CN102612042A

CN102612042A - 毫微微蜂窝网络中基于感知的频谱自管理方法

Info

Publication number: CN102612042A
Application number: CN2012101112109A
Authority: CN
Inventors: 李伟; 郑伟; 苏涛; 巨颖; 温向明
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明涉及移动通信中的无线资源管理，提供一种毫微微蜂窝网络中基于感知的子频带自管理方法。该方法包括用户测量邻近基站对其产生的干扰并上报；集中控制单元根据测量报告计算干扰权重并生成加权干扰图，根据用户服务质量需求以及网络中基站分布密度，对毫微微基站进行分簇，形成虚拟小区。相互干扰较小的毫微微基站划分到相同的簇，簇内节点复用子频带。由于毫微微蜂窝网络中基站随时开启或关闭，引起网络拓扑以及基站密度随时变化，针对网络的动态时变性，依据发生启闭的基站数量以及网络中激活基站的密度，分别采用基于最大复用熵的子频带分配算法，重新执行分簇算法以及调整分簇参数实现频谱的自管理，从而在抑制毫微微基站间的干扰的同时，有效地改善网络的频谱利用率。

Description

毫微微蜂窝网络中基于感知的频谱自管理方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别的，本发明涉及毫微微蜂窝网络中基于感知的频谱自管理方法，可用于下一代移动通信长期演进系统(LTE/LTE-A)中。

背景技术

目前，第三代移动通信系统(3G)已经得到广泛地商用。然而，其峰值传输速率还不能满足人们日益增长的数据速率要求。为了解决这个问题，3GPP启动了LTE新技术研发项目，LTE系统的空中接口采用以OFDMA/SC-FDMA为核心多址接入技术，MIMO为传输技术，致力于提供高的峰值速率，改善小区边缘用户的性能，提高小区容量，降低系统延迟。

与此同时，随着无线通信技术不断地发展以及通信业务多样化不断地演变，据研究统计表明，大约70％的话音业务和90％的数据业务发生在室内，因此室内通信引起各大运营商极度地关注。然而，根据目前的无线频谱规划，LTE系统仍将大量使用位于2GHz左右和更高的频段，这样信号的能量损耗将更加严重，导致室内无线覆盖的效果非常差，同时用户的高速率要求使得其服务质量随之变得无法接受。因此为了实现更好的室内网络覆盖和网络容量扩充，LTE系统引入毫微微基站(HeNB或Femto BS)技术，毫微微基站具有体积小、发射功率低、用户自行安装和维护、即插即用等特点，不仅能增强室内覆盖，同时由于毫微微基站由用户自行部署，能节省运营商的固定资本投入，提高运营商的收益。

鉴于毫微微基站技术上述种种优势，势必在不远的将来毫微微基站将大量地部署。由于无线频谱资源在通信行业稀缺而宝贵，毫微微蜂窝网络中的基站将会共享频谱，随之而来的将是严重的同层干扰，导致毫微微小区中的用户服务质量得不到保证。然后，毫微微基站主要由用户——非通信专业人士——自行安装，且其数量和位置对运营商都不得而知，传统的网优网规技术与干扰抑制技术无法有效地解决此问题。因此，毫微微网络中的自组织网络(Self-Organizing Network，SON)技术得到无线通信业界极大的重视，也是毫微微蜂窝网络的一大挑战。

SON技术使得毫微微基站结点必须可以快速地对外界无线环境的变化做出反应，进行自配置和自优化，并且能自动整合到运营商的网络中，最小化射频工程人员在网络规划和优化方面的工作，从而提高网络的性能，减少了人为的参与，降低运营商的成本，从而间接增加运营商的收入。随着毫微微基站的大量部署，以及毫微微基站开启和关闭所具有的不确定性，使得毫微微蜂窝网络的拓扑以及毫微微基站的密度不断发生变化。因此为了提高毫微微蜂窝网络的频谱利用率，网络的频谱自管理架构是当前最具挑战的课题。

