CN104320786B - 一种低复杂度的基于认知的家庭基站频谱资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低复杂度的基于认知的家庭基站频谱资源分配方法属于无线通信领域，该方法包括：网络的宏小区层采用部分频率复用的方法将宏小区分为中心区域和边缘区域，中心区域使用整个频谱，边缘区域分别使用频谱的三个正交子频段；对家庭基站采用轮询机制顺次对家庭小区中的家庭用户进行资源分配，家庭用户使用整个频段；家庭基站是孤立的基站在进行资源分配是只需要考虑宏小区中用户对家庭小区中的干扰；否则，资源块分配则除了考虑宏小区用户的干扰以外还要考虑与家庭基站Nj所在的家庭小区有重合区域的家庭小区中用户的干扰。本发明提出的方法复杂度低、易操作，并且有效地避免了干扰，提高了频谱利用效率。

Description

一种低复杂度的基于认知的家庭基站频谱资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信的频谱资源分配领域，特别涉及一种低复杂度的基于认知的频谱分配方法，用于异构网络的资源分配。
背景技术
在传统蜂窝网络中，点到点链路的频谱效率已经接近理论极限，但是人们对高质量服务和大数据流量的要求不断增大，所以需要进一步提高网络容量来满足人们的需求。但是在现在的网络已经部署的比较稠密的情况下，小区间的干扰严重限制了通过小区分裂技术获得的增益，并且由于高功率节点的成本很高，这就进一步使得小区分裂这种方法不可行。所以通过改变网络的拓扑结构以显著提高网络容量的技术应运而生，在现有的宏基站的覆盖范围(即宏小区)中部署低功率节点成为一种必然选择，这就形成了异构网络。异构网络就是在现存宏小区中部署低功率节点的网络。与传统的宏基站相比，由于新增加的这些节点具有体积比较小的特点，所以这样能够更加灵活的进行网络部署，又由于这些节点的覆盖范围比较小，所以这些节点能够更好的进行频谱共享。总之，配置低功率节点是解决盲点覆盖和热点覆盖，提高系统容量的有效方法。
家庭基站是一种覆盖范围小、低成本、低功率并且即插即用的无线接入点(即可看作低功率节点)，由于家庭基站和用户之间的距离比较近，所以家庭基站拥有更高的链路质量并且延长移动终端的寿命。家庭基站的覆盖范围为家庭小区。由于对无线数据服务和更高的数据速率的需求，就需要不断提高蜂窝网络的容量并且扩大网络的覆盖范围，对于服务提供商来说，家庭基站的配置无疑是一种有吸引力并且经济有效的方法。在实际生活中为了充分利用频谱资源，一般由家庭小区和宏小区共享整个可利用的频段，所以这就不可避免的产生了干扰。为了达到既缓解干扰又提高频谱利用率的目的，家庭小区引入了认知能力。家庭小区的认知能力是指，每个家庭小区都能够自主识别出周围的无线频谱资源，尤其是识别出被附近宏小区占用的频谱资源。在这种情况下可以根据家庭小区的这一认知特性设计可行的方法，达到频谱资源的有效利用。
发明内容
本发明的目的是为解决家庭小区和宏小区共享整个可利用的频段不可避免产生干扰问题，提出一种低复杂度的基于认知的频谱分配方法，从而减小用户之间的干扰，同时可以达到较高的频谱利用率。
本发明提出的一种低复杂度的基于认知的家庭基站频谱资源分配方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)网络的宏小区层采用部分频率复用的方法，以宏基站所在位置为中心，R米为半径做圆将宏小区分为中心区域和边缘区域，圆以外定义为边缘区域，圆以内定义为中心区域，中心区域使用整个频谱B，边缘区域分别使用频谱B的三个正交子频段fa、fb、fc，分配给用户的最小无线资源定义为资源块，并将可分配的资源块编号，建立资源块位置编号索引表,AD1、AD2…ADi…ADp；
