CN101742677A - 蜂窝移动通信系统中分布控制式频谱共享方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享方法和装置，其中该方法包括：测量点(MP)分别检测每个子载波上来自所有从用户的干扰量；在某一子载波上来自所有从用户的干扰量之和大于预先设定的干扰门限时，重新确定每个从用户对该子载波的发射权；以及将重新确定的每个从用户对每个子载波的发射权信息发布给相应从用户。通过上述方法，可以有效地控制每个子载波上从用户产生的共信道干扰，实现有效地频谱共享。

Description

蜂窝移动通信系统中分布控制式频谱共享方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享的方法和相关装置。

背景技术

在移动通信系统的发展过程中，蜂窝式结构是移动通信的主要发展模式。由于电磁波传输的远近效应，系统边缘的用户往往不能得到很好的服务，从而难以实现高速数据业务，并且系统中往往存在“盲区”，影响了网络运营商的信誉。此外，由于没有负载平衡能力，网络中常常出现局部业务过载的现象，称为小区“热点”问题，造成服务中断。为了解决蜂窝系统中的上述问题，提高现有蜂窝系统的服务质量，现已提出了混合蜂窝网和家用毫微微蜂窝网络(Femtocell)的概念。

在混合蜂窝网中，小区边缘的局部业务不再通过基站直接扩散到整个网络中，而是通过在多个蜂窝用户之间采用中继的方式完成，从而缓解了小区的瓶颈效应，还可以在没有基础设施支持或基础设施毁坏时在一定程度上实现通信。由于混合网络中的多跳用户采用多跳方式接入网络，脱离了基站的控制，故多跳用户应该根据周围环境独立做出抉择，即多跳用户将采用分布式接入方案接入网络。

在家用毫微微蜂窝网络中，原有蜂窝系统内部存在大量的新增案用毫微微基站，原有基站采用中心式控制方式控制各个家用毫微微基站的发射参数变得不再可行，这就要求各个家用毫微微小区也要独立进行参数设定，即毫微微蜂窝用户也将采用分布式接入方案接入网络。

由于在混合蜂窝网和家用毫微微蜂窝网络中多跳用户和家用毫微微蜂窝用户均采用了分布式接入方案，多跳用户和家用毫微微蜂窝用户必然会对原有蜂窝系统产生共信道干扰，从而会大大降低原有蜂窝系统的服务质量，因此，在实际应用中，必须在混合蜂窝网和家用毫微微蜂窝网络等现有蜂窝移动通信系统与其他移动通信系统混合组网的蜂窝移动通信系统中采用有效的频谱共享方法，并对所产生的共信道干扰进行控制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享的方法和装置，可以在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享，并可以有效地控制由频谱共享所产生的共信道干扰。

本发明实施例所述的分布控制式频谱共享方法，包括：测量点(MP)分别检测每个子载波上来自所有从用户的干扰量；在某一子载波上来自所有从用户的干扰量之和大于预先设定的干扰门限时，MP重新确定每个从用户对该子载波的发射权；以及MP将重新确定的每个从用户对每个子载波的发射权信息发布给相应从用户。

其中，所述干扰量被计测为干扰温度，所述干扰门限为预先设定的每个子载波上的干扰温度门限；所述在每个子载波上来自所有从用户的干扰量的和大于预先设定的干扰门限时，重新确定每个从用户对该子载波的发射权包括：在每个子载波n(n＝1，…，N)上计测的干扰温度IT_n大于预先确定的子载波n上的干扰温度门限ITL_n时，重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权，其中，N为子载波总数。

上述方法进一步包括：每个从用户向MP反馈自身发射端到MP的信道增益；所述重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权包括：

步骤401，根据每个从用户自身发射端到MP在子载波n上的信道增益，分别计算在子载波n上每个从用户的干扰温度；

步骤402，按照每个从用户在子载波n上的干扰温度从小到大排列的顺序排列所有从用户，并且将从用户排列顺序用数组{X_m，m＝1，…，M}记录；其中，M为从用户的总数；

步骤403，设定计数变量初始值k＝0；

步骤404，将k与M进行比较，在k小于M时，执行步骤405，否则，结束本流程；

步骤405，取消第X_M-k个从用户在子载波n上的发射权；

步骤406，从在子载波n上来自所有从用户的干扰温度中去除第X_M-k个从用户在子载波n上的干扰温度；

步骤407，将更新后的干扰温度与子载波n的干扰温度门限进行比较，若小于或等于所述干扰温度门限，则结束本流程；否则，将计数变量k加一，并返回步骤404。

上述方法进一步包括：每个从用户向MP反馈对端从用户的发射端到自身接收端的传输容量；所述重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权包括：

步骤501，确定当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n；

步骤502，确定本次调整涉及的最大从用户数目β；

步骤503，将本次调整涉及的最大从用户数目β与当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n进行比较，若β≥K_n，则执行步骤508；否则，执行步骤504；

