CN105959961A - 一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法，将认知无线电技术与图论着色模型相结合，并考虑用户实际的速率需求，解决现有femtocell网络频谱分配方法用户需求满足率和公平性较低的问题。本发明优先给信号与干扰加噪声大的家庭用户分配RB资源，同时考虑用户速率需求，当某个用户的速率需求得到满足后退出本次RB的分配，直到所有的家庭用户都满足需求后重新加入频谱的分配过程，尽最大可能的满足所有家庭用户的需求，一定程度上保证了频谱分配的公平性，更加符合当前及未来移动通信中由用户需求引领的发展趋势。

Description

一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于用户速率需求的改进图着色理论的认知femtocell网络频谱分配方法，可用于femtocell网络中的下行频谱资源的分配。

背景技术

移动互联网的快速发展与多媒体业务迅速兴起，用户需求的数据流量与日俱增，在与日俱增的移动数据业务需求中，超过60％的话音业务和80％的数据业务发生在室内场景，为缓解用户需求与宏蜂窝网络容量有限及室内覆盖不高的矛盾，在宏蜂窝网络中部署家庭基站，减少了用户与基站的发射-接收距离，有效的解决宏蜂窝网络中存在的覆盖问题，同时提高了网络的容量与频谱效率。

由目前固定的频谱分配方式可知，没有新的频谱资源供femtocell网络使用，因此只能采用与宏基站共享频谱资源，同时由于femtocell用户接入网络的不确定性以及对业务需求的差异性，使得femtocell网络中每个用户使用的频谱资源不同，认知femtocell的出现为更好地解决数据需求持续增长与频谱资源稀缺性之间的矛盾提供了可能。与此同时，femtocell网络的出现正是因为用户的数据容量需求剧增而产生的，因此根据用户速率需求的动态频谱分配更加符合目前和未来mobile通信网络的发展方向，同时根据用户速率需求来划分频谱，更加能体现频谱分配的公平性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于用户速率需求的认知femtocell网络动态频谱分配方法，将认知无线电技术与图论着色模型相结合，并考虑用户实际的速率需求，解决现有femtocell网络频谱分配算法用户需求满足概率和公平性较低的问题。

认知femtocell网络是一种特殊的认知无线电网络，家庭用户为认知用户，宏用户为主用户，将家庭用户组成的网络拓扑结构抽象成无向图G＝(V,E,L)，图G中每个顶点V＝{v₁,v₁,...,v_N}表示一个家庭用户，每条边表示两个家庭用户之间的潜在干扰，如果两个顶点被一条边相连，表示这两个家庭用户，在同一时刻不能同时利用同一个RB，L表示每个顶点所在位置在某一时刻可以利用的RB资源集合，由于家庭用户地理位置以及宏用户的业务的时变性，每个顶点的可用RB资源集合不同。

一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法，该方法的步骤如下：

(1)认知femtocell网络是一种特殊的认知无线电网络，把网络的频谱分配转化为图论着色模型。其图论着色模型如下：

(1.1)可用矩阵L＝{l_n,m|l_n,m∈{0,1}}_N×M，其中l_n,m＝0，表示此刻第n个家庭用户不能使用信道m，而l_n,m＝1，表示此刻第n个家庭用户可以使用信道m；

(1.2)干扰矩阵C＝{c_i,j|c_i,j∈{0,1}}_N×N，其中c_i,j＝1表示第i个家庭用户与第j个家庭用户不能同时使用同一信道，而c_i,j＝0表示第i个家庭用户与第j个家庭用户可以同时使用同一信道；

(1.3)分配矩阵A＝{a_n,m|a_n,m∈{0,1}}_N×M，表示经过频谱分配算法计算后，产生的每个用户分配的RB矩阵，a_n,m＝1表示第n个家庭用户使用第m个RB资源，反之亦然。分配矩阵A必须满足的条件是：

$a_{i,h}\·a_{j,h}\·c_{i,j}=0,\∀i,j=1,...,N,h=1,...,M$

即在子图中，两个相邻的顶点不能同时分配同一个RB资源。

(2)根据家庭用户的速率需求计算出每个家庭用户所需的RB数目，第k家庭用户所需的RB数目为Num_k。其步骤如下：

(2.1)首先计算各家庭用户的SINR，第u个家庭用户的SINR_F,u：

${\mathrm{SINR}}_{F,u}=\frac{p_{F,u}\·h_{F,u}}{\underset{t\∈U_{M,u}}{\Σ}{p}_{t,u}\·h_{t,u}+\underset{w\∈U_{F,u}}{\Σ}{p}_{w,u}\·h_{w,u}+Ne}$

