一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，將認知無線電技術與圖論著色模型相結合，并考慮用戶實際的速率需求，解決現(xiàn)有femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法用戶需求滿足率和公平性較低的問題。本發(fā)明優(yōu)先給信號與干擾加噪聲大的家庭用戶分配RB資源，同時考慮用戶速率需求，當某個用戶的速率需求得到滿足后退出本次RB的分配，直到所有的家庭用戶都滿足需求后重新加入頻譜的分配過程，盡最大可能的滿足所有家庭用戶的需求，一定程度上保證了頻譜分配的公平性，更加符合當前及未來移動通信中由用戶需求引領的發(fā)展趨勢。
【專利說明】
一種基于用戶速率需求的認知femtoce I I網(wǎng)絡頻譜分配方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術領域，涉及一種基于用戶速率需求的改進圖著色理論的認知 femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，可用于femtocell網(wǎng)絡中的下行頻譜資源的分配。
【背景技術】
[0002] 移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與多媒體業(yè)務迅速興起，用戶需求的數(shù)據(jù)流量與日倶增， 在與日倶增的移動數(shù)據(jù)業(yè)務需求中，超過60 %的話音業(yè)務和80 %的數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)生在室內場 景，為緩解用戶需求與宏蜂窩網(wǎng)絡容量有限及室內覆蓋不高的矛盾，在宏蜂窩網(wǎng)絡中部署 家庭基站，減少了用戶與基站的發(fā)射-接收距離，有效的解決宏蜂窩網(wǎng)絡中存在的覆蓋問 題，同時提高了網(wǎng)絡的容量與頻譜效率。
[0003] 由目前固定的頻譜分配方式可知，沒有新的頻譜資源供femtocell網(wǎng)絡使用，因此 只能采用與宏基站共享頻譜資源，同時由于femtocell用戶接入網(wǎng)絡的不確定性以及對業(yè) 務需求的差異性，使得femtocell網(wǎng)絡中每個用戶使用的頻譜資源不同，認知femtocell的 出現(xiàn)為更好地解決數(shù)據(jù)需求持續(xù)增長與頻譜資源稀缺性之間的矛盾提供了可能。與此同 時，femtocell網(wǎng)絡的出現(xiàn)正是因為用戶的數(shù)據(jù)容量需求劇增而產(chǎn)生的，因此根據(jù)用戶速率 需求的動態(tài)頻譜分配更加符合目前和未來mobile通信網(wǎng)絡的發(fā)展方向，同時根據(jù)用戶速率 需求來劃分頻譜，更加能體現(xiàn)頻譜分配的公平性。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡動態(tài)頻譜分配 方法，將認知無線電技術與圖論著色模型相結合，并考慮用戶實際的速率需求，解決現(xiàn)有 femtocell網(wǎng)絡頻譜分配算法用戶需求滿足概率和公平性較低的問題。
[0005] 認知femtocell網(wǎng)絡是一種特殊的認知無線電網(wǎng)絡，家庭用戶為認知用戶，宏用戶 為主用戶，將家庭用戶組成的網(wǎng)絡拓撲結構抽象成無向圖6=(￥3丄），圖6中每個頂點乂 = {V1，V1，. . .，VN}表示一個家庭用戶，每條邊丨表示兩個家庭用戶之間的潛在 干擾，如果兩個頂點被一條邊相連，表示這兩個家庭用戶，在同一時刻不能同時利用同一個 RB，L表示每個頂點所在位置在某一時刻可以利用的RB資源集合，由于家庭用戶地理位置以 及宏用戶的業(yè)務的時變性，每個頂點的可用RB資源集合不同。
[0006] 一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，該方法的步驟如下：
