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TWI718796B - 通訊網路資源分配方法及系統 - Google Patents

通訊網路資源分配方法及系統 Download PDF

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TWI718796B
TWI718796B TW108144237A TW108144237A TWI718796B TW I718796 B TWI718796 B TW I718796B TW 108144237 A TW108144237 A TW 108144237A TW 108144237 A TW108144237 A TW 108144237A TW I718796 B TWI718796 B TW I718796B
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方凱田
方俊皓
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國立交通大學
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Abstract

本發明揭露通訊網路資源分配方法及系統。本方法適用於毫米波全雙工網路，包括：將網路參數初始化，並收集佇列狀態資訊及通道狀態資訊；根據波束封閉式對多個使用者設備進行波束分配；若有超過一個使用者設備分配到同一波束，則將波束分配給擁有最小值的使用者設備；根據速率封閉式對該多個使用者設備進行速率控制；判斷是否所有使用者設備都有被分配到波束。

Description

通訊網路資源分配方法及系統
本發明一般係關於通訊網路資源分配，具體而言，本發明係關於毫米波全雙工通訊網路資源分配方法及系統。
毫米波全雙工(Millimter-Wave Full-Duplex, mm-Wave FD)系統可藉由在充沛的頻譜上進行同一時間與同一頻帶訊號的傳送與接收，且毫米波全雙工系統擁有能夠達到毫米波半雙工(Half-Duplex，HD)兩倍頻譜使用效率(Spectrum Efficiency, SE)與滿足未來行動網路爆炸性成長的資料傳輸量需求之潛力。但是，毫米波通訊因路徑損失(Pathloss)的因素，造成其實際應用上的瓶頸。現有技術可應用方向性的波束成型技術降低路徑損失的影響，但卻無法適當使用波束資源進而無法完全開發毫米波能提供的通訊能力。再者，全雙工通訊的主要挑戰在於系統的上行通道(Uplink，UL)同時存在自干擾(Self-Interferece，SI)與使用者之間干擾(Inter-User Interference，UI)，導致上行通道的干擾能量過大，進而影響到吞吐量(Throughput)的表現。
本發明之一目的在於提供一種通訊網路資源分配方法及系統，可用於毫米波全雙工通訊，藉由實際系統運作動態通道環境、使用者佇列以及使用者的品質體驗(Quality of Experience，QoE)的情況下，進而使用演算法的設計，來達到毫米波全雙工通訊網路資源最佳化分配的效果。
於一實施例，本發明之通訊網路資源分配方法，適用於毫米波全雙工網路，包括：將網路參數初始化，並收集佇列狀態資訊及通道狀態資訊；根據波束封閉式對多個使用者設備進行波束分配；若有超過一個使用者設備分配到同一波束，則將波束分配給擁有最小值的使用者設備；根據速率封閉式對該多個使用者設備進行速率控制；判斷是否所有使用者設備都有被分配到波束。
於一實施例，本發明之通訊網路資源分配系統，適用於毫米波全雙工網路，包括：多個使用者設備；以及全雙工小型基地台，將網路參數初始化，並收集佇列狀態資訊及 通道狀態資訊，根據波束封閉式對多個使用者設備進行波束分配，若有超過一個使用者設備分配到同一波束，則將波束分配給擁有最小值的使用者設備，根據速率封閉式對該多個使用者設備進行速率控制，判斷是否所有使用者設備都有被分配到波束。
圖1為根據本發明一實施例之通訊網路資源分配方法。通訊網路資源分配方法適用於毫米波全雙工網路，其方法包括：將網路參數初始化，並收集一佇列狀態資訊及一通道狀態資訊；根據一波束封閉式對多個使用者進行波束分配；若有超過一個使用者分配到同一波束，則將波束分配給擁有最小值的使用者；根據一速率封閉式對該多個使用者進行速率控制；判斷是否所有使用者都有被分配到波束。
