CN106851658A - 基于图论的ofdma两层网络的频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法。在该两层OFDMA网络中，在下行链路场景下，宏基站与家庭基站共享频谱资源，本发明首先给宏基站用户分配频谱资源并保证宏基站用户满足一定的服务质量的要求。然后，在家庭基站用户满足一定的服务质量的前提下，基于图论建立模型简化实际问题。在图论的模型的基础上，通过加边、最大势搜索方法(MCS)计算出团的权重和团度，最后，用传统图论着色的方法结合团的权重和团度来最大化资源分配的效率。本发明提出的基于图论的动态资源分配方法有效的增加了系统的吞吐量，并实现了家庭用户的公平性的提高。

Description

基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法

技术领域

本发明公开了基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法，属于无线通信的技术领域。

背景技术

近年来，室内用户对网络的覆盖范围和高速率的要求越来越高，同时，这也就促进了家庭基站成为新一门研究热点。家庭基站以其“即插即用”、小功率和经济实用的特点，迅速被广大运营商所追捧。家庭基站主要使用在家庭和办公场所，以弥补宏基站的衰弱和不足，在网络上通过DSL(cable/Ethernet/WiMAX)将数据传输到运营商网络中。

但是正因为家庭基站“即插即用”的优点，也给家庭基站网络拓扑带来了动态性和不可预测性，因此动态的分配频谱在家庭基站网络拓扑上有其必要性。本发明利用图论对家庭基站的物理模型进行简化，将家庭基站简化为模型中的点，将家庭基站间的相互干扰简化成模型中点与点之间的边，将子带分配问题简化为着色问题，图论的应用在实际生活中有其实用操作性。

本发明结合图论中的团和传统着色方法，大大提高了点着色的效率和公平性。团内的点两两之间有边，而极大团就是增加任何一项点都会使团不再符合团的定义，也就是说，极大团不能被任何一个更大的团所包含。因此，极大团在资源竞争上是极大冲突区域。本发明对极大的资源冲突区域进行资源分配，每一个极大团都是一个独立的资源冲突区域，因此每个极大团都可以共享所有资源，大大简化了复杂度并且提高了资源分配的效率。

本发明是在OFDMA的下行链路的场景下运行。OFDMA把可用频带分成一系列正交的子信道，每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。OFDMA系统有着优越的性能，其优点主要在于频谱利用率较高。OFDMA系统中，子载波是相互正交的，之间没有保护间隔且频谱重叠，因此可以节省频谱资源，提高频带的利用率，也就是提高系统的吞吐量。

在两层网络模型中，频谱资源的分配模式分为宏基站和家庭基站不共用频谱、部分共用和共用频谱三类。在频谱资源越来越稀缺的今天，完全不共用频谱是不现实和不经济的。在本发明中，宏基站和家庭基站是共享频谱资源的，因此宏基站用户和家 庭基站用户同时需要面临两个干扰：跨层干扰和同层干扰。在宏基站和家庭基站共享频谱资源的同时，如何提高家庭基站的平均吞吐量和系统的吞吐量，与此同时还需降低方法的复杂度。因此，本发明优先保证宏用户的服务质量，在此基础上，考虑宏基站和其他家庭基站对家庭用户的干扰，基于图论来分配所有频谱，并在保证用户公平性的基础上，大大提高系统吞吐量。

发明内容

技术问题：本发明针对传统图论中根据度来分配资源精确度和效率低下、资源利用不充分的不足，提供一种性能优越、复杂度低的基于图论的两层OFDMA网络的频谱分配方法。

技术方案：1.基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法，该方法包括以下步骤：

1)建模：获取瞬时信道信息，基于图论建模G＝(V,E)。基于图论建立家庭基站的模型G＝(V,E)，V为图论中的点，代表家庭基站用户节点；E为图论中的边，代表用户之间的干扰。家庭基站的用户FUE_i收集本家庭基站的信道瞬时信息，包括家庭基站F_i到FUE_i的发射功率P_f以及瞬时信道增益g_i,i，其他所有家庭基站F的信道瞬时信息，其中包括其他家庭基站F到家庭基站用户节点FUE_i的信道的发射功率P_f以及瞬时信道增益g_j,i，其中j∈F，系统中的加性高斯白噪声N₀，求得目的节点FUE_i的瞬时的信干燥比为使家庭基站用户FUE_i满足SINR_i＞SIN_tR_h，(SINR_th为信干燥比的下限，通常为一个给定的常数。)将对FUE_i造成最大干扰的家庭基站加入集合I_i，并使得I_i中的家庭基站与FUE_i之间的边的值为1，即直至满足条件。