步骤504，将K_n个从用户按照对端从用户的发射端到自身接收端在子载波n上的传输容量从小到大的顺序进行排序后的顺序记录为数组{X_m，m＝1，…，K_n}；

步骤505，设定计数变量初始值k＝1；

步骤506，取消第X_k个从用户在子载波n上的发射权，并将计数变量k加一；

步骤507，将计数变量k与本次调整涉及的最大从用户数目β进行比较，若k≤β，则返回步骤506；否则，结束本流程；

步骤508，取消当前在子载波n上通信的所有K_n个从用户的发射权。

上述方法进一步包括：每个从用户向MP反馈是否正在使用各子载波；所述重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权包括：

步骤601，确定当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n；

步骤602，确定本次调整涉及的最大从用户数目β；

步骤603，将本次调整涉及的最大从用户数目β与当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n进行比较，若β≥K_n，则执行步骤608；否则，执行步骤604；

步骤604，将K_n个从用户随机排列，并且将从用户排列顺序用数组{X_m，m＝1，…，K_n}记录；

在步骤605，设定计数变量初始值k＝1；

步骤606，取消第X_k个从用户在子载波n上的发射权，并将计数变量k加一；

步骤607，将计数变量k与本次调整涉及的最大从用户数目β进行比较，若k≤β，则返回步骤606；否则，结束本流程；

步骤608，取消当前在子载波n上通信的所有K_n个从用户的发射权。

其中，所述本次调整涉及的最大从用户数目β通过公式

计算，其中，IT_n表示子载波n上的干扰温度，ITL_n表示子载波n的干扰温度门限，K_n表示占用子载波n的从用户总数，运算符()⁺表示向上取整运算。

本发明另一实施例提供的分布控制式频谱共享方法，包括：每个从用户预先为每个子载波分配发射参数；以及每个从用户分别根据测量点MP发布自身对每个子载波的发射权信息重新确定自身在可用子载波上的发射功率。

其中，所述每个从用户预先为每个子载波分配发射参数包括：每个从用户预先设定占用所有的子载波且自身在每个子载波上的发射功率均为最大发送功率的N分之一，其中，N为子载波总数。

所述每个从用户分别根据MP发布自身对每个子载波的占用情况重新确定自身在可用子载波上的发射功率包括：每个从用户分别计算自身发射端到接收端在每个子载波上的信干噪比SINR；每个从用户分别根据从MP接收到的自身对每个子载波的占用情况以及自身在每个子载波上的SINR，采用灌水法重新分配自身在每个子载波上的发射参数。

上述方法进一步包括：每个从用户分别向MP反馈自身的信道信息。上述信道信息包括每个从用户自身发射端和MP之间的信道增益；或每个从用户在所有子载波上从对端从用户的发射端到自身接收端的传输容量；或每个从用户自身对所有子载波的占用情况。

上述每个从用户在每个子载波上的发射参数包括每个从用户对每个子载波的占用情况以及每个从用户在每个子载波上的发射功率。

本发明的实施例提供了一种MP，包括：干扰检测模块，用于分别检测每个子载波上来自所有从用户的干扰量；发射权确定模块，用于将干扰检测模块检测到的每个子载波上来自所有从用户的干扰量之和分别与预先设定的干扰门限进行比较，当某个子载波上的干扰大于预先设定的干扰门限时，重新确定每个从用户对该子载波的发射权；以及发射权通知模块，用于将重新确定的每个从用户对每个子载波上的发射权信息分别下发给相应从用户。

上述发射权确定模块包括：信道信息接收子模块，用于接收每个从用户反馈的信道信息；门限比较子模块用于分别将干扰检测模块检测到的每个子载波上来自所有从用户的干扰温度与预先设置的每个子载波的干扰温度门限进行比较，如果某个子载波上的干扰温度大于该子载波的干扰温度门限，则通知发射参数调整子模块调整该子载波上每个从用户的发射权；以及发射权调整子模块，用于根据信道信息接收子模块接收的信道信息重新确定每个从用户在干扰温度大于干扰温度门限的子载波上的发射权，并将重新确定的每个从用户在每个子载波上的发射权发送给发射参数通知模块。

本发明的实施例还提供了一种从用户设备，包括：发射参数预分配模块，用于预先分配本从用户设备在每个子载波上的发射参数；发射权接收模块，用于接收从MP发布的本从用户设备对每个子载波的发射权信息；以及发射参数分配模块用于根据本从用户设备对每个子载波的发射权信息采用灌水法重新分配本从用户设备在每个子载波上的发射参数。

上述从用户设备还可以进一步包括：信道信息上报模块，用于向MP反馈本从用户设备的信道信息。

本发明提供的在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享的方法和装置通过包括检测每个子载波上所有从用户产生的共信道干扰，当检测到的干扰超过预先设定的干扰门限时，剔除在每个子载波上通信的从用户，并将剔除(Kick Off)结果发布给所有从用户，从用户接收到MP发布的剔除信息后，放弃相关子载波的使用权，并根据自己的信道情况独立确定自己在可用子载波上的发射功率，所有从用户进行上述操作并进行一系列的迭代过程，直到从系统对主系统所有子载波上的干扰温度低于干扰温度限并达到纳什均衡状态，从而达到有效地控制每个子载波上从用户产生的共信道干扰，并实现有效地频谱共享。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为本发明实施例所述的认知无线电系统的系统模型结构示意图；

