协同多点传输系统基于服务质量的下行传输频率规划方法

摘要

一种协同多点传输CoMP系统基于服务质量的下行传输频率规划方法，是基站根据来自用户终端的测试数据，区分其订购的业务类型进行频率规划；还根据所获取的临近小区的基站信息，根据探测信号的接收功率选择参与协同传输的小区集合；在分配子载波时，基站先设置信号传输的时延极限，再对信号的传输时延与时延极限进行比较，区分实时性用户和非实时性用户；然后，按照比例公平原则分配子载波，并接受用户终端的反馈：先按照用户的QoS优先级顺序让实时性业务用户终端获取传输质量好的子载波；接着，将剩余子载波分配给非实时性业务用户终端。本发明既解决了用户对带宽、时延的不同需求，还减少临近小区用户间的干扰，又提高了边缘小区用户性能。

权利要求

1.一种协同多点传输CoMP系统基于服务质量的下行传输频率规划方法，其特征在于：

基站根据来自用户终端的测试数据，区分其订购的业务类型进行频率规划；还根据所获取的临近小区的基站信息，根据探测信号的接收功率选择参与协同传输的小区集合；在分配子载波时，基站先设置信号传输的时延极限，再对信号的传输时延与时延极限进行比较，区分实时性用户和非实时性用户；然后，按照比例公平原则分配子载波，并接受用户终端的反馈：先按照用户的QoS优先级顺序让实时性业务用户终端获取传输质量好的子载波；接着，将剩余子载波分配给非实时性业务用户终端；再将剩余的子载波自主调度给未满足需求的用户终端；所述方法包括下列操作步骤：（1）系统初始化：基站设置用户终端的变量和对子载波集合执行初始化赋值；再根据预设的信干噪比门限SINR，将用户终端区分为：SINR大于门限值的中心用户和SINR小于门限值的边缘用户；

（2）选择协同小区：基站根据临近小区的测试报告数据获得参考信号接收功率RSRP，从所有候选小区中选择传输质量最好的小区参与协同传输；

（3）执行频率规划：基站先将系统的全部频带资源划分成两部分：预先分配的基本频率资源和自由调度的剩余频率资源，再将基本频率资源划分为中心频带和协同传输CoMP频带，CoMP频带又被划分为分别用于不同小区的三部份，再根据负载比例大小划分小区频带；当基本频率资源被分配完后、仍有用户无法满足接收需求时，基站就自主地调用剩余频率资源的子载波分配给未满足需求的用户终端；且在调度子载波时，基站针对用户的不同业务需求，基于QoS指标实现不同业务的优先级调度；该步骤包括下列操作内容：（31）基站将传输质量好的基本频率资源的子载波调度给实时性业务的用户终端使用，这些用户终端则是按照时延优先级顺序获取子载波；

（32）在对实时性业务的用户终端分配基本频率资源的子载波后，基站将其中剩余子载波用于非实时性业务用户终端；在分配这些剩余子载波时，基站充分考虑非实时性业务用户的公平性，为公平因子高的用户终端优先分配频率资源：根据用户当前瞬时信道的吞吐量与设定的以往时间吞吐量的平均值进行比较，得出调度的优先级顺序，再根据不同用户的优先级顺序调度子载波；

（33）如果基本频率资源已经分配完，还不能满足所有用户的需求时，基站就将剩余频率资源自由调度给未满足需求的用户终端。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法在执行基于QoS指标的频率规划时，基站为减少其传输信号对邻区用户的干扰，采用有限的闭环功率控制的传输技术。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述参与CoMP协同传输的小区数量和用户数都要根据实际情况进行实时更新，且不限定为某个特定结构。

说明书

协同多点传输系统基于服务质量的下行传输频率规划方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种在第三代移动通信伙伴关系项目3GPP（The3rd Generation Partnership Project）Release9中，关于协同多点传输CoMP系统基于服务质量的下行传输频率规划方法，属于移动通信技术领域。

