CN104780543B - 分布式基站架构的频谱资源优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式基站架构的频谱资源优化方法，该方法在SCN带宽需求得不到满足时，充分考虑了相邻小基站的带宽分配情况，根据业务分布情况动态分配资源，合理进行基带处理单元和小基站节点之间的连接，以提高每个小基站节点的满意度。提出了一种宏基站辅助带宽的方法，将宏基站的部分带宽分配给宏基站覆盖范围内的满意度较差的小基站，以达到提高系统性能的作用。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信网络技术领域，特别涉及一种异构网络中分布式基站架构的频谱资源优化方法。
背景技术
目前，随着移动互联网的快速发展，数据业务流量迅速增长。据预测，在近10年内增长将超过500倍，其中室内和热点区域的业务量比重将达到70％。然而，传统的宏基站部署方式已无法满足数据业务的增长需求，所以通过部署更多的小基站构建异构网络逐渐成为解决此问题的重要措施。
小基站作为低功率的无线接入节点，以体积小、集成度高、适应性强等特点，受到了各大厂商的广泛关注。相比于宏基站数公里的覆盖范围，小基站只可以覆盖数十米到数百米的范围，它主要应用于高数据吞吐量的场合和宏基站无法覆盖的盲点。小基站可以适用于室内和室外，运营商主要使用小基站来提升网络容量和扩展覆盖范围。
但是大量小基站的部署导致了网络能耗的激增，且频谱利用效率降低，网络优化配置时将面临很大的干扰问题。现有的消除干扰的措施有很大的缺陷，例如，基站密集部署策略和部分频率复用方法都不适用于小基站，因为小基站的覆盖范围小，无法满足两个基站中两用户使用相同频率的距离要求，只能通过增加额外的频谱来消除干扰。
再者，业务负载的动态变化也给小基站的网络配置增大了难度。这是因为小基站常常部署在业务量较大的热点区域，这些区域往往人口流动性较大，例如，有些体育馆或者商店，客户主要集中在白天，到晚上时则很少，而一些餐馆或者娱乐场所则恰恰相反。现有的网络架构都是根据各区域的业务峰值进行 小基站的部署。当负载量不断变化时，这样固定的部署形式必然会造成大量频谱资源的浪费。Zhao Linjing和Ni Wei提出了运用图论的知识来分配子信道数目的算法，Ni Wei还提出了基于分布式基站的自适应系统架构，该算法在避免干扰的同时，较好地提高了系统性能，但没有充分利用相邻小基站的带宽分配情况，算法有待优化。而且在异构网络场景中，宏基站和小基站是联合部署的，小基站内的用户也在宏基站的覆盖范围内，所以可以考虑将宏基站的剩余带宽分配给小基站内的用户使用。而本发明能够很好地解决上面的问题。
发明内容
本发明目的在于提出一种异构网络中基于分布式小基站的资源分配优化方法，该方法可以根据业务分布情况动态分配资源，合理进行基带处理单元和小基站节点之间的连接，提高了每个小基站节点的用户满意度。本发明充分考虑了相邻小基站的带宽分配情况，实现了各小基站的资源分配优化。本发明还将宏基站的部分带宽分配给宏基站覆盖范围内的用户满意度较差的小基站，以达到提高系统性能的作用。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出一种分布式基站架构的频谱资源优化方法，该方法应用于异构网络中，可以根据业务分布情况动态分配资源，均衡负载，该方法运用了图论的知识，系统带宽或者BBU数目的不足将会导致SCN的带宽需求量得不到满足，分配的带宽与需求带宽量的比值(即：满意度)下降，可以充分考虑相邻小基站的带宽分配情况，寻求更多的可用带宽来进行优化，提高了满意度。
方法流程：
步骤1：根据小基站的网络拓扑，结合图论的知识，将不相邻的SCN顶点相连，构建无向图，罗列出所有的顶点集合，从中选择基数最大的集合，优先对 该集合内的SCN进行子带分配，分配的子带大小为这个集合中SCN的带宽需求量的最小值，将带宽需求量得到满足的SCN顶点删除，重复上述过程，直至所有SCN的带宽需求量得到满足，最后得到每个SCN的带宽分配向量和划分的子带向量。
