CN103987119B - 一种基于双层干扰图着色分配信道资源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双层干扰图着色分配信道资源的方法，涉及移动通信技术。设蜂窝终端间使用正交信道资源，短距离终端复用蜂窝终端信道资源，包括：a、将所有链路抽象成图中顶点；b、根据顶点类型分层，根据通信质量要求建立带权有向双层干扰图；c、基于建立的有向带权双层干扰图，结合系统排队等待概率、终端服务等级将带权有向双层干扰图转换为带权无向双层干扰图；d、基于带权无向双层干扰图进行分层着色分配信道资源。本发明在信道资源充足时能充分利用信道资源，信道资源不足时，在满足通信质量前提下，能较好地优先满足服务等级较高的终端的资源请求，保证终端的通信质量。由于分层着色中第一层根据服务等级分配资源，从而使复杂度降低。

Description

一种基于双层干扰图着色分配信道资源的方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，是在提高频谱利用率和满足终端通信质量情况下的资源分配方法，尤其在信道资源不足时的信道资源分配方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，人们对通信的要求越来越高。分层异构网通过引入短距离通信和协作通信，减轻了基站的负载，还提高了用户的服务质量。由于短距离通信终端会和复用相同信道资源的蜂窝终端间产生相互的干扰，考虑到频谱利用率和数据碰撞的情况，所有终端不能同时既是发端又是收端，因此系统中的每个终端在每个资源分配时刻要么是接收端，要么是发送端。

然而分层异构网中存在大量链路，对信道资源的需求量大。在当前频谱资源稀缺的状态下，广播、电视和通信等领域对频谱需求的飞速增长使频谱资源越来越匮乏。频谱复用成为解决频谱资源利用率低的一种常用方法，但是同时也带来了严重的同频干扰。因此如何在保证终端通信要求和高频谱利用率的前提下，合理分配资源显得非常重要。

目前的资源分配方法有多种，包括基于用户QoS(Quality of Service，服务质量)分配频谱资源，基于能量效率分配频谱资源，基于干扰抑制分配频谱资源等等。图论在资源分配中的应用也非常广泛。其主要包括最优匹配、图着色等。在基于用户通信质量，即SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio,信干噪比)要求分配资源中，图着色是一种常用的方法。现有的图着色资源分配研究中，首先将系统中所有终端抽象成平面图中的顶点，所有顶点都在同一层，不能较好地表征不同顶点的着色优先级，其次根据终端间干扰情况及通信质量要求建立相应的干扰图，然后每次从未着色顶点中选择饱和度最大顶点开始着色，直到所有顶点都被着色为止。这种方法在建立干扰图的时候只考虑了顶点间的干扰，只有顶点间干扰会影响通信质量时才建立边。传统的图着色方法在所有顶点都被着色后，颜色有剩余时会造成浪费，从而造成频谱资源浪费；在可用颜色不足以满足所有顶点被着色时，不但不能保证服务等级高的顶点优先着色，而且为了满足所有顶点都被着色而不得不采用对自己干扰较小的颜色着色，这样的着色分配结果会导致用户间严重的干扰，使得通信质量下降。

通信质量是保证终端能较好通信的前提，保证用户的通信质量显得非常重要。同时，系统中不同的终端由于其服务等级的不同，获得资源的概率也不同， 尤其在资源不足的情况下，考虑其服务等级和引入排队理论来分配信道资源，将保证通信质量，同时可以保证服务等级高的终端分配到信道资源。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于双层干扰图着色分配信道资源的方法，引入排队理论和服务等级，提高频谱利用率，能满足终端通信质量，提高终端的平均获得速率。

本发明采用的技术方案是：一种基于双层干扰图着色分配信道资源的方法，应用于蜂窝链路和短距离链路的混合网中，其中蜂窝终端间使用正交信道资源，短距离终端复用蜂窝终端信道资源，包括以下处理步骤：

