CN103561409B - 一种分层蜂窝网络中频谱租赁方法 - Google Patents

Abstract

一种分层蜂窝网络中频谱租赁方法，包括如下步骤：S1主服务提供商初始化发射功率和频谱定价，并广播该初始化信息；S2次服务提供商初始化发射功率和接入因子，依据主服务提供商的广播信息实时调整租赁频谱量，并上报租赁频谱量和接入因子信息给主服务提供商；S3主服务提供商依据次服务提供商的上报信息实时调整频谱定价和发射功率，并广播频谱定价信息；S4次服务提供商依据接收到的广播信息实时调整租赁频谱量，并上报给主服务提供商；S5重复执行S3～S4，直至主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议；S6主服务提供商进行功率调整，对次服务提供商进行干扰补偿。

Description

一种分层蜂窝网络中频谱租赁方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及到分层蜂窝网络中的频谱共享技术，特别是指一种分层蜂窝网络中实现层间双赢的频谱租赁方法。可用于多种分层蜂窝网络场景。

背景技术

近年来，移动通信网络对高速数据业务需求越来越大，空间复用的分层蜂窝网络业经成为研究热点。分层蜂窝网络中，次服务提供商（Secondary Service Provider,SSP）与主服务提供商（Primary Service Provider）交叠覆盖，能够以较低的功率提供无线覆盖，从而提升系统的容量。目前，研究的主要次级服务提供商有家庭基站（Femtocell），用于家庭范围内的覆盖；微微蜂窝（Pico），针对热点的部署；中继（Relay）针对蜂窝小区边缘等。然而由于SSP的密集部署，SSP盲目复用PSP的频谱资源，将导致其各自服务用户之间的干扰问题。

如图1所示的分层蜂窝网络场景，隶属于PSP的普通用户受到来自SSP的干扰。隶属于SSP的权限用户也将受到PSP的干扰。同时，如果隶属于PSP的普通用户距离PSP距离较远，但是距离某个SSP距离较近，此时普通用户将受到严重干扰。因而，在SSP大规模部署前，分层蜂窝网络中的干扰管理技术问题成为运营商面临的巨大挑战。干扰协调被3GPP RAN4工作组认为是解决分层蜂窝网络中干扰问题的有效方法之一，现有的干扰协调技术中主要有功率控制，频域分配和时域控制。然而各种干扰协调技术都还处于研究阶段。

南京邮电大学于2011.04.22申请的申请号为201110106062.7.的“基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法”专利，提供一种认知无线电系统中的基于拍卖理论和补偿激励的频谱共享方法，该方法针对主次用户共享频谱问题，基于简化的VCG（Vickrey-Clarke-Groves）拍卖模型，引入次级用户间的合作关系，并运用货币补偿激励原则，建立了一个包含有谈判和协议环境在内的扩展式的非合作博弈模型。但是非合作博弈模型难以保证实现双赢，只能保障主用户的收益，但是不能保证次用户的收益。同时，一般拍卖方法收敛速度慢，难以保证实时性的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种分层蜂窝网络中实现双赢的频谱租赁方法，能够进行合理的频谱分配，实现主次服务提供商间的双赢。

为实现上述目的，本发明的一种分层蜂窝网络中频谱租赁方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1主服务提供商初始化发射功率和频谱定价，并广播该初始化信息；

S2次服务提供商初始化发射功率和接入因子，依据主服务提供商的广播信息实时调整租赁频谱量，并上报租赁频谱量和接入因子信息给主服务提供商；

S3主服务提供商依据次服务提供商的上报信息实时调整频谱定价和发射功率，并广播频谱定价信息；

S4次服务提供商依据接收到的广播信息实时调整租赁频谱量，并上报给主服务提供商；

S5重复执行S3～S4，直至主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议；

S6主服务提供商进行功率调整，对次服务提供商进行干扰补偿。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S2包括：

