CN103024747B - 基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信和移动通信领域，尤其涉及宏小区与毫微微小区异构场景下对毫微微小区的频谱资源分配和干扰规避方法，具体涉及一种基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法。本发明的基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法通过结合图着色算法以及色度优选算法，根据带宽需求优先级合理分配频谱资源，从而实现对毫微微小区之间的同层干扰以及毫微微小区与宏小区间的异层干扰的有效抑制，并满足毫微微小区用户的差异性带宽需求，同时最大程度上优化了频率利用效率和***整体吞吐量。

Description

基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信和移动通信领域，尤其涉及宏小区与毫微微小区异构场景下对毫微微小区的频谱资源分配和干扰规避方法，具体涉及一种基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法。

背景技术

传统蜂窝是网络由宏蜂窝小区构成，覆盖半径大多为1km~25km，覆盖半径大发射功率较强。宏小区基站发射天线通常架设在周围建筑物上方，而在收发之间一般没有直达天线。为了满足现代无线通信的高速数据通信的要求，通过小区裂化可带来更高的频谱复用率，从而提高单位面积吞吐量。在3GPP标准中，毫微微小区（又称家庭基站）作为一项可提高频率利用效率、扩大室内无线覆盖率的技术标准而被提出。毫微微小区主要面向住宅或企业环境，传输距离一般为10m~50m。因其具有低功耗、低成本、短距离覆盖等特点，现已引起了各研究领域以及运营商的广泛关注。据统计表明在中国有70%以上数据通信和语音业务都发生在室内，并且随着各类应用的产生，通信带宽需求日渐增加，随着城市建设，人口聚居愈发密集，可以预见不久的将来，毫微微小区会大量部署在住宅区或商业区等各类建筑楼内。

然而，由于不同的毫微微小区之间以及毫微微小区与宏小区之间复用同一段频谱，在密集部署毫微微小区时，毫微微小区用户之间以及毫微微小区用户与宏小区用户之间存在强烈的同频干扰。同频干扰会对无线通信的可靠传输造成影响，并且降低无线传输速率同时减少***吞吐量，因此需要通过合理的频谱分配方案对上述两种异构网络场景干扰进行干扰抑制来提高频率利用效率和***吞吐量。根据统计数据显示，移动网络中前10%的移动用户消耗了近90%的移动互联网带宽资源，带宽资源消耗差异使得在频谱资源分配环节考虑进用户差异性带宽需求是十分必要的，当大部分用户满足于基本带宽时另有一小部分用户要求更多的频谱带宽和数据流量，结合用户差异性带宽需求来合理分配频谱资源能够更有效配置全网资源。所以，如何有效设计基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方案是一个值得深入探究的课题。

目前，关于如何抑制毫微微小区用户间以及毫微微小区用户与宏小区用户间的同频干扰方案的研究工作开展不久，如何通过合理的频谱资源分配方案来抑制上述两种干扰，并同时满足用户差异性带宽需求是一个亟待解决的问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法，用于有效抑制毫微微小区之间的同层干扰和毫微微小区与宏小区间的异层干扰，并满足用户差异性带宽需求，同时使频率利用效率以及***吞吐量最大化。

（二）技术方案

为了更好的说明本发明的细节，一种基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法，包括步骤：

S1.汇总毫微微小区用户定期检测到的监控信息；

S2.结合所述监控信息建立干扰拓扑图并确定可用频谱资源集合；

S3.结合毫微微小区用户带宽需求优先级，利用色度优先算法对所述干扰拓扑图进行着色；

S4.根据步骤S3中的着色结果，建立可用频谱资源集合与颜色的对应关系，为毫微微小区用户分配频谱资源。

优选的，所述监控信息包括：毫微微小区用户所在宏小区的频谱资源占用状态以及可能发生同频干扰的相邻毫微微小区的标识号。

优选的，所述步骤S2中依据毫微微小区用户的差异性带宽使用情况将带宽需要划分多个优先级别。

优选的，所述步骤S2中依据毫微微小区用户的差异性带宽使用情况将带宽需要划分两个优先级别。

优选的，所述步骤S2包括步骤：

S201.建立干扰拓扑图；其中，节点表示毫微微小区，连线表示其连接的毫微微小区同频使用会产生干扰；

S202.所述干扰拓扑图由多个互不相连的簇组成；一个簇中的节点数量为N，该簇中所有节点构成集合V={v₁,v₂,…,v_N}_N×1；节点v_m检测到的可用频谱为I_m；该簇中可用频谱为所有簇的可用频谱构成可用频谱资源集合。

