CN105430752A - 一种基于可变带宽的频谱资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可变带宽的频谱资源分配方法，该方法可以在保证多用户之间不存在相互干扰的基础上，尽可能地提高频谱的利用率。首先根据频谱用户地地理位置和频谱地干扰半径构建冲突图，然后以最大化频谱的利用率作为频谱分配的判定标准，决定为哪些用户分配频谱，最后给出了一个冲突避免的可变带宽频谱分配方案。与传统的频谱分配技术相比，所设计的方法根据用户的待传输数据大小为其分配频谱，能够提高频谱的利用率且满足可变带宽网络的特殊需求。所设计的频谱分配方法分周期进行，在每个分配周期将分配该周期时间内频谱的接入使用权。本发明可广泛地应用在无线网络资源分配技术领域。

Description

一种基于可变带宽的频谱资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于可变带宽的频谱资源分配方法，属于无线网络资源分配技术领域。

背景技术

随着无线网络技术的飞速发展，无线频谱资源变得日益紧缺。然而，当前的频谱资源紧缺并不是真正的频谱资源短缺，而是由频谱管理机构(如无线电管理局)所采用的长期稳定的频谱分配方式造成的。在当前的这种频谱分配方式下，已经分配到频谱的用户(也称授权用户或初级用户)并没有高效地使用分配到的频谱，使得大量频谱长期处于空闲状态。而一些新的频谱需求者(也成为未授权用户或二级用户)却无法申请到需求的频谱，限制了新业务的发展。为了更有效地利用有限的频谱资源，已有大量学者给出了各种解决方案。其中，最有效的方式是促使现有的频谱拥有者将自身空闲的频谱提供给新的频谱需求者使用，以提高频谱的利用率。

认知无线电技术可以使二级用户探测到频谱的空闲时间，在不影响初级用户的情况下，与初级用户共享频谱，从而提高频谱的利用率。然而，现有对基于认知无线电技术的频谱分配问题研究还存在着诸多问题。例如，现有研究均假设频谱在分配时被分成了等带宽的多段频谱，每个二级用户会分配到一段或多段频谱。然而，近年来兴起的软件定义无线电技术允许为用户分配可变带宽的频谱，并且在802.22中也已经加入了对可变带宽的支持。显然，可变带宽技术能够更为灵活、高效地使用频谱资源，因此，目前针对可变带宽的无线网络构建研究也已经展开。针对这一需求，有必要为其设计与之相应的可变带宽频谱分配方法。

发明内容

针对上述现有技术上的不足，本发明提出了一种基于可变带宽的频谱资源分配方法。所设计的方法可以在保证多用户之间不存在相互干扰的基础上，尽可能地提高频谱的利用率。所设计的频谱分配方法分周期进行。在每个分配周期，假设存在一个频谱的初级用户，该用户持有一段频谱s，其中s所处的频段为[f_L,f_H]。我们用w来表示这段频谱的带宽，那么可以得到w＝f_H-f_L。假设存在一组新的频谱需求者(即：频谱的二级用户)，每个二级用户在该分配周期内有一组数据需要传输。我们用i来表示第i个二级用户，用D_i来表示二级用户i在本分配周期需要传输的数据大小。假设d为频谱s的单位带宽的传输速率，w_i和t_i分别为分配给二级用户i的带宽和时间片长度，那么可以得到D_i应该满足：D_i≤w_it_id。为了尽可能地提高频谱的利用率，所设计的频谱分配方法期望最大化在一个频谱分配周期内总的数据传输大小，即最大化其中x_i＝{0，1}，x_i＝1表示二级用户i分配到了频谱，而x_i＝0表示二级用户i未分配到频谱。

所设计的频谱分配方法分周期进行，在每个分配周期将分配该周期时间内频谱的接入使用权，方法具体包括以下步骤：

步骤1:二级频谱用户向初级用户提交自身的频谱需求，包括本分配周期内的待传输数据大小和期望接入频谱的地理位置坐标(x_i，y_i)。初级用户计算自身需要接入频谱的地理位置，以及当前分配周期的传输需求，即自身需要传输的数据大小，用D_p表示。

