本發(fā)明是一種應用于下行OFDMA蜂窩網(wǎng)絡的區(qū)間中繼負載均衡方法。主要用于解決過載小區(qū)資源緊張相鄰小區(qū)資源利用率低及用戶數(shù)據(jù)傳輸速率低的問題，屬于蜂窩網(wǎng)絡通信技術領域。

背景技術：

OFDMA是基于正交頻分多址(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術，將子載波分配給不同用戶而采取的一種多址接入方案。近年來在無線通信中得到了廣泛應用。由于OFDMA技術在小區(qū)內部采用的是OFDM調制技術，各個子載波之間相互正交，有效消除符號間干擾(Inter Symbol Interference,ISI)，即可以避免小區(qū)內干擾。但是因為在OFDMA無線蜂窩通信系統(tǒng)中，頻率復用因子為1，也就是說，不同小區(qū)采用相同的頻譜資源，產(chǎn)生了嚴重的小區(qū)間干擾(Inter-Cell Interference,ICI)。在一些城市商業(yè)中心地段，因為高密度的用戶量，往往形成通信熱點區(qū)域，造成頻譜資源短缺和高阻塞率。然而，鄰近的小區(qū)地段通常還會有充足的剩余資源，相對于過載區(qū)域產(chǎn)生資源浪費。為了充分而有效地利用系統(tǒng)資源，負載均衡技術(Load Balancing,LB)應運而生。

OFDMA蜂窩網(wǎng)絡的負載均衡技術方案能夠有效均衡資源利用率差別較大的小區(qū)系統(tǒng)，緩解過載小區(qū)資源緊張，降低阻塞率，提高輕負載小區(qū)資源利用率，提升用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種應用于下行OFDMA蜂窩網(wǎng)絡的區(qū)間中繼負載均衡方法，該方法能夠在熱點小區(qū)過載擁塞時解決過載小區(qū)資源緊張相鄰小區(qū)資源利用率低及用戶數(shù)據(jù)傳輸速率低的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明提出的技術方案是一種應用于下行OFDMA蜂窩網(wǎng)絡的小區(qū)間中繼負載均衡方法，包含以下步驟：

1)某一時隙初始時，蜂窩基站層負責計算當前小區(qū)所有用戶所需求的總子載波數(shù)，并進行載波預分配，判斷是否超過閾值，若超過閾值則執(zhí)行步驟2，否則執(zhí)行步驟4；

2)基于劃時隙和載波集的頻譜劃分策略，將過載小區(qū)中不同分區(qū)的邊緣用戶通過共享中繼站向對應輕負載相鄰小區(qū)進行負載轉移，轉移過后的用戶與對應相鄰小區(qū)的最近分區(qū)共用一套載波集；

3)在邊緣用戶轉移后的狀態(tài)下，蜂窩基站以及共享中繼站根據(jù)重新計算的用戶子載波需求，進行子載波再分配；

4)負載均衡執(zhí)行結束后，蜂窩基站層更新負載信息，并返回步驟1。

作為優(yōu)選，步驟1中的閾值為最大子載波數(shù)的90％。

進一步，步驟2中所述劃時隙和載波集的頻譜劃分方案具體為：

1)在此系統(tǒng)的幀傳輸中，每一幀分為兩個時隙，不同時隙不同小區(qū)傳輸情況不同，對相鄰小區(qū)來說，在時隙一時，為基站BS到小區(qū)間中繼RS的傳輸，或為BS到用戶MS的直連傳輸，在時隙二時，為小區(qū)間RS到MS的間接傳輸；而對目標小區(qū)來說，在時隙一時，是BS到MS的傳輸，在時隙二時，仍為BS到MS的傳輸，當目標小區(qū)過載時，目標小區(qū)BS的傳輸范圍變小，6個RS分別向周圍6個相鄰小區(qū)中繼用戶；

2)采用頻率復用模式為1*6*6載波分配方案，將總載波N分為6個不同的子載波集，分別編號為N1、N2、N3、N4、N5、N6，將每個小區(qū)劃分成6個扇區(qū)，每個扇區(qū)分別采用一套子載波集，且每個小區(qū)中相同位置的扇區(qū)采用相同的子載波集，中繼區(qū)域內采用的子載波集來自于對應的相鄰小區(qū)最近扇區(qū)。

