CN108322271B - 基于负载的以用户为中心的动态分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负载的以用户为中心的动态分簇方法，适用于采用多点协作传输的超密集网络。构造网络中的小基站对应的路径损耗图，对于每个用户，在路径损耗图中找出与该用户所在小小区的小基站相连的所有小基站，把这些小基站当做该用户的备选服务基站，用户根据参考信号估算备选服务基站到自身的信道衰落系数，并从备选服务基站中选出待选服务基站，每个用户将自身的待选服务基站组成的集合以及待选服务基站到自身的信道衰落系数通过其中的一个小基站发送给中心控制器，中心控制器根据接收到的信息以及每个用户的速率需求为每个用户选择服务基站簇。

Description

基于负载的以用户为中心的动态分簇方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是一种基于负载的以用户为中心的动态分簇方法。

背景技术

超密集网络(UDN,Ultra Dense Network)是下一代移动通信的关键技术之一。UDN中部署大量的低功率的小基站，能提升系统容量、增强室内覆盖、提高频谱利用率。由于小基站之间的距离很近，若它们采用相同的频段，则会存在严重的干扰，因此有效的干扰管理方法是研究的热点。

传统的干扰管理策略，如功率控制、基于信道质量的调度等，虽然能在一定程度上抑制小区内干扰，但仅在单个小区内进行干扰控制，不能与相邻小区进行数据的交互，对小区间干扰的处理能力十分有限。多点协作传输(CoMP,Coordinated Multiple Point)技术通过基站之间的数据交互能避免小区间干扰或将干扰链路转化为有用链路，能有效地消减干扰。

CoMP分为协作调度/协作波束赋形、动态节点选择和联合传输(JT,JointTransmission)。协作调度/协作波束赋形模式中，用户所在小区的基站为用户提供服务，用户的调度和预编码方案由多个基站联合确定。动态节点选择模式中，在多个基站中选择其中的一个为用户发送数据。JT模式中，多个基站共享用户数据，同时为用户发送数据，将干扰链路转化为有用链路。JT-CoMP中，基站之间要交换信道状态信息和用户数据，如果所有的小基站都相互协作，这需要太高的回程链路开销，若协作的基站较少，则不能提供足够的增益，因此协作簇的选择至关重要。

JT-CoMP中的分簇方法即为用户选择服务基站簇的方法分为三种：静态分簇、半动态分簇和动态分簇。静态分簇方法根据网络结构和基站地理位置，预先设计不随时间改变的固定协作簇，其优点是操作简单且运算量极低，缺点是没考虑到衰落信道的时变特性，可获得的协作增益有限。半动态分簇是静态分簇的一种改进，其协作增益高于静态分簇。动态分簇根据信道状态信息和用户位置的变化，周期性地进行分簇，能够获得更高的协作增益，但是这类分簇复杂度较高。动态分簇分为三类：以网络为中心的动态分簇、以用户为中心的动态分簇和混合分簇。在以网络为中心的动态分簇中，首先对基站进行分簇，每个基站簇包含多个基站，然后在用户所处的基站簇内为该用户选择合适的服务基站，这种分簇方法的复杂度相对较低，但是簇边缘用户会受到严重的簇间干扰。以用户为中心的动态分簇根据用户的信道状态信息在所有的小基站中为用户选择合适的服务基站簇，这种方法能获得较高的信干噪比和吞吐量，但是复杂度最高。混合分簇是以网络为中心的分簇和以用户为中心的分簇的结合，能随着网络状况的变化而做出调整，在复杂度和协作增益之间取得折衷。

文献“Load aware self-organising user-centric dynamic comp clusteringfor 5G networks”提出了一种基于负载的以用户为中心的动态分簇方法，该方法能显著减少因负载过高而未能满足速率要求的用户数量。该文献中提到：该方法是也可视为一种混合分簇，先进行以网络为中心的分簇，同一个宏基站覆盖范围内的小基站组成一个基站簇，然后在该基站簇内进行以用户为中心的分簇，为每个用户选择服务基站簇。然而，若用户处于宏基站覆盖范围的边界，则该宏基站覆盖范围内能为该用户服务的基站数量较少，并且相邻宏基站以及该宏基站覆盖范围内的且与该用户距离较近的小基站会对该用户造成严重的干扰。