步骤2:初级用户根据自身以及所有二级用户的地理位置以及所分配频谱的干扰半径R，构建冲突图G＝(V，E)。其中，每个频谱用户是顶点集V中的一个顶点，若两个用户之间的距离小于2倍干扰半径，则这两个顶点之间在图G上存在一条边；否则两个顶点之间在图G上无边。顶点间所有的边组成边集E。

步骤3:首先，初级用户将自身标记为分配到频谱。然后，将所有二级用户的频谱需求按照其待传输数据大小D_i从大到小排列。最后，按序遍历所有二级用户的频谱需求，判断能否为该二级用户是否有足够的可用频谱。若剩余频谱资源无法满足要求，则不为该二级用户分配频谱，直接遍历下一个二级用户；否则，为该二级用户分配频谱，并开始遍历下一个二级用户，直到所有二级用户均遍历完为止。

步骤4:为每个在步骤3中被标记为分到频谱的用户，分配频谱使用的具体频段和时间片。

步骤5:二级用户和初级用户在本分配周期内按照步骤4中的分配方案使用频谱，进行数据传输。

本发明的有益效果及特点：该发明提出了一种基于可变带宽的频谱资源分配方法。所设计的方法首先根据频谱用户地地理位置和频谱地干扰半径构建冲突图，然后以最大化频谱的利用率作为频谱分配的判定标准，决定为哪些用户分配频谱，最后给出了一个冲突避免的可变带宽频谱分配方案。与传统的频谱分配技术相比，所设计的方法根据用户的待传输数据大小为其分配频谱，能够提高频谱的利用率且满足可变带宽网络的特殊需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是该方法的整体流程图。

图2是构建冲突图的示例。

图3是计算频谱分配向量的流程图

图4是频谱分配的示例。

具体实施方式

实施例

下面将结合附图，详细介绍所设计的基于可变带宽的频谱资源分配方法。如图1所示，所设计的方法包含如下五个步骤：

S1:频谱需求信息收集。每个二级频谱用户i向初级用户提交自身的频谱需求，包括本分配周期内的待传输数据大小D_i和期望接入频谱的地理位置坐标(x_i，y_i)。初级用户计算自身在当前分配周期的传输需求，即自身需要传输的数据大小，用D_p表示，以及自身需要接入频谱的地理位置。

S2:初级用户根据自身以及所有二级用户的地理位置以及所分配频谱的干扰半径R，构建冲突图G＝(V，E)。其中，每个频谱用户是顶点集V中的一个顶点，若两个用户之间的距离小于2倍干扰半径，则这两个顶点之间在图G上存在一条边；否则两个顶点之间在图G上无边。边集E由顶点间的所有边组成。图2是一个由初级用户和6个二级用户生成的冲突图示例。其中，初级用户的ID在图中用P表示，而6个二级用户的ID分别为1、2、3、4、5、6。每个用户是图中的一个节点，节点中的数字表示该用户的ID。两个用户节点间存在边，则表示这两个用户相互干扰(即：两个用户之间的距离小于2倍干扰半径)，无法共用同一段频谱。而两个节点间没有边直接相连，则表示两个用户可以共享同一段频谱。

S3:初级用户确定将频谱分配给哪些二级用户。具体的实现步骤如图3所示。

S31:初级用户将自身标记为分配到频谱。

S32:将所有二级用户按照待传输的数据大小D_i从大到小排列。

S33:设置i＝1；

S34:判断排序后的二级用户集合中的第i个二级用户是否有足够的可用频谱？若二级用户i有足够的可用频谱，执行S35；否则，执行S36。

判断第i个二级用户是否有足够的可用频谱的具体方法如下：

假设一个分配周期的总时间片长度为T，频谱s的带宽为w，频谱s的单位带宽的传输速率为d。如果用户i分配到频谱，那么应该满足所有分配到频谱且与i冲突的用户(包括二级用户和初级用户)的总数据传输大小之和小于等于wTd－d_i。因此，在判断用户i是否有足够可用频谱时，首先在冲突图G中找到所有与i冲突且已经分配到频谱的用户(包括二级用户和初级用户)，计算这些用户总的数据传输大小，若小于wTd－d_i，则二级用户i仍有足够可用频谱；否则，用户i无足够可用频谱。

