用于向位于蜂窝网络的小区中的用户设备分配无线电资源块和/或功率的控制器

摘要

一种用于向蜂窝网络的小区中的用户设备分配无线电资源块的控制器，该控制器包括用于识别在第一基站的范围内的多个边缘用户设备的装置；用于从所述多个边缘用户设备中识别第一基站想要与其通信的第一边缘用户设备和目前在与相邻小区中的第二基站通信的第二边缘用户设备的装置；用于通过分派用于第一边缘用户设备与第一基站之间的通信的资源块来向第一边缘用户设备分配通信信道的装置，其中所述资源块是将为第一边缘用户设备提供最高传输速率的资源块，同时所述资源块不同于已经被分配为第二边缘用户设备与第二基站之间的通信的任何资源块。

说明书

技术领域

本文所述的实施例涉及用于向位于蜂窝网络的小区中的用户设备 分配无线电资源块的控制器。

背景技术

为了应对高数据速率的下一代无线服务，宏蜂窝小区通常被分割 成更小尺寸的小区，诸如微微小区和毫微微小区，这有助于增加频谱 利用率以及总系统容量。在此类系统中，相邻小区可以共享相同的无 线电频率，以便实现高频谱效率。但是，这会引起小区间干扰 (ICI)。

由于大量部署的小小区和它们重叠的覆盖区域，小区间干扰在未 来的小型基站场景中是特别严重的问题。在没有适当的资源分配方法 的情况下，小区边缘用户CEU(即，位于小区的地理覆盖区域的边缘 附近的那些用户)可能会经历来自相邻小区的严重干扰，从而显著降 低边缘用户吞吐量并且甚至造成用户断线。

之前用于克服ICI问题的方法主要集中在总容量的最大化，由此 在分配频谱资源时，具有高吞吐量的小区中心用户CCU(即，不位于 与另一小区的边界附近的用户)被给予更高的优先级。然而，需要考 虑用户公平性，以保证针对处于小区的边界的用户(CEU)的可靠服 务。

部分频率重用(FFR)是解决ICI问题的另一种技术。在FFR中， 为每一个相邻小区独立地预先确定为CEU和CCU分配的信道(子载波 或资源块)的数目。然后，每个小区向它们的小区边缘用户分派不同 的信道子集。在FFR中，为小区边缘用户保留这种专用信道的一部分， 以便实现良好的小区边缘性能。但是，这样做导致低频谱效率并且会 显著降低总的小区吞吐量，因为这些信道资源不能被相邻小区的小区 中心用户重用。另一方面，软频率重用(SFR)对CCU和CEU使用不 同的子载波功率电平，其中对CCU使用低功率并且对CEU使用高功率。 结果，SFR实现了比FFR高的频谱效率。

此外，已经提出了其它技术，诸如比例公平(PF)调度以最大化 总的小区吞吐量同时允许所有用户的至少最低水平服务。

虽然诸如PF、FFR和SFR的技术既考虑了用户公平性又考虑了总 计的用户吞吐量，但是所提出的算法中大部分都无法保证小区边缘用 户的吞吐量。还期望应当为给定的用户组最优地分配各个小区的每个 子载波的传输功率，其中在使用这些技术时情况不是这样。

