CN102378182B - 无线异构网络中高效的动态频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线异构网络中高效的动态频谱分配方法，首先频谱管理器将自己能使用的频谱资源分为多个信道，而处于频谱管理器所管辖的区域内的所有基站各自根据当前负载情况预测下一分配周期内各自所需的信道数目，并将各自所预测的信道数目发送给频谱管理器，然后频谱管理器根据接收到的各基站所需的信道数目，计算出在 条件下的的最优解，并根据最优解的整数部分和最小干扰频带调整算法获得各基站的信道数目的初始分配方案后，再采用迭代增强算法再对各基站所分配到的信道数目进行调整，以获得信道数目的调整分配方案，并将调整分配方案发送至各基站，以便各基站在下一个分配周期内使用，由此可提高频谱利用率。

Description

无线异构网络中高效的动态频谱分配方法

技术领域

本发明涉及一种频谱分配方法，特别涉及一种无线异构网络中高效的动态频谱分配方法。

背景技术

无线通信业务需求的持续增长，导致无线通信系统对无线频谱资源的需求也不断增加，使得目前适宜于无线通信服务的频谱资源变得十分稀缺。研究表明：目前适宜无线通信服务的频谱资源一方面十分稀缺，一方面又浪费严重。据美国FCC频谱政策任务组的报告，已分配频谱的实际使用情况随时间和空间变化很大，在3GHz以下，已分配频谱的使用效率从15％～85％不等；而3～6GHz的频谱利用率甚至不到0.5％，各种无线系统的总频谱利用率在10％以下。现今的无线频谱政策是将固定大小的频谱分配给提供特定服务的无线技术长期使用。这种静态的频谱划分方法有着明显的缺点。首先，一大部分已分配的无线频谱在很多地区很少使用；一些分配给军用，政府和公共安全的频谱甚至极少使用。其次，由于无线系统是按照忙时设计，分配的频谱可以满足无线系统在忙时的需求，而在剩余的绝大部分非忙时间内利用率都很低。在传统的频谱管制政策下，这些在空间上和时间上没有被有效利用的频谱也不可以被其他系统使用，这就导致了很低的频谱利用率。

为了更加有效地使用无线频谱这种稀缺的资源，欧洲DRiVE在文献“IST-1999-12515 DRiVE,“Dynamic Radio for IP-Services in Vehicular Environments”中提出了动态频谱分配技术(Dynamic Spectrum Allocation:DSA)，主要用于不同商用网络在时间和地域上共享频谱资源。动态频谱分配技术是实现动态频谱共享的关键技术，是提高频谱资源利用率的有效手段，目前已成为新一代异构无线网络(4G/B3G)中的关键技术。DSA旨在管理融合无线系统使用的频谱资源，并在空域和时域上使各种无线网络共享频谱资源，以提高总的频谱效率。

动态频谱分配可以探索不同网络的业务强度在时间和地域上分布的不相关性来提高频谱利用率。具体地，由于不同的网络提供的服务不同导致网络业务强度随时间的分布不同。例如UMTS网络在上午9点到下午6点这个时间段经历业务高峰期，而DVB-T在晚上8点到晚上12点这个时间段出现业务高峰。使用动态频谱分配，UMTS和DVB-T共享一段频谱资源。在UMTS的业务高峰期，给UMTS分配较多的频谱，给DVB-T分配较少的频谱。当DVB-T进入业务高峰期后，减少分配给UMTS的频谱，增加DVB-T的频谱。相当于固定频谱分配来说，动态频谱分配可以使用较少的频谱来满足两个网络的业务需求，显著地提高了频谱利用率。不同网络的业务强度除了在时间上分布不同外，在地域分布上也呈现一定的差异。比如在住宅区广播业务(如DVB-T)的需求较大，而在商业区双向的单播业务(如UMTS提供的数据业务)的需求较大。如果利用动态频谱分配的方式在DVB-T和UMTS之间共享频谱，在住宅区给DVB-T分配较多的频谱，而在商业区给UMTS分配较多的频谱，这样也可以提高频谱利用效率。总之，动态频谱分配可以利用不同无线网络业务强度在时间和地域上的分布的不相关性来提高频谱利用率。