其中，p_F,u表示第u个家庭用户的服务基站的发射功率，h_F,u表示第u个家庭用户的服务基站的信道增益，U_M,u表示网络中对第u个家庭用户产生干扰的宏基站集合，p_t,u表示第t个干扰宏基站对第u个家庭用户的发射功率，h_t,u表示第t个干扰宏基站对u个家庭用户的信道增益，U_F,u表示网络中对第u个家庭用户产生干扰的家庭基站集合，p_w,u表示第w个干扰家庭基站对第u个家庭用户的发射功率，h_w,u表示第w个干扰家庭基站对第u个家庭用户的信道增益，Ne表示白噪声。

(2.2)计算家庭用户u使用一个RB获得的速率T_F,u：

$T_{F,u}=W_{RB}\·{\log }_2^{(1+{\mathrm{SINR}}_{F,u})}$

其中W_RB为一个RB资源的带宽。

(2.3)计算得到相应的RB数目Num_k：

${\mathrm{Num}}_k=\frac{R_{F,u}}{T_{F,u}}$

其中，R_F,u为家庭用户u所需求的速率。

(3)每个RB对应一个子图，根据可用矩阵L和干扰矩阵C，获得第r个RB资源相应的子图G_r＝{V_r,E_r},r∈M，其中N为网络中总的家庭用户数目，M为网络中总的RB资源(或信道)数目。其步骤如下：

(3.1)对于待分配的第r个RB，根据可用矩阵L第r列中不为1的顶点，得到子图G_r的顶点集合V_r。

(3.2)根据干扰矩阵C和子图G_r的顶点集合V_r，得到子图的边集合E_r。

(4)计算子图G_r中各顶点的优先级，并以此作为各顶点分配的顺序。其特征在于：计算子图G_r中各节点的信号与干扰加噪声比(SINR)，SINR大者优先分配；若顶点具有相同的SINR，选择已分配RB数较小的顶点进行分配；若已分配RB数仍然相同，则随机选择。

(5)顶点的分配或退出，并更新子图拓扑。其特征在于：确定待分配顶点后，如果子图G_r中所有顶点的需求都得到满足，将信道r分配给待分配顶点，然后在子图G_r中将该顶点，以及与其相连的顶点删除，更新子图拓扑；如果子图中有顶点的需求没有得到满足，而此时待分配顶点需求也没有满足，将信道r分配给待分配顶点，然后在子图中将该顶点，以及与其相连的顶点删除，更新子图拓扑；如果子图中有顶点的需求没有得到满足，而此时选择的顶点需求得到满足，此时该顶点退出本次信道r的分配，即在子图中将该顶点删除，更新子图拓扑。

(6)更新子图G_r后，返回第四步重新选择待分配顶点，直到子图G_r为空为止，此时信道r分配结束；

(7)接着对下一个RB进行分配，返回第三步按照相同法则进行下一个RB的分配，直到网络中所有的RB分配完为止。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

(1)利用认知无线电技术与图着色模型相结合，能有效抑制跨层和同层干扰，提高网络吞吐量，同时算法复杂度低。

(2)考虑了用户速率需求，当用户的需求得到满足后采取退出机制，同时当所有用户的需求得到满足后重新加入频谱的分配过程，提高了网络中用户需求概率和公平性，适应当前及未来移动通信中由用户需求引领的发展趋势。

附图说明

图1为一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法流程图。

图2为认知femtocell网络的图着色模型示意图。

图3是信道A构建的子图G₁拓扑示意图。

图4是顶点5分配信道A后更新的子图G₁拓扑示意图。

图5是顶点5、3分配信道A后更新的子图G₁拓扑示意图。

图6是信道B构建的子图G₂拓扑示意图。

图7是顶点2退出信道B的分配后更新的子图G₂拓扑示意图。

图8是信道C构建的子图G₃拓扑示意图。

具体实施方案

为了使本发明的技术方案及优点更加清晰，下面结合附图对本发明的具体实施方案作详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下面表述的范围。

如图1，一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法流程图。

图2是认知femtocell网络的网络拓扑示意图。图中1、2、3、4和5代表5个不同的家庭用户，网络中共有3个信道A、B和C，此时有4个宏用户：MUE1、MUE2、MUE3、MUE4。假设此刻他们正在利用信道A、信道B、信道C和信道C进行通信，为避免和宏用户的同频干扰，图中四个大的圆圈代表各主用的干扰范围，认知家庭基站和用户利用频谱感知，获得对应的空闲的信道即可用矩阵，每个顶点旁边的括号内代表可用的信道集合。如顶点1在MUE1的干扰范围内，因此信道A对于顶点1来说是不可用的，信道B、C对顶点1是可用的。顶点4在MUE2、MUE3的干扰范围内，因此顶点4的可用信道为A，依次获得其他顶点的可用频谱集合，如图2所示。图2中顶点之间有边相连，表示两个顶点不能同时使用同一信道，如顶点1和2有边相连，即c₁₂＝1,c₂₁＝1，表示顶点1和2不能同时分配信道C。然后根据家庭用户的速率需求求得家庭用户所需的RB数目，5个家庭用户所需的RB数目的集合为Num₁，Num₂，Num₃，Num₄，Num₅，假设Num₁＝1，Num₂＝2，Num₃＝1，Num₄＝1，Num₅＝1。