2)初始化：子带总数为R，所有用户的已被分配子带的集合为M。

3)加边：得到弦图G'＝(V,E')。求弦图，即将图三角化，在模型G＝(V,E)的基础上加边得到：G'＝(V,E∪F)，其中F就是所加的边。根据定理：uv是弦图中的边， 当且仅当uv∈E或者原图G中存在有路径u,x₁,x₂,…,x_k,v使得α(x_i)＜min{α(u),α(v)}，1≤i≤k，求得F，继而得到弦图G'＝(V,E∪F)＝(V,E')。

4)通过最大势方法(MCS)，在弦图G'＝(V,E')的基础上，求得弦图内所有极大团的集合为K。

5)根据公式公式公式以及公式求得每个极大团的权重w_K和每个点的团度(p_v,q_v)，其中代表v_k到v的信道增益，代表v_k对v的干扰，I_v代表点v所受的最大干扰。

6)更新：每个极大团的可以分配的子带的集合为N＝R∩M。

7)若K为空，此次分配结束；否则，根据每个极大团的权重w_K，优先选出权重最小的极大团k内的点进行优先分配，若同时存在有多个极大团的权重相同，优先选择已被分配子带数目最少的极大团k。

8)赋值：i＝1。每次给选出的极大团k内点分配子带时，令i＝1，在k的可着的颜色集N_k里遍历分配子带，其中N_k是第k个极大团里的可分配信道集。

9)若i＞|N_k|，则转步骤10)；否则，根据团度(p_v,q_v)对极大团k内的所有的点进行排序，优先选择团度最小的点v进行排序，若有多个点团度最小，则选择已被分配子带数目最少的点v，并将N_k(i)分配的分配给选出的v，其中|N_k|是第k个极大团里的可分配信道集的个数，N_k(i)是第k个极大团里的可分配子带集里的第i个子带。接着：i＝i+1。重复步骤9)。

10)更新：令k中所有的点为集合A，k中点的相邻点为集合B，则A和B内各点之间边为零，即E_v∈A,v∈B＝0,E_v∈B,v∈A＝0。并令团k中所有的点已被分配的颜色为集合M_k，则已分配的子带的集合为M＝M∪M_k。转步骤3)。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.资源分配方面，本发明提供了基于图论的两层OFDMA网络的频谱分配方法，该方法在对传统图论中度和团的深入理解上，在分配子载波时，通过团度提高精准度，能够获得更好的系统容量性能。

2.公平性方面，在资源分配时，虽然为了使系统容量达到最大，优先给干扰小的分配，但是本发明中当有多个干扰小的选择时，优先选择已被分配子载波少的，这样能保证并提高用户的公平性。

3.方法复杂度方面，原本的基于图论的建立的模型是一个NP-hard模型，为了简化系统模型以获得复杂度低的资源分配方法，通过本发明提供的团度的计算和分配方法，本发明首先将图变成弦图，再通过MCS方法求出所有极大团，利用极大团的概念进行优化分配，大大降低了资源分配的复杂度。

附图说明

图1为本发明方法的两层家庭基站网络的结构示意图。

图2为本发明方法的整体流程逻辑框图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图来对本发明作进一步的说明：

一、两层OFDMA家庭基站网络系统模型

在本发明中，本发明考虑下行OFDMA系统两层家庭基站网络系统模型，如附图1所示。在此模型中，宏基站和家庭基站共享频谱。宏基站位于本小区中心，其覆盖范围为：R_m，每个宏小区内随机分布M个宏用户和N个家庭基站。在家庭小区内部，一个家庭基站服务于一个家庭用户，家庭基站覆盖范围为：R_f。家庭基站和宏基站的发射功率分别固定为P_m和P_f，并且P_m＞P_f。子载波集合为C＝{1,2,…,C}，子载波的个数为C。资源分配矩阵为A＝[a_c,n]，矩阵的大小为C*(N+M)，当a_c,n＝1时，子载波c分配给用户n；否则，a_c,n＝0。