本發(fā)明的有益效果在于：

1，本發(fā)明采用了小區(qū)間共享中繼站，具有結構簡單、傳輸穩(wěn)定和吞吐量較大的優(yōu)點，使小區(qū)系統(tǒng)間的負載得到較好的平衡。

2，本發(fā)明使用的劃時隙載波集的新型資源分配方案，以及1*6*6的頻率復用模式可以有效減少蜂窩小區(qū)系統(tǒng)的小區(qū)間干擾，提高了頻譜利用率，節(jié)省載波資源提升用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的蜂窩體系結構模型示意圖。

圖2是本發(fā)明方法載波集的頻譜劃分策略模型示意圖。

圖3是本發(fā)明方法體系結構的時隙劃分策略示意圖。

圖4是本發(fā)明的下行OFDMA蜂窩網(wǎng)絡的區(qū)間中繼負載均衡方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

本發(fā)明方法針對傳統(tǒng)的基于小區(qū)間切換的負載均衡方法效率較低問題，該方法基于小區(qū)間中繼實現(xiàn)用戶切換的負載均衡機制以及一種新型資源分配方案以降低系統(tǒng)干擾，提高頻譜利用率；結合子載波再分配方案提高系統(tǒng)吞吐率及用戶數(shù)據(jù)速率。在相鄰小區(qū)之間設置共享中繼站以實現(xiàn)用戶切換，并結合一種劃時隙載波集的新型資源分配方案進行負載均衡。采用的共享中繼站及蜂窩基站根據(jù)計算的子載波需求量可以協(xié)調過載蜂窩小區(qū)邊緣用戶的轉移。劃時隙和載波集的頻譜劃分方案，將每一傳輸幀分為兩個時隙，采用1*6*6的頻率復用模式。該方案能夠有效減少蜂窩系統(tǒng)的小區(qū)間干擾，從而節(jié)省載波資源提升用戶服務質量。

本發(fā)明是將過載蜂窩小區(qū)、共享中繼站以及其周圍六個相鄰蜂窩小區(qū)組成一個資源分配及通信傳輸?shù)捏w系結構。共享中繼站及蜂窩基站根據(jù)計算的子載波需求量協(xié)調過載蜂窩小區(qū)邊緣用戶的轉移，根據(jù)載波資源與時隙的劃分，不同區(qū)域用戶使用不同載波集的子載波以及1*6*6的頻率復用模式可以有效減少蜂窩小區(qū)系統(tǒng)的小區(qū)間干擾，提高了頻譜利用率，節(jié)省載波資源提升用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。

在整個設計方法中，主要分為兩部分：一是將過載蜂窩小區(qū)、共享中繼站以及其周圍六個相鄰蜂窩小區(qū)組成一個資源分配及通信傳輸?shù)捏w系結構、二是設置一套劃時隙和載波集的頻譜劃分策略。主要流程步驟，如圖4所示：

步驟1)某一時隙初始時，蜂窩基站層負責計算當前小區(qū)所有用戶所需求的總子載波數(shù)進行載波預分配，判斷是否超過閾值，閾值為最大子載波數(shù)的90％。若超過閾值則執(zhí)行步驟2，否則執(zhí)行步驟4。

步驟2)基于劃時隙和載波集的頻譜劃分策略，將過載小區(qū)中不同分區(qū)的邊緣用戶通過共享中繼站向對應輕負載相鄰小區(qū)進行負載轉移，轉移過后的用戶與對應相鄰小區(qū)的最近分區(qū)公用一套載波集，執(zhí)行步驟3。