图1所示为包括毫微微蜂窝网络系统架构图，其包含若干毫微微基站、若干毫微微小区用户设备以及一个毫微微基站网关。

发明内容

本发明旨在针对现有技术没能很好考虑毫微微蜂窝网络拓扑动态变化时频谱利用率问题，提出了一种基于感知的频谱自管理方法，该方法能够有效地解决因毫微微基站关闭或开启引起网络动态变化时的频谱分配问题，降低毫微微小区间的干扰，提高频谱利用率。具体步骤如下：

步骤1：用户测量邻近基站对其产生的干扰，通过为其服务的毫微微基站上报到毫微微基站网关中的集中控制单元中，集中控制单元计算干扰权重并生成加权干扰图；

步骤2：集中控制单元根据用户服务质量需求和网络中工作的毫微微基站密度，确定簇数M并执行基于最大K割的分簇算法，形成虚拟小区；

步骤3：将授权可用的频谱分成M个子频带，执行基于平均SINR最大化的子频带选择算法，每个虚拟小区分配到最佳子频带；

步骤4：集中控制单元监测毫微微蜂窝网络中基站状态改变情况，统计状态改变的基站的数目和位置等信息；

步骤5：若状态发生变化的基站总数目小于计数门限值，新开启的基站执行基于最大复用熵的子频带分配算法；

步骤6：当状态发生变化的基站总数目大于计数门限值，且处于工作状态的基站密度维持稳定即小于密度门限值，则重新执行分簇算法；

步骤7：当状态发生变化的基站总数目大于计数门限值，且处于工作状态的基站密度变化较大即大于密度门限值，调整簇数M。

所述步骤1中，开启的毫微微基站向集中控制单元上报其状态、地理位置等信息，集中控制单元统计毫微微蜂窝系统中所有基站的相关信息如开启的毫微微基站总数目以及其工作状态等。

所述步骤2中，虚拟小区中的结点相互之间不存在干扰或干扰较小，不同虚拟小区间的干扰较大，并且同一虚拟小区的节点复用子频带。

所述步骤3中，每个虚拟小区都是基于最大化虚拟小区吞吐量原则进行子频带选择。

所述步骤4中，毫微微基站由终端用户控制，可随时开启和关闭，导致毫微微蜂窝网络拓扑及开启基站密度均动态变化。

所述步骤5中，最大复用熵的子频带分配算法既要保证新开启基站的所受干扰尽可能最小，也还要考虑对相邻基站的干扰也尽量最小，同时还得兼顾整个毫微微蜂窝网络的频谱分配复杂度，降低在其附近新开启的基站分配子频带的难度。

所述步骤6中，当状态发生变化的基站总数目大于计数门限值，且处于工作状态的基站密度维持稳定即小于密度门限值，说明发生状态变化的基站比较多，但处于工作状态的基站总数基本维持不变。此时只需要进行重新分簇即可。

所述步骤7中，当状态发生变化的基站总数目大于计数门限值，且处于工作状态的基站密度维持稳定即大于密度门限值，说明毫微微蜂窝网络拓扑发生变化，并且基站间的干扰关系需要重新确定，因此需重新定义分簇值。

当毫微微蜂窝网络中状态发生变化的基站数目较少时，提出一种基于复用熵的频谱分配方法，具体步骤如下：

步骤1：新开启毫微微基站计算在每个子频带上的SINR，并上报给集中控制单元；

步骤2：集中控制单元将接收的每个子频带上的SINR与判决门限做比较，选出满足用户服务质量需求的子频带作为候选集；

步骤3：已经使用候选子频带的毫微微基站上报其干扰情况至集中控制单元；

步骤4：集中控制单元将接收的每个子频带上的SINR与判决门限做比较，选出满足用户服务质量需求的子频带作为新开启基站的候选集；

步骤5：集中控制单元从候选集中选择复用熵最小的子频带分配给新开启的毫微微基站。

从以上技术方案可以看出，本发明的技术方案中用户设备的干扰测量报告上报给集中控制单元，集中控制单元根据所有用户的测量报告计算干扰权重和生成加权干扰图，基于加权干扰图将所有的毫微微基站分成M簇，干扰较小的毫微微基站形成一个簇，簇内毫微微基站复用子频带，不同簇的毫微微基站分配不同的子频带，当系统内毫微微基站状态发生改变时，由计数门限值和密度门限值确立毫微微蜂窝网络变化的形态，从而采取相应地算法解决毫微微基站子频带的分配，有效地抑制毫微微基站间的干扰，大大地提高全网的吞吐量。此外所发明的感知频谱管理架构最大限度提高频谱的利用率，降低网络的运营开销。