设接入因子为θ，且0≤θ≤1，所述接入因子用来反映次服务提供商的接入模式：若θ=0，则次服务提供商为闭式接入模式，即次服务提供商只允许有权限的用户接入；若θ=1，则次服务提供商为开放接入模式，即次服务提供商不仅允许有权限的用户接入，同时也允许主服务提供商所服务的用户接入；若0<θ<1，则次服务提供商为混合接入模式，即次服务提供商允许接入有权限的用户以及部分主服务提供商所服务的用户，且θ值越大，相应地次服务提供商允许接入的主服务提供商所服务的用户数越多。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S2还包括：

设分层蜂窝网络中的第f个次服务提供商依据主服务提供商的广播信息实时调整租赁频谱量： ${\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)}=\frac{1}{\sqrt[1-\mathrm{\&theta;}]{\frac{c^{\left(t\right)}}{{\mathrm{\&theta;\&kappa;}}_f^{\left(t\right)}}}},0\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;1$

其中c^(t)是t时刻主服务提供商广播给次服务提供商的频谱定价，是第f个次服务提供商在t时刻的所有增益干噪比（GINR），且N_f是第f个次服务提供商服务的用户数，是第f个次服务提供商中的第n个用户在t时刻的GINR。

3.如权力要求1所述的一种分层蜂窝网络中频谱租赁方法，其特征在于：所述步骤S3包括：

主服务提供商依据次服务提供商的上报信息实时调整频谱定价和发射功率，且更新方法如下：

主服务提供商在t+1时刻的频谱定价其中ω是主服务提供商拥有的总频谱资源，是次服务用户提供商上报的租赁频谱量，是主服务提供商在t时刻的所有的信干噪比（SINR）信息，且是主服务提供商在t时刻的总GINR信息，且M是主服务提供商服务当前服务的总用户数，是主服务提供商服务的第m个用户的GINR；

主服务提供商在t+1时刻的发射功率 $R_0^{(t+1)}=\sqrt{\frac{P_0^{\mathrm{cst}}{\mathrm{\&kappa;}}_0{(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)})}^{\mathrm{\&theta;}}-c^{(t+1)}{\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)}}{{\mathrm{\&lambda;}}^{\left(t\right)}}}-P_0^{\max },$ 其中是主服务提供商对应频谱定价c^(t+1)的固定功率开销，是主服务提供商的最大发射功率，λ^(t)是t时刻的拉格朗日常数且λ^(t)≥0，且 ${\mathrm{\&lambda;}}^{(t+1)}={\mathrm{\&lambda;}}^{\left(t\right)}+\frac{1}{t}(P_0^{(t+1)}-P_0^{\max }),$ 若 $P_0^{(t+1)}\&GreaterEqual;P_0^{\max }$ 时，λ^(t+1)≥λ^(t)，则主服务提供商调小发射功率，若时，λ(^t+1)<λ^(t)，则主服务提供商调大发射功率。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S5包括：

主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议，即当主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议时，主服务提供商的发射功率收敛至固定值p_c。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S6包括：

主服务提供商在主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议后，将其发射功率调整为收敛值p_c，以对次服务提供商进行干扰补偿。