步骤2：比较系统带宽和划分的子带之和，系统带宽不足时，不断选择最大的子带减去单倍的物理资源块(即：PRB)带宽大小，直至划分的子带之和不超过系统带宽。
步骤3：根据每个SCN的带宽分配情况，结合图论的知识，将没有重叠子带的SCN顶点相连，构建无向图，罗列出所有的顶点集合，从中选择基数最大的集合，将该集合内的SCN连接至同一个BBU，将已连接的SCN顶点删除，重复上述过程，直至所有的SCN都已与BBU相连或者所有的BBU都已使用。
步骤4：针对BBU不够但带宽剩余的情形，将剩余带宽通过步骤1分配给未连接的SCN；针对BBU不够且无剩余带宽的情形，统计每个BBU的子带使用情况，即其连接的SCN的子带分配之和，取反得到尚未使用的子带向量A。在尚未连接的SCN中选择带宽需求量较大的优先进行匹配，统计与该SCN相邻的SCN的子带分配情况，取反得到该SCN可以使用的子带向量B，将向量B与每个BBU的向量A进行相与操作，得到向量C，即BBU可以提供且SCN可以使用的子带情形。下面分为两种情形，包括：
情形1:如果与每个BBU得到的向量C所包含的子带之和都小于该SCN的带宽需求量，则选择能提供子带最多的BBU与之连接，并将这个BBU的向量C作为该SCN的带宽分配情况；
情形2:如果有些BBU得到的向量C所包含的子带之和大于该SCN的带宽需求量，则选择其中两者之差绝对值最小的BBU进行连接，并在此BBU的向量C 中选择能最佳覆盖该SCN的子带组合作为带宽分配情况，最佳覆盖是指使SCN的用户满意度更接近于1，可以通过迭代完成，已避免不必要的频带资源浪费。
每连接完一个SCN，都要更新BBU的SCN连接情况和带宽分配情况，重复上述步骤，直至所有的SCN都与BBU相连。
步骤5：此步骤是对带宽需求尚未满足的SCN进一步的优化过程，但对于步骤4中连接的SCN不作操作，所有SCN都与BBU连接之后，针对每一个BBU，再次统计其所有子带中尚未使用的子带向量D。计算本BBU连接的每个SCN其可以使用但未分配给它的子带向量E，过程与步骤4中相同。从向量D中宽度最大的子带开始，选择其向量E中对应位也为“1”的SCN进行再分配，如果这样的SCN不止一个，则分配给其中满意度较差的SCN，如果这些SCN带宽需求都已得到满足，则不再分配。每分配完一个子带，都要更新SCN的带宽分配情况。每个BBU都进行类似的操作。
本发明还提出了一种宏基站辅助方法，该方法使宏基站的部分带宽用来辅助经过小基站资源分配后用户满意度较差的小基站，以提高整体用户体验，该方法首先统计下在宏基站覆盖范围内，但不在SCN覆盖范围内的用户的总的业务需求量B1，如果系统带宽BMAX≤B1，则宏基站没有剩余的带宽可以分配给SCN内用户。反之，计算可以分配给SCN内用户的带宽B2＝BMAX-B1。宏基站应优先考虑本覆盖范围内的非SCN用户，在保证其满意度的基础上，再来处理SCN内用户的带宽需求，所以在带宽具体分配时，优先将分配SCN用户的带宽B2分配给小基站带宽，之后再将预留带宽B1根据B2分配后的剩余子带情况分配给非SCN用户使用，并且优先分配给满意度较差的SCN，具体包括如下步骤：
步骤1：如果小基站的带宽分配结束后，尚有SCN的满意度不为1，计算宏基站的可用辅助带宽MacBand，大小为PRB带宽的整数倍；宏基站覆盖面积比较 大，服务于许多零散的用户，而其频带资源与小基站相同，所以能辅助小基站内用户的带宽较少。
步骤2：如果辅助带宽MacBand等于0，则没有剩余带宽可以辅助小基站，算法直接结束，反之进行下一步。
步骤3：选择满意度最差的SCN进行优先分配，结合其相邻SCN的子带使用情况和本身已分配的子带，计算尚可使用的子带情形(即：向量A)以及其带宽总和Sub1；这里将平均满意度设为目标指标，所以还需计算该SCN达到平均满意度所需要的带宽大小Sub2。
步骤4：判断Sub1与Sub2的大小；如果Sub1较大，则跳过此步骤；否则更新Sub2为Sub1，再进行下一步。
