CN102843229B - 基于业务时延需求的频谱聚合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于业务时延需求的频谱聚合方法，涉及无线通信技术领域，本发明的方法通过对空间可用离散频段的搜索，在聚合跨度的范围内，为待分配频谱的用户选择最优的聚合频段。本发明充分考虑了用户的丢包紧急度，并结合频谱生存时间进行频谱优化选择，最小化了用户的丢包率，同时提高了频谱的时间利用率，减少了用户的频谱切换，尽可能地容纳了更多的用户，从而避免了频谱浪费，提高了频谱效率。

Description

基于业务时延需求的频谱聚合方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于业务时延需求的频谱聚合方法。

背景技术

随着各种无线通信新技术的快速发展，无线网络对频谱资源的需求也越来越多，因此频谱资源的短缺成为了限制无线通信发展的瓶颈之一。另一方面，某些授权频谱的利用率十分低下，很多频谱资源在一段时间内并未被充分利用。近年来，认知无线电技术逐渐成为新的研究热点。认知无线电技术能够感知并利用空间存在的频谱空穴，从而被认为是解决频谱资源短缺，提高频谱利用率的有效方法。

与传统的无线网络不同，认知无线电网络中的频谱是动态的，其可用性随时间不断变化，这就需要设计新的频谱分配算法。现有的频谱分配算法大多基于连续频谱分配，这会生成许多小于用户需求的频谱碎片，这些频谱碎片不能被充分利用，从而降低了频谱利用率，造成了频谱的浪费。而频谱聚合正是解决这一问题的有效方法。

非连续正交频分复用（DOFDM）技术的发展使非连续频谱的接入成为可能，它可以使单个用户同时接入几段频谱，从而将很小的频谱片段聚合为一段较大的频谱带宽，达到提高频谱利用率的目的。但是，由于发射机的硬件限制，可聚合频段的跨度S（单位：MHz）并不是无限的，这就意味着，聚合设备只能在聚合范围的最大跨度S内对可用的离散频谱资源进行聚合，而超过该范围的离散频谱资源则无法被聚合设备聚合。同时，不同的用户有不同的带宽需求和信道特点。如何合理地进行频谱聚合和分配，提高无线通信系统的频谱效率是一个重要的问题。

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：如何合理地进行频谱聚合和分配以提高无线通信系统的频谱效率。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于业务时延需求的频谱聚合方法，包括以下步骤：

S1：将待分配频谱的用户按时延要求排队，选择丢包紧急度最大的用户，所述丢包紧急度最大的用户指最大时延门限与当前经历时延之差最小的用户；

S2：以聚合范围的最大跨度S为搜索窗口，从离散可用频段的最低频开始搜索；

S3：找出当前搜索窗口内的最优聚合频段；

S4：将搜索窗口起点移至下一个可用频段的最低频，重复步骤S3；

S5：重复步骤S4直到所有的可用频段均已搜索完毕；

S6：将最终选出的聚合频段分配给步骤S1选出的用户，并在可用频段集合中去除已分配的频段，在剩余用户中重复步骤S1~S5直至所有的用户分配完毕；

S7：将剩余的频谱碎片进行再分配。

其中，所述步骤S3具体包括：

S3.1：搜索窗口内离散的频段，找出所有满足用户带宽需求的聚合频段，若没有满足的聚合频段，则选择搜索窗口内的所有可用频段作为本次搜索的最优聚合频段，跳至S4；

S3.2：计算各聚合频段的频谱生存时间和用户在各聚合频段上的传输数据所需时间，选择频谱生存时间大于用户传输数据所需时间且二者差值最小的频段作为本次搜索的最优聚合频段，若所有聚合频段的频谱生存时间均小于用户传输数据所需时间，则选择使用户传输数据量最大的聚合频段作为本次搜索的最优聚合频段；

S3.3：将本次搜索选择的最优聚合频段与当前记录的最优聚合频段进行比较，选出最佳并记录。

其中，所述频谱的生存时间为聚合频段中各子频段的生存时间的最小值。

其中，所述步骤S3.3具体包括：

比较本次选出最优聚合频段的频谱生存时间和用户传输时间之差Δt_k，n与当前记录最优聚合频段的频谱生存时间和用户传输时间之差Δt_k，若Δt_k，n和Δt_k均为正值，则选择差值较小的聚合频段作为最优聚合频段；若Δt_k，n和Δt_k一正一负，则选择差值为正的聚合频段作为最优聚合频段；若Δt_k，n和Δt_k均为负值，则比较用户在两个聚合频段上的可传输数据量的大小，选择可传输数据量较大的聚合频段作为最优聚合频段。