背景技术

[0002] 协同多点传输CoMP（Coordinated Multipoint Transmission/Reception）技术是3GPP R9定义的小区基站之间的协同传输功能；它是利用光纤连接的天线站点互相协同一起为用户提供服务，因相邻的几个天线站点或节点同时为一个用户服务，从而提高边缘用户的数据速率。

[0003] 基站为用户终端提供信息服务需要提供服务质量QoS保障。无线通信的发展趋势也要求无线系统的基站要为不同业务分别提供不同质量等级的服务。而且，未来的LTE-A系统的首要目标就是满足用户的服务质量要求。

[0004] 在3G LTE-Advanced系统中，采用协作多点传输技术可以同时联合多个小区基站来覆盖相邻小区的结合部分，通过多个基站的协同传输，提高接收数据的准确性，以此提高小区边缘的传输性能。随着技术发展，LTE-A系统提供了许多新业务，所以为具有不同的带宽需求、时延保障和QoS等级的各类用户终端的各种不同业务如何合理地分配频率，在满足不同终端的业务需求的同时，还要能够提高系统吞吐量和频谱利用率，减少临近小区之间的干扰等都是值得研究的课题。

[0005] 然而，目前在3GPP长期演进架构的协同多点CoMP技术中，有关频率规划的效果并不明显，并且对于QoS的频率规划方案也没有提出具体的方法；为此，业内科技人员对相关问题进行了开发研究。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种协同多点传输CoMP系统基于服务质量的下行传输频率规划方法，用于解决具有不同的带宽需求、时延保障和业务需求的各类用户终端的需求，以减少临近小区用户间的干扰，改善位于小区边缘地区的用户通信质量，以及有效提高小区边缘吞吐量和频谱效率。

[0007] 为了达到上述发明目的，本发明提供了一种协同多点传输CoMP系统基于服务质量的下行传输频率规划方法，其特征在于：基站根据来自用户终端的测试数据，区分其订购的业务类型进行频率规划；还根据所获取的临近小区的基站信息，根据探测信号的接收功率选择参与协同传输的小区集合；在分配子载波时，基站先设置信号传输的时延极限，再对信号的传输时延与时延极限进行比较，区分实时性用户和非实时性用户；然后，按照比例公平原则分配子载波，并接受用户终端的反馈：先按照用户的QoS优先级顺序让实时性业务用户终端获取传输质量好的子载波；接着，将剩余子载波分配给非实时性业务用户终端；再将剩余的子载波自主调度给未满足需求的用户终端；所述方法包括下列操作步骤：

[0008] （1）系统初始化：基站设置用户终端的变量和对子载波集合执行初始化赋值；再根据预设的信干噪比门限SINR，将用户终端区分为：SINR大于门限值的中心用户和SINR小于门限值的边缘用户；

[0009] （2）选择协同小区：基站根据临近小区的测试报告数据获得参考信号接收功率RSRP，从所有候选小区中选择传输质量最好的小区参与协同传输；

[0010] （3）执行频率规划：基站先将系统的全部频带资源划分成两部分：预先分配的基本频率资源和自由调度的剩余频率资源，再将基本频率资源划分为中心频带和协同传输CoMP频带，CoMP频带又被划分为分别用于不同小区的三部份，再根据负载比例大小划分小区频带；当基本频率资源被分配完后、仍有用户无法满足接收需求时，基站就自主地调用剩余频率资源的子载波分配给未满足需求的用户终端；且在调度子载波时，基站针对用户的不同业务需求，基于QoS指标实现不同业务的优先级调度；该步骤包括下列操作内容：

[0011] （31）基站将传输质量好的基本频率资源的子载波调度给实时性业务的用户终端使用，这些用户终端则是按照时延优先级顺序获取子载波；

[0012] （32）在对实时性业务的用户终端分配基本频率资源的子载波后，基站将其中剩余子载波用于非实时性业务用户终端；在分配这些剩余子载波时，基站充分考虑非实时性业务用户的公平性，为公平因子高的用户终端优先分配频率资源：根据用户当前瞬时信道的吞吐量与设定的以往时间吞吐量的平均值进行比较，得出调度的优先级顺序，再根据不同用户的优先级顺序调度子载波；