(2)对每个宏用户进行资源块的分配，具体方法为：宏基站将各传输增益的频谱资源块分配给该传输增益对应的宏用户，直到完成所有宏用户对应的资源块分配；
(3)对家庭基站编号N1、N2…Nj…Nf，家庭基站采用轮询机制顺次对家庭小区中的家庭用户进行资源分配，家庭用户使用整个频段B；
(4)假设时刻T时由家庭基站Nj(0≤j≤f)对它覆盖范围内的家庭用户进行资源块分配，首先家庭基站先通过自身的认知功能判断家庭基站Nj周围是否存在相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖有重合区域，如果家庭基站Nj周围的相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖范围没有重合区域，则家庭基站Nj是孤立的基站，跳到步骤(5)，否者跳到步骤(6)；
(5)家庭基站Nj是孤立的基站，资源块分配具体包括：
(5-1)家庭基站对来自于附近宏用户反馈信号的干扰功率进行估计，如果接收到的干扰功率超过一个设定的阈值β，β取值范围为-70dBm～-90dBm，则将资源块位置编号索引表中ADi对应资源块位置标记为ADocp，其余的资源块位置标记为ADnocp；
(5-2)索引表中的编号位置标记为ADocp的用ADx代表，索引中的编号位置标记为ADnocp的用ADy代表，求出相邻ADx，ADy的最大值max|ADx-ADy|，将取最大值时的ADy对应的资源块分配给家庭小区的家庭用户使用，如果取得最大值时对应的ADy有多个值，则随机安排其中一个给家庭用户使用；
(5-3)将索引表中该位置标记由ADnocp更改为ADocp；
(5-4)重复步骤(5-2)—(5-3)，直到将该家庭小区中所有的用户都分配完；
(6)家庭基站Nj周围的相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖范围有重合区域，资源块分配具体包括：
(6-1)家庭基站对来自于附近宏用户反馈信号的干扰功率进行估计，如果接收到的干扰功率超过一个设定的阈值β，β取值范围为-70dBm～-90dBm，则将资源块位置编号索引中ADi对应资源块位置标记为ADocp，其余的资源块位置标记为ADnocp；
(6-2)再进一步检测标记为ADnocp的资源块，得到每个资源块中有用信号和干扰的比值，将该比值和预先设定的阈值α，α10dB～40dB进行比较；
(6-3)把比值小于阈值α的资源块对应的资源块位置编号索引表中的相应位置标记改为ADocp；
(6-4)资源块位置编号索引表中的位置标记为ADocp的用ADx代表，索引中的位置标记为ADnocp的用ADy代表，求出相邻ADx，ADy的最大值max|ADx-ADy|，将取最大值时的ADy对应的资源块分配给家庭小区的家庭用户使用，如果取得最大值时对应的ADy有多个值，则随机安排其中一个给家庭用户使用；
(6-5)将索引表中该位置标记由ADnocp更改为ADocp；
(6-6)然后重复步骤(6-4)—(6-5)，直到将该家庭小区中所有的家庭用户都分配完。
(7)等待一段时间到下一时刻T+t，0<t≤500ms，进行下一个家庭基站Nj+1的用户进行资源分配。跳转回步骤(4)，直到对所有家庭基站覆盖范围内的家庭用户进行资源块分配结束。
本发明方法的特点及有益效果：
本发明根据家庭小区的这一感知特性进行的频谱分配方法，达到频谱资源的有效利用。具有方法复杂度低、易操作，并且有效地避免了干扰，提高了频谱利用效率的特点。
附图说明
图1是本发明采用的拓扑结构图。
图2是本发明提出的频谱分配方法的流程图。
图3是本发明提出的宏小区的频谱分配示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种低复杂度的基于认知的家庭基站频谱分配方法结合附图及实施例详细说明如下：