A.将请求信道资源终端的所有链路抽象成图中顶点；

B.根据请求信道资源终端的类型将顶点分层，并根据不同层次SINR阈值要求建立带权有向双层干扰图G'；

C.基于步骤B建立的带权有向双层干扰图G'，根据系统需排队等待的概率P₀、终端服务的等级将带权有向双层干扰图G'转换为带权无向双层干扰图G；

D.基于步骤C建立的带权无向双层干扰图G进行着色分配信道资源。

为了更好地实施本发明的技术方案，所述步骤B中，根据请求信道资源终端的类型分层，并根据不同层次SINR阈值要求，假设所有链路使用相同信道资源，建立带权有向双层干扰图G'，包括如下步骤：

B1.根据请求信道资源终端的类型，将抽象成的顶点分层，蜂窝链路抽象成的顶点放至图的第一层，组成第一层顶点集合V1，并从1到|V1|编号，短距离链路抽象成的顶点放至图的第二层，形成第二层顶点集合V2，并从1到|V2|编号，V1、V2一起形成图中顶点集合V，其中|.|表示集合中的顶点个数。

B2.预设第一层顶点SINR阈值为γ_th1，第二层顶点SINR阈值为γ_th2，中断概率为ε_th，γ_th1>γ_th2，分别计算每层每个顶点的SINR值SINR_i， 其中P_i表示i接收到的有用功率，I_rem表示对i产生干扰的顶点集合，P_k表示i从干扰顶点k接收到的干扰功率，η表示均值为0，方差为σ²的高斯白噪声。

B3.从第一层按顶点编号从小到大开始，将SINR_i(i＝1,2…|V1|)与γ_th1比 较，如果P(SINR_i<γ_th1)>ε_th，则找到i的干扰集合中对i干扰最大的顶点j，建立一条j到i的有向边，边的权值为ω_ji，同时将j从i的干扰集合中去除，并重新计算i的SINR值，直到满足P(SINR_i<γ_th1)≤ε_th为止，继续对下一个顶点进行相同处理，直到第一层所有顶点都满足条件，其中i的干扰集合指对i产生干扰的顶点集合，I_ji表示j对i的干扰大小，ω_ji的大小与I_ji的大小相等。

B4.按照B3的处理方式，从第二层按顶点编号从小到大，将SINR_i'(i'＝1,2…|V2|)与γ_th2比较，如果P(SINR_i<γ_th2)>ε_th，则找到i'的干扰集合中对i'干扰最大的顶点j'，建立一条j'到i'的有向边，边的权值为ω_j'i'，同时将j'从i'的干扰集合中去除，再重新计算i'的SINR，直到满足P(SINR_i'<γ_th2)≤ε_th为止，再继续对下一个顶点执行相同的操作，直到第二层所有顶点都满足条件，此时建立一个带权有向双层干扰图G'。

为了更好地实施本发明的技术方案，所述步骤C包括，根据爱尔兰C公式计算系统需要排队等待的概率P₀，根据各层各个请求信道资源终端的服务等级GoS_i得到每个顶点i获得资源的概率记为P_i，将带权有向双层干扰图G'中任意两顶点i、j间有向边转换为无向边，边的权值为W_ij\ji＝P₀.(ω_ij+ω_ji)/P_i.P_j，从而建立带权无向双层干扰图G，其中，GoS_i表示顶点i的服务等级数值，ω_ij表示顶点i到顶点j的有向边的权值大小，ω_ji表示顶点j到顶点i的有向边的权值大小。

为了更好地实施本发明的技术方案，所述对带权无向双层干扰图G进行着色分配信道资源包括如下步骤：

D1.对于第一层顶点，按照第一层顶点的服务等级从高到低着色，如果颜色不够，则剩余顶点等待下一个着色时刻；

D2.对于第二层顶点，计算每个顶点i的饱和度Di(i＝1,2…|V2|)，其中α、β表示加权因子，α+β＝1，0<β<α<1，W_ij表示顶点i与顶点j之间所有有向边的权值之和，W_ij'表示顶点i与顶点j'之间所有有向边的权值之和；

D3.将第二层顶点按照饱和度从小到大排序；

D4.将所有颜色从1到ColorNum开始编号,ColorNum表示颜色数目，即系统中信道的个数，ColorNum根据实际情况取值，例如ColorNum＝5；

D5.着色过程中不能使用相邻顶点使用过的颜色，以及相邻的第一层顶点使用过的颜色，初始化第二层所有顶点的可用颜色列表；

D6.从未经过着色处理的编号最小的顶点开始着色，检查是否有颜色符合需求，若有，当有多种颜色可选时，选择当前对自己干扰最小(由于一种颜色代表一个信道资源，使用相同信道资源而给自己带来的同频干扰)的颜色，如果可用颜色带来的干扰相同，则选择编号最小的颜色，如果当前顶点没有可用颜色，该顶点等待下一个着色时刻，同时继续执行对下一个顶点执行步骤D6；

