CN108235440A

CN108235440A - Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法和系统

Info

Publication number: CN108235440A
Application number: CN201810229795.1A
Authority: CN
Inventors: 曹叶文; 刘君
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: CN108235440B

Abstract

一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法和系统，所述方法包括：Femtocell网络家庭基站FBSs周期性地发送参考信号，Femtocell用户设备FUEs周期性地检测所述参考信号，根据检测到的参考信号强度确定家庭基站FBSs之间是否存在干扰；将所述Femtocell网络抽象成干扰图，其中，FBSs为顶点，若两个FBSs之间存在干扰，则所述两个FBSs之间有连线；基于所述干扰图为FBSs分配子信道，每个FBS最多只能被分配到一个子信道；根据每个FBS受到的总干扰信号强度进行子信道再分配。本发明的分配方法能够提高子信道利用率，提高公平性。

Description

Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法和系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法和系统。

背景技术

目前，越来越多的移动通信业务发生在室内，人们需要更大的网络吞吐量来满足日益增长的室内通信需求。传统的宏基站网络面对持续高速增长的室内通信业务，显得难以应付。因为宏基站网络不能全面覆盖室内通信面积，而且与室内用户进行通讯时，容易受到墙壁的穿透损耗，从而大大减弱通信质量。而Femtocell 技术的出现，为上述困景带来了希望。Femtocell网络中，家庭基站(Femtocell Base Station,FBS)是一种低成本低功耗，由用户部署的即插即用的小型基站，能有效地提高室内覆盖率和数据传输速率。

然而，随着家庭基站部署得越来越密集，越来越多的用户争夺数量固定的频谱资源，当下的频谱资源就显得稀缺，这就需要使用共信道频谱资源占用机制。在Femtocell网络中，通信距离短，家庭基站的发送功率低，随着接入的家庭基站数目的增加，越来越多的家庭基站占用相同的子信道，在Femtocell网络中的共层干扰不可避免。如果占用相同子信道的用户数量大，Femtocell网络层的干扰将变得非常严重，这将极大地限制数据传输速率，影响用户体验。较高的墙壁穿透损耗会减弱Femtocell网络系统与Macrocell网络系统之间的干扰，所以跨层干扰相对不严重。

因此，想要大规模地推广Femtocell技术，就需要有效的干扰避免策略。近年来，具有干扰认知能力的Femtocell网络受到研究者的关注，家庭基站能感知到其他家庭基站对自己造成的干扰大小。图论中的图着色算法因为较低的计算量也被运用在了子载波分配方法里。Serkan Uygungelen等人在《2011 IEEE 73rd Vehicular TechnologyConference(VTC Spring)，Japan，2011：1-6》上发表了题为“Graph-Based DynamicFrequency Reuse in Femtocell Networks”的文章。该文章针对具有认知能力的Femtocell网络，改进了传统的图着色算法在频谱资源分配上的策略，提出了修正图着色算法，重复利用已分配的子载波，提高了子载波利用率和Femtocell系统的吞吐量。但是，由于该算法极大地提高子载波利用率，因而在用户之间就产生了较高的干扰值，这不能有效地保证用户服务质量(Quality of Service,QoS)，导致用户体验不佳。

目前，大多数研究者在设计Femtocell网络里的子载波分配算法时，为了提高频谱资源利用率增大网络吞吐量，往往忽略了用户服务质量。因此，针对存在的高干扰Femtocell网络，有必要考虑在干扰门限的前期下，设计出提高子载波利用率、增加网络吞吐量并且维持较高用户公平性的方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法和系统。在保证干扰门限的前提下，对用户进行子信道再分配，提高了子信道的利用率以及公平性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，包括以下步骤：

Femtocell网络基站FBSs周期性地发送参考信号，Femtocell用户设备FUEs 周期性地检测所述参考信号，根据检测到的参考信号强度确定基站FBSs之间是否存在干扰；

将所述Femtocell网络抽象成干扰图，其中，FBSs为顶点，若两个FBSs之间存在干扰，则所述两个FBSs之间有连线；

基于所述干扰图为FBSs分配子信道，每个FBS最多只能被分配到一个子信道；

根据每个FBS受到的总干扰信号强度进行子信道再分配。

进一步地，所述方法还包括初始化Femtocell网络基站FBSs数目、编号、发送功率和干扰阈值，并且对可用子信道数目进行顺序编号。

进一步地，所述根据检测到的参考信号强度确定基站之间是否存在干扰包括：如果FUE i接收到FBS j的参考信号强度与其接收到的FBS i的参考信号强度大于干扰阈值，那么就判定FBS i和FBS j之间干扰存在。