其中，所述步骤S7将剩余的频谱碎片进行再分配的方式为：选择一段频谱碎片，查找聚合跨度S包含该碎片的所有已分配用户，将频谱碎片分配给在该碎片上传输速度最快的用户，重复执行该过程直至所有的碎片分配完毕。

（三）有益效果

本发明提出的频谱聚合方法的主要创新点是综合考虑了用户时延和带宽需求，能够从用户对时延的要求出发，最小化用户的丢包率，同时在满足用户带宽需求的基础上，结合频谱的生存时间合理的分配频谱资源，从而提高了频谱利用率。

附图说明

图1示出了频谱聚合方法的总体搜索分配流程图；

图2示出了离散频谱状态的模型及聚合窗口；

图3示出了频谱聚合方法中选取最优频段的流程图；

图4示出了频谱碎片再分配的模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

假设网络中有K个用户，空间共有N段离散空闲频谱，本发明的频谱聚合流程如图1所示，首先，选择需要分配频谱的用户。为了最小化用户的丢包率，本方法选取用户的原则是考虑用户的丢包紧急度，优先指派丢包紧急度最大的用户，即用户的最大时延门限与当前经历时延之差最小，如下式所示：

while K≠φ

(k)←argmin{T_k-τ_k}

end while

其中，T_k为用户k的时延门限，τ_k为用户k当前经历的时延。

其次，为该用户分配频谱。假设选定的第k个用户所需传送的数据总量为D_k，其传输的数据包可切分。设聚合最大跨度为S，用户的带宽需求为B_k。如图2所示，以可用频段的最低频作为聚合窗口的滑动起点进行第1次搜索。在聚合窗口S内，找出满足用户带宽需求（也即聚合后带宽大于等于B_k）的所有聚合频段（即若干离散频段的组合），记为{ξ₁,ξ₂,…,ξ_i,…}。聚合后聚合频段ξ_i上的数据传输速度为各聚合频段ξ_i包含的可用频段B_n上传输速度之和，即：

$R_{{\mathrm{\ξ}}_i}=\underset{n\∈{\mathrm{\ξ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{B}_n{\log }_2(1+\frac{P_{k,n}\·h_{k,n}}{\mathrm{\Γ}{N}_{0}W})$

其中，B_n(n=1,2,...,N)为各可用频段的带宽。P_k，n，h_k,n分别为用户k在频段n上的功率和信道增益。N₀W为系统的噪声功率，Γ表示与物理层编码调制关联的冗余量。此时，用户k在该聚合频段ξ_i上的传输时间为：

$t_{k,{\mathrm{\ξ}}_i}=\frac{D_k}{\underset{n\∈{\mathrm{\ξ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{B}_n{\log }_2(1+\frac{P_{k,n}\·h_{k,n}}{{\mathrm{\ΓN}}_{0}W})}$

由于频谱的稳定性是影响业务时延和切换的重要因素，因此，本方法假设在认知无线电环境中每个频段都有其预测的生存时间，对每个聚合频段ξ_i，频谱的生存时间是由聚合频段中各子频段的生存时间的最小值决定的，故聚合频段ξ_i的生存时间为n∈ξ_i，其中T_n为各频段的生存时间。

为了最大化频谱的时间利用效率，尽量避免频谱切换，本方法选择各个聚合频段中频谱生存时间大于用户传输数据所需时间且二者差值最小的频段作为本次搜索的最优聚合频段，记为ξ_k，n，表示用户k在第n次搜索中选择的最优聚合频段。记录ξ_k，n上的频谱生存时间与用户传输时间之差Δt_k，n。

如果所有聚合频段ξ_i的频谱生存时间小于用户所需传输时间，则应以尽可能多的传输数据为目标，选取使用户传输数据量最大的聚合频段。

若本次搜索在聚合跨度S内所有空闲频谱带宽之和仍不能满足用户的带宽需求B_k，则为了传输最多的数据，最优的选择是将所有空闲频谱聚合起来作为本次搜索的最优聚合频段。此时，Δt_k,n为即频谱生存时间小于用户传输所需时间。

