CN103686750A - 一种云无线接入网架构下的动态频率复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云无线接入网架构下的动态频率复用方法，特征是适用于全频带的正交频分复用系统，云无线接入网架构包括远端射频头、基站资源池和高速交换结构；其中基站资源池包括基带处理单元和一个中央管理调度模块；中央管理调度模块根据每个小区不同区域的业务负载量对系统覆盖下每个小区中心区域和边缘区域中用户分别进行频率资源分配；在对小区边缘用户进行频率资源分配时，采用基于图染色法的方法，以确保相邻两个小区边缘区域不会产生同频干扰并能进一步地提高频谱资源的利用率。本发明相对于现有的蜂窝系统可有效降低运营维护成本，避免小区间同频干扰问题的发生，并提高频谱资源的利用率，增加每个小区的吞吐量。

Description

一种云无线接入网架构下的动态频率复用方法

技术领域

本发明属于无线通信系统中的频率复用方法技术领域，具体涉及在云无线接入网络架构下实现动态频率复用的方法。 

背景技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术因为其能够获得更高的频谱利用率及更快的数据传输速率，在现代无线通信领域得到了愈加广泛的应用。但当相邻的两个小区使用同一段频谱资源时，两个小区内的用户之间会产生严重的同频干扰。目前较有效地解决这一问题的方法是采用部分频率复用（Fractional Frequency Reuse），将每个小区划分为中心区域和边缘区域，每个基带处理单元上的频谱资源也被分为两个部分，其中的一部分频率复用因子为1，这段频谱固定地被分配给每个小区位于中心区域的用户；另一部分频谱进一步划分为3部分，以提供给每个小区边缘区域中的用户使用，并确保相邻两个小区的边缘区域中的用户不会使用同一段频率。《电器和电子工程师协会通信学报》（IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS，2012年第7期第60卷2029到2039页）“异构网络下部分频率复用的性能分析（Analytical Evaluation of Fractional Frequency Reuse for Heterogeneous Cellular Networks）”一文对这种部分频率复用系统进行了详细分析后指出，采用这种方式可以有效减少小区间的同频干扰，但每个基带处理单元所提供的频谱资源都不能够得到充分的利用，且由于小区的每个区域中的用户只能使用一段固定的频谱，在某些区域用户较多的情况下，会导致用户需求难以被满足。 

云无线接入网络（Cloud Radio Access Network，Cloud-RAN）为一种新的无线网络架构，由一系列的基带处理单元（Base Band Unit）所组成的基站资源池与若干远端射频头（Remote Radio Head）构成。《电器和电子工程师协会指定通信领域学报》（IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2013年5月第31卷编号5第829到839页）“一种新的适应性的小小区架构（A New Adaptive Small-Cell Architecture）”一文对类似的架构进行了描述，架构中的每个远端射频头对一个小区进行覆盖，基带处理单元与远端射频头之间经由一个高速交换结构，通过光传输网络相连接；通过高速交换结构，每个小区中的远端射频头可根据需要与基站资源池中任意一个基带处理单元建立电路连接，即使用该基带处理单元提供的频谱资源；同时，每个基带处理单元可以通过高速交换结构同时与多个远端射频头相连接并为它们所覆盖下的小区中的用户提供频谱资源。相对于传统的分布式接入网系统，这种网络架构的优点在于系统能够根据覆盖下所有小区的业务量动态地调整处在工作状态的基带处理单元数量，提高频谱资源的利用率；同时将各小区的数据在一个资源池中进行集中处理，能够减少系统运营维护成本并降低能耗。但云无线接入网络本身由于未采用频率复用技术，相邻小区间仍不可避免地存在着同频干 扰问题，但至今还未见有将频率复用技术与云无线接入网架构相结合的报道。 

发明内容

本发明的目的是提出一种云无线接入网架构下的动态频率复用方法，以在利用云无线接入网架构所特有优点的同时，解决现有蜂窝无线通信网络架构下部分频率复用技术所面临的频谱利用率低下且无法适应用户业务量变化的问题。 

本发明云无线接入网架构下的动态频率复用方法，其适用的系统为全频带的正交频分复用系统，该系统包括远端射频头、基站资源池和高速交换结构；其中远端射频头通过光纤连接到高速交换结构，高速交换结构再通过光纤连接到基站资源池；其中基站资源池包括基带处理单元和一个中央管理调度模块；每个基带处理单元所提供的频谱资源量均为整个系统所能提供的总的频谱资源量B，单位为兆赫兹；系统覆盖的每个小区按照现有的部分频率复用策略，划分为中心区域和边缘区域；对应地，每个基带处理单元上所提供的基带频谱资源也划分为两部分，分别被处于每个小区中心区域和边缘区域的用户使用；其特征在于：将云无线接入网架构与频率复用技术相结合，对系统覆盖下每个小区中心区域和边缘区域中用户的频率资源分配分别进行：首先对位于每个小区边缘区域中的用户进行频率资源的分配，再对每个小区中心区域中的用户进行频率资源的分配；中央管理调度模块根据每个小区边缘区域的业务负载对小区边缘用户进行频率资源分配时，采用基于图染色法的方法，根据染色结果来进行频谱资源的分配； 

