基于圖論的OFDMA兩層網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法組成比例

本發(fā)明專利技術(shù)公開了基于圖論的OFDMA兩層網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法。在該兩層OFDMA網(wǎng)絡(luò)中，在下行鏈路場景下，宏基站與家庭基站共享頻譜資源，本發(fā)明專利技術(shù)首先給宏基站用戶分配頻譜資源并保證宏基站用戶滿足一定的服務(wù)質(zhì)量的要求。然后，在家庭基站用戶滿足一定的服務(wù)質(zhì)量的前提下，基于圖論建立模型簡化實際問題。在圖論的模型的基礎(chǔ)上，通過加邊、最大勢搜索方法(MCS)計算出團的權(quán)重和團度，最后，用傳統(tǒng)圖論著色的方法結(jié)合團的權(quán)重和團度來最大化資源分配的效率。本發(fā)明專利技術(shù)提出的基于圖論的動態(tài)資源分配方法有效的增加了系統(tǒng)的吞吐量，并實現(xiàn)了家庭用戶的公平性的提高。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于圖論的OFDMA兩層網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法
本專利技術(shù)公開了基于圖論的OFDMA兩層網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法，屬于無線通信的

技術(shù)介紹
近年來，室內(nèi)用戶對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和高速率的要求越來越高，同時，這也就促進了家庭基站成為新一門研究熱點。家庭基站以其“即插即用”、小功率和經(jīng)濟實用的特點，迅速被廣大運營商所追捧。家庭基站主要使用在家庭和辦公場所，以彌補宏基站的衰弱和不足，在網(wǎng)絡(luò)上通過DSL(cable/Ethernet/WiMAX)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭\營商網(wǎng)絡(luò)中。但是正因為家庭基站“即插即用”的優(yōu)點，也給家庭基站網(wǎng)絡(luò)拓撲帶來了動態(tài)性和不可預(yù)測性，因此動態(tài)的分配頻譜在家庭基站網(wǎng)絡(luò)拓撲上有其必要性。本專利技術(shù)利用圖論對家庭基站的物理模型進行簡化，將家庭基站簡化為模型中的點，將家庭基站間的相互干擾簡化成模型中點與點之間的邊，將子帶分配問題簡化為著色問題，圖論的應(yīng)用在實際生活中有其實用操作性。本專利技術(shù)結(jié)合圖論中的團和傳統(tǒng)著色方法，大大提高了點著色的效率和公平性。團內(nèi)的點兩兩之間有邊，而極大團就是增加任何一項點都會使團不再符合團的定義，也就是說，極大團不能被任何一個更大的團所包含。因此，極大團在資源競爭上是極大沖突區(qū)域。本專利技術(shù)對極大的資源沖突區(qū)域進行資源分配，每一個極大團都是一個獨立的資源沖突區(qū)域，因此每個極大團都可以共享所有資源，大大簡化了復(fù)雜度并且提高了資源分配的效率。本專利技術(shù)是在OFDMA的下行鏈路的場景下運行。OFDMA把可用頻帶分成一系列正交的子信道，每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各個子載波并行傳輸。OFDMA系統(tǒng)有著優(yōu)越的性能，其優(yōu)點主要在于頻譜利用率較高。OFDMA系統(tǒng)中，子載波是相互正交的，之間沒有保護間隔且頻譜重疊，因此可以節(jié)省頻譜資源，提高頻帶的利用率，也就是提高系統(tǒng)的吞吐量。在兩層網(wǎng)絡(luò)模型中，頻譜資源的分配模式分為宏基站和家庭基站不共用頻譜、部分共用和共用頻譜三類。在頻譜資源越來越稀缺的今天，完全不共用頻譜是不現(xiàn)實和不經(jīng)濟的。在本專利技術(shù)中，宏基站和家庭基站是共享頻譜資源的，因此宏基站用戶和家庭基站用戶同時需要面臨兩個干擾：跨層干擾和同層干擾。在宏基站和家庭基站共享頻譜資源的同時，如何提高家庭基站的平均吞吐量和系統(tǒng)的吞吐量，與此同時還需降低方法的復(fù)雜度。因此，本專利技術(shù)優(yōu)先保證宏用戶的服務(wù)質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，考慮宏基站和其他家庭基站對家庭用戶的干擾，基于圖論來分配所有頻譜，并在保證用戶公平性的基礎(chǔ)上，大大提高系統(tǒng)吞吐量。
