CN103079275A - 基于多背包问题的聚合频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多背包问题的聚合频谱分配方法。主要解决传统分配方法频谱利用率低的问题，其实现过程为：基站收集用户的服务请求信息和系统频带中的空闲频段，并从低频到高频段对系统频带中的空闲频段进行聚合，获得可利用的M个聚合频段，依据最大化频谱利用效率准则，基站对M个聚合频段分配的判决过程模拟为多背包问题MKP，然后根据多背包问题MKP的求解原理，求解得到最终的分配结果，最后由基站将该分配结果发送给用户，完成当前的聚合频谱分配。本发明具有能够充分利用离散空闲频段的优点，可应用于支持频谱聚合SA的无线通信系统中，在满足用户宽带需求的同时，极大地提升频谱的使用效率。

Description

基于多背包问题的聚合频谱分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及频谱资源的分配，可应用于支持频谱聚合SA的无线通信系统中。

背景技术

随着高速无线通信数据业务的不断增长，频谱资源已成为当前无线通信系统中一种最重要，最稀缺的资源。由于当前不尽合理的频谱管理政策和频谱分配方法，使得连续的宽带频段非常稀缺，同时已授权的频段存在大量的空闲频段。传统的连续频谱分配方法在一个信道中只包含一个连续的频段，这种方法只能利用一些满足用户带宽需求的空闲频段，大部分较小的空闲频段就会成为不可利用的频谱碎片，造成非常低的频谱利用率。近年来，频谱聚合SA受到了越来越大的关注，它使无线电设备能够同时接入若干个不连续的频段，从而将它们聚合为一个具有更大带宽的信道，以支持高速率数据业务的带宽需求。在3GPP关于LTE-Advanced的提案中，为了满足更高的带宽需求，频谱聚合(在标准提案中称为载波聚合CA)作为重点解决的关键技术之一；在认知无线电网络中，认知用户检测获得的空闲频段通常是不连续的，且单一的频段往往满足不了用户的带宽需求，使用频谱聚合SA能有效解决该问题。

在一个支持频谱聚合功能的网络系统架构中，基站和移动台可以同时接入若干个离散的空闲频段，能灵活使用大宽带的频谱资源。基站包含了频谱聚合的决策和控制功能，它通过接收移动台发送的通信需求信息，并收集当前无线电频谱的使用信息，在当前预知的可供分配使用的连续或离散的频段上，利用特定方法进行频谱聚合与分配决策，以满足用户宽带的需求，提升频谱的使用效率，增大系统容量。

本发明涉及频谱聚合和分配的决策，在实施频谱聚合时，基站和移动台中的无线电设备由于受到硬件的限制，离散的空闲频段能否被聚合，需要通过聚合跨度这一概念来判断。聚合跨度是指无线电设备传数据时使用的最低频率和最高频率之间的距离。聚合跨度越大，则能够聚合的空闲频段就越多，或被聚合频段之间的距离就越远，更能适用于大宽带的通信系统中。针对频谱资源动态变化的实际情况，基站在频谱感知的基础上进行频谱聚合、分配的决策，由于有限的聚合跨度，复杂的频谱使用情形以及不同用户的业务带宽需求，使得聚合频谱分配要比传统的连续频谱分配复杂得多。文献“Aggregation Aware Spectrum Assignment in Cognitive Ad-hoc Networks”给出了一种聚合预知频谱分配AASA方法，但该方法只支持相同的用户带宽，显然与实际情形不相符。

发明内容

本发明的目的在于针对传统方法的不足，提供一种基于多背包问题的聚合频谱分配方法，以充分利用离散的空闲频段，满足用户更大带宽需求，提高频谱利用率。

实现本发明的技术思路是：从低频到高频段对频带中的空闲频段进行聚合，以获得可利用的聚合频段集合，依据最大化频谱利用效率准则，基站对聚合频段分配的判决过程模拟为一个多背包问题MKP，然后通过解决相应的多背包问题MKP，从而将用户最优或次优地分配到聚合频段中，其具体实现步骤包括如下：

