CN104811942A - 异构网络频谱资源分配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异构网络频谱资源分配方法和装置。涉及移动通信领域；解决了现有资源分配方式不适应实际需求的问题。该方法包括：网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子；所述网络资源调度器比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。本发明提供的技术方案适用于异构网络，实现了合理低干扰的信道分配。

Description

异构网络频谱资源分配方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种异构网络频谱资源分配方法和装置。 

背景技术

在宽带无线通信系统中，在频谱资源受限的条件下，为了满足不断增长的数据业务和用户容量的需求，在传统蜂窝网中引入了大量的微微基站和毫微微基站等低功率节点，形成了由宏基站、微基站、微微基站和中继节点等多种基站组成的多层异构网络环境。 

为了提高整个系统的频谱利用效率，异构网中低功率基站和宏基站将使用时间、空间和频率复用技术。由于宏基站和低功率基站的覆盖区域相互重叠，低功率节点基站之间也可能相互重叠，异构网中将存在复杂的同层和跨层干扰，该干扰会严重影响整个网络的稳定运行，需要通过异构网络中各网元之间资源的合理分配来规避。然而，由于异构网结构复杂，网元数量较多，资源优化算法的复杂度非常高，以至于很难获得最优解，因此寻找一种简单有效的异构网资源分配算法，实现网元之间干扰协调，提高网络吞吐量，成为目前需要迫切解决的问题。 

现有的异构网频谱分配算法大多仅仅将频段粗略的划分为相同带宽进行分配，未考虑实际异构网络中不同类型基站的实际频带差异使用情况；在判断不同基站之间干扰时，简单的采用{0-1}判断模型，不能清楚准确的表述不同基站间的相互干扰强度；而且在频谱分配时未考虑基站使用某信道资源时对其余基站的影响，不能够最佳的实现网络信道资源的管理调度。 

发明内容

本发明提供了一种异构网络频谱资源分配方法和装置，解决了现有资源分配方式不适应实际需求的问题。 

一种异构网络频谱资源分配方法，包括： 

网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子； 

所述网络资源调度器比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。 

优选的，所述网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子的步骤之前，还包括： 

所述网络资源调度器根据基站上报的基站位置信息、发射功率、信道需求、基站类型，计算空闲子信道总数； 

分别计算同一类型基站的空闲子信道总数并进行编号，将所述空闲子信道作为可用信道，以可用信道列表的形式存储； 

所述网络资源调度器根据实际通信场景，计算不同类型基站之间的干扰强度，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图。 

优选的，分别计算同一类型基站的空闲子信道总数并进行编号，将所述空闲子信道作为可用信道，以可用信道列表的形式存储包括： 

根据以下表达式计算不同类型基站的通信业务带宽和可用信道数M_k： 

其中，表示向下取整，BW_total为共享总带宽，k为基站类型编号，B_k为第k种类型基站的通信业务带宽，N_k为网络中参与系统通信服务的基站个数； 

为各基站类型创建一对应的可用信道列表，在所述可用信道列表中存储所述该基站类型对应的可用信道。 

优选的，所述网络资源调度器根据实际通信场景，计算不同类型基站之间的干扰强度，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图包括： 

计算受基站j干扰影响下的基站i覆盖区域的平均信道质量

根据以下表达式计算干扰强度矩阵： 

$\mathrm{CC}=\left\{{\mathrm{cc}}_{\mathrm{ij}}\right|{\mathrm{cc}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}>{\mathrm{SINR}}_{\max }\\ \frac{1}{{\mathrm{SINR}}_{\max }-{\mathrm{SINR}}_{\min }}({\mathrm{SINR}}_{\max }-{\mathrm{RACS}}_{(i,j{,A}_i)})& {\mathrm{SINR}}_{\min }<{\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}<{\mathrm{SINR}}_{\max }\\ 1& {\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}<{\mathrm{SINR}}_{\min }\end{array}\right\}$

其中SINR_min分表示可使基站i中用户正常通信的最小信干噪比阈值，SINR_max表示基站i中用户采用相应调制编码方案时最大的信干噪比； 

根据基站间干扰关系，将实际的网络拓扑图映射成能够具体反映网络中下行链路干扰的网络干扰协调图，各基站的信道分配等效为图顶点的着色问题，其中顶点代表基站，颜色代表频率或信道，顶点之间的连线代表两个基站之间存在干扰，且干扰强度用cc_ij来表示。 

优选的，所述网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子包括： 

根据以下表达式生成可用信道指示矩阵L： 

L＝{l_iml_im∈{0,1}}_N×M， 

表示基站i是否可以使用信道m，在基站i可以用信道m时l_im＝1，否则l_im＝0； 

根据以下表达式生成信道干扰指示矩阵I： 

Ι＝{I_nmI_nm∈{0,1}}_M×M， 

其中，I_nm表示信道n与信道m之间的重叠关系，若I_nm=1则表示信道n与信道m相互重叠，此时信道n和信道m不能同时被分配给具有强干扰关系的两个基站，若I_nm＝0则表示信道n与信道m相互重叠，此时信道n和信道能够同时被分配给具有强干扰关系的两个基站； 