[0007] (1)認知femtocell網(wǎng)絡是一種特殊的認知無線電網(wǎng)絡，把網(wǎng)絡的頻譜分配轉化為 圖論著色模型。其圖論著色模型如下：
[0008] (1.1)可用矩陣1^={11^|1",#{〇，1}}_，其中11^=〇，表示此刻第11個家庭用戶不 能使用信道m(xù)，而l n,m=l，表示此刻第n個家庭用戶可以使用信道m(xù);
[0009] (1.2)干擾矩陣0={(^」|(^盧{0，1}}_，其中(^ = 1表示第1個家庭用戶與第」_個 家庭用戶不能同時使用同一信道，而cu = 0表示第i個家庭用戶與第j個家庭用戶可以同時 使用同一信道；
[0010] (1.3)分配矩陣4={&1^|&1^￡{0，1}}〃>〇 1，表示經(jīng)過頻譜分配算法計算后，產(chǎn)生的 每個用戶分配的RB矩陣，an,m=l表示第n個家庭用戶使用第m個RB資源，反之亦然。分配矩陣 A必須滿足的條件是：
[0011] ttjj, ^j,h Cj j = 0, Vi, j = 1,..., N,, h = I,..., h4
[0012] 即在子圖中，兩個相鄰的頂點不能同時分配同一個RB資源。
[0013] (2)根據(jù)家庭用戶的速率需求計算出每個家庭用戶所需的RB數(shù)目，第k家庭用戶所 需的RB數(shù)目為Numk。其步驟如下：
[0014] (2.1)首先計算各家庭用戶的SINR，第u個家庭用戶的SINRf,u:
[0016]其中，pF,u表示第u個家庭用戶的服務基站的發(fā)射功率，hF, u表示第u個家庭用戶的 服務基站的信道增益，1](^表示網(wǎng)絡中對第u個家庭用戶產(chǎn)生干擾的宏基站集合，pt,u表示第 t個干擾宏基站對第u個家庭用戶的發(fā)射功率，ht, u表示第t個干擾宏基站對u個家庭用戶的 信道增益，1]^表示網(wǎng)絡中對第u個家庭用戶產(chǎn)生干擾的家庭基站集合，p w,u表示第w個干擾 家庭基站對第u個家庭用戶的發(fā)射功率，hw, u表示第w個干擾家庭基站對第u個家庭用戶的信 道增益，Ne表示白噪聲。
[0017] (2.2)計算家庭用戶11使用一個1^獲得的速率1>,11:
[0018] =%s.log;1+SiU
[0019] 其中WRB為一個RB資源的帶寬。
[0020] (2 ? 3)計算得到相應的RB數(shù)目Numk:
[0022]其中，Rf,u為家庭用戶u所需求的速率。
[0023] (3)每個RB對應一個子圖，根據(jù)可用矩陣L和干擾矩陣C，獲得第r個RB資源相應的 子圖(^={￥1，匕}^^11，其中~為網(wǎng)絡中總的家庭用戶數(shù)目1為網(wǎng)絡中總的1^資源(或信道） 數(shù)目。其步驟如下：
[0024] (3.1)對于待分配的第r個RB，根據(jù)可用矩陣L第r列中不為1的頂點，得到子圖Gr的 頂點集合Vr。
[0025] (3.2)根據(jù)干擾矩陣C和子圖Gr的頂點集合Vr，得到子圖的邊集合E r。
[0026] (4)計算子圖Gr中各頂點的優(yōu)先級，并以此作為各頂點分配的順序。其特征在于： 計算子圖Gr中各節(jié)點的信號與干擾加噪聲比（SINR)，SINR大者優(yōu)先分配;若頂點具有相同 的SINR，選擇已分配RB數(shù)較小的頂點進行分配;若已分配RB數(shù)仍然相同，則隨機選擇。
[0027] (5)頂點的分配或退出，并更新子圖拓撲。其特征在于:確定待分配頂點后，如果子 圖G r中所有頂點的需求都得到滿足，將信道r分配給待分配頂點，然后在子圖Gr中將該頂點， 以及與其相連的頂點刪除，更新子圖拓撲;如果子圖中有頂點的需求沒有得到滿足，而此時 待分配頂點需求也沒有滿足，將信道r分配給待分配頂點，然后在子圖中將該頂點，以及與 其相連的頂點刪除，更新子圖拓撲;如果子圖中有頂點的需求沒有得到滿足，而此時選擇的 頂點需求得到滿足，此時該頂點退出本次信道r的分配，即在子圖中將該頂點刪除，更新子 圖拓撲。
[0028] (6)更新子圖Gr后，返回第四步重新選擇待分配頂點，直到子圖Gr為空為止，此時信 道r分配結束；
[0029] (7)接著對下一個RB進行分配，返回第三步按照相同法則進行下一個RB的分配，直 到網(wǎng)絡中所有的RB分配完為止。
