CN102970683B - 基于图论的多小区两层网络的频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图论的多小区两层网络的频谱分配方法，该方法基于LTE中多小区场景下，宏基站与家庭基站共存，两者共享频谱的平台，先通过遗传算法求得图的最大独立集，给宏用户分配频谱，得出宏用户占用的资源块比例。考虑到不同资源块上宏基站和小尺度衰落对家庭用户产生的影响，建立了多张干扰图并提出了较好的方案动态分配频谱。该方法减小了跨层干扰和同层干扰，能够满足宏用户的服务质量要求，增加了系统的总吞吐量并实现了边缘家庭用户吞吐量和家庭用户总吞吐量的折中。

Description

基于图论的多小区两层网络的频谱分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于图论的多小区两层网络的联合频谱分配方法，属于通信技术领域。

背景技术

近年来，随着移动通信技术的不断发展，高速率数据业务需求的日益加剧，用户量也越来越多，如果仅仅依靠宏基站无法满足室内用户的服务要求。家庭基站因功耗小、安装方便、信号质量高等优点得到越来越多的应用。3GPP的长期演进（LTE）项目和先进的长期演进（LTE-Advanced）项目中使用了家庭基站解决室内覆盖的问题，提高了系统容量和数据速率。

LTE长期演进计划是一种具有强大竞争优势的无线接入技术，被视作从3G到4G演进的主流技术，它可以实现多带宽、高速率等性能指标。LTE下行链路主要采用OFDMA技术，它属于多载波调制（Multi-Carrier Modulation，MCM）技术。

OFDMA技术把可用频带分成一系列正交的子信道，每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。OFDM系统有着优越的性能，其优点主要包括：

(1)频谱利用率较高。OFDM系统中，子载波是相互正交的，之间没有保护间隔且频谱重叠，因此可以节省频谱资源，提高频谱的利用率。这样，系统的容量也就更大。

(2)抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强。OFDMA技术适用于多径衰落信道的高速数据传输中，在多载波系统中，由于多径产生的衰落只会影响到一个或几个子带，其他子带不受影响，具有较强的抗频率选择性衰落能力。

(3)抗符号间干扰能力强。OFDM通过在传输的数据块之间插入一个大于信道脉冲响应时间的保护间隔，消除了由于多径时延扩展引起的符号间干扰。

(4)OFDM系统可以方便地与其它接入方式结合使用，比如多载波码分多址MC-CDMA，跳频OFDMA，OFDM-TDMA等，拓展了OFDM的应用环境。

宏基站与家庭基站共存的两层网络模型中，若宏用户与家庭用户不共用频谱，虽能有效避免跨层干扰，但家庭基站只能使用一部分频谱，不利于吞吐量的提高。但当宏用户与家庭用户共用频谱时，利用OFDM系统中子带间的正交性，可有效消除宏小区和家庭基站内部的干扰，但家庭基站与家庭基站，宏基站与家庭基站之间还是会产生较大的干扰。如何减小它们之间的干扰，进行更好的频谱分配，是值得我们考虑的问题。我们既要保证在家庭基站附近死区域中宏用户的服务质量，也要考虑宏基站和其他家庭基站对家庭用户的干扰。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于图论的多小区两层网络的频谱分配方法，即是一种基于OFDM的多小区两层网络中减小宏用户和家庭基站及家庭基站与家庭基站之间干扰的联合频谱分配方法。该方法先构建宏用户的干扰图，用遗传算法求宏用户分配的频谱比例，接着建立家庭基站系统的干扰图，进行动态频谱分配。通过仿真结果可以看出，该方法法减小了跨层干扰和同层干扰，增加了系统的总吞吐量并为宏用户和家庭用户提供了较高的链路服务质量。

技术方案：本发明提供一种基于图论的多小区两层网络的频谱分配方法，该方法先构建宏用户的干扰图，用遗传算法求宏用户分配的频谱比例，接着建立家庭基站系统的干扰图，动态地给每个用户分配所有可用的频谱资源。

