CN102098680A - 动态频谱管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种动态频谱管理方法及系统，面向宏蜂窝基站和家庭基站混合网络中下行链路的干扰消除，针对“每个家庭基站公用宏蜂窝基站所有可用频谱”和“家庭基站使用与宏蜂窝基站完全正交的频谱”分别造成的干扰严重、频谱效率低下及切换困难等问题进行改进。通过引入动态的家庭基站频谱复用系数，能够在保证宏蜂窝基站用户基本QoS的前提下，最大化系统的容量，有效提升频谱效率，同时降低家庭基站和宏蜂窝基站共存网络环境下的干扰水平。

Description

动态频谱管理方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及家庭基站和宏蜂窝基站共存网络环境下的动态频谱管理方法及系统。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，由于室内用户的增多、建筑物的遮挡、墙壁的穿透损耗以及带宽限制等因素，导致单一的宏蜂窝布网模式已经不能满足用户高速无缝接入的需求。因此，越来越多的运营商倾向于采用固定移动网络融合(Fixed Mobile Convergence，FMC)的新技术，以有效支持超高速率的室内数据服务。

据美国市场机构统计，到2010年有50％的话音呼叫和70％的数据业务是从室内发起，因此室内的无线服务能力将直接关系到移动业务的收入和业务的扩大，同时大量室内用户接入到同一个室外宏蜂窝基站将大大增加室外大网网络的负担，因此室内网络的部署可以提高宏蜂窝的可靠性。室内覆盖效果的提高可以提高移动运营商在与固定业务提供商在宽带上网、VoIP等业务上的竞争能力。随着单纯语音业务效益比重的减少，移动运营商也在巨大的市场竞争压力下不断探索更先进的技术和更具吸引力的应用服务。

家庭基站(Femtocell或者称为毫微微蜂窝)是一种低功耗、低覆盖、主要由用户自行部属于室内的超小型基站设备，通过使用诸如DSL或者同轴电缆，家庭基站可以利用负荷相对较低的固定网络，提供优越的无线接入服务，同时能够减轻宏蜂窝小区的业务负荷，提升蜂窝系统整体业务质量。家庭基站的产生和发展顺应移动宽带化大趋势，并致力于实现固定移动网络的有效融合，从而能够有效支持庞大的室内数据业务需求。

显然，家庭基站一旦引入将彻底改变用户使用移动网络的方式。一般地，用户数据通过家庭基站集中到家庭基站网关，然后通过家庭基站网关接入到运营商的核心网或者直接接入IP因特网。在核心网内部，通过家庭基站传输的数据与通过传统宏蜂窝传输到核心网的数据的处理方法没有任何区别。这有效的保护了运营商的投资。同时运营商还可以通过网管平台对每个家庭基站进行性能监控、配置、故障检测，从而保证用户可以通过家庭基站得到高质量的语音和数据服务。

与无线局域网络(Wireless Local Area Network，WLAN)不同，直接接入移动运营商核心网络的家庭基站需要为用户提供更有效的QoS保证和更可靠的传输。因此，家庭基站的运行维护管理(OperationAdministration and Maintenance，OAM)显然需要一个更高层次的集中管理实体来执行。另一方面，与经过预先网络规划部署的宏蜂窝基站不同，家庭基站的位置是未知的；家庭基站的射频功率等参数也可能是未知的；家庭基站很难建立起最短距离的用户列表；家庭基站仅仅覆盖了很小的区域、为很少的用户服务；并且家庭基站不是永久性部署的，也很难进行集中的网络规划和运营维护管理，显然，家庭基站和宏蜂窝基站的特征相去甚远。

家庭基站一般工作在公寓或办公楼室内环境，而这些场所同样属于宏蜂窝覆盖区域。然而，目前电信行业绝大多数的标准是面向宏蜂窝基站设计的，而这些标准对于特征和宏蜂窝基站相去甚远的家庭基站显然是不适用的。根据采用不同的工作频率，家庭基站可以分为两大类，公共信道分配和专用信道分配，其中公共信道的家庭基站与宏蜂窝基站共享同一频段，一旦采用公共信道使用方案，家庭基站和宏蜂窝基站混合网络中存在着不可忽视的干扰。

目前，避免干扰的主要方案包括接入控制、功率控制和子信道分配，此外还有方案考虑采用自配置、自优化方案来限制家庭基站对宏蜂窝网络的干扰。在密集家庭基站部署的场景中，现有方案没有充分考虑本地邻近家庭基站之间的合作。此外，现有方案没能解决动态的家庭基站拓扑动态情况下的干扰问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的缺点，如何充分利用各个家庭基站之间的干扰相关性，引入本地家庭基站合作式干扰协调方案，评估干扰强度测量，划分干扰调控区域，克服动态的家庭基站拓扑动态情况下的干扰问题。

(二)技术方案

本发明提出了一种宏蜂窝基站和家庭基站混合网络中下行动态频谱管理方法及系统。本发明提出的方法可以确保宏蜂窝基站和家庭基站混合网络中干扰协调的准确性、可靠性和有效性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

首先，本发明提供一种基于认知的家庭基站动态自组织频谱管理方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1，家庭基站网络开始运行，家庭基站注册到对应的家庭基站管理设备，并加入一个家庭基站频谱管理设备集中频谱分配群；