[0013] （33）如果基本频率资源已经分配完，还不能满足所有用户的需求时，基站就将剩余频率资源自由调度给未满足需求的用户终端

[0014] 所述方法在执行基于QoS指标的频率规划时，基站为减少其传输信号对邻区用户的干扰，采用有限的闭环功率控制的传输技术。

[0015] 所述参与CoMP协同传输的小区数量和用户数都要根据实际情况进行实时更新，且不限定为某个特定结构。

[0016] 本发明是基于3GPP LTE长期演进架构下协同多点传输CoMP系统基于服务质量的下行传输频率规划方法，其创新技术特点是：通过协同小区基站之间的信息交互（包括负载的分布、负载的信道状态信息等），选择最优的基站作为协同小区来传输信号；为减少临近小区之间的同频干扰，采取合理的频率规划方案。另外，基于用户终端的业务质量要求QoS、充分考虑不同用户终端的不同业务需求，设置调度的优先级顺序和比例公平原则，并以此调度频率资源，充分保证用户终端的接收质量，还采用功率控制有效降低干扰，提高边缘CoMP用户的接收性能，减小了开支损耗。因此，本发明方法推广应用前景看好。

附图说明

[0017] 图1是未对频率实现规划的传统CoMP协同多点传输系统的用户接收信号的干扰示意图。

[0018] 图2是本发明协同多点传输CoMP系统基于服务质量的下行传输频率规划方法操作流程图。

[0019] 图3是本发明实施例的蜂窝小区频率资源的复用和小区规划示意图。

[0020] 图4是本发明实施例的系统频带资源的划分示意图。

[0021] 图5是本发明实施例的子载波采用功率控制的示意图。

[0022] 图6是本发明实施例的系统用户平均吞吐量随用户到基站平均距离增大而变化的性能仿真结果图。

[0023] 图7是本发明实施例的系统中的平均频谱效率随着实时性业务数的增多的变化的性能仿真结果图。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

[0025] 需要说明的是，本发明的业务质量QoS要求包含用户的传输时延、吞吐量等，且每个小区基站都位于该小区中心，但是，CoMP蜂窝系统包括的小区数量和用户数量，则都是根据实际情况进行实时更新的，不限定为某个特定结构。

[0026] 本发明是协同多点传输CoMP基于服务质量QoS的下行传输频率规划方法：基站根据来自用户终端的测试数据，区分其订购的业务类型进行频率规划；还根据所获取的临近小区的基站信息，根据探测信号的接收功率选择参与协同传输的小区集合；在分配子载波时，基站先设置信号传输的时延极限，再对信号的传输时延与时延极限进行比较，区分实时性用户和非实时性用户；然后，按照比例公平原则分配子载波，并接受用户终端的反馈：先按照用户的QoS优先级顺序让实时性业务用户终端获取传输质量好的子载波；接着，将剩余子载波分配给非实时性业务用户终端；再将剩余的子载波自主调度给未满足需求的用户终端。该方法的具体操作步骤如下：

[0027] 步骤1，系统初始化：基站设置用户终端的变量和对子载波集合执行初始化赋值；再根据预设的信干噪比门限SINR，将用户终端区分为：SINR大于门限值的中心用户和SINR小于门限值的边缘用户。

[0028] 步骤2，选择协同小区：基站根据临近小区的测试数据获得参考信号接收功率RSRP，从所有候选小区中选择传输质量最好的小区参与协同传输的基站集合。

[0029] 步骤3，执行频率规划：基站先将系统的全部频带资源划分成两部分：预先分配的基本频率资源和自由调度的剩余频率资源，再将基本频率资源划分为中心频带和协同传输CoMP频带，CoMP频带又被划分为分别用于不同小区的三部份，再根据负载比例大小划分小区频带；当基本频率资源被分配完后、仍有用户无法满足接收需求时，基站就自主地调用剩余频率资源的子载波分配给未满足需求的用户终端；且在调度子载波时，基站针对用户的不同业务需求，基于QoS指标实现不同业务的优先级调度。该步骤包括下列操作内容：

