CN101277146A - 无线通信系统中信道分配的方法及装置及设备 - Google Patents

Abstract

一种无线通信系统中信道分配的实现方法及装置及设备，其主要包括：首先，获取预定区域内的候选频率信息，所述的候选频率信息中包含多个信道检测实体检测到的各信道的可用信息；之后，在所述的候选频率信息中，根据预定的信道匹配策略进行信道的分配。本发明的实现可以有效解决现有技术中存在的信道选择结果容易产生碰撞的问题，提高信道分配的效率，进而提高无线通信系统的通信性能。

Description

无线通信系统中信道分配的方法及装置及设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种频率分配技术。

背景技术

在通信系统中，为提高频谱的利用率，提出了基于通信信道检测的无线通信方式，即CR(认知无线电，Cognitive Radio)技术。

采用认知无线电技术的系统具体为：系统工作于已授权的频段中，并实时感知信道，以便于利用空闲频段进行工作。采用认知无线电技术的设备需要具备发现空闲信道，并在不干扰授权用户的前提下，灵活、高效地利用频谱的能力。

目前，由于认知无线电系统中，需要在保证授权设备(即授权用户)不受干扰的情况下，动态地调整工作信道，因此，所述的认知无线电系统需要支持DFS(动态频率选择)机制。

在认知无线电系统中，具体是通过感知模块，感知到空闲频段，并维护候选信道列表信息。当工作信道中出现授权用户时，则在候选信道列表中随机选择一个信道作为下一个工作频段，以实现动态频率选择。

由于各认知无线电系统采用了在候选信道中随机选择工作信道的实现方式，因此，相应的随机选择结果与其他信道选择结果产生碰撞冲突的机会大大增加，而且，所述的随机选择工作信道的实现方式也不利于频谱资源的高效利用。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种无线通信系统中信道分配的方法及装置及设备，从而降低频率分配过程中产生碰撞的可能性。

本发明实施例提供了一种无线通信系统中信道分配的实现方法，包括：

获取预定区域内的候选频率信息，所述的候选频率信息中包含多个信道检测实体检测到的各信道的可用信息；

在所述的候选频率信息中，根据预定的信道匹配策略进行信道分配。

本发明实施例提供了一种无线通信系统中信道分配的实现装置，包括：

候选频率信息获取单元，用于获取预定区域内的候选频率信息，所述的候选频率信息中包含多个信道检测实体检测到的各信道的可用信息；

信道选择分配单元，用于在所述候选频率信息获取单元获取的候选频率信息中，根据预定的信道匹配策略进行信道分配。

本发明实施例提供了一种无线网络控制器，其中设置有所述的无线通信系统中信道分配的实现装置。

本发明实施例提供了一种基站，其中设置有所述的无线通信系统中信道分配的实现装置。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，由于本发明实施例中采用了根据预定的信道匹配策略进行信道的选择分配，因而可以解决现有技术中存在的信道选择结果容易产生碰撞的问题，提高频谱资源利用率，同时，还可以提高无线通信系统的通信性能。

附图说明

图1为BS与SM通信的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的信道分配过程示意图；

图3为本发明实施例中应用的二部图；

图4为本发明实施例提供的装置结构示意图一；

图5为本发明实施例提供的装置结构示意图二；

图6为本发明实施例中最大匹配算法处理过程示意图；

图7为本发明实施例中最优匹配算法处理过程示意图；

图8为本发明实施例中仿真测试过程中的吞吐量仿真曲线示意图；

图9为本发明实施例中仿真测试过程中的频谱效率仿真曲线示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了无线通信系统中信道分配的实现方法中，不再采用随机选择信道的实现方式，而采用了根据预定的信道匹配策略进行信道分配的实现方案，从而可以克服现有技术存在的问题。

本发明实施例具体实现过程包括：首先，获取预定区域内的候选频率信息，所述的候选频率信息中包含多个信道检测实体检测到的各信道的可用信息；之后，在所述的候选频率信息中，根据预定的信道匹配策略选择当前分配的信道。其中，所述的信道检测实体(也称认知系统)可以为基站等支持认知功能的设备。

