CN104159313A - 认知异构网络中基于可靠通信的家庭基站用户分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知异构网络中基于可靠通信的家庭基站用户分簇方法，包括步骤：在每一个时隙的初始时刻，未分簇的家庭基站通过感知可用频谱，获得其位置信息，然后在集中控制器的管理下，得到具有通信用户的所有家庭基站间路径损耗信息，并以此作为家庭基站用户间的干扰。最后，未分簇的家庭基站用户随机选择一个已经存在的家庭基站用户簇，计算每一个家庭基站所受到的干扰，如果该簇中所有的家庭基站满足干扰限制条件，则该家庭基站用户加入该簇。否则，选择其他的簇，判断是否满足加入其他簇的条件。本分簇方法提高了家庭基站通信的稳定性及抗干扰能力。

Description

认知异构网络中基于可靠通信的家庭基站用户分簇方法

技术领域

本发明针对认知异构网络中家庭基站用户间干扰管理的研究，属于认知无线网络通信技术领域，特别是涉及到在宏基站的覆盖范围内存在大量的家庭基站用户，这些家庭基站用户使用有限频谱资源时有效的抑制相互之间的干扰和保证家庭基站用户可靠通信方法的研究。

背景技术

近年来，伴随着移动互联网的发展和智能终端的大量涌现，无线数据业务爆发式增长。同时，由于移动终端的功能日益强大，必然对实时和非实时数据业务的速率有更高的要求。已经被证实，超过总电话呼叫量的50％和数据服务的70％发生在室内。然而，在室内环境中，由于过度的路径损耗、阴影和多径衰落的影响，手机语音和数据服务的服务质量可能会严重的下降。这些问题已经被认为是对无线服务运营商的容量规划和基础设施部署的主要挑战。

为了满足当今无线通信迅速增长的数据速率和更高覆盖质量的要求，第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project,3GPP)在LTE-Advanced的标准化中提出了异构网络(Heterogeneous Network,Hetnet)技术，即在传统的宏蜂窝网络上叠加一些低功率节点，如，家庭基站(femtocell base station,FBS)。由于家庭基站具有低传输功率，灵活性强，体积小的特点，不仅改善了宏蜂窝边缘区域的通信质量，增加了宏蜂窝边缘的覆盖范围，而且没有带来太多的基础设施开销，而被广泛应用。

然而，在宏蜂窝覆盖面积不变的情况下，家庭基站数量随着移动用户的不断增长而增加，这必然会导致家庭基站用户(femtocell users,FUE)间的干扰急剧增加。由此可见，家庭基站层的干扰管理和频谱资源的有效利用已经成为改善用户的通信质量和提高网络性能亟待解决的问题。尤其是在家庭基站部署非常稠密的情况下，家庭基站用户之间的干扰是影响家庭基站用户通信质量的关键因素。

鉴于以上存在的干扰问题，学术界和业界对此都非常关注。近些年来，致力于异构蜂窝网络干扰管理研究的方法越来越多，主要的研究成果有：(1)正交频分复用接入方式(参见文献:Xing Zhang,Zhuowen Su,Zhi Yan,Wenbo Wang.Energy-Efficiency Study for Two-tier Heterogeneous Networks(HetNet)UnderCoverage Performance Constraints.Mobile Networks and Applications,August 2013,Vol.18,pp.567-577)：这种方法通过将整个频带划分为多个正交子信道，并将这些子信道分别分配给不同的家庭基站用户，有效地减少家庭基站用户之间的干扰。(2)共信道接入方式(参见文献:Gang Ning,Qinghai Yang,Kyung Sup Kwak,Hanzo,L.Macro-and Femtocell Interference Mitigation in OFDMA WirelessSystems.Global Communications Conference(GLOBECOM),IEEE,Dec 3-7,2012,pp.5068-5073):这种方法通过将多个具有较小干扰的家庭基站用户接入相同的子信道，在一定程度上减少了家庭基站间的干扰，提高了频谱利用率。

通过大量的调研发现和基于以上的讨论，现有的干扰研究方法并没有在频谱资源稀缺的情况下，提高频谱利用率的同时，减少共信道干扰，并且保证家庭基站用户能够可靠的通信。因此，设计一种能够有效地抑制多个家庭基站用户使用相同频谱资源产生的干扰，并且保证各家庭基站用户可靠通信的方案具有十分重要的意义。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种保证他们能够进行可靠的通信，从而改善了家庭基站用户的性能的认知异构网络中基于可靠通信的家庭基站用户分簇方法。本发明的技术方案如下：一种认知异构网络中基于可靠通信的家庭基站用户分簇方法，其包括以下步骤：