技術(shù)實現(xiàn)思路
技術(shù)問題：本專利技術(shù)針對傳統(tǒng)圖論中根據(jù)度來分配資源精確度和效率低下、資源利用不充分的不足，提供一種性能優(yōu)越、復(fù)雜度低的基于圖論的兩層OFDMA網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法。技術(shù)方案：1.基于圖論的OFDMA兩層網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法，該方法包括以下步驟：1)建模：獲取瞬時信道信息，基于圖論建模G＝(V,E)。基于圖論建立家庭基站的模型G＝(V,E)，V為圖論中的點，代表家庭基站用戶節(jié)點；E為圖論中的邊，代表用戶之間的干擾。家庭基站的用戶FUEi收集本家庭基站的信道瞬時信息，包括家庭基站Fi到FUEi的發(fā)射功率Pf以及瞬時信道增益gi,i，其他所有家庭基站F的信道瞬時信息，其中包括其他家庭基站F到家庭基站用戶節(jié)點FUEi的信道的發(fā)射功率Pf以及瞬時信道增益gj,i，其中j∈F，系統(tǒng)中的加性高斯白噪聲N0，求得目的節(jié)點FUEi的瞬時的信干燥比為使家庭基站用戶FUEi滿足SINRi＞SINtRh，(SINRth為信干燥比的下限，通常為一個給定的常數(shù)。)將對FUEi造成最大干擾的家庭基站加入集合Ii，并使得Ii中的家庭基站與FUEi之間的邊的值為1，即直至滿足條件。2)初始化：子帶總數(shù)為R，所有用戶的已被分配子帶的集合為M。3)加邊：得到弦圖G'＝(V,E')。求弦圖，即將圖三角化，在模型G＝(V,E)的基礎(chǔ)上加邊得到：G'＝(V,E∪F)，其中F就是所加的邊。根據(jù)定理：uv是弦圖中的邊，當(dāng)且僅當(dāng)uv∈E或者原圖G中存在有路徑u,x1,x2,…,xk,v使得α(xi)＜min{α(u),α(v)}，1≤i≤k，求得F，繼而得到弦圖G'＝(V,E∪F)＝(V,E')。4)通過最大勢方法(MCS)，在弦圖G'＝(V,E')的基礎(chǔ)上，求得弦圖內(nèi)所有極大團的集合為K。5)根據(jù)公式公式公式以及公式求得每個極大團的權(quán)重wK和每個點的團度(pv,qv)，其中代表vk到v的信道增益，代表vk對v的干擾，Iv代表點v所受的最大干擾。6)更新：每個極大團的可以分配的子帶的集合為N＝R∩M。7)若K為空，此次分配結(jié)束；否則，根據(jù)每個極大團的權(quán)重wK，優(yōu)先選出權(quán)重最小的極大團k內(nèi)的點進行優(yōu)先分配，若同時存在有多個極大團的權(quán)重相同，優(yōu)先選擇已被分配子帶數(shù)目最少的極大團k。8)賦值：i＝1。每次給選出的極大團k內(nèi)點分配子帶時，令i＝1，在k的可著的顏色集Nk里遍歷分配子帶，其中Nk是第k個極大團里的可分配信道集。9)若i＞|Nk|，則轉(zhuǎn)步驟10)；否則，根據(jù)團度(pv,qv)對極大團k內(nèi)的所有的點進行排序，優(yōu)先選擇團度最小的點v進行排序，若有多個點團度最小，則選擇已被分配子帶數(shù)目最少的點v，并將Nk(i)分配的分配給選出的v，其中|Nk|是第k個極大團里的可分配信道集的個數(shù)，Nk(i)是第k個極大團里的可分配子帶集里的第i個子帶。接著：i＝i+1。重復(fù)步驟9)。10)更新：令k中所有的點為集合A，k中點的相鄰點為集合B，則A和B內(nèi)各點之間邊為零，即Ev∈A,v∈B＝0,Ev∈B,v∈A＝0。并令團k中所有的點已被分配的顏色為集合Mk，則已分配的子帶的集合為M＝M∪Mk。轉(zhuǎn)步驟3)。有益效果本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：1.