本實施例，該佇列狀態資訊通過全雙工小型基地台的上行使用者設備獲取更新信號後所產生，該通道狀態資訊通過全雙工小型基地台的反饋所產生。
前述波束封閉式表示為:
Figure 02_image001
，其中，
Figure 02_image003
表示在時隙t處第m個上行(UL)使用者設備(UE)的數據積壓(data backlog)，
Figure 02_image005
是在時隙t從第m個UL UE到第n個全雙工(FD)小型基地台(small cell base station，SBS)的數據傳輸速率，
Figure 02_image007
是在時隙t進入第m個UL UE的QB的新數據量，其中，m及n為正整數，t亦為整數。
該速率封閉式表示為
Figure 02_image009
，其中，
Figure 02_image011
是在時隙t從第m個UL UE到第n個FD SBS的發射信號的功率。
於本實施例，考慮了由KD個下行(Downlink, 以下簡稱DL)使用者設備(User Equipment, UE)和N個切換光束(Switched Beam, SWB)全雙工(Full Duplex，以下簡稱FD)小型基地台(small cell base station，SBS)組成的基於毫米波的全雙工(FD)小型網路(small cell network，以下簡稱 SCN)，上述KD為正整數。每個SBS可以形成M個波束，每個波束可以同時實現信號發送和接收。 FD SCN以時隙方式運行，持續時間標準化為整數單位，因此，時隙t表示[t，t +1），t∈{0,1,2，···}。在每個時隙中，上行(uplink，UL)UE向與之關聯的FD SBS傳輸佇列積壓(Queue Backlog，QB)更新。因此，FD SBS在從UL UE獲取更新信號後將能夠收集佇列狀態資訊(Queue state information, QSI)。此外，也可以通過FD SBS從反饋信道收集通道狀態資訊(channel state information, CSI)。完成QSI和CSI的收集後，所有SBS都會通過有線回程直接將這些資訊交換給中央調度程序(Central scheduler, CS)。
光束分配(beam assignment, 以下簡稱BA)及速率控制(rate control，以下簡稱RC) 策略是在CS上結合QSI和CSI的資訊確定的。令QUm(t)表示在時隙t處第m個UL UE的數據積壓，它將根據以下算式(1)的動態變化：
Figure 02_image001
……(1) 其中，
Figure 02_image005
是在時隙t從第m個UL UE到第n個FD SBS的數據傳輸速率。
Figure 02_image005
也可被寫為算式(2):
Figure 02_image009
………(2) 其中，
Figure 02_image011
是在時隙t從第m個UL UE到第n個FD SBS的發射信號的功率，可以寫為算式(3):
Figure 02_image013
………(3)
其中，參數
Figure 02_image015
∈{0,1}是二進制指示符，其中，
Figure 02_image015
= 1表示第n個FD SBS在以下位置將其第p個波束分配給第m個UL UE時隙t。pUm(t)是在時隙t處的第m個UL UE的傳輸功率。ρUn,m(t)是在時隙t處第n個FD SBS與第m個UL UE之間的距離，而α是路徑損耗指數。
Figure 02_image017
表示在時隙t處，第n個FD SBS與第m個UL UE
Figure 02_image019
之間的第p個波束的指向性(angle of departure, AoD)。在本案中，FD SBS上的波束是通過應用巴特勒方法形成的。因此，
Figure 02_image021
可以重寫為 Dp（θUn，m（t））= M [κp（θUn，m（t））] 2，其中M = 2p（其中p≥ 1是整數），數組因子κp(θUn，m（t）)由算式(4)導出:
Figure 02_image023
…………(4)
其中，
Figure 02_image025
,
Figure 02_image027
是第n個FD SBS在時隙t處理來自第m個UL UE的信號時接收到的SI功率，可以概括為算式(5):