本发明首先对宏用户和家庭用户所占频谱的比例进行合理分配，给宏用户分配频谱。对所有小区的宏用户建立干扰图G_M=(V_M,E_M)，根据每个点的接收功率和干扰功率，通过逐步建立边来去除对这个点最大的干扰，使得它的接收信干噪比大于要求的门限值。宏用户占用的最小资源块问题可转化成求图的最大独立集或补图的最大独立团问题。

其次，给家庭用户分配频谱。建立家庭基站网络的干扰图。家庭基站网络的干扰图为带权图G_F=(V_F,E_F,W_F)，其中V_F为点集，代表家庭小区；E_F为边集，代表家庭基站与家庭用户之间的干扰，是有向的；W_F为权重。每个家庭基站对应一个颜色列表，每种颜色代表一个可使用的资源块。每个家庭基站的初始颜色列表都为所有的颜色。为保证边缘宏用户的SINR要求，对每个宏用户计算来自其他宏基站和家庭基站的干扰，若干扰大于门限，逐步去除对最大的来自家庭基站的干扰，同时家庭基站颜色列表中删除此宏用户使用的资源块对应的颜色，直至受到的总干扰低于要求的干扰门限值。然后建立多张干扰图动态分配频谱。

本发明基于图论的多小区两层网络的频谱分配方法基于宏基站与家庭基站共存，两者共享频谱的平台，具体包括以下步骤：

步骤1、对宏用户和家庭用户所占频谱的比例进行合理分配，先对所有小区的宏用户建立干扰图G_M=(V_M,E_M)，其中M代表这是宏用户之间的干扰图，V_M为点集，代表宏用户；E_M为边集，代表宏基站与宏用户之间的干扰；根据每个点的接收功率和干扰功率，通过逐步建立边来去除对这个点最大的干扰，使得它的接收信干噪比大于要求的门限值，宏用户占用的最小资源块问题可转化成求图的最大独立集或补图的最大独立团问题；最后根据干扰图对宏用户进行频谱分配；

步骤2、家庭用户频谱分配，建立家庭基站之间的干扰图，家庭基站网络的干扰图为带权图G_F=(V_F,E_F,W_F)，其中F代表这是家庭基站之间的干扰图，V_F为点集，代表家庭小区；E_F为边集，代表家庭基站与家庭用户之间的干扰，是有向的；W_F为权重；每个家庭基站对应一个颜色列表，每种颜色代表一个可使用的资源块；每个家庭基站的初始颜色列表都为所有的颜色，为保证边缘宏用户的质量要求，对每个宏用户计算来自其他宏基站和家庭基站的干扰，若干扰大于门限，逐步去除对最大的来自家庭基站的干扰，同时家庭基站颜色列表中删除此宏用户使用的资源块对应的颜色，直至受到的总干扰低于要求的干扰门限值，然后建立多张干扰图动态分配频谱；最后将资源块分配给家庭用户。

所述步骤1中对宏用户进行频谱分配的具体如下：

步骤1-1.初始化：M为每个宏小区包含的宏用户数，n为还未分到独立团中的宏用户个数，初始值为19*M，G为由n个点构成的图；

步骤1-2.求G的补图通过遗传算法-EA/G算法对补图求最大独立团；

步骤1-3.将独立团中的点从点集V_M中去掉，更新n，G；

步骤1-4.重复步骤1-2和步骤1-3，直至V_M为空，形成的最大独立团的数目就是图G的色数；

步骤1-5.分别对各个最大独立团求得对应的图G的最大独立集，同一最大独立集中的用户分同样的资源块，每个宏用户分1个资源块，得出满足宏用户信干噪比门限值的最少的资源块数，完成分配。