本发明实施例中，所述的获取预定区域内的候选频率信息的方式具体可以通过无线或有线方式获取所述候选频率信息；例如，无线通信系统中的信道检测实体(如基站等)可以通过有线或无线方式将所述候选频率信息传递给系统中的用于进行信道分配的控制设备SM(频谱管理器)，所述的SM可以为RNC(无线网络控制器)等设备，或者，也可以为区域内处于领导(控制)地位的BS中频谱管理单元等设备。

在本发明实施例中，所述的预定的信道匹配策略可以为最大匹配分配方式或最优匹配分配方式，下面将对两分配方式分别进行说明：

(1)最大匹配分配方式：

在该分配方式中，首先，根据所述候选频率信息包含的各个信道检测实体及其检测到的各信道的可用信息建立二部图，之后，采用最大匹配算法在所述的二部图中选择当前分配的信道；

(2)最优匹配分配方式：

在该分配方式中，首先，根据所述候选频率信息包含的各个信道检测实体，以及其检测到的各信道的可用信息和各信道的特性参数信息建立二部图，之后，根据信道的特性参数信息，采用最优匹配算法在所述的二部图中选择当前分配的信道。其中，所述的信道的特性参数信息可以为信噪比参数、RSSI(接收信号强度指示)和传输速率参数中的至少一项。

本发明实施例的实现使得在网络的相邻小区间，能够实现认知系统和信道的最佳匹配，从而有效降低产生碰撞的可能性；而且，若采用最优匹配分配方式进行信道的分配选择，则还可以优化频谱资源的分配，提高频谱资源的利用效率。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图对本发明实施例的具体实现方式进行详细描述。

参照图1所示，由SM获取BS发来的候选频率信息并进行信道分配为例，对本发明实施例的具体应用实现方案进行说明。

如图2所示，相应的信道分配的具体实现过程包括以下步骤：

步骤21：SM从BS获得实现动态频率分配机制所需要的候选频率信息；

该步骤中SM获得所述候选频率信息的方式可采用以下两种方式：

(1)有线接收方式，

即BS通过有线网络向SM上报自身的候选信道信息(即候选频率信息)，所述的候选信道信息包括BS检测到的各个信道的可用信息，并可选地包含各个信道的特性参数信息；之后，SM通过BS提交的候选信道信息实时更新自身的数据库；

(2)无线接收方式

即各BS通过发送空口消息的方式向SM上报所述的候选信道信息，以保证SM能够获知相邻小区的候选信道信息；例如，可以采用空口消息进行所述候选信道信息的传递。

步骤22：根据获取的候选信道信息建立二部图；

该步骤中，具体可以采用不同方式分别构造以下两种二部图：

(1)仅根据信道可用信息建立对应的二部图

在该实现方式中，BS仅确定各信道是否被占用的信道可用信息，即仅检测有无主要用户占用该信道；

假设，0表示该信道无法为认知系统使用，即不可用，1表示该信道可以为认知系统使用，即可用；再假设，信道的检测结果为BS1可用信道1(即CH1)，信道3(即CH3)和信道4(即CH4)，BS2可用信道1和信道3，BS3可用信道2(即CH2)和信道3，BS4可用信道3和信道4，BS5可用信道2，信道3和信道4；则相应的关联矩阵如表1所示：

表1

根据该关联矩阵确定对应的二部图(即二分图)如图3所示，在该二部图中，各认知系统对应着各个基站(即BS1至BS5)，并表明了各个基站与各个信道之间的关系。

(2)根据信道的权重及可用信息建立对应的二部图

在该实现方式中，BS的检测结果中既包含了信道的可用信息(即主要用户是否占用该信道的信息)，还包含一些信道权重信息，即信道的特性参数信息，如信噪比，RSSI，传输速度等特性参数；此时，假设，以0表示该信道无法为认知系统使用，即不可用，非零表示的该信道的权重信息(即通讯质量信息)；

假设BS上报的检测结果中携带着信道的信噪比参数信息，则将信道的检测结果写成加权关联矩阵，如表2所示：

表2

在该关联矩阵中，考虑到了不同信道的不同使用效率。

步骤23：根据建立的二部图采用最大匹配或最优匹配分配的方式进行信道的分配操作；

在该步骤中，具体的信道分配处理方式可以包括：

(1)若采用仅根据信道可用信息建立对应的二部图进行信道分配，则可以采用最大匹配算法进行信道分配操作，例如，可以采用二部图匹配最大匹配匈牙利算法实现，或者，也可以采用在该二部图匹配最大匹配匈牙利算法基础上提出的改进算法等实现；

