CN109068388B - 一种基于四色定理的用于5g网络的动态频率复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四色定理的用于5G网络的动态频率复用方法，包括如下步骤：步骤1，将5G网络中所有的频谱等分成4个子载波列表，4个子载波分别记为f2、f3、f4、f5；步骤2，每天凌晨或网络架构变动时，系统处理单元根据四色定理将4个子载波分配给当天5G网络中的所有小区，同时，系统处理单元根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户，给小区中心用户分配f1，f1表示5G网络单载频带宽，根据子载波列表给小区边缘用户分配相应小区的子载波f2、f3、f4、f5。

Description

一种基于四色定理的用于5G网络的动态频率复用方法

技术领域

本发明涉及一种基于四色定理的用于5G网络的动态频率复用方法。

背景技术

现在暂未有专门为5G网络专门制定的有效频率复用方案，主流的5G频率复用方案仍沿用基于蜂窝网络的LTE频率复用方案。现有技术应用情况分析如下：

现有频率复用方案未针对5G超密度组网带来的新干扰问题：由于5G采用3.5G/4.9G高频段，单站覆盖范围较小需采用超密度组网进行连续覆盖，主要用于CBD等热点地区容量吸收。其组网架构类似于“滴灌站”分布，原有的LTE基于三扇区基站的蜂窝结构被严重破坏。且由于5G的频段高，穿透能力弱，覆盖范围小，环境的微小变化(如：周边新停了一辆公交车、新搭建一个广告台等)都会影响原有的5G网络结构。因此现有基于蜂窝网络的LTE频率复用方案都不能较好的解决5G网络频率干扰问题。

在5G环境下，部分频率复用(FFR)和基本型SFR，两者都是固定频率分配方案(基本型SFR也仅仅改变了功率比)，在实际组网中，用户是移动的，业务分布可能极不均衡，因此需要通过动态频率分配来适应实际情况。此外，5G超密度组网增加/搬迁基站非常频繁，且网络结构受环境变化影响较大，这两种方案在增加/搬迁基站时，需要重新调整基站的频率分配方案，大幅增加了运营商的工作量，同时无法针对网络结构变化做出调整，干扰严重。

增强的软频率复用是软频率复用的改进模式，在一定程度上减少了干扰，提高了频谱利用效率，但其极大增加了基站天线的复杂度以及调度器的计算量，因此LTE现网尚未部署应用。此外，增强型SFR(包括部分频率复用和基本型SFR)都是基于理想蜂窝结构构建的，5G网络部署类似于“滴灌站”，蜂窝结构破坏严重，许多区域(尤其是建筑密集的CBD等区域)4个以上的基站信号，届时会存在严重的同频干扰。

5G网络部署的实际情况需要采用动态频率分配方案，但是现有的增强型SFR基于理想蜂窝结构且太过复杂，无法很好的解决5G网络干扰问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于四色定理的用于5G网络的动态频率复用方法，包括如下步骤：

步骤1，将5G网络中所有的频谱等分成4个子载波列表，4个子载波分别记为f2、f3、f4、f5；

步骤2，每天凌晨或网络架构变动时，系统处理单元根据四色定理将4个子载波分配给当天5G网络中的所有小区，使得任意相邻小区的子载波不同同时，系统处理单元根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户，给小区中心用户分配f1，f1表示5G网络单载频带宽，根据子载波列表给小区边缘用户分配相应小区的子载波f2、f3、f4、f5。每天根据网络结构，即小区邻区关系，给每个小区分配一个子载波(f2、f3、f4、f5)，这样的对应关系列表称为子载波列表，如A小区分配了f2，B小区分配了f3，那么在A小区的边缘用户即使用子载波f2；B小区的边缘用户使用子载波f3；

步骤1中，所述5G网络中小区结构为全向基站或者三扇区基站，全向基站视为一个小区，三扇区基站也视为一个小区。

步骤2中所述网络架构变动，是指增加或者搬迁基站。

步骤2中所述系统处理单元是指根据四色定理给所有网络小区分配4个子载波，同时为边缘区域用户分配4个子载波的系统模块，该系统模块集成在核心网(参见https://baike.baidu.com/item/％E6％A0％B8％E5％BF％83％E7％BD％91/9849330)、基站或者BBU设备中。系统模块实际上是一种每天根据网络架构分配子载波的功能模块，是个软件功能，不是硬件，可以通过软件升级实现。具体通过5G核心网的AMF(接入和移动性管理功能)、UPF(用户面功能)和基站的BBU进行功能、算法升级实现。

