CN103347262B - 基于超图的家庭基站频率复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超图的家庭基站网络中的频率复用方法，包括如下步骤：（1）根据所述家庭基站间的相互干扰关系构建干扰超图；（2）对所述干扰超图用启发式的贪心染色方法进行染色，把所述网络中所有所述家庭基站分成不同的群体；及（3）按照不同所述群体中包含的家庭数量给不同的所述家庭基站群体分配不同份额的正交频谱。由于本发明的家庭基站网络中的频率复用通过对超图的染色和对家庭基站群体按比例的频谱分配方案来实现，应用本发明所提供的方法可以提高系统中用户的信号质量和家庭基站小区的平均吞吐量。

Description

基于超图的家庭基站频率复用方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及通信领域，尤其涉及一种系统级的基站间的频谱复用和干扰协调。

背景技术

有预测表明在2012到2017年间全球和移动数据业务量会增长13倍。而且，80%的通信业务会发生在室内。因此，像家庭基站这样的小基站在未来的移动通信中将会扮演更加重要的角色。家庭基站是一种由用户自己安装的低功耗基站，能够有效地拉近基站和移动终端的距离。由此也可以有效地减轻传统宏基站的业务压力，减少通信网络的拥堵。

尽管有这么些优点，但是家庭基站的应用也会带来很多新的挑战。其中很关键的一点是小区间的干扰管理。由于家庭基站分布密集，而且距离近，很容易给其中的用户带来相互的干扰，从而影响用户的通话质量和网络整体的通信速率。利用图论工具对家庭基站网络进行频率复用可以减少干扰，但现有文献没有考虑到多个基站对一个基站的累加干扰，这种情形在密集的家庭基站网络中也会对用户带来很大的通信质量影响，考虑到这种情形，利用超图进行更完整的干扰关系建模，并利用频率复用减少网络中的相互干扰，提高用户的通信质量，增加网络的数据吞吐量。

由此，业界需要一种解决家庭基站间干扰大的频率复用方法。

发明内容

为了达成上述目的，本发明旨在提供利用频率复用减少网络中的相互干扰，提高用户的通信质量，增加网络的数据吞吐量

为此，本发明提供了一种基于超图的家庭基站网络中的频率复用方法，包括如下步骤：（1）根据所述家庭基站间的相互干扰关系构建干扰超图；（2）对所述干扰超图用启发式的贪心染色方法进行染色，把所述网络中所有所述家庭基站分成不同的群体；及（3）按照不同所述群体中包含的家庭数量给不同的所述家庭基站群体分配不同份额的正交频谱。

一些实施例中，步骤（1）中，针对密集家庭基站布置的通信网络，在整个密集通信网络中对每个所述家庭基站进行周围干扰基站的鉴定，并且根据所述鉴定结果把所述家庭基站之间的干扰关系建立成一个干扰超图。

一些实施例中，步骤（1）中不仅考虑一个所述家庭基站对另一个所述家庭基站的干扰，而且考虑多个所述家庭基站对一个所述家庭基站的干扰，在整个所述密集通信网络中对每个所述家庭基站进行周围干扰基站的鉴定。

一些实施例中，步骤（1）中，在为每一个所述家庭基站寻找它周围的干扰基站前，先把一个所述家庭基站周围的干扰基站分为两类，一类是独立干扰者，另一类是合作干扰者。

一些实施例中，步骤（1）中，根据所述家庭基站间的相互干扰关系构建干扰超图包括如下步骤：a)给每个家庭基站确定它的邻居基站；b）给每个家庭基站搜寻其所述独立干扰者，并且与这些家庭基站连上二值边；及c）当所有的所述独立干扰者被找出来后，给每个所述家庭基站在它们剩余的邻居基站中找所述合作干扰者,并且和这些合作干扰者构成超边。

一些实施例中，所述超图中超边最多包含3个点。

一些实施例中，步骤（2）中，通过对干扰图H染色来实现正交频谱的分配。

一些实施例中，所述启发式的贪心染色方法先把干扰图的点按照度的大小排序，然后再反序地添加这些点来对图H进行染色。

一些实施例中，步骤（3）中，当干扰图H用超图染色算法染完色后，所有的家庭基站被分成C个群体，每个所述群体有不一样的颜色，代表使用不同的正交频谱，同一个所述群体里面的所述家庭基站使用相同的所述频谱。