所述步骤2中建立家庭基站之间的干扰图，为有向权重干扰图，具体为：

对每个资源块都建立一张家庭基站之间的干扰图，任意两点之间都存在边并加入权重因子来表征两点之间的干扰大小；权重I_1→2为点1对2的干扰，I_thr2为点2满足信干噪比的干扰门限值-所有宏小区在此资源块上对点2的干扰，权重值越大，表明对本点的干扰越大；若两点不使用相同频谱时，相互的干扰为0，两点之间的实际权重为0；当某个点受到所有点对它的实际权重之和<=1时，能满足信干噪比门限值要求。

所述步骤2中将资源块分配给家庭用户的过程如下：

1）对每个家庭用户进行资源块优先级排序，干扰小的排在前面；

2）初始化：资源块i=1，代表颜色1；可着颜色1且还未着任何颜色，即可使用此资源块且还未分配任何资源块，为家庭用户集A，可着颜色1且已着色，即可使用此资源块且已分配其它资源块，为家庭用户集B，共享资源块i的为家庭用户集Mi；

3）若A为空，则转4），否则，选在集合A的各个家庭用户中此资源块优先级最高的家庭用户加入；若有多个家庭用户，则选对可着此色的所有家庭用户干扰最小的加入Mi，更新A，B，转4）；

4)若B为空，此次分配结束，若i<R，R为资源块总数,i=i+1，返回2）；否则，从集合B中选可着此色且对集合Mi中的各家庭用户干扰最小的家庭用户j，若家庭用户j加入后Mi中每个家庭用户实际总权重<＝1且家庭用户j的实际总权重<=1，加入家庭用户j，否则从集合B中删去家庭用户j，重复4）。

有益效果：本发明将信道分配转化为图论顶点着色的问题更方便、简单的解决了信道分配；本发明用遗传算法求最大独立团的方法对宏用户的资源块进行分配，求得了宏用户占用的资源块比例；本发明考虑到不同资源块上宏基站和小尺度衰落对家庭用户产生的影响，建立了多张干扰图动态分配频谱；本发明保证了边缘宏用户和边缘家庭用户的信干噪比，并最大化家庭基站的总吞吐量。

附图说明

图1为本发明OFDM系统两层网络模型图，

图2为本发明的家庭基站系统建立的干扰图，

图3为本发明的家庭基站系统频谱分配算法流程图。

具体实施方式

本发明所针对的是下行OFDM系统两层网络模型，如附图1所示。由L个宏小区组成的多小区OFDM下行链路系统，宏小区与家庭小区共存。宏基站位于本小区中心，每个宏小区内随机分布着M个宏用户。家庭小区采用Dual stripe模型，每个宏小区内随机分布一个家庭小区街区，每个家庭小区内随机分布一个家庭基站和一个家庭用户。

激活概率ρ表示为激活的家庭小区的比例，ρ越高，表明工作的家庭基站越多。LTE中基本频谱资源单位为资源块，每个下行资源块频域上由12个带宽Δf=15kHz的子载波构成，时域上对应0.5ms。本文以资源块为最小分配单位，共R个资源块。本文不考虑功率控制，假设每个资源块上的发射功率都相同。

宏用户m在资源块i上的信干噪比为：

${\mathrm{\&gamma;}}_{m,i}=\frac{P_{l,i}\&CenterDot;G_{l,m,i}}{\underset{l+1\&Element;I_l}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{l|+1,i}\&CenterDot;G_{l+1,m,i}+\underset{k\&Element;I_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{k,i}\&CenterDot;G_{k,m,i}+N_0\&CenterDot;B}---\left(1\right)$

其中，P_l，i、P_l+1，i和P_k，i分别是宏基站l、l+1和家庭基站k在资源块i上的发射功率，G_l，m，i、G_l+1，m，i和G_k，m，i分别是宏基站l、l+1和家庭基站k在资源块i上到宏用户m的链路增益（包括路径损耗、阴影衰落和多径衰落），I_l和I_k分别为干扰的宏基站集和家庭基站集，N₀为热噪声密度，B为资源块的带宽。