根据以下表达式计算干扰带宽控制因子： 

${\mathrm{IB}}_{\mathrm{im}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{cc}}_{\mathrm{ij}}{l}_{\mathrm{jn}}{I}_{\mathrm{nm}}{B}_m.$

优选的，所述网络资源调度器比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道，包括： 

从所述可用信道列表中任取一可用信道，遍历可使用该可用信道的基站，比较各基站使用该信道时产生的干扰带宽因子IB_im(i＝1,2...,N)，N为可使用该可用信道的基站数量，m为该可用信道的编号，i为基站的编号； 

选择产生的干扰带宽因子IB_im最小的基站，判断干扰带宽因子最小的基站个数是否为1； 

在干扰带宽最小的基站个数为1时，将所述可用信道分配给该干扰带宽因子最小的基站。 

优选的，选择产生的干扰带宽因子IB_im最小的基站，判断干扰带宽因子最小的基站个数是否为1的步骤之后，还包括： 

在存在多个干扰带宽最小的基站时，则比较所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求是否相同； 

在所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求相同时，从所述多个干扰带宽最小的基站中随机选择一个分配所述可用信道。 

优选的，在存在多个干扰带宽最小的基站时，则比较所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求是否相同的步骤之后，还包括： 

在所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求不同时，将所述可用信道分配给其中网络频谱需求最小的基站。 

优选的，所述网络资源调度器根据比较结果为各基站分配空闲子信道还包括： 

根据干扰强度矩阵CC、信道干扰指示矩阵Ι，删除可用信道指示矩阵L中所有与分配到所述可用信道的基站干扰的其他基站的信道或与所述可用信道重叠的其它信道，更新可用信道矩阵L。 

优选的，所述网络资源调度器根据比较结果为各基站分配空闲子信道还包括： 

在所述可用信道分配给一基站后，令r(i)-1，更新信道需求矩阵R＝{r_i,i＝1,2...N}中该基站的信道需求，i为基站编号； 

判断r_i是否等于零； 

在r_i等于零时判定所述基站的信道需求已满足，无需对其再分配信道，删除干扰图中的i顶点及所有与i顶点相连的线段，更新干扰带宽矩阵IB。 

优选的，所述网络资源调度器根据比较结果为各基站分配空闲子信道还包括： 

判断R是否为全零矩阵； 

在R为全零矩阵时，分配流程结束，输出无干扰分配矩阵S。 

优选的，所述判断R是否为全零矩阵的步骤之后，还包括： 

在R不是全零矩阵时，判断L是否为全零矩阵； 

在L是全零矩阵时，分配流程结束，输出无干扰分配矩阵。 

优选的，在R不是全零矩阵时，判断L是否为全零矩阵的步骤之后，还包括： 

在L不是全零矩阵时，从所述可用信道列表中再选择一可用信道，对该可用信道进行分配。 

本发明还提供了一种异构网络频谱资源分配装置，包括： 

干扰带宽因子计算模块，用于根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子； 

分配模块，用于比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。 

优选的，该装置还包括： 

空闲子信道总数计算模块，用于根据基站上报的位置信息、基站类型信息和信道需求信息，计算空闲子信道总数； 

分类可用信道计算模块，用于分别计算同一类型基站的空闲子信道总数并进行编号，将所述空闲子信道作为可用信道，以可用信道列表的形式存储； 

干扰强度计算模块，用于根据实际通信场景，计算不同类型基站之间的干扰强度，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图。 

本发明提供了一种异构网络频谱资源分配方法和装置，网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子，所述网络资源调度器比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。在为基站分配信道时考虑了干扰因素，实现了合理低干扰的信道分配，解决了现有资源分配方式不适应实际需求的问题。 