为了在频谱高效利用的研究中占领一席之地，国内外的一些重要研究项目在动态频谱共享方面展开了相应的研究工作。美国国防部的DARPA XG项目首先提出了动态频谱接入的概念，研究了基于感知无线电的动态频谱接入方式。动态频谱接入使得感知无线电设备在不干扰主系统的前提下动态地接入主系统的频谱。感知无线电设备执行快速地频谱感知来探测频谱空洞，并且使用协同的方式来机会地共享频谱空洞。欧洲第五框架计划(FP5)支持的DRiVE\OverDRiVE项目研究了两种动态频谱分配算法：时间动态频谱分配和空间动态频谱分配。随后的第六框架(FP6)支持的E2R项目(参见文献：IST-2003-507995End-to-End Reconfigurability(E2R)是DRiVE\OverDRiVE的延伸，研究通过端到端重配置网络和软件无线电技术将不同类型的无线网络融合起来。E2R定义了动态网络规划管理、先进频谱管理和联合无线资源管理来实现异构网络环境下的无线资源共享。第七框架计划(FP7)中的E3(端到端效率)项目(参见文献：ICT-2007-216248 End-to-End Efficiency)明确地将动态频谱分配纳入研究范围。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》将“新一代宽带无线移动通信”作为发展重点。为了加快“新一代宽带无线移动通信”的研发进程，我国的国家高技术研究发展计划(863计划)确立了一个重点项目“频谱资源共享无线通信系统”来研究动态频谱资源共享以提高整体频谱利用率，和一个国家重大专项“IMT-Advanced频谱聚合技术研发”来研究异构网络中的动态频谱分配方案和联合无线资源管理方案。

在动态频谱分配技术方面，文献“Cao Lili,Yang Lei,Zhou Xia,et al.Optimus:SINR-driven spectrumdistribution via constraint transformation.To Appear:IEEE Symposium on New Frontiers in Dynamic SpectrumAccess Networks(DySPAN 2010),Singapore,April 2010”中发表了最新的研究成果。该文献的作者研究了物理干扰模型下的动态频谱分配问题，提出一种称为Optimus的算法。然而，这种方法有如下两个缺点：(1)没有考虑基站的频谱需求，这导致了较低的频谱利用效率。因为如果不考虑频谱需求，就有可能出现这种情况：有些基站分配到了过多的频谱，而有些基站则得不到需要的频谱；(2)迭代增强算法效率低下，降低了频谱利用效率。

因此，如何改进现有动态频谱分配技术以提高频谱利用效率，已成为本领域技术人员亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线异构网络中高效的动态频谱分配方法，以提高频谱的利用率。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法，包括步骤：1)一频谱管理器将自己能使用的频谱资源分为多个信道；2)处于所述频谱管理器所管辖的区域内的所有基站各自根据当前负载情况预测下一分配周期内各自所需的信道数目，并将各自所预测的信道数目发送给所述频谱管理器；3)所述频谱管理器根据接收到的各基站所需的信道数目，计算出在条件下的的最优解，并根据所述最优解的整数部分和最小干扰频带调整算法获得各基站的信道数目的初始分配方案，其中，K为所述频谱管理器所管辖区域内所有基站的数目，w_i为第i个基站所分配到的信道数目，d_i为第i个基站所需的信道数目，M为所述频谱管理器所具有的总的信道数目， 表示第i个基站成功传输能忍受的最大干扰，I_j,i表示第j个基站对在第i个基站的覆盖范围内的任一接收者所能产生的最大干扰强度，表示第j个基站对第i个基站的归一化的干扰强度，P_i为第i个基站的发射功率，r_i表示第i个基站覆盖小区的半径,α为路径损耗因子，β为信干噪比的门限值，N为噪声功率；4)所述频谱管理器在各基站的信道数目的初始分配方案的基础上，采用迭代增强算法再对各基站所分配到的信道数目进行调整，以获得信道数目的调整分配方案；以及5)所述频谱管理器将所获得的信道数目调整分配方案发送至各基站，以便各基站在下一个分配周期内使用。