Figure 02_image029
………(5)
其中，pDi,j(t)是在時隙t在第j個波束上分配的第i個FD SBS的發射功率。
Figure 02_image031
=
Figure 02_image033
與
Figure 02_image035
)相似地定義具有
Figure 02_image037
的
Figure 02_image015
、
Figure 02_image039
以及
Figure 02_image017
，其中，
Figure 02_image037
表示在時隙t的第i個和第n個FD SBS之間的AoD。於本實施例，需注意的是，
Figure 02_image041
的值是隨機產生的，以在每個時隙上引起不同的SI功率。在算式(5)中的
Figure 02_image043
為SI的刪除總量及可寫為
Figure 02_image045
，
Figure 02_image047
、
Figure 02_image049
、
Figure 02_image051
分別表示壓縮比重、數位刪除、類比刪除影響。在算式(2)中的
Figure 02_image053
(t)為由其他UL UEs的IUI能量，可表示為算式(6)
Figure 02_image055
.(6) 其中，在算式(2)中的
Figure 02_image057
是加性高斯白噪聲（additive white Gaussian noise，AWGN）的方差。此外，算式（1）中的
Figure 02_image007
是在時隙t進入第m個UL UE的QB的新數據量，可以描述如下(請見算式(7))。
Figure 02_image059
…………(7)
其中，
Figure 02_image061
是進入第m個UL UE到第n個FD SBS的數據的數據的接納率。此外，第m個UL UE的QoE度量標准定義為下列算式(8)。
Figure 02_image063
…………(8) 其中，
Figure 02_image065
表示第m個UL UE的QoER。此滿意度模型適用於QoER的應用，在該環境中，當UE已使用其QoER服務時，CS不會分配無線資源以進一步改善。相反，當服務速率低於所需的服務質量時，質量滿意度將受到嚴重損害。
需注意的是，在SWB系統中，每個UL UE可以選擇最多一個波束來發送，並且每個波束在每個時隙中最多可以被一個UL UE使用算式(2)。此外，假設在考慮的FD SCN中使用有限的QB，則應保證網絡的穩定性。相應的約束可以寫成算式(9)、(10)及(11)。
Figure 02_image067
……….(9)
Figure 02_image069
………..(10)
Figure 02_image071
………(11)
此外，BA指標的約束為下列算式(12)。
Figure 02_image073
……………(12)
所考慮問題的目標功能是使時間平均QoE和相關隨機性最大化 優化問題可以表述為算式(13)。
Figure 02_image075
…………..(13)
其中cU和µU是分別代表BA和RC的設計變量的符號表示。算式 （9）-（10）和（12）是BA的約束。 算式（11）是網絡穩定性的約束，因為如果網絡中所有單獨的佇列平均速率穩定，則網絡是穩定的算式(8)。應該注意的是，長期目標函數算式（13）和約束條件算式（11）的存在要求在時隙週期內收集CSI。
於本實施例，本發明更應用迭代波束分配和速率控制（IBARC）算法。這項工作的主要貢獻之一是應用Lyapunov優化技術來獲得問題的閉式解，使用Lyapunov方法，算式（13）可以重寫為算式(14)。
Figure 02_image077
………….(14)，以及
Figure 02_image079
……(15)
對於第m個UL UE，可以將算式（15）的右側視為到達數據量
Figure 02_image007
減去從QB出發的數據量
Figure 02_image005
加權佇列長度
Figure 02_image081
插槽t。V在算式(14)是非負參數，可以調整以實現系統延遲和UE QoE之間的權衡。應當注意，算式(14)僅取決於每個時隙中的CSI和QSI，因此，不需要跨不同時隙的CSI進行收集。另外，Π（t）中的權重
Figure 02_image081
使算式（14）的解決方案能夠將資源集中在具有更多數據要在QB中發送的UE上。為了開發封閉形式的解決方案，引入以下引理。