在上述技术方案的基础上，p_c为下面迭代过程最后的收敛数值，

主服务提供商在t+1时刻的发射功率

$R_0^{(t+1)}=\sqrt{\frac{P_0^{\mathrm{cst}}{\mathrm{\&kappa;}}_0{(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)})}^{\mathrm{\&theta;}}-c^{(t+1)}{\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)}}{{\mathrm{\&lambda;}}^{\left(t\right)}}}-P_0^{\max },$ 其中是主服务提供商对应频谱定价c^(t+1)的固定功率开销，是主服务提供商的最大发射功率，λ^(t)是t时刻的拉格朗日常数且λ^(t)≥0，且 ${\mathrm{\&lambda;}}^{(t+1)}={\mathrm{\&lambda;}}^{\left(t\right)}+\frac{1}{t}(P_0^{(t+1)}-P_0^{\max }),$ 若 $P_0^{(t+1)}\&GreaterEqual;P_0^{\max }$ 时，λ^(t+1)≥λ^(t)，则主服务提供商调小发射功率，若时，λ^(t+1)<λ^(t)，则主服务提供商调大发射功率。S4，直至主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议；，且0≤θ≤1，所述接入因子用来反映次服务提供商的接入模式：若θ=0，则次服务提供商为闭式接入模式，即次服务提供商只允许有权限的用户接入；若θ=1，则次服务提供商为开放接入模式，即次服务提供商不仅允许有权限的用户接入，同时也允许主服务提供商所服务的用户接入；若0<θ<1，则次服务提供商为混合接入模式，即次服务提供商允许接入有权限的用户以及部分主服务提供商所服务的用户，且θ值越大，相应地次服务提供商允许接入的主服务提供商所服务的用户数越多。个次服务提供商依据主服务提供商的广播信息实时调整租赁频谱量：是t时刻主服务提供商广播给次服务提供商的频谱定价，是第f个次服务提供商在t时刻的所有增益干噪比（GINR），且N_f是第f个次服务提供商服务的用户数，是第f个次服务提供商中的第n个用户在t时刻的GINR。，其中ω是主服务提供商拥有的总频谱资源，是次服务用户提供商上报的租赁频谱量，是主服务提供商在t时刻的所有的信干噪比（SINR）信息，且是主服务提供商在t时刻的总GINR信息，且M是主服务提供商服务当前服务的总用户数，是主服务提供商服务的第m个用户的GINR；，其中是主服务提供商对应频谱定价c^(t+1)的固定功率开销，是主服务提供商的最大发射功率，λ^(t)是t时刻的拉格朗日常数且λ^(t)≥0，且若时，λ^(t+1)≥λ^(t)，则主服务提供商调小发射功率，若时，λ^(t+1)<λ^(t)，则主服务提供商调大发射功率。，当主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议时，主服务提供商的发射功率收敛至固定值p_c，对次服务提供商进行一定的干扰补偿。

本发明的优点在于次服务提供商向主服务提供商请求频谱租赁可以避免互扰关系，同时次服务提供商也给主服务提供商带来频谱收益，另外，主服务提供商对次服务提供商进行干扰补偿，在降低次服务提供商干扰的同时还提升了能效，实现了主次服务提供商的双赢；本发明提出的方法收敛速度快，可以保证实时性的需求。

附图说明

图1是现有技术中的场景示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明的SSP租赁频谱收敛曲线图；

图4是本发明的PSP发射功率的收敛曲线图;

图5是本发明次服务提供商仿真结果示意图;

图6是本发明主服务提供商仿真结果示意图。

具体实施方式

参照图2，本发明的分层蜂窝网络中实现双赢的频谱租赁方法的详细实施方式如下，其包括如下步骤：

S1，主次服务提供商进行信息初始化和交互。主服务提供商初始化发射功率p₀和频谱定价c，并广播该初始化信息；

S2次服务提供商初始化发射功率和接入因子θ，依据主服务提供商广播的信息，实时调整频谱租赁量，并上报租赁信息给主服务提供商。

其中第f个次服务提供商的初始发射功率是p_f；接入因子0≤θ≤1，用来反映次服务提供商的接入模式：若θ=0，则次服务提供商为关闭接入模式，即次服务提供商只允许有权限的用户接入；若θ=1，则次服务提供商为开放接入模式，即次服务提供商不仅允许有权限的用户接入，同时也允许主服务提供商所服务的用户接入；若0<θ<1，则次服务提供商为混合接入模式，即次服务提供商允许接入有权限的用户以及部分主服务提供商所服务的用户，且θ值越大，相应地次服务提供商允许接入的主服务提供商所服务的用户数越多；第f个次服务提供商的租赁频谱量κ_f是第f个次服务提供商的所有增益干噪比（GINR），且N_f是第f个次服务提供商服务的用户数，κ_f,n是第f个次服务提供商中的第n个用户的受到的GINR；

S3主服务提供商依据次服务提供商的上报信息实时调整频谱定价和发射功率，并广播频谱定价信息；

主服务提供商按照如下方式调整频谱定价和发射功率：

主服务提供商在t+1时刻的频谱定价其中ω是主服务提供商拥有的总频谱资源，是次服务用户提供商上报的租赁频谱量，是主服务提供商在t时刻的所有的信干噪比（SINR）信息，且是主服务提供商在t时刻的总GINR信息，且M是主服务提供商服务当前服务的总用户数，是主服务提供商服务的第m个用户的GINR；