具体包括以下五个步骤， 

第一步：基站资源池中的中央管理调度模块收集各小区不同区域在当前时刻的频谱资源需求情况； 

第二步：中央管理调度模块根据已知的系统覆盖下小区间的位置关系生成小区位置的拓扑结构图； 

第三步：中央管理调度模块根据小区位置拓扑结构图和各个小区边缘区域的频谱资源需求情况，执行基于图染色法的小区边缘频谱资源分配方法，对每个小区的边缘区域进行频谱资源的分配； 

第四步：中央管理调度模块根据每个小区中心区域的频谱资源需求情况对小区中心区域进行频谱资源分配，并结合由基于图染色法的小区边缘频谱资源分配方法所生成的小区边缘动态频率复用结果； 

第五步：中央管理调度模块依据动态频率复用结果生成交换策略，并依据此交换策略控制云无线接入网架构中的高速交换结构，建立新的基带处理单元到远端射频头的电路连接。 

所述第一步中，在正交频分复用系统下，每个用户会被分配到一段固定长度的资源块（Resource Block），即一段固定长度的频谱资源，单位为兆赫兹；各小区不同区域在当前时刻的频谱资源需求情况以一定数量的资源块表示，单位为兆赫兹。 

所述第二步中，小区位置拓扑结构图由节点和连接两个节点的边所构成，每个节 点表示一个小区的边缘区域，每条边用于表示其所连接的两个节点所代表的小区边缘区域之间的相邻关系，通过边相连的两个节点为相邻节点。 

所述第三步，基于图染色的小区边缘频率资源分配方法中，每种颜色即代表特定长度的一段频谱资源；图中任意一个节点i都有一个对应的负载值e_i，这个值表示节点所对应的小区边缘的频谱资源需求量的大小，单位为兆赫兹；同时任意一种颜色c_m,n也有一个对应的负载值l_m,n，表示该种颜色对应的频谱资源量，单位同样为兆赫兹；并且图中的每个节点可根据需要被染上多种不同的颜色；该基于图染色的小区边缘频率资源分配方法具体包括以下五个步骤： 

先选取负载值最高的节点k作为起始节点开始对整个图中的所有节点进行染色：若不止一个节点的负载值同为最高，则优先选取度数最大的节点；若还不止一个，则在度数最大的节点中任意选取一个；节点的度数指的是与节点相连接的边的个数；记所使用的颜色为c_1,1，其负载值等于目标结点的负载值，即l_1,1=e₁； 

接着将此刻与已染色节点相邻的所有节点构成一个目标结点集合，从该集合中选取节点作为目标结点进行下一步染色；图中任意一个节点i均有一个可用颜色集合 

该集合其中所包括的颜色为已在图中被其他节点使用并可以被该节点i所使用的颜色；选取可用颜色集合中颜色种类最少的节点t作为目标结点进行染色；若有多个节点的可用颜色集合中颜色种类同为最少，则优先选取负载值最大的节点作为目标结点；若仍有多个节点满足条件，则任选一个节点作为目标结点； 

再选择给目标节点进行染色所需要的目标颜色；目标颜色从目标节点的可用颜色集合中进行选取；若可用集合为空，则需要引入新的颜色c_n,1；新颜色c_n,1的负载值l_n,1即等于目标结点的负载值e_t；染色后，将该目标结点节点t从目标结点集合

中去除；若目标节点的可用颜色集合非空，则优先从其可用颜色集合中选取已染节点数最少的颜色作为目标颜色；若有多种颜色的已染节点数相同且均为最少，则优先选择负载值与节点负载值最接近的颜色c_m,n作为目标颜色；针对目标颜色负载值l_m,n与目标结点负载值e_t之间的不同关系，分为以下三种情况进行处理： 

第一种情况：目标结点的负载值e_t大于目标颜色的负载值l_m,n，对目标结点采用部分染色的方式，将节点部分染色为目标颜色c_m,n；染色后节点仍留在目标结点集合

中，但目标结点节点的负载值更新为染色前自身负载值与目标颜色负载值的差值e_t-l_m,n，等待进行下一次染色； 

第二种情况：目标结点的负载值e_t等于目标颜色的负载值l_m,n，将目标结点完全染色为目标颜色c_m,n，然后将目标结点从目标结点集合

中去除； 

第三种情况：目标结点的负载值e_t小于目标颜色的负载值l_m,n，需要从目标颜色c_m,n中分裂出一种新的颜色c_m,n+1；新颜色c_m,n+1的负载值为目标颜色负载值与目标结点负载值的差值l_m,n-e_t，同时目标颜色c_m,n的负载值更新为目标节点的负载值e_t；然后将目标节点t染色为目标颜色c_m,n后，从目标节点集合