(1)基站收集用户的服务请求信息，得到当前用户需求的带宽集合Q＝{q₁,q₂,…,q_r,…,q_N}，同时收集当前系统频带中的空闲频段，得到离散的空闲频段集合

其中，q_r为第r个用户需求的带宽，r＝1，2,…,N-1，N为不小于1的自然数，表示并集，[f_cL,f_cU]表示第c个空闲频段，f_cL、f_cU分别表示第c个空闲频段的起始频点和终止频点，第c+1个空闲频段的起始频点大于第c个空闲频段的终止频点f_cU＜f_(c+1)L，c＝1,2,…,H-1，H表示系统频带包含的空闲频段数；

(2)根据无线电设备的聚合跨度，基站对上述的空闲频段聚合A，从低频到高频带进行聚合，得到聚合频段集合F：

F＝{B₁,B₂,…,B_j,…,B_M}，

其中，

表示第j个聚合频段，j＝1,2,…,M，M为不小于1的自然数，表示并集，表示聚合频段j中的第s个空闲频段，

分别表示它的起始频点和终止频点，t_j为不小于1的自然数，它表示第j个聚合频段包含的空闲频段数目，任意两个不同的聚合频段的交集为空

符号∩表示交集，下标i≠j，第j+1个聚合频段的起始频点不小于第j个聚合频段的终止频点 $f_{\mathrm{jU}}^{t_j}\≤f_{(j+1)L}^1;$

(3)根据最大化频谱的使用效率准则，基站将收集到的N个用户最优地分配到步骤2得到的聚合频段集合F中，用公式表示为：

$\max \underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i{x}_{\mathrm{ij}}$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i{x}_{\mathrm{ij}}\≤\left|B_j\right|,$ j＝1,…,M,

<1>

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1,$ i＝1，2,…,N,

x_ij∈{0,1},i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,M,

其中，目标函数

表示将N个用户最优地分配到M个聚合谱段中，使得分配获得的总带宽最大，式中，q_i表示用户i需求的带宽，i＝1,2,…,N，x_ij为二元判决变量，若x_ij＝1，则表示用户i被分配到聚合频段B_j中；若x_ij＝0，则用户i未分配到聚合频段B_j中；

约束条件一表示每个聚合频段所分配的用户总带宽不超过其大小，式中，|B_j|表示聚合频段B_j的带宽，j＝1,2,…,M；

约束条件二

表示每个用户只可能被分配到一个聚合频段中，i＝1,2,…,N；

(4)根据多背包问题MKP的求解原理确定<1>式的解，得到分配结果，其解矩阵X和相应的目标函数值v分别为：

X＝[x₁,x₂,…,x_j,…,x_M]，

其中，

表示对聚合频段B_j的判决向量，

为二元判决值，[]^T表示向量转置，若二元判决值

表示用户i被分配到聚合频段B_j中；若二元判决值

表示用户i未分配到聚合频段B_j中，解矩阵X为频谱分配的结果，目标函数值v为分配得到的总带宽；

(5)基站将步骤4的分配结果发送给用户，完成当前的聚合频谱分配。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)与传统的连续频谱分配方法相比，本发明通过利用频谱聚合技术，将离散的空闲频段聚合为具有更大带宽的信道，满足了用户更大带宽的需求；

2)本发明将聚合频谱分配建模为一个多背包问题MKP，通过解决相应的多背包问题，可以对频谱资源进行最优或次优分配，有效地提升了频谱的利用效率；

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明方法中聚合离散空闲频段的子流程图；

图3是某时段对离散空闲频段聚合示意图；

图4是本发明方法与现有方法的频谱使用效率性能比较图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

参照图1，本发明基于多背包问题的聚合频谱分配方法步骤如下：

步骤1，基站收集用户的服务请求信息，得到当前用户需求的带宽集合Q＝{q₁,q₂,…,q_r,…,q_N}，同时收集当前系统频带中的空闲频段，得到离散的空闲频段集合 $A=\underset{c=1}{\overset{H}{\&cup;}}[f_{\mathrm{cL}},f_{\mathrm{cU}}],$

其中，q_r为第r个用户需求的带宽，r＝1,2,…,N-1，N为不小于1的自然数，

表示并集，[f_cL,f_cU]表示第c个空闲频段，f_cL、f_cU分别表示第c个空闲频段的起始频点和终止频点，第c+1个空闲频段的起始频点大于第c个空闲频段的终止频点f_cU＜f_(c+1)L，c＝1,2,…,H-1，H表示系统频带包含的空闲频段数。