D7.将着色顶点及相关联的边从图中去掉，重新更新剩余顶点饱和度，并按饱和度从小到大排序，执行步骤D6，直至第二层所有顶点都经过一次着色处理；

D8.检测是否还有颜色剩余，如果有，将剩余颜色依次按照第一层顶点服务等级从高到低分配给各个顶点，若还有剩余，再将剩余颜色按照第二层顶点服务顶级从高到低分配给各个顶点，直至颜色用完。

本发明引入排队理论和服务等级，着色时不再从最大饱和度开始，而是从最小饱和度开始着色，该方法尤其在信道资源不足以满足终端请求时，能提高频谱利用率，满足终端通信质量，提高终端的平均获得速率。由于将顶点分层着色，减小了着色信道资源分配的复杂度。本发明主要考虑蜂窝链路和短距离链路混合网络中单小区下行场景，蜂窝终端间使用正交信道资源，短距离终端复用蜂窝终端信道资源，一种颜色代表一个可用信道资源。

附图说明

图1为本发明应用场景图；

图2为本发明流程框图；

图3为带权无向双层干扰图建立流程图；

图4为建立的带权无向双层干扰图示例模型；

图5基于带权无向双层干扰图的着色流程图。

具体实施方式

本发明主要应用于短距离通信和蜂窝通信同时存在的异构网络中，对于类似的异构网络根据要求作适当参数调整同样适用。下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

图1为本发明的应用场景图，图中包括蜂窝终端和短距离终端，蜂窝终端间通过使用正交的信道资源来避免蜂窝终端间的干扰，短距离终端复用蜂窝终端的信道资源，因此，蜂窝终端的干扰主要来自于短距离终端，而短距离终端的干扰主要来自于基站和其他短距离终端。

图2为本发明的总体流程图，下面结合附图进行说明：

201：基站控制器根据终端发送的信道资源请求，将当前所有终端请求信道资源的链路抽象成图中顶点；

202：根据顶点类型分层，根据通信质量要求建立带权有向双层干扰图，再基于建立的有向带权双层干扰图，集合系统排队等待概率、终端服务等级将带权有向双层干扰图转换为带权无向双层干扰图，简称双层干扰图；

203：基于双层干扰图进行分层从饱和度最小的顶点开始着色分配信道资源。

参照图3为本发明的双层干扰图建立流程，下面结合附图进行详细说明：

301：根据终端类型，将链路抽象成的顶点分层，蜂窝链路抽象成的顶点放至图的第一层，组成第一层顶点集合V1，并从1到|V1|编号，短距离链路抽象成的顶点放至图的第二层，形成第二层顶点集合V2，并从1到|V2|编号，V1、V2一起形成图中顶点集合V，其中|.|表示集合中的顶点个数；

302：预设第一层顶点SINR阈值为γ_th1，第二层顶点SINR阈值为γ_th2，中断概率为ε_th，γ_th1>γ_th2，从第一层编号为1的顶点开始；(例如，γ_th1＝20，γ_th2＝10，ε_th＝0.1)

303：计算当前顶点i(i＝1,2…|V1|)的SINR值SINR_i；

304：将SINR_i(i＝1,2…|V1|)与γ_th1比较，如果P(SINR_i<γ_th1)>ε_th，执行步骤305，否则执行步骤306；

305：找到i的干扰集合中对i干扰最大的顶点j，建立一条j到i的有向边，边的权值为ω_ji，同时将j从i的干扰集合中去除，重新计算i的SINR值SINR_i，执行步骤303；