本发明提出了一种低复杂度的基于认知的家庭基站频谱资源分配方法，具体包括步骤如下：
(1)网络的宏小区层采用部分频率复用的方法，以宏基站所在位置为中心，R米为半径做圆将宏小区分为中心区域和边缘区域，圆以外定义为边缘区域，圆以内定义为中心区域，中心区域使用整个频谱B，边缘区域分别使用频谱B的三个正交子频段fa、fb、fc，分配给用户的最小无线资源定义为资源块，并将可分配的资源块编号，建立资源块位置编号索引表,AD1、AD2…ADi…ADp；
(2)对每个宏用户进行资源块的分配，具体方法为：宏基站将各传输增益的频谱资源块分配给该传输增益对应的宏用户(即具有最高传输增益的频谱资源块分配给最高传输增益对应的宏用户以此类推，一旦资源块被分给了宏用户，就不能再分配给其他宏用户，并且为保证公平性，已经分配了资源块的宏用户将不再参与资源块的分配)，直到完成所有宏用户对应的资源块分配；
(3)对家庭基站编号N1、N2…Nj…Nf，家庭基站采用轮询机制顺次对家庭小区中的家庭用户进行资源分配，家庭用户使用整个频段B，具体包括：
(4)假设时刻T时由家庭基站Nj(0≤j≤f)对它覆盖范围内的家庭用户进行资源块分配，首先家庭基站先通过自身的认知功能判断家庭基站Nj周围是否存在相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖有重合区域，如果家庭基站Nj周围的相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖范围没有重合区域，则家庭基站Nj是孤立的基站，跳到步骤(5)，否者跳到步骤(6)；
(5)家庭基站Nj是孤立的基站，资源块分配具体包括(在进行资源分配是只需要考虑宏小区中用户对家庭小区中的干扰)；
(5-1)家庭基站对来自于附近宏用户反馈信号的干扰功率进行估计，如果接收到的干扰功率超过一个设定的阈值β(取值范围为-70dBm～-90dBm)，则表明该资源块已经被附近宏用户占用，将资源块位置编号索引表中ADi对应资源块位置标记为ADocp，其余的资源块位置标记为ADnocp；
(5-2)索引表中的编号位置标记为ADocp的用ADx代表，索引中的编号位置标记为ADnocp的用ADy代表，求出相邻ADx，ADy的最大值max|ADx-ADy|，将取最大值时的ADy对应的资源块分配给家庭小区的家庭用户使用，如果取得最大值时对应的ADy有多个值，则随机安排其中一个给家庭用户使用；
(5-3)在分配完以后，将索引表中该位置标记由ADnocp更改为ADocp；
(5-4)然后重复步骤(5-2)—(5-3)，直到将该家庭小区中所有的用户都分配完；
(6)家庭基站Nj周围的相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖范围有重合区域，资源块分配具体包括(则除了考虑宏小区用户的干扰以外还要考虑与家庭基站Nj所在的家庭小区有重合区域的家庭小区中用户的干扰)；
(6-1)家庭基站对来自于附近宏用户反馈信号的干扰功率进行估计，如果接收到的干扰功率超过一个设定的阈值β(取值范围为-70dBm～-90dBm)，则表明该资源块已经被附近宏用户占用，将资源块位置编号索引中ADi对应资源块位置标记为ADocp，其余的资源块位置标记为ADnocp；
(6-2)然后再进一步检测标记为ADnocp的资源块，通过第二次检测，得到每个资源块中有用信号和干扰(有用信号指接收到总信号减去干扰的差值，干扰指在总信号传播间歇接受到的信号值)的比值，将该比值和预先设定的阈值α(10dB～40dB)进行比较，如果比值小于设定的阈值，则表明该资源块已经被相邻家庭小区的家庭用户占用，不能分配给该小区的家庭用户使用；否则表明该资源块可以分配给该小区的家庭用户使用；
(6-3)把比值小于阈值的资源块对应的资源块位置编号索引表中的相应位置标记改为ADocp；