图2为本发明实施例所述的认知无线电系统中从用户发射端和接收端的拓扑结构图；

图3为本发明实施例所述的在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享的方法的流程图；

图4显示了本发明第一实施例所述的调整在子载波n上通信的从用户的方法；

图5显示了本发明第二实施例所述的调整在子载波n上通信的从用户的方法；

图6显示了本发明第三实施例所述的调整在子载波n上通信的从用户的方法；

图7为本发明实施例所述的MP的内部结构示意图；

图8为本发明实施例所述的从用户设备的内部结构示意图；

图9为本发明实施例给出的分布控制式频谱共享方法的性能仿真图。

具体实施方式

本发明的核心思想是将认知无线电(CR，Cognitive Radio)技术与蜂窝移动通信系统相结合，将认知无线电系统的认知能力应用于混合蜂窝网和家用毫微微蜂窝网等与现有蜂窝移动通信系统混合组网的无线通信系统中，实现混合蜂窝网和家用毫微微蜂窝网等网络中用户的分布式无线接入，并且可以有效抑制混合蜂窝网和家用毫微微蜂窝网等网络中采用分布式接入的用户对现有蜂窝移动通信系统产生的共信道干扰，使混合蜂窝网和家用毫微微蜂窝网中的多跳用户和家用毫微微蜂窝用户可以与蜂窝移动通信系统用户和谐地共享频谱。

认知无线电技术是近年来无线通信领域的研究热点。认知无线电系统可以感知周围的环境，智能地改变和调整发射参数，高效地使用无线频谱资源，缓解目前无线频谱短缺的现状。然而，由于认知无线电系统通常工作在现有蜂窝移动通信系统的授权频段，通信过程中必须保证现有蜂窝移动通信系统的传输质量，即认知无线电系统的用户的数据传输不能对现有蜂窝移动通信系统的用户造成干扰。因此，必须采取有效的频谱共享方法，以控制干扰，达到认知无线电系统和现有蜂窝移动通信系统和谐共存的目的。在已提出的多种频谱共享方法中，频谱重叠共享模式(spectrum underlay)是针对无线通信频谱资源不足提出的一种频谱共享解决方案。在频谱重叠共享模式下，首先假设蜂窝移动通信系统自始至终占用信道，在这种情况下，为满足蜂窝移动通信系统用户的数据传输要求，认知无线电系统对自身用户的发射功率有着严格的限制，以保证认知无线电系统用户的数据传输在共享的子载波上引起的共信道干扰不能超过该子载波预先设定的干扰温度门限(ITL，Interference Temperature Limit)。由于频谱重叠共享模式是以蜂窝移动通信系统用户自始至终占用信道这种最坏的情况为前提，因而不需要认知无线电系统检测和利用频谱空洞，并且对于占用子载波的认知无线电系统用户个数也没有要求，只要认知无线电系统用户的数据传输没有超过蜂窝移动通信系统中子载波的ITL，即没有显著干扰蜂窝移动通信系统用户的传输质量，认知无线电系统用户就可以根据自身的需求自由地使用子载波传输数据。因此，采用频谱重叠共享模式可以实现认知无线电系统与现有蜂窝移动通信系统之间有效地频谱共享，并且系统设计和实现的复杂度也较低。

利用认知无线电技术，本发明提供了一种在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享的方法和装置，可以实现混合蜂窝网和家用毫微微蜂窝网等与现有蜂窝移动通信系统混合组网的网络中用户的分布式无线接入，并可以有效抑制由混合蜂窝网中多跳用户或家用毫微微蜂窝网中家用毫微微蜂窝用户给现有蜂窝移动通信系统带来的共信道干扰。

在本发明中，为了表述方便将工作在授权频段的现有蜂窝移动通信系统称为主系统，将该系统的用户称为主用户；相应地，将与主系统共享频谱资源并采用认知无线电技术的系统称为认知无线电系统或从系统，将该系统的用户称为从用户，例如，在小区边缘工作在中继模式下的多跳用户或家用毫微微蜂窝用户均可称为从用户。

在本发明的实施例中，假定各个从用户与主用户均以正交频分多址(OFDMA)方式工作在相同频段，各个从用户之间采用分布式方案接入系统，即从用户之间没有信息交互。

为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步的详细说明。

图1为本发明实施例所述的认知无线电系统的系统模型结构示意图。在图1所示的系统模型中，每个从用户均包含一个发射端和一个接收端，分别安装一根天线，假设从用户总数为M，子载波总数为N。发射端用T_m(m＝1，...，M)表示；接收端用R_m(m＝1，...，M)表示。为保证主用户的数据传输，认知无线电系统还要设置测量点(MP，Measure Point)实时控制各个子载波上的干扰温度(IT，Interference Temperature)。在认知无线电系统中设置MP的作用在于对于每个子载波，由MP分别测量每个从用户带来的干扰，当某个子载波上所有从用户带来的总干扰超过该子载波的干扰温度门限时，MP会进行干扰控制，确定停止使用该子载波的至少一个从用户，并会向相应的从用户发送信息，令其停止使用该子载波。