S2，家庭基站频谱管理设备根据已知家庭基站的相关信息进行干扰分析，确定合适的家庭基站同频复用因子m；

S3，以家庭基站和宏蜂窝基站混合网络中的平均干扰水平为输入，为各个家庭基站分配频谱；

S4，家庭基站频谱管理设备回归正常运行状态，周期性或者触发性地监测家庭基站的地理位置信息以及各个家庭基站的开启/关断状态；

S5，判断家庭基站密度是否超过某一门限，如果是则触发干扰分析、频谱再分配流程，否则返回步骤S4，回归监测状态；

S6，判断开启/关断状态发生切换的家庭基站密度是否超过某一门限threalloc，如果是则触发频谱再分配流程，否则返回步骤S4，回归监测状态。

优选地，步骤S2中，所述干扰分析具体包括步骤：

S201，确定家庭基站频谱管理设备管辖区域内适用的信道模型；

S202，根据输入的家庭基站信息以及既定的信道模型，计算管辖区域内某个位置(x，y)，用户终端、家庭基站和/或宏蜂窝用户接收到的来自其他家庭基站/家庭基站的信号功率值；

S203，在管辖区域内，任意开启基站j，若其用户分布在某个位置(x，y)，计算该用户接收到的来自其他任一基站i的干扰功率值：

$\begin{array}{cc}{I}_j^i(x,y)=10{\log }_{10}[{\mathrm{\δ}}_{i,j}\×{10}^{{\mathrm{Pr}}_i(x,y)/10}],& i,j\∈M\∪F_{\mathrm{on}},\end{array}$

其中，抽象宏蜂窝基站集合为M，开启的家庭基站集合为F_on，M∪F_on是家庭基站和处于开启状态的家庭基站的集合，δ_i，j(δ_i，j∈{0，1/m，1})是基站i和基站j的频率相关系数，表示基站j和基站i共享的频谱占总可用频谱的比例，Pr_i(x，y)表示位于位置(x，y)的用户接收到的来自基站i的功率值；

S204，管辖区域内任意家庭基站为k，其覆盖区域为A_k，考察部署在A_k区域的用户接收到的来自其他任一基站i的平均干扰强度值，计算平均区域干扰RAI(Regional Average Interference)强度：

${\mathrm{RAI}}_k^i={10\log }_{10}[\underset{A_k}{\∫\∫}\left({10}^{I_j^i(x,y)/10}\mathrm{dxdy}\right)/A_k],$

其中，k，i∈MUF_on且k≠i，公式中前后出现的两个A_k分别表示家庭基站k的覆盖区域和家庭基站k的覆盖面积；

S205，管辖区域内任意家庭基站j，计算接收到的来自所有其他基站的干扰功率值为：

${\mathrm{RAI}}_k=f\{m,\mathrm{\μ},N,{\mathrm{st}}_f\}$

$={10\log }_{10}\left\{\right[\underset{A_k}{\∫\∫}\left(\underset{\underset{i\∈M\∪F_{\mathrm{on}}}{i\≠j}}{\mathrm{\Σ}}{10}^{I_j^i(x,y)/10}\mathrm{dxdy}\right)]/A_k\},$

其中，N、μ、st_f分别表示家庭基站总数、开启的家庭基站的数量占家庭基站总数的比率以及家庭基站的状态矢量，所述状态矢量描述了家庭基站的位置、工作频谱以及开启/关断等信息。

优选地，步骤S3中，所述为各个家庭基站分配频具体包括步骤：

S301，将系统模型抽象成为一个有向的干扰图，其中，V是待着色的点的集合，C是颜色的集合，并且每个颜色代表一个子信道，系统模型中存在着N个家庭基站，在采用同频复用因子m时有m个子信道集合，则V和C分别包含N个和m个元素，以基站作为顶点，基站i对基站j产生的平均干扰水平为RAI_ji，作为顶点i到顶点j的有向边的权重；

S302，寻找所有关联边权重和w_i最大的顶点i，其计算方法为：

$i=\arg \max \{w_i=\underset{E_i}{\mathrm{\Σ}}[{10}^{w_{e_i}/10}\left]\right\},$

其中e_i是所有从顶点i出发的有向边的集合，e_i∈E_i是集合E_i中的任一有向边，

是边e_i的权重；

S303，通过计算步骤S302选中的顶点i分别采用各个子信道集合时的接收到的干扰信号总功率，选择使得该顶点所有连接边的权重和最小的颜色作为顶点i的颜色：

$c_i^{*}=\underset{c_i\∈C}{\arg \min }\{\underset{e_i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_{i,j}\left(c_i\right)\×{10}^{{\mathrm{we}}_i/10}]\},$

其中，δ_i，j(c_i)是基站i选择其中一个颜色c_i时和基站j的频率相关系数；该顶点的颜色优先选用已经用得最多的颜色，将使用频率较低的颜色保留给其余未着色的顶点；

S304，顶点i着色完毕，将顶点i从顶点集合V中移除；

S305，判断顶点集合V是否为空集，如果V不为空集，则返回S302；

S306，顶点集合V为空集，说明所有家庭基站都已分配到了干扰最小的子信道集合，顶点着色结束，结束频谱分配过程。

优选地，根据所述干扰分析计算的所述平均区域干扰RAI强度，采用下式确定合适的家庭基站同频复用因子m：

$m=\min \underset{m\∈\{\mathrm{1,2,3},...\}}{\arg }\{\left(\frac{{\mathrm{Pr}}_k}{{\mathrm{RAI}}_k(m,\mathrm{\μ},N,{\mathrm{st}}_f)}\right)>{\mathrm{SINR}}_{\min }\},\∀k,$