步骤2，根据无线电设备的聚合跨度，基站对上述的空闲频段聚合A从低频到高频带进行聚合，得到聚合频段集合F。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

2a)将聚合跨度的左边界置于第一个空闲频段的起始频点处；

2b)判断当前聚合跨度的左边界和右边界是否位于同一个空闲频段d中，如果是，则将该空闲频段视为一个聚合频段B_v＝[f_dL,f_dU]，进而得到聚合频段集合F＝{B₁,B₂,…,B_h,…,B_v}，则执行步骤2e)，其中，B_h为第h个聚合频段，h＝1,2,…,v，v为不小于1的自然数，f_dL,f_dU分别表示空闲频段d的起始频点和终止频点；如果否，则执行步骤2c)；

2c)判断当前聚合跨度内的空闲频段带宽之和是否小于用户所需的最小带宽，如果是，则执行步骤2e)；否则，将聚合跨度内的空闲频段聚合为一个频段

进而得到聚合频段集F＝(B₁,B₂,…,B_h,…,B_g}，执行步骤2d)，

其中，B_h表示第h个聚合频段，h＝1,2,…,g，表示第g个聚合频段内的第s个空闲频段，

分别表示它的起始频点和终止频点，t_g表示第g个聚合频段内包含的空闲频段数；

2d)判断当前聚合跨度的右边界是否位于空闲频段之内，如果是，将聚合跨度的左边界向右移至当前聚合跨度右边界所在的频点处，返回执行步骤2b)；否则，执行步骤2e)；

2e)判断高频带是否还存在空闲频段，如果存在，将聚合跨度的左边界移至下一个空闲频段的起始频点处，返回执行步骤2b)；否则，结束频谱聚合，得到聚合频段集合：

F＝{B₁,B₂,…,B_j，…,B_M}，

其中，

表示第j个聚合频段，j＝1,2,…,M，M为不小于1的自然数，表示并集，

表示聚合频段j中的第s个空闲频段，

分别表示它的起始频点和终止频点，t_j为不小于1的自然数，它表示第j个聚合频段包含的空闲频段数目，任意两个不同的聚合频段的交集为空

符号∩表示交集，下标i≠j，第j+1个聚合频段的起始频点不小于第j个聚合频段的终止频点 $f_{\mathrm{jU}}^{t_j}\&le;f_{(j+1)L}^1.$

图3给出了某时段对离散的空闲频段进行聚合的例子，其中，空闲频段中的数字表示带宽大小，单位是MHz，假定用户的最小带宽需求为5MHz，对该时段的空闲频段实施聚合：

将聚合跨度的左边界置于第一个空闲频谱的起始频点处，由于聚合跨度内的空闲频段带宽之和大于5MHz，所以将它们聚合为一个频段B₁；

因为当前聚合跨度的右边界不位于空闲频段之内，且高频带还存在空闲频段，故将聚合跨度向右移至下一个空闲频段的起始频点处，并通过步骤2c判断得到第二个聚合频段B₂；

当前聚合跨度的右边界位于空闲频段之内，故将聚合跨度的左边界向右移至当前聚合跨度右边界所在的频点处，并通过步骤2c判断得到第三个聚合频段B₃；

由于高频带不存在空闲频段，因此结束频谱聚合，最后得到由3个聚合频段组成的聚合频段集合F＝{B₁,B₂,B₃}。

步骤3，根据最大化频谱的使用效率准则，基站将收集到的N个用户分配到步骤2得到的聚合频段集合F中，用公式表示为：

$\max \underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_i{x}_{\mathrm{ij}}$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_i{x}_{\mathrm{ij}}\&le;\left|B_j\right|,$ j＝1,…,M,

<1>

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1,$ i＝1，2,…,N,

x_ij∈{0,1},i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,M,

其中，目标函数

表示将N个用户最优地分配到M个聚合谱段中，使得分配获得的总带宽最大，式中，q_i表示用户i需求的带宽，i＝1,2,…,N，x_ij为二元判决变量，若x_ij＝1，则表示用户i被分配到聚合频段B_j中；否则，用户i不能分配到B_j中；