图2为本发明实施例所述的认知无线电系统中从用户发射端和接收端的拓扑结构图。对于认知无线电系统中的每个从用户，其发射端假定随机分布在某一固定区域，接收端分布在以发射端为中心的有限区域里。在图2中，用实心圆表示MP，用空心圆圈表示发射端，用星号表示接收端。

现假定每个认知无线电系统只采用一个MP，每个从用户的最大发送功率皆为P_max，且所有子载波的干扰温度门限相同。另外，假设从用户之间没有任何的信道状态信息(CSI)交换，并且由于干扰来自多个从用户及其不确定性，每个从用户的接收方将把其他从用户发射端发射的信号看作高斯噪声。认知无线电系统通过MP与从用户之间有限的信息交互保护主用户的数据传输，假设MP可以跟踪所有子载波上干扰的变化，且所有子载波的信道增益对于所有从用户和MP都经历的是平坦衰落。在理想情况下，MP测量子载波n上的干扰温度可以采用如下的公式(1)计算得到：

${\mathrm{IT}}_n=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{m,n}{\left|h_{m0,n}\right|}^2+\mathrm{BW}\·N_0}{k\·\mathrm{BW}}n=1,...,N---\left(1\right)$

其中，k为波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23J/K；BW表示子载波带宽；p_m，n表示从用户m在第n个子载波上分配的功率，h_m0，n表示子载波n上从用户m的发射端与MP之间的信道增益，h_m0，n中的0表示从用户发射端与MP之间的信道增益，用以与下文中从用户发射端与接收端之间的信道增益区分；N₀表示噪声方差，M表示从用户总数，N表示子载波总数。子载波干扰温度的单位是开尔文温度或绝对温度。

图3为本发明实施例所述的在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享方法的流程图。如图3所示，该方法包括：

步骤301，每个从用户预先独立地为每个子载波分配发射参数。

在本实施例中，上述每个从用户在每个子载波上的发射参数包括每个从用户对每个子载波的占用情况以及每个从用户在每个子载波上的发射功率。

上述预先分配每个从用户在每个子载波上的发射参数的步骤也称为系统初始化，是由每个从用户独立完成的。在本发明的一个实施例中，可以预先设定每个用户占用所有的子载波且每个从用户在每个子载波上的发射功率是平均分配的，均为每个从用户的最大发送功率P_max的N分之一，N表示子载波的总数。本领域的技术人员可以理解，这种发射参数的分配方法既简单易行又可以兼顾所有从用户的公平性。具体而言，该实施例的发射参数分配过程包括：

首先，对于m＝1，2，...，M，n＝1，...，N，M表示从用户的总数，N表示子载波的总数；定义向量p_m，n表示从用户m在第n个子载波上分配的功率，定义a_m，n表示子载波n被从用户m的占用情况，其中，a_m，n为1表示子载波n被从用户m占用，a_m，n为0表示子载波n没有被从用户m占用；

假定每个从用户的最大发送功率皆为P_max；

对于m＝1，2，...，M，n＝1，...，N，将p_m，n初始化为

且将a_m，n初始化为a_m，n＝1。

需要说明的是，上述发射参数的分配方法仅为本发明的一个简单实施例，还可以采用其他的发射参数分配方法而不会影响后续流程的实施。

步骤302，MP分别检测每个子载波上所有从用户的干扰量，并在某一子载波上所有从用户的干扰量之和超过预先设定的干扰门限时，重新确定每个从用户对该子载波的发射权，并将重新确定的每个从用户在每个子载波的发射权分别下发给相应从用户。

在本发明的实施例中，所述干扰量可以通过干扰温度来度量，上述干扰门限是指预先设定的每个子载波的干扰温度门限。在这种情况下，上述步骤302所述重新确定每个从用户对该子载波的发射权的方法具体包括以下步骤：

步骤3021，对应每个子载波n(n＝1，…，N)，MP分别检测在子载波n上所有从用户的干扰温度IT_n。

由于所有从用户发射的信号对主用户来讲都可视为干扰，因此，在该步骤中，MP不区分每个从用户的发射功率，将检测所有从用户发射对MP的总干扰，并根据检测到的所有从用户的发射功率确定在子载波n上所有从用户的干扰温度IT_n。

步骤3022，对应每个子载波n(n＝1，…，N)，MP将检测到的子载波n上的干扰温度IT_n与预先设置的子载波n上的干扰温度门限ITL_n进行比较，如果大于上述干扰温度门限ITL_n，则执行步骤3023；否则，返回步骤3021，继续检测下一个子载波上所有从用户的干扰温度，直至所有子载波均检测完毕。

在本发明的实施例中，所有子载波的干扰温度门限可以是相同的也可以是不同的。

步骤3023，对应每个子载波n(n＝1，…，N)，MP重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权，以降低子载波n上从用户的干扰。

通过上述步骤，MP可以重新确定每个从用户在每个子载波上的发射权。

步骤3024，MP将重新确定的每个从用户对每个子载波的发射权信息分别下发给相应从用户。

该步骤所述调整在该子载波n上通信的从用户的方法可以通过将当前在该子载波上通信的至少一个从用户的发射功率设置为0，即停止该从用户占用子载波发射信号，以实现降低子载波n上从用户的干扰的目的。MP调整在子载波n上通信的从用户的具体方法将在后文结合图4、5和6详细说明，在此暂不详述。