家庭基站k的用户f在资源块i上的信干噪比为：

${\mathrm{\&gamma;}}_{f,i}=\frac{P_{k,i}\&CenterDot;G_{k,f,i}}{\underset{k+1\&Element;I_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{k+1,i}\&CenterDot;G_{k+1,f,i}+\underset{l\&Element;I_l}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{l,i}\&CenterDot;G_{l,f,i}+N_0\&CenterDot;B}---\left(2\right)$

其中P_k，i、P_k+1，i和P_l，i分别是家庭基站k、k+1和宏基站l在资源块i上的发射功率，G_k，f，i、G_k+1,f，i和G_l，f，i分别是资源块i上家庭基站k、k+1和宏基站l到家庭用户f的链路增益。

本文在保证边缘宏用户和边缘家庭用户信干噪比下，以最大化家庭基站的总吞吐量为目标，可表示为下式：

$\max \mathrm{imize}\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B\log }_2(1+{\mathrm{\&alpha;}}_{f,i}{\mathrm{\&gamma;}}_{f,i})$

$\mathrm{Subjectto}{\mathrm{\&gamma;}}_{l,i}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{thrM}},\&ForAll;m,\&ForAll;i---\left(3\right)$

${\mathrm{\&gamma;}}_{f,i}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{thrF}},\&ForAll;f,\&ForAll;i---\left(4\right)$

$\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{l,i}\&le;P_{M\max }---\left(5\right)$

$\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{f,i}\&le;P_{F\max },\&ForAll;f---\left(6\right)$

其中，若家庭用户f分到了资源块i，则α_f，i=1，否则α_f，i=0。γ_thrM,γ_thrF分别为宏用户和家庭用户的信干噪比门限值,P_Mmax,P_Fmax分别为一个宏基站和一个家庭基站的总发射功率。(3)(4)分别是宏用户和家庭用户在每个资源块上信干噪比的要求，(5)(6)表明了对宏基站和家庭基站发射功率的要求。

本文提出了一种新的基于图论的联合频谱分配方法，首先对宏用户和家庭用户所占频谱的比例进行合理分配，用图论算法分别给宏用户和家庭用户分配频谱，最大化家庭基站系统的吞吐量，提高系统的总吞吐量。本文先对宏用户进行频谱分配，因为宏用户的优先级高于家庭用户的优先级。

对所有小区的宏用户建立干扰图G_M=(V_M,E_M)，其中V_M为点集，代表宏用户；E_M为边集，代表宏基站与宏用户之间的干扰，两点间存在边表明两个用户间不能分相同的资源块。根据每个点的接收功率和干扰功率，通过逐步建立边来去除对这个点最大的干扰，使得它的接收信干噪比大于要求的门限值。

图的顶点p着色问题是指对一个P顶点的图G,用p种颜色给图中所有顶点逐一着上p色中的一种颜色,并且任意两个相邻顶点不可以着同样的颜色。所用的最少着色数称为图G的色数。本文希望分给宏用户的资源块数越少越好，这样可以留更多的频谱给家庭小区使用。将点看成宏用户，资源块看成颜色，可将这一问题转化为求图G的最小色数问题。

图中由互不相邻的点构成的集合称为独立集，包含的顶点数目最多的独立集则为最大独立集。任意两点都相邻的集合称为独立团，包含的顶点数目最多的独立团为最大独立团。所以求图G的色数可等价于求最大独立集个数问题，每个最大独立集中的点分同样的颜色。而图G的最大团就是补图的最大独立集，求宏用户占用的最小资源块问题也就转化成了求最大独立团问题。

求图的最大独立集或最大独立团问题是NP完全问题。

分配过程具体如下：

步骤1-1初始化。M为每个宏小区包含的宏用户数。n为还未分到独立团中的宏用户个数，初始值为19*M。G为由n个点构成的图。

步骤1-2求G的补图通过遗传算法-EA/G算法对补图求最大独立团。

步骤1-3将独立团中的点从点集V_M中去掉，更新n，G。

步骤1-4重复步骤1-2和1-3，直至V_M为空，形成的最大独立团的数目就是图G的色数。

步骤1-5分别对各个最大独立团求得对应的图G的最大独立集。同一最大独立集中的用户分同样的资源块，每个宏用户分1个资源块，得出满足宏用户信干噪比门限值的最少的资源块数，完成分配。