附图说明

图1为本发明的实施例应用场景示意图； 

图2为本发明的实施例一的算法流程图； 

图3为本发明的实施例一中k种类型接入网下的频谱资源多粒度划分模型； 

图4为本发明的实施例一中基于图论的干扰映射原理示意图； 

图5为本发明的实施例一中生成无干扰信道分配矩阵的算法流程图； 

图6为本发明的实施例二中三种类型接入网下的频谱资源多粒度划分模型示意图； 

图7为本发明的实施例二中不同的待分配频谱宽度条件下系统使用的网络资源量和用户获得的通信资源量示意图； 

图8为本发明的实施例二中不同的待分配频谱宽度条件下未满足通信 需求的用户比率示意图； 

图9为本发明的实施例二中不同的待分配频谱宽度条件下频段资源使用效率示意图； 

图10为本发明的实例三中频谱资源多粒度交叉划分的原理示意图； 

图11为本发明的实施例四的提供的一种异构网络频谱资源分配方法的流程图； 

图12为本发明的实施例五提供的一种异构网络频谱资源分配装置的结构示意图。 

具体实施方式

现有的异构网频谱分配算法大多仅仅将频段粗略的划分为相同带宽进行分配，未考虑实际异构网络中不同类型基站的实际频带差异使用情况；在判断不同基站之间干扰时，简单的采用{0-1}判断模型，不能清楚准确的表述不同基站间的相互干扰强度；而且在频谱分配时未考虑基站使用某信道资源时对其余基站的影响，不能够最佳的实现网络信道资源的管理调度。 

为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种异构网络频谱资源分配方法和装置。下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。 

实施例一:该实例以网络效益最大化为目标函数进行频谱分配 

本实施例提供一种异构网络频谱资源分配方法，应用场景如图1所示，具有不同服务半径的K种不同类型的宏基站和低功率节点基站交互重叠布置在同一区域内，共享核心网提供总带宽为BW_total的频谱资源。基于用户需求反馈的异构网络多粒度频谱资源进行调度，具体流程如图2所示，包括：： 

步骤201，基站通过控制信道上报基站位置信息、发射功率、信道需求、基站类型至网络资源调度器。 

步骤202，网络资源调度器计算可用信道总数，计算同一类型基站的可用信道并进行编号。 

第k(k＝1,2...K)种类型的基站个数为N_k，则系统中有频谱需求的基站总数为对每个基站分别用i进行编号(i＝1,2...K)。 

调度器计算第k种类型基站的可用信道数（表示向下取整），其中B_k为第k种类型接入网的频谱粒子带宽，即该接入网提供的通信业务带宽。信道总数为每一个信道用一个整数m(1≤m≤M)进行编号。第k种类型基站使用的信道集合用φ_k表示，其中φ₁＝{1,2,...M₁}，  ${\mathrm{\&phi;}}_k=\{\underset{y=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_y+1,\underset{y=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_y+2,...,\underset{y=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_y\}(k=2,...,K).$ 图3给出了存在K种类型基站时对应的信道集合示意图。 

步骤203，网络资源调度器根据实际通信场景，计算不同类型基站之间的干扰关系，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图。 

假设基站i的的坐标为(0,0)，基站j的的坐标为(d,0)，基站i的用户坐标为(x,y)，S(A_i)表示基站i覆盖范围的面积，N₀为网络背景噪声功率，则受基站j干扰影响下的基站i覆盖区域的平均信道质量为： 

$\begin{array}{c}{\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}\\ =\frac{\underset{S\left(A_i\right)}{\&Integral;\&Integral;}{\mathrm{SINR}}_{i,j}(x,y)\mathrm{dxdy}}{S\left(A_i\right)}\\ =\underset{S\left(A_i\right)}{\&Integral;\&Integral;}\frac{P_{r,i}(x,y)}{P_{r,j}(x,y)+N_0}\mathrm{dxdy}/S\left(A_i\right)\end{array}$

其中，P_r,i(x,y)、P_r,j(x,y)分别为用户在坐标(x,y)处接收到基站i和j的发射信号功率。 

若路径损耗模型采用城市空间传播公式128+37.6×log₁₀(dist)，dist表示用户与基站的距离，且忽略背景噪声得： 

$\begin{array}{c}{\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}\\ =\underset{S\left(A_i\right)}{\&Integral;\&Integral;}\frac{{P_i\&times;10}^{-\frac{{128+37.6\&times;\mathrm{lo}{g}_{10}(x^2+y^2)}^{1/2}}{10}}}{P_j\&times;10^{-\frac{{128+37.6{\log }_{10}({(x-d)}^2+y^2)}^{1/2}}{10}}+N_0}\mathrm{dxdy}/S\left(A_i\right)\\ \&ap;\underset{S\left(A_i\right)}{\&Integral;\&Integral;}\frac{P_i\&times;10^{-\frac{128+37.6\&times;{\log }_{10}{(x^2+y^2)}^{1/2}}{10}}}{P_j\&times;10^{-\frac{128+37.6\&times;\mathrm{lo}{g}_{10}{(x^2+y^2)}^{1/2}}{10}}}\mathrm{dxdy}/S\left(A_i\right)\\ \&ap;\frac{P_i}{P_j}(1+\frac{d^4}{R_i^2{R}_{\min }^2}+\frac{8d^2}{R_i^2-R_{\min }^2}\ln \frac{R_i}{R_{\min }})\end{array}$