步骤303，每个从用户分别根据MP重新确定的自身在每个子载波上的发射权信息重新分配自身在每个可用子载波上的发射功率，并反馈相关信道信息给MP。

在本发明的一个实施例中，为了实现上述步骤303，每个从用户m将分别执行以下步骤：

步骤3031，分别计算自身在每个子载波n(n＝1，…，N)上的信干噪比(SINR)γ_m，n；

在本步骤中，从用户m在子载波n上的SINR可以采用如下的公式(2)计算得到，其中各个参数的具体含义与公式(1)相同：

${\mathrm{\γ}}_{m,n}=\frac{p_{m,n}{\left|h_{m,m,n}\right|}^2}{\mathrm{BW}\·N_0+\underset{i=1,i\≠m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{i,n}{\left|h_{i,m,n}\right|}^2}---\left(2\right)$

步骤3032，根据从MP接收到的自身对每个子载波的发射权信息以及计算得到的γ_m，n，每个从用户分别采用灌水法重新分配自身在每个子载波n(n＝1，…，N)上的发射参数，即根据从MP接收到的a_m，n以及计算得到的γ_m，n，采用灌水法更新p_m，n，a_m，n(n＝1，…，N)。

本领域的技术人员可以理解，上述采用灌水法重新分配从用户m在子载波n上发射功率的方法是在从用户最大传输功率的限制下重新分配从用户在各个子载波上的发射功率，并且可以达到每个从用户在所有子载波上传输速率之和最大化的目标。

本领域的技术人员可以理解，还可以采用其他与灌水法类似的可以使每个从用户在所有子载波上总的传输速率最大化的方法或者更加简单的方法重新分配各个从用户在每个子载波上的发射功率。例如，每个用户根据从MP接收的发射参数平均分配其在各个子载波上的发射功率，使该从用户在每个子载波上发射功率的总和为从用户的最大发射功率P_max。

需要说明的是，上述步骤302和303本质上是一个循环迭代的过程，即在每个从用户分别重新确定了自身在每个子载波上的发射参数之后，由于每个从用户在每个子载波上发射参数的改变，MP检测到的每个子载波上所有从用户的干扰量也将发生变化，此时，MP在检测到某一子载波上所有从用户的干扰量之和仍然超过预先设定的干扰门限时，仍然会再次重新确定每个从用户对该子载波的发射权，并将重新确定的每个从用户在每个子载波上的发射权信息再次分别下发给相应从用户；此时，从用户将再次根据自身在每个子载波上的发射权信息重新确定自身在每个子载波上的发射参数。经过数次这样的迭代，直到MP检测到所有子载波上所有从用户的干扰量之和小于或等于预先设定的干扰门限时，将不再重新确定每个从用户在每个子载波上的发射权，此时，每个从用户在每个子载波上发射参数的分配结果将达到稳定状态。

此处，上述稳定状态是指每个从用户在每个子载波上发射功率的分配结果达到纳什均衡状态，即本次发射功率的分配结果和上一次发射功率的分配结果相同或者其差值小于或等于某一预先设定的均衡门限。

下面将进一步结合本发明的实施例以及图4、5和6详细说明上述步骤3023所述重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权的三种方法。如上述步骤3023所述，每个从用户在重新分配自身在每个可用子载波上的发射功率后，还要根据MP的剔除策略向MP反馈自身的信道信息，该信道信息可以是每个从用户自身发射端和MP之间的信道增益；或者是每个从用户在所有子载波上从对端从用户的发射端到自身接收端的香农容量；又或者是每个从用户自身对所有子载波的使用情况。

图4显示了本发明第一实施例所述的重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权的方法。在本实施例中，每个从用户需要进一步将自身发射端和MP之间的信道增益反馈给MP。如图4所示，该方法主要包括：

步骤401，根据每个从用户自身发射端到MP在子载波n上的信道增益，分别计算所有从用户在子载波n上的干扰温度，即计算

或p_m，n|h_m0n|²，m＝1，2，...，M；

步骤402，根据计算结果，按照每个从用户在子载波n上的干扰温度从小到大排列的顺序排列所有从用户，并且将从用户排列顺序用数组{X_m，m＝1，…，M}记录；

步骤403，设定计数变量初始值k＝0；

步骤404，将k与从用户总数M进行比较，在k＜M时，执行步骤405，否则，结束本流程；

步骤405，取消第X_M-k个从用户在子载波n上的发射权，即令a_M-k，n＝0；

步骤406，从子载波n上来自所有从用户在的干扰温度中去除第X_M-k个从用户在子载波n上的干扰温度，即通过公式

更新所有从用户在子载波n上的干扰温度；

步骤407，将更新后的干扰温度与子载波n的干扰温度门限进行比较，若小于或等于所述干扰温度门限，则结束本流程；否则，将计数变量k加一，即令k＝k+1，并返回步骤404。