101、认知异构网络中，在每一时隙的初始时刻，所有未分簇的家庭基站通过感知周围环境中的频谱，获取周围环境中的可用频谱资源和自身的位置信息；

102、家庭基站通过公共控制信道将自身的位置信息发送给集中控制器，集中控制器通过集中控制所有进行通信的家庭基站的位置信息，获得相邻家庭基站间距离d_i,j,i,j∈{1,...,N},i≠j，其中i,j分别表示第i个基站及第j个基站的序号，然后根据路径损耗公式计算得到家庭基站i和家庭基站j之间的路径损耗I_i,j，其中i,j∈{1,...,N},i≠j，并以此路径损耗I_i,j作为家庭基站i和家庭基站j之间的干扰；

103、将认知异构网络中同一簇中的家庭基站抽象成拓扑图G＝{V；E；W}，图中V＝{v₁,v₂,...,v_l}表示所有顶点的集合，每一个顶点v表示一个家庭基站，l是集合中顶点的数量；每一个边e表示相邻家庭基站间存在路径损耗，E＝{e₁,e₂,...,e_h}表示所有存在路径损耗的边的集合，W＝{w₁,w₂,...,w_l}表示每一个节点相应边的权值和的集合；

104、当新的家庭基站用户B1申请加入某一簇A时，判断该簇A中每一个家庭基站所受到的干扰是否都小于等于干扰阈值R(在覆盖半径为500m的宏小区内，R＝10^-7)，若满足则该家庭基站用户可以加入该簇A，否则，让该家庭基站用户B1选择加入其他的簇并重复判断是否满足加入其他簇的条件，直到所有的家庭基站用户加入相应的簇内，并让同一簇内的所有用户使用同一子信道，不同的簇间使用正交子信道进行通信。

进一步的，步骤102中的路径损耗公式为I_i,j＝15.3+37.6log10(d_i,j)+qL_wp，其中i,j∈{1,...,N},i≠j。q是信号穿过墙的数量，L_wp是墙的穿透损耗。

本发明的优点及有益效果如下：

本本发明的分簇算法是一种干扰管理方法，综合考虑家庭基站用户所受到的干扰和频谱资源利用率之间的均衡，通过设置家庭基站用户的干扰阈值，将家庭基站用户分到相应的簇内。通过上述家庭基站用户间干扰管理方法，可以充分使用网络中有限频谱资源，在提高网络频谱效率的同时，达到了抑制家庭基站用户间的相互干扰，保证家庭基站用户可靠通信的目的。

本发明最关键的创新是通过设置家庭基站用户的干扰阈值，在每一个时隙的初始时刻，既考虑到已经存在的通信用户又考虑到即将进行通信的家庭基站用户，并保证所有家庭基站用户可靠通信的前提下进行分簇，每一个簇中的家庭基站用户使用同一子信道，在簇间使用正交子信道来减少簇间的干扰。由于家庭基站具有较小的覆盖范围，为了简化，该方案中用家庭基站间的距离近似表示家庭基站用户间的距离，从而估算家庭基站用户间的干扰。家庭基站通过感知可用频谱，获得其位置信息，然后在集中控制器的管理下，得到具有通信用户的家庭基站间路径损耗信息，并以此作为家庭基站用户间的干扰。最后，未分簇的家庭基站用户随机选择一个已经存在的家庭基站用户簇，计算每一个家庭基站所受到的干扰，如果该簇中所有的家庭基站满足干扰限制条件，则该家庭基站用户加入该簇。否则，选择其他的簇，判断是否满足加入其他簇的条件。这种方法能够在有效地资源利用和干扰抑制之间寻找一种均衡。

附图说明

图1所示为本发明优选实施例异构蜂窝网络的系统模型图；

图2为本发明中获取相邻家庭基站间距离信息过程示意图；

图3为本发明中某一个簇的干扰拓扑图；

图4为本发明中构造的分簇算法。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

1网络模型与假设

假设在认知异构网络中，N个家庭基站存在于宏基站的覆盖区域。家庭基站间存在重叠的覆盖区域，一个家庭基站用户FUE1位于FBS1覆盖范围的边缘区域，同时在FBS2的覆盖范围内。当家庭基站FBS2正与处于其边缘的家庭基站用户FUE2进行通信时，家庭基站FBS1的下行传输会对家庭基站用户FUE2造成严重的干扰。