式中P_i、P_j分别为基站i和基站j的发射功率；R_min表示基站i所在小区中用户距离基站的最近距离，R_i表示基站i的覆盖范围半径。由此计算干扰强度矩阵 

$\mathrm{CC}=\left\{{\mathrm{cc}}_{\mathrm{ij}}\right|{\mathrm{cc}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}>{\mathrm{SINR}}_{\max }\\ \frac{1}{{\mathrm{SINR}}_{\max }-{\mathrm{SINR}}_{\min }}({\mathrm{SINR}}_{\max }-{\mathrm{RACS}}_{(i,j{,A}_i)})& {\mathrm{SINR}}_{\min }<{\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}<{\mathrm{SINR}}_{\max }\\ 1& {\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}<{\mathrm{SINR}}_{\min }\end{array}\right\}$

该矩阵表示基站j对基站i干扰强度的归一化值，其中SINR_min分表示可使基站i中用户正常通信的最小信干噪比阈值，SINR_max表示基站i中用户采用相应调制编码方案时最大的信干噪。若cc_ij＝1则基站i与j有强干扰关系，两接入网不能使用同一频段或者具有干扰关系的频段。 

根据基站间干扰关系，将实际的网络拓扑图映射成能够具体反映网络中下行链路干扰的网络干扰协调图，如图4所示。各基站的信道分配等效为图顶点的着色问题，其中顶点代表基站，颜色代表频率或信道，顶点之间的连线代表两个基站之间存在干扰，且干扰强度用cc_ij来表示。 

步骤204，网络资源调度器根据子信道空闲情况以及基站间的干扰强度， 计算基站使用某一空闲子信道的的干扰带宽因子。 

根据实际网络场景，生成可用信道指示矩阵L、信道干扰指示矩阵I。 

（1）可用信道指示矩阵L＝{l_iml_im∈{0,1}}_N×M，表示基站i是否可以使用信道m。如果基站i可以用信道m，那么l_im＝1，否则l_im＝0。 

（2）信道干扰指示矩阵Ι＝{I_nmI_nm∈{0,1}}_M×M为信道干扰矩阵，表示信道n与信道m的重叠关系。如果I_nm＝1则说明信道n与m相互重叠，则其不能同时被分配给具有干扰关系的两个基站。 

计算干扰带宽控制因子 

$\mathrm{IB}={\left\{{\mathrm{IB}}_{\mathrm{im}}\right|{\mathrm{IB}}_{\mathrm{im}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{cc}}_{\mathrm{ij}}{l}_{\mathrm{jn}}{I}_{\mathrm{nm}}{B}_m\}}_{N\&times;M}.$

步骤205，网络资源调度器根据各基站上报的信道需求，比较各基站使用同一信道的干扰带宽因子，在一个分配周期内生成无干扰信道分配矩阵。 

本实例使用图论列表染色理论模型，为图中各个顶点分配信道。具体算法流程如图5所示。 

各基站上报信道需求R={r_i,i＝1,2,...,N}。令P={p_im;i＝1,2,...,N,m＝1,2,...,M}为频谱资源效益集合，其中p_im表示基站i使用信道m的信道效益。此外，频谱资源效益可根据实际需求灵活定义，例如若异构网络要求实现系统总吞吐量提高，则可规定频谱资源效益为其使用频谱资源的实际吞吐量。 

本实例以网络效益最大化为目标函数进行频谱分配，其目标函数为： 

$\max \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{\mathrm{im}}{s}_{\mathrm{im}}.$

其中s_im表示最终基站i与信道m的使用关系。如果s_im＝1则意味着信道m被分配给基站i使用。 

令S＝{s_ims_im∈{0,1}}_N×M为无干扰分配矩阵，表示最终基站i与信道m的使用关系。分配矩阵必须满足干扰约束矩阵的条件，即满足如下条件： 

s_ims_jnc_ijI_mn＝0 

$\&ForAll;i,j=1,...,N;m,n=1,...,M.$

在该目标函数下，频谱分配具体过程如下： 

（步骤205.1） 

从可用信道列表中任取一个信道m，遍历可使用该信道的基站，比较各基站使用该信道时产生的干扰带宽IB_im(i＝1,2...,N)。 

（步骤205.2） 

选择产生的干扰带宽IB_im最小的基站，判断产生干扰带宽最小的基站个数是否为1。若是，就将信道m分配给该基站i；若不是，则比较这些基站的网络频谱需求是否相同。 

（步骤205.3） 

比较基站的网络频谱需求，若相同，则随机分配给其中一个基站；若不相同，则将该信道分配给网络频谱需求最小的基站i。 

（步骤205.4） 

根据干扰强度矩阵CC、信道干扰指示矩阵Ι，删除可用信道指示矩阵L中所有与基站i干扰的其他基站的信道m或与信道m重叠的其它信道，更新可用信道矩阵L。 

（步骤205.5） 

信道m分配给该基站i后，令r(i)-1，更新信道需求矩阵R＝{r_i,i＝1,2...N}中基站i的信道需求。 

判断r_i是否等于零，若是，说明基站i的信道需求已满足，无需对其再分配信道，删除干扰图中的i顶点及所有与i顶点相连的线段，即干扰强度矩阵CC的i行i列清零，更新干扰带宽矩阵IB。 