发明内容

本发明提出了一种基于负载的以用户为中心的动态分簇方法，适用于采用多点协作传输的超密集网络。

实现本发明的技术思路是：构造网络中的小基站对应的路径损耗图，对于每个用户，在路径损耗图中找出与该用户所在小小区的小基站相连的所有小基站，把这些小基站当做该用户的备选服务基站，用户根据参考信号估算备选服务基站到自身的信道衰落系数，并从备选服务基站中选出待选服务基站，每个用户将自身的待选服务基站组成的集合以及待选服务基站到自身的信道衰落系数通过其中的一个小基站发送给中心控制器，中心控制器根据接收到的信息以及每个用户的速率需求为每个用户选择服务基站簇。

为了实现上述技术思路，本发明提出的基于负载的以用户为中心的动态分簇方法，适用于采用CoMP的超密集网络，包括如下步骤：

A，构造网络中的小基站对应的路径损耗图，该图中的节点对应小基站，边对应小基站之间的路径损耗，若小基站之间的路径损耗小于预先设置的损耗门限，则这两个小基站对应的节点之间有条边，若小基站之间的路径损耗大于预先设置的损耗门限，则这两个小基站对应的节点之间没有边；

B，对于第u个用户，在路径损耗图中找出与该用户所在小小区的小基站相连的所有小基站，将这些小基站放在集合Q_u中，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，Q_u中的小基站是第u个用户的备选服务基站；

C，每个小基站以相同的功率发送参考信号，第u个用户根据接收到的参考信号测量接收信号功率并且估算Q_u中的小基站到自身的信道衰落系数，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

D，第u个用户将步骤C测量得到的多个接收信号功率与预先设置的功率门限相比较，选出大于功率门限的若干个接收信号对应的小基站，并且按功率从大到小的顺序将它们对应的小基站依次放在集合P_u中，

P_u中的元素表示小基站，u_k是P_u中元素的总数，u_k不大于Q_u中元素的总数，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，P_u中的小基站是第u个用户的待选服务基站；

E，第u个用户将集合P_u以及步骤C估算得到的P_u中的每个小基站到自身的信道衰落系数发送给集合P_u中的第一个小基站BS_u,1，小基站BS_u,1将收到的这些信息发送给中心控制器；

F，中心控制器基于每个用户的速率需求、步骤E接收到的P_u和信道衰落系数为每个用户选择服务基站；

G，中心控制器根据N_u找到第j个小基站服务的用户集合V_j，并将V_j发送给第j个小基站，第j个小基站与集合V_j中的用户交互数据，j＝1,2,…,J，J是该网络中小基站的总数。

进一步，所述步骤F具体包括：

F1，用N_u表示第u个用户的服务基站簇，N_u为空集，令集合M为空集，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

F2，将小基站BS_u,1加入到第u个用户的服务基站簇N_u，中心控制器根据已知的信道衰落系数计算此时只有1个基站为第u个用户服务时该用户的速率r_u,1，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，r_u,1中的下标1表示只有1个基站为该用户服务，令i＝2，i是为第u个用户服务的基站的总数，i＝2表示在步骤F3中将考虑2个小基站为第u个用户服务时该用户的速率；

F3，用|P_u︱表示集合P_u的势，若|P_u︱≥i，中心控制器考虑将小基站BS_u,i当做第u个用户的服务基站，u＝1,2,…,U且u不在集合M中，U是该网络中用户的总数，中心控制器根据已知的信道衰落系数计算此时第u个用户的速率r_u,i，r_u,i中的下标i表示有i个基站为该用户服务，i＝1,2,…,u_k；

F4，比较r_u,i-1、r_u,i和d_u，d_u是第u个用户的最低速率需求，若r_u,i-1＞r_u,i，则不把小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u且将u放入集合M中，若d_u>r_u,i>r_u,i-1或r_u,i>d_u>r_u,i-1，则将小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u，若r_u,2>r_u,1>d_u，则不把小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u，令i＝i+1，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

F5，重复步骤F3和F4，直至i＞max{|P_u︱,u＝1,2,…,U且u不在集合M中}，U是该网络中用户的总数。

本发明中，对于每个用户，在路径损耗图中找出与该用户所在小小区的小基站相连的所有小基站，把这些小基站当做该用户的备选服务基站，这些小基站不局限于单个宏基站的覆盖范围内，也可能处于多个宏基站的覆盖范围内，只要是与用户之间信道质量较好的小基站都当做该用户的备选服务基站，克服了文献“Load aware self-organisinguser-centric dynamic comp clustering for 5G networks”中的不足。