即m的值取决于家庭基站网络的拓扑、家庭基站的操作状态和地理位置，以保证区域k所有用户的平均接收功率Pr_k同区域k平均干扰水平RAI_k的比值高于门限值SINR_min。

优选地，步骤S6中，所述门限threalloc的确定用于保证最优频谱分配和稳定网络运行之间的平衡。

更进一步地，本发明还提供一种基于宏蜂窝基站和家庭基站混合组网的动态频谱管理系统，包括至少一个宏蜂窝基站101、至少一个宏蜂窝用户终端102和至少一个家庭基站用户终端104，其特征在于，还包括：

至少一个家庭基站103、105-108，通过宽带IP网络和家庭基站网关集成到现有的移动核心网络中，用于实现与手持终端的无缝连接；

家庭基站频谱管理设备109，为家庭基站网络提供优化的频谱分配和管理；

家庭基站管理设备110，用于实现家庭基站的位置验证、家庭基站网关的发现以及家庭基站参数配置的管理功能。

优选地，所述家庭基站具体包括：

宽带通信接口201，同家庭基站频谱管理设备109通信，用于发送家庭基站的相关信息，并接收来自家庭基站频谱管理设备109的频谱分配结果，提供无线链路的有线回程；

无线通信接口202，用于实现家庭基站和无线终端的通信；

处理器203，用于对输入家庭基站的各种信息和指令进行处理；

存储器204，用于存储家庭基站的小区ID、记录家庭基站的状态、存储当前分配的频谱、并存储处理器可执行的各种指令。

优选地，所述家庭基站频谱管理设备109具体包括：

宽带通信接口301，与家庭基站通信，用于获取家庭基站的相关信息，并发布频谱分配结果；

认知模块302，用于提取监测结果；

处理器303，用于执行动态自组织频谱管理和分配方法，派送分配结果；

存储器304，用于存储处理器可执行的各种程序、干扰评估采用的信道模型、家庭基站频谱分配结果、家庭基站同频复用因子、频谱再分配触发门限。

优选地，所述家庭基站管理设备110还包括家庭基站网关设备，所述家庭基站网关设备充当大量家庭基站的集中器，将室内业务路由到IP回程，所述家庭基站管理设备110能够融合作为家庭基站网关的一部分，同时家庭基站和家庭基站管理设备能分别作为两个执行不同功能的网关，这两个网关可根据实际系统调整接入顺序。

优选地，所述家庭基站频谱管理设备109集成在所述家庭基站管理设备110中。

(三)有益效果

根据本发明提出的一种宏蜂窝基站和家庭基站混合网络中下行动态频谱管理机制，可对宏蜂窝基站和家庭基站共存环境下的干扰问题提供解决方案，提升系统频谱效率，通过针对不同场景进行的网络仿真模拟，证明本方案可以适应静态和动态变化的无线网络环境并体现了干扰水平的下降，可以依据具体异构网络布局的情况得到优化的动态频谱管理方案。

附图说明

图1为本发明中家庭基站迭代式自优化动态频谱管理方法流程图。

图2为本发明中家庭基站网络干扰评估方法图；

图3为本发明中家庭基站着色频谱分配方法流程图；

图4为本发明中家庭基站/宏蜂窝双层网络部署结构示意图；

图5为本发明中家庭基站设备结构示意图；

图6为本发明中家庭基站频谱管理设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

家庭基站的一个典型应用是为宏蜂窝基站覆盖不到的室内区域提供服务。蜂窝业务运营商提供宏蜂窝和家庭基站的多元化覆盖。通常地，家庭基站通过一个宽带连接直接接入运营商网络。典型的家庭基站部署场景下，只有少数被指定为家庭基站拥有者的终端才拥有权力接入家庭基站。本发明方案的介绍是基于家庭基站在宏蜂窝基站的覆盖范围内的场景展开的，更进一步的，本发明介绍借用家庭基站的典型覆盖区域：大楼内部。然而，本发明的实际实施并不仅仅限制在大楼内部的家庭基站部署，也不仅仅限制在家庭基站和宏蜂窝基站之间，该方案也适用于其它一个本地网坐落在一个较大范围的网络内的其他架构。

如图4所示为一个家庭基站/宏蜂窝基站混合部署方案及动态频谱管理系统。其中示例大楼坐落于宏蜂窝基站101的覆盖区域。在如图所示大楼内部，每个房间均部署了家庭基站，通过各个家庭基站不同的开启/关闭情况对家庭基站部署的拓扑结构进行动态调整。家庭基站处于家庭基站管理设备110的集中控制，在3GPP框架下，该管理设备采用TR-069协议族，能够完成家庭基站位置验证、家庭基站网关发现、家庭基站参数配置等管理功能。

另外地，可以引入家庭基站网关设备；该设备可以充当大量家庭基站的集中器，然后将室内业务路由到IP回程(加入IP回程和核心网部分进入图中，并进行介绍；然后加入家庭基站网关并进行介绍)。具体实施的时候，家庭基站管理设备可以融合作为家庭基站网关的一部分，同时家庭基站和家庭基站管理设备可以分别作为两个执行不同功能的网关，并且这两个网关可以根据实际系统调整接入顺序，可能是一个或者多个家庭基站网关接入一个家庭基站管理设备，也可能是一个或者多个家庭基站管理设备接入一个家庭基站网关。

考虑到家庭基站作为一种用户设备的特点，3GPP已经做出规范，要求家庭基站管理设备为管辖区域内各个家庭基站提供方位认证、网关定向以及初始参数的配置。在本发明实施例中，考虑将家庭基站频谱管理设备109集成到家庭基站管理设备110中，其中，该家庭基站频谱管理设备采用了认知动态管理方式。