（步骤205.6） 

判断R是否为全零矩阵。若是，分配流程结束，输出无干扰分配矩阵S；若不是，运行（步骤205.7）。 

（步骤205.7） 

判断L是否为全零矩阵。若是，分配流程结束，输出无干扰分配矩阵S；若不是，继续运行（步骤105.1）。 

实施例二：实施例考虑3种类型基站 

本实施例将异构网络模型确定为由Famto、Pico和Relay三种类型低功率基站组成的三层异构网络，层叠分布在1000m×1000m的区域中，共用核心网提供的待分配系统总带宽BW_total=20MHz。网络多径传输模型符合瑞利分布。 

本发明实施例提供了一种异构网络频谱资源分配方法，使用该方法完成资源分配的流程如图2所示，包括： 

步骤201，基站通过控制信道上报基站位置信息、发射功率、信道需求、基站类型至网络资源调度器。 

三种接入网通信业务带宽B_k为分别为5MHz、3MHz、1.4MHz。网络覆盖半径R_i分别为100m、50m和30m。 

步骤202，网络资源调度器计算空闲子信道总数，计算同一类型基站的可用信道并进行编号； 

本步骤中，以空闲子信道作为可用信道。第k（k=1，2，3）种类型的接入网中参与系统通信服务的基站个数为N_k，由于Famto基站的随机部署特点，N_k值随机生成。据此计算系统中有频谱需求的基站总数为然后对每个具有频谱需求的基站用数字i进行编号（i=1，......，N）。 

计算第k（k=1，2，3）种类型接入网的可用信道数本实例中M₁＝14；M₂＝6；M₃＝4。信道总数为每一个信道用一个整数m(1≤m≤24)进行编号，3种类型基站使用的信道集合为{φ₁,φ₂,φ₃}，其中φ₁＝{1，2，...;14}；φ₂＝{15,16,...,20}；φ₃＝{21,22,23,24}。图6给出了存在3种类型接 入网时对应的信道集合示意图。 

步骤203，网络资源调度器根据实际通信场景，根据基站发射功率、基站位置、基站覆盖范围、用户位置、用户通信的最小信干噪比和最大信干噪比计算不同类型基站之间的干扰强度，得到N×N维的干扰强度矩阵CC。并根据CC将实际的网络场景映射为网络干扰协调图，图中顶点代表基站，顶点间的连线代表基站间的干扰，连线的权重为干扰强度值。 

步骤204，网络资源调度器根据网络实际场景生成可用信道指示矩阵[L]_N×M、信道干扰矩阵[Ι]_M×M；结合步骤103得到的干扰强度矩阵[CC]_N×N，计算得到干扰带宽因子矩阵[IB]_N×M，矩阵中的第i行第m列元素表示基站i使用信道m后系统的带宽损失，为其中B_m为信道m的带宽。 

步骤205，网络资源调度器根据各基站上报的信道需求R={r_i,i＝1,2,...,N}，本发明将实际通信网络中频谱资源划分为信道进行管理，以信道为最小分配单元，频谱需求集合R中元素r_i满足0≤r_i≤M_i。使用实例一中图论列表染色理论模型，以网络效益最大化为目标函数为图中各个顶点分配信道。 

图7为不同待分配带宽时，本发明实施例与传统贪婪算法在系统使用的可用带宽总量和接入网获得的实际通信带宽总量的比较。由图6可知，本发明实施例在使用更少的网络资源的情况下可获得更多的实际通信带宽。 

图8为不同待分配带宽时，本发明实施例与传统贪婪算法中未满足通信需求的用户比例的仿真分析。从图7可知，本发明实施例可满足更多的用户的通信需求。 

图9为不同待分配带宽时，本发明实施例与传统贪婪算法中频谱使用效率的仿真比较。由图9可知，本发明实施例可获得更高的频谱使用率。 

实施例三：本实施例考虑信道存在未被调用的情况 

本实施例中提供一种基于用户需求反馈的异构网络多粒度频谱资源的异构网络频谱资源分配方法，其与实施例二的区别在于：在生成信道编号时，所有信道计算编号都是从频段左端开始划分，如果可用带宽不是业务带宽的整数倍，会出现可用带宽最右端频段不能被调用的情况（如图6中阴影区所示），导致使用效率过低，造成频段浪费。本实例中采用待分配频段两端交叉编号进行划分信道，如附图10中所示。图中阴影区所示为在一次同层网络信道化分中，待分配带宽划分过信道编号后剩余的带宽，可以得出此种划分方式不会出现图6中所示完全不被利用的频段资源。 