步骤2中所述系统处理单元根据四色定理将5G网络中所有的小区用1、2、3、4这四个数字来标记，并且相邻的小区不会得到相同的数字。

步骤2中所述系统处理单元将子载波f2分配给标记位1的小区，将子载波f3分配给标记位2的小区，将子载波f4分配给标记位3的小区，将子载波f5分配给标记位4的小区。

步骤2中，所述系统处理单元根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户，具体包括：以业界公认的近点(RSRP＝-80dBm)、中点(RSRP＝-95dBm)、远点(RSRP＝-105dBm)中的远点指标作为小区边缘的门限值M(4G一般采用如下值：

近点RSRP＝-80dBm；

中点RSRP＝-95dBm；

远点RSRP＝-105dBm

5G由于尚未有网络，因此还没有公认指标，5G RSRP可能比4G低5dB左右)，或者以运营商指定的RS-SINR/RSRP(RS-SINR：公共参考信号的信号与干扰加噪声比；RSRP：参考信号接收功率)数值作为门限值M，信号指标小于门限值M的区域即为小区边缘用户，其他都是中心用户。

步骤2中，当小区边缘用户在T1时间内RS-SINR/RSRP持续大于门限值M时，将该用户属性变为小区中心用户，始终为该用户分配f1；当小区中心用户的RS-SINR值在T1时间内RS-SINR/RSRP持续小于门限值M时，将该用户属性变为小区边缘用户，根据子载波列表分配相应的子载波f2、f3、f4、f5。

有益效果：本申请提案具有以下技术优点：

1、适合5G网络架构，减少网络干扰

5G组网架构类似于“滴灌站”分布，原有的LTE基于三扇区基站的蜂窝结构被严重破坏。且由于5G的频段高，穿透能力弱，覆盖范围小，环境的微小变化(如：周边新停了一辆公交车、新搭建一个广告台等)都会影响原有的5G网络结构。本方案采用四色定理分配子频谱，不依赖蜂窝结构，在不规则网络结构中也可以很好的规避干扰。

2、动态调整频谱

本方案可以根据用户信号情况动态调整频谱，使得信号较好的小区中心用户分配全部频谱，提升高业务量需求小区的峰值吞吐量，提升用户感知；信号较差的小区边缘用户根据四色定理分配相应的子频谱，减少小区干扰。

3、实现复杂度低

与增强型SFR需要多基站协调处理相比，本方案只需要考虑本小区用户网络情况，不需要考虑邻近小区的网络情况，因此本方案实现复杂度较低，对网络的改动较少。

4、现网适用性强

本方案实现简单，适宜应用于现网任何区域，尤其适用于CBD/密集城区等超密度组网、蜂窝结构被破坏、干扰严重的区域。可以很好的解决提高频谱效率与降低实现复杂度之间的矛盾。

5、网络运维方便

本方案实现简单，每个基站只需要收集、监控本小区内用户网络情况，基站之间不需要协同，在5G网络频繁增加/搬迁基站等网络变动情况下自动生成合理的小区分配子载波列表，不需要修改任何参数，网络运维非常方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为部分频率复用示意图。

图2为第一种部分频率复用划分方式。

图3为第二种部分频率复用划分方式。

图4为基本型软频率复用示意图。

图5为增强型软频率复用小区划分示意图。

图6为增强型软频率复用示意图。

图7为基于四色定理的动态频率复用方法示意图。

图8为基于四色定理的动态频率复用方案举例示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

现有的LTE频率复用方案主要有部分频率复用(FFR)，和软频率复用(SFR)，SFR又分为基本型SFR和增强型SFR。

1、部分频率复用(FFR)

对于LTE系统而言，其采用的独特的OFDMA的接入方式，使得本小区内的用户之间互不干扰，而对于小区边缘的用户则收到来自于其他小区的比较强的干扰。部分频率复用的核心思想在于将处于小区中心和小区边缘的用户区别对待，对于小区中心的用户，由于其距离基站距离比较近，信道条件较好，且本身对其他小区的干扰不大，所以可以将其分配在频率复用因子为1的复用集上。而对于小区边缘的用户，其距离自身的服务基站距离较远，信道条件较差，但其对于其他小区处于相同频率的信号的干扰又较大，所以将其分配在频率复用因子为3的频率复用集上，见图1。

固定频率复用方式可包括以下两种方式：

(1)使用40MHz频谱，划分为4个10MHz频带，如图2进行分配；

每个小区实际可用频谱为20MHz。其中两个小区可使用连续的20MHz带宽(f1+f2小区，f1+f3小区)，另一个小区只能使用2个分离的10MHz带宽(f1+f4小区)，频谱配置方式较为复杂。

(2)使用20MHz频谱，内部划分为4个5MHz子频带，如图3进行分配；

每个小区在20MHz的频宽下，小区边缘弱信号区域实际可用带宽为5MHz，小区内部强信号区实际可用频谱为10MHz。

2、软频率复用(SFR)

