CN103037379A - 一种TD-LTE Femtocell网络数据库辅助的频谱聚合方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种TD-LTE Femtocell(时分双工长期演进系统家庭基站)使用TVWS(TVWhite Space)的数据库辅助的频谱聚合方法。为实现该方法，本发明相应地提供了一种与FCC建议的数据库结构兼容的中心控制实体和一种考虑频谱聚合时的图着色模型建模方法。所述方法充分利用了家庭基站FBSs间不均匀的共道干扰关系，在考虑频谱聚合时的图着色模型上采用DSAA(Database-assisted Spectrum Aggregation Algorithm)算法，使Femtocell网络在总的系统接入带宽和接入系统的FBSs数目方面上获得了很好的系统接入的性能。

Description

一种TD-LTE Femtocell网络数据库辅助的频谱聚合方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及认知的时分双工长期演进系统家庭基站系统(TD-LTEFemtocell)的频谱聚合技术。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对无线频谱资源的需求越来越大。然而，无线频谱是稀缺、有限的资源。随着传统的模拟式电视广播系统逐渐过渡到数字式系统，大量的频谱资源闲置出来，即所谓的TVWS(TV White Space)。FCC(Federal Communications Commission)2010年发布的规则建议其他宽带无线设备作为次级系统使用这部分资源。Femtocell作为LTE网络为室内和办公热点地区提供蜂窝网覆盖的一项技术，初始设计时是和宏蜂窝网共享频谱资源的。使用TVWS的认知Femtocell可以作为另一种解决频谱资源稀缺问题的可行方案。

认知Femtocell感知得到的TVWS的可用频谱碎片在频域上是离散的，因此需要使用基于DOFDM(Discontiguous OFDM)技术的频谱聚合技术来把几个频谱碎片聚合成一个信道使用。因为TDD Femtocell技术的上下行链路的频谱是相同的，因此频谱聚合技术更加适用于TDDFemtocell。现有的不多的频谱聚合方法假设设备之间存在严格的共道干扰关系，即任意两个设备在任一个频谱碎片上都存在共信道干扰。而在实际中，例如为公寓楼提供室内覆盖的Femtocell网络家庭基站FBS(Femto Base Station)间的共道干扰关系并不如此严格。综上分析，传统的方法因为严格的共道干扰关系假设而采用的严格正交化的频谱聚合方法没有充分利用TVWS的频谱资源，从而导致频谱利用率低下。

发明内容

为了解决传统频谱聚合方法频谱利用率低的问题，本发明实例提供了一种TD-LTEFemtocell使用TVWS的数据库辅助的频谱聚合方法，以及方法中所使用的一种与FCC建议的数据库结构兼容的中心控制实体和实现该方法的一种考虑频谱聚合时的图着色模型建模方法，达到了充分利用Femtocell网络中家庭基站FBSs不均匀的共道干扰关系的目的，从而提高频谱利用率。

一种TD-LTE Femtocell使用TVWS的数据库辅助的频谱聚合方法，包括：

FBSs通过查询中心控制实体的地理数据库和频谱感知技术得到其可用的频谱碎片集合及和其相邻FBS的干扰关系，FBSs上报其干扰关系给中心控制实体；

中心控制实体的频谱控制器整合报告得到Femtocell网络完整的干扰关系，进而把整个系统建模为一种考虑频谱聚合因素的图着色模型；

接着中心控制实体的频谱控制器采用DSAA(Database-assisted spectrum aggregationalgorithm)算法为FBSs聚合分配频谱资源。

为了支持上述频谱聚合方法，本发明实例提供了一种与FCC建议的数据库结构兼容的中心控制实体，包括：

存储FBS的位置和可用频谱碎片信息的地理数据库和执行频谱聚合算法DSAA为用户聚合频谱的频谱控制器两个功能实体。

为了支持上述频谱聚合方法，本发明实例也提供了一种考虑频谱聚合的图着色模型建模方法，包括：

Femtocell网络系统模型，不考虑频谱聚合时的系统模型建模方法，以及考虑频谱聚合时的图着色模型的建模方法。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过集中控制的数据库辅助的频谱聚合方法，相比于传统的频谱聚合方法，Femtocell网络获得了极大的接入带宽增益；同时在接入网络的FBS数目上，本方法同样优于传统的方法，所以获得了较好的频谱利用率和系统接入性能。