中去除；同时，检查图中被染为或部分染为目标颜色c_m,n的节点，这些节点的已用颜色集合中将增加生成的新颜色c_m,n+1； 

然后重复上述步骤，直到所有的节点均被染色过；这时在图中被使用的颜色构成颜色集合

这些颜色的负载值构成颜色负载值集合

任意两种不同的颜色所表示的两段频谱互不重合，因而所有小区边缘区域所需占用的频谱总量为将所有不同颜色的负载值累加所得的结果

根据每个小区边缘区域和中心区域之间的业务量关系，限制边缘用户所使用的频谱资源量不超过总带宽的一半；将所有不同颜色的负载值累加所得的结果与系统总的频谱资源量的1/2进行比较，若小区边缘区域所需频谱资源量超过系统提供频谱资源总量的1/2，即

则定义因子 

将所有颜色的负载值乘以该因子，更新为l_i,j=δ·l_i,j，即减少每种颜色所对应的频谱资源量；若所有不同颜色的负载值之和小于每个基带处理单元所提供频谱资源总量的1/2，即

则这一步可以略去； 

最后检查系统中是否仍有节点可继续被染色；中央管理调度模块统计出任一种颜色c_m,n在系统中被使用的次数b_m,n，任一种颜色被使用的次数即表示该颜色所对应的频谱段所需要被复用的次数；同一段频谱被多复用一次即增加一个基带处理单元；则每种颜色被使用的次数中，最大值b_i,j=max{b_1,1,...,b_m,n}即表示系统为满足所有小区边缘用户的业务需求所需要的总的基带处理单元数量n_e；对图中所有的节点进行遍历，对于任一目标节点t，检查其可用颜色集合

若集合非空且其中存在的颜色c_m,n的使用次数 b_m,n小于所有边缘区域总的基带处理单元需求量n_e，则该颜色可以被使用；若集合中存在多个可用颜色，则优先选择负载值与目标节点t的负载值最接近的颜色作为目标颜色；染色后，更新与目标结点相邻的所有节点的可用颜色集合，再对下一个节点进行检查，直到所有节点均被遍历过； 

染色完成后，中央管理调度模块根据染色结果生成对应的针对小区边缘区域的动态频率复用方式；同时得到基站资源池为满足所有小区边缘区域频谱资源需求所需提供的基带处理单元的数量n_e。 

所述第四步对每个小区中心区域进行频率资源分配的方法中，每个基带处理单元上可被小区中心区域所使用的频谱资源量根据小区边缘区域所需的频谱资源量大小而决定；每个基带处理单元上剩余的

频谱资源均可以被小区中心区域所利用；对小区中心区域进行频率资源分配的方法采用以下步骤： 

先对所有小区按中心区域的频谱资源需求量从高到低进行排序，并将每个基带处理单元的负载初始化，即此时每个基带处理单元上可供小区中心区域使用的频谱资源量为除去边缘区域需要占用的频谱资源外的最大值

接着按中心区域的频谱资源需求量从高到低依次对每个小区进行处理：将队列中的第一个小区作为目标小区，对于目标小区中所有基带处理单元板进行遍历，找到在不超过负载上限的前提下能容纳该小区中心业务负载的所有基带处理单元；若此时所有基带处理单元的可用频谱资源均不能满足目标小区中心区域的需求，则将可用资源最多的一个基带处理单元作为目标基带处理单元与目标小区之间建立连接关系，该目标基带处理单元的可用频谱资源量也更新为0，并跳过第三步直接进行第四步； 

然后在找到可满足目标小区中心区域频谱资源需求的这些基带处理单元中，找出在加上该小区负载后剩余可用频谱资源最少的那个基带处理单元，即为目标基带处理单元；建立目标小区中心区域到目标基带处理单元的连接关系，并将目标基带处理单元的可供小区中心区域使用的频谱资源量更新为原基带处理单元上可用频谱资源量与目标小区中心区域的频谱资源需求量的差值； 

最后处理排序队列中的下一个小区，直到所有小区的中心区域都与对应的基带处理单元建立连接关系； 

中央管理调度模块对每个小区中心区域的动态频率复用完毕后，得到为满足所有小区中心区域频谱资源需求所需要的基带处理单元的数量n_c；与小区边缘所需的基带处理单元数量n_e相比较，则可知系统在当前业务情况下所需的总的基带处理单元数量n，这里所需总的基带处理单元的数量即小区边缘所需数量与小区中心所需数量两个值中的较大值。 

所述第五步中，中央管理调度模块综合基于图染色方法所得到的对小区边缘的动态频率复用结果和对小区中心区域的动态频率复用结果，生成每个小区的远端射频头和资源池中基带处理单元的对应连接关系；根据小区中心区域动态频率复用结果中每个小区中心与基带处理单元之间建立的连接关系，确定最终的动态频率复用结果；受基带资源池自身处理能力的限制，每个远端射频头只能同时接受一个基带处理单元提供的频谱资源；将分配给每个小区中心区域的频谱资源段和分配给同一个小区边缘区域的频谱资源段调整到同一个基带处理单元上；同时中央管理调度模块将对基站资源池中处在工作状态的基带处理单元数量进行调整，将基站资源池中所有已与远端射频头建立连接关系的基带处理单元调整为开启状态，并将那些没有与远端射频头建立连接关系的基带处理单元关闭。 