[0030] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：
[0031] (1)利用認知無線電技術與圖著色模型相結合，能有效抑制跨層和同層干擾，提高 網(wǎng)絡吞吐量，同時算法復雜度低。
[0032] (2)考慮了用戶速率需求，當用戶的需求得到滿足后采取退出機制，同時當所有用 戶的需求得到滿足后重新加入頻譜的分配過程，提高了網(wǎng)絡中用戶需求概率和公平性，適 應當前及未來移動通信中由用戶需求引領的發(fā)展趨勢。
【附圖說明】
[0033]圖1為一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法流程圖。
[0034] 圖2為認知femtocell網(wǎng)絡的圖著色模型示意圖。
[0035]圖3是信道A構建的子圖Gi拓撲示意圖。
[0036]圖4是頂點5分配信道A后更新的子圖&拓撲示意圖。
[0037]圖5是頂點5、3分配信道A后更新的子圖&拓撲示意圖。
[0038] 圖6是信道B構建的子圖G2拓撲示意圖。
[0039] 圖7是頂點2退出信道B的分配后更新的子圖G2拓撲示意圖。
[0040] 圖8是信道C構建的子圖G3拓撲示意圖。 具體實施方案
[0041] 為了使本發(fā)明的技術方案及優(yōu)點更加清晰，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方 案作詳細說明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于下面表述的范圍。
[0042] 如圖1，一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法流程圖。
[0043] 圖2是認知femtocell網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲示意圖。圖中1、2、3、4和5代表5個不同的家 庭用戶，網(wǎng)絡中共有3個信道A、B和C，此時有4個宏用戶:MUE1、MUE2、MUE3、MUE4。假設此刻他 們正在利用信道A、信道B、信道C和信道C進行通信，為避免和宏用戶的同頻干擾，圖中四個 大的圓圈代表各主用的干擾范圍，認知家庭基站和用戶利用頻譜感知，獲得對應的空閑的 信道即可用矩陣，每個頂點旁邊的括號內代表可用的信道集合。如頂點1在MUE1的干擾范圍 內，因此信道A對于頂點1來說是不可用的，信道B、C對頂點1是可用的。頂點4在MUE2、MUE3的 干擾范圍內，因此頂點4的可用信道為A，依次獲得其他頂點的可用頻譜集合，如圖2所示。圖 2中頂點之間有邊相連，表示兩個頂點不能同時使用同一信道，如頂點1和2有邊相連，即c 12 = 1，C21 = 1，表示頂點1和2不能同時分配信道C。然后根據(jù)家庭用戶的速率需求求得家庭用 戶所需的RB數(shù)目，5個家庭用戶所需的RB數(shù)目的集合為Numi，Num2，Num3，Nuirn，Num5，假設Numi =1，Num2 = 2，Num3 = 1，Num4= 1，Num5 = 1 〇
[0044]圖3是信道A(第一個RB)構建的子圖Gi拓撲示意圖?？捎眯诺乐邪诺繟的頂點 組成子圖61的頂點，如圖3中頂點2、3、4和5都包含信道A，由這些頂點和干擾矩陣C可以獲得 子圖Gi的邊。然后計算頂點2、3、4和5的SINR，以確定分配信道A的優(yōu)先級，假設這5個頂點的 SINR的大小為SINRf,5>SINRf,i>SINRf,3>SINRf,2>SINRf,4,因此首先給頂點5分配頻譜。因為此 時還沒分配信道，因此網(wǎng)絡中的5個頂點的已分配信道數(shù)都為0,即A1 〇C1 = 0，A1〇C2 = 0， A1〇C3 = 0，A1〇C4 = 0，A1〇C5 = 0。因此給頂點5分配信道A，更新A1oC5=1，然后從子圖Gi中刪除 頂點5以及與頂點5相連的頂點4，更新子圖拓撲圖，如圖4所示。
