：

本发明无线资源管理方法在传统的时频资源块(RB)的概念里引入了功率域，并利用用户设备信道的增益信息，使时频资源块在同一个频段里可以被不同的用户设备同时高效利用，并且提出的优化算法为凸函数，有较低的计算复杂度，满足了用户设备 QOS的基本要求，高度符合了现实需求。

本发明装置通过参数初始化装置初始化RC三维资源块的基本参数，通过信道增益排序模块对多个用户设备进行排序，通过资源块分配模块根据将多个RC三维资源块依次分配给多个用户设备，通过功率域调整模块对RC三维资源块的功率域进行调整，实现了对退化信道(Degraded channel)与叠加码(Superposition code)的利用，提高了频谱资源的利用效率，突破了现有技术的瓶颈。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的蜂窝网络中无线资源管理方法的流程图。

图2是本发明的蜂窝网络中无线资源管理装置的结构图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

本发明实施例针对上述出现的现有技术难题提供一种蜂窝网络中无线资源管理的方法和装置，并根据基础理论依据引入功率域以及利用用户设备的信道增益，使传统的时频资源块在相同的频段下可以被同时引用，从而实现更优的资源分配和频谱利用。

参见图1，为实施例提出了一种蜂窝网络中无线资源管理方法：

步骤1：初始化Z个RC三维资源块的基本参数，所述基本参数包括时隙f、带宽g、功率载波宽度以及RC三维资源块的分配矩阵C[l，m，n]，1＜n≤Z；

所述步骤1中初始化RC三维资源块的具体方法为：

假设功率分配系统的总帧长为T，总带宽为B，用户设备总个数为S，令L＝T/f，M＝B/g，N＝S，则系统大小为L×M×N；其中，L表示将时域划分的时隙个数，M表示将频域划分的频段个数，N表示将功率域划分的功率段个数；

则对于任意RC三维资源块，假设以矩阵C[l，m，n]来表示RC三维资源块的分配矩阵，初始化RC三维资源块即令C＝0，l＝m＝n＝1。

其中，RC三维资源块是将原有的时间-频率资源块RB的功率轴划分为相等的若干部分所形成的时域-频域-功率域三维资源块；在本实施例中，RC三维资源块的个数等于功率域划分的个数，即N＝Z，Z为大于0的整数；且在本实施例中，RC三维资源块的个数Z是根据功率分配系统中用户设备的个数为依据进行等分的，即Z＝S，S为大于0 的整数。

初始化RC三维资源块的基本参数包括帧长、带宽、功率载波宽度和资源块分配矩阵，其中，总帧长和总带宽已由功率分配系统确定。

下面以一个简单系统为例，对初始化RC三维资源块的基本参数的方法进行详细说明：

假设系统的总帧长为T，总带宽为B，用户设备总数为S。假设RC三维资源块的时隙为f，带宽为g，则令L＝T/f，M＝B/g，N＝S，并假设一个矩阵C[l，m，n]，1＜n≤Z来表示RC三维资源块的分配矩阵，则该系统的大小为L×M×N；

RC三维资源块初始化，即C[l，m，n]＝0，l＝m＝n＝1；RC三维资源块初始化的实质性含义为：该RC三维资源块处于空闲状态，没有被分配给任何用户设备使用。

上述的RC三维资源块的持续时间为t，表示每个RC三维资源块在时间轴上的长度；

步骤2：将S个用户设备按信道增益信息的大小由小到大进行编号排序，生成用户序列；

所述步骤2中生成用户序列的具体方法为：将S个用户设备中信道增益信息最小的用户设备的用户序号设为1，用户信道增益次小的用户设备的用户序号设为2，以此类推，依次对无线网络系统中所有的用户设备进行排序，即满足其中 k₁表示无线网络系统中信道增益信息最小的用户设备，k_S表示无线网络系统中信道增益信息最大的用户设备。

下面以一个简单系统为例，对用户设备退化信道的增益信息的排序方法进行详细说明。

假设现有三个用户设备，分别为k_a、k_b和k_c；三个用户设备的信道增益分别为h₁、h₂和h₃；

设h₁＝0.2，h₂＝0.3，h₃＝0.4，因为h₁＜h₂＜h₃，则令k_a＝k₁，k_b＝k₂，k_c＝k₃， k₁表示三个用户设备中信道增益最小的用户设备，k₃表示三个用户设备中信道增益最大的用户设备。

步骤3：按照所述用户序列的顺序将系统中的Z个RC三维资源块依次分配给相应的用户设备；

具体的，按照用户序列的顺序，依次将沿功率轴由低到高分布的Z个RC三维资源块分配给相应的用户设备，直到将Z个RC三维资源块分配完，即C[：，m，1]＝k₁， C[：，m，2]＝k₂,…C[：，m，3]＝k_n...；也即C[：，m，n]＝k_n表示将三维坐标中位置信息为 (：，m，n)的RC三维资源块分配给序号为n的用户设备。