本发明的这种云无线接入网架构下的动态频率复用方法，由于结合了云无线接入网架构，系统可根据当前覆盖小区中的业务量调整处在工作状态的基带处理单元的数量，相对于现有的蜂窝系统可有效降低运营维护成本；同时通过所提出的动态频率复用方法保证相邻两个小区的边缘区域使用不同的频率资源，有效避免了小区间同频干扰问题的发生，并能有效地提高频谱资源的利用率，增加每个小区的吞吐量。 

附图说明

图1为云无线接入网络架构下的系统结构示意图。 

图2为依据图1的小区结构所构造的小区位置拓扑结构图。 

图3为实施例中染色算法执行完成后小区边缘频率复用结果示意。 

图4为实施例中动态频率复用最终结果示意。 

具体实施方式

下面结合附图采用具体实施例对本发明作进一步详细的说明。 

实施例1： 

本发明的下述实施例针对某个业务量场景，提供一种云无线接入网架构下的动态频率复用方法的具体实施过程。 

图1为云无线接入网络架构下的系统结构示意图，该系统包括基站资源池107、高速交换结构109和6个远端射频头，6个远端射频头分别为第一远端射频头110、第二远端射频头111、第三远端射频头112、第四远端射频头113、第五远端射频头114和第六远端射频头115，它们所分别覆盖的小区分别为第一小区101、第二小区102、第三小区103、第四小区104、第五小区105和第六小区106；基站资源池107由中央管理调度模块108和4个基带处理单元构成，4个基带处理单元分别为第一基带处理单元116到第四基带处理单元119。图中的单线“——”表示控制信令传输线路，双线“====”表示光纤。其中，6个远端射频头通过光纤连接到高速交换结构109，再经由光纤连接到基站资源池中的4个基带处理单元；基站资源池中的中央管理调度模块分别与高速交换结构109和基站资源池内的4个基带处理单元通过控制信令传输线路相连接。根据上 述结构的具体实施过程如下： 

第一步：基站资源池中的中央管理调度模块收集各小区不同区域在当前时刻的频谱资源需求情况。所有小区的业务量均表示为小区中不同区域所有用户对带宽资源的总的需求量，单位为兆赫兹。第一小区101的边缘区域的业务量即对频谱资源的需求为3a兆赫兹，中心区域为3a兆赫兹；第二小区102边缘区域的频谱资源需求为a兆赫兹，中心区域为2a兆赫兹；第三小区103边缘区域的频谱资源需求为3a兆赫兹，中心区域为3a兆赫兹，第四小区104边缘区域的频谱资源需求为2a兆赫兹，中心区域为2a兆赫兹；第五小区105边缘区域的频谱资源需求为a兆赫兹，中心区域为2a兆赫兹；第六小区106边缘区域的频谱资源需求为a兆赫兹，中心区域为2a兆赫兹。 

第二步：中央管理调度模块根据已知的系统覆盖下小区间的位置关系生成小区位置的拓扑结构图。图2给出了依据图1的小区结构所构造的小区位置拓扑结构图。如图2所示，图中第一节点201到第六节点206分别为对应图1中每个小区边缘区域的节点。其中第一节点201对应图1中的第一小区101，第二节点202对应第二小区102，以此类推。通过边相的两个节点为相邻节点，相邻的两个节点所对应的两个小区在地理位置上也是相邻的，因而它们的边缘区域不能使用同一段频谱资源，否则就会导致同频干扰的产生。 

第三步：中央管理调度模块根据小区不同区域的频谱资源需求和小区位置拓扑结构图，执行基于图染色法的小区边缘频谱资源分配方法，对每个小区的边缘区域进行频谱资源的分配，具体过程如下： 

首先执行基于图染色法的小区边缘频率资源分配方法，找到图中负载值最大的节点。第二节点201和第三节点203的负载值同为3a兆赫兹，均为最大，则挑选其中度数最大的节点作为第一个目标节点。第三节点203被选为目标结点。将第三节点203染色为c_1,1。此时，颜色c_1,1的负载值为3a兆赫兹，即l_1,1=3a。 

此刻图中的已染色节点为第三节点203。则与其相邻的三个节点：第二节点202、第五节点205和第四节点204构成目标节点集合

从目标结点集合中选取可用颜色集合中颜色种类数最少的节点作为目标结点。此时目标结点集合

中的三个节点的可用颜色集合均为空集，而节点204的负载值最高，则以第四节点204作为目标结点，将其染为一种新的颜色c_2,1。此时颜色c_2,1的负载值为2a，即l_2,1=2a。 