然后，建立家庭基站网络的干扰图。家庭基站网络的干扰图为带权图G_F=(V_F,E_F,W_F)，其中V_F为点集，代表家庭小区；E_F为边集，代表家庭基站与家庭用户之间的干扰，是有向的；W_F为权重。

每个家庭基站对应一个颜色列表，每种颜色代表一个可使用的资源块。每个家庭基站的初始颜色列表都为所有的颜色。为保证边缘宏用户的SINR要求，对每个宏用户计算来自其他宏基站和家庭基站的干扰，若干扰大于门限，逐步去除对最大的来自家庭基站的干扰，同时家庭基站颜色列表中删除此宏用户使用的资源块对应的颜色，直至受到的总干扰低于要求的干扰门限值。

对每个资源块都建立一张家庭基站之间的干扰图，如附图2所示。任意两点之间都存在边并加入权重因子来表征两点之间的干扰大小。权重I_1→2为点1对2的干扰，I_thr2为点2满足信干噪比的干扰门限值-所有宏小区在此资源块上对点2的干扰。权重值越大，表明对本点的干扰越大。若两点不使用相同频谱时，相互的干扰为0，两点之间的实际权重为0。当某个点受到所有点对它的实际权重之和<=1时，能满足信干噪比门限值要求。

在以上干扰图的基础上，提出一种新的频谱分配算法完成家庭基站网络的频谱分配。算法流程图如附图3所示。由于各个宏小区用户使用的资源块不同，不同资源块上对同一家庭用户的干扰也会不同，且考虑小尺度衰落的影响，每个家庭用户在不同资源块上的受到的干扰不同，所以对每个家庭用户都有各自不同的资源块优先级排序。家庭用户在某个资源块上受到的总干扰较低，则这个资源块的位置就在前面。当家庭用户可以使用的资源块数变少时，它的所有可用资源块数的优先级会提高，若这个家庭用户还未分配到任何资源块，就可能会因它的资源块优先级高而得到优先分配，同时每次分配新资源块时，都检查是否还有未分配任何资源块的家庭用户，来保证边缘家庭用户的性能。对每个资源块，通过选可用此资源块并对集合中的各家庭用户干扰最小的家庭用户加入，可以使加入的家庭用户数尽可能达到最大。同时，每次有点要加入前都需对此点加入后集合中每个家庭用户的实际总权重和加入的点的实际总权重进行检查，保证加入后此集合中的所有家庭用户受到的干扰都小于它所能承受的最大干扰门限。

具体实现过程如下：

1）对每个家庭用户进行信道优先级排序。

2）初始化。资源块i=1，可着此色且还未着色的家庭用户集A，可着此色且已着色的家庭用户集B。共享资源块i的家庭用户集Mi。

3）若A为空，转4），否则，选在集合A的各个家庭用户中此资源块优先级最高的家庭用户加入。若有多个家庭用户，则选对可着此色的所有家庭用户干扰最小的加入Mi，更新A，B，转4）。

4)若B为空，此次分配结束，若i<R,i=i+1，返回2）。否则，从集合B中选可着此色且对集合Mi中的各家庭用户干扰最小的家庭用户j，若家庭用户j加入后Mi中每个家庭用户实际总权重<＝1且家庭用户j的实际总权重<=1，加入家庭用户j。否则从集合B中删去家庭用户j，重复4）。

通过以上的分配过程，可以得到使用各个资源块的家庭用户，完成整个家庭基站系统的频谱分配。提出的联合频谱分配算法尽可能地复用了频谱，提高了频谱利用率，照顾了边缘宏用户和家庭用户，提高了系统的总吞吐量。

