CN101711033B - 适合于感知无线电网络的动态信道分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适合于感知无线电网络的动态信道分配方法及其系统，将注水功率分配算法引入到动态信道分配之中，实现一种基于小区的分布式动态信道分配方法，根据各载波在频率选择性衰落信道中不同的瞬时增益，动态地分配数据比特和发射功率，从而达到优化系统性能，提高频谱效率的目的。与以往的基于基站的动态信道分配方法相比，该方法考虑了用户之间的公平性，根据用户的速率要求和用户已分配的速率来决定哪个用户优先分配载波。此方法针对感知无线电网络频谱变化的环境和多业务的环境能够提供优越的性能和自适应能力。

Description

适合于感知无线电网络的动态信道分配方法及系统

技术领域

本发明涉及一种动态信道分配方法及系统，适合于感知无线电网络频谱变化的环境和多业务的环境，属于无线网络技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，传统的静态频谱分配机制与频谱实际需求之间的矛盾日益显著，频谱短缺现象日益严重。频谱资源的利用率问题成为未来移动通信发展的一大瓶颈。无线通信系统中最珍贵的资源就是无线频谱，为了最大化频谱的使用效率，可以改进物理层技术，如数字调制，编码等，也可以改进网络层性能，如动态信道分配方案。动态信道分配方案可分为两类：中央控制式方案和分布式控制方案。中央控制动态信道分配方案中，新的呼叫从中央空闲信道池中选择信道，并且使用一个特定的函数来选择信道。中心控制式算法包含：首次可获、均方、最近邻居、有序动态信道搜索、本地优化动态分配等。中央控制的动态信道分配方案理论上可以提供接近最优的性能，但是计算量和基站之间的通信量导致了系统延迟的加大，从而使得这种方案并不实用。分布式动态信道分配方案能够克服这些缺点。

分布式动态信道分配方案基本上基于下列三个因素之一：同信道小区距离、信号强度度量和信噪比。在一个基于小区的分布式方案中，使用一个表格指示其邻近小区的信道使用状况，从空闲的信道中选择一个给请求的呼叫。在一个邻近信道干扰限制方案中，除了同信道干扰之外，在选择信道时还考虑了邻近信道的干扰。在一个基于信号强度度量的分布式方案中，如果一个信道预期的载干比超过一定门限就可以将该信道分配给新的呼叫。这可能导致一些现存呼叫的载干比恶化，从而导致需要为它们重新分配满足载干比要求的信道。否则，这些被中断的呼叫可能被永远丢弃，甚至可能导致系统的不稳定。

现存的基于小区的分布式动态信道分配方案包含：最大打包方案、本地打包分布式动态信道分配、序列信道搜索、速度和移动方向动态信道分配和基于预测的信道分配。此外，动态信道选择是一种基于移动台的分布式动态信道分配方案。最大打包方案是一种性能最优的算法，但是物理上不可实现，其余四种基于小区的分布式动态信道分配方案均未考虑用户之间的公平性。

本发明将注水功率方法引入到动态信道分配方法之中，此结合方法作为一种基于小区的分布式方法，使用了改进的最大化最小准则使用户总是有机会参与分配，并使信道较好的用户受到惩罚，从而保证了用户之间的公平性。此方法针对认知无线电网络频谱变化的环境和多业务的环境能够提供优越的性能和自适应能力。

发明内容

为了在无线电网络频谱变化的环境和多业务的环境中实现最大化频谱使用效率，本发明提出了一种适合于感知无线电网络的动态信道分配方法及系统。

本发明的技术方案是：本发明提出的适合于感知无线电网络的动态信道分配系统，包括蜂窝网络、小区簇、小区、扇区、主基站、从基站、中心控制器、信道分配装置、干扰信息收集装置、载频，其中蜂窝网络的频率复用方式采用4*3常规频率复用方式，每四个六边形小区构成一个小区簇，从4个基站中选择一个做为主基站，主基站存储本小区簇的信道使用信息，并且与相邻小区簇交换信道使用信息，每个小区簇的主基站计算出某个载频在其相邻小区簇的使用计数。每一个小区簇分配19个载频，每个六边形小区分配3个载频，即一个小区簇占用12个载频，预留7个载频。