利用所述的最大匹配算法进行信道的选择分配，可以最大化的利用各个信道，即使得每个被检测到的信道都得到利用；

(2)若采用根据信道的权重及可用信息建立对应的二部图进行信道的分配，则由于BS使用各信道的效率各不相同，在分配信道的过程中需要考虑最优化的问题，即可以根据信道的特性参数信息采用最优匹配算法(即二部图的最优匹配方案)进行信息的分配操作，以获取最大的信道效率，例如，可以采用Kuhn-Munkre算法(简称KM算法)，或者，在KM算法基础上提出的相应算法，等等。

不难看出，本发明实施例的实现能够有效避免不必要的接入碰撞，从而提高系统吞吐量。而且，本发明实施例还可以实现认知系统和信道的最佳匹配，以优化整个系统利用频谱资源的有效性。

本发明实施例还提供了一种无线通信系统中信道分配的实现装置，其具体实现结构如图4和图5所示，具体可以包括以下单元：

(一)候选频率信息获取单元

该单元具体用于获取预定区域内的候选频率信息，所述的候选频率信息中包含多个信道检测实体检测到的各信道的可用信息；

(二)信道选择分配单元

该单元具体用于在所述候选频率信息获取单元获取的候选频率信息中，根据预定的信道匹配策略选择当前分配的信道；

该信道选择分配单元具体可以但不限于采用以下两种结构实现：

(1)如图4所示，在第一种实现结构中，所述的信道选择分配单元采用最大匹配算法进行信道的选择分配操作，其结构具体可以包括：

第一二部图建立单元，用于根据各个信道检测实体及其检测到的各信道的可用信息建立二部图；

第一信道分配单元，用于采用最大匹配算法在所述第一二部图建立单元建立的二部图中选择当前分配的信道；

(2)如图5所示，在第二种实现结构中，所述的信道选择分配单元采用最优匹配算法进行信道的选择分配操作，其结构具体可以包括：

第二二部图建立单元，用于根据各个信道检测实体，以及其检测到的各信道的可用信息和各信道的特性参数信息建立二部图，所述的信道的特征参数信息可以为信噪比参数、RSSI和传输速率参数中的至少一项；

第二信道分配单元，用于根据信道的特性参数信息，采用最优匹配算法在所述第二二部图建立单元建立的二部图中选择当前分配的信道，以保证当前分配的信道为当前可以选择的特性参数最佳的信道，从而可以使得相应的信道资源能够被高效地利用。

可选地，本发明实施例提供的装置中还可以包括候选频率信息接收单元，用于通过无线或有线方式接收所述候选频率信息，并提供给所述的候选频率信息获取单元。

本发明实施例提供的所述无线通信系统中信道分配的实现装置具体可以设置于无线网络控制器，或者，也可以设置于基站。

通过上述本发明实施例提供的装置，可以使得各个可用信道能够得到最大程度的利用，进一步地，通过相应的最优匹配算法还可以有效提高信道资源的利用效率。

为更好理解本发明实施例，下面将对本发明实施例中，采用最大匹配算法及最优匹配算法进行信道分配的实现方案进行详细说明。

(1)最大匹配算法

采用最大匹配算法可以找出信道与BS(即认知系统)的匹配结果，具体可以为：根据输入的某区域某时刻BS与对应信道关联矩阵R，经过最大匹配算法处理后，输出该区域该时刻的信道分配方案。