主服务提供商在t+1时刻的发射功率 $R_0^{(t+1)}=\sqrt{\frac{P_0^{\mathrm{cst}}{\mathrm{\&kappa;}}_0{(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)})}^{\mathrm{\&theta;}}-c^{(t+1)}{\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)}}{{\mathrm{\&lambda;}}^{\left(t\right)}}}-P_0^{\max },$ 其中是主服务提供商对应频谱定价c^(t+1)的固定功率开销，是主服务提供商的最大发射功率，λ^(t)是t时刻的拉格朗日常数且λ^(t)≥0，且 ${\mathrm{\&lambda;}}^{(t+1)}={\mathrm{\&lambda;}}^{\left(t\right)}+\frac{1}{t}(P_0^{(t+1)}-P_0^{\max }),$ 即若 $P_0^{(t+1)}\&GreaterEqual;P_0^{\max }$ 时，λ^(t+1)≥λ^(t)，那么在下一时刻主服务提供商将会适当的调小发射功率，若时，λ^(t+1)<λ^(t)，那么在下一时刻主服务提供商将会适当的调大发射功率。

S4次服务提供商依据接收到的广播信息实时调整租赁频谱量，并上报给主服务提供商；

次服务提供商按照如下方式调整频租赁频谱量：

次服务提供商在t+1时刻的频谱租赁量其中c^(t+1)是t+1时刻主服务提供商广播给次服务提供商的频谱定价，是第f个次服务提供商在t+1时刻的所有增益干噪比（GINR），且N_f是第f个次服务提供商在t+1时刻服务的用户数，是第f个次服务提供商中的第n个用户在t+1时刻的GINR；

S5逐次执行S3～S4，直至主次服务提供商达成一致的频谱租赁协议；

达成一致的频谱租赁协议，即也就是说当主次服务提供商达成一致的频谱租赁协议时，主用户的发射功率会收敛至固定值p_c。

p_c为下面迭代过程最后的收敛数值，

主服务提供商在t+1时刻的发射功率 $R_0^{(t+1)}=\sqrt{\frac{P_0^{\mathrm{cst}}{\mathrm{\&kappa;}}_0{(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)})}^{\mathrm{\&theta;}}-c^{(t+1)}{\mathrm{\&omega;}}_f^{\left(t\right)}}{{\mathrm{\&lambda;}}^{\left(t\right)}}}-P_0^{\max },$ 其中是主服务提供商对应频谱定价c^(t+1)的固定功率开销，是主服务提供商的最大发射功率，λ^(t)是t时刻的拉格朗日常数且λ^(t)≥0，且 ${\mathrm{\&lambda;}}^{(t+1)}={\mathrm{\&lambda;}}^{\left(t\right)}+\frac{1}{t}(P_0^{(t+1)}-P_0^{\max }),$ 若 $P_0^{(t+1)}\&GreaterEqual;P_0^{\max }$ 时，λ^(t+1)≥λ^(t)，则主服务提供商调小发射功率，若时，λ^(t+1)<λ^(t)，则主服务提供商调大发射功率。

S6主服务提供商调整发射功率对次服务提供商进行干扰补偿。

主次服务提供商达成一致的频谱租赁协议后，将其发射功率调整为收敛值p_c，对次服务提供商进行一定的干扰补偿。那么，次服务提供商租赁频谱提高了主服务提供商的频谱利用率，同时主服务提供商降低发射功率降低了次服务提供商的干扰，从而实现主次服务提供商间的双赢。

本发明的效果可以通过仿真进一步说明：

1.仿真条件：

参考图1，本发明构建的仿真模型是由一个主服务提供商和多个次服务提供商重叠覆盖构成的分层蜂窝网络，本发明的具体仿真场景中只考虑主服务提供商的一个扇区，扇区中的每个次服务提供商均服务N个权限用户，而主服务提供商服务的普通用户个数为M个，并取N=5,M=30，权限用户和普通用户均随机分布在相应的基站覆盖范围内，且主服务提供商的最大发射功率为46dBm，而次服务提供商的最大发射功率为20dBm。