步驟3)在邊緣用戶轉移后的狀態(tài)下，蜂窩基站以及共享中繼站根據(jù)重新計算的用戶子載波需求，進行子載波再分配。

步驟4)負載均衡執(zhí)行結束后蜂窩基站層更新負載信息，并執(zhí)行步驟1。

上述方法中，所述的劃時隙和載波集頻譜劃分方案具體包括：

1)在此系統(tǒng)的幀傳輸中，每一幀分為兩個時隙。不同時隙不同小區(qū)傳輸情況不同。對相鄰小區(qū)來說，在時隙一時，為基站(BS)到小區(qū)間中繼(RS)的傳輸，或為BS到用戶(MS)的直連傳輸，在時隙二時，為小區(qū)間RS到MS的間接傳輸。而對目標小區(qū)來說，在時隙一時，是BS到MS的傳輸，在時隙二時，仍為BS到MS的傳輸，當目標小區(qū)過載時，目標小區(qū)BS的傳輸范圍變小，6個RS分別向周圍6個相鄰小區(qū)中繼用戶。

2)采用頻率復用模式為1*6*6載波分配方案。將總載波N分為6個不同的子載波集，分別編號為N1、N2、...、N6，將每個小區(qū)劃分成6個扇區(qū)，每個扇區(qū)分別采用一套子載波集，且每個小區(qū)中相同位置的扇區(qū)采用相同的子載波集。中繼區(qū)域內采用的子載波集來自于對應的相鄰小區(qū)最近扇區(qū)。

主要變量及其定義：

變量名含義：

R_BS：蜂窩小區(qū)BS的覆蓋半徑

d_R：中繼RS的覆蓋半徑

β：蜂窩系統(tǒng)中鏈路的路徑損耗指數(shù)

K：小區(qū)總子載波數(shù)

r：目標用戶MS到其服務基站的距離

r_i：目標用戶MS到第i個相鄰小區(qū)基站BS的距離

W：子載波帶寬

R_req：用戶需求的最低數(shù)據(jù)速率

P_BS：蜂窩小區(qū)BS的傳輸功率

slotⁱ：表示第i個時隙

表示鏈路link在時隙第i個時隙的信擾比。

首先在小區(qū)間的相鄰處設置共享中繼站，如圖1。為方便計算，我們假設每個蜂窩小區(qū)的覆蓋半徑R_BS為100m。目標小區(qū)的用戶數(shù)為74，每個相鄰小區(qū)的用戶數(shù)為20，且每個小區(qū)均勻分布。小區(qū)總子載波數(shù)K為512，子載波帶寬W為30KHZ，路徑損耗指數(shù)β為2。每個用戶需求的數(shù)據(jù)速率R_req為256Kbps。當中繼覆蓋半徑d_R為20m時。

其次將過載蜂窩小區(qū)、共享中繼站以及其周圍六個相鄰蜂窩小區(qū)組成一個資源分配及通信傳輸?shù)捏w系結構。如圖2和圖3所示的設置劃時隙和載波集的新型資源分配策略后，按以下步驟執(zhí)行：

步驟1)在通話請求的第一個時隙初始時，蜂窩基站層根據(jù)公式(1)，(2)計算每個通話滿足最低速率要求R_req的子載波數(shù)，并對相應范圍進行積分得到當前小區(qū)所有用戶所需求的總子載波數(shù)，然后進行載波預分配，判斷是否超過閾值，閾值為最大子載波數(shù)的90％。經(jīng)計算已超過閾值，則執(zhí)行步驟2。

計算每個通話鏈路link在不同時隙滿足最低速率要求R_req的子載波數(shù)：

計算鏈路link在時隙第i個時隙的信擾比：

步驟2)過載小區(qū)中不同分區(qū)的邊緣用戶通過共享中繼站向對應輕負載相鄰小區(qū)進行負載轉移，轉移過后的用戶與對應相鄰小區(qū)的最近分區(qū)公用一套載波集，如圖2。執(zhí)行步驟3。

步驟3)在邊緣用戶轉移后的狀態(tài)下，蜂窩基站以及共享中繼站根據(jù)公式(1)，(2)，并對相應范圍進行積分，重新計算用戶的子載波需求，進行子載波再分配。新狀態(tài)下，目標小區(qū)平均吞吐率提升231Kbps，并使相鄰小區(qū)空閑載波得到充分利用。

步驟4)負載均衡執(zhí)行結束后蜂窩基站層更新負載信息，并回到步驟1。