实施例四： 

本发明实施例提供了一种异构网络频谱资源分配方法，使用该方法完成资源分配的流程如图11所示，包括： 

步骤1101、所述网络资源调度器根据基站上报的基站位置信息、发射功率、信道需求、基站类型，计算空闲子信道总数。 

步骤1102、分别计算同一类型基站的空闲子信道总数并进行编号，将所述空闲子信道作为可用信道，以可用信道列表的形式存储； 

本步骤具体包括： 

根据以下表达式计算不同类型基站的通信业务带宽和可用信道数M_k： 

其中，表示向下取整，BW_total为共享总带宽，k为基站类型编号，B_k为第k种类型基站的通信业务带宽，N_k为网络中参与系统通信服务的基站个数； 

为各基站类型创建一对应的可用信道列表，在所述可用信道列表中存储所述该基站类型对应的可用信道。 

步骤1103、所述网络资源调度器根据实际通信场景，计算不同类型基站之间的干扰强度，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图； 

本步骤具体包括： 

计算受基站j干扰影响下的基站i覆盖区域的平均信道质量

根据以下表达式计算干扰强度矩阵： 

$\mathrm{CC}=\left\{{\mathrm{cc}}_{\mathrm{ij}}\right|{\mathrm{cc}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}>{\mathrm{SINR}}_{\max }\\ \frac{1}{{\mathrm{SINR}}_{\max }-{\mathrm{SINR}}_{\min }}({\mathrm{SINR}}_{\max }-{\mathrm{RACS}}_{(i,j{,A}_i)})& {\mathrm{SINR}}_{\min }<{\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}<{\mathrm{SINR}}_{\max }\\ 1& {\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}<{\mathrm{SINR}}_{\min }\end{array}\right\}$

其中SINR_min分表示可使基站i中用户正常通信的最小信干噪比阈值，SINR_max表示基站i中用户采用相应调制编码方案时最大的信干噪； 

根据基站间干扰关系，将实际的网络拓扑图映射成能够具体反映网络中下行链路干扰的网络干扰协调图，各基站的信道分配等效为图顶点的着色问题，其中顶点代表基站，颜色代表频率或信道，顶点之间的连线代表两个基站之间存在干扰，且干扰强度用cc_ij来表示。 

步骤1104、网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子； 

本步骤具体包括： 

根据以下表达式生成可用信道指示矩阵L： 

L＝{l_iml_im∈{0,1}}_N×M， 

表示基站i是否可以使用信道m，在基站i可以用信道m时l_im＝1，否则l_im＝0； 

根据以下表达式生成信道干扰指示矩阵I： 

Ι＝{I_nmI_nm∈{0,1}}_M×M， 

表示信道n与信道m之间的重叠关系，若I_nm=1则表示信道n与信道m相互重叠，此时信道n和信道m不能同时被分配给具有强干扰关系的两个基站，若I_nm＝0则表示信道n与信道m相互重叠，此时信道n和信道能够同时被分配给具有强干扰关系的两个基站； 

根据以下表达式计算干扰带宽控制因子： 

${\mathrm{IB}}_{\mathrm{im}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{cc}}_{\mathrm{ij}}{l}_{\mathrm{jn}}{I}_{\mathrm{nm}}{B}_m.$

步骤1105、所述网络资源调度器比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。 

本步骤具体包括： 

从所述可用信道列表中任取一可用信道，遍历可使用该可用信道的基站，比较各基站使用该信道时产生的干扰带宽因子IB_im(i＝1,2...,N)，N为可使用该可用信道的基站数量，m为该可用信道的编号，i为基站的编号； 

选择产生的干扰带宽因子IB_im最小的基站，判断干扰带宽因子最小的基站个数是否为1； 

在干扰带宽最小的基站个数为1时，将所述可用信道分配给该干扰带宽因子最小的基站； 

在存在多个干扰带宽最小的基站时，则比较所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求是否相同。 

优选的，在所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求相同时，从所述多个干扰带宽最小的基站中随机选择一个分配所述可用信道； 

在所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求不同时，将所述可用信道分配给其中网络频谱需求最小的基站。 

优选的，根据干扰强度矩阵CC、信道干扰指示矩阵Ι，删除可用信道指示矩阵L中所有与分配到所述可用信道的基站干扰的其他基站的信道或与所述可用信道重叠的其它信道，更新可用信道矩阵L。 