图4中的系统具体包括：

宏蜂窝基站101，与普通宏蜂窝基站没有区别，具体的无线接口技术可能包含一个或者多个电信行业标准，例如3GPP、3GPP2、WiMax以及/或者这些技术的扩展或者变体。

宏蜂窝用户终端102，与普通宏蜂窝用户终端没有区别，具体的无线接口技术可能包含一个或者多个电信行业标准，例如3GPP、3GPP2、WiMax以及/或者这些技术的扩展或者变体。

家庭基站103、105-108，家庭基站的启用可能复制无线接入网络中宏蜂窝基站的功能。例如，可以对家庭基站加以配置，使它采用3GPP、3GPP2以及/或者WiMax中定义的空中接口技术与其连接的多个终端建立连接、执行会话。家庭基站产品可能包含合适的逻辑单元、电路以及/或者编码，使得其能够同各种使用不同无线接口协议的终端进行无线通信。家用基站网络可以通过宽带IP网络和家庭基站网关，集成到现有的移动核心网络，例如运营商核心网络，从而实现与某种现有技术的手持终端实现无缝连接。具体的家庭基站组成成分将在图5中描述。

家庭基站用户104，与普通宏蜂窝用户终端没有区别，具体的无线接口技术可能包含一个或者多个电信行业标准，例如3GPP、3GPP2、WiMax以及/或者这些技术的扩展或者变体。需要支持本系统中家庭基站的空中接口技术以实现连接的建立并且能够进行通信。在如图实例大楼场景中，每个家庭基站随机地分布在每个房间内部。各个家庭基站在各个时刻可以由其用户打开或者关闭，引起网络中家庭基站密度以及家庭基站拓扑的变化。

家庭基站频谱管理设备109，采用基于认知的家庭基站动态自组织频谱管理方法为家庭基站网络提供优化的频谱分配和管理。

家庭基站管理设备110，在3GPP框架下，该管理设备主要采用TR-069协议族，实现家庭基站的位置验证、家庭基站网关的发现以及家庭基站参数配置等管理功能。同样地，其他系统，例如WiMax也拥有类似的功能模块。

如图1所示为基于认知的家庭基站动态自组织频谱管理方法实施流程图：

S1，家庭基站网络开始运行，家庭基站注册到对应的家庭基站管理设备，并加入一个家庭基站频谱管理设备集中频谱分配群。家庭基站注册到家庭基站管理设备后，家庭基站频谱管理设备根据家庭基站的地理位置信息或者其他信息，例如干扰情况信息，将多个家庭基站形成一个群并以每个群为单位，分别采用自组织动态频谱管理方法进行集中调控(注意：一个家庭基站频谱管理设备可以分别调控一个或者多个群的频谱分配)。或者地，家庭基站网关集成家庭基站频谱管理设备，家庭基站注册后，能够启动网关自动发现，并且与对应家庭基站频谱管理设备建立联系，每个家庭基站频谱管理设备将与之联系的所有家庭基站纳入一个群，进行统一的集中动态自组织频谱管理。在本实施例中，将一栋建筑物内所有的家庭基站归入同一个家庭基站频谱管理组。

S2，家庭基站频谱管理设备根据已知家庭基站的相关信息，例如处于活动状态(即开启中)的家庭基站的密度，各个家庭基站的状态信息，进行干扰分析并确定合适的家庭基站同频复用因子m。

S3，以家庭基站和宏蜂窝基站混合网络中的平均干扰水平为输入，采用家庭基站频谱分配方法(如图3所示)，为各个家庭基站分配频谱。

S4，家庭基站频谱管理设备回归正常运行状态，周期性或者触发性地监测家庭基站的地理位置信息以及各个家庭基站的开启/关断状态；具体地理位置信息的提取，可以采用GPS或者其他技术，由于地理定位已不属于本发明的保护内容，因此不详细展开描述。

S5，判断家庭基站密度是否超过某一门限，如果是则触发干扰分析、频谱再分配流程，否则返回步骤S4，回归监测状态。

步骤S6，判断开启/关断状态发生切换的家庭基站密度是否超过某一门限，抽象为threalloc，如果是则触发频谱再分配流程，否则返回步骤S4，回归监测状态。步骤S6的设置是因为一旦有家庭基站状态切换就执行一次着色算法是不实际的，将导致大量的信号开销，增大频率变化引发的掉话率。因此，threalloc的确定应该在最优频谱分配和稳定网络运行之间平衡。

家庭基站频谱管理设备利用自管理技术动态循环家庭基站频谱管理算法和流程。需要注意的是，如果能够在家庭基站和家庭基站信息管理系统之间建立起通信，并且不引起大量开销，本发明提出的动态自组织频谱管理方法也适用于非认知的场景。

本发明中采用的家庭基站设备103、105-108具体结构如图5所示，家庭基站可能包括如下几个部分：

宽带通信接口201，作为家庭基站宽带接入的代表技术，家庭基站可以通过数字用户线(Digital Subscriber Line，DSL)进行宽带发射和接收；当然，实际应用中，家庭基站的可能采用其他任何类型的宽带连接，例如电缆调制解调器、光纤或者卫星调制解调器，在本发明中家庭基站主要同家庭基站频谱管理设备通信，发送家庭基站本身的相关信息，这些信息可能包括处于开启状态的各个家庭基站的地理位置信息、家庭基站的发射功率信息、家庭基站所使用频谱分段的信息以及采用闭合用户群小区模式的家庭基站对应的注册用户列表，该列表可能包括注册用户的ID信息、IMSI信息等。同时，家庭基站宽带通信接口也将用于接收来自频谱管理设备的频谱分配结果，提供无线链路的有线回程。