此时将目标结点集合

中剩余两个节点的可用颜色集合会进行更新：第二节点202与第四节点204不相邻，因而其可用颜色集合中增加第四节点204的已染颜色c_2,1，更新为

第五节点205的可用颜色集合仍为空集。则此时选择第五节点205作为目标节点，将其染为一种新的颜色c_3,1。此时颜色c_3,1的负载值为第五节点205的 负载值a。 

之后再对目标结点集合

中的最后一个节点即第二节点202进行染色。此时节点202的可用颜色集合仍为

则将节点202染色为c_2,1。此时第二节点202的负载值小于颜色c_2,1的负载值，则根据发明内容中所陈述的染色方法，颜色c_2,1将分裂出一种新的颜色c_2,2，颜色c_2,2的负载值为颜色c_2,1的负载值l_2,1与第二节点202的负载值e₂的差值，即为a，c_2,1的负载值更新为节点202的负载值a。将第二节点202染色为c_2,1。此时，对图中原已被染为颜色c_2,1的节点204的状态进行更新，第四节点204被两种颜色c_2,1和c_2,2染色。并对图中其他所有节点的可用颜色集合进行更新。 

此时图中与所有已染色节点相邻的为染色节点为第一节点201和第六节点206，这两个节点构成新的目标结点集合

优先选取可用颜色集合最小的节点作为目标结点。第一节点201的可用颜色集合为

第六节点206的可用颜色集合为 第六节点206的可用颜色集合中颜色的种类较少，因而优先选择节点206作为目标节点。接着从第六节点206的可用颜色集合中选取目标颜色，其可用颜色集合中，c_1,1和c_2,2均在图中已被使用了一次，但c_2,2的负载值与第六节点206的负载值更接近，因而选取c_2,2作为目标颜色对第六节点206进行染色，同时对图中所有节点的可用颜色集合进行更新。 

之后对第一节点201进行染色。此时第一节点201的可用颜色集合为 

两种颜色在图中已经使用的次数均为1，因而选择负载值与第一节点201更为接近的颜色c_1,1作为目标颜色。c_1,1的负载之与第一节点201的负载值相等，均为3a，则直接将节点201染色为c_1,1。此时节点206的可用颜色集合更新为

且颜色c_2,2的负载值与第六节点206的负载值相等，则直接将第六节点206染色为c_2,2。 

此时所有的节点均已被染色。由中央管理调度模块统计出每种颜色在图中出现的次数，即对应的每段不同的频谱资源被复用的次数。其中颜色c_1,1、c_2,1和c_2,2被使用了两次，c_3,1被使用了一次，则共需要2块基带处理单元来满足这6个小区边缘区域频谱资源的需求。将所有不同颜色所表示的频谱资源段长度累加，可得每个基带处理单元需要提供6a兆赫兹的频谱资源给系统中的小区边缘用户。 

这里设系统总的频谱资源量为10a兆赫兹，即每个基带处理单元可提供的频谱资源数量为B=10a兆赫兹。则分配给小区边缘的频谱资源量最多为5a兆赫兹，这里需要对每种颜色所对应的频谱资源量进行调整。因子

最后，检查图中是否还有节点的可用颜色集合非空，得第一节点201的可用颜色集合为

则可将第一节点201另外染为颜色c_3,1。染色算法结束，通过中央管理调度模块得到最终的系统对每个小区边缘区域的动态频率复用结果：满足当前系统中所有边缘小区的频谱资源需求总共需要两块基带处理单元。 

图3为本实施例中染色算法执行完成后小区边缘频率复用结果示意。如图3所示，第一基带处理单元116和第二基带处理单元117表示当前需要被所有小区边缘区域所使用的两块基带处理单元，图中每段频谱资源中所标识的数字代码表示该段频谱资源所分配给的小区对应在图1中的编号，其中数字代码1对应第一小区101，数字代码2对应第二小区102，以此类推；图中不同的黑白阴影图样即表示不同的颜色所对应的频谱资源段，分配给每个小区边缘区域的共有四段相互正交的频谱资源段，用四种不同的黑白阴影图案来表示；两个基带处理单元上黑白阴影图案对应相同的两段频谱资源表示同一段被复用的频谱资源。如图3所示，本实施例中染色算法执行完成后小区边缘频率复用结果为：第一小区101的边缘区域被分配到第一基带处理单元116上由颜色c_1,1和c_3,1所对应的两段频谱资源段，第二小区102的边缘区域被分配到第一基带处理单元上由颜色c_2,1所对应的频谱资源段，第三小区103的边缘区域被分配到第二基带处理单元117上颜色c_1,1对应的频谱资源段，第四小区104的边缘区域被分配到第二基带处理单元117上颜色c_2,1和c_2,2所对应的两段频谱资源段，第五小区105的边缘区域被分配到第二基带处理单元117上颜色c_3,1所对应的频谱资源段，第六小区106的边缘区域被分配到第一基带处理单元117上颜色c_2,2所对应的频谱资源段。 