(6-4)资源块位置编号索引表中的位置标记为ADocp的用ADx代表，索引中的位置标记为ADnocp的用ADy代表，求出相邻ADx，ADy的最大值max|ADx-ADy|，将取最大值时的ADy对应的资源块分配给家庭小区的家庭用户使用，如果取得最大值时对应的ADy有多个值，则随机安排其中一个给家庭用户使用；
(6-5)在分配完以后，将索引表中该位置标记由ADnocp更改为ADocp；
(6-6)然后重复步骤(6-4)—(6-5)，直到将该家庭小区中所有的家庭用户都分配完。
(7)等待一段时间到下一时刻T+t(0<t≤500ms)，进行下一个家庭基站Nj+1的用户进行资源分配。跳转回步骤(4)，直到对所有家庭基站覆盖范围内的家庭用户进行资源块分配结束。
本发明方法的实施例应用的具体的场景如图1所示：宏基站1位于中心，由中心向外辐射出3个正六边形(每个正六边形为一个扇区，共有三个扇区一、二、三)为一个宏小区，正六边形的半径为R，本实施例将R定为500米，这三个扇区组成宏基站1的宏小区，家庭基站分布于各宏小区中，每个家庭基站都有自己的覆盖范围。这样形成的通信网络为双层网络，第一层为宏小区层，第二层为家庭小区层。图中的黑圆点表示宏小区层用户，黑三角表示家庭基站小区层用户；家庭基站采用封闭式接入模式，在这种接入模式下，只有某些授权的用户可以连接到家庭基站，没有授权的用户不能连接到家庭基站。家庭小区分为两种类型，一种小区孤立存在，没有邻区，如图1中的23；一种多个家庭小区密集部署，家庭小区覆盖范围相互之间有重叠区域，如图1中的21。家庭基站可以感知周围是否存在其他家庭基站，而且具有感知周围频谱资源的功能。本实施例假设家庭基站可以无误的感知周围频谱使用情况。
本实施例仅考虑其中的一个扇区，如扇区一，扇区一中有3个家庭基站小区21-23，家庭基站服从均匀分布。该扇区中有4个宏用户31-34，三个家庭基站小区中共有6个家庭基站用户41-46。共享的总频谱B的带宽为60MHz(频带范围为1920MHz～1980MHZ)。将整个频段被分为3个正交的子频带fa、fb、fc，其中每个子频带占用20M带宽(fa的频带范围1920MHz～1940MHz，fb的频带范围1940MHz～1960MHz，fc的频带范围1960MHz～1980Mhz)。分配给用户的最小无线资源定义为资源块，资源块RB(resouse block)对应频域上十二个子载波，时域上一个时隙的资源，一个资源块的带宽为180KHz，由12个带宽为15KHz的子载波组成。本实施例中为了简便，假设共有20个资源块，建立资源块的位置编号索引表ADi＝{1、2…20}，被占用的资源块用ADocp表示，未被占用的资源块用ADnocp表示，本实施例的家庭基站频谱资源分配包括以下步骤：
(1)设在蜂窝移动通信网络中，每个宏小区都是由半径为R，本实施例将R定为500米的三个正六边形扇区组成的，如图1所示扇区一、二、三，在三个正六边形的扇区的中心位置放置一个宏基站1，在每个扇区中采用均匀分布部署家庭基站；网络的宏小区层采用部分频率复用的方法分配频谱资源，具体为：以宏基站所在位置为中心，500米为半径做圆将宏小区分为中心区域和边缘区域，即圆以外定义为边缘区域，圆以内定义为中心区域，中心区域使用整个频谱B，边缘区域分别使用三个正交子频段fa、fb、fc。如图3所示；(图中直接用B、fa、fb、fc表示)
分配给用户的最小无线资源定义为资源块，本实施例共设有20个资源块(资源块RB对应频域上十二个载波，时域上一个时隙的资源)，对各资源块建立相应的位置编号索引表ADi＝{1、2…20}，被宏用户占用的资源块用ADocp表示，未被宏用户占用的资源块用ADnocp表示。对每个扇区中的宏用户进行资源块的分配，具体分配方法为：将具有最高传输增益的资源分配给对应的宏用户使用，一旦资源块被分给了其中一个宏用户，就不能再分配给其他宏用户，并且为保证公平性，已经分配了资源的宏用户将不再参与资源的分配，直到完成所有宏用户对应的资源块分配。