下面通过附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的阐述。

附图说明

图1所示为本发明实施例中包含毫微微基站与毫微微基站网关的毫微微蜂窝系统架构图；

图2所示为本发明实施例中基于感知的频谱自管理方法流程；

图3所示为本发明实施例中新开启基站的频谱分配算法流程；

具体实施方式

为使本发明的技术方案优势描述的更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细阐述，显然所描述的实施例只是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。根据本发明的实施例，本领域的普通技术人员在不经创造性劳动的基础上可以实现本发明的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在下面的描述中，对与本发明无关的技术只做简要的技术说明或者直接略过。

本发明的主要思想是，基于干扰测量报告将所有的毫微微小区分成M簇，相互干扰不存在或干扰较小的毫微微基站划分到一个簇中，同一簇内的毫微微基站复用子频带，不同簇之间的毫微微基站分配到不同的子频带。由于毫微微基站由用户自行安装与控制，导致其随时会开启或关闭，进而毫微微蜂窝网络拓扑将动态地变化。为了抑制毫微微小区间的干扰和提高频谱利用率，针对网络的拓扑变化，对频谱进行自管理。若状态发生变化的基站数比较小，集中控制结点运行基于最大复用熵的子频带分配算法；若状态发生变化的基站数比较大，若毫微微小区的密度变化小于密度门限值则执行分簇算法，否则调整簇数M，重新执行分簇算法。

图1所示为多层建筑内毫微微小区网络的系统架构图，其包含一个毫微微基站网关、若干毫微微基站和若干毫微微小区用户设备，特别的，集中控制器能监测毫微微蜂窝网络中毫微微基站的运行状态，并统计系统内所有毫微微基站的状态、地理位置等信息。

图2是本发明实施例基于感知的频谱自管理流程图，具体包括：

步骤201：用户测量相邻基站对其产生的干扰，为其服务的毫微微基站将此测量信息上报到毫微微基站网关中的集中控制单元，集中控制单元计算干扰权重并生成加权干扰图。

步骤202：集中控制单元根据用户服务质量需求，确定簇数M，具体参见下面的表达式。随后执行分簇算法，相互不存在干扰或干扰较小的毫微微小区划分到一个簇中，簇内节点复用子频带。

M = \underset{M = {1,2,3, . .}}{\arg} {{SINR}_{r} = \frac{P_{r}^{v_{t}}}{I (M, N, λ, S_{f}) + N_{0}} &GreaterEqual; {SINR}^{th}, &ForAll; r}

在步骤202中，N是毫微微蜂窝网络中基站的总数目，λ为网络中处于工作状态基站的密度，S_f为基站的运营状态信息如工作频段，基站位置及开关状态等。SINR^th是满足用户服务质量需求的门限值。用户SINR需求越高，簇数M初始值越大；毫微微基站的密度越大，簇数M初始值也越大。