约束条件一

表示每个聚合频段所分配的用户总带宽不超过其大小，式中，|B_j|表示聚合频段B_j的带宽，j＝1,2,…,M；

约束条件二

表示每个用户只可能被分配到一个聚合频段中，i＝1,2,…,N。

步骤4，根据多背包问题MKP的求解原理确定<1>式的解，得到分配结果。

假定用户需求的总带宽

大于聚合频段带宽之和

由于该问题为非确定性多项式难题NP-hard，目前尚未存在快速的精确求解方法，本具体实施方式通过次优求解方法获得其解，其步骤如下：

4a)从聚合频段集合F中选择带宽最小的可利用的聚合频段B_j,j∈{1,2,…,M}，对未分配的用户进行最优分配，用公式表示为：

$\max \underset{i=1}{\overset{{\tilde{N}}_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_i{x}_{\mathrm{ij}}$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{{\tilde{N}}_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_i{x}_{\mathrm{ij}}\&le;\left|B_j\right|,$ j∈{0,1,2,…,M}     <2>

x_ij∈{0,1}, $i=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\tilde{N}}_j,$ j∈{1,2,3,…,M}

式中，

表示未分配带宽的用户数量，x_ij为二元判决变量，|B_j|表示可分配的聚合频段B_j的带宽；

4b)基于动态规划方法求解<2>式，得到当前聚合频段B_j的最优分配，其相应的判决向量为

相应的目标函数值为

其中，

为二元判决值，若二元判决值则表示将用户i分配到聚合频段B_j中，若二元判决值表示将用户i未分配到聚合频段B_j中，[]^T表示向量转置；

4c)判断聚合频段集合F中是否还存在可利用的聚合频段，如果存在，返回执行步骤4a)；否则，分配结束，得到<1>式的一个次优解矩阵X和相应的目标函数值v分别为：

X＝[x₁,x₂,…,x_j,…,x_M]，

其中，

表示对聚合频段B_j的判决向量，

为二元判决值，[]^T表示向量转置，若二元判决值

则表示用户i被分配到聚合频段B_j中；若二元判决值则表示用户i未分配到聚合频段B_j中，该次优解矩阵X为频谱分配的结果，目标函数值v为分配得到的总带宽；

步骤5，基站将步骤4的分配结果发送给用户，完成当前的聚合频谱分配。

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

仿真条件：设定一个支持频谱聚合的无线通信网络包括一个基站和50个用户，系统的频带范围为500MHz，其中300MHz已被占用，总的空闲带宽为W＝200MHz，空闲频段的大小及数目随机变化，聚合跨度为40MHz。本发明方法和传统的连续频谱分配方法的用户需求带宽从{5，6，7，8，9，10}MHz中随机选取，背景技术中参考文献提出的聚合预知频谱分配AASA方法的用户带宽为10MHz，用户之间不存在干扰。

仿真内容：分别采用本发明提出的基于多背包问题的聚合频谱分配方法和传统的频谱分配方法以及背景技术参考文献中聚合预知的频谱分配方法AASA的频谱使用

相对于空闲频段数目进行仿真，仿真结果如图4所示。

从图4可以看出，本发明提出的基于多背包问题的聚合频谱分配方法的频谱使用效率的数值曲线明显优于传统的频谱分配方法以及聚合预知的频谱分配方法AASA，且始终保持优越的性能。随着空闲频段数目的增加，其带宽将会越来越小，连续的频谱分配性能不断下降，而使用频谱聚合技术的分配方法性能会越来越好，AASA在空闲频段的数目为20左右其性能最差，这是由一些较小的不能满足用户10NHz带宽需求的空闲频段相距太远而不能通过聚合使用造成的，本发明的方法由于支持不同的带宽需求，有效地解决了这一问题，提升了频谱的使用效率。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，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，可以灵活做出各种变化和变形，因此所有等同的技术方案也属于本发明范畴，本发明专利保护范围应有权利要求限定。

Claims (2)

1.一种基于多背包问题的聚合频谱分配方法，包括如下步骤：

(1)基站收集用户的服务请求信息，得到当前用户需求的带宽集合Q＝{q₁,q₂,…,q_r,…,q_N}，同时收集当前系统频带中的空闲频段，得到离散的空闲频段集合其中，q_r为第r个用户需求的带宽，r＝1,2,…,N-1，N为不小于1的自然数，