306：对下一个顶点i＝i+1；

307：如果i≤|V1|，执行步骤303，否则执行308；

308：从第二层编号为1的点的开始；

309：计算当前顶点i'(i＝1,2…|V2|)的SINR值SINR_i'；

310：将SINR_i'与γ_th2比较，如果P(SINR_i<γ_th2)>ε_th，执行步骤311，否则执行步骤312；

311：找到i'的干扰集合中对i'干扰最大的顶点j'，建立一条j'到i'的有向边，边的权值为ω_j'i'，同时将j'从i'的干扰集合中去除，再重新计算i'的SINR_i'，执行步骤308；

312：对下一个顶点i'＝i'+1；

313：如果i'≤|V2|，则执行步骤309，否则执行314；

314：带权有向双层干扰图G'建立完成，根据爱尔兰C公式计算系统需要排队等待的概率P₀，根据各层各个终端i的服务等级GoS_i得到每个顶点i获得资源的概率记为P_i，将带权有向双层干扰图G'中任意两顶点i、j间有向边转换为无向边，边的权值为W_ij\ji＝P₀.(ω_ij+ω_ji)/P_i.P_j，从而建立带权无向双层干扰图G，以下简称双层干扰图，其中，GoS_i表示顶点i的服务等级数值，ω_ij表示顶点i到顶点j的有向边的权值大小，ω_ji表示顶点j到顶点i的权值大小。

参照图4,为当有两个蜂窝终端和三个短距离终端请求信道资源时，建立的双层干扰图，顶点1、2是由蜂窝链路抽象成的顶点，位于图的第一层，顶点3、4、5是由短距离链路抽象成的顶点，位于图的第二层，顶点之间的边的建立主要根据图2所述流程建立，最终得到图4所示的双层干扰图。图中，第二层顶点之间的细线条表示短距链路间干扰，第一层与第二层的顶点之间的粗线条表示蜂窝链路与短距离链路间干扰。

参照图5，为基于双层干扰图着色分配资源流程图，着色过程中，可用颜色列表中不能有相邻顶点使用的颜色，下面结合附图进行详细说明：

501：对第一层顶点，按照顶点服务等级着色，若颜色不够，则剩余顶点等待下一个着色时刻；

502：对于第二层顶点，计算每个顶点i的饱和度D_i(i＝1,2…|V2|)，按照饱和度从小到大排序，并从1开始编号；

503：将所有颜色编号，初始化所有顶点可用颜色列表；

504：判断是否有未着色顶点，若有，执行步骤507；否则执行505；

505：检查是否有颜色剩余，若有，执行步骤506，否则结束。

506：将剩余的颜色按照终端服务优先等级从第一层到第二层逐个分配给各终端，直至颜色用完；

507：计算未着色顶点饱和度，并按从小到大排序并从1开始编号；

508：从未着色顶点中选择饱和度最小的顶点i开始着色。

509：首先检查i的颜色列表中是否有可用颜色，若有，执行步骤510，否则执行步骤512；

510：着色时选取当前可用颜色中对自己带来干扰最小的颜色，若干扰相等，着编号最小的颜色,然后执行步骤511；

511：更新未着色顶点的可用颜色列表：找到i的相邻顶点，从它们的可

用颜色列表中去掉i使用过的颜色；并将该顶点及相关边从图中去掉，执

行步骤507.

512：i将排队等候下一时刻着色，同时i＝i+1对下一个顶点着色，执行步骤509。

Claims (2)

1.一种基于双层干扰图着色分配信道资源的方法，其特征在于：包括以下处理步骤：

A.将请求信道资源终端的所有链路抽象成图中顶点；

B.根据请求信道资源终端的类型将顶点分层，并根据不同层次SINR阈值要求建立带权有向双层干扰图G'，包括如下步骤：

B1.根据请求信道资源终端的类型，将抽象成的顶点分层，蜂窝链路抽象成的顶点放至图的第一层，组成第一层顶点集合V1，并从1到|V1|编号，短距离链路抽象成的顶点放至图的第二层，形成第二层顶点集合V2，并从1到|V2|编号，V1、V2一起形成图中顶点集合V，其中|V1|表示第一层顶点集合V1的顶点个数，|V2|表示第二层顶点集合V2的顶点个数；

B2.预设第一层顶点SINR阈值为γ_th1，第二层顶点SINR阈值为γ_th2，中断概率为ε_th，γ_th1>γ_th2，分别计算每层每个顶点的SINR值SINR_i，其中P_i表示i接收到的有用功率，i表示顶点，I_rem表示对i产生干扰的顶点集合，P_k表示i从干扰顶点k接收到的干扰功率，η表示均值为0，方差为σ²的高斯白噪声；