无线通信接口202，家庭基站需要能够支持现有无线空中接口技术终端。家庭基站和无线终端的通信是通过无线通信接口实现的。

处理器203，可能对输入家庭基站的各种信息和指令进行处理，包括执行家庭基站开启/关断指令、使用接口连接家庭基站管理设备/家庭基站频谱管理设备、根据家庭基站频谱管理设备指令配置信道参数进行操作。

存储器204，可能存储着家庭基站的小区ID，记录家庭基站的状态，存储当前分配的频谱。这个存储可能是个闪存，这样子家庭基站的小区ID可以由蜂窝运营商进行管理和更新；存储着各种处理器可执行的程序指令。

本发明中采用的家庭基站频谱管理设备109具体结构如图6所示，家庭基站频谱管理设备可能包括如下几个部分：

宽带通信接口301，与家庭基站通信，获取家庭基站的相关信息，这些信息可能包括处于开启状态的各个家庭基站的地理位置信息、家庭基站的发射功率信息、家庭基站所使用频谱分段的信息以及采用闭合用户群小区模式的家庭基站对应的注册用户列表，该列表可能包括注册用户的ID信息、IMSI信息等。另一方面，该通信接口可用于发布频谱分配结果。

认知模块302(可选)，在基于认知的自组织动态频谱管理方法中，家庭基站频谱管理设备正常情况下处于持续监测状态，因此需要从认知模块提取监测结果，例如家庭基站部署密度或者开启中的家庭基站密度、家庭基站开启/关断状态切换情况等等。如果没有该模块，需要额外的通信信令支持家庭基站频谱管理设备尽可能实时地获取这些信息。

处理器303，可能执行动态自组织频谱管理和分配方法，派送分配结果等等。

存储器304，可能存储着各种处理器可执行的程序、干扰评估采用的信道模型、家庭基站频谱分配结果、家庭基站同频复用因子、频谱再分配触发门限等等。

其中家庭基站频谱管理设备可能集成于家庭基站管理设备或者家庭基站网关中，作为一个有类似功能的实体模块。

本发明实施例中建议但不强制将家庭基站集成在家庭基站频谱管理设备内，以方便家庭基站直接从家庭基站频谱管理设备获取家庭基站信息，其中，家庭基站的信息可能包括处于开启状态的各个家庭基站的地理位置信息、家庭基站的发射功率信息、家庭基站所使用频谱分段的信息以及采用闭合用户群小区模式的家庭基站对应的注册用户列表，该列表可能包括注册用户的ID信息、IMSI信息等。

首先，在干扰评估方法执行之前，需要由家庭基站频谱管理设备预先获取家庭基站网络环境信息，选择合适的信道模型以方便干扰评估方法的实施。或者，可以直接选用通用/常用的路损模型，例如COST231室内以及/或者室外路损模型，代替复杂的信道建模。其次，干扰评估方法区分了三种不同的干扰评估场景，根据家庭基站和不同位置用户终端信息，确定干扰类型；再次，区分不同的干扰类型，根据输入的家庭基站信息以及既定的信道模型，计算各个位置处家庭基站/宏蜂窝基站用户接收到的来自其他家庭基站/家庭基站的干扰信号功率值。最后，由于典型的家庭基站一般采用单个的全向天线，因此很难对用户进行定位；另外，计算频谱管理设备管辖区域内的平均干扰水平。这是因为管辖区域内用户终端的信息经常是未知的，也很难由家庭基站与家庭基站频谱管理设备来提取用户信息。

所以本发明提出一个区域平均干扰(Regional AverageInterference，RAI)指标，评估频谱管理设备管辖区域内的区域平均干扰强度。具体地，家庭基站网络干扰评估方法流程如图2所示：

S201，确定家庭基站频谱管理设备管辖区域内适用的信道模型，具体可以提取家庭基站网络环境信息，建立合适的信道模型；或者，直接采用典型信道模型，例如COST231室内以及/或者室外路损模型，来代替复杂的信道建模。

S202，根据输入干扰评估模块的家庭基站信息以及既定的信道模型，计算在管辖区域内某个位置(x，y)，用户终端、家庭基站以及/或者宏蜂窝用户接收到的来自其他家庭基站/家庭基站的信号功率值。注意：这个接收功率是在假定用户与基站采用相同信道测得的接收功率值。

S203，管辖区域内，任意开启基站，可以是家庭基站或者宏蜂窝基站，抽象为j，若其用户分布在某个位置(x，y)，计算该用户接收到的来自其他任一基站i的干扰功率可采用公式(1)进行：

$\begin{array}{cc}{I}_j^i(x,y)=10{\log }_{10}[{\mathrm{\δ}}_{i,j}\×{10}^{{\mathrm{Pr}}_i(x,y)/10}],& i,j\∈M\∪F_{\mathrm{on}},\end{array}---\left(1\right)$

这里抽象宏蜂窝基站集合为M，开启的家庭基站集合为F_on，M∪F_on是家庭基站和处于开启状态的家庭基站的集合，δ_i，j(δ_i，j∈{0，1/m，1})是基站i和基站j的频率相关系数，表示基站j和基站i共享的频谱占总可用频谱的比例，Pr_i(x，y)表示位于位置(x，y)的用户接收到的来自基站i的功率值。