通过上述步骤401～407的方法，MP通过调整在子载波n上通信的用户，可以在当前步骤下将子载波n上所有从用户产生的干扰温度限制在干扰温度门限之内。

图5显示了第二实施例所述的重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权的方法。在本实施例中，每个从用户需要向MP反馈所有子载波上从对端从用户的发射端到自身接收端的传输容量，例如香农容量(ShannonCapacity)。如图5所示，该方法主要包括：

步骤501，确定当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n，即确定占用子载波n的从用户总数；

步骤502，确定本次调整涉及的最大从用户数目β；

在本实施例中，可以通过如下公式(3)计算β，其中，运算符()⁺表示向上取整运算：

$\mathrm{\β}={\left(\frac{{\mathrm{IT}}_n-{\mathrm{ITL}}_n}{{\mathrm{IT}}_n/K_n}\right)}^{+}---\left(3\right)$

步骤503，将本次调整涉及的最大从用户数目β与当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n进行比较，若β≥K_n，则执行步骤508；否则，执行步骤504；

步骤504，将K_n个从用户按照其传输容量从小到大排列，并且将从用户排列顺序用数组{X_m，m＝1，…，K_n}记录；

步骤505，设定计数变量初始值k＝1；

步骤506，取消第X_k个从用户在子载波n上的发射权，即令a_k，n＝0，并将计数变量k加一，即令k＝k+1；

步骤507，将计数变量k与本次调整涉及的最大从用户数目β进行比较，若k≤β，则返回步骤506；否则，结束本流程；

步骤508，取消当前在子载波n上通信的所有K_n个从用户的发射权，即令a_m，n＝0，m＝1，…，K_n。

图6显示了第三实施例所述的重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权的方法。在本实施例中，每个从用户仅需要向MP反馈是否正在使用各子载波，即自身使用了哪些子载波来传输信号。如图6所示，该方法主要包括：

步骤601，确定当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n；

步骤602，确定本次调整涉及的最大从用户数目β；

在本实施例中，也可以通过上述公式(3)计算β；

步骤603，将本次调整涉及的最大从用户数目β与当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n进行比较，若β≥K_n，则执行步骤608；否则，执行步骤604；

步骤604，将K_n个从用户随机排列，并且将从用户排列顺序用数组{X_m，m＝1，…，K_n}记录；

在步骤605，设定计数变量初始值k＝1；

步骤606，取消第X_k个从用户在子载波n上的发射权，即令a_k，n＝0，并将计数变量k加一，即令k＝k+1；

步骤607，将计数变量k与本次调整涉及的最大从用户数目β进行比较，若k≤β，则返回步骤606；否则，结束本流程；

步骤608，取消当前在子载波n上通信的所有K_n个从用户的发射权，即令a_m，n＝0，m＝1，…，K_n。

由此可以看出，本发明实施例提出的在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享的方法，适用于在频谱重叠共享模式下的以OFDMA技术为物理传输层的认知无线电系统和现有蜂窝移动通信系统共存的系统。通过上述方法可以扩大小区的虚拟半径，组建虚拟小区，提高蜂窝系统边缘地区和热点地区的服务质量，从而解决了现有蜂窝移动通信系统中“盲区”和“热点”问题。

从上述描述可以看出，为了实现本发明实施例给出的分布控制式频谱共享方法，依据MP的计算处理能力，MP和每个从用户需要分别完成不同种类的发射参数等信息的交互，为系统的灵活实现提供了保证。在实际的应用过程中，可以分别为每个从用户设定固定的用于与MP进行信息交互的干扰监控时隙，以实现MP和每个从用户之间必要的信息交互。

本发明的实施例还给出了实现上述在蜂窝移动通信系统中实现分布控制式频谱共享的方法的MP和从用户设备。

其中，MP的内部结构如图7所示，主要包括：干扰检测模块、发射权确定模块以及发射权通知模块。

其中，干扰检测模块用于分别检测每个子载波上所有从用户的干扰；

发射权确定模块，用于将干扰检测模块检测到的每个子载波上来自所有从用户的干扰量之和分别与预先设定的干扰门限进行比较，当某个子载波上的干扰大于预先设定的干扰门限时，重新确定每个从用户对该子载波的发射权；

发射权通知模块用于将重新确定的每个从用户对每个子载波的发射权信息分别下发给相应从用户。

上述发射权确定模块包括：信道信息接收子模块、门限比较子模块以及发射权调整子模块。

其中，信道信息接收子模块用于接收每个从用户反馈的信道信息；

上述信道信息可以是每个从用户反馈的自身发射端和MP之间的信道增益；或者是每个从用户反馈的所有子载波上从自身发射端到自身接收端的香农容量；又或者是每个从用户反馈的自身对所有子载波的占用情况。

门限比较子模块用于分别将干扰检测模块检测到的每个子载波上来自所有从用户的干扰温度与预先设置的每个子载波的干扰温度门限进行比较，如果某个子载波上的干扰温度大于该子载波的干扰温度门限，则通知发射权调整子模块调整该子载波上每个从用户的发射权；

发射权调整子模块用于根据信道信息接收子模块接收的信道信息重新确定每个从用户在干扰温度大于干扰温度门限的子载波上的发射权，并将重新确定的每个从用户在每个子载波上的发射权信息发送给发射参数通知模块。