图3是信道A(第一个RB)构建的子图G₁拓扑示意图。可用信道中包含信道A的顶点组成子图G₁的顶点，如图3中顶点2、3、4和5都包含信道A，由这些顶点和干扰矩阵C可以获得子图G₁的边。然后计算顶点2、3、4和5的SINR，以确定分配信道A的优先级，假设这5个顶点的SINR的大小为SINR_F，5>SINR_F，1>SINR_F，3>SINR_F，2>SINR_F，4，因此首先给顶点5分配频谱。因为此时还没分配信道，因此网络中的5个顶点的已分配信道数都为0，即Aloc₁＝0，Aloc₂＝0，Aloc₃＝0，Aloc₄＝0，Aloc₅＝0。因此给顶点5分配信道A，更新Aloc₅＝1，然后从子图G₁中删除顶点5以及与顶点5相连的顶点4，更新子图拓扑图，如图4所示。

图4是顶点5分配信道A后更新的子图G₁拓扑示意图。此时子图G₁不为空，因此在此为顶点2和3分配信道，因为SINR_F，3>SINR_F，2，顶点3优先分配；同时Num₃>Aloc₃即家庭用户3的需求没有满足，因此给顶点3分配信道A，更新Aloc₃＝1，然后从子图G₁中删除顶点3，更新子图拓扑图，如图5所示。

图5是顶点5、3分配信道A后更新的子图G₁拓扑示意图。此时子图G₁不为空，因为子图中只有一个顶点，给顶点2分配信道，更新Aloc₂＝1，然后从子图G₁中删除顶点2，此时子图为空，进入下一个RB(信道B)的分配。

图6是信道B(第二个RB)构建的子图G₂拓扑示意图。可用信道中包含信道B的顶点组成子图G₂的顶点，如图6中顶点1、2、3和5都包含信道B，由这些顶点和干扰矩阵C可以获得子图G₂的边。由前面假设各顶点的SINR可知，顶点5优先分配，由于此时Num₅＝Aloc₅，说明家庭用户5的需求得到满足，因此退出本次信道B的分配，即从子图G₂中删除顶点5，更新子图G₂拓扑，如图7所示。

图7是顶点5退出信道B的分配后更新的子图G₂拓扑示意图。此时子图G₂不为空，由前面假设各顶点的SINR可知，顶点1优先分配，由于此时Aloc₁<Num₁，说明家庭用户1的需求未得到满足，因此给顶点1分配信道B，更新Aloc₁＝1，然后从子图G₂中删除顶点1以及与顶点1相连的顶点2和3，更新子图G₂，此时子图G₂为空，进入下一个RB(信道C)的分配。

图8是信道C(第三个RB)组成的子图G₃拓扑示意图。可用信道中包含信道C的顶点组成子图G₃的顶点，如图8中顶点1、3都包含信道C，由这些顶点和干扰矩阵C可以获得子图G₃的边。由于此时Aloc₁＝Num₁，Aloc₃＝Num₃，即子图G₃中所有顶点的需求都得到了满足，因此顶点1、3重新加入频谱的分配。由前面假设各顶点的SINR可知，顶点1优先分配，给顶点1分配信道C，更新Aloc₁＝2，然后从子图G₂中删除顶点1以及与顶点1相连的顶点2，更新子图G₃，此时子图G₃为空，至此网络中所有的信道分配完毕。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)认知femtocell网络是一种特殊的认知无线电网络，家庭用户为认知用户，宏用户为主用户，把网络的频谱分配转化为图论着色模型；

(2)根据家庭用户的速率需求计算出每个家庭用户所需的RB数目，第k家庭用户所需的RB数目为Num_k，k∈N；

(3)每个RB对应一个子图，根据可用矩阵L和干扰矩阵C，获得第r个RB资源相应的子图G_r＝{V_r,E_r},r∈M，其中N为网络中总的家庭用户数目，M为网络中总的RB资源或信道数目；

(4)计算子图G_r中各顶点的优先级，并以此作为各顶点分配的顺序；

(5)顶点的分配或退出，并更新子图拓扑；

(6)更新子图G_r后，返回步骤(4)重新选择待分配顶点，直到子图G_r为空为止，此时信道r分配结束；

(7)接着对下一个RB进行分配，返回步骤(3)按照相同法则进行下一个RB的分配，直到网络中所有的RB分配完为止。

2.如权利要求1所述的一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法，其特征在于步骤(1)中，宏用户为授权用户，家庭用户是次级或认知用户，结合了认知无线电技术的家庭基站和用户能获得异构网络中某一时刻空闲的频谱；所述图论着色模型由几个矩阵表示：