适合于感知无线电网络的动态信道分配方法采用自适应M-QAM调制，每个载频能发送的比特数目为：

$b_{l,m,n}={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{SINR}}_{l,m,n}}{{\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}})$

其中l＝1，…，L，表示小区，m＝1，…，19，表示载频；n＝1，…，N，表示用户，Hl表示小区l的相邻小区簇；

由 $\frac{{\mathrm{SINR}}_{l,m,n}}{{\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}}=\frac{g_{l,m,n}{p}_{l,m,n}}{({\mathrm{\σ}}^2+I_{l,m,n}){\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}}=q_{l,m,n}{p}_{l,m,n}$ 得 $q_{l,m,n}=\frac{g_{l,m,n}}{({\mathrm{\σ}}^2+I_{l,m,n}){\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}},$ q_l，m，n能够完全反映用户n在小区l中使用载频m时的信道状况，令q’_l，m，n＝w_l，mq_l，m，n，信道增益因子w_l，m定义为：

μ≥0，α＝2，其中，K_l，m是载频m在小区l的相邻小区簇H_l中的使用计数，引入信道增益因子后，μ取值不同时，信道增益得到不同程度的降低；

本方法具体包括如下步骤：

步骤1，初始化用户速率为0，功率为0，信道集为空集；

步骤2，找到(R_m，n-R)绝对值最大的用户，其中R_m，n表示用户当前的速率，R表示用户请求的速率；

步骤3，找到具有最大q′_l，m，n值的信道，此信道的信道状况最好；

步骤4，采用等功率方法，使用步骤1～3中的值计算b_l，m，n，b_l，m，n≥1时转到步骤5，b_l，m，n＜1时转到步骤2寻找下一个当前速率偏离请求速率最大的用户；

步骤5，将最佳信道分配给用户并相应的增大用户的功率；

步骤6，使用注水法重新在用户所占的信道上分配功率；

①计算注水水平

$v_{n^{*}}=\frac{1}{\left|S_{{l,n}^{*}}\right|}(P_{{l,n}^{*}}+\underset{m\∈S_{{l,n}^{*}}}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{q_{{l,m,n}^{*}}^{\′}})$

其中，n^*表示选中的实际数据传输速率离请求速率相差较大的用户，

表示用户n^*在小区l中的发送功率，

表示用户n^*在小区l中所占用的信道的集合；

②计算最佳信道上的功率；

③根据相应的功率计算信道上的b_l，m，n。如果b_l，m，n≥1，相应的信道分配给用户，否则转到步骤2；

④更新变量；

步骤7，当所有的载波分配完毕或者所有的用户不再参与分配，那么转到下一步，否则转到步骤2；

步骤8，结束流程。

本发明取得的有益效果如下：(1)考虑了用户之间的公平性，将功率和载波进行联合分配；(2)只要求基站间简单交换载频使用计数信息，不会带来很大的信令负载；(3)针对感知无线电网络频谱变化的环境和多业务的环境能够提供优越的性能和自适应能力；(4)显著提高了频谱使用效率。

附图说明

图1是蜂窝网络结构图；

图2是本发明提出的动态信道分配方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：系统结构

假设蜂窝网络的频率复用方式采用4*3常规频率复用方式，为每一个小区簇分配19个载频，每个扇区分配1个载频，预留7个载频。从4个基站中选择一个做为主基站，主基站存储本小区簇的信道使用信息，并且与相邻小区簇交换信道使用信息。因此，每个小区簇的主基站可以计算出某个载频在其相邻小区簇的使用计数。如图1所示，每四个六边形小区构成一个小区簇，以左下角的一个小区簇为例，“*”号和“#”号分别表示基站所处位置，其中“#”号表示主基站所处位置。