其中，对应不同的信道信息，上述发射参数调整子模块可以采用图4至图6所述的方法调整某个子载波上通信的从用户。

从用户设备的内部结构如图8所示，主要包括：发射参数预分配模块、发射权接收模块以及发射参数分配模块。

其中，发射参数预分配模块用于预先分配本从用户设备在每个子载波上的发射参数；

发射权接收模块用于接收从MP发布的本从用户设备对每个子载波的发射权信息；

发射参数分配模块用于根据本从用户设备对每个子载波的发射权信息，重新分配本从用户设备在每个子载波上的发射参数，例如采用灌水法重新分配本从用户设备在每个子载波上的发射参数。

上述从用户设备还可以进一步包括信道信息上报模块，用于向MP反馈本从用户设备的信道信息，例如反馈自身发射端和MP之间的信道增益；或者反馈所有子载波上从自身发射端到自身接收端的香农容量；又或者反馈自身对所有子载波的占用情况，以使MP能够重新确定每个从用户对该子载波的占用情况。

图9为本发明实施例给出的频谱共享方法的性能仿真图。其中，横坐标表示迭代次数(Iteration Number)，纵坐标表示认知无线电系统的总吞吐量(Capacity)。图9中，带有菱形的曲线代表MP采用图4所示方法调整某个子载波上通信的从用户时的性能仿真曲线(Scheme 1)；带有星号的曲线代表MP采用图5所示方法调整某个子载波上通信的从用户时的性能仿真曲线(Scheme 2)；带有圆形的曲线代表MP采用图6所示方法调整某个子载波上通信的从用户时的性能仿真曲线(Scheme 3)。

如下表1给出了仿真系统中涉及到的具体参数，如从用户数、从用户分布范围、子载波带宽、子载波数、ITL、大尺度衰落参考系数、小尺度衰落因子等。为简单公平起见，仿真过程中的初始化过程采用等功率分配。

仿真参数	注释(单位)
		从用户数	5
从用户分布范围	300×300(m2)
		接收方与发送方距离半径	[10，50](m)
MP坐标	(0，0)
		子载波带宽	10(kHz)
子载波数	64

仿真参数	注释(单位)
		瑞利多径数目	6
功率延迟	[-3，0，-2，-6，-8，-10](dB)
		时间延迟	[1，3，6，17，24，51]
ITL*(k*BW)	10-6
		大尺度衰落参考系数	10-5
归一化距离	10(米)
		传输损耗因子	4
高斯噪声功率谱密度	10-13(瓦/赫兹)

表1

从图9可以看出，当MP采用图4所示方法调整某个子载波上通信的从用户时，由于从用户反馈至MP的信息是完全精确的信道信息，由于信息的准确性，MP可以采取准确的措施控制共道干扰，因而系统的性能比其他两种方法更优。并且在迭代过程中，由于不断调整在每个子载波上通信的从用户，以达到控制从用户在每个子载波上的干扰的目的，使得认知无线电系统总吞吐量呈下降的趋势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种分布控制式频谱共享方法，其特征在于，包括：

测量点MP检测每个子载波上来自所有从用户的干扰量；

在某个子载波上来自所有从用户的干扰量的和大于预先设定的干扰门限时，MP重新确定每个从用户对该子载波的发射权；以及

MP将重新确定的每个从用户对每个子载波的发射权信息分别下发给相应的从用户。

2.根据权利要求1所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，所述干扰量被计测为干扰温度，所述干扰门限为预先设定的每个子载波上的干扰温度门限；所述在每个子载波上来自所有从用户的干扰量的和大于预先设定的干扰门限时，重新确定每个从用户对该子载波的发射权包括：

在每个子载波n(n＝1，…，N)上计测的干扰温度IT_n大于预先确定的子载波n上的干扰温度门限ITL_n时，重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权，其中，N为子载波总数。

3.根据权利要求2所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，进一步包括：每个从用户向MP反馈自身发射端到MP的每个子载波的信道增益；

所述重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权包括：

步骤401，根据每个从用户自身发射端到MP在子载波n上的信道增益，分别计算在子载波n上每个从用户的干扰温度；

步骤402，按照每个从用户在子载波n上的干扰温度从小到大的顺序对所有从用户进行排序，并且将所述排序后的从用户的顺序记录为数组{X_m，m＝1，…，M}；其中，M为从用户的总数；

步骤403，设定计数变量初始值k＝0；

步骤404，将k与M进行比较，在k小于M时，执行步骤405，否则，结束本流程；

步骤405，取消第X_M-k个从用户在子载波n上的发射权；

步骤406，从子载波n上来自所有从用户的干扰温度中去除来自第X_M-k个从用户在子载波n上的干扰温度；

步骤407，将更新后的干扰温度与子载波n的干扰温度门限进行比较，若小于或等于所述干扰温度门限，则结束本流程；否则，将计数变量k加一，并返回步骤404。

4.根据权利要求2所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，进一步包括：每个从用户向MP反馈对端从用户的发射端到自身接收端在每个子载波的传输容量；

所述重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权包括：

步骤501，确定当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n；

步骤502，确定本次调整涉及的最大从用户数目β；

步骤503，将本次调整涉及的最大从用户数目β与当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n进行比较，若β≥K_n，则执行步骤508；否则，执行步骤504；