如图6所示，基于最大匹配算法的信道分配过程包括以下步骤：

步骤61：任意给出初始匹配M，该M表示包含一组信道与BS，且信道与BS之间的任意匹配关系；

步骤62：确定M中的信道X，并判断X是否饱和，若X已饱和，则确定M中的各个信道X均已经被分配完成，针对X的处理过程结束，否则，执行步骤63；

步骤63：在X中找出一个非饱和点信道x₀，作

步骤64：判断Γ(V₁)＝V₂是否成立，若Γ(V₁)＝V₂，即针对未找到与其匹配的基站y，则因无法匹配而停止；否则，执行步骤65；

步骤65：任选一点y∈Γ(V₁)\V₂，即选择一个BS，并执行步骤66；

步骤66：判断y是否饱和，若y已饱和，则执行步骤68，否则，执行步骤67；

步骤67：作一条从x₀→y的可增广道路P，并设置于M中，即 $M\←M\⊕E\left(P\right),$ 并重新执行步骤62，直至结束。

步骤68：由于当前选择的y已饱和，故在M中重新确定一个y(即确定新的BS)，并更新V₁和V₂，即V₁←V₁∪{z}，V₂←V₂∪{y}，并执行步骤64。

(2)最优匹配算法

采用最优匹配算法可以找出信道与BS的最优匹配结果，具体可以为：根据输入的某区域某时刻BS与对应信道的加权关联矩阵R，经过相应的最优匹配算法处理，之后，输出该区域该时刻的最优信道分配方案，以获得最大利益，即获得最佳分配效果。

如图7所示，以采用信噪比作为所述信道的特性参数为例，此时，应用的目标函数为： $w=\underset{j}{\max \left(w_j\right)},j=j_1,j_2,...,j_n,$ 其中 $w_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}$ 表示第j中排列所获得利益；c_ij为第i个BS采用第j个信道的收益；基于该目标函数，相应的最优匹配算法具体可以包括以下步骤：

步骤71：给初始标号： $l\left(x_i\right)\←\underset{j}{\max \left\{c_{\mathrm{ij}}\right\}},l\left(y_j\right)\←0,i=\mathrm{1,2},...,n,$ 具体为针对第一个基站BS选择信噪比最大的值；

步骤72：求 $E_l\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left\{(x_i,y_i)\right|l\left(x_i\right)+l\left(y_j\right)=c_{\mathrm{ij}}\},$ 并用匈牙利算法求E_t的最大匹配M，具体处理过程参照图6所示；

步骤73：判断X是否饱和，若X饱和，则结束，否则，执行步骤74；

步骤74：在X中任找一非饱和点

步骤75：若在标号l下集合E_t与V₁的点邻接的点集Γ_l(V₁)＝V₂，则执行步骤76，否则，从Γ_l(V₁)\V₂中任找一点y，并执行步骤77；

步骤76：计算

(1)α＝min{l(x_i)+l(y_j)-c_ij}x_i∈V₁，y_j∈Γ_l(V₁)\V₂；

(2)修改标号，对标号l作如下修改：

(3)求E_t，在Γ_l(V₁)\V₂中任找一点y；

执行步骤78；

步骤77：直接在Γ_l(V₁)\V₂中任找一点y，并执行步骤78；

步骤78：判断y是否饱和，若y饱和，则执行步骤79，否则，执行步骤710；

步骤79：确定y未饱和，则从x₀到y找一条可增广道路p，作 $M\←M\⊕E\left(p\right),$ 并执行步骤73。

步骤710：由于y饱和，故，存在(y，x)∈M，则作：V₁←V₁∪{x₀}，V₂←V₂∪{y}，并执行步骤74。

在上述图7所示的基于信噪比参数的信道分配处理过程中，由于信道的信噪比参数为优选最大值，故采用上述目标函数及处理过程实现本发明实施例。需要说明的是，本发明实施例中具体是需要选择出最优的参数值，即对于某些信道参数可能会优选最小值，此时，相应的目标函数及处理过程则需要进行相应的调整，以调整为优选最小值进行信道的分配，例如，对于信道干扰参数便需要选取最小值作为最优参数。

可以看出，通过上述最大匹配算法或最优匹配算法，可以获得最大的匹配效果或者最优的匹配效果。

为进一步说明本发明实施例中描述的各实现方案的有益效果，下面将对本发明实施例的仿真实验过程及结果进行描述。

在仿真过程中采用的仿真系统模型为：假定某区域的整个网络中有15个BS，该区域的15个BS对于54-862MHZ的频段进行频谱检测，共发现频率不同的信道12个，而其中每个BS的可用信道为标号1-12的信道中的1-12个，并且在整个系统中这12个标号不同的信道的SNR(信噪比)不同，该12个信道的信噪比为随机范围为(-5～15)的一组随机数，服从均匀随机分布。

当信噪比不同时，BS工作在不同的调制方式下，其传输速率不同。

在该仿真实现方案中，具体是以自适应传输在MIMO-OFDM(多输入多输出正交频分复用)系统为例，传输过程中的信噪比及系统容量等参数如表3所示，且共进行了1000,000次的测试。