优选的，在所述可用信道分配给一基站后，令r(i)-1，更新信道需求矩 阵R＝{r_i,i＝1,2...N}中该基站的信道需求，i为基站编号； 

判断r_i是否等于零； 

在r_i等于零时判定所述基站的信道需求已满足，无需对其再分配信道，删除干扰图中的i顶点及所有与i顶点相连的线段，更新干扰带宽矩阵IB。 

优选的，还需要判断R是否为全零矩阵； 

在R为全零矩阵时，分配流程结束，输出无干扰分配矩阵S。 

在R不是全零矩阵时，判断L是否为全零矩阵； 

在L是全零矩阵时，分配流程结束，输出无干扰分配矩阵； 

在L不是全零矩阵时，从所述可用信道列表中再选择一可用信道，对该可用信道进行分配。 

本发明还提供了一种异构网络频谱资源分配装置，其结构如图12所示，包括： 

干扰带宽因子计算模块1201，用于根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子； 

分配模块1202，用于比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。 

优选的，该装置还包括： 

空闲子信道总数计算模块1203，用于根据基站上报的位置信息、基站类型信息和信道需求信息，计算空闲子信道总数； 

分类可用信道计算模块1204，用于分别计算同一类型基站的空闲子信道总数并进行编号，将所述空闲子信道作为可用信道，以可用信道列表的形式存储； 

干扰强度计算模块1205，用于根据实际通信场景，计算不同类型基站之 间的干扰强度，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图。 

上述异构网络频谱资源分配装置可集成于网络资源调度器中，由网络资源调度器完成相应功能。具体工作流程可参照本发明实施例及其他实施例提供的异构网络频谱资源分配方法。 

本发明的实施例提供了一种异构网络频谱资源分配方法和装置，网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子，所述网络资源调度器比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。在为基站分配信道时考虑了干扰因素，实现了合理低干扰的信道分配，解决了现有资源分配方式不适应实际需求的问题。在网络间干扰为零或干扰趋近为零的情况下，最大化网络实际吞吐量，满足更多的接入网用户通信需求，并提高频谱使用效率。 

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的全部或部分步骤可以使用计算机程序流程来实现，所述计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中，所述计算机程序在相应的硬件平台上（如系统、设备、装置、器件等）执行，在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。 

可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用集成电路来实现，这些步骤可以被分别制作成一个个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。 

上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元可以采用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，也可以分布在多个计算装置所组成的网络上。 

上述实施例中的各装置/功能模块/功能单元以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的计算机可读取存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。 

任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。 

Claims (15)

1.一种异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，包括：

网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子；

所述网络资源调度器比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。

2.根据权利要求1所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，所述网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子的步骤之前，还包括：

所述网络资源调度器根据基站上报的基站位置信息、发射功率、信道需求、基站类型，计算空闲子信道总数；

分别计算同一类型基站的空闲子信道总数并进行编号，将所述空闲子信道作为可用信道，以可用信道列表的形式存储；

所述网络资源调度器根据实际通信场景，计算不同类型基站之间的干扰强度，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图。

3.根据权利要求2所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，分别计算同一类型基站的空闲子信道总数并进行编号，将所述空闲子信道作为可用信道，以可用信道列表的形式存储包括：

根据以下表达式计算不同类型基站的通信业务带宽和可用信道数M_k：

其中，表示向下取整，BW_total为共享总带宽，k为基站类型编号，B_k为第k种类型基站的通信业务带宽，N_k为网络中参与系统通信服务的基站个数；

为各基站类型创建一对应的可用信道列表，在所述可用信道列表中存储所述该基站类型对应的可用信道。

4.根据权利要求2所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，所述网络资源调度器根据实际通信场景，计算不同类型基站之间的干扰强度，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图包括：

计算受基站j干扰影响下的基站i覆盖区域的平均信道质量根据以下表达式计算干扰强度矩阵：

$\mathrm{CC}=\left\{{\mathrm{cc}}_{\mathrm{ij}}\right|{\mathrm{cc}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}>{\mathrm{SINR}}_{\max }\\ \frac{1}{{\mathrm{SINR}}_{\max }-{\mathrm{SINR}}_{\min }}({\mathrm{SINR}}_{\max }-{\mathrm{RACS}}_{(i,j{,A}_i)})& {\mathrm{SINR}}_{\min }<{\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}<{\mathrm{SINR}}_{\max }\\ 1& {\mathrm{RACS}}_{(i,j,A_i)}<{\mathrm{SINR}}_{\min }\end{array}\right\}$

其中SINR_min分表示可使基站i中用户正常通信的最小信干噪比阈值，SINR_max表示基站i中用户采用相应调制编码方案时最大的信干噪比；

根据基站间干扰关系，将实际的网络拓扑图映射成能够具体反映网络中下行链路干扰的网络干扰协调图，各基站的信道分配等效为图顶点的着色问题，其中顶点代表基站，颜色代表频率或信道，顶点之间的连线代表两个基站之间存在干扰，且干扰强度用cc_ij来表示。