表示并集，[f_cL,f_cU]表示第c个空闲频段，f_cL、f_cU分别表示第c个空闲频段的起始频点和终止频点，第c+1个空闲频段的起始频点大于第c个空闲频段的终止频点f_cU＜f_(c+1)L，c＝1,2,…,H-1，H表示系统频带包含的空闲频段数；

(2)根据无线电设备的聚合跨度，基站对上述的空闲频段聚合A，从低频到高频带进行聚合，得到聚合频段集合F：

F＝{B₁,B₂,…,B_j,…,B_M}，

其中，

表示第j个聚合频段，j＝1,2,…,M，M为不小于1的自然数，

表示并集，

表示聚合频段j中的第s个空闲频段，

分别表示它的起始频点和终止频点，t_j为不小于1的自然数，它表示第j个聚合频段包含的空闲频段数目，任意两个不同的聚合频段的交集为空

符号⌒表示交集，下标i≠j，第j+1个聚合频段的起始频点不小于第j个聚合频段的终止频点

(3)根据最大化频谱的使用效率准则，基站将收集到的N个用户分配到步骤2得到的聚合频段集合中F，用公式表示为：

$\max \underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_i{x}_{\mathrm{ij}}$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_i{x}_{\mathrm{ij}}\&le;\left|B_j\right|,j=1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,M,---<1>$

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1,i=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,N,$

x_ij∈{0,1},i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,M,

其中，目标函数

表示将N个用户最优地分配到M个聚合谱段中，使得分配获得的总带宽最大，式中，q_i表示用户i需求的带宽，i＝1,2,…,N，x_ij为二元判决变量，若x_ij＝1，则表示用户i被分配到聚合频段B_j中；若x_ij＝0，则用户i未分配到聚合频段B_j中；

约束条件一

表示每个聚合频段所分配的用户总带宽不超过其大小，式中，|B_j|表示聚合频段B_j的带宽，j＝1,2,…,M；

约束条件二

表示每个用户只可能被分配到一个聚合频段中，i＝1,2,…,N；

(4)根据多背包问题MKP的求解原理确定<1>式的解，得到分配结果，其解矩阵X和相应的目标函数值v分别为：

X＝[x₁,x₂,…,x_j,…,x_M]，

其中，

表示对聚合频段B_j的判决向量，

为二元判决值，若二元判决值

则表示用户i被分配到聚合频段B_j中；若二元判决值

则表示用户i未分配到聚合频段B_j中，[]^T表示向量转置，解矩阵X为频谱分配的结果，目标函数值v为分配得到的总带宽；

(5)基站将步骤4的分配结果发送给用户，完成当前的聚合频谱分配。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)所述的对空闲频段集合A从低频到高频带进行聚合，按如下步骤进行：

2a)将聚合跨度的左边界置于第一个空闲频段的起始频点处；

2b)判断当前聚合跨度的左边界和右边界是否位于同一个空闲频段d中，如果是，则将该空闲频段视为一个聚合频段B_v＝[f_cL,f_dU]，进而得到聚合频段集合F＝{B₁,B₂,…,B_h,…,B_v}，执行步骤2e)，其中，B_h为第h个聚合频段，h＝1,2,…,v，v为不小于1的自然数，f_dL,f_dU分别表示空闲频段d的起始频点和终止频点；如果否，执行步骤2c)；

2c)判断当前聚合跨度内的空闲频段带宽之和是否小于用户所需的最小带宽，如果是，执行步骤2e)；否则，将聚合跨度内的空闲频段聚合为一个频段

进而得到聚合频段集F＝{B₁,B₂,…,B_h,…,B_g}，执行步骤2d)，

其中，B_h表示第h个聚合频段，h＝1,2,…,g，

表示第g个聚合频段内的第s个空闲频段，

分别表示它的起始频点和终止频点，t_g表示第g个聚合频段内包含的空闲频段数；

2d)判断当前聚合跨度的右边界是否位于空闲频段之内，如果是，将聚合跨度的左边界向右移至当前聚合跨度右边界所在的频点处，返回执行步骤2b)；否则，执行步骤2e)；

2e)判断高频带是否还存在空闲频段，如果存在，将聚合跨度的左边界移至下一个空闲频段的起始频点处，返回执行步骤2b)；否则，结束频谱聚合。

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