下面以一个简单系统为例，对RC的分配方法进行详细说明。

假设现有三个用户设备，分别为k_a、k_b和k_c；三个用户设备的信道增益分别为h₁、 h₂和h₃；设h₁＝0.2，h₂＝0.3，h₃＝0.4，，因为h₁＜h₂＜h₃，则令k_a＝k₁，k_b＝k₂， k_c＝k₃；此时对功率轴进行三等分，并从功率轴底层开始先对用户设备k₁进行RC三维资源块的分配，其RC分配矩阵C为C[：，m，1]＝k₁，再给k₂分配RC，其用户设备的RC 分配矩阵C为C[：，m，2]＝k₂，接着给k₃分配RC，其用户设备的RC分配矩阵C为 C[：，m，3]＝k₃，此时RC三维资源块的分配步骤结束。

步骤4：根据不同用户设备的QOS的要求，通过公式(1)从所述功率轴顶层开始依次对每个RC三维资源块的功率进行调整：

其中，且σ表示系统噪声，h表示用户设备的信道增益值，r表示用户设备的数据传输速率，A_i，m＝SⁱW_m表示系数矩阵，具体表达式如下：

同时，存在着功率约束，各个RC三维资源块的功率之和远小于系统的总功率，即∑P^S＜＜P^max。若∑P^S＞P^max，则应该取消用户设备的资源分配。

此时存在两种方法：公平原则和不公平原则；

公平原则：按照先到先分配的方法，即在对序号较小的用户设备进行功率调整时发生功率溢出，则取消当前用户设备的资源分配。

不公平原则：在进行功率分配的过程中，若存在功率溢出，则取消信道衰落大的用户设备的分配。

具体的，所述步骤4中根据对每个RC三维资源块的功率进行调整的具体步骤为：

步骤4.1：通过公式(2)计算所述用户序列中序号最大的用户设备k_S对应的RC三维资源块的功率P[m，k_S]；

其中，k_S表示用户序列中序号为S的用户设备，P[m，k_S]表示用户设备k_S调整后的功率，σ表示系统噪声，表示用户设备k_S的数据传输速率，表示用户设备k_S的信道增益值；

步骤4.2：通过公式(2)计算所述用户序列中序号次大的用户设备k_S-1对应的RC三维资源块的功率P[m，k_S-1]时；将用户设备k_S所对应的RC三维资源块的功率 P[m，k_S]作为噪声，则：

其中，k_S-1表示用户列中序号为S-1的用户设备，P[m，k_S-1]表示用户设备k_S-1调整后的功率，σ表示系统噪声，表示用户设备k_S-1的数据传输速率，表示用户设备k_S-1的信道增益值；

步骤4.3：通过公式(2)计算所述用户序列中序号为S-2的用户设备k_S-2对应的RC三维资源块的功率P[m，k_S-2]时，将用户设备k_S-1、k_S对应的RC三维资源块的调整后的功率P[m，k_S]、P[m，k_S-1]的和作为系统噪声，则：

以此类推，通过公式(2)对用户序列中序号较小的用户设备对应的RC三维资源块的功率进行调整时，将用户序列中序号高于该较小序号的用户设备所对应的RC三维资源块的功率之和作为噪声加入运算，即对于任意一用户设备k_S-i+1，其对应的RC三维资源块调整后的功率为P[m，k_S-i+1]：

其中，1≤i≤S；

将上述公式(5)进行简化后得到公式(1)。

参见图2，基于上述管理方法，本实施例还提供一种蜂窝网络中无线资源管理装置，包括：

参数初始化模块：用于初始化RC三维资源块的基本参数；

信道增益排序模块：用于根据每个用户设备的信道增益值信息，对多个用户设备进行排序，生成用户序列；

资源块分配模块：用于按照所述用户序列的顺序将系统中多个RC三维资源块依次分配给多个用户设备；

功率域调整模块：用于根据不同用户设备QOS的具体要求，依次对对应的RC三维资源块的功率域进行调整。

上述的参数初始化模块、信道增益排序模块、资源块分配模块、功率域调整模块可以分布在一个装置中，也可以分布于多个装置中；

上述参数初始化模块、信道增益排序模块、资源块分配模块、功率域调整模块参数初始化模块、信道增益排序模块、资源块分配模块、功率域调整模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块；

上述多址接入系统上下行链路功率分配的装置可以作为一个单独的装置独立设置，也可以集成在基站和移动终端设备中。

本领域技术人员可以理解实施例中装置中的各个模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于实施例的一个或多个装置中。