在附图1中，家庭基站的集合为：F＝{F₁,F₂,…F_i,…,F_N}，一个家庭基站服务于一个家庭用户，因此家庭用户可以和家庭基站用一样的下标来表示，家庭用户的集合 为：FUE＝{FUE₁,FUE₂,…FUE_i,…,FUE_N}，宏用户的集合为MUE＝{MUE₁,MUE₂,…MUE_l,…,MUE_M}。

为了避免宏用户和家庭用户之间的跨层干扰，本发明首先给每个宏用户分配一个子载波。当子带数目大于宏用户的个数时，每个宏用户可能被分配多个子载波。本发明首先保证宏用户的服务质量，即信干燥比。

宏用户MUE_l在子载波c上的信干燥比为：

其中g_M,l和g_i,l分别是家庭基站M和F_i到宏用户MUE_l的信道增益，N₀是加性高斯白噪声。

家庭基站F_i的家庭用户FUE_i在子载波c上的信干燥比为

其中g_i,i和g_j,i分别是家庭基站F_i和F_j到家庭用户FUE_i的信道增益，g_M,i是宏基站M到家庭用户FUE_i的信道增益。

在求取系统吞吐量的时候，利用衰减和截短的香农界来求得家庭用户FUE_i在子信道c上的频谱利用率[bps/Hz]：

其中α是损耗因子，SINR_min和SINR_max分别为最小和最大的SINR，C_min和C_max分别为用户FUE的最小和最大的频谱效率。用户FUE_i的总吞吐量C_i是所有分配给它的子信道上的吞吐量之和。

其中，B_c为信道c的带宽。

二、基于图论的两层OFDMA网络频谱分配方法

本发明基于图论建立干扰图模型G＝(V,E)，简化了实际物理场景中的干扰问题，降低了复杂度。其中V是家庭基站节点，E是连接这些家庭基站节点的边。本发明针对OFDMA下行链路的场景，因此相邻点会被分配以正交子载波，同时存在于相邻点之间的干扰会被消除。在干扰图里，加边，成了消除干扰的其中一种方式。若e_u,v∈E，e_u,v＝1则代表u和v之间没有干扰；否则，有干扰。

家庭基站F_i的家庭用户FUE_i的信干燥比为

SINR_i＞SINR_F,th (6)

其中，SINR_i,c根据公式(1)获得。本发明为了保证家庭基站的服务质量，给出家庭基站的信干燥比下限SINR_F,th。如果不满足公式(6)，将对家庭用户FUE_i构成最大干扰的家庭基站F_s放在集合Set_i里，并使得e_i,s∈E,e_i,s＝1，同时e_s,i∈E,e_s,i＝1，重复这个步骤，直到家庭用户FUE_i的信干燥比SINR_i＞SINR_F,th。

本发明基于图论中的极大团来分配频谱，已被证明，存在有一个多项式方法枚举出所有的极大团，因此只有先将图加边变为弦图，即G'＝(V,E∪F)＝(V,E')，其中，F为所加的边。图论中的弦图定义为：一个无向图中任意长度大于3的环都至少要有一个弦，弦又定义为连接环中不相邻的两个点的边。实现G'＝(V,E∪F)＝(V,E')：根据定理：uv是弦图中的边，当且仅当uv∈E或者原图G中存在有路径u,x₁,x₂,...,x_k,v使得α(x_i)＜min{α(u),α(v)}，1≤i≤k，求得F，继而得到弦图G'＝(V,E∪F)＝(V,E')。其中，一个无向图是弦图当且仅当该无向图有一个完美消除序列，完美消除序列定义为：一个点的序列(每个点出现且恰好出现一次)v₁,v₂,...,v_n满足v_i在{v_i,v_i+1,…,v_n}的诱导子图中为一个单纯点。诱导子图：单纯点定义为：当此点与它的邻接点构成的诱导子图为一个团，团中的点两两相连。