附图说明

图1是本发明实施例的路径损耗图；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明为每个用户选择服务基站簇的流程图。

具体实施方式

下面给出本发明的一种实施例，对本发明做进一步详细的说明。考虑包含若干个小基站和多个用户的超密集网络，每个小小区中有一个小基站，小基站和用户都随机分布在该网络内。每个小基站通过回程链路与中心控制器相连。

中心控制器首先构造网络中的小基站对应的路径损耗图，如图1所示，该图中的节点对应小基站，边对应小基站之间的路径损耗，若小基站之间的路径损耗小于预先设置的损耗门限，则这两个小基站对应的节点之间有条边，若小基站之间的路径损耗大于预先设置的损耗门限，则这两个小基站对应的节点之间没有边。作为实施例，图1中有24个小基站，圆圈代表小基站，圆圈中的数字代表小基站的序号，用BS_j表示第j个小基站，j＝1,2,…,24。

对于第u个用户，若中心控制器从所有的小基站中为该用户选择服务基站，则需要已知每个小基站到该用户的信道衰落系数，这需要较高的回程链路，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数。若某个小基站与第u个用户的距离较远，在该小基站不可能成为第u个用户的服务基站的情况下，仍然向中心控制器发送该小基站到第u个用户的信道衰落系数，则会造成链路资源的浪费，没有换取任何增益，因此，没有必要将所有的小基站当做第u个用户的备选服务基站。用

表示第u个用户所在小小区的小基站，在路径损耗图中，若某些小基站与

相连，则这些小基站与

之间的路径损耗较小，信道质量较高，同理，这些小基站与第u个用户的信道质量也较高，因此，需要将这些小基站当做第u个用户的备选服务基站。若在路径损耗图中某个小基站与

不相连，则该小基站与

之间的路径损耗较大，该小基站与第u个用户的信道质量较差，没有必要将该小基站当做第u个用户的备选服务基站。

对于第u个用户，在路径损耗图中找出与该用户所在小小区的小基站相连的所有小基站，将这些小基站放在集合

中，

中的小基站是第u个用户的备选服务基站。

是第u个用户的备选服务基站组成的集合。当k_u的取值分别为1,2,…,24时，

如下所示。

Q₁＝{BS₂,BS₇,BS₈}

Q₂＝{BS₁,BS₃,BS₇,BS₁₀}

Q₃＝{BS₂,BS₄,BS₁₀}

Q₄＝{BS₃,BS₅,BS₆,BS₁₁}

Q₅＝{BS₄,BS₁₁,BS₁₂}

Q₆＝{BS₄,BS₁₀,BS₁₄}

Q₇＝{BS₁,BS₂,BS₈,BS₁₆}

Q₈＝{BS₁,BS₇,BS₉}

Q₉＝{BS₈,BS₁₆}

Q₁₀＝{BS₂,BS₃,BS₆,BS₁₄,BS₁₅,BS₁₇}

Q₁₁＝{BS₄,BS₅,BS₁₃,BS₁₄}

Q₁₂＝{BS₅,BS₁₃}

Q₁₃＝{BS₁₁,BS₁₂,BS₁₄,BS₁₈,BS₁₉}

Q₁₄＝{BS₆,BS₁₀,BS₁₁,BS₁₃,BS₁₇,BS₁₈,BS₂₁}

Q₁₅＝{BS₂,BS₁₀,BS₁₇,BS₁₆,BS₂₂}

Q₁₆＝{BS₇,BS₉,BS₁₅,BS₂₂}

Q₁₇＝{BS₁₀,BS₁₄,BS₁₅,BS₂₂,BS₂₄}

Q₁₈＝{BS₁₃,BS₁₄,BS₁₉,BS₂₀}

Q₁₉＝{BS₁₃,BS₁₈,BS₂₀}

Q₂₀＝{BS₁₈,BS₁₉,BS₂₁,BS₂₄}

Q₂₁＝{BS₁₄,BS₂₀,BS₂₄}

Q₂₂＝{BS₁₅,BS₁₆,BS₁₇,BS₂₃,BS₂₄}

Q₂₃＝{BS₂₂,BS₂₄}

Q₂₄＝{BS₁₇,BS₂₀,BS₂₁,BS₂₂,BS₂₃}

每个小基站以相同的功率发送参考信号，第u个用户根据接收到的参考信号测量接收信号功率并且估算

中的小基站到自身的信道衰落系数，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数。第u个用户将测量得到的多个接收信号功率与预先设置的功率门限相比较，选出大于功率门限的若干个接收信号对应的小基站，并且按功率从大到小的顺序将它们对应的小基站依次放在集合P_u中，