因此需要提供用于在用户之间公平地分配无线电资源同时有助于 确保小区边缘用户的吞吐量的技术。

附图说明

图1A示出了在解释实施例中使用的蜂窝网络的例子；

图1B示出了列出对于图1A中所示用户设备中的每一个而言占主 导地位的下行链路相邻干扰小区(DDNIC)的表；

图2示出了适于实现实施例的算法的例子；

图3示出了在图2的实施例中实现的步骤的流程图；

图4示出了在第二实施例中实现的步骤的流程图；

图5A示出了根据第二实施例的蜂窝网络的例子，其中不同的功 率电平用于在位于小区中的一个小区中的基站与用户设备之间的传输；

图5B示出了图5A中所示的不同功率电平如何影响位于网络的相 邻小区中的设备的效用的例子；

图6示出了在第三实施例中实现的步骤的流程图；

图7示出了被用来仿真根据实施例的方法的性能的网络模型；

图8示出了当使用根据实施例的方法时系统吞吐量的仿真的结果；

图9A示出了当使用根据实施例的方法时平均小区吞吐量的仿真 的结果；

图9B示出了当使用根据实施例的方法时平均小区边缘用户吞吐 量的仿真的结果；

图10A示出了当使用根据实施例的方法时小区吞吐量的仿真的结 果；

图10B示出了当使用根据实施例的方法时小区边缘用户吞吐量的 仿真的结果。

具体实施方式

根据第一实施例，提供了向位于蜂窝网络的小区中的用户设备分 配无线电资源块的方法，该小区具有第一基站，该方法包括：

识别在第一基站的范围内的多个边缘用户设备，所述边缘用户设 备是位于小区的边缘区域的用户设备；

从所述多个边缘用户设备中，识别第一基站想要与其通信的第一 边缘用户设备和目前在与位于相邻小区中的第二基站通信的第二边缘 用户设备；

通过分派用于第一边缘用户设备与第一基站之间的通信的资源块， 向第一边缘用户设备分配通信信道，

其中被分派的资源块被选择作为将为第一边缘用户设备提供最高 传输速率的资源块被选择的，同时不同于已经被分配为第二边缘用户 设备与第二基站之间的通信的任何资源块。

在一些实施例中，第二边缘用户设备是在第一基站的范围内并且 目前在与位于相邻小区中的基站通信的多个识别出的第二边缘用户设 备当中的一个。被分派为第一边缘设备与第一基站之间的通信的资源 块可以被选择作为将为第一边缘用户设备提供最高传输速率的资源块， 同时不同于已经被分派为第二边缘用户设备与第二边缘用户设备目前 在与之通信的相应基站之间的通信的任何资源块。

在一些实施例中，第一边缘用户设备是在第一基站的范围内并且 第一基站想要与其通信的多个识别出的第一边缘用户设备当中的一个。 在此类实施例中，该方法可以包括：

通过分派用于每个第一边缘用户设备与第一基站之间的通信的相 应资源块，向第一边缘用户设备当中的每一个分配通信信道；

其中，对于第一边缘用户设备当中的每一个，所分派的资源块被 选择作为将为所讨论的用户设备提供最高传输速率的资源块，同时不 同于已经被分配为第二边缘用户设备与第二边缘用户设备目前在与之 通信的相应基站之间的通信的任何资源块。

在一些实施例中，第一边缘用户设备当中每一个依次被分派多个 资源块。在一些实施例中，对于每个第一用户设备，资源块被依次选 择，每个块被选择作为将为第一边缘用户设备提供最大传输速率增加 的资源块，同时不同于已经被分派为第二边缘用户设备与第二边缘用 户设备目前在与之通信的基站之间的通信的任何资源块。

在一些实施例中，第一设备当中每一个首先被分派相同最小数量 的资源块，其后，任何剩余的可用资源块都可以被分派给位于小区中 的将为小区产生最高净传输(nettransmission)的那些设备。

在一些实施例中，第二边缘用户设备被识别为从它们目前在与之 通信的相应基站接收到的功率与从第一基站接收到的功率之差低于预 定阈值电平的那些设备。

根据第二实施例，提供了减轻蜂窝网络中的用户设备所经历的干 扰的方法，该方法包括：

向该网络的小区中的第一用户设备分配通信信道，这是通过分派 用于用户设备与服务该小区的第一基站之间的通信的资源块进行的；

识别位于该小区的边缘区域中并且目前利用相同的资源块与位于 相邻小区中的第二基站通信的至少一个其它用户设备；及

调整第一用户设备与第一基站之间的传输的功率，以便减小由于 在所述至少一个其它用户设备处的所述传输所造成的干扰。

在一些实施例中，第一用户设备与第一基站之间的传输的功率通 过多个电平来变化。对于每个电平，可以确定性能标准，该性能标准 基于目前在第一基站的范围内的每个用户设备的传输速率。该方法可 以包括选择导致性能标准的最佳值的功率电平。

在一些实施例中，传输的功率从最大值向最小值增量式变化。在 每个功率电平处，性能标准可以至少部分地基于目前在第一基站的范 围内的每个用户设备的平均传输速率来确定。性能标准可以至少部分 地基于目前在第一基站的范围内的所有用户设备当中具有最低传输速 率的用户设备的传输速率来确定。性能标准可以包括目前在第一基站 的范围内的每个用户设备的平均传输速率和目前在第一基站的范围内 的所有用户设备当中具有最低传输速率的用户设备的传输速率的加权 和。