具体求得弦图如下：已知G＝(V,E)，且V中有n个点。

步骤1：初始化，并使得所有的V中的点的权重为零。

步骤2：依次从第n个到第1个进行循环操作：

步骤2-1：选择一个未被编号的最大权重w(v)，

步骤2-2：依次对所有未被编号的u∈V进行循环操作：

步骤2-2-1：如果有边uv或者路径u,x₁,x₂,...,x_k,v使得w(x_i)＜w(u)，1≤i≤k。

步骤2-2-2：S＝S∪{u}。

步骤2-3：对于所有的点u∈S，使得w(u)＝w(u)+1，如果使F＝F∪{uv}。

步骤2-4：α(v)＝i。

最终得到F，弦图G'＝(V,E∪F)＝(V,E')。

本发明在求得弦图之后，根据已证定理，通过最大势(MCS)和团树的方法枚举出所有的极大团。具体枚举过程如下：

步骤1：初始化：

步骤2：依次让i从第n个到第1个进行循环操作：

步骤2-1：选择一个使得|adj(v)∩L_i+1|最大的v:v∈V-L_i+1。

步骤2-2：α_v←i，v←v_i，new_card←|adj(v)∩L_i+1|

步骤2-3：如果new_card≤prev_card(开始一个新的极大团)：

步骤2-3-1：s←s+1，K_s←adj(v_i)∩L_i+1

步骤2-3-2：如果new_card≠0

步骤2-3-2-1：k←min{j|v_j∈K_s}，p←clique(v_k)，ε_T←ε_T∪{K_s,K_p}

步骤2-4：clique(v_i)←s，K_s←K_s∪{v_i}，L_i←L_i+1∪{v_i}，prev_card←new_card

最终得到所有弦图K_s。其中adj(v)为点v的邻点的集合。

本发明根据所枚举出的所有的极大团，通过公式公式公式以及公式求得每个极大团的权重w_K和每个点的团度(p_v,q_v)，其中和分别是家庭基站v_k到用户v的发射功率和信道增益。

本发明针对极大团进行研究，极大团的定义为：增加任何一点都不能再构成团，即极大团不是任何团的子集。极大团作为一个极大的资源竞争区域，在极大团内部的点，可以共享所有的资源。将极大团单独枚举出来，再对资源进行分配，不仅能降低本发明提出方法的复杂度，也能对该方法的资源利用效率得到有效的提高。

本发明首先对权重小的极大团进行资源分配，若同时存在有多个极大团的权重相同，优先选择已被分配子带数目最少的极大团。选择最小权重，目的在于最大化系统的吞吐量，而若有多个最小选择已被分配子带数目最小的，目的在于对公平性的考虑。

在选定极大团之后，再对极大团之中的点进行资源分配先后顺序的选择，按照团度的大小，首先对团度最小的点进行资源分配，若同时存在有多个团度最小的，优先选择已被分配子带数目最少的点。选择最小团度，目的在于最大化系统的吞吐量，而若有多个最小选择已被分配子带数目最小的，目的在于对公平性的考虑。

则本发明提出的基于图论的OFDMA二层网络频谱分配方法可以归纳为：

1)建模：根据公式(6)，基于图论建模G＝(V,E)。

2)初始化：子带总数为R，所有用户的已被分配子带的集合为M。

3)加边：得到弦图G'＝(V,E')。求弦图，即将图三角化，在模型G＝(V,E)的基础上加边得到：G'＝(V,E∪F)，其中F就是所加的边。根据定理：uv是弦图中的边，当且仅当uv∈E或者原图G中存在有路径u,x₁,x₂,…,x_k,v使得α(x_i)＜min{α(u),α(v)}，1≤i≤k，求得F，继而得到弦图G'＝(V,E∪F)＝(V,E')。

4)通过最大势方法(MCS)，在弦图G'＝(V,E')的基础上，求得弦图内所有极大 团的集合为K。

5)根据公式(7-10)，求得每个极大团的权重w_K和每个点的团度(p_v,q_v)。

6)更新：每个极大团的可以分配的子带的集合为N＝R∩M。

7)若K为空，此次分配结束；否则，根据每个极大团的权重w_K，优先选出权重最小的极大团k内的点进行优先分配，若同时存在有多个极大团的权重相同，优先选择已被分配子带数目最少的极大团k。