一些实施例中，所述群体中包含的所述家庭基站的数目越多，分配到的所述频谱越多。

由于本发明的家庭基站网络中的频率复用通过对超图的染色和对家庭基站群体按比例的频谱分配方案来实现，应用本发明所提供的方法可以提高系统中用户的信号质量和家庭基站小区的平均吞吐量。

结合附图，根据下文的通过示例说明本发明主旨的描述可清楚本发明的其它方面和优点。

附图说明

结合附图，通过下文详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为根据本发明实施例的频率复用方法的流程图；

图2是本发明实施方法的一个家庭基站干扰查找的示意图；

图3是本发明仿真参数设置图；及

图4，5，6是本发明仿真结果图；

具体实施方式

参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能对层及区域的尺寸及相对尺寸进行了放大或变形。

应理解，本发明的描述/图示为单个单元的部分可存在于两个或两个以上的物理上独立但合作实现所描述/图示之功能的实体。此外，描述/图示为两个或两个以上物理上独立的部分可集成入一个单独的物理上实体以进行所描述/图示的功能。

本发明中假设跨层干扰（宏基站和家庭基站的干扰）已经通过正交频谱分配的方法消除。每个家庭基站采用轮询调度方式服务用户。在家庭基站i中用户k的信号噪声干扰比SINR为:

${\mathrm{\γ}}_{i,k}=\frac{P_i{h}_{i,k}}{\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{P}_j{h}_{j,k}+{\mathrm{\σ}}_k^2}$

其中P_i为家庭基站i的发射功率，h_i,k是家庭基站i和用户k之间的平均信道增益，包括路径损耗，阴影衰落，多径损耗，和穿透损耗。是用户k的噪声功率。

一个用户在单位频谱上的通信速率可以参考香农公式的截短形式，同时，在不同信号噪声干扰比的时候，用户k的吞吐量可以表示成如下形式:

$R_k=\left\{\begin{array}{cc}0,& {\mathrm{\&gamma;}}_k<{\mathrm{\&gamma;}}_{\min }\\ \mathrm{\&alpha;}{\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_k),& {\mathrm{\&gamma;}}_{\min }\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_k\&le;r_{\max }\\ R_{\max },& {\mathrm{\&gamma;}}_k>{\mathrm{\&gamma;}}_{\max }\end{array}\right.$

其中，α指与香农限相比的衰减因数；γ_min指编码所需最小SINR；R_max指编码可达到的最大吞吐量；γ_max指达到最大吞量时的SINR。

现参考附图详细描述根据本发明实施例的基于超图的家庭基站网络中的频率复用方法。本实施例中，所述频率复用方法针对密集家庭基站布置的通信网络。

如图1所示，根据本发明实施例的基于超图的家庭基站网络中的频率复用方法，在步骤S101中，根据所述家庭基站间的相互干扰关系构建干扰超图。

针对密集家庭基站布置的通信网络，在整个密集通信网络中对每个所述家庭基站进行周围干扰基站的鉴定，并且根据所述鉴定结果把所述家庭基站之间的干扰关系建立成一个干扰超图。

本实施例中，不仅考虑一个所述家庭基站对另一个所述家庭基站的干扰，而且考虑多个所述家庭基站对一个所述家庭基站的干扰，在整个所述密集通信网络中对每个所述家庭基站进行周围干扰基站的鉴定。

在为每一个家庭基站寻找它周围的干扰基站前，先把一个家庭基站周围的干扰基站分为两类，一类是“独立干扰者”，另一类是“合作干扰者”。前者是干扰基站的发射功率能够单独对参考基站（正在为它找周围干扰基站的基站）所服务的用户带来严重的通信质量下降，这类干扰者一般离参考基站比较近，有较小的路径损耗。后者是包含多个家庭基站，通过家庭基站发射功率的累加对参考基站服务用户通信质量带来威胁，其中包含的基站一般离参考基站比较远，有较大的路径损耗，单独不会对参考基站所服务用户产生严重干扰。下面将对基于超图的家庭基站间频率复用方法作详细介绍。