进一步地，所述分配子信道包括：

与FBS i相邻的所有未被分配子信道的FBS数目记为θi，初始时刻，θi等于FBS i的顶点度，所用FBSs均属于未被分配子信道群；

对未分配子信道的FBSs根据θi进行排序，给θi最大的FBS分配子信道；

如果有两个或两个以上FBSs的θi相同，为其中极大团数最大的FBS分配子信道；

如果有两个或两个以上FBSs所在的极大团数相等，为其中编号最小的FBS分配子信道。

进一步地，确定待分配子信道后，

为所述待分配子信道的FBS i按编号顺序分配子信道，设当前子信道为第m 个；

如果与FBS i相邻的用户占用了子信道m，把m+1子信道分配给FBS i；

如果把子信道m分配给FBS i，网络中其它占用子信道m的FBSs受到的总干扰信号强度超过了阈值，把m+1子信道分配给FBS i；

为FBS i分配子信道完毕后，把FBS i从未被分配子信道的FBSs的集合中删去。

进一步地，若FBS i被分配到一个子信道或m+1大于M，将FBSi从未被分配子信道群中删去。

进一步地，所述分配子信道的终止条件为：未被分配子信道群为空。

进一步地，所述子信道再分配包括：

统计每个FBS受到的总干扰信号强度，确定承受干扰信号强度大的FBSi；

判断FBSi的总干扰信号强度超过阈值，若超过，不为FBSi分配子信道；

若不超过，选择使FBSi受到干扰最小的子信道分配给FBSi；

判断FBSi占用该子信道时，是否有其他FBS受到的干扰信号强度超过阈值，若是，不为FBSi分配该子信道。

进一步地，所述子信道再分配的终止条件为：任何一个FBS占用任何一个未分配给该FBS的子信道都会使网络里至少一个FBS受到的干扰超过阈值。

根据本发明的第二目的，本发明还提供了一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配系统，基站FBSs周期性地发送参考信号，Femtocell用户设备FUEs 周期性地检测所述参考信号并发送至计算装置；所述计算装置包括存储器、处理器，所述存储器上存储可执行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现：

根据检测到的参考信号强度确定基站FBSs之间是否存在干扰；

根据每个FBS受到的总干扰信号强度进行子信道再分配。

根据本发明的第三目的，本发明还提供了一种Femtocell网络中用于频谱资源分配的服务器，

接收Femtocell用户设备FUEs周期性地检测基站FBSs周期性发送的参考信号得到的参考信号强度，并根据所述参考信号强度确定基站FBSs之间是否存在干扰；

根据每个FBS受到的总干扰信号强度进行子信道再分配。

本发明的有益效果

1、本发明提出的频谱分配方法，以用户所受的干扰在阈值范围内为原则进行子信道分配，保证了通信质量；

2、本发明在保证了用户所受的干扰在阈值范围内的前提下进行了两次子信道分配，极大提高了子信道利用率，从而提供了系统吞吐率，避免了现有分配方法中，由于干扰过大而使吞吐量为零的情况出现，因而本发明即使在用户数目多的情况下，也能维持较高全局公平性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明频谱资源分配的流程图；

图2为本发明基于干扰图进行子信道分配的流程图；

图3为本发明子信道再分配的流程图；

图4为四种算法下的家庭基站系统的吞吐量；

图5为四种算法下的家庭基站系统的资源利用效率；

图6为四种算法下的家庭基站系统的全局公平性。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和 /或它们的组合。

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组合。

实施例一

为了优化Femtocell网络里频谱资源的分配，减小用户间干扰，提高网络吞吐量，本发明提出了一种基于干扰门限的频谱资源分配方法。图1-3给出了本方案的流程，具体实施步骤如下：

第一步：初始化Femtocell用户数目N和编号、用户所在地址、用户干扰阈值Th，以及家庭基站发送功率。Femtocell网络可用子信道数目并从1开始顺序编号。

其中，采用正交频分多址技术把系统带宽分割成若干正交的子信道，接入不同子信道的用户之间不会产生频谱干扰，M＝{1,...M}表示所有Femtocell网络可用的子信道。同一时刻，同一用户可以占用多个正交子信道。

第二步：FBSs周期性发送参考信号，FUEs周期性检测参考信号，受到的参考信号强度为P_i,j＝P_jG_i,j，P_j为FBS j的发送功率,G_i,j为FUE i和FBS j之间的信道增益，包括路损和阴影效果，并把检测的结果发送给与之服务的FBS。

如果：P_i,i＜P_i,j+Th，那么就判定FBS j干扰FBS i，上式的P_i,j为FUE i收到 FBS j的参考信号强度，P_i,i为FUE i接收到FBS i的信号功率。FBS j干扰FBS i 表明，如果FBS i占用的子信道，FBS j将不能占用。我们用矩阵A＝[a_i,j]_N×N来表示用户的相互干扰情况：