软频率复用继承了部分频率复用的优点，同时采用动态的频率复用因子，比较明显地提高了频率的利用效率。在软频率复用中，所有的频段被分成了两组子载波，一组称为主子载波，另外一组称为辅子载波。主子载波可以在小区的任何地方使用，而辅子载波则只能在小区中心被使用。不同小区之间的主子载波相互正交，在小区边缘有效地抑制了干扰，而辅子载波由于只在小区中心使用，相互之间干扰较小，则可以使用相同的频率。

(1)基本型SFR

在20MHz带宽下，划分为3个6.67MHz频带作为主子载波，供相邻的3个小区边缘各使用一个；同时各小区中心区域使用本小区另外的2/3频谱，如图4所示；

在这种方式下，小区中心使用2/3的可用频谱，小区边缘使用1/3的可用频谱。

(2)增强型SFR

虽然软频率复用对于小区边缘干扰情况的抑制，以及子载波的灵活分配都已有了一定的考虑，但是其分配给不同小区的相互正交的主子载波仍然会带来一定程度的资源浪费，尤其是当小区边缘的业务量较大时，会带来小区之间的频率复用因子增高、频谱利用率下降等后果。增强的软频率复用方案继承了传统的软频率复用的思想，又在其基础上进行了改进，主要在于改进了在业务量变化时可能带来的资源浪费的问题。

在20MHz频谱下，划分为3个频带作为主子载波，同时20MHz频带作为辅子载波只在小区中心使用，如图5和图6所示；

不仅f2、f3、f4的占用带宽根据各小区边缘区域的业务量动态调整，根据业务量大小，各小区中心区域可用频谱也可达到为20MHz。

改进型SFR采用动态配置方式，需要了解周围小区的负载信息，因此需与ICIC(小区间干扰协调)技术配合使用，才能达到良好的效果。

本发明具体内容如下：

(1)方案原理

将所有的频谱等分成4个子频谱。根据四色定理，可以用4个子频谱覆盖所有网络小区，使得任意两个相邻小区之间子频谱不同。

实际网络运行中，在基站扇区中心(本小区信号较好，对其它小区干扰较小的区域)分配给用户所有的频谱，以增加扇区整体吞吐量。在基站扇区边缘区域(本小区信号较差，对其它小区干扰严重的区域)，根据系统生成的四色子频谱覆盖小区列表，使用分配给该小区的子频谱，减少对其它小区的干扰。

(2)方案详细描述

预计网络单载频带宽为N，小区结构为全向基站或者三扇区基站，全向基站视为一个小区，三扇区基站也视为一个小区(详见示意图7)。

系统处理单元：即5G系统根据四色定理给所有网络小区分配子载波列表，同时为边缘区域用户分配子载波的系统模块，可以在核心网和基站中新增相应模块，也可以集成在核心网和BBU设备中。

四色定理：通俗而言即“任何一张地图只用四种颜色就能使具有共同边界的国家着上不同的颜色。”也就是说在不引起混淆的情况下一张地图只需四种颜色来标记就行。用数学语言表示即“将平面任意地细分为不相重叠的区域，每一个区域总可以用1234这四个数字之一来标记而不会使相邻的两个区域得到相同的数字。”这里所指的相邻区域是指有一整段边界是公共的。如果两个区域只相遇于一点或有限多点就不叫相邻的。因为用相同的颜色给它们着色不会引起混淆。

子载波分配方案：每天凌晨，系统处理单元根据四色定理给当天网络的所有小区分配子载波列表，以保证任意相邻小区的子载波不同。子载波分别为f2、f3、f4、f5。

如图7所示，小区中心和小区边缘界定方法：以业界公认的近点、中点、远点中的远点指标作为小区边缘的门限值，或者以运营商指定的RS-SINR/RSRP数值作为门限值M，信号指标小于门限值的区域即为小区边缘。当用户相关指标变化时(中心用户指标大于门限值/边缘用户指标小于门限值)，需经过迟滞时间T1，在T1时间内用户指标始终保持在变化后范围内，系统将用户属性相应改变。

本发明具体包括如下步骤：

步骤1，将5G网络中所有的频谱等分成4个子载波列表，4个子载波分别记为f2、f3、f4、f5；

步骤2，每天凌晨或网络架构变动时，系统处理单元根据四色定理将4个子载波分配给当天5G网络中的所有小区，同时，系统处理单元根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户，给小区中心用户分配f1，f1表示5G网络单载频带宽，根据子载波列表给小区边缘用户分配相应小区的子载波f2、f3、f4、f5。