优选的，所述步骤S3包括步骤：

S301.对于每一簇节点，计算该簇中各个节点的度数并将该簇中所有节点加入集合U；

S302.根据带宽需求优先级，为集合U中度数最大的节点分配颜色标号，完成着色；从集合U中剔除该节点；

S303.计算集合U中未完成着色节点的色度，选取其中色度最大的节点，以颜色标号最小为标准，根据带宽需求优先级对该节点着色；着色完成后从集合U中剔除该节点；

S304.若集合U为空，跳转至步骤S4；否则，跳转至步骤S303。

优选的，所述步骤S303包括，若同时存在多个色度最大的节点，则选取其中度数最大的节点。

优选的，所述步骤S303中以颜色标号最小为标准，根据带宽需求优先级对该节点进行着色包括步骤：

判断该节点的所有相邻节点是否被标号为j的颜色着色；

结果为是，则结合颜色标号j以及带宽需求优先级的对该节点着色；

结果为否，则j值修改为j+1，重复上述步骤；

其中j初始值为1。

优选的，所述着色结果包括着色过程中用到的最大颜色标号，颜色使用频率矩阵以及着色记录矩阵。

优选的，所述步骤S4中建立可用频谱资源集合与颜色的对应关系包括步骤：

S401.设置比例调节因子λ；

S402.对于每一簇中的可用频谱，按比例λ+c₁:λ+c₂:…:λ+c_K分为K组，其中，K表示该簇着色过程中最大颜色标号，c_i表示该簇着色过程中第i种颜色的使用频率。

（三）有益效果

本发明的基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法通过结合图着色算法以及色度优选算法，根据带宽需求优先级合理分配频谱资源，从而实现对毫微微小区之间的同层干扰以及毫微微小区与宏小区间的异层干扰的有效抑制，并满足毫微微小区用户的差异性带宽需求，同时最大程度上优化了频率利用效率和***整体吞吐量。

附图说明

图1是本发明宏小区和毫微微小区共存的网络异构场景示意图；

图2是本发明的频谱分配方法流程图；

图3是图2中频谱分配方法干扰拓扑图的局部示意图；

图4是图2中频谱分配方法的一个簇中所有节点着色流程图；

图5是图2中频谱分配方法为一个簇中节点分配频谱资源流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了更好的阐述本发明的实施细节，现参照图1对本实施例中宏小区和毫微微小区共存的网络异构场景加以说明：密集部署毫微微小区基站会带来同层的毫微微小区间同频干扰和异层的毫微微小区与宏小区间同频干扰，当宏小区用户进入封闭式毫微微小区时层的毫微微小区与宏小区间同频干扰将显得尤为严重，同频干扰会对无线通信的可靠传输造成影响，并降低无线传输速率和***吞吐量。

流程图如图2中所示的一种基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法，主要包括以下步骤：

S1.汇总毫微微小区用户定期检测到的监控信息；本实施例中具体为：毫微微小区用户通过采用认知无线电技术或者其它任何现有技术检测周边的通信信息，无线终端自主获取周围无线环境的频谱利用状况，并相应调整自己的无线传输参数在相应频段完成无线传输；毫微微小区用户向其基站报告检测到的监控信息；监控信息包括毫微微小区用户所在宏小区的频谱资源占用状态以及可能发生同频干扰的相邻毫微微小区的ID标识号等等；最后由毫微微小区网关处汇总所有监控信息。

S2.结合毫微微小区网关处汇总的所有监控信息建立干扰拓扑图并确定可用频谱资源集合；主要包括以下步骤：

S201.建立如图3中所示的干扰拓扑图；其中，节点表示毫微微小区，连线表示其连接的毫微微小区同频使用会产生干扰；

S202.干扰拓扑图由多个互不相连的簇组成；以一个所述簇为考察对象，该簇中的节点数量记为N，该簇中所有节点构成的集合记为V={v₁,v₂,…,v_N}_N×1，所有连线构成的集合记为E={e_i，k|e_i，k∈{0,1}}_N×N,其中e_i，k＝1表示节点v_i和v_k互相检测到对方为同频干扰相邻小区；集合V中的节点v_m检测到的可用频谱为I_m，即节点v_m检测到的未被宏小区所占用的空闲频谱资源；为避免隐藏终端和单基站存在漏检概率这两个问题，定义该簇中可用频谱为所有簇的可用频谱构成可用频谱资源集合。