在一些实施例中，每个资源块是OFDM系统中的子载波。

根据第三实施例，提供了包括第一和第二实施例的步骤的方法。

根据第四实施例，提供了用于向位于蜂窝网络的小区中的用户设 备分配无线电资源块的控制器，该小区具有第一基站，该控制器包括：

用于识别在第一基站的范围内的多个边缘用户设备的装置，所述 边缘用户设备是位于小区的边缘区域的用户设备；

用于从所述多个边缘用户设备中识别第一基站想要与其通信的第 一边缘用户设备和目前在与位于相邻小区中的第二基站通信的第二边 缘用户设备的装置；

用于通过分派用于第一边缘用户设备与第一基站之间的通信的资 源块来向第一边缘用户设备分配通信信道的装置，

其中用于分配的装置被配置为选择将为第一边缘用户设备提供最 高传输速率的资源块，所述资源块同时不同于已经被分配为第二边缘 用户设备与第二基站之间的通信的任何资源块。

根据第五实施例，提供了用于控制蜂窝网络中基站与用户设备之 间的传输的功率的控制器，该控制器包括：

用于向位于该网络的小区中的第一用户设备分配通信信道的装置， 这是通过分派用于用户设备与服务该小区的第一基站之间的通信的资 源块进行的；

用于识别位于该小区的边缘区域中并且目前在利用相同的资源块 与位于相邻小区中的第二基站通信的至少一个其它用户设备的装置； 及

用于调整第一用户设备与第一基站之间的传输的功率，以便减小 由于在所述至少一个其它用户设备处的所述传输所造成的干扰的装置。

根据第六实施例，提供了具有第四和第五实施例两者的特征的控 制器。

根据第七实施例，提供了包括计算机可执行指令的非暂态计算机 可读存储介质，所述指令在被计算机执行时将使计算机实现根据第一、 第二或第三实施例当中任何一个的方法。

图1A示出了蜂窝网络的一部分，包括3个小区C₁、C₂和C₃，每 个小区由各自的基站BS₁、BS₂和BS₃服务。控制器1被用来协调从每 个小区的基站到位于该小区中的用户设备的传输。第一用户设备U₁^e位于小区C₁的边缘，并且被分配用于与该小区的基站BS₁通信的信道。 第二用户设备U₂^e位于第二小区C₂中，并且被分配用于与该小区的基 站BS₂通信的信道，而第三用户设备U₃^e位于小区C₃中，并且被分配 用于与基站BS₃通信的信道。

由于小区C₁和C₂之间的重叠，当基站BS₂以与为用户设备U₁^e和 小区C₁中的基站BS₁之间的通信而分配的频率相似的频率广播时，用 户设备U₁^e易于经历来自第二小区C₂的干扰。对于当第二基站BS₂使 用的频率与为第三用户设备U₃^e和小区C₃中的基站BS₃之间的通信而 分配的频率相似时,第三用户设备U₃^e同样将经历干扰。为了避免这种 经历，需要适当的资源分配机制。

本文所述的实施例通过向用户适当地分配无线电资源和/或通过 多信道系统中的自适应功率分配来设法减轻下行链路干扰。每个信道 可以是LTE或WiMAX系统中的资源块(RB)或者基于OFDM的系统中 的子载波。在下文中，术语“资源块”可以被理解为代表一个或多个 子载波的组或者信道。

现在将描述第一实施例，其中无线电资源以这样一种方式被分配 以减轻小区间干扰并且避免边缘用户断线，同时仍然提高下行链路用 户公平性。在这里，N个资源块RB向M个小区中的用户设备的分配 是通过M乘N的矩阵U来建模的。矩阵U中的每个元素代表小区中需 要被分派给用户设备的可用资源块。多个资源块RB可以被分派给同 一个用户设备UE。每个小小区被假设具有代表可用频谱的有限数量 的资源块(RB)，以及在小区的地理覆盖区域内随机分布的多个用户 设备(UE)。