P_u中的元素表示小基站，u_k是P_u中元素的总数。集合P_u中的小基站与第u个用户的信道质量较好，是第u个用户的待选服务基站。

中心控制器为每个用户选择服务基站簇时，需要已知集合P_u以及集合P_u中的小基站到第u个用户的信道衰落系数。第u个用户将集合P_u以及估算得到的P_u中的每个小基站到自身的信道衰落系数发送给小基站BS_u,1，小基站BS_u,1将收到的这些信息发送给中心控制器。

中心控制器基于每个用户的速率需求、集合P_u和集合P_u中的小基站到第u个用户的信道衰落系数为每个用户选择服务基站簇，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，具体过程如下：

步骤1，用N_u表示第u个用户的服务基站簇，N_u为空集，令集合M为空集，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

步骤2，将小基站BS_u,1加入到第u个用户的服务基站簇N_u，中心控制器根据已知的信道衰落系数计算此时第u个用户的速率r_u,1，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，令i＝2；

步骤3，用|P_u︱表示集合P_u的势，若|P_u︱≥i，中心控制器考虑将小基站BS_u,i当做第u个用户的服务基站，u＝1,2,…,U且u不在集合M中，U是该网络中用户的总数，中心控制器根据已知的信道衰落系数计算此时第u个用户的速率r_u,i；

步骤4，比较r_u,i-1、r_u,i和d_u，d_u是第u个用户的最低速率需求，若r_u,i-1＞r_u,i，则不把小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u且将u放入集合M中，若d_u>r_u,i>r_u,i-1或r_u,i>d_u>r_u,i-1，则将小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u，若r_u,2>r_u,1>d_u，则不把小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u，令i＝i+1，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

步骤5，重复步骤F3和F4，直至i＞max{|P_u︱,u＝1,2,…,U且u不在集合M中}，U是该网络中用户的总数。

中心控制器根据N_u找到第j个小基站服务的用户集合V_j，并将V_j发送给第j个小基站，第j个小基站与集合V_j中的用户交互数据，j＝1,2,…,24。

结合本发明的流程图即图2，基于负载的以用户为中心的动态分簇方法的具体步骤如下：

A，构造网络中的小基站对应的路径损耗图，该图中的节点对应小基站，边对应小基站之间的路径损耗，若小基站之间的路径损耗小于预先设置的损耗门限，则这两个小基站对应的节点之间有条边，若小基站之间的路径损耗大于预先设置的损耗门限，则这两个小基站对应的节点之间没有边；

B，对于第u个用户，在路径损耗图中找出与该用户所在小小区的小基站相连的所有小基站，将这些小基站放在集合Q_u中，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，Q_u中的小基站是第u个用户的备选服务基站；

C，每个小基站以相同的功率发送参考信号，第u个用户根据接收到的参考信号测量接收信号功率并且估算Q_u中的小基站到自身的信道衰落系数，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

D，第u个用户将步骤C测量得到的多个接收信号功率与预先设置的功率门限相比较，选出大于功率门限的若干个接收信号对应的小基站，并且按功率从大到小的顺序将它们对应的小基站依次放在集合P_u中，

P_u中的元素表示小基站，u_k是P_u中元素的总数，u_k不大于Q_u中元素的总数，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，P_u中的小基站是第u个用户的待选服务基站；

E，第u个用户将集合P_u以及步骤C估算得到的P_u中的每个小基站到自身的信道衰落系数发送给小基站BS_u,1，小基站BS_u,1将收到的这些信息发送给中心控制器；

F，中心控制器基于每个用户的速率需求、步骤E接收到的P_u和信道衰落系数为每个用户选择服务基站；

G，中心控制器根据N_u找到第j个小基站服务的用户集合V_j，并将V_j发送给第j个小基站，第j个小基站与集合V_j中的用户交互数据，j＝1,2,…,J，J是该网络中小基站的总数。

结合本发明的为每个用户选择服务基站簇的流程图即图3，为每个用户选择服务基站簇的具体步骤如下：

F1，用N_u表示第u个用户的服务基站簇，N_u为空集，令集合M为空集，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

F2，将小基站BS_u,1加入到第u个用户的服务基站簇N_u，中心控制器根据已知的信道衰落系数计算此时第u个用户的速率r_u,1，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，令i＝2；

