一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法，属于移动通信技术领域。首先，针对小蜂窝网络中严重的干扰问题，当非激活用户通过寻呼成功接入网络后，本发明专利技术通过建立以用户为中心的虚拟小区，有效减少用户通信干扰问题。用户在虚拟小区中移动的过程中没有发生切换，保证业务的连续性。其次，为了提高资源利用率，基于Lyapunov优化方法，实现网络平均能量效率最大化。本发明专利技术充分考虑用户数据包队列长度和信道质量，将最大化网络的平均能量效率问题分解为用户最优传输资源分配和最优功率分配两个子问题求解。通过对网络资源的优化分配，提升传输质量，并且实现了在最大化系统平均能量效率的同时保证系统队列的稳定性。

A Resource Allocation Method Based on User Mobility in 5G Cellular Networks

【技术实现步骤摘要】
一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法
本专利技术属于移动通信
，涉及一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法。
技术介绍
随着物联网和大规模机器类的发展，网络中智能终端和各种用户设备激增，使得5G通信系统面临前所未有的巨大数据流量需求挑战。为了应对日益巨增的数据业务和有效提升系统容量需求，超密集小蜂窝网络应运而生。5G小蜂窝网络具有低成本、低功耗、可自组织和自优化的特点，同时其密集覆盖能解决高校和商业区等用户密集区域指数式增长的数据流量需求，提高网络容量，扩大无线网络的覆盖范围。此外，由于用户数激增，为节省功率消耗，当没有数据收发时，将用户转换为轻度休眠的非激活(Inactive)状态。为了提高寻呼效率，Inactive状态的用户将配置一个位置跟踪区域称为无线接入网通知区域(RANNotificationArea，RNA)，当网络中有数据传输需求时，会通过RNA寻呼用户。然而，在密集部署小蜂窝时，也面临许多问题：(1)小蜂窝通信覆盖范围小，当用户移动时很容易离开服务小区的覆盖范围并频繁切换为其服务的基站，从而产生大量切换信令开销。(2)小蜂窝基站的超密集部署使得小区重叠覆盖，大量用户都将处于多个小区重叠的边缘，受到严重小区间干扰，并且极其容易发生乒乓效应。针对问题(1)，现有研究中通过将小蜂窝基站分簇，簇中用户的数据平面层和控制平面层分离，控制平面由簇头连接，用户在簇中移动不会发生切换，从而减少用户因频繁切换产生的信令开销。针对问题(2)，现有研究中解决小蜂窝同频干扰问题的代表性技术主要有小区间干扰协调技术(Inter-CellInterferenceCoordination，ICIC)和多点协作传输技术(CoordinatedMultiplePoint，CoMP)。ICIC技术通过对频率资源进行划分，相邻小区使用不同的频率来实现对干扰的控制，而CoMP技术则将小蜂窝分为不同的CoMP组，在一个CoMP组内通过多个小区协作来消除小区间干扰。针对5G小蜂窝网络中面临的挑战，传统的以基站为中心的网络架构已经不能满足5G用户通信需求。为了积极应对这些挑战，减少小区间干扰并提升用户体验，5G提出了以用户为中心的小区虚拟化技术，即围绕用户周围的多个实体小区组成一个虚拟小区，虚拟小区内传输节点间通过协作的方式为用户提供通信服务。以用户为中心的虚拟小区可消除边缘用户，缓解超密集部署小蜂窝网络中的干扰，同时减少用户移动切换信令开销，改善通信质量，提升网络用户体验。综上所述，本专利技术为解决5G小蜂窝网络中移动用户的业务连续性和干扰问题，提出了一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方案。为缓解密集小蜂窝网络中的干扰问题，保证移动用户业务连续性，建立以用户为中心的虚拟小区，虚拟小区内传输节点间协作为用户提供通信服务。此外，为了优化网络资源，提高资源利用率，本专利技术基于Lyapunov优化理论，考虑用户数据队列稳定性，将整体网络平均能量效率优化问题，转换为用户最优传输资源分配和最优功率分配两个子问题，在最大化系统平均能量效率的同时保证系统队列的稳定。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法。1)为缓解密集小蜂窝网络中的干扰问题，保证移动用户业务连续性，建立以用户为中心的虚拟小区，虚拟小区内传输节点间协作为用户提供通信服务。2)其次，为了提高资源利用率，优化网络资源，采用Lyapunov优化方法，充分考虑用户数据包队列长度和信道质量，实现网络平均能量效率最大化。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方法：一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法，该方法根据所提网络场景的特性，首先，在用户接入网络后建立以用户为中心的虚拟小区，减少小区间干扰并保证移动用户的业务连续性；其次，在用户传输数据时对网络资源进行优化分配；该方法包括以下步骤：S1：非激活Inactive用户有数据业务到达时，通过网络寻呼接入网络；S2：用户接入网络后建立以用户为中心的虚拟小区；S3：用户传输数据时对网络资源进行优化分配。进一步，在所述步骤S1中，当网络中有非激活Inactive用户数据包到达时，为定位用户，锚点gNB将发起寻呼过程；用户收到寻呼消息后通过当前驻留的gNB转换为连接状态，接入网络。进一步，在所述步骤S2中，建立以用户为中心的虚拟小区分为以下三个步骤：S21：用户接入网络后，将用户之前处于非激活状态时的无线接入网通知区域RNA作为候选虚拟小区，用户检测RNA中所有gNB的参考信号RS强度并将测量结果上报至用户当前驻留的gNB；S22：用户当前驻留gNB根据测量结果将RS大于阈值的gNB上报至锚点gNB，锚点gNB根据负载信息库，确定组建虚拟小区的gNB并将结果及虚拟小区配置信息下发给用户当前驻留的gNB；S23：用户当前驻留的gNB将虚拟小区配置信息分别发送给用户和相应的gNB构建以用户为中心的虚拟小区，虚拟小区内传输节点间通过协作的方式为用户提供通信服务。进一步，在所述步骤S3中，根据用户数据包队列长度和信道质量，采用基于Lyapunov的优化方法，建立以最大化网络的时间平均能量效率为目标的资源分配优化目标。进一步，在所述步骤S1中，用户处于Inactive状态时，用户与网络的连接断开，并有一个用于寻呼过程时定位用户位置的通知区域RNA。进一步，在所述步骤S2中，由于用户的移动性，以用户为中心的虚拟小区所包含的gNB将发生动态变化；随着用户的移动，将添加满足条件的新gNB，且移除不满足条件的原有gNB；由于用户在移动的过程中没有发生切换，虚拟小区识别号不变；网络中锚点gNB控制用户虚拟小区动态调整，以减少密集小蜂窝基站网络中频繁的信令交互。进一步，在所述步骤S3中，通过系统时间平均能量效率来衡量虚拟小区系统的性能，系统时间平均能量效率定义为时间平均总数据数率与时间平均总功率消耗的比值。进一步，在所述步骤S3中，以最大化系统的时间平均能量效率为优化目标，且约束条件中具有与时间平均有关的约束条件，利用Lyapunov优化理论将其转换为每一时隙的优化问题；通过最小化Lyapunov偏移函数与惩罚项之和的上界来进行最优资源分配，从而在系统队列稳定性和时间平均的能量效率之间实现平衡。进一步，在所述步骤S3中，为降低问题的求解复杂度，将最大化每一时隙内的能量效率优化问题分解成两个等价的子优化问题：1)最优传输资源分配优化问题，2)最优功率分配优化问题；以用户为中心的虚拟小区进行最优传输资源分配时，网络根据用户的信道状况动态选择虚拟小区内最优的gNB进行数据传输，并将传输质量最好的资源块RB分配给对应的gNB，使得每个用户都能获得传输质量最好的gNB和RB为之服务；通过三步实现，首先，为每个用户先分配一个当前传输质量最好的RB；其次，保证每个gNB都分配有RB；最后，分配剩余的RB给最合适的用户；通过最优传输资源分配后得到虚拟小区内实际为用户传输数据的gNB和RB集合，优化问题转化为最优功率分配问题；然后，利用拉格朗日对偶原理及次梯度更新方法进行求解最优功率值。本专利技术的有益效果在于：1)最优传输资源分配优化问题。以用户为中心的虚拟小区进行最优传输资源分配时，网络会根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法，其特征在于：该方法根据所提网络场景的特性，首先，在用户接入网络后建立以用户为中心的虚拟小区，减少小区间干扰并保证移动用户的业务连续性；其次，在用户传输数据时对网络资源进行优化分配；该方法包括以下步骤：S1：非激活Inactive用户有数据业务到达时，通过网络寻呼接入网络；S2：用户接入网络后建立以用户为中心的虚拟小区；S3：用户传输数据时对网络资源进行优化分配。