步骤5：判断辅助带宽MacBand与Sub2的大小；如果Sub2较大，则在向量A中选择合适的子带在分配给该SCN，目标大小为MacBand，这里跟上述中的步骤五中的最佳覆盖类似，并更新宏基站的可用子带情形；如果MacBand较大，则进行下一步；
步骤6：将辅助带宽Sub2全部分配给该SCN，更新宏基站剩余带宽大小，将MacBand与Sub2的差值赋给MacBand，并跳回步骤2。
宏基站的子带划分与小基站的相同，步骤结束后将得到这些SCN的宏基站分配带宽情形。
有益效果：
1、本发明对现有基于图论知识的干扰处理方法进行改进，充分考虑相邻小基站的带宽分配情况，实现了各小基站的资源分配优化。
2、本发明将宏基站的部分带宽分配给宏基站覆盖范围内的用户满意度较差的小基站，提高了系统性能。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明与现有方法在随着总带宽需求量逐渐增大时，总共分配的有效带宽之和的仿真实验对比示意图。
图3为本发明与现有方法在随着总带宽需求量逐渐增大时，所有SCN的平均满意度的仿真实验对比示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
如图1-3所示，本发明提出一种在异构网络中基于分布式小基站的干扰处理改进方法，该方法可以根据业务分布情况动态分配资源，均衡负载，这里运用了图论的知识。但随着业务量的增大，系统带宽或者BBU数目的不足将会导致SCN的带宽需求量得不到满足，分配的带宽与需求带宽量的比值(即：满意度)下降，可以充分考虑相邻小基站的带宽分配情况，寻求更多的可用带宽来进行优化，提高满意度，具体细节如下：
步骤1：根据小基站的网络拓扑，结合图论的知识，将不相邻的SCN顶点相连，构建无向图，罗列出所有的顶点集合，从中选择基数最大的集合，优先对该集合内的SCN进行子带分配，分配的子带大小为这个集合中SCN的带宽需求量的最小值，将带宽需求量得到满足的SCN顶点删除，重复上述过程，直至所有SCN的带宽需求量得到满足，最后得到每个SCN的带宽分配向量和划分的子带向量；
步骤2：比较系统带宽和划分的子带之和，系统带宽不足时，不断选择最大的子带减去单倍的物理资源块(PRB)带宽大小，直至划分的子带之和不超过系统带宽；
步骤3：根据每个SCN的带宽分配情况，结合图论的知识，将没有重叠子带的SCN顶点相连，构建无向图，罗列出所有的顶点集合，从中选择基数最大的集合，将该集合内的SCN连接至同一个BBU，将已连接的SCN顶点删除，重复上述过程，直至所有的SCN都已与BBU相连或者所有的BBU都已使用；
步骤4：针对BBU不够但带宽剩余的情形，将剩余带宽通过步骤1分配给未连接的SCN；针对BBU不够且无剩余带宽的情形，统计每个BBU的子带使用情况，即其连接的SCN的子带分配之和，取反得到尚未使用的子带向量A。在尚未连接的SCN中选择带宽需求量较大的优先进行匹配，统计与该SCN相邻的SCN的子带分配情况，取反得到该SCN可以使用的子带向量B，将向量B与每个BBU的向量A进行相与操作，得到向量C，即BBU可以提供且SCN可以使用的子带情形。下面分为两种情形：
情形1:如果与每个BBU得到的向量C所包含的子带之和都小于该SCN的带宽需求量，则选择能提供子带最多的BBU与之连接，并将这个BBU的向量C作为该SCN的带宽分配情况；
情形2:如果有些BBU得到的向量C所包含的子带之和大于该SCN的带宽需求量，则选择其中两者之差绝对值最小的BBU进行连接，并在此BBU的向量C中选择能最佳覆盖该SCN的子带组合作为带宽分配情况，最佳覆盖是指使SCN的用户满意度更接近于1，可以通过迭代完成，以避免不必要的频带资源浪费。
每连接完一个SCN，都要更新BBU的SCN连接情况和带宽分配情况，重复上述步骤，直至所有的SCN都与BBU相连；