S204，管辖区域内任意家庭基站抽象为k，其覆盖区域抽象为A_k，考察部署在A_k区域的用户接收到的来自其他任一基站i(可以是家庭基站或者宏蜂窝基站)的平均干扰强度值，这里抽象宏蜂窝基站集合为M，开启的家庭基站集合为F_on，则k，i∈MUF_on且k≠i，平均区域干扰(Regional Average Interference，RAI)强度计算公式如式(2)所示：

${\mathrm{RAI}}_k^i={10\log }_{10}[\underset{A_k}{\∫\∫}\left({10}^{I_j^i(x,y)/10}\mathrm{dxdy}\right)/A_k],---\left(2\right)$

其中，公式中前后出现的两个A_k分别表示家庭基站k的覆盖区域和家庭基站k的覆盖面积(即二者数值相同)。注意：部署于家庭基站区域内的用户不一定是该家庭基站的用户，有可能该用户不是该家庭基站的CSG用户，也可能该家庭基站处于关闭状态。

S205，管辖区域内任意家庭基站j，接收到的来自所有其他基站的干扰功率值得计算公式如式(3)所示：

${\mathrm{RAI}}_k=f\{m,\mathrm{\μ},N,{\mathrm{st}}_f\}$

$={10\log }_{10}\left\{\right[\underset{A_k}{\∫\∫}\left(\underset{\underset{i\∈M\∪F_{\mathrm{on}}}{i\≠j}}{\mathrm{\Σ}}{10}^{I_j^i(x,y)/10}\mathrm{dxdy}\right)]/A_k\},---\left(3\right)$

其中，N、μ、st_f分别表示家庭基站总数、开启的家庭基站的数量占家庭基站总数的比率以及家庭基站的状态矢量，所述状态矢量描述了家庭基站的位置、工作频谱以及开启/关断信息。

此外，本发明中还利用着色算法，对同属一个FSM管理群的家庭基站进行集中式的频谱分配，以最小化家庭基站宏蜂窝基站混合网络整体干扰水平。另外地，我们也不排除将这种方案用于家庭基站之间但并不一定是家庭基站和宏蜂窝基站公用信道的场景下的干扰协调。

以家庭基站和宏蜂窝基站网络同频部属为例，宏蜂窝基站使用全部的频谱，而多个家庭基站，比如说N个，在同一频段上操作，但每个家庭基站只能占用其中的一部分频谱，比如说是总的可用频谱的1/m。进而可以把宏蜂窝网络全部可用频谱划分成m等分。每一个等分对应家庭基站的一个可用频谱的集合。

家庭基站的频谱分配问题可以转化为一种图论着色问题，其中，每个顶点分别表示一个家庭基站，每两个顶点通过一条带有权重的有向边建立连接，该边从干扰基站指向被干扰区域(注意：如果家庭基站采用相同发射功率，那么这里可以采用无向边实现顶点的连接)。并且边的权重与这两个顶点所代表的家庭基站之间的干扰成正比，具体地，可以设置成为干扰评估模块输出的两个基站之间的区域平均干扰水平，举例说，家庭基站i到家庭基站j的边的权重可以设置成为

即基站i对家庭基站j覆盖区域造成的平均干扰。如果边的权重低于接收机的接收灵敏度，比如说-70dBm，那么可以考虑删除这条边以降低着色算法复杂度，这是因为低的干扰水平不会造成大的数据损失。接着采用着色办法，为每个顶点涂上不同的颜色，每个颜色代表大小相同(或者根据实际需要采用动态容量)的不同子信道集合，以最小化家庭基站系统总的干扰水平。着色算法的关键是优先对所有邻接边权重和最大的顶点进行着色，最后对所有邻接边权重和最小的顶点进行着色，即该算法要求优先为接收到邻近家庭基站干扰总和最大的家庭基站分配频谱。具体地，家庭基站频谱分配流程图如图3所示：

S301，干扰图抽象，将系统模型抽象成为一个有向的干扰图，其中，V是待着色的点的集合，C是颜色的集合，并且每个颜色代表一个子信道。假设系统模型中存在着N个家庭基站，m个子信道集合(家庭基站采用同频复用因子m时，相当于系统中现在有m个正交的信道集合)，则V和C分别包含N个和m个元素。其中从顶点i到顶点j的边的权重同两个顶点对应家庭基站的干扰水平成正比，网络干扰评估模块输出的区域平均干扰水平RAI_ji反映了基站i对基站j产生的平均干扰水平，可以作为顶点i到顶点j的有向边的权重。

S302，寻找所有关联边权重和最大的顶点，抽象为i，那么i可以采用公式(4)进行计算

$i=\arg \max \{w_i=\underset{E_i}{\mathrm{\Σ}}[{10}^{w_{e_i}/10}\left]\right\},---\left(4\right)$

其中e_i是所有从顶点i出发的有向边的集合，e_i∈E_i是集合E_i中的任一有向边，是边e_i的权重。

S303，通过计算查询步骤602选中顶点分别采用各个子信道集合，即从子信道集合1到子信道集合m，该顶点接收到的干扰信号总功率，选择使得该顶点总干扰最小的颜色，即选择使得该顶点所有连接边的权重和最小的颜色作为该顶点的颜色：

$c_i^{*}=\underset{c_i\∈C}{\arg \min }\{\underset{e_i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_{i,j}\left(c_i\right)\×{10}^{{\mathrm{we}}_i/10}]\},---\left(5\right)$