[0045]圖4是頂點5分配信道A后更新的子圖&拓撲示意圖。此時子圖Gi不為空，因此在此 為頂點2和3分配信道，因為SINRf,3>SINRf,2,頂點3優(yōu)先分配;同時Num 3>Al〇C3即家庭用戶3的 需求沒有滿足，因此給頂點3分配信道A，更新Al 〇C3 = l，然后從子圖&中刪除頂點3,更新子 圖拓撲圖，如圖5所示。
[0046]圖5是頂點5、3分配信道A后更新的子圖Gi拓撲示意圖。此時子圖Gi不為空，因為子 圖中只有一個頂點，給頂點2分配信道，更新Al〇C2=l，然后從子圖G沖刪除頂點2,此時子圖 為空，進入下一個RB(信道B)的分配。
[0047]圖6是信道B(第二個RB)構建的子圖G2拓撲示意圖?？捎眯诺乐邪诺繠的頂點 組成子圖62的頂點，如圖6中頂點1、2、3和5都包含信道B，由這些頂點和干擾矩陣C可以獲得 子圖G2的邊。由前面假設各頂點的SINR可知，頂點5優(yōu)先分配，由于此時Num5=AloC5,說明家 庭用戶5的需求得到滿足，因此退出本次信道B的分配，即從子圖G沖刪除頂點5,更新子圖G 2 拓撲，如圖7所示。
[0048]圖7是頂點5退出信道B的分配后更新的子圖G2拓撲示意圖。此時子圖G2不為空，由 前面假設各頂點的SINR可知，頂點1優(yōu)先分配，由于此時A1 〇 ci〈Numi，說明家庭用戶1的需求 未得到滿足，因此給頂點1分配信道B，更新Al〇C1 = l，然后從子圖G沖刪除頂點1以及與頂點 1相連的頂點2和3,更新子圖G2,此時子圖&為空，進入下一個RB(信道C)的分配。
[0049]圖8是信道C(第三個RB)組成的子圖G3拓撲示意圖。可用信道中包含信道C的頂點 組成子圖G3的頂點，如圖8中頂點1、3都包含信道C，由這些頂點和干擾矩陣C可以獲得子圖G3 的邊。由于此時六1〇(31 =燦1]11，41〇〇3 =燦1]13，即子圖63中所有頂點的需求都得到了滿足，因此 頂點1、3重新加入頻譜的分配。由前面假設各頂點的SINR可知，頂點1優(yōu)先分配，給頂點1分 配信道C，更新Al 〇C1 = 2,然后從子圖G2中刪除頂點1以及與頂點1相連的頂點2,更新子圖G3， 此時子圖G 3為空，至此網(wǎng)絡中所有的信道分配完畢。
[0050]以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，不構成對本發(fā)明的任何限制。顯然對于本 領域的專業(yè)人員來說，在了解了本
【發(fā)明內容】
和原理后，都可能在不背離發(fā)明原理、結構的情 況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變仍在 本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，其特征在于包括以下 步驟： (1) 認知femtocell網(wǎng)絡是一種特殊的認知無線電網(wǎng)絡，家庭用戶為認知用戶，宏用戶 為主用戶，把網(wǎng)絡的頻譜分配轉化為圖論著色模型； (2) 根據(jù)家庭用戶的速率需求計算出每個家庭用戶所需的RB數(shù)目，第k家庭用戶所需的 RB數(shù)目為Numk，keN; (3) 每個RB對應一個子圖，根據(jù)可用矩陣L和干擾矩陣C，獲得第r個RB資源相應的子圖Gr ={￥131}^￡1，其中~為網(wǎng)絡中總的家庭用戶數(shù)目1為網(wǎng)絡中總的1^資源或信道數(shù)目； (4) 計算子圖Gr中各頂點的優(yōu)先級，并以此作為各頂點分配的順序； (5) 頂點的分配或退出，并更新子圖拓撲； (6) 更新子圖Gr后，返回步驟(4)重新選擇待分配頂點，直到子圖Gr為空為止，此時信道r 分配結束； (7) 接著對下一個RB進行分配，返回步驟（3)按照相同法則進行下一個RB的分配，直到 網(wǎng)絡中所有的RB分配完為止。2. 