引理1: 所考慮的SWB FD SCN具有以下屬性：
(a) 第m個UL UE的總傳輸速率可以等效地描述為:
Figure 02_image083
……..(16)，及
Figure 02_image085
………..(17)
當第m個UL UE在第n個FD SBS上利用第p個波束時，這被解釋為可實現的傳輸速率。
(b)算式(8)中的QoER Um（µUm（t））可以等效地重寫為算式(18)。
Figure 02_image087
……..(18)
圖2是本發明網路通訊網路資源分配系統，適用於毫米波全雙工網路，包括：多個使用者設備10；以及全雙工小型基地台20，將網路參數初始化，並收集一佇列狀態資訊及一通道狀態資訊，根據一波束封閉式對多個使用者設備進行波束分配，若有超過一個使用者分配到同一波束，則將波束分配給擁有最小值的使用者，根據一速率封閉式對該多個使用者進行速率控制，判斷是否所有使用者都有被分配到波束。
本實施例，該佇列狀態資訊通過全雙工小型基地台的上行使用者設備獲取更新信號後所產生，該通道狀態資訊通過全雙工小型基地台的反饋所產生。
前述波束封閉式表示為:
Figure 02_image001
，其中，
Figure 02_image003
表示在時隙t處第m個UL UE的數據積壓，
Figure 02_image005
是在時隙t從第m個UL UE到第n個FD SBS的數據傳輸速率，
Figure 02_image007
是在時隙t進入第m個UL UE的QB的新數據量，其中，m及n為正整數。
該速率封閉式表示為
Figure 02_image009
，其中，
Figure 02_image011
是在時隙t從第m個UL UE到第n個FD SBS的發射信號的功率。
本發明是解決基於毫米波的開關波束(SWB) FD小蜂窩網路(SCN)的上傳(UL)資源問題的工作，且為考慮UE的QB和信道條件的動態變化。所製定的問題需要跨時隙的時段收集信號態資訊(CSI)，這帶來了過高的計算機複雜度。通過應用李亞普諾夫(Lyapunov)優化技術，該問題在每個時隙中被轉換成一系列波束分配(BA)和速率控制(RC)問題。此外，通過利用SWB系統中的波束約束，為波束分配(BA)和速率控制(RC)決策推導出新穎的封閉形式解決方案。然後，基於閉式解決方案提出迭代BA和RC(IBARC)演算法，前述演算法優於動態數據速率最優(DDRO)方法，可以保持較低的系統延遲，為UE提供更高的QoE。
本發明專注於設計適用於全雙工毫米網路之資源分配演算法，全雙工系統因其在同一時間與同一頻帶進行上行與下行傳輸特性，具備達到兩倍半雙工系統頻譜使用效率的潛力。有關於全雙工的專利與研究，多專注於設計資源分配演算法減緩因為同時進行傳送接收而產生的自干擾之影響。毫米波通訊因其具備大頻寬和方向性的特性而受到大量關注與研究，有關於毫米波通訊的研究，多專注於如何有效使用其波束資源，使基地台發射之波束與使用者之方向能夠對準，進而進行高效率的資料傳輸。
全雙工系統與毫米波通訊皆屬於相當前瞻之技術，在將兩者結合的全雙工毫米波系統中，一個明顯的問題就是如何讓基地台的波束夠對準使用者的位置，具不讓整個系統的自干擾能量過大。然而，綜觀現有資料，不管是產業界的專利或學術文獻，皆沒有找到初步討論在全雙工毫米波系統中，如何在自干擾存在的情況下進行有效的波束管理與分配。一般的波束管理文獻的初步討論，僅是針對理想的靜態環境，且忽略系統中的佇列積壓(Queue Backlog)進行討論。本發明可實際應用於現有全雙工通訊設備(如基地台、移動設備或通訊切換裝置等等)，以用於優化及分配訊號傳輸。
本發明是在考慮到實際系統運作動態通道環境、使用者佇列以及使用者的品質體驗(Quality of Experience，QoE)的情況下，進演算法的設計，比起一般的初步討論更為深入。因此，從系統架構(全雙工毫米波系統)以及資源分配問題所考量之系統參數(包含了使用者佇列、動態環境、QoE以及全雙工自干擾)皆與現有專利與文獻有相當程度的差異。
本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。
10:使用者設備 20:小型基地台 S101~S105:步驟
圖1為本發明一實施例之通訊網路資源分配方法流程圖。 圖2為本發明一實施例之通訊網路資源分配系統。
無
S101~S105:步驟