S35:标记二级用户i分配到频谱。

S36:二级用户集合中的用户是否已经遍历完？若未遍历完，执行S37；否则，执行S38。

S37:i＝i+1；执行S34。

S38:分配结束。

S4:为每个在S3中被标记为分到频谱的用户，分配频谱使用的具体频段和时间片。具体的分配方法如下所示：

整段频谱在频域上等分为k段。将所有分配到频谱的用户按照其需要传输数据的大小排序，然后按序遍历这些用户。当用户i被遍历到时，按序扫描划分出的k段频谱的时间片。在尽量保证所分配时间片在时间上连续的前提下，使得分配的总时间片长度t_i满足公式1：

$t_i\frac{w}{k}d=D_i$ 公式(1)

仍以图2所示的冲突图为例。假设频谱被分为2段，即k＝2，本分配周期内的总时间片长度为60s，如图4(a)所示。假设在步骤S3中，ID为1、2、4和6的四个二级用户分到了频谱，根据公式(1)，计算出用户1需要的时间片长度为20s，用户2需要的时间片长度为40s，用户4需要的时间片长度为30s，用户6需要的时间片长度为15s，那么步骤S4具体的频谱分配过程如下：

(1)首先为初级用户分配频谱，分配的时间片为第一段频谱从0到50s，如图4(b)所示。

(2)为用户2分配频谱。由于用户2与初级用户P在冲突图中存在边，无法共享频谱，且为了把保证每个用户所分配的时间在时间上是连续的，为用户2分配的时间片为第一段频谱的最后10s以及第二段频谱的最后30s，如图4(c)所示。

(3)为用户4分配频谱。如图2所示，用户4无法跟初级用户P共享频谱，但可以与用户2共享频谱，因此为其分配的时间片为频段1的最后10s以及频段2的最后20s，如图4(d)所示。

(4)为用户1分配频谱。如图2所示，用户1与初级用户P以及用户2均冲突，因此用户1的可用时间片仅为频段2的前30s。而用户1需要20s的时间片，因此为其分配的时间片为频段2的10-30s，如图4(e)所示。

(5)为用户6分配频谱。如图2所示，用户6仅与初级用户P相干扰，而与其他分到频谱的用户均不干扰。因此，为用户6分配到的时间片为频段1的最后10s以及频段2的最后5s,如图4(f)所示。

S5:二级用户和初级用户在本分配周期内按照S4中的分配方案使用频谱，进行数据传输。

Claims (5)

1.一种基于可变带宽的频谱资源分配方法，其特征在于：所述方法可以在保证多用户之间不存在相互干扰的基础上，尽可能地提高频谱的利用率，所设计的频谱分配方法分周期进行，在每个分配周期，假设存在一个频谱的初级用户，该用户持有一段频谱s，其中s所处的频段为[f_L,f_H]，我们用w来表示这段频谱的带宽，那么可以得到w＝f_H-f_L，假设存在一组新的频谱需求者，即：频谱的二级用户，每个二级用户在该分配周期内有一组数据需要传输，我们用i来表示第i个二级用户，用D_i来表示二级用户i在本分配周期需要传输的数据大小，假设d为频谱s的单位带宽的传输速率，w_i和t_i分别为分配给二级用户i的带宽和时间片长度，那么可以得到D_i应该满足：D_i≤w_it_id，为了尽可能地提高频谱的利用率，所设计的频谱分配方法期望最大化在一个频谱分配周期内总的数据传输大小，即最大化其中x_i＝{0，1}，x_i＝1表示二级用户i分配到了频谱，而x_i＝0表示二级用户i未分配到频谱。

2.如权利要求1所述的一种基于可变带宽的频谱资源分配方法，其特征在于：所设计的频谱分配方法分周期进行，在每个分配周期将分配该周期时间内频谱的接入使用权，方法具体包括以下步骤：

