[發明專利]一種5G小蜂窩網絡中基于用戶移動性的資源分配方法

有效

• 申請號: 201910290485.5
• 申請日: 2019-04-11
• 公開（公告）號: CN110012509B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 黃曉舸;曹春燕;許可;陳前斌
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W28/16
• 分類號: H04W28/16;H04W28/02;H04W24/10;H04B17/382
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種5G小蜂窩網絡中基于用戶移動性的資源分配方法，其特征在于：

該方法根據所提網絡場景的特性，首先，在用戶接入網絡后建立以用戶為中心的虛擬小區，減少小區間干擾并保證移動用戶的業務連續性；其次，在用戶傳輸數據時對網絡資源進行優化分配；

該方法包括以下步驟：

S1：非激活Inactive用戶有數據業務到達時，通過網絡尋呼接入網絡；

S2：用戶接入網絡后建立以用戶為中心的虛擬小區；

S3：用戶傳輸數據時對網絡資源進行優化分配；

在所述步驟S1中，當網絡中有非激活Inactive用戶數據包到達時，為定位用戶，錨點gNB將發起尋呼過程；用戶收到尋呼消息后通過當前駐留的gNB轉換為連接狀態，接入網絡；

在所述步驟S2中，建立以用戶為中心的虛擬小區分為以下三個步驟：

S21：用戶接入網絡后，將用戶之前處于非激活狀態時的無線接入網通知區域RNA作為候選虛擬小區，用戶檢測RNA中所有gNB的參考信號RS強度并將測量結果上報至用戶當前駐留的gNB；

S22：用戶當前駐留gNB根據測量結果將RS大于閾值的gNB上報至錨點gNB，錨點gNB根據負載信息庫，確定組建虛擬小區的gNB并將結果及虛擬小區配置信息下發給用戶當前駐留的gNB；

S23：用戶當前駐留的gNB將虛擬小區配置信息分別發送給用戶和相應的gNB構建以用戶為中心的虛擬小區，虛擬小區內傳輸節點間通過協作的方式為用戶提供通信服務；

在所述步驟S3中，根據用戶數據包隊列長度和信道質量，采用基于Lyapunov的優化方法，建立以最大化網絡的時間平均能量效率為目標的資源分配優化目標；

系統時間平均總速率為：

系統中所有gNB的功率消耗為傳輸數據功率消耗和電路功率消耗之和，系統功耗模型如下式所示：

其中τ為gNB功率放大效率，M為gNB數量，p_cir為處于空閑狀態時gNB產生電路功率消耗；系統時間平均總功率消耗表示為：

設用戶k下行鏈路隊列長度為Q_k(t)，gNB側數據包隊列長度表示為：

t+1時刻的隊列長度＝t時刻隊列長度-t時刻鏈路的發包數+t時刻數據包的到達數，則用戶k的下行鏈路隊列更新過程表示為：

Q_k(t+1)＝max{Q_k(t)-D_k(t),0}+A_k(t) (5)

其中，Q_k(0)＝0，A_k(t)為用戶k在時間t內數據包的到達數，其服從泊松分布；D_k(t)為用戶k在時間t數據包的發包數，每個數據包的大小為L，單位為bit；

則以最大化時間平均能量效率為目標的資源分配優化問題表示為：

其中，R_min為每個用戶的最小傳輸數率，P^max為單個gNB的最大發射功率；約束條件C₁在最大化系統時間平均能量效率的同時保證每個用戶隊列穩定的需求，約束條件C₂為單個用戶的最小速率需求約束，約束條件C₃為單個gNB最大傳輸功率約束，約束條件C₄為單個用戶的傳輸功率約束，約束條件C₅表示每個多個gNB能夠協同為一個用戶服務，同時一個gNB能夠分配給多個用戶，約束條件C₆表示一個RB只能分配給一個gNB，每個gNB能夠被分配多個不同的RB；

在所述步驟S3中，通過系統時間平均能量效率來衡量虛擬小區系統的性能，系統時間平均能量效率定義為時間平均總數據數率與時間平均總功率消耗的比值；

在所述步驟S3中，以最大化系統的時間平均能量效率為優化目標，且約束條件中具有與時間平均有關的約束條件，利用Lyapunov優化理論將其轉換為每一時隙的優化問題；通過最小化Lyapunov偏移函數與懲罰項之和的上界來進行最優資源分配，從而在系統隊列穩定性和時間平均的能量效率之間實現平衡；

在所述步驟S3中，為降低問題的求解復雜度，將最大化每一時隙內的能量效率優化問題分解成兩個等價的子優化問題：1)最優傳輸資源分配優化問題，2)最優功率分配優化問題；

具體為：以用戶為中心的虛擬小區進行最優傳輸資源分配時，網絡根據用戶的信道狀況動態選擇虛擬小區內最優的gNB進行數據傳輸，并將傳輸質量最好的資源塊RB分配給對應的gNB，使得每個用戶都能獲得傳輸質量最好的gNB和RB為之服務；

通過三步實現：

S301：為每個用戶先分配一個當前傳輸質量最好的RB；遍歷信道增益矩陣H(K,N,M)，將信道增益最大的h_k,n,m對應的gNB，分配給相應的用戶，并將RB分配給gNB；刪除RB所對應的信道增益矩陣的行，以及刪除用戶對應的整個信道增益矩陣；如果此RB所關聯的gNB不在用戶的虛擬小區內，則放棄此次資源分配，重新為用戶選擇合適的傳輸資源；繼續遍歷剩余的信道增益值，重復上述的分配步驟直到所有用戶都有一個gNB和一個RB為之服務；

S302：保證每個gNB都分配有RB；通過步驟S301，由于一個gNB能夠為多個用戶服務，能夠被用戶重復選擇，因此存在M-x(1≤x≤M)個gNB未分配RB資源，且剩余N-K個RB待分配；基于此，生成新的三維信道增益矩陣H'(K,N-K,M-x)，即K個N-K行M-x列的矩陣；繼續遍歷信道增益矩陣H'，將信道增益最大的h'_k',n',m'以及對應的gNB，分配給相應的用戶，并將RB分配給gNB；刪除RB和gNB對應的信道增益矩陣的行和列，判斷給用戶分配的gNB是否屬于用戶的虛擬小區，如果該gNB不屬于用戶的虛擬小區，則放棄此次資源分配；重復上述步驟，直到每個gNB至少都分配有RB，得到每個用戶所屬的gNB集合G_k，k∈{1,2,...K}；

S303：分配剩余的RB給最合適的用戶；通過步驟S301、S302，還剩余N-K-M+x個RB未分配，由于gNB能夠分配給多個用戶，仍然有M個gNB分配；生成三維矩陣H(K,N-K-M+x,M)，既K個N-K-M+x行M列的矩陣；同樣基于矩陣H，將最大增益值h_k,n,m及其對應的gNB分配給相應的用戶，并將RB分配給gNB，刪除已分配的RB，直到所有RB分配完畢，得到每個gNB的RB集合為

通過最優傳輸資源分配后得到虛擬小區內實際為用戶傳輸數據的gNB和RB集合，優化問題轉化為最優功率分配問題；然后，利用拉格朗日對偶原理及次梯度更新方法進行求解最優功率值。