步骤S101中，根据家庭基站网络的干扰关系构成干扰超图，现参考图2详细描述：

a)给每个家庭基站确定它的邻居基站。举例考虑找家庭基站i的邻居基站，如果家庭基站j满足其中γ是判断的门限，K_i是在家庭基站i中的用户数量，则它就被列到家庭基站i的邻居基站中。这一步是为了在算法中减少对家庭基站i干扰可以忽略的基站，减小算法复杂度，提高算法效率。

b)要给每个家庭基站搜寻它们的“独立干扰者”，并且与这些家庭基站连上二值边。例如在家庭基站i的邻居基站中，可以按照下面的公式判断独立干扰者，其中δ是确定构造二值边的最佳门限。满足这个条件的家庭基站和家庭基站i构建二值边，并且在j的邻居基站中删除。因为它们的功率和其他邻居基站中的任何基站累加都会构成“合作干扰者”。

3)当所有的独立干扰者被找出来后，需要给每个家庭基站在它们剩余的邻居基站中找“合作干扰者”,并且和这些“合作干扰者”构成超边。比如，在家庭基站i的剩余邻居基站中可以取家庭基站j和家庭基站m的组合来判断它们是不是“合作干扰者”，如果它们和家庭基站i间的关系满足则它们构成“合作干扰者”,并且和家庭基站i构成超边(i,j,m)。干扰门限值η需要取一个合适的值来反映家庭基站i里面用户的干扰容忍度。如果η取值太大的话，“合作干扰者”会增加但是频谱利用率会降低。在不同的第二步的“独立干扰者”的门限δ下，η的最佳值可能不同，它的最佳值可以在δ固定时通过二分法查找获得。当家庭基站i的“合作干扰者”被找出来并和i构成超边后，不同于第二步，“合作干扰者”包含的家庭基站成员不需要从那个基站的邻居基站中删除。因为这些基站成员可能会和其他不在“合作干扰者”里面的家庭基站一起构成对于i的新的“合作干扰者”，形成另一条超边。

当家庭基站网络中每个基站都找出它们自己的“独立干扰者”和“合作干扰者”，干扰超图的构造就完成了。在本实施例仅考虑构成3-超图，就是超图中超边最多包含3个点，因为这种情况对家庭基站网络来说已经足够，边包含的点更多的话，超图构成的复杂度会增加，但是性能的提高却是有限的。

步骤S103中，对所述干扰超图用启发式的贪心染色方法进行染色，把所述网络中所有所述家庭基站分成不同的群体。所述启发式的贪心染色方法先把干扰图的点按照度的大小排序，然后再反序地添加这些点来对图H进行染色。

本实施例中，通过对干扰图H染色来实现正交频谱的分配。超图的染色和一般图的染色不一样，超图染色的要求是在超图中一条超边至少需要有两个点的颜色不一样。因为对超图的染色是一个NP-hard问题，所以没有高效的算法来得到它的最优解。因此，采用一种启发式的贪心的超图染色算法来对干扰图H进行染色。贪心超图染色算法的主要思想是先把干扰图的点按照度的大小排序，然后再反序地添加这些点来对图H进行染色。这个算法也适用于一般的二值边构成的图，因为它们是特殊的超图，2-超图。

步骤S105中，按照不同所述群体中包含的家庭数量给不同的所述家庭基站群体分配不同份额的正交频谱。

本实施例中，当干扰图H用超图染色算法染完色后，所有的家庭基站被分成C个群体，每个所述群体有不一样的颜色，代表使用不同的正交频谱，同一个所述群体里面的所述家庭基站使用相同的所述频谱。所述群体中包含的所述家庭基站的数目越多，分配到的所述频谱越多。

当干扰图H用超图染色算法染完色后，所有的家庭基站被分成C个群体，每个群体有不一样的颜色，代表使用不同的正交频谱，同一个群体里面的家庭基站使用相同的频谱。然后，给这些群体分配不同份额的频谱。群体中包含的家庭基站的数目越多，分配到的频谱越多。所以，群体将会得到的信道数，其中是在群体家庭基站个数，是网络中的所有家庭基站个数，是频谱总的大小。通过这样的分配方式，可以避免一些包含家庭基站个数很少的群体占据相对多的频谱，虽然这类群体分配到的频谱会相对少，但是它们受到的干扰跟包含家庭基站多的群体相比也较少。