附图说明

图1：本发明实施例的网路结构图；

图2：本发明实施例的TVWS的可用频谱图样；

图3：本发明实施例的数据库辅助的频谱聚合方法流程图；

图4：本发明实施例的中心控制实体结构图；

图5：本发明实施例的频谱聚合情况示意图；

图6：本发明实施例的频谱聚合算法DSAA流程图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例的认知TD-LTE Femtocell系统结构如图1所示。系统由三部分组成：一个中心控制实体，多个具有频谱感知功能的FBS和多个Femtocell用户端设备。FBSs通过IP回程链路与中心控制实体相连。

本发明实施例使用的TVWS的频谱图样如图2所示。白色的可用频谱碎片被黑色的被主用户占用的频谱碎片分隔开来，在频域上是离散的，如果一起使用多个离散的可用频谱碎片，需要使用频谱聚合技术，而频谱聚合技术需要受到最大频谱聚合范围MAS(MaximumAggregation Span)的限制，在最大频谱聚合范围内的可用频谱段才可以聚合在一起同时使用。

参见图3，本发明实施例提供了一种数据库辅助的频谱聚合方法，包括：

S100，FBS询问中心控制实体中的地理数据库功能实体其所在位置可以使用的频谱碎片集合及与其相邻的FBSs列表；

S200，FBS通过频谱感知技术确认查询得到的频谱碎片是否确实可用，然后再通过频谱感知技术得到在这些频谱上与其相邻FBSs的共道干扰关系；

S300，FBSs上报干扰关系给中心控制实体；

S400，中心控制实体中的频谱控制器功能实体整合FBSs上报的干扰关系以得到完整的网络干扰关系，并将网络建模成一种考虑频谱聚合时的图着色模型；

S500，根据上步得到的图着色模型，中心控制实体中的频谱控制器功能实体以最大化系统接入带宽为优化目标执行DSAA算法，得到频谱聚合方案；

S600，中心控制实体中的频谱控制器功能实体发送下行控制信息，传达各FBS聚合的频谱碎片集合；

S700，FBSs在这些频谱碎片上进行通信。

为了支持上述频谱聚合方法，本发明实施例提供了一种在步骤S100中使用的中心控制实体，参见图4，包括：

中心控制实体采用FCC推荐的数据库结构，并且其功能得到了具体化：中心控制实体由存储FBS的位置和可用频谱信息的地理数据库和执行DSAA算法为用户聚合频谱的频谱控制器两个功能实体组成。

地理数据库与FCC提供的中心地理数据库相连，从中心地理数据库获得具体地理位置可以使用的TV空白频段；同时地理数据库存储已经注册并且接入Femtocell网络的FBS的地理位置等信息。

频谱控制器用来整合FBSs上传的共道干扰关系以得到整个Femtocell网络的干扰关系，并把网络建模成考虑频谱聚合时的图着色模型，进而执行DSAA算法，为FBSs聚合分配频谱资源。

为了支持上述频谱聚合方法，本发明实施例也提供了一种在步骤S400中使用的考虑频谱聚合时的图着色模型。其建模过程为，在Femtocell网络系统模型的基础上，根据整个网络的干扰关系，系统先建模成不考虑频谱聚合时的模型，接着加入频谱聚合因素的限制进一步建模成考虑频谱聚合时的图着色模型，其具体步骤如下：

首先定义Femtocell网络系统模型。TVWS的频谱图样如图2所示，一共有M个可用频谱碎片，标记为

其中f_iL＜f_iU，

并且f_iU＜f_(i+1)L，

f_m＝[f_mL，f_mU]。Femtocell网络中共有N个FBS，标记为FBS₁，FBS₂...FBS_N，FBS具有相同的最小工作带宽要求MDB(Minimum Demanded Bandwidth)和相同的最大频谱聚合范围MAS(Maximum Aggregation Span)。