其中，步骤4)进一步可包括步骤：(1)根据各基站所分配到的初始信道数目对各基站排序；和(2)按照基站的排序，依序逐一在各基站初始信道数目基础上添加信道直到达到基站需求或者没有信道可以分配为止，且在添加信道时，使增加的信道上相应基站的信干噪比不低于所述门限值。

较佳的，排序方式可为降序。

较佳的，所述频谱管理器所管辖的区域内的所有基站分属于不同的网络；所述频谱管理器可将频谱资源分为带宽相同的多个信道。

综上所述，本发明的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法先由基站向频谱管理器发送频谱需求，然后频谱管理器按照动态频谱分配算法来计算分配结果并将分配结果通知给各基站，此法实现简单，效率高，能显著提高频谱的利用效率。

附图说明

图1为无线异构网络场景中的协同动态频谱接入模型示意图。

图2为本发明的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法的流程图。

图3为本发明的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法与现有频谱分配方法的归一化有效频谱利用效率的比较示意图。

具体实施方式

请参阅图1，其为无线异构网络场景中的协同动态频谱接入模型(CDSA)，在该模型中，频谱管理器管理一个特定的区域，并负责将一段协同接入频谱分配给区域内的各基站。频谱管理器将一段频谱划分成带宽相同的多个信道。每个基站向频谱管理器提交频谱需求。在获知基站位置，无线传播模型等信息的基础上，频谱管理器可以计算各基站间的干扰情况。在保证工作于同一信道上的各基站间不产生严重干扰的前提下，频谱管理器给基站分配短期使用的频谱来最大化效用函数。

设在一个区域(比如一个城市)内有K个基站，一个频谱管理器管理一段频谱的分配，其将频谱分为带宽相同的M个信道。频谱分配的目标是找出一个满足干扰限制条件的频谱分配实例使得效用函数最大化。

用A表示一个频谱分配实例，

A＝{a_m,i},m∈[1,M],i∈[1,K] (1)

式中，a_m,i＝[0,1]，a_m,i＝1表示将信道m分配给基站i，否则a_m,i＝0。这样，分配给基站i的信道数目可以表示为频谱分配可表示为W＝[w₁,w₂,…,w_K]。

在物理干扰模型中，只有接收到的信干噪比(SINR)不小于一定的门限β才能进行成功的传输。具体地，为了使基站i在信道m上成功传输，基站i的覆盖范围内接收到的SINR必须满足：

${\mathrm{SINR}}_{m,i}\≥\mathrm{\β},\∀a_{m,i}=1,m\∈\[1,M\],i\∈\[1,K\]---\left(2\right)$

对于基站i覆盖范围内的各个地点的SINR不同，因此可计算覆盖范围内SINR的最小值，最小值可近似表达为：

${\mathrm{SINR}}_{m,i}=\frac{P_i/{r_i}^{\mathrm{\α}}}{N+{\Σ}_{j\≠i}{a}_{m,j}\·P_j/{d_{j,i}}^{\mathrm{\α}}}---\left(3\right)$

式中，P_i为基站i的发射功率(i＝1,…,K)，N为噪声功率，r_i为基站i的通信半径，d_j,i为基站j到基站i的覆盖范围内的最小距离，α为路径损耗因子。

K个基站的频谱需求模型可以表示为：

D＝(d₁,d₂,…,d_K) (4)

式中，d_i表示基站i请求的信道数目。

动态频谱分配的目的是为了提高频谱利用效率，考虑基站的频谱需求，超过基站需求的多余信道不会产生任何效用，故可认为分配给基站i的有效信道数目为相应可得到一个归一化的有效频谱利用效率作为效用函数，即归一化的有效频谱利用效率为