S3.结合毫微微小区用户带宽需求优先级，利用色度优先算法对干扰拓扑图进行着色；根据小部分用户占用了***大部分带宽资源的客观事实，依据毫微微小区用户的差异性带宽使用情况将带宽需要划分多个优先级别；例如，本实施例中依据毫微微小区用户的差异性带宽使用情况将带宽需要划分高优先级和低优先级两个级别，实际通信***中一般高级别带宽需求的用户占全网用户的20%；带宽需求矩阵记为Q={q_i|q_i∈{0,1}}_N×1，当q_i=0表示带宽需求优先级为低等级，反之q_i＝1则表示带宽需求优先级为高等级；本实施例中利用色度优先算法对干扰拓扑图进行着色过程如图4中所示；由于对每一簇的着色过程都基本相同，现以对一簇节点的着色过程进行说明；主要包括步骤：

S301.计算一簇中各个节点的度数按度数从大到小顺序排列，将该簇所有节点标号v_i排列加入集合U；

S302.选取U中第一个节点v_x，即集合U中度数最大的节点，查询其带宽需求，若q_x=0则分配颜色标号为1的颜色，即a_x，k={0,1}；反之，若q_x=1则分配颜色标号为1和标号为2的两种颜色，即a_x，k={1,2}；完成着色后从U中剔节点v_x；

S303.计算集合U中未完成着色节点的色度，节点v_i的色度指的是与v_i相连的邻接节点中已经被分配的颜色种类数量；选取其中色度最大的节点v_y（若同时存在多个色度最大的节点，则选取其中度数最大的节点），以颜色标号最小为标准，根据带宽需求优先级对该节点着色；节点v_y着色完成后从集合U中剔除该节点；

S304.若集合U为空，跳转至步骤S4；否则，跳转至步骤S303；

着色全部完成后，得到的着色结果包括每一簇节点着色过程中用到的最大颜色标号K，颜色使用频率矩阵C={c₁,c₂,…,c_k}_K×1，其中依次记录着颜色标号为1至K的颜色被使用的次数；着色记录矩阵A={a_i，j|a_i，j∈{0,1}}_N×M，其中a_i，j=1表示节点v_i被着色上颜色标号为j的颜色。

其中，步骤S303中以颜色标号最小为标准，根据带宽需求优先级对该节点进行着色的过程主要包括步骤：

（1）、设置变量并初始化，以颜色标号j＝1为初始值来试探得到最小颜色标号,以found=0用来标记是否为v_y找到了最小颜色标号,colored_once=0用来标记v_y是否已被着色一次；

（2）、判断v_y的所有相邻节点中是否已有被标号为j的颜色着色的节点；若没有则执行步骤（3），若有则执行步骤（5）；

（3）、令found=1，并将颜色标号为j的颜色分配给节点v_y；

（4）、判断语句found=1&&q_i=1&&colored_once=0是否为真，即判断找到的最小颜色标号且该节点的带宽需求为高优先级同时该节点未被着色一次是否为真；若为真则令found=0，colored_once=1；

（5）、判断found是否为0；若为0，则j＝j+1，并跳转至步骤（2）；若为1，则结束计算，完成对节点v_y的着色。

S4.根据步骤S3中的着色结果，建立可用频谱资源集合与颜色的对应关系，为毫微微小区用户分配频谱资源；本实施例中该步骤如图5中所示，主要包括：

S401.若多分配一些可用频谱资源给使用频率高的颜色，则可以提高整体频谱使用效率；为了兼顾用户公平性，设置比例调节因子λ；

S402.对于每一簇中的可用频谱，按比例λ+c₁:λ+c₂:…:λ+c_K分为K组以分别对应颜色标号为1至K的颜色；其中，K表示该簇着色过程中最大颜色标号，c_i表示该簇着色过程中第i种颜色的使用频率；可以通过适当调节λ值的大小从而在频谱利用率和用户公平性之间取得折中效果；