本实施例提供了可以对矩阵U操作以便确定就用户公平性和平均 小区吞吐量两者而言被优化的资源分配的算法。由于小区边缘用户往 往具有低SINR并且更可能遭受来自相邻小区的干扰，所以使用边缘 用户优先的方案，由此，当分配资源块时，边缘用户(U^e)被给予比 中心用户(U^C)更高的优先级，以便实现更好的用户公平性。

在本实施例中，边缘用户设备是通过比较由设备从两个或更多个 相邻基站接收的信号功率来识别的。对易于经历来自相邻小区的干扰 的每个边缘用户i来说，以下条件将适用：

${\mathrm{Rp}}_i^i-{\mathrm{Rp}}_i^j<\gamma$(公式1)

在这里，是从设备的目前服务小区接收到的功率，是从 相邻小区j的基站接收到的功率，并且γ是预定义的阈值。(应当指 出，小区中心用户刚刚相反，)

而且，如果与之差小于预定义的阈值γ，则因此相邻小 区j对于用户i是占主导地位的下行链路相邻干扰小区(DDNIC)之 一(即，其中是对于所讨论的用户设备而言被确定为 DDNIC的小区组)。以上确定哪些相邻小区是DDNIC的方法在本文仅 仅是作为例子给出的；本领域技术人员将理解，除以上所述之外的其 它方法也可以被用来确定哪些小区是DDNIC，例如，通过确定在有或 没有来自给定相邻小区的干扰的情况下的用户的SINR。

在本实施例中，资源分配约束被用来保证最小数量的资源被分派 给每个用户，由此为每个用户提供最低水平的服务。该约束在公式2 中示出：

∑r_i≥σ(公式2)

其中r_i是被分派给第i个用户设备的资源块的数量，并且σ是将被 分派给每个用户的资源块的最小数量。σ的值如下获得：

(公式3)

在这里，τ是可以同等地被分派给所有边缘用户的可用资源块的总数， 而Ω_j是处于第j(j∈M)个小区的用户的总数。τ的值需要满足以下条 件：如果边缘用户位于另一个边缘用户的DDNIC中，则不同的资源或 子载波必须被分派给那些边缘用户。

在向每个用户分派等于σ的值的多个RB之后，剩余可用的RB (Nσ×Ω_j)被分配给具有相对高数据速率的那些中心用户，以 便提高总的小区吞吐量。

图1B示出了用于图1A中所示场景的DDNIC。在这里，小区C₂被 确定为边缘用户U₁^e和U₃^e的DDNIC，这两个用户都在基站BS₂的范围 内。同时，边缘用户U₂^e不具有DDNIC，因为它只在自己的服务基站 BS₂的范围内。

作为另一小区的DDNIC的小区应当避免在该另一个小区已经将资 源块分派给其自己的边缘用户的情况下将相同的资源块分派给边缘用 户。这可以通过参考图1A来理解。在这里，控制器1认识到小区C₂是小区C₁中的边缘用户U₁^e的DDNIC并且也是小区C₃中的边缘用户U₃^e的DDNIC。因此，当分配用于基站BS₂与用户设备U₂^e之间的通信的子 载波或资源块时，控制器1应当确保所分配的资源与已经为U₁^e和U₃^e与它们各自的基站BS₁和BS₃之间的通信所分配的资源不同。应当指 出，在图1所示的例子中，边缘用户U₁^e和U₃^e可以都被分配相同的资 源块，因为小区C₁不是U₃^e的DDNIC，并且小区C₃不是U₁^e的DDNIC。

适于实现本实施例的伪代码的例子在图2中的算法1中示出并且 在图3的流程图中概述。该方法通过识别哪些用户设备是边缘用户并 且哪些用户是中心用户来开始(步骤S31)。生成列出值组的矩 阵L^e。矩阵L^e中的每个值定义当向小区j中的边缘小区用户i 分派特定资源块k时该用户i的效用(utility)(即，当用户被分 配所讨论的资源块时该用户的可实现传输速率)。为小区中心用户生 成类似的矩阵L^C(步骤S32)。

在图2中算法1的行14，选择特定的边缘用户(步骤S33)并且 初始化用于该用户的矩阵L*，其中L*是对于所有N个资源块的用户 U_(i*,j*)的效用数组。同时，确定用于σ的值，其中σ是必须被分派给 每个用户的资源块的最小数量。