其中，δ_i，j(ci)是基站i选择其中一个颜色c_i时和基站j的频率相关系数。如果有多个颜色导致相同的最小总干扰，优先使用已经用得最多的颜色，从而可以将使用频率较低的颜色保留给其余未着色的顶点。

S304，顶点i着色完毕，将顶点i从顶点集合V中移除。

S305，判断顶点集合V是否为空集，即判断所有家庭基站是否都分配到了自信道集合。如果V不为空集，则返回步骤602。

S306，顶点集合V为空集，说明所有家庭基站都已分配到了干扰最小的子信道集合。顶点着色结束，结束频谱分配过程。

家庭基站频谱管理设备根据已知家庭基站相关信息，例如处于活动状态(即开启中)的家庭基站的密度，各个家庭基站的状态信息，可以采用上述干扰评估方法对家庭基站之间以及家庭基站和宏蜂窝基站之间的平均干扰水平进行评估，确定合适的家庭基站同频复用因子m；由于家庭基站使用的频段大小决定了家庭基站的容量，因而m越小，意味着家庭基站能够提供的容量越大。另一方面，需要的m越大，说明更多的重叠覆盖区域以及更高的干扰水平。因此需要各个用户基本SINR水平和QoS条件下，最大化提升家庭基站系统容量。建议可以采用如下公式(6)确定家庭基站同频复用因子：

$m=\min \underset{m\∈\{\mathrm{1,2,3},...\}}{\arg }\{\left(\frac{{\mathrm{Pr}}_k}{{\mathrm{RAI}}_k(m,\mathrm{\μ},N,{\mathrm{st}}_f)}\right)>{\mathrm{SINR}}_{\min }\},\∀k,---\left(6\right)$

其中，m的值主要取决于家庭基站网络的拓扑、家庭基站的操作状态和地理位置，以保证区域k所有用户(包括家庭基站用户和宏蜂窝用户)的平均接收功率Pr_k同区域k平均干扰水平RAI_k的比值高于门限值SINR_min。

注意：这里m∈{1，2，3，...}在上述公式中表示m可以选用{1，2，3，...}集合中的任何满足

的值，此处从中选出满足这个式子的最小值，降低频率复用因子，可以提升频率利用率。

与现有技术相比，本发明考察动态拓扑场景下家庭基站的干扰协调方案，充分利用各个家庭基站之间的干扰相关性，引入本地家庭基站合作式干扰协调方案。对干扰强度测量评估、划分干扰调控区域、具体的干扰调控方案及调控系统设计进行详细的阐述。仿真实验表明，本发明提出的方法可以确保宏蜂窝基站和家庭基站混合网络中干扰协调的准确性、可靠性和有效性。

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范畴，本发明的发明保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于认知的家庭基站动态自组织频谱管理方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1，家庭基站网络开始运行，家庭基站注册到对应的家庭基站管理设备，并加入到一个家庭基站频谱管理设备集中频谱分配群；

S2，家庭基站频谱管理设备根据已知家庭基站的相关信息进行干扰分析，确定合适的家庭基站同频复用因子m；

S3，以家庭基站和宏蜂窝基站混合网络中的平均干扰水平为输入，为各个家庭基站分配频谱；

S4，家庭基站频谱管理设备回归正常运行状态，周期性或者触发性地监测家庭基站的地理位置信息以及各个家庭基站的开启/关断状态；

S5，判断家庭基站密度是否超过某一门限，如果是则触发干扰分析、频谱再分配流程，否则返回步骤S4，回归监测状态；

S6，判断开启/关断状态发生切换的家庭基站密度是否超过某一门限threalloc，如果是则触发频谱再分配流程，否则返回步骤S4，回归监测状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述干扰分析具体包括步骤：

S201，确定家庭基站频谱管理设备管辖区域内适用的信道模型；

S202，根据输入的家庭基站信息以及既定的信道模型，计算管辖区域内某个位置(x，y)，用户终端、家庭基站和/或宏蜂窝用户接收到的来自其他家庭基站/家庭基站的信号功率值；

S203，在管辖区域内，任意开启基站j，若其用户分布在某个位置(x，y)，计算该用户接收到的来自其他任一基站i的干扰功率值：

$\begin{array}{cc}{I}_j^i(x,y)=10{\log }_{10}[{\mathrm{\δ}}_{i,j}\×{10}^{{\mathrm{Pr}}_i(x,y)/10}],& i,j\∈M\∪F_{\mathrm{on}},\end{array}$

其中，抽象宏蜂窝基站集合为M，开启的家庭基站集合为F_on，M∪F_on是家庭基站和处于开启状态的家庭基站的集合，δ_i，j(δ_i，j∈{0，1/m，1})是基站i和基站j的频率相关系数，表示基站j和基站i共享的频谱占总可用频谱的比例，Pr_i(x，y)表示位于位置(x，y)的用户接收到的来自基站i的功率值；

S204，管辖区域内任意家庭基站为k，其覆盖区域为A_k，考察部署在A_k区域的用户接收到的来自其他任一基站i的平均干扰强度值，计算平均区域干扰RAI强度：

${\mathrm{RAI}}_k^i={10\log }_{10}[\underset{A_k}{\∫\∫}\left({10}^{I_j^i(x,y)/10}\mathrm{dxdy}\right)/A_k],$