最后将本次选出的最优结果与当前记录的最优结果（记录的是前面若干次搜索的结果中最优的一个，每一次搜索选出的最优结果都要与该记录的最优结果比较）进行比较，若本次结果更优，则将记录值进行替换，否则将保留原结果。比较的方法与上述在一个搜索窗口内最优聚合频段的比较方法相同，即以优化频谱的时间利用率为原则，比较本次选出最优聚合频段的频谱生存时间和用户传输时间之差Δt_k，n与当前记录最优聚合频段的频谱生存时间和用户传输时间之差Δt_k，若Δt_k，n和Δt_k均为正值，则选择差值较小的聚合频段作为最优聚合频段；若Δt_k，n和Δt_k一正一负，则选择差值为正的聚合频段作为最优聚合频段；若Δt_k，n和Δt_k均为负值，则比较用户在两个聚合频段上的可传输数据量的大小，选择可传输数据量较大的聚合频段作为最优聚合频段。具体比较算法如下，其中ξ_k为记录的最优聚合频段其比较流程图如图3所示。

该聚合窗口S内的选择完成后，再将聚合窗口S的左端（即窗口起点）移到第二个可用频段的最低频，重复上述搜索选择过程。全部频段的搜索完成后，即找出了最优的频谱分配方案。

当前用户的分配完成后，在待分配用户集合中去掉该用户和已分配的频段，重新选择丢包紧急度最大的下一用户，重复执行分配过程。

全部用户的分配过程完成后，最后进行频谱碎片的分配。假设剩余W段离散的频谱碎片，随机选择其中一段碎片，查找聚合跨度S包含该碎片的所有已分配用户，选择在该碎片上传输速度最快的用户，将碎片分配给它。例如图4所示，一块频谱碎片既位于用户1的聚合范围内，又位于用户2的聚合范围内。此时比较用户1和用户2在该碎片上的传输速率，将该碎片分配给速率较大的用户。如碎片处于多个用户的聚合范围内，则相应地比较各用户在此碎片上的传输速率，分配给速率最大的用户。重复执行该过程直至所有的碎片分配完毕。其过程如下：

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，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种基于业务时延需求的频谱聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待分配频谱的用户按时延要求排队，选择丢包紧急度最大的用户，所述丢包紧急度最大的用户指最大时延门限与当前经历时延之差最小的用户；

S2：以聚合范围的最大跨度S为搜索窗口，从离散可用频段的最低频开始搜索；

S3：找出当前搜索窗口内的最优聚合频段；

S4：将搜索窗口起点移至下一个可用频段的最低频，重复步骤S3；

S5：重复步骤S4直到所有的可用频段均已搜索完毕；

S6：将最终选出的聚合频段分配给步骤S1选出的用户，并在可用频段集合中去除已分配的频段，在剩余用户中重复步骤S1～S5直至所有的用户分配完毕；

S7：将剩余的频谱碎片进行再分配；其中所述S3具体包括：

S3.1：搜索窗口内离散的频段，找出所有满足用户带宽需求的聚合频段，若没有满足的聚合频段，则选择搜索窗口内的所有可用频段作为本次搜索的最优聚合频段，跳至S4；

S3.2：计算各聚合频段的频谱生存时间和用户在各聚合频段上的传输数据所需时间，选择频谱生存时间大于用户传输数据所需时间且二者差值最小的频段作为本次搜索的最优聚合频段，若所有聚合频段的频谱生存时间均小于用户传输数据所需时间，则选择使用户传输数据量最大的聚合频段作为本次搜索的最优聚合频段；

S3.3：将本次搜索选择的最优聚合频段与当前记录的最优聚合频段进行比较，选出最佳并记录。

2.如权利要求1所述的基于业务时延需求的频谱聚合方法，其特征在于，所述频谱的生存时间为聚合频段中各子频段的生存时间的最小值。

3.如权利要求1所述的基于业务时延需求的频谱聚合方法，其特征在于，所述步骤S3.3具体包括：

比较本次选出最优聚合频段的频谱生存时间和用户传输时间之差Δt_k,n与当前记录最优聚合频段的频谱生存时间和用户传输时间之差Δt_k，若Δt_k,n和Δt_k均为正值，则选择差值较小的聚合频段作为最优聚合频段；若Δt_k,n和Δt_k一正一负，则选择差值为正的聚合频段作为最优聚合频段；若Δt_k,n和Δt_k均为负值，则比较用户在两个聚合频段上的可传输数据量的大小，选择可传输数据量较大的聚合频段作为最优聚合频段。

4.如权利要求1所述的基于业务时延需求的频谱聚合方法，其特征在于，所述步骤S7将剩余的频谱碎片进行再分配的方式为：选择一段频谱碎片，查找聚合跨度S包含该碎片的所有已分配用户，将频谱碎片分配给在该碎片上传输速度最快的用户，重复执行所述步骤S7直至所有的碎片分配完毕。