第四步：在基于图染色的小区边缘区域的频谱资源分配完成后，接下来对每个小区的中心区域进行频谱资源的分配。首先将每个基带处理单元的可用频谱资源量初始化为总频谱资源量与小区边缘区域需要占用的频谱资源量的差值5a兆赫兹。然后按照每个小区中心区域的频谱资源需求量对每个小区进行排序，可得到排序序列为：第一小区101，第三小区103，第二小区102，第四小区104，第五小区105，第六小区106。根据本发明所述的方法依次处理队列中的小区，即可将所有小区与对应的基带处理单元建立连接关系。 

结合小区边缘的动态频率复用结果，可得在当前小区各区域业务量的情况下，将同一个小区边缘区域和中心区域所分配到的频谱资源调整到同一个基带处理单元上后，总共需要三块基带处理单元来满足所有小区的频谱资源需求。同时中央管理调度模块将当前基站资源池中处在工作状态的基带处理单元数量调整为三个，即将第一基带处理单元116、第二基带处理单元117和第三基带处理单元118开启，将第四基带处理单元119设置为休眠状态。图4为本实施例中动态频率复用最终结果示意，如图4所示，第一基带处理单元116、第二基带处理单元117和第三基带处理单元118表示当前为满足小区中所有业务需求所需的三个基带处理单元，三个基带处理单元上不同的黑白阴影图案部分对应着被分配到每个小区不同区域的频谱资源段，图中每段频谱资源中所标识的数字代码表示该段频谱资源所分配给的小区对应在图1中的编号，其中数字代码1对应第一小区101，数字代码2对应第二小区102，以此类推。如图4所示的动态频率复用最终结果为：第一小区101的边缘区域被分配到第一基带处理单元116上由颜色c_1,1和c_3,1所对应的两段频谱资源段，第二小区102的边缘区域被分配到第一基带处理单元上由颜色c_2,1所对应的频谱资源段，第三小区103的边缘区域被分配到第二基带处理单元117上颜色c_1,1对应的频谱资源段，第四小区104的边缘区域被分配到第二基带处理单元117上颜色c_2,1和c_2,2所对应的两段频谱资源段，第五小区105的边缘区域被分配到第三基带处理单元118上颜色c_3,1所对应的频谱资源段，第六小区106的边缘区域被分配到第三基带处理单元118上颜色c_2,2所对应的频谱资源段；同一个小区的中心区域中的用户被分配到的频谱资源段与边缘区域所分配到的频谱资源段均在同一个基带处理单元上。 

第五步：中央管理调度模块根据第四步中得到的动态频率复用结果生成交换策略，之后控制高速交换结构建立新的每个小区中远端射频头到基站资源池中处于工作状态的基带处理单元间的电路连接。按照图4所示的动态频率复用结果可得最终连接的建立方式为：第一远端射频头110和第二远端射频头111连接到第一基带处理单元116上，第三远端射频头112和第四远端射频头113连接到第二基带处理单元117上，第五远端射频头114和第六远端射频头115连接到第三基带处理单元118上。 

从上述实施例可见，本发明的这种云无线接入网架构下的动态频率复用方法，由于结合了云无线接入网架构，系统可根据当前覆盖小区中的业务量调整处在工作状态的基带处理单元的数量，相对于现有的蜂窝系统可有效降低运营维护成本；同时通过所提出的动态频率复用方法保证相邻两个小区的边缘区域使用不同的频率资源，有效避免了小区间同频干扰问题的发生，并能有效地提高频谱资源的利用率，增加每个小区的吞吐量。 

Claims (6)

1.一种云无线接入网架构下的动态频率复用方法，其适用的系统为全频带的正交频分复用系统，该系统包括远端射频头、基站资源池和高速交换结构；其中远端射频头通过光纤连接到高速交换结构，高速交换结构再通过光纤连接到基站资源池；其中基站资源池包括基带处理单元和一个中央管理调度模块；每个基带处理单元所提供的频谱资源量均为整个系统所能提供的总的频谱资源量B，单位为兆赫兹；系统覆盖的每个小区按照现有的部分频率复用策略，划分为中心区域和边缘区域；对应地，每个基带处理单元上所提供的基带频谱资源也划分为两部分，分别被处于每个小区中心区域和边缘区域的用户使用；其特征在于：将云无线接入网架构与频率复用技术相结合，对系统覆盖下每个小区中心区域和边缘区域中用户的频率资源分配分别进行：首先对位于每个小区边缘区域中的用户进行频率资源的分配，再对每个小区中心区域中的用户进行频率资源的分配；中央管理调度模块根据每个小区边缘区域的业务负载对小区边缘用户进行频率资源分配时，采用基于图染色法的方法，根据染色结果来进行频谱资源的分配；

具体包括以下五个步骤，

第一步：基站资源池中的中央管理调度模块收集各小区不同区域在当前时刻的频谱资源需求情况；

第二步：中央管理调度模块根据已知的系统覆盖下小区间的位置关系生成小区位置的拓扑结构图；

第三步：中央管理调度模块根据小区位置拓扑结构图和各个小区边缘区域的频谱资源需求情况，执行基于图染色法的小区边缘频谱资源分配方法，对每个小区的边缘区域进行频谱资源的分配；