式中P_i,i为FUE i接收到FBS i的信号功率，a_i,j的定义如下：

第三步：将Femtocell网络抽象成干扰图，其中FBS抽象成顶点，顶点的连线抽象成干扰。如果两个顶点之间存在干扰，则这两个顶点之间形成连线。之间有连线的两用户，它们的关系被称为相邻。相邻的用户不能占用同一子信道。对于给定图G＝(V,E)，其中V＝{1,...,V}是图G的顶点集，E是图G的边集。图G的团就是一个两两之间有边的顶点集合。团是G的一个完全子图。如果一个团不被其他任一团所包含，即它不是其他任一团的真子集，则称该团为图G的极大团。顶点度是指和该顶点相关联的边的条数。

第四步：分配子信道，此步骤每个用户最多只能被分配到一个子信道。用θi 表示与FBS i相邻的所有未被分配子信道的FBS数目，初始化的时刻，θi等于 FBS i的顶点度，所用用户都属于未被分配子信道群。

在未被分配子信道的FBSs中，先给拥有最大θi的FBS分配子信道，如果有大于1个的FBSs拥有相同的θi，那在这些FBSs中，先给所在的极大团数最大的 FBS分配子信道，如果有大于1个的FBSs所在的极大团数相等，那在这些FBSs中，先给编号最小的FBS分配子信道。给待分配子信道的FBS i分配编号为1的子信道m(m＝1)；

如果与FBS i相邻的用户占用了子信道m，则FBS i不能占用子信道m，并把编号为m+1的子信道分配给FBS i；

如果把子信道m分配给FBS i后，网络中其它占用子信道m的用户受到的总干扰信号强度超过了阈值，则FBS i不能占用子信道m，并把编号为m+1的子信道分配给FBS i。重复上述判断和步骤，直至FBS i被分配到了一个子信道或m+1大于M。

第五步：一旦FBS i被分配到一个子信道或经过上述步骤判定FBS i不能被分配到子信道，就把FBSs从未被分配子信道群中删去。

第六步：重复步骤四和五，直至未被分配子信道群为空。

第七步：接下来进行再分配子信道，目的是为了提高频谱利用率。经过步骤四-六之后，统计每个FBS受到的总干扰信号强度，从大到小排序，先给承受干扰信号强度大的用户分配子信道。如果FBS i的总干扰信号强度超过阈值，就不再给FBS i分配子信道。给FBSi分配子信道m时，在可选的子信道中，优先选择使FBS i受到干扰最小的子信道。如果FBSi占用子信道m后，其他至少一个用户受到的干扰信号强度超过阈值，就不给FBS i分配子信道m。

第八步：重复步骤七，直至任何一个FBS占用任何一个未分配给该FBS的子信道都会使网络里至少一个FBS受到的干扰超过阈值。

用矩阵H＝[h_m,i]_M×N表示子信道分配情况：

上述分配方案结束后，根据3GPP协议，用下式计算FBS i占用子信道m的吞吐量：

其中，B表示信道带宽，表示信号与干扰加噪声比，计算如下：

其中η表示加性高斯白噪声，N＝{1,...N}表示家庭基站集合，表示除去FBS i的其它用户。Femtocell网络系统总吞吐量计算公式如下：

计算频谱资源利用率用下式表示：

为计算全局公平系数，本发明利用Jain式公平系数，公式如下：

其中D_n表示用户n要求的最小子信道数目。如果 TSR(n)＝1，则满足了该用户最小频谱资源要求；如果TSR(n)＞1，则表示该用户的频谱资源要求已经过满足了。F的值在0到1之间，值越大，表示公平性越高。

实施例二

本实施例提供了一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配系统，家庭基站FBSs周期性地发送参考信号，Femtocell用户设备FUEs周期性地检测所述参考信号并发送至计算装置；所述计算装置包括存储器、处理器，所述存储器上存储可执行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现：

根据检测到的参考信号强度确定家庭基站FBSs之间是否存在干扰；

根据每个FBS受到的总干扰信号强度进行子信道再分配。

具体的实现方式参见方法实施例。

实验结果

本发明与现有技术中的部分频谱资源分配方案相比，存在诸多优势，如保证用户所受的干扰在阈值范围内，再分配子信道极大提高了子信道利用率。本发明能提高系统吞吐量，保证用户通信质量。

为了验证本发明提出的方案，用MATLAB软件进行仿真实验。假设家庭基站用户随机分布在Femtocell网络中，用户通信保持严格同步。用户接收端的加性高斯白噪声σ²＝10^-10W，用户发送功率为100mW,信道带宽B＝360kHz，正交子信道数目M＝6，干扰阈值Th＝-19dbmW，室内路径损耗指数为3，室内外为3.5,Γ_min＝5， Γ_max＝20。C_min＝0，C_max＝6.7Mbps。。