$U_{eff}\left(A\right)=U_{eff}\left(W\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{w}_i^{eff}}{M\·K}---\left(5\right)$

频谱分配就是找到一个有效的频谱分配实例使得效用函数最大化，也就是：

$\underset{A}{\max }{U}_{eff}\left(A\right)---\left(6\right)$

限制条件为：如果a_m,i＝1,则：SINR_m,i≥β,

根据式(5)，式(6)中的频谱分配可变更为

$\underset{W}{\max }{U}_{eff}\left(W\right)---\left(8\right)$

限制条件为：

式中， 表示基站i成功传输能忍受的最大干扰，表示基站j对基站i的归一化的干扰强度。

由式(8)可知，该效用函数是W＝[w₁,w₂,…,w_K]的非线性函数。为了使优化问题(8)可用线性规划或者凸优化算法来求解，将式(5)中的效用函数U_eff(A)重写为并增加一个约束条件w_i≤d_i,然后，优化问题(8)可写为

$\underset{W}{\max }{U}_n\left(W\right)---\left(10\right)$

限制条件为：

因为当分配给一个基站的信道数目超过其需求时，有效频谱利用率不会再随信道数目的增加而增大，所以问题(8)的最优解W是在w_i≤d_i 内取得。因此，优化问题(10)的最优解与优化问题(8)的最优解相同。优化问题(10)是一个线性规划问题，可通过有效的线性规划方法求得其最优解

由上所述，本发明提供的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法如图2所示，主要包括以下步骤：

第一步：频谱管理器将自己能使用的频谱资源分为多个信道，例如分为M个带宽相同的信道。

第二步：处于所述频谱管理器所管辖的区域内的所有基站(例如为K个)各自根据当前负载情况预测下一分配周期内各自所需的信道数目(例如，分别为d₁,d₂,…,d_K个)，并将各自所预测的信道数目发送给所述频谱管理器。

第三步：所述频谱管理器根据接收到的各基站所需的信道数目，通过常用的凸优化算法可以计算出在的条件下的的最优解，并根据所述最优解的整数部分和最小干扰频带调整算法(该算法具体可参见文献“Cao Lili,Yang Lei,Zhou Xia,et al.Optimus:SINR-driven spectrum distribution via constraint transformation.To Appear:IEEESymposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks(DySPAN 2010),Singapore,April 2010”)获得各基站的信道数目的初始分配方案，其中，K为所述频谱管理器所管辖区域内所有基站的数目，w_i为基站i所分配到的信道数目，d_i为基站i所需的信道数目，M为所述频谱管理器所具有的总的信道数目， 表示基站i成功传输能忍受的最大干扰，I_j,i表示第j个基站对在第i个基站的覆盖范围内的任一接收者所能产生的最大干扰强度，表示基站j对基站i的归一化的干扰强度，P_i为基站i的发射功率，r_i表示基站i覆盖小区的半径,α为路径损耗因子，β为信干噪比的门限值，N为噪声功率。

第四步：所述频谱管理器在所获得的各基站信道数目的初始分配方案的基础上，采用迭代增强算法再对各基站所分配到的信道数目进行调整，以获得信道数目的调整分配方案。因为在信道数目的初始分配时，由于转换后的线性约束比初始的非线性约束更加严格，导致分配结果过分保守，即分配结果可能非全局最优，因此，再采用迭代增强算法来使信道分配更逼近于全局最优。在本实施例中，迭代增强算法工作过程如下：

1)根据各基站所分配到的初始信道数目对各基站排序，例如降序排列。

2)按照1)中基站次序，给基站添加信道直到达到基站需求或者没有信道可以分配。添加信道时，必须保证该信道上已分配基站的SINR(见式3)不会低于门限β。

第五步：所述频谱管理器将所获得的最终的信道数目分配方案发送至各基站，以便各基站在下一个分配周期内使用。而在再下一个分配周期来临之前，各基站又需要将各自所需的信道数目发送至频谱管理器，频谱管理器再根据前述所述，在获得各基站的初始信道数目的分配方案的基础上，再采用迭代增强算法对各基站所分配到的信道数目进行调整，以获得最终的信道数目分配方案，如此实现动态频谱分配。