[0030] （31）基站将传输质量好的基本频率资源的子载波调度给实时性业务的用户终端使用，这些用户终端则是按照时延优先级顺序获取子载波；

[0031] （32）在对实时性业务的用户终端分配基本频率资源的子载波后，基站将其中剩余子载波用于非实时性业务用户终端；在分配这些剩余子载波时，基站充分考虑非实时性业务用户的公平性，为公平因子高的用户终端优先分配频率资源：根据用户当前瞬时信道的吞吐量与设定的以往时间吞吐量的平均值进行比较，得出调度的优先级顺序，再根据不同用户的优先级顺序调度子载波；

[0032] （33）如果基本频率资源已经分配完，还不能满足所有用户的需求时，基站就将剩余频率资源自由调度给未满足需求的用户终端。

[0033] 另外，本发明基站在执行基于QoS指标的频率规划时，为减少其传输信号对邻区用户的干扰，采用有限的闭环功率控制的传输技术。

[0034] 本发明方法已经进行了多次实施试验，下面具体介绍该实施例的情况。

[0035] 先介绍该实施例设置的仿真参数情况：

[0036]仿真参数 数值
模型 19个小区3个扇区的六边形模型
带宽 2Mhz
子载波频率 2Ghz
小区半径 500m
最大时延 0.5ms
子载波数 128
基站传输功率 43dBm
阴影衰落标准差 8dB
穿透损耗 20dB
衰落信道 瑞利衰落
用户数 每个小区均匀分散10个用户
噪声功率 -174dBm/Hz
基站天线高度 25m
用户端天线高度 1.5m
用户端天线类型（增益） 全方位天线（0dB）
基站天线类型（增益） 3扇区：AdB(θ)=-min[12(θ70°)2,25]
两个用户之间的距离 >35m
用户速率 3km/h

[0037] 参见图3，介绍该实施例中的蜂窝小区的频率资源的复用和小区规划架构：即图中所示的19个小区分为三个扇区。基站先测量用户终端UE的信息，即测试下行信道的信道质量指示CQI，其中的测量信息包括对QoS的各个参数的测量，基站中等待调度的负载量等。该过程还包含小区基站对其服务小区和临近小区进行的测试，根据参考信号接收功率RSRP来确定选择多点协同小区的标准，以便从所有候选小区中选择质量最好的小区进行协同。

[0038] 参见图4，介绍该实施例执行上述步骤3的频率规划的具体操作内容：

[0039] （1）将整个频带资源分成预先分配和自由调度的两大部分，即基本资源和自由资源（图中有阴影部分）。再将基本资源频带中分成小区中心（图中无色部分）和小区边缘（图中有斜线或直线部分）两部分。

[0040] （2）先为小区边缘分配预先设定的复用因子为3的基本资源频带，此时，对该基本资源频带的调度是按照设定算法进行的。如果小区边缘负载较少，就在所有边缘用户都满足频带资源使用后，将剩余资源分配给中心用户的SINR估计值较低的用户使用。

[0041] （3）如果复用因子为3的基本频带资源已经耗尽，而小区中心的频带资源还有剩余，就将该剩余的频带资源分配给边缘用户使用。但是，不同小区的边缘用户借用中心频带资源的时候，要尽量保证正交性。

[0042] 参见图5，介绍该实施例中的基于QoS实现的具体调度操作内容：

[0043] 当既有实时性业务又有非实时性业务时，优先调度实时性业务；即先区分用户业务，区分原则是设定时延的传输极限值，根据用户传输时延与该极限值的比较来划分业务。