Claims (8)

  1. 一種通訊網路資源分配方法，適用於毫米波全雙工網路，包括：將網路參數初始化，並收集一佇列狀態資訊及一通道狀態資訊；根據一波束封閉式對多個使用者設備進行波束分配；若有超過一個使用者設備分配到同一波束，則將波束分配給擁有最小值的使用者設備；根據一速率封閉式對該多個使用者設備進行速率控制；判斷是否所有該使用者設備都有被分配到波束； 其中，該速率封閉式表示為
    Figure 108144237-A0305-02-0013-3
    Figure 108144237-A0305-02-0013-1
    ，其中，
    Figure 108144237-A0305-02-0013-8
    (t)是在時隙t從第m個UL UE到第n個FD SBS的發射信號的功率。
  2. 如請求項1所述之通訊網路資源分配方法，其中，該佇列狀態資訊通過全雙工小型基地台的上行使用者設備獲取更新信號後所產生。
  3. 如請求項1所述之通訊網路資源分配方法，其中，該通道狀態資訊通過全雙工小型基地台的反饋所產生。
  4. 如請求項1所述之通訊網路資源分配方法，其中，該波束封閉式 表示為：
    Figure 108144237-A0305-02-0013-4
    ，其中，
    Figure 108144237-A0305-02-0013-9
    (t) 表示在時隙t處第m個上行(UL)使用者設備(UE)的數據積壓，
    Figure 108144237-A0305-02-0013-10
    (t)是在時隙t從第m個UL UE到第n個全雙工(FD)小型基地台(SBS)的數據傳輸速率，
    Figure 108144237-A0305-02-0013-11
    (t)是在時隙t進入第m個UL UE的QB的新數據量，其中，m及n為正整數。
  5. 一種通訊網路資源分配系統，適用於毫米波全雙工網路，包括：多個使用者設備；以及 一全雙工小型基地台，將網路參數初始化，並收集一佇列狀態資訊及一通道狀態資訊，根據一波束封閉式對多個使用者設備進行波束分配，若有超過一個使用者設備分配到同一波束，則將波束分配給擁有最小值的使用者設備，根據一速率封閉式對該多個使用者設備進行速率控制，判斷是否所有使用者設備都有被分配到波束； 其中，該速率封閉式表示為
    Figure 108144237-A0305-02-0014-6
    ，其 中，
    Figure 108144237-A0305-02-0014-12
    (t)是在時隙t從第m個UL UE到第n個FD SBS的發射信號的功率。
  6. 如請求項5所述之通訊網路資源分配系統，其中，該佇列狀態資訊通過全雙工小型基地台的上行使用者設備獲取更新信號後所產生。
  7. 如請求項5所述之通訊網路資源分配方法，其中，該通道狀態資訊通過全雙工小型基地台的反饋所產生。
  8. 如請求項5所述之通訊網路資源分配方法，其中，該波束封閉式 表示為：
    Figure 108144237-A0305-02-0014-7
    ，其中，
    Figure 108144237-A0305-02-0014-13
    (t) 表示在時隙t處第m個UL UE的數據積壓，
    Figure 108144237-A0305-02-0014-14
    (t)是在時隙t從第m個UL UE到第n個FD SBS的數據傳輸速率，
    Figure 108144237-A0305-02-0014-15
    (t)是在時隙t進入第m個UL UE的QB的新數據量，其中，m及n為正整數。
TW108144237A 2019-12-04 2019-12-04 通訊網路資源分配方法及系統 TWI718796B (zh)

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TW108144237A TWI718796B (zh) 2019-12-04 2019-12-04 通訊網路資源分配方法及系統
US16/730,117 US11317409B2 (en) 2019-12-04 2019-12-30 Method and system for allocating communication network resources

Applications Claiming Priority (1)

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