在算法的第18行，识别为所讨论的边缘用户U_(i*,j*)提供最高效 用的资源块k*。进行检查，以查看该边缘用户所在的小区j*是 否潜在地是任何其它小区的DDNIC，如果是这样，则查看资源块k*是 否已经在那些其它小区的任何一个当中被分派。如果没有(即， )，则资源块k*可以被分派给用户U_(i*,j*)。如果资源块k*确 实与已经由相邻小区分派的资源块k*冲突，则选择不与相邻小区冲 突的、具有次最高效用的资源块(步骤S34)。选定的效用值被从矩 阵L*中除去，并且σ的值减1。然后，该处理重复，直到所讨论的用 户U_(i*,j*)已经被分配等于σ的多个资源块(步骤S35)。其后，识别 新的边缘用户并且重复该处理，直到所有边缘用户都已经被分配σ个 资源块(步骤S36)。一旦每个边缘用户都已经被分配σ个资源块， 小区中心用户现在就以相似的方式被分配σ个资源块(步骤S37)。

一旦对每个中心用户都分配了σ个块，剩余的资源块(N-σ×Ω) 就分配给将提供最大总效用的那些用户(边缘用户或者中心用户) (步骤S38)。

当向小区中心用户分配资源块时(图3中的步骤S37)，不必确 保所分配的资源块与分派给相邻小区中的边缘用户的那些资源块正交。 这有两个原因。首先，可用资源块的数量将是有限的(N是有限数字) 并且可能不能为所有用户形成完全错开的RB分配。其次，如果中心 用户造成对边缘用户的干扰，则自适应功率控制可以被用来减轻这个 问题，如以下在第二实施例中所讨论的。

现在描述第二实施例，其中自适应功率控制方法被用来选择用于 小区中心用户的合适功率电平，以增加平均用户吞吐量。第二实施例 依赖于以下事实：与小区边缘用户相比，小区中心用户通常将具有高 得多的SINR。因此，可以选择减小的传输功率，这将为小区中心用 户提供足够好的数据传输，但是对边缘用户具有小得多的干扰。

在本实施例中，按资源块或子载波的自适应功率分配机制被用来 为小区中心用户提供优化的传输功率。提出了目标函数F，以选择具 有两个目的(即，实现高用户公平性和增加平均用户吞吐量)的合适 功率电平。目标函数F可以如下定义：

$F=\underset{\tilde{p}\in P}{max}(\alpha \times (\underset{j\in M}{min}{R}_{(i,j)}^{\tilde{p}})+\frac{\underset{j\in M}{\Sigma }{R}_{(i,j)}^{\tilde{p}}}{M})$(公式4)

其中是小区j中用户i通过使用功率电平的效用，并且P 是用于小区j的可用功率电平的总数。

在以上公式4中使用的第一项旨在增加在M个小区 中具有最低效用的用户的数据速率。第二项选择能够实现更高总平均 值的功率电平。由此，该自适应功率分配方法不仅考虑用户公平性而 且旨在提高总小区效用。常量α是加权参数。

在实践当中，功率分配方法的操作可以是基于K-步的，其中K 是系统可用的传输功率电平的总数。例如，在初始步骤中，基站可以 对其所有用户使用相同的传输功率。然后，在几个阶段当中的每一个 阶段，中心用户的传输功率可以减小一个电平。中心用户及其相邻的 边缘用户的对应用户效用(数据速率)被反馈到控制器，以便为目前 的功率电平计算F。然后，通过考虑哪个电平导致F的最高值来选择 最终的功率电平。

图4示出了用于实现根据第二实施例的方案的流程图。该过程通 过识别对小区边缘用户正造成干扰的小区中心用户CCU开始(步骤 S41)。接下来，基站用来向小区中心用户传输的功率减小一个增量 (步骤S42)。在这个时候，从每个设备收集小区反馈并输入到目标 函数F，以计算在所讨论的功率电平处的F的值(步骤S43)。然后， 该过程对K个功率电平当中每一个重复(步骤S44)，之后选择为目 标函数F提供最高值的功率电平(步骤S45)。然后，该过程对每个 剩余的小区中心用户重复。