8)赋值：i＝1。每次给选出的极大团k内点分配子带时，令i＝1，在k的可着的颜色集N_k里遍历分配子带，其中N_k是第k个极大团里的可分配信道集。

9)若i＞|N_k|，则转步骤10)；否则，根据团度(p_v,q_v)对极大团k内的所有的点进行排序，优先选择团度最小的点v进行排序，若有多个点团度最小，则选择已被分配子带数目最少的点v，并将N_k(i)分配的分配给选出的v，其中|N_k|是第k个极大团里的可分配信道集的个数，N_k(i)是第k个极大团里的可分配子带集里的第i个子带。接着：i＝i+1。重复步骤9)。

10)更新：令k中所有的点为集合A，k中点的相邻点为集合B，则A和B内各点之间边为零，即E_v∈A,v∈B＝0,E_v∈B,v∈A＝0。并令团k中s所有的点已被分配的颜色为集合M_k，则已分配的子带的集合为M＝M∪M_k。转步骤3)。

Claims (1)

1.基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建模：获取瞬时信道信息，基于图论建模G＝(V,E)，基于图论建立家庭基站的模型G＝(V,E)，V为图论中的点，代表家庭基站用户节点；E为图论中的边，代表用户之间的干扰，家庭基站的用户FUE_i收集本家庭基站的信道瞬时信息，包括家庭基站F_i到FUE_i的发射功率P_f以及瞬时信道增益g_i,i；其他所有家庭基站F的信道瞬时信息，其中包括其他家庭基站F到家庭基站用户节点FUE_i的信道的发射功率P_f以及瞬时信道增益g_j,i,其中j∈F，系统中的加性高斯白噪声N₀，求得目的节点FUE_i的瞬时的信干燥比为使家庭基站用户FUE_i满足SINR_i＞SINR_th，SINR_th为信干燥比的下限，通常为一个给定的常数；将对FUE_i造成最大干扰的家庭基站加入集合I_i，并使得I_i中的家庭基站与FUE_i之间的边的值为1，即直至满足条件；

2)初始化：子带总数为R，所有用户的已被分配子带的集合为M；

3)加边：得到弦图G'＝(V,E')；求弦图，即将图三角化，在模型G＝(V,E)的基础上加边得到：G'＝(V,E∪F)，其中F就是所加的边；根据定理：uv是弦图中的边，当且仅当uv∈E或者原图G中存在有路径u,x₁,x₂,...,x_k,v使得α(x_i)＜min{α(u),α(v)}，1≤i≤k，求得F，继而得到弦图G'＝(V,E∪F)＝(V,E')；

4)通过最大势方法(MCS)，在弦图G'＝(V,E')的基础上，求得弦图内所有极大团的集合为K；

5)根据公式公式公式以及公式(p_v,q_v):p_v＝max_v:v∈Kw_K,求得每个极大团的权重w_K和每个点的团度(p_v,q_v)，其中代表v_k到v的信道增益，代表v_k对v的干扰，I_v代表点v所受的最大干扰；

6)更新：每个极大团的可以分配的子带的集合为N＝R∩M；

7)若K为空，此次分配结束；否则，根据每个极大团的权重w_K，优先选出权重最小的极大团k内的点进行优先分配，若同时存在有多个极大团的权重相同，优先选择已被分配子带数目最少的极大团k；

8)赋值：i＝1，每次给选出的极大团k内点分配子带时，令i＝1，在k的可着的颜色集N_k里遍历分配子带，其中N_k是第k个极大团里的可分配信道集；

9)若i＞|N_k|，则转步骤10)；否则，根据团度(p_v,q_v)对极大团k内的所有的点进行排序，优先选择团度最小的点v进行排序，若有多个点团度最小，则选择已被分配子带数目最少的点v，并将N_k(i)分配的分配给选出的v，其中|N_k|是第k个极大团里的可分配信道集的个数，N_k(i)是第k个极大团里的可分配子带集里的第i个子带；接着：i＝i+1。重复步骤9)；

10)更新：令k中所有的点为集合A，k中点的相邻点为集合B，则A和B内各点之间边为零，即E_v∈A,v∈B＝0,E_v∈B,v∈A＝0；并使团k中所有的点已被分配的颜色为集合M_k，则已分配的子带的集合为M＝M∪M_k；转步骤3)。