接着用可用频谱矩阵、频谱效益矩阵、干扰限制矩阵和干扰程度矩阵构建不考虑频谱聚合因素时的系统的图着色模型：

可用频谱矩阵L＝{l_n，m|l_n，m∈{0，1}}_N×M表示每个用户可以使用的频谱碎片。其中，l_n，m＝1表示FBS_n可以使用频谱碎片m。由于FBSs位置的差异和不同频段可用频谱碎片在传播上的差异，不同的FBSs有不同的可用频谱碎片集合。

频谱效益矩阵B＝{b_n，m}_N×M表示FBS_n可以在频谱碎片m上获得的带宽。

干扰限制矩阵C＝{c_n，k，m|c_n，k，m∈{0，1}}_N×N×M表示FBSs之间在频域上的共道干扰关系。c_n，k，m＝1表示FBS_n和FBS_k在可用频谱碎片m上存在共道干扰。同时，用c_n，n，m＝1-l_n，m来规范矩阵的元素。FBS_n和FBS_k在可用频谱碎片m上存在共道干扰并不意味着它们在其他频谱碎片上也存在干扰，这正显示了干扰关系的不均匀性。

干扰程度矩阵D＝{d_n，m|}_N×M表示与FBS_n在可用频谱碎片m上存在共道干扰的相邻的FBSs的数目，可以通过公式

计算。

最后在上述模型中加入频谱聚合因素的限制，把系统建模成考虑频谱聚合的特殊的图着色模型G＝(V，E，LB)：

定义聚合给FBS_n的频谱碎片集合为F_n，F_n中包含的频谱碎片的标号为<F_n>，F_n的非协作式可用频谱带宽为|F_n|，而F_n的协作式可用频谱带宽为||F_n||。它们的计算在下面的讨论给出。

考虑频谱聚合时，如图5所示，会存在两种情况：第一种是MAS范围内包含几个完整的频谱碎片，则相关定义的计算如下式表示：

F_n＝{f_m|1≤l≤m≤h≤M-1，l_n，m＝1}，

<F_n>＝{m|f_m∈F_n}，

$\left|F_n\right|=\underset{m=l}{\overset{h}{\mathrm{\&Sigma;}}}(f_{\mathrm{mU}}-f_{\mathrm{mL}})\&CenterDot;l_{n,m}$

$\left|\right|F_n\left|\right|=\underset{m=l}{\overset{h}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{(f_{\mathrm{mU}}-f_{\mathrm{mL}})\&CenterDot;l_{n,m}}{d_{n,m}+1}$

if f_hU≤f_lL+MAS＜f_(h+1)L

第二种情况是MAS范围内包含几个完整的频谱碎片和最后一个频谱碎片的一部分，则相关定义如下式表示：

F_n＝{f_m|1≤l≤m≤h≤M-1，l_n，m＝1}∪[f_(h+1)L，f_lL+MAS]，

<F_n>＝{m|f_m∈F_n}∪{h+1}，

$\left|F_n\right|=\underset{m=l}{\overset{h}{\mathrm{\&Sigma;}}}(f_{\mathrm{mU}}-f_{\mathrm{mL}})\&CenterDot;l_{n,m}+(f_{\mathrm{lL}}+\mathrm{MAS}-f_{(h+1)L})$

if f_(h+1)L＜f_lL+MAS＜f_(h+1)U，l_n，h+1＝1

由于有多个可能的聚合起始频谱碎片，所以FBS_n会有多个F_n。又因为FBS_n只有在|F_n|≥MDB满足时才可以正常工作，所以定义为FBS_n的可能聚合频谱碎片集合的集合。

用集合

代替之前未考虑频谱聚合时的L和B矩阵，这样系统可以建模成特殊的考虑频谱聚合的图着色模型G＝(V，E，LB)。V是端点的集合，代表FBS；LB是每个端点的可以分配方案的颜色集合的列表，代表每个端点可以聚合的频谱碎片的集合及相对应的可用带宽；E是连接端点的双向边集合，代表干扰关系。E由干扰限制矩阵C决定，如果c_n，k，m＝1，那么端点n和端点k间有一条标有m的边。d_n，m是FBS_n标记为m的边的个数。