(3)各家庭基站采用轮询机制顺次对家庭小区中的家庭用户进行资源分配，家庭用户使用整个频段B(频带范围为1920MHz～1980MHZ)；
(4)假设时刻T时由家庭基站2k进行用户的频谱资源分配，首先该家庭基站先通过自身的认知功能判断家庭基站2k(1≤k≤3)周围是否存在其他相邻家庭基站与家庭基站2k的覆盖有重合区域，如果家庭基站2k周围的相邻家庭基站与家庭基站2k的覆盖范围没有重合区域，则跳到步骤(5)，否者跳到步骤(6)；
(5)如果家庭基站2k是孤立的基站，如图1中的家庭基站23，在进行频谱资源分配是只需要考虑宏小区中用户对家庭小区中的家庭用户的干扰；
(5-1)家庭基站对来自于附近宏用户反馈信号的干扰功率进行估计，如果接收到的干扰功率超过一个设定的阈值，如-80dBm，则表明该资源块已经被附近宏用户占用，将资源块位置编号索引表中ADi将对应资源块位置标记为ADocp，其余的资源块位置标记为ADnocp；
(5-2)索引表中的编号位置标记为ADocp的用ADx代表，索引中的编号位置标记为ADnocp的用ADy代表，求出相邻ADx，ADy的最大值max|ADx-ADy|，将取最大值时的ADy对应的资源块分配给家庭小区的家庭用户使用，如果取得最大值时对应的ADy有多个值，则随机安排其中一个给家庭用户使用；
(5-3)在分配完以后，将索引表中该位置标记由ADnocp更改为ADocp；
(5-4)然后重复步骤(5-2)—(5-3)，直到将该家庭小区中所有的用户都分配完；
(6)家庭基站2k周围的相邻家庭基站与家庭基站2k的覆盖范围有重合区域，如图1中的家庭基站21，则除了考虑宏小区用户的干扰以外还要考虑与家庭基站2k所在的家庭小区有重合区域的家庭小区中家庭用户的干扰；
(6-1)家庭基站对来自于附近宏用户反馈信号的干扰功率进行估计，如果接收到的干扰功率超过一个设定的阈值β，如-80dBm，则表明该资源块已经被附近宏用户占用，将资源块位置编号索引中ADi对应资源块的位置标记为ADocp，其余的资源块的位置标记为ADnocp；
(6-2)然后再进一步检测标记为ADnocp的资源块，通过第二次检测，得到每个资源块中有用信号和干扰(有用信号指接收到总信号减去干扰的差值，干扰指在总信号传播间歇接受到的信号值)的比值，将该比值和预先设定好的阈值α，如15dB，进行比较，如果比值小于设定的阈值，则表明该资源块已经被相邻家庭小区的家庭用户占用，不能分配给该小区的家庭用户使用；否则表明该资源块可以分配给该小区的家庭用户使用；
(6-3)把比值小于阈值的资源块对应的资源块位置编号索引表中的相应位置标记改为ADocp；
(6-4)资源块位置编号索引表中的位置标记为ADocp的用ADx代表，索引中的位置标记为ADnocp的用ADy代表，求出相邻ADx，ADy的最大值max|ADx-ADy|，将取最大值时的ADy对应的资源块分配给家庭小区的家庭用户使用，如果取得最大值时对应的ADy有多个值，则随机安排其中一个给家庭用户使用；
(6-5)在分配完以后，将索引表中该位置标记由ADnocp更改为ADocp；
(6-6)然后重复步骤(6-4)—(6-5)，然后再重新进行检测，直到将该家庭小区中所有的家庭用户都分配完。
(7)等待一段时间100ms，到T+100ms时刻，进行下一个家庭基站2k+1的家庭用户进行资源分配。跳转回步骤(4)，直到对所有家庭基站都分配结束。

Claims (1)