第四步：中央管理调度模块根据每个小区中心区域的频谱资源需求情况对小区中心区域进行频谱资源分配，并结合由基于图染色法的小区边缘频谱资源分配方法所生成的小区边缘动态频率复用结果；

第五步：中央管理调度模块依据动态频率复用结果生成交换策略，并依据此交换策略控制云无线接入网架构中的高速交换结构，建立新的基带处理单元到远端射频头的电路连接。

2.如权利要求1所述云无线接入网架构下的动态频率复用方法，特征在于所述第一步中，在正交频分复用系统下，每个用户会被分配到一段固定长度的资源块，即一段固定长度的频谱资源，单位为兆赫兹；各小区不同区域在当前时刻的频谱资源需求情况以一定数量的资源块表示，单位为兆赫兹。

3.如权利要求1所述云无线接入网架构下的动态频率复用方法，特征在于所述第二步中，小区位置拓扑结构图由节点和连接两个节点的边所构成，每个节点表示一个小区的边缘区域，每条边用于表示其所连接的两个节点所代表的小区边缘区域之间的相邻关系，通过边相连的两个节点为相邻节点。

4.如权利要求1所述云无线接入网架构下的动态频率复用方法，特征在于所述第三步，基于图染色的小区边缘频率资源分配方法中，每种颜色即代表特定长度的一段频谱资源；图中任意一个节点i都有一个对应的负载值e_i，这个值表示节点所对应的小区边缘的频谱资源需求量的大小，单位为兆赫兹；同时任意一种颜色c_m,n也有一个对应的负载值l_m,n，表示该种颜色对应的频谱资源量，单位同样为兆赫兹；并且图中的每个节点可根据需要被染上多种不同的颜色；该基于图染色的小区边缘频率资源分配方法具体包括以下五个步骤：

先选取负载值最高的节点k作为起始节点开始对整个图中的所有节点进行染色：若不止一个节点的负载值同为最高，则优先选取度数最大的节点；若还不止一个，则在度数最大的节点中任意选取一个；节点的度数指的是与节点相连接的边的个数；记所使用的颜色为c_1,1，其负载值等于目标结点的负载值，即l_1,1=e₁；

接着将此刻与已染色节点相邻的所有节点构成一个目标结点集合从该集合中选取节点作为目标结点进行下一步染色；图中任意一个节点i均有一个可用颜色集合

该集合其中所包括的颜色为已在图中被其他节点使用并可以被该节点i所使用的颜色；选取可用颜色集合中颜色种类最少的节点t作为目标结点进行染色；若有多个节点的可用颜色集合中颜色种类同为最少，则优先选取负载值最大的节点作为目标结点；若仍有多个节点满足条件，则任选一个节点作为目标结点；

再选择给目标节点进行染色所需要的目标颜色；目标颜色从目标节点的可用颜色集合中进行选取；若可用集合为空，则需要引入新的颜色c_n,1；新颜色c_n,1的负载值l_n,1即等于目标结点的负载值e_t；染色后，将该目标结点节点t从目标结点集合

中去除；若目标节点的可用颜色集合非空，则优先从其可用颜色集合中选取已染节点数最少的颜色作为目标颜色；若有多种颜色的已染节点数相同且均为最少，则优先选择负载值与节点负载值最接近的颜色c_m,n作为目标颜色；针对目标颜色负载值l_m,n与目标结点负载值e_t之间的不同关系，分为以下三种情况进行处理：

第一种情况：目标结点的负载值e_t大于目标颜色的负载值l_m,n，对目标结点采用部分染色的方式，将节点部分染色为目标颜色c_m,n；染色后节点仍留在目标结点集合

中，但目标结点节点的负载值更新为染色前自身负载值与目标颜色负载值的差值e_t-l_m,n，等待进行下一次染色；

第二种情况：目标结点的负载值e_t等于目标颜色的负载值l_m,n，将目标结点完全染色为目标颜色c_m,n，然后将目标结点从目标结点集合

中去除；

第三种情况：目标结点的负载值e_t小于目标颜色的负载值l_m,n，需要从目标颜色c_m,n中分裂出一种新的颜色c_m,n+1；新颜色c_m,n+1的负载值为目标颜色负载值与目标结点负载值的差值l_m,n-e_t，同时目标颜色c_m,n的负载值更新为目标节点的负载值e_t；然后将目标节点t染色为目标颜色c_m,n后，从目标节点集合