2.仿真内容与结果

仿真1：验证本发明提出的分层蜂窝网络中实现双赢的频谱租赁方法的收敛性，仿真结果如图3与图4所示。

从图3与图4可见，无论次服务提供商的接入因子是0.2或0.6，本发明提出的方法经过3～5次迭代后，次服务提供商的频谱租赁量和主服务提供商的发射功率均收敛，这也就验证了本发明提出的方法具有收敛性且收敛速度快。

仿真2：验证本发明提出的分层蜂窝网络中实现双赢的频谱租赁方法的性能提升，仿真结果如图5与图6所示。

本发明的方法中主服务提供商对次服务提供商进行干扰补偿，如图5和图6所示，无论是主服务提供商还是次服务提供商其效能在本发明方法下都得以改善，这也与本发明实现双赢的初衷相吻合。

Claims (1)

1.一种分层蜂窝网络中频谱租赁方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1主服务提供商初始化发射功率和频谱定价，并广播该初始化信息；

S2次服务提供商初始化发射功率和接入因子，依据主服务提供商的广播信息实时调整租赁频谱量，并上报租赁频谱量和接入因子信息给主服务提供商；

S3主服务提供商依据次服务提供商的上报信息实时调整频谱定价和发射功率，并广播频谱定价信息；

S4次服务提供商依据接收到的广播信息实时调整租赁频谱量，并上报给主服务提供商；

S5重复执行S3～S4，直至主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议；

S6主服务提供商进行功率调整，对次服务提供商进行干扰补偿；

设接入因子为θ，且0≤θ≤1，所述接入因子用来反映次服务提供商的接入模式：若θ＝0，则次服务提供商为闭式接入模式，即次服务提供商只允许有权限的用户接入；若θ＝1，则次服务提供商为开放接入模式，即次服务提供商不仅允许有权限的用户接入，同时也允许主服务提供商所服务的用户接入；若0＜θ＜1，则次服务提供商为混合接入模式，即次服务提供商允许接入有权限的用户以及部分主服务提供商所服务的用户，且θ值越大，相应地次服务提供商允许接入的主服务提供商所服务的用户数越多；

所述步骤S2还包括：

设分层蜂窝网络中的第f个次服务提供商依据主服务提供商的广播信息实时调整租赁频谱量：

其中c^(t)是t时刻主服务提供商广播给次服务提供商的频谱定价，是第f个次服务提供商在t时刻的所有增益干噪比(GINR)，且N_f是第f个次服务提供商服务的用户数，是第f个次服务提供商中的第n个用户在t时刻的GINR；

所述步骤S3包括：

主服务提供商依据次服务提供商的上报信息实时调整频谱定价和发射功率，且更新方法如下：

主服务提供商在t+1时刻的频谱定价其中ω是主服务提供商拥有的总频谱资源，是次服务用户提供商上报的租赁频谱量，是主服务提供商在t时刻的所有的信干噪比(SINR)信息，且 主服务提供商在t时刻的功率，是主服务提供商在t时刻的总GINR信息，且M是主服务提供商服务当前服务的总用户数，是主服务提供商服务的第m个用户的GINR；

p_c为下面迭代过程最后的收敛数值，

主服务提供商在t+1时刻的发射功率其中是主服务提供商对应频谱定价c^(t+1)的固定功率开销，是主服务提供商的最大发射功率，λ^(t)是t时刻的拉格朗日常数且λ^(t)≥0，且若时，λ^(t+1)≥λ^(t)，则主服务提供商调小发射功率，若时，λ^(t+1)＜λ^(t)，则主服务提供商调大发射功率；

主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议，即当主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议时，主服务提供商的发射功率收敛至固定值p_c；

主服务提供商在主服务提供商与次服务提供商达成一致的频谱租赁协议后，将其发射功率调整为收敛值p_c，以对次服务提供商进行干扰补偿。