为了更具好的说明本方法的效果，现根据图3所示的系统仿真参数的设置做了大量的仿真，从图4到图6可以看出本方法的有效性。这里为了便于比较，另外引入了其他3中比较常见的家庭基站间的频率复用方法，分别是：频率复用因子为1，固定频谱分配方法，传统的图论方法。

频率复用因子为1的方法是每个家庭基站都使用全部的相同的系统频谱。固定频谱分配方法是在家庭基站网络中，把系统总的频谱分成四等份，每四个相邻家庭基站使用不同的一份正交频谱，传统的图论方法是家庭基站间的干扰关系建成的干扰图中只有二值边。

图4是反映在不同二值边干扰门限下不同方案的家庭基站的平均吞吐量变化。图5反映了不同方案下的家庭基站用户SINR的CDF（累积分布函数）曲线。图6反映了在四种方案下不同家庭基站激活率下的家庭基站的平均吞吐量的变化。

在仿真结果图4和图5中，家庭基站的激活率都设为0.5，即网络中有一半的家庭基站处于工作状态，另一半处于关断状态（这是为了模仿现实中家庭基站由用户自由开启和判断的状态）。图5是的CDF曲线是在图4的基础上找出最佳δ_g＝9dB（传统图论方法构造二值边的门限）和最佳δ_h＝6dB（超图中构造二值边的门限），最佳η＝7dB下获得的。

根据本发明实施例的一个家庭基站网络系统，其包括中心控制器，家庭基站和用户终端。中心控制器可以得到整个网络的配置信息，如家庭基站的位置和ID，和家庭基站的运行状态（开或关）。

家庭基站间相互的干扰关系通过超图来建模，每个家庭基站被视作超图中的一个结点，一对家庭基站间的干扰关系建模成一条二值边，多个家庭基站对一个家庭基站的干扰关系建模成一条超边（超边是包含任意数量的顶点的边）。

由于本发明的家庭基站网络中的频率复用通过对超图的染色和对家庭基站群体按比例的频谱分配方案来实现，应用本发明所提供的方法可以提高系统中用户的信号质量和家庭基站小区的平均吞吐量。

因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管业已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (3)

1.一种基于超图的家庭基站网络中的频率复用方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据所述家庭基站间的相互干扰关系构建干扰超图；

(2)对所述干扰超图用启发式的贪心染色方法进行染色，把所述网络中所有所述家庭基站分成不同的群体；及

(3)按照不同所述群体中包含的家庭数量给不同的所述家庭基站群体分配不同份额的正交频谱；

其中，步骤(1)中，针对密集家庭基站布置的通信网络，在整个密集通信网络中对每个所述家庭基站进行周围干扰基站的鉴定，并且根据鉴定结果把所述家庭基站之间的干扰关系建立成一个干扰超图，步骤(1)中不仅考虑一个所述家庭基站对另一个所述家庭基站的干扰，而且考虑多个所述家庭基站对一个所述家庭基站的干扰，在整个所述密集通信网络中对每个所述家庭基站进行周围干扰基站的鉴定，步骤(1)中，在为每一个所述家庭基站寻找它周围的干扰基站前，先把一个所述家庭基站周围的干扰基站分为两类，一类是独立干扰者，另一类是合作干扰者，步骤(1)中，根据所述家庭基站间的相互干扰关系构建干扰超图包括如下步骤：

a)给每个家庭基站确定它的邻居基站；

b)给每个家庭基站搜寻其所述独立干扰者，并且与这些家庭基站连上二值边；及

c)当所有的所述独立干扰者被找出来后，给每个所述家庭基站在它们剩余的邻居基站中找所述合作干扰者,并且和这些合作干扰者构成超边；

步骤(2)中，通过对干扰图H染色来实现正交频谱的分配，所述启发式的贪心染色方法先把干扰图的点按照度的大小排序，然后再反序地添加这些点来对图H进行染色；

步骤(3)中，当干扰图H用超图染色算法染完色后，所有的家庭基站被分成C个群体，每个所述群体有不一样的颜色，代表使用不同的正交频谱，同一个所述群体里面的所述家庭基站使用相同的所述频谱。

2.根据权利要求1所述的频率复用方法，其特征在于，所述超图中超边最多包含3个点。

3.根据权利要求1所述的频率复用方法，其特征在于，所述群体中包含的所述家庭基站的数目越多，分配到的所述频谱越多。