上述蜂窝网络中无线资源管理装置可以作为一个单独的装置独立设置，也可以集成在基站和移动终端设备中。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种蜂窝网络中无线资源管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化Z个RC三维资源块的基本参数，所述基本参数包括时隙f、带宽g以及RC三维资源块的分配矩阵C[l，m，n]，1＜n≤Z；

步骤2：将S个用户设备按信道增益信息的大小由小到大进行编号排序，生成用户序列；

步骤3：按照所述用户序列的顺序将系统中的Z个RC三维资源块依次分配给相应的用户设备；

具体的，按照用户序列的顺序，依次将沿功率轴由低到高分布的Z个RC三维资源块分配给相应的用户设备，直到将Z个RC三维资源块分配完，即C[：，m，1]＝k₁，C[：，m，2]＝k₂，...C[：，m，n]＝k_n...；

步骤4：根据不同用户设备的QOS的要求，通过公式(1)从所述功率轴顶层开始依次对每个RC三维资源块的功率进行调整：

其中，且σ表示系统噪声，A_i，m表示系数矩阵；h表示用户设备的信道增益值，r表示用户设备的数据传输速率；同时，存在着功率约束，各个RC三维资源块的功率之和远小于系统的总功率，即∑P^S＜＜P^max。

2.根据权利要求1所述的蜂窝网络中无线资源管理方法，其特征在于，所述步骤1中初始化RC三维资源块的具体方法为：

假设功率分配系统的时域长度为T，总带宽为B，用户设备总个数为S，令L＝T/_f，M＝B/g，N＝S，则功率分配系统大小为L×M×N；其中，L表示将时域划分的时隙个数，M表示将总带宽划分的频段个数，N表示将功率域划分的功率段个数；

则对于任意RC三维资源块，假设以矩阵C[l，m，n]来表示RC三维资源块的分配矩阵，初始化RC三维资源块即令C＝0，l＝m＝n＝1。

3.根据权利要求2所述的蜂窝网络中无线资源管理方法，其特征在于，所述步骤2中生成用户序列的具体方法为：将S个用户设备中信道增益信息最小的用户设备的用户序号设为1，用户信道增益信息次小的用户设备的用户序号设为2，以此类推，依次对功率分配系统中所有的用户设备进行排序，即满足其中k₁表示功率分配系统中信道增益信息最小的用户设备，k_S表示功率分配系统中信道增益信息最大的用户设备。

4.根据权利要求3所述的蜂窝网络中无线资源管理方法，其特征在于，所述步骤4中根据公式(1)对RC三维资源块的功率进行调整的具体方法为：

步骤4.1：通过公式(2)计算所述用户序列中序号最大的用户设备k_S对应的RC三维资源块的功率P[m，k_S]；

其中，k_S表示用户序列中序号为S的用户设备，P[m，k_S]表示用户设备k_S调整后的功率，σ表示系统噪声，表示用户设备k_S的数据传输速率，表示用户设备k_S的信道增益值；

步骤4.2：通过公式(2)计算所述用户序列中序号次大的用户设备k_s-1对应的RC三维资源块的功率P[m，k_s-1]时，将用户设备k_S所对应的RC三维资源块的功率P[m，k_S]作为噪声，则：

其中，k_s-1表示用户列中序号为S-1的用户设备，P[m，k_s-1]表示用户设备k_s-1调整后的功率，σ表示系统噪声，表示用户设备k_s-1的数据传输速率，表示用户设备k_s-1的信道增益值；

步骤4.3：通过公式(2)计算所述用户序列中序号为S-2的用户设备k_s-2对应的RC三维资源块的功率P[m，k_s-2]时，将用户设备k_s-1、k_s对应的RC三维资源块的调整后的功率P[m，k_S]、P[m，k_s-1]的和作为系统噪声，则：

以此类推，通过公式(2)对用户序列中序号较小的用户设备对应的RC三维资源块的功率进行调整时，将用户序列中序号高于该较小序号的用户设备所对应的RC三维资源块的功率之和作为噪声加入运算，即对于任意一用户设备k_S-i+1，其对应的RC三维资源块调整后的功率为P[m，k_S-i+1]：

其中，1≤i≤S。

5.一种蜂窝网络中无线资源管理装置，其特征在于，包括：

参数初始化模块：用于初始化RC三维资源块的基本参数；

信道增益排序模块：用于根据每个用户设备的信道增益值信息，对多个用户设备进行排序，生成用户序列；

资源块分配模块：用于按照所述用户序列的顺序将系统中多个RC三维资源块依次分配给多个用户设备；

功率域调整模块：用于根据不同用户设备QOS的具体要求，依次对对应的RC三维资源块的功率域进行调整。

6.根据权利要求5所述的蜂窝网络中无线资源管理装置，其特征在于，所述参数初始化模块、信道增益排序模块、资源块分配模块、功率域调整模块可以分布在一个装置中，也可以分布于多个装置中。