【技术特征摘要】
1.一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法，其特征在于：该方法根据所提网络场景的特性，首先，在用户接入网络后建立以用户为中心的虚拟小区，减少小区间干扰并保证移动用户的业务连续性；其次，在用户传输数据时对网络资源进行优化分配；该方法包括以下步骤：S1：非激活Inactive用户有数据业务到达时，通过网络寻呼接入网络；S2：用户接入网络后建立以用户为中心的虚拟小区；S3：用户传输数据时对网络资源进行优化分配。2.根据权利要求1所述的一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法，其特征在于：在所述步骤S1中，当网络中有非激活Inactive用户数据包到达时，为定位用户，锚点gNB将发起寻呼过程；用户收到寻呼消息后通过当前驻留的gNB转换为连接状态，接入网络。3.根据权利要求1所述的一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法，其特征在于：在所述步骤S2中，建立以用户为中心的虚拟小区分为以下三个步骤：S21：用户接入网络后，将用户之前处于非激活状态时的无线接入网通知区域RNA作为候选虚拟小区，用户检测RNA中所有gNB的参考信号RS强度并将测量结果上报至用户当前驻留的gNB；S22：用户当前驻留gNB根据测量结果将RS大于阈值的gNB上报至锚点gNB，锚点gNB根据负载信息库，确定组建虚拟小区的gNB并将结果及虚拟小区配置信息下发给用户当前驻留的gNB；S23：用户当前驻留的gNB将虚拟小区配置信息分别发送给用户和相应的gNB构建以用户为中心的虚拟小区，虚拟小区内传输节点间通过协作的方式为用户提供通信服务。4.根据权利要求1所述的一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法，其特征在于：在所述步骤S3中，根据用户数据包队列长度和信道质量，采用基于Lyapunov的优化方法，建立以最大化网络的时间平均能量效率为目标的资源分配优化目标。5.根据权利要求2所述的一种5G小蜂窝网络中基于用户移动性的资源分配方法，其特征在于：在所述步骤S1中，用户处于Inactive状态时，用户与网络的连接断开，并有一个用于寻呼过程时定位用户位置的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓舸，曹春燕，许可，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50