则为FBSs聚合分配频谱碎片的问题就等同于为图中的端点分配其颜色列表中的一种可行的颜色集合。

在频谱聚合方法的S500步骤中，如图6所示，DSAA算法具体实施的步骤过程包括：

S510“标记”：根据“标记-着色”规则，计算图中所有端点的标记值label_n和对应的颜色集合color_n，n＝1，2...N

S520“着色”：找到标记值最大的端点n^*＝arg max label_n，并给它分配颜色集合

S530“更新图”：如果在端点n^*和其他端点n间有标记为

的边，则从端点n的颜色列表中去掉颜色m。然后删除端点n^*和它的边。遍历图的端点，如果有空颜色列表的端点，则删除该端点。

S540“判断”：如果图G已空，则停止循环，否则返回S510“标记”步骤。

S550“输出”：计算总的系统接入带宽，然后输出它和分配矩阵A。

其中S510步骤中提到的“标记-着色”规则的目的是挑选一个优先分配颜色的端点，其定义如下：

协作式“标记-着色”规则：当端点n被分配颜色集合<F_n>，那么在整个网络层面上看，它的接入带宽是||F_n||，因为一旦端点n被分配颜色m，那么其相邻的d_n，m个端点就不能再使用颜色m了。协作式“标记-着色”规则表示如下：

根据这个规则，首先各个端点的标记值和相对应的颜色集合被计算出来，然后标记值最大的端点n^*被分配颜色集合

若有两个端点标记值相同，则优先选择|F_n|小的端点。这个规则考虑了接入带宽和对其他端点干扰的折中，因此它是协作的。采用协作式“标记-着色”规则的DSAA算法称为协作式DSAA。

非协作式“标记-着色”规则：当两个端点有相同的标记值时，随机选择其中一个。

采用非协作式“标记-着色”规则的DSAA称为非协作式DSAA，在系统的接入性能上它不如协作式DSAA。两种DSAA算法的区别仅仅在于“标记-着色”规则。

Claims (7)

1.一种TD-LTE Femtocell(时分双工长期演进系统家庭基站系统)使用TVWS(TV WhiteSpace)的数据库辅助的频谱聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，家庭基站FBS(Femto Base Station)询问中心控制实体中的地理数据库功能实体其所在地理位置可以使用的频谱碎片集合及与其相邻的FBSs列表；

S2，FBS通过频谱感知技术确认查询得到的频谱碎片是否确实可用，然后再通过频谱感知技术得到在这些频谱上与其相邻FBSs的共道干扰关系；

S3，FBSs上报干扰关系给中心控制实体；

S4，中心控制实体中的频谱控制器功能实体整合FBSs上报的干扰关系以得到完整的网络干扰关系，将网络建模成一种考虑频谱聚合时的图着色模型；

S5，根据上步得到的图着色模型，中心控制实体中的频谱控制器功能实体以最大化系统接入带宽为优化目标执行DSAA(Database-assisted spectrum aggregation algorithm)算法，得到频谱聚合方案；

S6，中心控制实体中的频谱控制器功能实体发送下行控制信息，传达各FBS聚合的频谱碎片集合；

S7，FBSs在这些频谱碎片上进行通信。

2.根据权利要求1所述的频谱聚合方法，其特征在于，所述步骤S5中DSAA算法包括以下步骤：

标记，根据“标记-着色”规则，计算图中所有端点的标记值和对应的颜色集合；

着色，找到标记值最大的端点，并给它分配颜色集合；

更新图，从其他端点的颜色集合中删除该已着色点被分配的颜色，然后删除该已着色点，接着遍历图的剩余端点，如果有空颜色列表的端点，则删除该端点；

判断，如果图已空，则停止循环，否则返回标记步骤；

输出结果，计算总的系统接入带宽，然后输出它和分配矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述“标记-着色”规则包括：

协作式“标记-着色”规则和非协作式“标记-着色”规则。

4.一种实现TD-LTE Femtocell使用TVWS数据库辅助的频谱聚合方法的中心控制实体，其特征在于，包括：

频谱聚合步骤中使用的中心控制实体与FCC(Federal Communications Commission)建议的数据库结构兼容，且具体化成地理数据库和频谱控制器两个功能实体。