[0044] 对于普通用户子载波的调度，采用比例公平的调度方法：充分考虑用户的公平性，将用户瞬时信道的吞吐量与设定的以往一段时间用户吞吐量的平均值进行比较，得出调度的优先级顺序。基站根据不同的用户业务的优先级顺序来调度子载波，保证了用户需求的公平性。

[0045] 参见图5，介绍该实施例对子载波采用功率控制的过程为：

[0046] 各个小区确定中心用户和边缘用户的子载波后，就应该确定各个子载波信道的传输功率，中心用户在使用中心频带的时候，采用降功率传输数据；边缘CoMP频带在使用扇区预先分配的频带时，则采用全功率传输数据。但在借用中心或其它扇区的频带资源时，又必须采用降功率，这样可以避免用户间的干扰。

[0047] 各小区使用不同频带的功率分配情况是：对于小区中心预先分配的基本频带资源，因这部分资源对于邻近小区是相互正交的，所以可以采用全功率传输。故小区中心的基本频带资源的传输功率设定为： 其中，Pc为小区中心的基本频带资源的传输功率，Nb为基本频带的子载波数， 为复用因子为3的子载波数， 为复用因子为1的子载波数；α为功率控制因子，P为基站的发射功率。

[0048] 在调度自由区域的剩余频带资源时，为了减少调度过程中的干扰，此部分的功率分配为： 其中，Ns为自由调度的剩余频带资源子载波数；最后，统计该实施例对用户吞吐量的改善情况。

[0049] 因为该实施例采用本发明CoMP系统下行的基于QoS的频率规划方法，能够很好地在满足用户终端业务需求的同时，还能提高系统的吞吐量和频谱利用率，减少临近小区之间的干扰。

[0050] 参见图6，介绍本发明实施例系统用户平均吞吐量随用户到小区1基站平均距离增大而变化的仿真性能。用户到小区1基站的平均距离的范围为0～500米。

[0051] 几种方案的平均吞吐量比较：

[0052] （1）随着用户距离小区基站越来越远，受路径损耗的影响越加严重，用户的平均吞吐量呈献下降的趋势。

[0053] （2）在没有采用CoMP协同传输技术的小区中，在距离基站400～500米左右的用户吞吐量的下降最明显。

[0054] （3）基于QoS的频率规划方案，在原有分配方案的基础上，充分考虑了用户的信道条件和用户的业务类型，在规划子载波时，还预留了自由调度分配的剩余资源。另外，还考虑用户业务的区别，首先调度实时性业务，然后按照用户的公平性为非实时性业务用户调度子载波。在资源分配过程中，调度子载波按照设定的优先顺序，避免了用户的干扰，因此用户吞吐量比传统的模型高。

[0055] 参见图7，介绍本发明实施例的系统与几种其他方案随着用户实时性业务比例的多少的平均频率效率的仿真情况。

[0056] （1）基站没有采用CoMP协同技术的用户，随着实时性业务用户数的增多，频谱效率没有太大变化，但是，整体的频谱利用率不高，因为频谱没有很好的复用，造成了资源的浪费。

[0057] （2）静态和动态的规划方案，虽然都采用了基站协同传输，但是因静态频率规划仅仅依靠SINR作为子载波的区分依据，用户使用子载波受到一定限制；而动态分配也没有考虑用户业务的不同，造成一部分用户达不到业务需求。

[0058] （3）基于QoS的动态分配方案中，频率资源规划是将频带资源分成两部分：预先分配和自由调度。在小区中分配预先分配部分后，对于不能满足需求的用户可以按照设定顺序调度自由区域的子载波，这样既减少资源浪费又能满足用户需求。从实时性用户数在小区中所占的比例，可以看出：基于QoS的动态分配方案预先将质量好的子载波分配给实时性用户，剩余子载波用于非实时用户，且后者的调度是按照比例公平原则进行的，这样既保证了实时性用户对于时延的要求，减少了同频小区干扰。因此，本发明方法的频谱利用率比较高。

[0059] 总之，本发明实施例的试验是成功的，实现了发明目的。

[0060] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。