由于家庭基站层与宏基站层使用相同的频谱资源，当大部分资源已经被宏基站用户占用时，为了减少跨层干扰，家庭基站用户只能使用剩余的有限频谱资源。网络中存在集中控制器，在家庭基站通过频谱感知获取其位置信息之后，能够通过集中控制方式获得家庭基站间的距离，以此来估算家庭基站用户间的干扰并决定N个家庭基站在资源匮乏的情况下，如何有效地减少家庭基站用户间的相互干扰。在每一时隙的初始时刻，每一个家庭基站最多存在一个即将进行通信的用户。在前一时隙，进行通信的家庭基站用户已经被分到相应的簇内。对于下一时隙继续进行通信的家庭基站用户，集中控制器依然保留其位置信息。具体的系统模型如图1所示。

2获取相邻家庭基站间的距离

在认知无异构网络中，家庭基站可以通过感知频谱是否被宏基站用户占用，获得空间位置信息，并通过公共控制信道将这些信息发送给集中控制器。集中控制器管理所有家庭基站的位置信息，从而获得相邻家庭基站间的距离d_i,j,i,j∈{1,...,N},i≠j。家庭基站间距离信息的获得过程如图2所示。

3计算相邻家庭基站间的路径损耗

从步骤2，可以得到相邻家庭基站之间的距离为d_i,j,i,j∈{1,...,N},i≠j。根据路径损耗公式I_i,j＝15.3+37.6log10(d_i,j)+qL_wp，可以计算得到家庭基站i和家庭基站j之间的路径损耗，其中i,j∈{1,...,N},i≠j。q是信号穿过墙的数量，L_wp是墙的穿透损耗，并以此作为家庭基站i和家庭基站j之间干扰。

4形成拓扑图

同一簇内的家庭基站形成拓扑图G＝{V；E；W}，图中的每一个顶点v表示一个家庭基站，V＝{v₁,v₂,...,v_l}表示所有顶点的集合，l是集合中顶点的数量；每一个边e表示相邻家庭基站间存在路径损耗，E＝{e₁,e₂,...,e_h}表示所有边的集合，h是集合中边的数量；W＝{w₁,w₂,...,w_l}表示每一个节点相应边的权值和的集合。如图3所示，以某一簇中存在5个家庭基站用户为例，V＝{v₁,v₂,...,v₅}分别表示5个家庭基站，E＝{e₁,e₂,...,e₁₀}分别表示相邻家庭基站间存在路径损耗，并且每一条边有对应的路径损耗I_1,2，I_1,3，I_1,4，I_1,5，I_5,2，I_5,3，I_5,4，I_4,2，I_4,3，I_2,3，W＝{w₁,w₂,...,w₅}分别表示与每个家庭基站相关联边的路径损耗值之和，其中w₁＝I_1,2+I_1,3+I_1,4+I_1,5，w₂＝I_2,1+I_2,3+I_2,4+I_2,5，w₃＝I_3,1+I_3,2+I_3,4+I_3,5，w₄＝I_4,1+I_4,2+I_4,3+I_4,5，w₅＝I_5,1+I_5,2+I_5,3+I_5,4。

5分簇方法

计算每一个节点与其相邻节点之间的路径损耗之和i,j∈{1,...,N},i≠j。某一节点i被分在一个簇中，必须满足该节点与原簇中所有节点的w值都小于等于干扰阈值R。否则，该节点选择加入其他的簇并判断是否满足加入其他簇的条件，直到所有的家庭基站用户被分到相应的簇内，分簇算法如图4所示。

本发明专利适用于通过集中控制方式动态管理宏基站覆盖范围内大量家庭基站用户的信息，根据不同时隙的初始时刻，即将进行通信的家庭基站用户间的干扰情况，得到不同的分簇结果。由于家庭基站与认知技术相结合而具有认知特性，所以家庭基站通过频谱感知技术获得家庭基站用户可用频谱资源的同时，能够获得其位置信息，并通过公共控制信道将这些位置信息发送给集中管理器，然后用集中管理的方式估算所有家庭基站用户与其相邻家庭基站用户之间的干扰信息。从而，可以获得每一个家庭基站用户所受到的干扰和。最后，通过设置家庭基站用户的干扰阈值，保证每一个家庭基站用户可靠通信，并且获得较好的网络性能。