中去除；同时，检查图中被染为或部分染为目标颜色c_m,n的节点，这些节点的已用颜色集合中将增加生成的新颜色c_m,n+1；

然后重复上述步骤，直到所有的节点均被染色过；这时在图中被使用的颜色构成颜色集合

这些颜色的负载值构成颜色负载值集合

任意两种不同的颜色所表示的两段频谱互不重合，因而所有小区边缘区域所需占用的频谱总量为将所有不同颜色的负载值累加所得的结果

根据每个小区边缘区域和中心区域之间的业务量关系，限制边缘用户所使用的频谱资源量不超过总带宽的一半；将所有不同颜色的负载值累加所得的结果

与系统总的频谱资源量的1/2进行比较，若小区边缘区域所需频谱资源量超过系统提供频谱资源总量的1/2，即

则定义因子将所有颜色的负载值乘以该因子，更新为l_i,j=δ·l_i,j，即减少每种颜色所对应的频谱资源量；若所有不同颜色的负载值之和小于每个基带处理单元所提供频谱资源总量的1/2，即

则这一步可以略去；

最后检查系统中是否仍有节点可继续被染色；中央管理调度模块统计出任一种颜色c_m,n在系统中被使用的次数b_m,n，任一种颜色被使用的次数即表示该颜色所对应的频谱段所需要被复用的次数；同一段频谱被多复用一次即增加一个基带处理单元；则每种颜色被使用的次数中，最大值b_i,j=max{b_1,1,...,b_m,n}即表示系统为满足所有小区边缘用户的业务需求所需要的总的基带处理单元数量n_e；对图中所有的节点进行遍历，对于任一目标节点t，检查其可用颜色集合

若集合非空且其中存在的颜色c_m,n的使用次数b_m,n小于所有边缘区域总的基带处理单元需求量n_e，则该颜色可以被使用；若集合中存在多个可用颜色，则优先选择负载值与目标节点t的负载值最接近的颜色作为目标颜色；染色后，更新与目标结点相邻的所有节点的可用颜色集合，再对下一个节点进行检查，直到所有节点均被遍历过；

染色完成后，中央管理调度模块根据染色结果生成对应的针对小区边缘区域的动态频率复用方式；同时得到基站资源池为满足所有小区边缘区域频谱资源需求所需提供的基带处理单元的数量n_e。

5.如权利要求1所述云无线接入网架构下的动态频率复用方法，特征在于所述第四步对每个小区中心区域进行频率资源分配的方法中，每个基带处理单元上可被小区中心区域所使用的频谱资源量根据小区边缘区域所需的频谱资源量大小而决定；每个基带处理单元上剩余的

频谱资源均可以被小区中心区域所利用；对小区中心区域进行频率资源分配的方法采用以下步骤：

先对所有小区按中心区域的频谱资源需求量从高到低进行排序，并将每个基带处理单元的负载初始化，即此时每个基带处理单元上可供小区中心区域使用的频谱资源量为除去边缘区域需要占用的频谱资源外的最大值

接着按中心区域的频谱资源需求量从高到低依次对每个小区进行处理：将队列中的第一个小区作为目标小区，对于目标小区中所有基带处理单元板进行遍历，找到在不超过负载上限的前提下能容纳该小区中心业务负载的所有基带处理单元；若此时所有基带处理单元的可用频谱资源均不能满足目标小区中心区域的需求，则将可用资源最多的一个基带处理单元作为目标基带处理单元与目标小区之间建立连接关系，该目标基带处理单元的可用频谱资源量也更新为0，并跳过第三步直接进行第四步；

然后在找到可满足目标小区中心区域频谱资源需求的这些基带处理单元中，找出在加上该小区负载后剩余可用频谱资源最少的那个基带处理单元，即为目标基带处理单元；建立目标小区中心区域到目标基带处理单元的连接关系，并将目标基带处理单元的可供小区中心区域使用的频谱资源量更新为原基带处理单元上可用频谱资源量与目标小区中心区域的频谱资源需求量的差值；

最后处理排序队列中的下一个小区，直到所有小区的中心区域都与对应的基带处理单元建立连接关系；

中央管理调度模块对每个小区中心区域的动态频率复用完毕后，得到为满足所有小区中心区域频谱资源需求所需要的基带处理单元的数量n_c；与小区边缘所需的基带处理单元数量n_e相比较，则可知系统在当前业务情况下所需的总的基带处理单元数量n，这里所需总的基带处理单元的数量即小区边缘所需数量与小区中心所需数量两个值中的较大值。

6.如权利要求1所述云无线接入网架构下的动态频率复用方法，特征在于所述第五步中，中央管理调度模块综合基于图染色方法所得到的对小区边缘的动态频率复用结果和对小区中心区域的动态频率复用结果，生成每个小区的远端射频头和资源池中基带处理单元的对应连接关系；根据小区中心区域动态频率复用结果中每个小区中心与基带处理单元之间建立的连接关系，确定最终的动态频率复用结果；受基带资源池自身处理能力的限制，每个远端射频头只能同时接受一个基带处理单元提供的频谱资源；将分配给每个小区中心区域的频谱资源段和分配给同一个小区边缘区域的频谱资源段调整到同一个基带处理单元上；同时中央管理调度模块将对基站资源池中处在工作状态的基带处理单元数量进行调整，将基站资源池中所有已与远端射频头建立连接关系的基带处理单元调整为开启状态，并将那些没有与远端射频头建立连接关系的基带处理单元关闭。

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