如權利要求1所述的一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，其 特征在于步驟（1)中，宏用戶為授權用戶，家庭用戶是次級或認知用戶，結合了認知無線電 技術的家庭基站和用戶能獲得異構網(wǎng)絡中某一時刻空閑的頻譜;所述圖論著色模型由幾個 矩陣表示： (1.1) 可用矩陣L= {ln,m| ln,me {〇，l}}NXM，其中l(wèi)n,m=〇,表示此刻第η個家庭用戶不能使 用信道m(xù)，而l n,m=l，表示此刻第η個家庭用戶可以使用信道m(xù);N為網(wǎng)絡中總的家庭用戶數(shù) 目，Μ為網(wǎng)絡中總的RB資源或信道數(shù)目； (1.2) 干擾矩陣0={(^|(^盧{〇，1}}^，其中(^ = 1表示第1個家庭用戶與第」個家庭 用戶不能同時使用同一信道，而cu = 0表示第i個家庭用戶與第j個家庭用戶可以同時使用 同一信道； (1.3) 分配矩陣A= {an,m | an,me {〇，1} }NXM，表示經(jīng)過頻譜分配算法計算后，產(chǎn)生的每個 用戶分配的RB矩陣，an, m= 1表示第η個家庭用戶使用第m個RB資源，反之亦然;分配矩陣A必 須滿足的條件是：即在子圖中，兩個相鄰的頂點不能同時分配同一個RB資源。3. 如權利要求1所述的一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，其 特征在于步驟(2)所述的計算每個家庭用戶所需的RB數(shù)目，按以下步驟進行： (2.1)首先計算各家庭用戶的SINR，第u個家庭用戶的SINRf,u: " μ .u- ~ r.,u 其中，PF,U表示第U個家庭用戶的服務基站的發(fā)射功率，hF,u表示第U個家庭用戶的服務 基站的信道增益，1](^表示網(wǎng)絡中對第U個家庭用戶產(chǎn)生干擾的宏基站集合，pt,u表示第t個 干擾宏基站對第U個家庭用戶的發(fā)射功率，ht, u表示第t個干擾宏基站對U個家庭用戶的信道 增益，UF, ^>表示網(wǎng)絡中對第u個家庭用戶產(chǎn)生干擾的家庭基站集合，pw, u表示第W個干擾家庭 基站對第U個家庭用戶的發(fā)射功率，hw,u表示第W個干擾家庭基站對第U個家庭用戶的信道增 益，Ne表示白噪聲； (2.2)計算家庭用戶u使用一個RR獲得的諫率IV,,:其中WRB為一個RB資源的帶寬； (2 · 3)計算得到相應的RB數(shù)目Numk:其中，Rf,u為家庭用戶u所需求的速率。4. 如權利要求1所述的一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，其 特征在于步驟(3)所述的根據(jù)可用矩陣和干擾矩陣獲得第r個RB資源相應的子圖G r={Vr， Er}，按以下步驟進行： (3.1) 對于待分配的第r個RB，根據(jù)可用矩陣L第r列中不為1的頂點，得到子圖Gr的頂點 集合Vr; (3.2) 根據(jù)干擾矩陣C和子圖Gr的頂點集合Vr，得到子圖的邊集合Er。5. 如權利要求1所述的一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，其 特征在于步驟(4)所述的確定各頂點的分配順序具體:計算子圖G r中各節(jié)點的信號與干擾 加噪聲比SINR，SINR大者優(yōu)先分配;若頂點具有相同的SINR，選擇已分配RB數(shù)較小的頂點進 行分配;若已分配RB數(shù)仍然相同，則隨機選擇。6. 如權利要求1所述的一種基于用戶速率需求的認知femtocell網(wǎng)絡頻譜分配方法，其 特征在于步驟(5)所述的頂點的分配或退出，并更新子圖拓撲，具體為:確定待分配頂點后， 如果子圖G r中所有頂點的需求都得到滿足，將信道r分配給待分配頂點，然后在子圖Gr中將 該頂點以及與其相連的頂點刪除，更新子圖拓撲;如果子圖中有頂點的需求沒有得到滿足， 而此時待分配頂點需求也沒有滿足，將信道r分配給待分配頂點，然后在子圖中將該頂點以 及與其相連的頂點刪除，更新子圖拓撲;如果子圖中有頂點的需求沒有得到滿足，而此時選 擇的頂點需求得到滿足，此時該頂點退出本次信道r的分配，即在子圖中將該頂點刪除，更 新子圖拓撲。
【文檔編號】H04W16/14GK105959961SQ201610511091
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】胡斌杰, 高偉
【申請人】華南理工大學