步骤5：此步骤是对带宽需求尚未满足的SCN进一步的优化过程，但对于步骤4中连接的SCN不作操作，所有SCN都与BBU连接之后，针对每一个BBU，再次统计其所有子带中尚未使用的子带向量D。计算本BBU连接的每个SCN其可 以使用但未分配给它的子带向量E，过程与步骤4中相同。从向量D中宽度最大的子带开始，选择其向量E中对应位也为“1”的SCN进行再分配，如果这样的SCN不止一个，则分配给其中满意度较差的SCN，如果这些SCN带宽需求都已得到满足，则不再分配。每分配完一个子带，都要更新SCN的带宽分配情况。每个BBU都进行类似的操作，直至不能在继续优化。
本发明还提出了一种宏基站辅助方法，让宏基站的部分带宽用来辅助经过自适应资源分配后用户满意度较差的小基站，以提高用户体验。该方法首先统计下在宏基站覆盖范围内，但不在SCN覆盖范围内的用户的总的业务需求量B1，如果系统带宽BMAX≤B1，则宏基站没有剩余的带宽可以分配给SCN内用户。反之，计算可以分配给SCN内用户的带宽B2＝BMAX-B1。宏基站应优先考虑本覆盖范围内的非SCN用户，在保证其满意度的基础上，再来处理SCN内用户的带宽需求，所以在带宽具体分配时，优先将分配SCN用户的带宽B2分配给小基站带宽，之后再将预留带宽B1根据B2分配后的剩余子带情况分配给非SCN用户使用，并且优先分配给满意度较差的SCN，具体包括如下步骤：
步骤1：如果小基站的带宽分配结束后，尚有SCN的满意度不为1，计算宏基站的可用辅助带宽MacBand，大小为PRB带宽的整数倍；宏基站覆盖面积比较大，服务于许多零散的用户，而其频带资源与小基站相同，所以能辅助小基站内用户的带宽较少；
步骤2：如果辅助带宽MacBand等于0，则没有剩余带宽可以辅助小基站，算法直接结束，反之进行下一步；
步骤3：选择满意度最差的SCN进行优先分配，结合其相邻SCN的子带使用情况和本身已分配的子带，计算尚可使用的子带情形(向量A)以及其带宽总和 Sub1；这里将平均满意度设为目标指标，所以还需计算该SCN达到平均满意度所需要的带宽大小Sub2；
步骤4：判断Sub1与Sub2的大小；如果Sub1较大，则跳过侧步骤；否则更新Sub2为Sub1，再进行下一步；
步骤5：判断辅助带宽MacBand与Sub2的大小；如果Sub2较大，则在向量A中选择合适的子带在分配给该SCN，目标大小为MacBand，这里跟上述中的步骤五中的最佳覆盖类似，并更新宏基站的可用子带情形；如果MacBand较大，则进行下一步；
步骤6：将辅助带宽Sub2全部分配给该SCN，更新宏基站剩余带宽大小，将MacBand与Sub2的差值赋给MacBand，并跳回步骤2；算法中宏基站的子带划分与小基站的相同，算法结束后将得到这些SCN的宏基站分配带宽情形。
本发明的仿真结果包括：
本发明的仿真实验在Matlab平台上完成，采用LTE系统分布式小基站架构，系统带
宽资源为20MHz，有100个子载波，采用正交频分多址接入(OFDMA)。信道模型采用适用于高
负载且建筑物较多的城市环境的WINNER II B1模型，每个SCN内的带宽需求量服从高斯随
机分布式中ri为SCN的业务需求量，σi为ri的标
准差，Pnon为每个SCN无业务需求量的概率，Q-1(·)是反误差函数，为ri的
平均值。宏基站的覆盖半径为1000m，每个小基站的覆盖半径为100m，1个宏基站覆盖范围内
顺序排列的小基站个数为15个，构成异构网络环境，BBU数目设定为5个，进行仿真比较现有
方法和本发明方法。
仿真实验比较随着高斯模型中SCN无业务需求概率的逐渐减小，总带宽需求量逐渐递增的情况下，本发明方法和现有方法的总的有效分配带宽之和(与系 统吞吐量呈正比)、SCN的平均满意度和最小满意度的比较。
仿真实验的结果如图2、3所示。可以看到，本发明方法在总带宽需求量较大时可以显著提高系统吞吐量和小基站的满意度，较现有方法有很大优势。因为本发明充分考虑了相邻小基站的带宽分配情况，在避免干扰的前提下，充分利用尚未分配的带宽，并且将宏基站的部分剩余带宽来辅助小基站内的用户需求，在宏基站剩余带宽较大时能小幅度的提高指标值，本发明方法能更好地利用空闲资源。