(1.1)可用矩阵L＝{l_n,m|l_n,m∈{0,1}}_N×M，其中l_n,m＝0，表示此刻第n个家庭用户不能使用信道m，而l_n,m＝1，表示此刻第n个家庭用户可以使用信道m；N为网络中总的家庭用户数目，M为网络中总的RB资源或信道数目；

(1.2)干扰矩阵C＝{c_i,j|c_i,j∈{0,1}}_N×N，其中c_i,j＝1表示第i个家庭用户与第j个家庭用户不能同时使用同一信道，而c_i,j＝0表示第i个家庭用户与第j个家庭用户可以同时使用同一信道；

(1.3)分配矩阵A＝{a_n,m|a_n,m∈{0,1}}_N×M，表示经过频谱分配算法计算后，产生的每个用户分配的RB矩阵，a_n,m＝1表示第n个家庭用户使用第m个RB资源，反之亦然；分配矩阵A必须满足的条件是：

$a_{i,h}\&CenterDot;a_{j,h}\&CenterDot;c_{i,j}=0,\&ForAll;i,j=1,...,N;h=1,...,M$

即在子图中，两个相邻的顶点不能同时分配同一个RB资源。

3.如权利要求1所述的一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法，其特征在于步骤(2)所述的计算每个家庭用户所需的RB数目，按以下步骤进行：

(2.1)首先计算各家庭用户的SINR，第u个家庭用户的SINR_F,u：

${\mathrm{SINR}}_{F,u}=\frac{p_{F,u}\&CenterDot;h_{F,u}}{\underset{t\&Element;U_{M,u}}{\&Sigma;}{p}_{t,u}\&CenterDot;h_{t,u}+\underset{w\&Element;U_{F,u}}{\&Sigma;}{p}_{w,u}\&CenterDot;h_{w,u}+Ne}$

其中，p_F,u表示第u个家庭用户的服务基站的发射功率，h_F,u表示第u个家庭用户的服务基站的信道增益，U_M,u表示网络中对第u个家庭用户产生干扰的宏基站集合，p_t,u表示第t个干扰宏基站对第u个家庭用户的发射功率，h_t,u表示第t个干扰宏基站对u个家庭用户的信道增益，U_F,u表示网络中对第u个家庭用户产生干扰的家庭基站集合，p_w,u表示第w个干扰家庭基站对第u个家庭用户的发射功率，h_w,u表示第w个干扰家庭基站对第u个家庭用户的信道增益，Ne表示白噪声；

(2.2)计算家庭用户u使用一个RB获得的速率T_F,u：

$T_{F,u}=W_{RB}\&CenterDot;{\log }_2^{(1+{\mathrm{SINR}}_{F,u})}$

其中W_RB为一个RB资源的带宽；

(2.3)计算得到相应的RB数目Num_k：

${\mathrm{Num}}_k=\frac{R_{F,u}}{T_{F,u}}$

其中，R_F,u为家庭用户u所需求的速率。

4.如权利要求1所述的一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法，其特征在于步骤(3)所述的根据可用矩阵和干扰矩阵获得第r个RB资源相应的子图G_r＝{V_r,E_r}，按以下步骤进行：

(3.1)对于待分配的第r个RB，根据可用矩阵L第r列中不为1的顶点，得到子图G_r的顶点集合V_r；

(3.2)根据干扰矩阵C和子图G_r的顶点集合V_r，得到子图的边集合E_r。

5.如权利要求1所述的一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法，其特征在于步骤(4)所述的确定各顶点的分配顺序具体：计算子图G_r中各节点的信号与干扰加噪声比SINR，SINR大者优先分配；若顶点具有相同的SINR，选择已分配RB数较小的顶点进行分配；若已分配RB数仍然相同，则随机选择。

6.如权利要求1所述的一种基于用户速率需求的认知femtocell网络频谱分配方法，其特征在于步骤(5)所述的顶点的分配或退出，并更新子图拓扑，具体为：确定待分配顶点后，如果子图G_r中所有顶点的需求都得到满足，将信道r分配给待分配顶点，然后在子图G_r中将该顶点以及与其相连的顶点删除，更新子图拓扑；如果子图中有顶点的需求没有得到满足，而此时待分配顶点需求也没有满足，将信道r分配给待分配顶点，然后在子图中将该顶点以及与其相连的顶点删除，更新子图拓扑；如果子图中有顶点的需求没有得到满足，而此时选择的顶点需求得到满足，此时该顶点退出本次信道r的分配，即在子图中将该顶点删除，更新子图拓扑。