Claims (1)

1.一种基于图论的多小区两层网络的频谱分配方法，其特征在于，该方法基于宏基站与家庭基站共存，两者共享频谱的平台，具体包括以下步骤：

步骤1、对宏用户和家庭用户所占频谱的比例进行合理分配，先对所有小区的宏用户建立干扰图G_M＝(V_M,E_M)，其中M代表这是宏用户之间的干扰图，V_M为点集，代表宏用户；E_M为边集，代表宏基站与宏用户之间的干扰；根据每个点的接收功率和干扰功率，通过逐步建立边来去除对这个点最大的干扰，使得它的接收信干噪比大于要求的门限值，最后根据干扰图对宏用户进行频谱分配，分配方法如下：

步骤1-1：初始化：M为每个宏小区包含的宏用户数，n为还未分到独立团中的宏用户个数，初始值为19*M，G为由n个点构成的图；

步骤1-2：求G的补图通过遗传算法-EA/G算法对补图求最大独立团；

步骤1-3：将独立团中的点从点集V_M中去掉，更新n，G；

步骤1-4：重复步骤1-2和步骤1-3，直至V_M为空，形成的最大独立团的数目就是图G的色数；

步骤1-5：分别对各个最大独立团求得对应的图G的最大独立集，同一最大独立集中的用户分同样的资源块，每个宏用户分1个资源块，得出满足宏用户信干噪比门限值的最少的资源块数，完成分配；

步骤2、家庭用户频谱分配，建立家庭基站之间的干扰图，家庭基站网络的干扰图为带权图G_F＝(V_F,E_F,W_F)，其中F代表这是家庭基站之间的干扰图，V_F为点集，代表家庭基站；E_F为边集，代表家庭基站与家庭用户之间的干扰，是有向的；W_F为边的权重，表征两点之间的干扰大小，例如有向边1→2的权重I_1→2为点1对2的干扰，I_thr2为点2满足信干噪比的干扰门限值，权重值越大，表明1对2点的干扰越大；若两点不使用相同频谱时，相互的干扰为0，两点之间的实际权重为0；当某个点受到所有点对它的实际权重之和<＝1时，能满足信干噪比门限值要求；每个家庭基站对应一个颜色列表，每种颜色代表一个可使用的资源块；每个家庭基站的初始颜色列表都为所有的颜色，为保证边缘宏用户的质量要求，对每个宏用户计算来自其他宏基站和家庭基站的干扰，若干扰大于门限，逐步去除对最大的来自家庭基站的干扰，同时家庭基站颜色列表中删除此宏用户使用的资源块对应的颜色，直至受到的总干扰低于要求的干扰门限值，然后建立多张干扰图动态分配频谱；最后将资源块分配给家庭用户，具体方法如下：

步骤2-1：对每个家庭用户进行资源块优先级排序，干扰小的排在前面；

步骤2-2：初始化：资源块i＝1，代表颜色1；可着颜色1且还未着任何颜色，即可使用此资源块且还未分配任何资源块，为家庭用户集A，可着颜色1且已着色，即可使用此资源块且已分配其它资源块，为家庭用户集B，共享资源块i的为家庭用户集Mi；

步骤2-3：若A为空，则转步骤2-4，否则，选在集合A的各个家庭用户中此资源块优先级最高的家庭用户加入家庭用户集Mi；若有多个家庭用户，则选对可着此色的所有家庭用户干扰最小的加入Mi，更新A，B，转步骤2-4；

步骤2-4：若B为空，此次分配结束，若i<R，R为资源块总数,i＝i+1，返回步骤2-2；否则，从集合B中选可着此色且对集合Mi中的各家庭用户干扰最小的家庭用户j，若家庭用户j加入后，Mi中每个家庭用户实际总权重<＝1且家庭用户j的实际总权重<＝1，加入家庭用户j，否则从集合B中删去家庭用户j，重复步骤2-4。