表3

ModeID模式标识	SNR(dB)(信噪比)	Modulation(调制方式)	Code rate(码率)	Capacity(容量)(bps/Hz)
					1	-3.4	BPSK	1/4	0.25
2	-0.4	BPSK	1/2	0.5
					3	2.2	QPSK	1/2	1
4	5.2	QPSK	3/4	1.5
					5	7.6	8PSK	2/3	2
6	10.9	16QAM	3/4	3
					7	14.5	64QAM	2/3	4

在上述仿真测试过程中，分别采用了本发明实施例提供的按照预定的信道匹配策略的信道分配方式及原有的信道选择方式实现信道选择，并分别测试获得了不同的信道选择方式下的系统吞吐量及频谱效率。

所述的吞吐量是衡量网络通信的一个重要指标。吞吐量的大小对于网络中数据的传输起着决定性的作用。通信网络在不同信道选择方式下的吞吐量仿真曲线如图8所示，可以看出，改进后的信道分配算法由于有效的减少了不同BS之间的碰撞，使得相应吞吐量明显高于原信道选择算法获得的吞吐量。

所述的频谱效率是衡量系统性能的一个重要参数，提高该频谱效率便可以提高系统的吞吐量。通信网络的频谱效率仿真曲线如图9所示，可以看出，改进后的信道分配算法获得的频谱效率较原有信道选择算法获得的频谱效率大大提高，从而可以更加有效的利用网络中频谱资源。

总之，通过上述仿真测试的结果可以看出，本发明实施例的有益效果显而易见。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1. 一种无线通信系统中信道分配的实现方法，其特征在于，包括：

获取预定区域内的候选频率信息，所述的候选频率信息中包含多个信道检测实体检测到的各信道的可用信息；

在所述的候选频率信息中，根据预定的信道匹配策略进行信道分配。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的获取预定区域内的候选频率信息的方式包括：

在网络侧实体之间通过无线或有线方式获取所述候选频率信息。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的根据预定的信道匹配策略选择当前分配的信道的步骤包括：

根据各个信道检测实体及其检测到的各信道的可用信息建立二部图，并采用最大匹配算法在所述的二部图中选择当前分配的信道；

或者，

根据各个信道检测实体，以及其检测到的各信道的可用信息和各信道的特性参数信息建立二部图，并根据信道的特性参数信息，采用最优匹配算法在所述的二部图中选择当前分配的信道。

4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的信道的特性参数信息包括：

信噪比参数、干扰参数、接收信号强度指示RSSI和传输速率参数中的至少一项。

5. 一种无线通信系统中信道分配的实现装置，其特征在于，包括：

候选频率信息获取单元，用于获取预定区域内的候选频率信息，所述的候选频率信息中包含多个信道检测实体检测到的各信道的可用信息；

信道选择分配单元，用于在所述候选频率信息获取单元获取的候选频率信息中，根据预定的信道匹配策略进行信道分配。

6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括候选频率信息接收单元，用于通过无线或有线方式接收所述候选频率信息，并提供给所述的候选频率信息获取单元。

7. 根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述的信道选择分配单元具体包括：

第一二部图建立单元，用于根据各个信道检测实体及其检测到的各信道的可用信息建立二部图；

第一信道分配单元，用于采用最大匹配算法在所述第一二部图建立单元建立的二部图中选择当前分配的信道。

8. 根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述的信道选择分配单元具体包括：

第二二部图建立单元，用于根据各个信道检测实体，以及其检测到的各信道的可用信息和各信道的特性参数信息建立二部图；

第二信道分配单元，用于根据信道的特性参数信息，采用最优匹配算法在所述第二二部图建立单元建立的二部图中选择当前分配的信道。

9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的信道的特性参数信息包括：

信噪比参数、干扰参数、接收信号强度指示RSSI和传输速率参数中的至少一项。

10. 一种无线网络控制器，其特征在于，在该无线网络控制器中设置权利要求5至权利要求9任一项所述的无线通信系统中信道分配的实现装置。

11. 一种基站，其特征在于，在该基站中设置权利要求5至权利要求9任一项所述的无线通信系统中信道分配的实现装置。

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