步骤1中，所述5G网络中小区结构为全向基站或者三扇区基站，全向基站视为一个小区，三扇区基站也视为一个小区。

步骤2中所述网络架构变动，是指增加或者搬迁基站。

步骤2中所述系统处理单元是指根据四色定理给所有网络小区分配4个子载波，同时为边缘区域用户分配4个子载波的系统模块，该系统模块集成在核心网、基站或者BBU设备中。

步骤2中所述系统处理单元根据四色定理将5G网络中所有的小区用1、2、3、4这四个数字来标记，并且相邻的小区不会得到相同的数字。

步骤2中所述系统处理单元将子载波f2分配给标记位1的小区，将子载波f3分配给标记位2的小区，将子载波f4分配给标记位3的小区，将子载波f5分配给标记位4的小区。

步骤2中，所述系统处理单元根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户，具体包括：以业界公认的近点(RSRP＝-80dBm)、中点(RSRP＝-95dBm)、远点(RSRP＝-105dBm)中的远点指标作为小区边缘的门限值M，或者以运营商指定的RS-SINR/RSRP数值作为门限值M，信号指标小于门限值M的区域即为小区边缘用户。

步骤2中，当小区边缘用户在T1时间内RS-SINR/RSRP持续大于门限值M时，将该用户属性变为小区中心用户，始终为该用户分配f1；当小区中心用户的RS-SINR值在T1时间内RS-SINR/RSRP持续小于门限值M时，将该用户属性变为小区边缘用户，根据子载波列表分配相应的子载波f2、f3、f4、f5。

实施例

假设某运营商5G网络所有基站采用三扇区模式组网，其频谱带宽为100MHz；以RS-SINR＝0dB作为小区边缘用户界定的门限值；迟滞时间T1为5秒；系统处理单元集成在核心网和BBU中。

该方案截取大网中的简单网络进行示例：该实施例中有两个三扇区基站(分配子载波为f3、f4)，两个全向站(分配子载波为f2、f5)组成，相邻基站的子载波互不相同；实施例将100MHz频谱带宽分成4个25MHz带宽的子载波，从低到高分别为f2、f3、f4、f5。方案运行过程如下(参考图8)：

初始运行时，核心网相关处理单元根据四色定理给当天网络的所有小区分配子载波列表(f2、f3、f4、f5)，以保证任意相邻小区的子载波不同；BBU给小区中心用户(RS-SINR≥0dB)分配f1(100MHz)带宽，小区边缘用户(RS-SINR<0dB)根据子载波列表分配相应的子载波(f2、f3、f4、f5)；

当某小区边缘用户的RS-SINR值在5s内持续大于0dB，BBU将该用户属性变为小区中心用户，始终为该用户分配f1(100MHz)带宽；

当某小区中心用户的RS-SINR值在5s内持续小于0dB，BBU将该用户属性变为小区边缘用户，根据子载波列表分配相应的子载波(f2、f3、f4、f5)。

本发明提供了一种基于四色定理的用于5G网络的动态频率复用方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种基于四色定理的用于5G网络的动态频率复用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将5G网络中所有的频谱等分成4个子载波列表，4个子载波分别记为f2、f3、f4、f5；

步骤2，每天凌晨或网络架构变动时，系统处理单元根据四色定理将4个子载波分配给当天5G网络中的所有小区，使得任意相邻小区的子载波不同；同时，系统处理单元根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户，给小区中心用户分配f1，f1表示5G网络单载频带宽，根据子载波列表给小区边缘用户分配相应小区的子载波f2、f3、f4、f5；

步骤1中，所述5G网络中小区结构为全向基站或者三扇区基站，全向基站视为一个小区，三扇区基站也视为一个小区；

步骤2中所述网络架构变动，是指增加或者搬迁基站；

步骤2中所述系统处理单元是指根据四色定理给所有网络小区分配4个子载波，同时为边缘区域用户分配4个子载波的系统模块，该系统模块集成在核心网、基站或者BBU设备中；

步骤2中所述系统处理单元根据四色定理将5G网络中所有的小区用1、2、3、4这四个数字来标记，并且相邻的小区不会得到相同的数字；

步骤2中所述系统处理单元将子载波f2分配给标记位1的小区，将子载波f3分配给标记位2的小区，将子载波f4分配给标记位3的小区，将子载波f5分配给标记位4的小区；

步骤2中，所述系统处理单元根据小区边缘界定方法确定小区中心用户和小区边缘用户，具体包括：以远点指标作为小区边缘的门限值M，或者以运营商指定的RS-SINR、RSRP数值作为门限值M，信号指标小于门限值M的区域即为小区边缘用户，其他都是中心用户；

步骤2中，当小区边缘用户在T1时间内RS-SINR/RSRP持续大于门限值M时，将小区边缘用户变为小区中心用户，始终为该用户分配f1；当小区中心用户的RS-SINR值在T1时间内RS-SINR/RSRP持续小于门限值M时，将小区中心用户变为小区边缘用户，根据子载波列表分配相应的子载波f2、f3、f4、f5。

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