F3，用|P_u︱表示集合P_u的势，若|P_u︱≥i，中心控制器考虑将小基站BS_u,i当做第u个用户的服务基站，u＝1,2,…,U且u不在集合M中，U是该网络中用户的总数，中心控制器根据已知的信道衰落系数计算此时第u个用户的速率r_u,i；

F4，比较r_u,i-1、r_u,i和d_u，d_u是第u个用户的最低速率需求，若r_u,i-1＞r_u,i，则不把小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u且将u放入集合M中，若d_u>r_u,i>r_u,i-1或r_u,i>d_u>r_u,i-1，则将小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u，若r_u,2>r_u,1>d_u，则不把小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u，令i＝i+1，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

F5，重复步骤F3和F4，直至i＞max{|P_u︱,u＝1,2,…,U且u不在集合M中}，U是该网络中用户的总数。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种基于负载的以用户为中心的动态分簇方法，适用采用多点协作传输的超密集网络，其特征在于：包括如下步骤：

A，构造网络中的小基站对应的路径损耗图，该图中的节点对应小基站，边对应小基站之间的路径损耗，若小基站之间的路径损耗小于预先设置的损耗门限，则这两个小基站对应的节点之间有条边，若小基站之间的路径损耗大于预先设置的损耗门限，则这两个小基站对应的节点之间没有边；

B，对于第u个用户，在路径损耗图中找出与该用户所在小小区的小基站相连的所有小基站，将这些小基站放在集合Q_u中，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，Q_u中的小基站是第u个用户的备选服务基站；

C，每个小基站以相同的功率发送参考信号，第u个用户根据接收到的参考信号测量接收信号功率并且估算Q_u中的小基站到自身的信道衰落系数，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

D，第u个用户将步骤C测量得到的多个接收信号功率与预先设置的功率门限相比较，选出大于功率门限的若干个接收信号对应的小基站，并且按功率从大到小的顺序将它们对应的小基站依次放在集合P_u中，

P_u中的元素表示小基站，u_k是P_u中元素的总数，u_k不大于Q_u中元素的总数，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，P_u中的小基站是第u个用户的待选服务基站；

E，第u个用户将集合P_u以及步骤C估算得到的P_u中的每个小基站到自身的信道衰落系数发送给集合P_u中的第一个小基站BS_u,1，小基站BS_u,1将收到的这些信息发送给中心控制器；

F，中心控制器基于每个用户的速率需求、步骤E接收到的P_u和信道衰落系数为每个用户选择服务基站，具体过程如下：

F1，用N_u表示第u个用户的服务基站簇，N_u为空集，令集合M为空集，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

F2，将小基站BS_u,1加入到第u个用户的服务基站簇N_u，中心控制器根据已知的信道衰落系数计算此时只有1个基站为第u个用户服务时该用户的速率r_u,1，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数，r_u,1中的下标1表示只有1个基站为该用户服务，令i＝2，i是为第u个用户服务的基站的总数，i＝2表示在步骤F3中将考虑2个小基站为第u个用户服务时该用户的速率；

F3，用|P_u︱表示集合P_u的势，若|P_u︱≥i，中心控制器考虑将小基站BS_u,i当做第u个用户的服务基站，u＝1,2,…,U且u不在集合M中，U是该网络中用户的总数，中心控制器根据已知的信道衰落系数计算此时第u个用户的速率r_u,i，r_u,i中的下标i表示有i个基站为该用户服务，i＝1,2,…,u_k；

F4，比较r_u,i-1、r_u,i和d_u，d_u是第u个用户的最低速率需求，若r_u,i-1＞r_u,i，则不把小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u且将u放入集合M中，若d_u>r_u,i>r_u,i-1或r_u,i>d_u>r_u,i-1，则将小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u，若r_u,2>r_u,1>d_u，则不把小基站BS_u,i加入到第u个用户的服务基站簇N_u，令i＝i+1，u＝1,2,…,U，U是该网络中用户的总数；

F5，重复步骤F3和F4，直至i＞max{|P_u︱,u＝1,2,…,U且u不在集合M中}，U是该网络中用户的总数；

G，中心控制器根据N_u找到第j个小基站服务的用户集合V_j，并将V_j发送给第j个小基站，第j个小基站与集合V_j中的用户交互数据，j＝1,2,…,J，J是该网络中小基站的总数。

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