1.一种低复杂度的基于认知的家庭基站频谱资源分配方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)网络的宏小区层采用部分频率复用的方法，以宏基站所在位置为中心，R米为半径做圆将宏小区分为中心区域和边缘区域，圆以外定义为边缘区域，圆以内定义为中心区域，中心区域使用整个频谱B，边缘区域分别使用频谱B的三个正交子频段fa、fb、fc，分配给用户的最小无线资源定义为资源块，并将可分配的资源块编号，建立资源块位置编号索引表,AD1、AD2…ADi…ADp；
(2)对每个宏用户进行资源块的分配，具体方法为：宏基站将各传输增益的频谱资源块分配给该传输增益对应的宏用户，直到完成所有宏用户对应的资源块分配；
(3)对家庭基站编号N1、N2…Nj…Nf，家庭基站采用轮询机制顺次对家庭小区中的家庭用户进行资源分配，家庭用户使用整个频段B；
(4)假设时刻T时由家庭基站Nj(0≤j≤f)对它覆盖范围内的家庭用户进行资源块分配，首先家庭基站先通过自身的认知功能判断家庭基站Nj周围是否存在相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖有重合区域，如果家庭基站Nj周围的相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖范围没有重合区域，则家庭基站Nj是孤立的基站，跳到步骤(5)，否者跳到步骤(6)；
(5)家庭基站Nj是孤立的基站，资源块分配具体包括：
(5-1)家庭基站对来自于附近宏用户反馈信号的干扰功率进行估计，如果接收到的干扰功率超过一个设定的阈值β，β取值范围为-70dBm～-90dBm，表示该资源块已经被附近宏用户占用，则将资源块位置编号索引表中ADi对应资源块位置标记为ADocp，其余的资源块位置标记为ADnocp；
(5-2)索引表中的编号对应资源块位置标记为ADocp的用ADx代表，索引中的编号对应资源块位置标记为ADnocp的用ADy代表，求出相邻编号ADx，编号ADy的最大值max|ADx-ADy|，将取最大值时的编号ADy对应的资源块分配给家庭小区的家庭用户使用，如果取得最大值时对应的编号ADy有多个值，则随机安排其中一个给家庭用户使用；
(5-3)将索引表中该位置标记由ADnocp更改为ADocp；
(5-4)重复步骤(5-2)—(5-3)，直到将该家庭小区中所有的用户都分配完；
(6)家庭基站Nj周围的相邻家庭基站与家庭基站Nj的覆盖范围有重合区域，资源块分配具体包括：
(6-1)家庭基站对来自于附近宏用户反馈信号的干扰功率进行估计，如果接收到的干扰功率超过一个设定的阈值β，β取值范围为-70dBm～-90dBm，表示该资源块已经被附近宏用户占用，则将资源块位置编号索引中ADi对应资源块位置标记为ADocp，其余的资源块位置标记为ADnocp；
(6-2)再进一步检测标记为ADnocp的资源块，得到每个资源块中有用信号和干扰的比值，将该比值和预先设定的阈值α，α10dB～40dB进行比较；
(6-3)把比值小于阈值α的资源块对应的资源块位置编号索引表中的相应位置标记改为ADocp；
(6-4)索引表中的编号对应资源块位置标记为ADocp的用ADx代表，索引中的编号对应资源块位置标记为ADnocp的用ADy代表，求出相邻编号ADx，编号ADy的最大值max|ADx-ADy|，将取最大值时的编号ADy对应的资源块分配给家庭小区的家庭用户使用，如果取得最大值时对应的编号ADy有多个值，则随机安排其中一个给家庭用户使用；
(6-5)将索引表中该位置标记由ADnocp更改为ADocp；
(6-6)然后重复步骤(6-4)—(6-5)，直到将该家庭小区中所有的家庭用户都分配完；
(7)等待一段时间到下一时刻T+t，0<t≤500ms，进行下一个家庭基站Nj+1的用户进行资源分配，跳转回步骤(4)，直到对所有家庭基站覆盖范围内的家庭用户进行资源块分配结束。
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