5.根据权利要求2所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，所述网络资源调度器根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子包括：

根据以下表达式生成可用信道指示矩阵L：

L＝{l_iml_im∈{0,1}}_N×M，

表示基站i是否可以使用信道m，在基站i可以用信道m时l_im＝1，否则l_im＝0；

根据以下表达式生成信道干扰指示矩阵I：

Ι＝{I_nmI_nm∈{0,1}}_M×M，

其中，I_nm表示信道n与信道m之间的重叠关系，若I_nm=1则表示信道n与信道m相互重叠，此时信道n和信道m不能同时被分配给具有强干扰关系的两个基站，若I_nm＝0则表示信道n与信道m相互重叠，此时信道n和信道能够同时被分配给具有强干扰关系的两个基站；

根据以下表达式计算干扰带宽控制因子：

${\mathrm{IB}}_{\mathrm{im}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{cc}}_{\mathrm{ij}}{l}_{\mathrm{jn}}{I}_{\mathrm{nm}}{B}_m.$

6.根据权利要求5所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，所述网络资源调度器比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道，包括：

从所述可用信道列表中任取一可用信道，遍历可使用该可用信道的基站，比较各基站使用该信道时产生的干扰带宽因子IB_im(i＝1,2...,N)，N为可使用该可用信道的基站数量，m为该可用信道的编号，i为基站的编号；

选择产生的干扰带宽因子IB_im最小的基站，判断干扰带宽因子最小的基站个数是否为1；

在干扰带宽最小的基站个数为1时，将所述可用信道分配给该干扰带宽因子最小的基站。

7.根据权利要求6所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，选择产生的干扰带宽因子IB_im最小的基站，判断干扰带宽因子最小的基站个数是否为1的步骤之后，还包括：

在存在多个干扰带宽最小的基站时，则比较所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求是否相同；

在所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求相同时，从所述多个干扰带宽最小的基站中随机选择一个分配所述可用信道。

8.根据权利要求7所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，在存在多个干扰带宽最小的基站时，则比较所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求是否相同的步骤之后，还包括：

在所述多个干扰带宽最小的基站的网络频谱需求不同时，将所述可用信道分配给其中网络频谱需求最小的基站。

9.根据权利要求6所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，所述网络资源调度器根据比较结果为各基站分配空闲子信道还包括：

根据干扰强度矩阵CC、信道干扰指示矩阵Ι，删除可用信道指示矩阵L中所有与分配到所述可用信道的基站干扰的其他基站的信道或与所述可用信道重叠的其它信道，更新可用信道矩阵L。

10.根据权利要求6所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，所述网络资源调度器根据比较结果为各基站分配空闲子信道还包括：

在所述可用信道分配给一基站后，令r(i)-1，更新信道需求矩阵R＝{r_i,i＝1,2...N}中该基站的信道需求，i为基站编号；

判断r_i是否等于零；

在r_i等于零时判定所述基站的信道需求已满足，无需对其再分配信道，删除干扰图中的i顶点及所有与i顶点相连的线段，更新干扰带宽矩阵IB。

11.根据权利要求10所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，所述网络资源调度器根据比较结果为各基站分配空闲子信道还包括：

判断R是否为全零矩阵；

在R为全零矩阵时，分配流程结束，输出无干扰分配矩阵S。

12.根据权利要求11所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，所述判断R是否为全零矩阵的步骤之后，还包括：

在R不是全零矩阵时，判断L是否为全零矩阵；

在L是全零矩阵时，分配流程结束，输出无干扰分配矩阵。

13.根据权利要求12所述的异构网络频谱资源分配方法，其特征在于，在R不是全零矩阵时，判断L是否为全零矩阵的步骤之后，还包括：

在L不是全零矩阵时，从所述可用信道列表中再选择一可用信道，对该可用信道进行分配。

14.一种异构网络频谱资源分配装置，其特征在于，包括：

干扰带宽因子计算模块，用于根据基站间的干扰强度，计算基站使用空闲子信道的干扰带宽因子；

分配模块，用于比较所述各基站使用同一空闲子信道时的干扰带宽因子，根据比较结果为各基站分配空闲子信道。

15.根据权利要求14所述的异构网络频谱资源分配装置，其特征在于，该装置还包括：

空闲子信道总数计算模块，用于根据基站上报的位置信息、基站类型信息和信道需求信息，计算空闲子信道总数；

分类可用信道计算模块，用于分别计算同一类型基站的空闲子信道总数并进行编号，将所述空闲子信道作为可用信道，以可用信道列表的形式存储；

干扰强度计算模块，用于根据实际通信场景，计算不同类型基站之间的干扰强度，将实际的网络场景映射为网络干扰协调图。