Claims (4)
1.一种分布式基站架构的频谱资源优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：根据小基站的网络拓扑，结合图论的知识，将不相邻的小基站节点SCN的顶点相连，构建无向图，罗列出所有的顶点集合，从中选择基数最大的集合，优先对该集合内的SCN进行子带分配，分配的子带大小为这个集合中SCN的带宽需求量的最小值，将带宽需求量得到满足的SCN顶点删除，重复上述过程，直至所有SCN的带宽需求量得到满足，最后得到每个SCN的带宽分配向量和划分的子带向量；
步骤2：比较系统带宽和划分的子带之和，系统带宽不足时，不断选择最大的子带减去单倍的物理资源块带宽大小，直至划分的子带之和不超过系统带宽；
步骤3：根据每个SCN的带宽分配情况，结合图论的知识，将没有重叠子带的SCN顶点相连，构建无向图，罗列出所有的顶点集合，从中选择基数最大的集合，将该集合内的SCN连接至同一个BBU，即：基带处理单元，将已连接的SCN顶点删除，重复上述过程，直至所有的SCN都已与BBU相连或者所有的BBU都已使用；
步骤4：针对BBU不够但带宽剩余的情形，将剩余带宽通过上述步骤1分配给未连接的SCN；针对BBU不够且无剩余带宽的情形，统计每个BBU的子带使用情况，即其连接的SCN的子带分配之和，取反得到尚未使用的子带向量A；在尚未连接的SCN中选择带宽需求量较大的优先进行匹配，统计与该SCN相邻的SCN的子带分配情况，取反得到该SCN可以使用的子带向量B，将向量B与每个BBU的向量A进行相与操作，得到向量C，即BBU可以提供且SCN可以使用的子带情形；
步骤5：此步骤是对带宽需求尚未满足的SCN进一步的优化过程，但对于上述步骤4中连接的SCN不作操作，所有SCN都与BBU连接之后，针对每一个BBU，再次统计其所有子带中尚未使用的子带向量D；计算本BBU连接的每个SCN其可以使用但未分配给它的子带向量E，过程与上述步骤4中相同；从向量D中宽度最大的子带开始，选择其向量E中对应位为“1”的SCN进行再分配，如果这样的SCN不止一个，则分配给其中满意度较差的SCN，如果这些SCN带宽需求都已得到满足，则不再分配；每分配完一个子带，都要更新SCN的带宽分配情况；每个BBU都进行类似的操作。
2.根据权利要求1所述的一种分布式基站架构的频谱资源优化方法，其特征在于，所述方法步骤4的两种情形包括：
如果与每个BBU得到的向量C所包含的子带之和都小于该SCN的带宽需求量，则选择能提供子带最多的BBU与之连接，并将这个BBU的向量C作为该SCN的带宽分配情况；
如果有些BBU得到的向量C所包含的子带之和大于该SCN的带宽需求量，则选择其中两者之差绝对值最小的BBU进行连接，并在此BBU的向量C中选择能最佳覆盖该SCN的子带组合作为带宽分配情况，最佳覆盖是指使SCN的用户满意度更接近于1，可以通过迭代完成，以避免不必要的频带资源浪费。
3.根据权利要求1所述的一种分布式基站架构的频谱资源优化方法，其特征在于，所述方法首先统计在宏基站覆盖范围内，但不在SCN覆盖范围内的用户的总的业务需求量B1，如果系统带宽BMAX≤B1，则宏基站没有剩余的带宽可以分配给SCN内用户；反之，计算可以分配给SCN内用户的带宽B2＝BMAX-B1；宏基站应优先考虑本覆盖范围内的非SCN用户，在保证其满意度的基础上，再来处理SCN内用户的带宽需求，所以在宏基站带宽再分配时，优先将分配SCN用户的带宽大小为B2分配给小基站带宽，并且优先分配给满意度较差的SCN；之后再将预留带宽B1根据B2分配后的剩余子带情况分配给非SCN用户使用，以提高SCN的平均满意度。
4.根据权利要求1所述的一种分布式基站架构的频谱资源优化方法，其特征在于，所述方法应用于异构网络中。
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