图5示出了第二实施例在实践当中可以如何工作的简单例子。参 考图5A，小区C₂中的小区中心用户U₂^C被分配为与小区C₁中小区边缘 用户U₁^e和小区C₃中U₃^e相同的资源块。当U₂^C的下行链路传输功率减 小时，U₁^e和U₃^e的效用增加，因为它们经历更少来自小区C₂的基站的 干扰。如图5B的表中所示，功率电平3被最终选择为对F提供最好 的值，即，用户公平性与总小区吞吐量之间的最佳折中。(应当指出， 在该例中示出的效用数字仅仅是为了说明而选择的。)

因此，第二实施例的自适应功率分配方案使用合适的传输功率电 平来向小区中心用户传输，以便在用户公平性与总小区吞吐量之间实 现适当的平衡。

现在将描述结合第一和第二实施例的特征的第三实施例。这个实 施例的步骤在图6的流程图中示意性地示出。如可以看到的，初始步 骤S61-S67与第一实施例中使用的那些步骤相同。在这种情况下，一 旦资源块中每一个都已经被分派(步骤S67)，该方法就通过实现第 二实施例的步骤来继续，即，调整供给小区中心用户的功率，以便减 轻对边缘小区用户的干扰(步骤S68-S73)。

在第三实施例中，由小区中心用户造成的干扰是通过调整到这些 用户的传输的功率来减轻的。有见及此，确保小区中心用户被分配与 相邻小区中用户正交的资源就不是必需的；作为代替，传输的功率可 以被调整，使得这些传输的信号强度朝着小区的边缘是可忽略的并且 因此不对位于这些边缘附近的用户造成干扰。

系统评估被执行，以研究根据第三实施例的方法的性能。对于仿 真设置，利用19个宏小区来建模网络，如图7中所示。每个宏小区 具有3个扇区，站或宏基站BS之间的距离(ISD)是1732米。在每 个扇区中，有4个位于中心宏小区的小基站BS。每个小BS配备2个 传输天线。假设在每个小BS中有15个用户，每个用户配备2个接收 天线。假设MRCMIMO接收器。大约有20％-30％的小BS用户被假设为 小区边缘用户。

图8A示出了通过对加权参数α选择不同的值对系统吞吐量的影 响。与总吞吐量相比，较小的α的值对用户公平性有较小的重要性。 当α的值增加时，用户公平性变得比总吞吐量更重要，并且可以观察 到总小区吞吐量的减小。相反，参考图8B，当α的值增加时，用户 吞吐量曲线斜率变得更陡，这指示更高的用户公平性。

为了评估所提出的算法，比例公平(PF)算法、部分频率重用 (FFR)和软频率重用(SFR)被选为竞争对手。图9A和9B分别示出 了每种技术的平均小区吞吐量和平均小区边缘用户吞吐量。从图9A 可以看到，当加权参数α被设为0.1时，与0.5相比，所提出的算法 可以实现更高的总小区吞吐量。但是，所提出的算法比FFR表现得好 24.1％(α＝0.1)和17.6％(α＝0.5)，并且比SFR好10.7％(α ＝0.1)和5％(α＝0.5)。另一方面，当使用大的α值(0.5)时，就 平均小区边缘用户吞吐量而言，所提出的算法相对PF、FFR和SFR而 言也表现得最好，这可以从图9B看到。

图10A和10B分别就累积分布函数(CDF)示出了小区吞吐量和 用户吞吐量的系统性能。在这里，可以看到，与其它技术相比，本实 施例的方法提供了用户吞吐量的显著提高。而且，就用户公平性而言， 本实施例比PF表现得好得多，并且实现了与FFR和SFR相似的边缘 用户公平性。

因此，本文所述的实施例旨在向每个用户分派相等数量的资源块， 因此保证对所有用户的最低服务水平。对小区边缘用户应用协调的 RB分配，这能够减轻来自相邻小区的主要小区间干扰。与把增加总 小区吞吐量之和作为重点的之前的技术相比，实施例是有利的。

虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅仅是作为例子给 出的，并且不是要限制本发明的范围。实际上，本文所述的新颖方法、 设备和系统可以以各种形式体现；此外，在不背离本发明精神的情况 下，可以对本文所述方法和系统的形式作出各种省略、替换和改变。 所附权利要求及其等同物旨在覆盖将落入本发明的精神和范围的此类 形式或修改。