其中，k，i∈MUF_on且k≠i，公式中前后出现的两个A_k分别表示家庭基站k的覆盖区域和家庭基站k的覆盖面积；

S205，管辖区域内任意家庭基站j，计算接收到的来自所有其他基站的干扰功率值为：

${\mathrm{RAI}}_k=f\{m,\mathrm{\μ},N,{\mathrm{st}}_f\}$

$={10\log }_{10}\left\{\right[\underset{A_k}{\∫\∫}\left(\underset{\underset{i\∈M\∪F_{\mathrm{on}}}{i\≠j}}{\mathrm{\Σ}}{10}^{I_j^i(x,y)/10}\mathrm{dxdy}\right)]/A_k\},$

其中，N、μ、st_f分别表示家庭基站总数、开启的家庭基站的数量占家庭基站总数的比率以及家庭基站的状态矢量，所述状态矢量描述了家庭基站的位置、工作频谱以及开启/关断信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述为各个家庭基站分配频谱具体包括步骤：

S301，将系统模型抽象成为一个有向的干扰图，其中，V是待着色的点的集合，C是颜色的集合，并且每个颜色代表一个子信道，系统模型中存在着N个家庭基站，在采用同频复用因子m时有m个子信道集合，则V和C分别包含N个和m个元素，以基站作为顶点，基站i对基站j产生的平均干扰水平为RAI_ji，作为顶点i到顶点j的有向边的权重；

S302，寻找所有关联边权重和w_i最大的顶点i，其计算方法为：

$i=\arg \max \{w_i=\underset{E_i}{\mathrm{\Σ}}[{10}^{w_{e_i}/10}\left]\right\},$

其中e_i是所有从顶点i出发的有向边的集合，e_i∈E_i是集合E_i中的任一有向边，

是边e_i的权重；

S303，通过计算步骤S302选中的顶点i分别采用各个子信道集合时的接收到的干扰信号总功率，选择使得该顶点所有连接边的权重和最小的颜色作为顶点i的颜色：

$c_i^{*}=\underset{c_i\∈C}{\arg \min }\{\underset{e_i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_{i,j}\left(c_i\right)\×{10}^{{\mathrm{we}}_i/10}]\},$

其中，δ_i，j(c_i)是基站i选择其中一个颜色c_i时和基站j的频率相关系数；该顶点的颜色优先选用已经用得最多的颜色，将使用频率较低的颜色保留给其余未着色的顶点；

S304，顶点i着色完毕，将顶点i从顶点集合V中移除；

S305，判断顶点集合V是否为空集，如果V不为空集，则返回S302；

S306，顶点集合V为空集，说明所有家庭基站都已分配到了干扰最小的子信道集合，顶点着色结束，结束频谱分配过程。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述干扰分析计算的所述平均区域干扰RAI强度，采用下式确定合适的家庭基站同频复用因子m：

$m=\min \underset{m\∈\{\mathrm{1,2,3},...\}}{\arg }\{\left(\frac{{\mathrm{Pr}}_k}{{\mathrm{RAI}}_k(m,\mathrm{\μ},N,{\mathrm{st}}_f)}\right)>{\mathrm{SINR}}_{\min }\},\∀k,$

即m的值取决于家庭基站网络的拓扑、家庭基站的操作状态和地理位置，以保证区域k所有用户的平均接收功率Pr_k同区域k平均干扰水平RAI_k的比值高于门限值SINR_min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中，所述门限threalloc的确定用于保证最优频谱分配和稳定网络运行之间的平衡。

6.一种基于宏蜂窝基站和家庭基站混合组网的动态频谱管理系统，包括至少一个宏蜂窝基站(101)、至少一个宏蜂窝用户终端(102)和至少一个家庭基站用户终端(104)，其特征在于，还包括：

至少一个家庭基站(103、105-108)，通过宽带IP网络和家庭基站网关集成到现有的移动核心网络中，用于实现与手持终端的无缝连接；

家庭基站频谱管理设备(109)，为家庭基站网络提供优化的频谱分配和管理；

家庭基站管理设备(110)，用于实现家庭基站的位置验证、家庭基站网关的发现以及家庭基站参数配置的管理功能。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述家庭基站具体包括：

宽带通信接口(201)，同家庭基站频谱管理设备(109)通信，用于发送家庭基站的相关信息，并接收来自家庭基站频谱管理设备(109)的频谱分配结果，提供无线链路的有线回程；

无线通信接口(202)，用于实现家庭基站和无线终端的通信；

处理器(203)，用于对输入家庭基站的各种信息和指令进行处理；

存储器(204)，用于存储家庭基站的小区ID、记录家庭基站的状态、存储当前分配的频谱、并存储处理器可执行的各种指令。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述家庭基站频谱管理设备(109)具体包括：

宽带通信接口(301)，与家庭基站通信，用于获取家庭基站的相关信息，并发布频谱分配结果；

认知模块(302)，用于提取监测结果；

处理器(303)，用于执行动态自组织频谱管理和分配方法，派送分配结果；

存储器(304)，用于存储处理器可执行的各种程序、干扰评估采用的信道模型、家庭基站频谱分配结果、家庭基站同频复用因子、频谱再分配触发门限。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述家庭基站管理设备(110)还包括家庭基站网关设备，所述家庭基站网关设备充当大量家庭基站的集中器，将室内业务路由到IP回程，所述家庭基站管理设备(110)能够融合作为家庭基站网关的一部分，同时家庭基站和家庭基站管理设备能分别作为两个执行不同功能的网关，这两个网关可根据实际系统调整接入顺序。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述家庭基站频谱管理设备(109)集成在所述家庭基站管理设备(110)中。

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