步骤203：将授权可用的频谱分成M个子频带，集中控制器单元执行基于平均SINR最大化的子频带选择算法，将每个簇分配的子频带告知簇中各个毫微微基站；

步骤204：集中控制单元监测毫微微蜂窝网络中基站状态改变情况，统计状态改变的基站的数目和位置等信息；

步骤205A：集中控制单元判决状态发生变化的基站总数目是否小于计数门限值；

步骤205B：小于计数门限值，集中控制单元根据新开启的毫微微基站上报测量的无线信息，执行基于最大复用熵的子频带分配算法；

步骤206A：大于计数门限值，集中控制单元进一步检测处于工作状态的基站密度是否小于密度门限值；

步骤206B：小于密度门限值，集中控制单元重新执行分簇算法；

步骤207A：大于密度门限值，集中控制单元调整簇数M，根据其统计的基站状态变化，当开启的基站总数目增加时执行M＝M+1，反之执行M＝M-1；

步骤206B：判断所有节点的SINR是否大于用户服务质量的门限值；如果小于门限值返回至步骤207A，如果大于门限值，进入下一步206C；

步骤206C：集中控制单元重新执行分簇算法。

图3是新开启基站的频谱分配流程，具体步骤如下：

步骤301：某个新开启的毫微微基站分别计算在M个子频带上的SINR，并上报给集中控制单元；

步骤302：集中控制单元将接收的某个新开启基站在M个子频带上的SINR与判决门限做比较，选出满足该新开启基站的用户服务质量需求的子频带构成候选集X如下式所示：

其中

表示新开启毫微微基站在每个子频带上的信干噪比，SINR^th表示满足用户服务质量要求的门限。

表示满足要求的簇，也即对应满足要求的子频带。

步骤303：已经使用候选集X中子频带的毫微微基站更新其干扰情况，并上报给集中控制单元；

步骤304：集中控制单元将接收的每个子频带上的SINR与判决门限做比较，选出满足用户服务质量需求的子频带构成新开启基站的候选集Y如下式所示：

其中

表示已经使用候选集X中子频带

的毫微微基站的信干噪比，

表示满足要求的簇也即对应满足要求的子频带。

步骤305：集中控制单元从候选集中Y选择复用熵最小的子频带分配给新开启的毫微微基站，如下式所示：

其中分配子频带m的复用熵，p_m表示子频带m的复用次数与所有子频带使用总次数之比。复用熵越大，子频带空间分配越均匀。

Claims

1.毫微微蜂窝网络中基于感知的频谱自管理方法，其特征在于包括以下步骤：基于感知的频谱自管理的算法步骤：

新开启毫微微基站的频谱分配的算法步骤：

2.根据权利要求1所述的基于感知的子频带自管理方法，其特征在于：

所述频谱自管理步骤1中，集中控制单元集成在毫微基站网关中，用户测量邻近其它基站对其干扰的过程中，可以设定一个门限值，干扰信号强度超过门限值才上报给集中控制单元。

3.根据权利要求1所述的基于感知的子频带自管理方法，其特征在于：

所述频谱自管理步骤2中，集中控制单元能够监测所有的基站状态，并统计处于工作状态的毫微微基站部署密度、位置信息以及工作频率等。此外，集中控制单元执行分簇算法，使得毫微微蜂窝网络由一个个虚拟小区构成，不仅有效降低基站间的干扰，而且便于管理，降低网络信令开销。

4.根据权利要求1所述的基于感知的子频带自管理方法，其特征在于：

所述频谱自管理步骤5，6，7中，由于毫微微蜂窝网络中的基站由用户自行安装和维护，且随时开启或关闭，导致网络拓扑以及激活的毫微微基站密度随时在变化。基于毫微微蜂窝网络的时变性，将网络的变化归结为三种，(1)少量毫微微基站状态变化；(2)大量毫微微基站状态变化，但处于激活状态的基站总数维持稳定；(3)大量毫微微基站状态变化，同时处于激活状态的基站总数也发生较大的变化。针对这三种情况，分别提供对应的自管理解决方案，以提高频谱的高效性，同时抑制基站间的干扰，提高网络的吞吐量。

5.根据权利要求1所述的基于感知的子频带自管理方法，其特征在于：

所述频谱自管理步骤5中，集中控制单元执行基于最大熵的频谱分配算法，最大熵保证子频带空间分布的均匀性，为下一个新开启的毫微微基站分配子频带降低复杂度。

6.根据权利要求1所述的基于感知的子频带自管理方法，其特征在于：

所述新开启基站的频谱分配步骤2中，新开启基站的候选集中的子频带能保证基站的用户服务质量需求。

7.根据权利要求1所述的基于感知的子频带自管理方法，其特征在于：

所述新开启基站的频谱分配步骤4中，候选集中的分配给新开启基站的子频带既能保证新开启基站中用户的服务质量需求，同时能保证已处于激动状态的基站中的用户服务质量需求。

8.根据权利要求1所述的基于感知的子频带自管理方法，其特征在于：

所述新开启基站的频谱分配步骤2中，计算候选集中每个子频带的熵，选出最大熵所对应的子频带分配给新开启基站能保证子频带分布的均匀性，从而降低分配的复杂度，尤其是毫微微基站在高密度部署的情形下。