[发明专利]一种面向吞吐量需求的LTE-U系统载波功率分配方法

权利要求书

1.一种面向吞吐量需求的LTE-U系统载波功率分配方法，其特征在于：该载波功率分配方法包括以下步骤：

(1)自适应调整CSAT周期LTE-U ON/OFF占空比：每个CSAT周期结束前，在共存网络中所有LTE-U用户完成载波选择后，根据下一个CSAT周期每个载波上需要服务的用户数，即当前周期尚未完成传输的用户数和新分配到该载波上的用户数的总和，对下一个CSAT工作周期不同载波上的LTE-U ON/OFF占空比进行调整；

(2)执行最低功率分配：在确定了下一个CSAT周期每个载波上的LTE-U ON占空比之后，结合不同载波上的信道质量，对下一个CSAT周期基站在不同载波上的传输功率进行重新分配；为了保障每个载波上LTE-U用户的吞吐量总需求，LTE-U基站在非授权频段单个载波上具有最低功率需求，即传输功率下限；首先采用注水算法为每个载波进行初始功率分配，若单个载波初始功率分配的值低于该载波的最低功率需求，则对该载波进行最低功率分配；通过执行最低功率分配，保障所有载波所分配到的功率满足最低功率需求；

(3)执行上限功率分配：最低功率分配完成后，为了满足非授权频段的监管要求，需要考虑LTE-U基站在非授权频段单个载波上的传输功率上限；若单个载波初始功率分配的值超出了该载波的传输功率上限，则对该载波进行上限功率分配；通过执行上限功率分配，保障所有载波所分配到的功率不超过传输功率上限；上限功率分配完成后，所有载波分配到的功率均在载波的最低功率需求和传输功率上限范围之间，此时所有载波都获得了满足约束条件的功率分配；

步骤(1)—(3)中，采用一种基于网络虚拟化技术的LTE-U系统与WiFi系统融合网络架构，用以在LTE-U系统和WiFi系统之间共享信息，有利于实现非授权频段LTE-U系统和WiFi系统友好共存和合理高效的资源分配；该融合网络架构描述如下：

一个LTE-U子系统和多个WiFi子系统在非授权频段共存；在此共存网络中，LTE-U子系统由一个基站BS和若干均匀分布的用户UE组成，各LTE-U用户具有吞吐量需求；每个WiFi子系统由一个AP和若干均匀分布的用户STA组成；假设非授权频段共有N个正交的成分载波，分别表示为CC₁,CC₂,…,CC_N；每个CC可被LTE-U系统和一个WiFi系统所共享；每个WiFiAP使用一个载波，不同的WiFiAP使用不同的载波；LTE-U BS可使用所有N个载波为LTE-U用户提供服务；LTE-U系统下行传输采用基站集中调度的OFDMA信道接入机制，为用户分配时频资源；WiFi系统采用802.11n基于竞争的CSMA/CA信道接入机制，用户以竞争的方式接入信道；每一个载波上均采用基于时分复用的F-CSAT机制协调两个系统的共存；

将LTE-U系统与WiFi系统中的物理实体LTE-U BS和WiFi AP分别虚拟化为对应的虚拟化网络实体vBS和vAP，通过软件定义网络技术对虚拟实体进行管理；LTE-U BS虚拟化网络实体vBS和WiFiAP虚拟化网络实体vAP由一个SDN控制器统一控制，从LTE-U BS和WiFi AP物理实体接收无线接入网侧的负载强度、用户吞吐量需求和信道状态；在每个CSAT周期结束前共存网络中所有用户完成载波选择的情况下，LTE-U需要根据下一CSAT周期每个载波上需要服务的用户数，对下一个CSAT工作周期不同载波上的LTE-U ON/OFF占空比进行调整，在确定了每个载波上的LTE-U ON/OFF占空比之后，结合不同载波上的信道质量，对下一个CSAT周期基站在不同载波上的传输功率进行重新分配；因此，需要虚拟化网络实体之间互通所接收到的信息，据此进行载波功率分配，在满足LTE-U用户的吞吐量需求的前提下，提升LTE-U系统的总吞吐量；

步骤(2)—(3)中，采用注水算法，在满足LTE-U基站总传输功率限制的条件下为每个载波进行初始功率分配，其具体过程为：

假设共存网络非授权频段上有N个正交成分载波，分别表示为CC₁,CC₂,…,CC_N，每个成分载波的频带宽度为B_i，信道增益为h_i,i＝1,2,…,N；在某个CSAT周期开始时，第i个载波需要服务的WiFi用户数目为LTE-U用户数目为LTE-U系统独自占用第i个成分载波时能够获得的系统吞吐量为每个载波上的LTE-U ON占空比为每个载波上基站的传输功率为P_i；在这样的情况下，得出LTE-U系统在N个正交成分载波上能够获得的总吞吐量R_total为：

其中，N₀表示每个载波CC_i上的加性高斯白噪声功率谱密度；

在LTE-U系统的载波功率分配问题中，考虑共存网络中每个载波上信道质量和LTE-U系统信道占用时间的差异性；每个CSAT周期结束前，在共存网络中所有用户完成载波选择的情况下，先确定下一CSAT周期每个载波上的LTE-U ON占空比然后对下一个CSAT周期基站在不同载波上的传输功率进行重新分配，以最大化LTE-U系统的总吞吐量，即：

约束条件：

式(5)通过变形表示成：

其中，不等式(3)表示LTE-U基站的总传输功率限制为P_total，不等式(4)表示为了满足非授权频段的监管要求，LTE-U基站在非授权频段单个载波上允许的传输功率上限为P_max，不等式(6)表示为了保障每个载波上LTE-U用户的吞吐量总需求LTE-U基站在单个载波上的传输功率需要满足其最低传输功率需求；

为了最大化LTE-U系统的总吞吐量，需要在限制范围内充分利用LTE-U基站的总传输功率进行传输；因此，目标函数(2)在取得最优解时不等式(3)应该满足：

首先只考虑LTE-U基站的总传输功率限制，通过采用拉格朗日乘子法并应用KKT条件求解每个载波上的初始功率分配；为此，构造相应的拉格朗日函数：

其中λ表示拉格朗日乘子，得出以下KKT条件：

因此，得出第i个载波分配到的传输功率为：

其中[x]⁺＝max(0,x)；式(10)表示：若某个载波的为正，则为该载波分配功率；否则，不为该载波分配功率，即该载波的P_i为0；由于通过式(10)求解得到的功率分配不一定满足式(4)和式(6)中单个载波的最低传输功率需求和传输功率上限，将其作为初始功率分配；

采用传统的注水算法求解式(10)中的拉格朗日乘子λ和LTE-U系统的初始功率分配P_i；式(10)等价于：

假设所有载波的带宽相同；对于同一个λ而言，所有载波的相等，某个载波能否获得功率分配取决于的大小；对于满足条件的载波，将不为其分配功率，即这些载波的P_i为0；对于其它满足条件的载波，将为其分配功率；采用表示最终获得功率分配的载波的集合，将式(10)代入式(7)中得到：

解得λ为：

根据式(13)，求解拉格朗日乘子λ需要确定最终获得功率分配的载波的集合为此，采用注水算法通过反复迭代以确定哪些载波因而没有获得功率分配以及最终哪些载波获得功率分配；在此基础上，求解λ的最终值，并为中的载波进行初始功率分配。