假设采用自适应M-QAM调制，则每个载频能发送的比特数目为：

$b_{l,m,n}={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{SINR}}_{l,m,n}}{{\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}})---\left(1\right)$

其中，

Г_l，m，n＝-ln(5BER)/1.5    (2)

${\mathrm{SINR}}_{l,m,n}=\frac{g_{l,m,n}{p}_{l,m,n}}{{\mathrm{\σ}}^2+I_{l,m,n}}---\left(3\right)$

$I_{l,m,n}=\underset{n^{\′}\≠n,l^{\′}\∈H_l}{\mathrm{\Σ}}{g}_{l^{\′},m,n^{\′}}{p}_{l^{\′},m,n^{\′}}.---\left(4\right)$

l＝1，…，L，表示第l个小区簇；m＝1，…，19，表示第m个载频；n＝1，…，N，表示第n个用户。SINR_l，m，n，p_l，m，n，g_l，m，n分别表示用户n在小区l的第m个载频上的接收信干比，发送功率和信道增益。BER表示误码率。σ²表示加性高斯白噪声的方差。I_l，m，n表示小区l中使用载频m的用户n受到来自相邻小区簇的同信道干扰。H_l表示小区l的相邻小区簇构成的集合。

从(2)式和(3)式可以得到(5)式和(6)式：

$\frac{{\mathrm{SINR}}_{l,m,n}}{{\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}}=\frac{g_{l,m,n}{p}_{l,m,n}\·}{({\mathrm{\σ}}^2+I_{l,m,n}){\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}}=q_{l,m,n}{p}_{l,m,n}---\left(5\right)$

$q_{l,m,n}=\frac{g_{l,m,n}}{({\mathrm{\σ}}^2+I_{l,m,n}){\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}}---\left(6\right)$

由(6)式可知，q_l，m，n可以完全反映用户n在小区l中使用载频m时的信道状况。信道增益因子w_l，m定义为：

$w_{l,m}=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^{u\·K_{l,m}}},$ μ≥0，α＝2    (7)

令q’_l，m，n＝w_l，mq_l，m，n    (8)

其中，K_l，m是载频m在小区l的相邻小区簇H_l中的使用计数。引入信道增益因子后，μ取值不同时，信道增益得到不同程度的降低。

实施例二：方法流程

假设第l个小区簇仅和它的邻小区簇交换信道使用信息。信道使用信息由19个比特组成，第m个比特表示第m个载频是否被占用。如果比特值为0，意味着载波被分配，如果比特值为1，则相应的载波没有被分配。联合分配方法的步骤如下所示：

步骤1，初始化用户速率为0，功率为0，信道集为空集。

步骤2，找到(R_m，n-R)绝对值最大的用户，其中R_m，n表示用户当前的速率，R表示用户请求的速率。

步骤3，找到具有最大q’_l，m，n值的信道，此信道的信道状况最好。

步骤4，采用等功率方法，使用步骤(1)～(3)中的值计算b_l，m，n，如果b_l，m，n≥1，转到下一步。如果b_l，m，n小于1，说明此用户的信道状况较差，不适合参与剩余载频的分配，转到步骤(2)寻找下一个当前速率偏离请求速率最大的用户。

步骤5，将最佳信道分配给用户并相应的增大用户的功率。

步骤6，使用注水法重新在用户所占的信道上分配功率。

①计算注水水平

$v_{n^{*}}=\frac{1}{\left|S_{{l,n}^{*}}\right|}(P_{{l,n}^{*}}+\underset{m\∈S_{{l,n}^{*}}}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{q_{{l,m,n}^{*}}^{\′}})---\left(9\right)$