认知异构网络中一种基于可靠通信的家庭基站用户分簇算法，其特征在于，本发明中涉及具有大量的家庭基站存在于宏基站的覆盖范围内，所有的家庭基站通过集中控制方式获取相邻家庭基站间的距离信息。由于家庭基站与认知技术相结合而具有认知特性，所以家庭基站可以通过频谱感知获取其位置信息，并通过公共控制信道将这些位置信息发送给集中控制器。然后，通过集中控制方式得到相邻家庭基站间的距离信息，并计算他们之间的路径损耗，以此估算相邻家庭基站用户间的干扰。从而，可以获得每一个家庭基站用户所受到的干扰和。最后，通过设置家庭基站用户的干扰阈值，保证每一个家庭基站用户的可靠通信，提高网络的资源利用率，并且获得较好的网络性能。该算法具有以下的实施步骤：

步骤1)：在每一时隙的初始时刻，未分簇的家庭基站通过感知周围环境中的频谱，获取可用频谱资源和自身的位置信息。

步骤2)：家庭基站通过公共控制信道将自身的位置信息发送给集中控制器，集中控制器通过集中控制所有进行通信的家庭基站的位置信息，获得相邻家庭基站间距离，估算相邻家庭基站用户之间的路径损耗并以此作为家庭基站用户间干扰。

步骤3)：同一簇中的家庭基站形成拓扑图，图中的每一个顶点表示一个家庭基站，每一条边表示相邻家庭基站间存在路径损耗，权值表示与每一个顶点相关联边的路径损耗之和。

步骤4)：每一个家庭基站用户随机选择一个簇，该簇中每一个家庭基站与其相邻家庭基站间的路径损耗之和作为该家庭基站所受到的干扰。如果新的家庭基站用户加入某一簇后，该簇中每一个家庭基站所受到的干扰都小于等于干扰阈值，则该家庭基站用户可以加入该簇。否则，选择加入其他的簇并判断是否满足加入其他簇的条件，直到所有的家庭基站用户加入相应的簇内。簇内所有用户使用同一子信道，不同的簇间使用正交子信道来减少簇间干扰。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明方法权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种认知异构网络中基于可靠通信的家庭基站用户分簇方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、认知异构网络中，在每一时隙的初始时刻，未分簇的家庭基站通过感知周围环境中的频谱，获取周围环境中的可用频谱资源和自身的位置信息；

102、家庭基站通过公共控制信道将自身的位置信息发送给集中控制器，集中控制器通过集中控制所有进行通信的家庭基站的位置信息，获得相邻家庭基站间距离d_i,j,i,j∈{1,...,N},i≠j，其中i,j分别表示第i个基站及第j个基站的序号，然后根据路径损耗公式计算得到家庭基站i和家庭基站j之间的路径损耗I_i,j，其中i,j∈{1,...,N},i≠j，并以此路径损耗I_i,j作为家庭基站i和家庭基站j之间的干扰；

103、将认知异构网络中同一簇中的家庭基站抽象成拓扑图G＝{V；E；W}，图中V＝{v₁,v₂,...,v_l}表示所有顶点的集合，每一个顶点v表示一个家庭基站，l是集合中顶点的数量；每一个边e表示相邻家庭基站间存在路径损耗，E＝{e₁,e₂,...,e_h}表示所有存在路径损耗的边的集合，W＝{w₁,w₂,...,w_l}表示每一个节点相应边的权值和的集合；

104、当新的家庭基站用户B1申请加入某一簇A时，判断该簇A中每一个家庭基站所受到的干扰是否都小于等于干扰阈值R，若满足则该家庭基站用户可以加入该簇A，否则，让该家庭基站用户B1选择加入其他的簇并重复判断是否满足加入其他簇的条件，直到所有的家庭基站用户加入相应的簇内，并让同一簇内的所有用户使用同一子信道，不同的簇间使用正交子信道进行通信。

2.根据权利要求1所述的认知异构网络中基于可靠通信的家庭基站用户分簇方法，其特征在于：步骤102中的路径损耗公式为I_i,j＝15.3+37.6log10(d_i,j)+qL_wp，其中i,j∈{1,...,N},i≠j。q是信号穿过墙的数量，L_wp是墙的穿透损耗。