步骤1:二级频谱用户向初级用户提交自身的频谱需求，包括本分配周期内的待传输数据大小和期望接入频谱的地理位置坐标x_i，y_i，初级用户计算自身需要接入频谱的地理位置，以及当前分配周期的传输需求，即自身需要传输的数据大小，用D_p表示；

步骤2:初级用户根据自身以及所有二级用户的地理位置以及所分配频谱的干扰半径R，构建冲突图G＝V，E，其中，每个频谱用户是顶点集V中的一个顶点，若两个用户之间的距离小于2倍干扰半径，则这两个顶点之间在图G上存在一条边，否则两个顶点之间在图G上无边，顶点间所有的边组成边集E；

步骤3:首先，初级用户将自身标记为分配到频谱，然后，将所有二级用户的频谱需求按照其待传输数据大小D_i从大到小排列，最后，按序遍历所有二级用户的频谱需求，判断能否为该二级用户是否有足够的可用频谱，若剩余频谱资源无法满足要求，则不为该二级用户分配频谱，直接遍历下一个二级用户，否则，为该二级用户分配频谱，并开始遍历下一个二级用户，直到所有二级用户均遍历完为止；

步骤4:为每个在步骤3中被标记为分到频谱的用户，分配频谱使用的具体频段和时间片；

步骤5:二级用户和初级用户在本分配周期内按照步骤4中的分配方案使用频谱，进行数据传输。

3.如权利要求2所述的一种基于可变带宽的频谱资源分配方法，其特征在于：所述步骤3初级用户确定将频谱分配给哪些二级用户，具体的实现步骤：

S31:初级用户将自身标记为分配到频谱；

S32:将所有二级用户按照待传输的数据大小D_i从大到小排列；

S33:设置i＝1；

S34:判断排序后的二级用户集合中的第i个二级用户是否有足够的可用频谱，若二级用户i有足够的可用频谱，执行S35；否则，执行S36；

S35:标记二级用户i分配到频谱；

S36:二级用户集合中的用户是否已经遍历完？若未遍历完，执行S37，否则，执行S38；

S37:i＝i+1，执行S34；

S38:分配结束。

4.如权利要求3所述的一种基于可变带宽的频谱资源分配方法，其特征在于：

判断第i个二级用户是否有足够的可用频谱的具体方法如下：

假设一个分配周期的总时间片长度为T，频谱s的带宽为w，频谱s的单位带宽的传输速率为d，如果用户i分配到频谱，那么应该满足所有分配到频谱且与i冲突的用户，包括二级用户和初级用户的总数据传输大小之和小于等于wTd－d_i，因此，在判断用户i是否有足够可用频谱时，首先在冲突图G中找到所有与i冲突且已经分配到频谱的用户，包括二级用户和初级用户，计算这些用户总的数据传输大小，若小于wTd－d_i，则二级用户i仍有足够可用频谱，否则，用户i无足够可用频谱。

5.如权利要求2所述的一种基于可变带宽的频谱资源分配方法，其特征在于所述步骤4具体的频谱分配过程：

(a)首先为初级用户分配频谱，分配的时间片为第一段频谱从0到50s；

(b)为用户2分配频谱，由于用户2与初级用户P在冲突图中存在边，无法共享频谱，且为了把保证每个用户所分配的时间在时间上是连续的，为用户2分配的时间片为第一段频谱的最后10s以及第二段频谱的最后30s；

(c)为用户4分配频谱，用户4无法跟初级用户P共享频谱，但可以与用户2共享频谱，因此为其分配的时间片为频段1的最后10s以及频段2的最后20s；

(d)为用户1分配频谱，用户1与初级用户P以及用户2均冲突，因此用户1的可用时间片仅为频段2的前30s，而用户1需要20s的时间片，因此为其分配的时间片为频段2的10-30s；

(e)为用户6分配频谱，用户6仅与初级用户P相干扰，而与其他分到频谱的用户均不干扰，因此，为用户6分配到的时间片为频段1的最后10s以及频段2的最后5s。