下面通过一个具体的仿真实例来说明本专利中分配算法的性能。在一个2000m×2000m的区域内随机放置K个基站，通过改变基站数目来改变网络密度。假设有WCDMA和LTE两种网络，并且假设两个网络的载波带宽都是5MHz，将200MHz的协同接入频谱划分成40个带宽为5MHz的信道。基站频谱需求即信道数目需求在1到20间随机选取。每次试验重复二十次，记录下平均结果。表1给出了仿真参数。

表1 仿真参数

参数名称	参数值
		信道数目	40
仿真区域	2000m×2000m
		基站通信半径	50m
路径损耗因子(α)	2
		发射功率	5dBm
SINR门限	10dB
		噪声功率(N)	-102.5dBm
基站信道需求	1到20间随机选取

图2比较了本发明的方法和现有方法(即文献“Cao Lili,Yang Lei,Zhou Xia,et al.Optimus:SINR-driven spectrum distribution via constraint transformation.To Appear:IEEE Symposium on New Frontiersin Dynamic Spectrum Access Networks(DySPAN 2010),Singapore,April 2010”中的方法)的有效频谱利用效率。从图中可以看出本发明的方法比现有方法有更高的归一化的有效频谱利用效率，这是因为本发明的方法的迭代增强算法比现有方法中的迭代增强算法性能更好。

综上所述，本发明的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法充分考虑各基站的频谱需求，将频谱分配给有需求的基站，可以减少频谱资源的浪费，提高频谱利用效率。同时，所采用的迭代增强算法能更大限度地复用频谱，提高了频谱的利用效率。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (5)

1.一种无线异构网络中高效的动态频谱分配方法，其特征在于包括步骤：

1)一频谱管理器将自己能使用的频谱资源分为多个信道；

2)处于所述频谱管理器所管辖的区域内的所有基站各自根据当前负载情况预测下一分配周期内各自所需的信道数目，并将各自所预测的信道数目发送给所述频谱管理器；

3)所述频谱管理器根据接收到的各基站所需的信道数目，计算出在条件下的的最优解，并根据所述最优解的整数部分和最小干扰频带调整算法获得各基站的信道数目的初始分配方案，其中，K为所述频谱管理器所管辖区域内所有基站的数目，w_i为第i个基站所分配到的信道数目，d_i为第i个基站所需的信道数目，M为所述频谱管理器所具有的总的信道数目， 表示第i个基站成功传输能忍受的最大干扰，I_j,i表示第j个基站对在第i个基站的覆盖范围内的任一接收者所能产生的最大干扰强度，表示第j个基站对第i个基站的归一化的干扰强度，P_i为第i个基站的发射功率，r_i表示第i个基站覆盖小区的半径,α为路径损耗因子，β为信干噪比的门限值，N为噪声功率；

4)所述频谱管理器在各基站的信道数目的初始分配方案的基础上，采用迭代增强算法再对各基站所分配到的信道数目进行调整，以获得信道数目的调整分配方案；

5)所述频谱管理器将所获得的信道数目调整分配方案发送至各基站，以便各基站在下一个分配周期内使用。

2.如权利要求1所述的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法，其特征在于：所述频谱管理器所管辖的区域内的所有基站分属于不同的网络。

3.如权利要求1所述的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法，其特征在于：步骤4)进一步包括步骤：

(1)根据各基站所分配到的初始信道数目对各基站排序；

(2)按照基站的排序，依序逐一在各基站初始信道数目基础上添加信道直到达到基站需求或者没有信道可以分配为止，且在添加信道时，使增加的信道上相应基站的信干噪比不低于所述门限值。

4.如权利要求3所述的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法，其特征在于：排序方式为降序。

5.如权利要求1所述的无线异构网络中高效的动态频谱分配方法，其特征在于：所述频谱管理器将频谱资源分为带宽相同的多个信道。