其中，n^*表示选中的实际数据传输速率离请求速率相差较大的用户，表示用户n^*在小区l中的发送功率，

表示用户n^*在小区l中所占用的信道的集合。

②计算最佳信道上的功率

③根据相应的功率计算信道上的b_l，m，n。如果b_l，m，n等于或大于1，相应的信道分配给用户。否则转到步骤2。

④更新变量

步骤7，如果所有的载波分配完毕或者所有的用户不再参与分配，那么转到下一步，否则转到步骤2。

步骤8，结束流程。

由系统结构部分的理论分析可知，这是一种发射总功率和系统误码率上限不变时传输比特数最大化的自适应方法。自适应调制技术根据各载频的增益动态地分配功率和传输比特数并选择相应的调制方式，能够显著提高系统的性能。各载波的瞬时增益经接收端估计后反馈到发射端，为了分析方便，方法假设发射端已知准确的信道信息。

Claims (1)

1.适合于感知无线电网络的动态信道分配方法，其特征在于：

采用自适应M-QAM调制，每个载频能发送的比特数目为：

$b_{l,m,n}={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{SINR}}_{l,m,n}}{{\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}})$

其中l＝1，...，L，表示小区，m＝1，...，19，表示载频；n＝1，...，N，表示用户，H_l表示小区l的相邻小区簇；

由 $\frac{{\mathrm{SINR}}_{l,m,n}}{{\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}}=\frac{g_{l,m,n}{p}_{l,m,n}}{({\mathrm{\σ}}^2+I_{l,m,n}){\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}}=q_{l,m,n}{p}_{l,m,n}$ 得 $q_{l,m,n}=\frac{g_{l,m,n}}{({\mathrm{\σ}}^2+I_{l,m,n}){\mathrm{\Γ}}_{l,m,n}},$ q_l，m，n能够完全反映用户n在小区l中使用载频m时的信道状况，令q’_l，m，n＝w_{l，mql，m，n}，信道增益因子w_l，m定义为：

μ≥0，α＝2，

其中，SINR_l，m，n，p_l，m，n，g_l，m，n分别表示用户n在小区l的第m个载频上的接收信干比、发送功率和信道增益；Γ_l，m，n＝-ln(5BER)/1.5是误码率BER的函数，反映了信道容量与吞吐量的差异，BER表示误码率；σ²表示加性高斯白噪声的方差；I_l，m，n表示小区l中使用载频m的用户n受到来自相邻小区簇的同信道干扰；K_l，m是载频m在小区l的相邻小区簇Hl中的使用计数，引入信道增益因子后，μ取值不同时，信道增益得到不同程度的降低；

本方法具体包括如下步骤：

步骤1，初始化用户速率为0，功率为0，信道集为空集；

步骤2，找到(R_m，n-R)绝对值最大的用户，其中R_m，n表示用户当前的速率，R表示用户请求的速率；

步骤3，找到具有最大q’_l，m，n值的信道，此信道的信道状况最好；

步骤4，采用等功率方法，使用步骤1～3中的值计算b_l，m，n，b_l，m，n≥1时转到步骤5，b_l，m，n＜1时转到步骤2寻找下一个当前速率偏离请求速率最大的用户；

步骤5，将最佳信道分配给用户并相应的增大用户的功率；

步骤6，使用注水法重新在用户所占的信道上分配功率；

①计算注水水平

$v_{n^{*}}=\frac{1}{\left|S_{l,n^{*}}\right|}(P_{l,n^{*}}+\underset{m\∈S_{l,n^{*}}}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{q_{l,m,n^{*}}^{\′}})$

其中，n*表示选中的实际数据传输速率离请求速率相差较大的用户，

表示用户n*在小区l中的发送功率，

表示用户n*在小区l中所占用的信道的集合；

②计算最佳信道上的功率；

③根据相应的功率计算信道上的b_l，m，n；如果b_l，m，n≥1，相应的信道分配给用户，否则转到步骤2；

④更新变量；

步骤7，当所有的载波分配完毕或者所有的用户不再参与分配，那么转到下一步，否则转到步骤2；

步骤8，结束流程。

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