5.根据权利要求4所述的中心控制实体，其特征在于，所述地理数据库具体功能包括：

地理数据库与FCC提供的中心地理数据库相连，从中心地理数据库获得具体地理位置可以使用的TV空白频段；同时地理数据库存储已经注册并且接入Femtocell网络的FBS的地理位置等信息。

6.根据权利要求4所述的中心控制实体，其特征在于，所述频谱控制器具体功能包括：

频谱控制器用来整合FBSs上传的共道干扰关系以得到整个Femtocell网络的共道干扰关系，并把网络建模成考虑频谱聚合时的图着色模型，进而执行DSAA算法，为FBSs聚合分配频谱资源。

7.一种实现TD-LTE Femtocell使用TVWS数据库辅助的频谱聚合方法的图着色模型的建模方法，其特征在于，包括：

Femtocell网络系统模型，包含TVWS频谱图样的模型化

和f_m＝[f_mL，f_mU]，家庭基站FBS的最小工作带宽MDB(Minimum Demanded Bandwidth)和最大频谱聚合范围MAS(Maximum Aggregation Span)；

不考虑频谱聚合时的系统模型，包括可用频谱矩阵L、频谱效益矩阵B、干扰限制矩阵C和干扰程度矩阵D；

考虑频谱聚合时的图着色模型及其建模过程，包括：

聚合给FBS_n的频谱碎片集合为F_n，F_n中包含的频谱碎片的标号为<F_n>，F_n的非协作式可用频谱带宽为|F_n|，F_n的协作式可用频谱带宽||F_n||；

考虑频谱聚合限制时，两种情况的讨论：

第一种是MAS范围内包含几个完整的频谱碎片，则相关定义的计算如下式表示：

F_n＝{f_m|1≤l≤m≤h≤M-1，l_n，m＝1}，

<F_n>＝{m|f_m∈F_n}，

$\left|F_n\right|=\underset{m=l}{\overset{h}{\mathrm{\&Sigma;}}}(f_{\mathrm{mU}}-f_{\mathrm{mL}})\&CenterDot;l_{n,m}$

$\left|\right|F_n\left|\right|=\underset{m=l}{\overset{h}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{(f_{\mathrm{mU}}-f_{\mathrm{mL}})\&CenterDot;l_{n,m}}{d_{n,m}+1}$

if f_hU≤f_lL+MAS＜f_(h+1)L

第二种情况是MAS范围内包含几个完整的频谱碎片和最后一个频谱碎片的一部分，则相关定义如下式表示：

F_n＝{f_m|1≤l≤m≤h≤M-1，l_n，m＝1}U[f_(h+1)L，f_lL+MAS]，

<F_n>＝{m|f_m∈F_n}∪{h+1}，

$\left|F_n\right|=\underset{m=l}{\overset{h}{\mathrm{\&Sigma;}}}(f_{\mathrm{mU}}-f_{\mathrm{mL}})\&CenterDot;l_{n,m}+(f_{\mathrm{lL}}+\mathrm{MAS}-f_{(h+1)L})$

if f_(h+1)L＜f_lL+MAS＜f_(h+1)U，l_n，h+1＝1

由于有多个可能的聚合起始频谱碎片，所以FBS_n会有多个F_n。又因为FBS_n只有在|F_n|≥MDB满足时才可以正常工作，所以

为FBS_n的可能聚合频谱碎片集合的集合。

用集合

作为带宽效益加权的可用频谱矩阵，这样系统最终可以建模成考虑频谱聚合的图着色模型G＝(V，E，LB)。V是端点的集合，代表FBS；LB是每个端点的可以分配方案的颜色集合的列表，代表每个端点可以聚合的频谱碎片的集合及相对应的可用带宽；E是连接端点的双向边集合，代表干扰关系。E由干扰限制矩阵C决定，如果c_n，k，m＝1，那么端点n和端点k间有一条标有m的边。d_n，m是FBS_n标记为m的边的个数。

则为FBSs聚合分配频谱碎片的问题就等同于为图中的端点分配其颜色列表中的一种可行的颜色集合。

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