图4显示的是本发明提出的方法和其它三种方法下的Femtocell网络吞吐量的影响效果。其它三种方案分别是：Serkan Uygungelen发表了的题为“Graph-Based DynamicFrequency Reuse in Femtocell Networks”的文章中提出的方法，简称 GB-DFR方法；D.Brelaz发表的文章“New Methods to Color the Vertices of A Graph”，简称传统图着色方法；随机子信道分配方法。从图3可以看出，本发明提出的方法能获得最大网络吞吐量。因为本发明通过再分配子信道步骤，提高了子信道利用率，并很好地控制了每个用户受到的干扰在干扰阈值范围内；GB-DFR 方法虽然也提高了子信道利用率，但是却忽视了高利用率带来的用户之间高干扰，从而使通信质量下降，并且随着用户数目的增加，用户间干扰急剧增大，从而极大地减小网络的吞吐量；传统图着色方法用了最简单的图着色算法，子信道利用率很低，所以网络吞吐量也低；随机分配子信道方法是这四种方法中效果最差的，因为该方法忽略了用户之间的高干扰会严重降低用户的吞吐量，也没有提高子信道利用率。

图5显示的是本发明提出的子信道分配方法和其它三种分配方案下的 Femtocell网络资源利用效率。可以看出，本发明的方法占优势，因为本发明控制了用户所受干扰在一定阈值范围内，而其他方法忽略了这一点。在用3GPP协议计算网络吞吐量后，在其它三种方法下，有些用户由于干扰过高从而使用户吞吐量为零，降低子信道利用率。

图6显示的是本发明提出的子信道分配方法和其它三种分配方案下的 Femtocell网络公平性效果意图。从图中我们可以看出，传统图着色方法的全局公平性在用户数目不多的情况下，能保持较高的水平。因为传统图着色方法能避免相邻用户不占用相同子信道，在用户数目小的情况下，能维持用户干扰值不超过干扰阈值。但在用户数目多的情况下，占用相同子信道且不相邻的用户数目可能出现较多的情况，这就会使占用这个子信道的用户受到较高的干扰，从而使用户吞吐量为零，降低公平性。本发明提出的方法能保持可观的公平性，因为本方法通过再分配子信道步骤，增加了子信道利用率，从而提高公平性。

综上所述，本发明提出的频谱分配方法，以用户所受的干扰在阈值范围内为原则进行子信道分配，保证了通信质量；并且，通过两次子信道分配，极大提高了子信道利用率，从而提供了系统吞吐率，避免了现有分配方法中，由于干扰过大而使吞吐量为零的情况出现，因而本发明即使在用户数目多的情况下，也能维持较高全局公平性。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，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。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

Femtocell网络基站FBSs周期性地发送参考信号，Femtocell用户设备FUEs周期性地检测所述参考信号，根据检测到的参考信号强度确定基站FBSs之间是否存在干扰；

根据每个FBS受到的总干扰信号强度进行子信道再分配。

2.如权利要求1所述的一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，其特征在于，所述方法还包括初始化Femtocell网络基站FBSs数目、编号、发送功率和干扰阈值，并且对可用子信道数目进行顺序编号。

3.如权利要求2所述的一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，其特征在于，所述根据检测到的参考信号强度确定基站之间是否存在干扰包括：如果FUE i接收到FBS j的参考信号强度与其接收到的FBS i的参考信号强度大于干扰阈值，那么就判定FBS i和FBS j之间干扰存在。

4.如权利要求2所述的一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，其特征在于，所述分配子信道包括：

5.如权利要求4所述的一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，其特征在于，确定待分配子信道后，

为所述待分配子信道的FBS i按编号顺序分配子信道，设当前子信道为第m个；

6.如权利要求5所述的一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，其特征在于，若FBS i被分配到一个子信道或m+1大于M，将FBSi从未被分配子信道群中删去。所述分配子信道的终止条件为：未被分配子信道群为空。

7.如权利要求1所述的一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，其特征在于，所述子信道再分配包括：

若不超过，选择使FBSi受到干扰最小的子信道分配给FBSi；

8.如权利要求7所述的一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配方法，其特征在于，所述子信道再分配的终止条件为：任何一个FBS占用任何一个未分配给该FBS的子信道都会使网络里至少一个FBS受到的干扰超过阈值。

9.一种Femtocell网络中基于干扰门限的频谱资源分配系统，其特征在于，基站FBSs周期性地发送参考信号，Femtocell用户设备FUEs周期性地检测所述参考信号并发送至计算装置；所述计算装置包括存储器、处理器，所述存储器上存储可执行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现：

根据检测到的参考信号强度确定基站FBSs之间是否存在干扰；

根据每个FBS受到的总干扰信号强度进行子信道再分配。

10.一种Femtocell网络中用于频谱资源分配的服务器，其特征在于，

根据每个FBS受到的总干扰信号强度进行子信道再分配。