步骤504，将K_n个从用户按照对端从用户的发射端到自身接收端在子载波n上的传输容量从小到大的顺序进行排序后的顺序记录为数组{X_m，m＝1，…，K_n}；

步骤505，设定计数变量初始值k＝1；

步骤506，取消第K_k个从用户在子载波n上的发射权，并将计数变量k加一；

步骤507，将计数变量k与本次调整涉及的最大从用户数目β进行比较，若k≤β，则返回步骤506；否则，结束本流程；

步骤508，取消当前在子载波n上通信的所有K_n个从用户的发射权。

5.根据权利要求2所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，进一步包括：每个从用户向MP反馈是否正在使用各子载波；

所述重新确定每个从用户是否在子载波n上有发射权包括：

步骤601，确定当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n；

步骤602，确定本次调整涉及的最大从用户数目β；

步骤603，将本次调整涉及的最大从用户数目β与当前在子载波n上通信的从用户的数目K_n进行比较，若β≥K_n，则执行步骤608；否则，执行步骤604；

步骤604，将K_n个从用户随机排列的顺序记录为数组{X_m，m＝1，…，K_n}；

在步骤605，设定计数变量初始值k＝1；

步骤606，取消第X_k个从用户在子载波n上的发射权，并将计数变量k加一；

步骤607，将计数变量k与本次调整涉及的最大从用户数目β进行比较，若k≤β，则返回步骤606；否则，结束本流程；

步骤608，取消当前在子载波n上通信的所有K_n个从用户的发射权。

6.根据权利要求4或5所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，所述本次调整涉及的最大从用户数目β通过公式

计算，其中，IT_n表示子载波n上的干扰温度，ITL_n表示子载波n的干扰温度门限，K_n表示使用子载波n的从用户总数，运算符()⁺表示向上取整运算。

7.一种分布控制式频谱共享方法，其特征在于，包括：

每个从用户预先为每个子载波分配发射参数；以及

每个从用户分别根据测量点MP发布的针对自身的每个子载波的发射权信息重新确定自身在可用子载波上的发射功率。

8.根据权利要求7所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，所述每个从用户预先为每个子载波分配发射参数包括：每个从用户预先设定使用所有的子载波且在每个子载波上的发射功率均为最大发送功率的N分之一，其中，N为子载波总数。

9.根据权利要求7所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，所述每个从用户分别根据MP发布的针对自身的每个子载波的发射权信息重新确定自身在可用子载波上的发射功率包括：

每个从用户分别计算自身发射端到对端接收端在每个子载波上的信干噪比SINR；

每个从用户分别根据由MP通知的自身对每个子载波的发射权信息以及自身在每个子载波上的SINR，采用灌水法重新分配自身在每个子载波上的发射参数。

10.根据权利要求7所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，进一步包括：每个从用户分别向MP反馈自身的信道信息。

11.根据权利要求10所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，所述信道信息包括每个从用户自身发射端和MP之间的信道增益；或每个从用户在所有子载波上从对端从用户的发射端到自身接收端的传输容量；或每个从用户自身对每个子载波的使用情况。

12.根据权利要求7所述的分布控制式频谱共享方法，其特征在于，所述每个从用户在每个子载波上的发射参数包括每个从用户对每个子载波的使用情况以及每个从用户在每个子载波上的发射功率。

13.一种测量点MP，其特征在于，包括：

干扰检测模块，用于分别检测每个子载波上来自所有从用户的干扰量；

发射权确定模块，用于将干扰检测模块检测到的每个子载波上来自所有从用户的干扰量之和分别与预先设定的干扰门限进行比较，当某个子载波上的干扰量之和大于预先设定的干扰门限时，重新确定每个从用户对该子载波的发射权；

发射权通知模块，用于将重新确定的每个从用户对每个子载波的发射权信息分别下发给相应从用户。

14.根据权利要求13所述的MP，其特征在于，所述发射权确定模块包括：

信道信息接收子模块，用于接收每个从用户反馈的信道信息；

门限比较子模块用于分别将干扰检测模块检测到的每个子载波上来自所有从用户的干扰温度与预先设置的每个子载波的干扰温度门限进行比较，如果某个子载波上的干扰温度大于该子载波的干扰温度门限，则通知发射权调整子模块调整该子载波上每个从用户的发射权；

发射权调整子模块，用于根据信道信息接收子模块接收的信道信息重新确定每个从用户在干扰温度大于干扰温度门限的子载波上的发射权，并将该确定的发射权信息发送给发射参数通知模块。

15.一种从用户设备，其特征在于，包括：

发射参数预分配模块，用于预先分配本从用户设备在每个子载波上的发射参数；

发射权接收模块，用于接收从测量点MP发布的本从用户设备对每个子载波的发射权信息；

发射参数分配模块用于根据本从用户设备在每个子载波上的发射权信息采用灌水法重新分配本从用户设备在每个子载波上的发射参数。

16.根据权利要求15所述的从用户设备，其特征在于，进一步包括：

信道信息上报模块，用于向MP反馈本从用户设备的相关信道信息。

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