S403.依据所述着色结果A={a_i，j}_N×K以及步骤S402中可用频谱资源集合和颜色的对应关系，为毫微微小区用户分配正交的频谱资源，然后调整***参数至相应频段进行可靠通信。

进一步的，为了有效抑制毫微微小区之间和毫微微小区对宏小区的两类同频干扰，可以周期性的检测频谱资源状态，更新数据，并同步执行步骤上述S1-S4。

通过本发明毫微微小区用户分配获得的频谱资源是满足干扰抑制和用户差异性带宽需求的，表现为：毫微微小区通过检测宏小区的频谱资源占用信息并避让不用，因而抑制了毫微微小区对宏小区用户的干扰；通过建立干扰拓扑图并利用图着色算法为相邻小区分配正交资源从而抑制了毫微微小区之间相互的干扰；干扰被抑制后，最大程度上优化了频率利用效率和***整体吞吐量；同时，带宽需求为高优先级的用户节点被着色两次，其分到的频谱资源是带宽需求为低优先级用户的两倍，故满足了高优先级的用户的通信需求；因此本发明提出的基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱方法为今后异构网络的大规模实际应用提供了有力的技术支持，奠定了坚实的基础。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (9)

1.一种基于干扰抑制和用户差异性带宽需求的频谱分配方法，其特征在于，包括步骤：

S1.汇总毫微微小区用户定期检测到的监控信息；

S2.结合所述监控信息建立干扰拓扑图并确定可用频谱资源集合；

S3.结合毫微微小区用户带宽需求优先级，利用色度优先算法对所述干扰拓扑图进行着色；其中，所述步骤S3包括步骤：

S301.对于每一簇节点，计算该簇中各个节点的度数并将该簇中所有节点加入集合U；

S302.根据带宽需求优先级，为集合U中度数最大的节点分配颜色标号，完成着色；从集合U中剔除该节点；

S303.计算集合U中未完成着色节点的色度，选取其中色度最大的节点，以颜色标号最小为标准，根据带宽需求优先级对该节点着色；着色完成后从集合U中剔除该节点；

S304.若集合U为空，跳转至步骤S4；否则，跳转至步骤S303；

S4.根据步骤S3中的着色结果，建立可用频谱资源集合与颜色的对应关系，为毫微微小区用户分配频谱资源。

2.根据权利要求1所述的频谱分配方法，其特征在于，所述监控信息包括：毫微微小区用户所在宏小区的频谱资源占用状态以及可能发生同频干扰的相邻毫微微小区的标识号。

3.根据权利要求1所述的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤S2中依据毫微微小区用户的差异性带宽使用情况将带宽需要划分多个优先级别。

4.根据权利要求3所述的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤S2中依据毫微微小区用户的差异性带宽使用情况将带宽需要划分两个优先级别。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤S2包括步骤：

S201.建立干扰拓扑图；其中，节点表示毫微微小区，连线表示其连接的毫微微小区同频使用会产生干扰；

S202.所述干扰拓扑图由多个互不相连的簇组成；一个簇中的节点数量为N，该簇中所有节点构成集合V＝{v₁,v₂,…,v_N}_N×1；节点v_m检测到的可用频谱为I_m；该簇中可用频谱为所有簇的可用频谱构成可用频谱资源集合。

6.根据权利要求5所述的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤S303包括，若同时存在多个色度最大的节点，则选取其中度数最大的节点。

7.根据权利要求6所述的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤S303中以颜色标号最小为标准，根据带宽需求优先级对该节点进行着色包括步骤：

判断该节点的所有相邻节点是否被标号为j的颜色着色；

结果为是，则结合颜色标号j以及带宽需求优先级的对该节点着色；

结果为否，则修改j值为j+1，重复上述步骤；

其中j初始值为1。

8.根据权利要求6所述的频谱分配方法，其特征在于，所述着色结果包括着色过程中用到的最大颜色标号，颜色使用频率矩阵以及着色记录矩阵。

9.根据权利要求6所述的频谱分配方法，其特征在于，所述步骤S4中建立可用频谱资源集合与颜色的对应关系包括步骤：

S401.设置比例调节因子λ；

S402.对于每一簇中的可用频谱，按比例 λ+c₁:λ+c₂:…:λ+c_K分为K组，其中，K表示该簇着色过程中最大颜色标号，c_i表示该簇着色过程中第i种颜色的使用频率。