B3.从第一层按顶点编号从小到大开始，将SINR_i(i＝1,2…|V1|)与γ_th1比较，如果P(SINR_i<γ_th1)>ε_th，则找到i的干扰集合中对i干扰最大的顶点j，建立一条j到i的有向边，边的权值记为ω_ji，同时将j从i的干扰集合中去除，并重新计算i的SINR值，直到满足P(SINR_i<γ_th1)≤ε_th为止，继续对下一个顶点进行相同处理，直到第一层所有顶点都满足条件，其中i的干扰集合指对i产生干扰的顶点集合；

B4.按照B3的处理方式，从第二层按顶点编号从小到大，将SINR_i'(i'＝1,2…|V2|)与γ_th2比较，如果P(SINR_i<γ_th2)>ε_th，则找到i'的干扰集合中对i'干扰最大的顶点j'，建立一条j'到i'的有向边，边的权值为ω_j'i'，同时将j'从i'的干扰集合中去除，再重新计算i'的SINR，直到满足P(SINR_i<γ_th2)≤ε_th为止，再继续对下一个顶点执行相同的操作，直到第二层所有顶点都满足条件，此时建立一个带权有向双层干扰图G'；

C.基于步骤B建立的带权有向双层干扰图G'，根据系统需排队等待的概率P₀、终端服务的等级将带权有向双层干扰图G'转换为带权无向双层干扰图G；根据爱尔兰C公式计算系统需要排队等待的概率P₀，根据各层各个请求信道资源终端的服务等级GoS_i得到每个顶点i获得资源的概率记为P_i，将带权有向双层干扰图G'中任意两顶点i、j间有向边转换为无向边，顶点i和j之间边的权值为W_ij\ji＝P₀.(ω_ij+ω_ji)/P_i.P_j，从而建立带权无向双层干扰图G，其中，GoS_i表示顶点i的服务等级数值，ω_ij表示顶点i到顶点j的有向边的权值，ω_ji表示顶点j到顶点i的有向边的权值；

D.基于步骤C建立的带权无向双层干扰图G进行着色分配信道资源，包括如下步骤：

D1.对于第一层顶点，按照第一层顶点的服务等级从高到低着色，如果颜色不够，则剩余顶点等待下一个着色时刻；

D2.对于第二层顶点，计算每个顶点i的饱和度D_i(i＝1,2…|V2|)，其中α、β表示加权因子，α+β＝1，0<β<α<1，W_ij表示顶点i与顶点j之间所有有向边的权值之和，W_ij'表示顶点i与顶点j'之间所有有向边的权值之和；

D3.将第二层顶点按照饱和度从小到大排序；

D4.将所有颜色从1到ColorNum开始编号,ColorNum表示颜色数目；

D5.着色过程中不能使用相邻顶点使用过的颜色，以及相邻的第一层顶点使用过的颜色，初始化第二层所有顶点的可用颜色列表；

D6.从未经过着色处理的编号最小的顶点开始着色，检查是否有颜色符合需求，若有，当有多种颜色可选时，在使用各自颜色的所有顶点中选择对自己干扰最小的颜色，如果可用颜色带来的干扰相同，则选择编号最小的颜色，如果当前顶点没有可用颜色，该顶点等待下一个着色时刻，同时继续执行对下一个顶点执行步骤D6；

D7.将着色顶点及相关联的边从图中去掉，重新更新剩余顶点饱和度，并按饱和度从小到大排序，执行步骤D6，直至第二层所有顶点都经过一次着色处理；

D8.检测是否还有颜色剩余，如果有，将剩余颜色依次按照第一层顶点服务等级从高到低分配给各个顶点，若还有剩余，再将剩余颜色按照第二层顶点服务顶级从高到低分配给各个顶点，直至颜色用完。

2.根据权利要求1所述一种基于双层干扰图着色分配信道资源的方法，其特征在于：所述方法应用于分层异构网中，其中蜂窝终端间使用正交信道资源，短距离终端复用蜂窝终端信道资源。