資源分配方面，本專利技術(shù)提供了基于圖論的兩層OFDMA網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法，該方法在對傳統(tǒng)圖論中度和團的深入理解上，在分配子載波時，通過團度提高精準(zhǔn)度，能夠獲得更好的系統(tǒng)容量性能。2.公平性方面，在資源分配時，雖然為了使系統(tǒng)容量達到最大，優(yōu)先給干擾小的分配，但是本專利技術(shù)中當(dāng)有多個干擾小的選擇時，優(yōu)先選擇已被分配子載波少的，這樣能保證并提高用戶的公平性。3.方法復(fù)雜度方面，原本的基于圖論的建立的模型是一個NP-hard模型，為了簡化系統(tǒng)模型以獲得復(fù)雜度低的資源分配方法，通過本專利技術(shù)提供的團度的計算和分配方法，本專利技術(shù)首先將圖變成弦圖，再通過MCS方法求出所有極大團，利用極大團的概念進行優(yōu)化分配，大大降低了資源分配的復(fù)雜度。附圖說明圖1為本專利技術(shù)方法的兩層家庭基站網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專利技術(shù)方法的整體流程邏輯框圖。具體實施方式下面結(jié)合實施例和說明書附圖來對本專利技術(shù)作進一步的說明：一、兩層OFDMA家庭基站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型在本專利技術(shù)中，本專利技術(shù)考慮下行OFDMA系統(tǒng)兩層家庭基站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，如附圖1所示。在此模型中，宏基站和家庭基站共享頻譜。宏基站位于本小區(qū)中心，其覆蓋范圍為：Rm，每個宏小區(qū)內(nèi)隨機分布M個宏用戶和N個家庭基站。在家庭小區(qū)內(nèi)部，一個家庭基站服務(wù)于一個家庭用戶，家庭基站覆蓋范圍為：Rf。家庭基站和宏基站的發(fā)射功率分別固定為Pm和Pf，并且Pm＞Pf。子載波集合為C＝{1,2,…,C}，子載波的個數(shù)為C。資源分配矩陣為A＝[ac,n]，矩陣的大小為C*(N+M)，當(dāng)ac,n＝1時，子載波c分配給用戶n；否則，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
基于圖論的OFDMA兩層網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法，其特征在于，包括以下步驟：1)建模：獲取瞬時信道信息，基于圖論建模G＝(V,E)，基于圖論建立家庭基站的模型G＝(V,E)，V為圖論中的點，代表家庭基站用戶節(jié)點；E為圖論中的邊，代表用戶之間的干擾，家庭基站的用戶FUE

【技術(shù)特征摘要】
1.基于圖論的OFDMA兩層網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配方法，其特征在于，包括以下步驟：1)建模：獲取瞬時信道信息，基于圖論建模G＝(V,E)，基于圖論建立家庭基站的模型G＝(V,E)，V為圖論中的點，代表家庭基站用戶節(jié)點；E為圖論中的邊，代表用戶之間的干擾，家庭基站的用戶FUEi收集本家庭基站的信道瞬時信息，包括家庭基站Fi到FUEi的發(fā)射功率Pf以及瞬時信道增益gi,i；其他所有家庭基站F的信道瞬時信息，其中包括其他家庭基站F到家庭基站用戶節(jié)點FUEi的信道的發(fā)射功率Pf以及瞬時信道增益gj,i,其中j∈F，系統(tǒng)中的加性高斯白噪聲N0，求得目的節(jié)點FUEi的瞬時的信干燥比為使家庭基站用戶FUEi滿足SINRi＞SINRth，SINRth為信干燥比的下限，通常為一個給定的常數(shù)；將對FUEi造成最大干擾的家庭基站加入集合Ii，并使得Ii中的家庭基站與FUEi之間的邊的值為1，即直至滿足條件；2)初始化：子帶總數(shù)為R，所有用戶的已被分配子帶的集合為M；3)加邊：得到弦圖G'＝(V,E')；求弦圖，即將圖三角化，在模型G＝(V,E)的基礎(chǔ)上加邊得到：G'＝(V,E∪F)，其中F就是所加的邊；根據(jù)定理：uv是弦圖中的邊，當(dāng)且僅當(dāng)uv∈E或者原圖G中存在有路徑u,x1,x2,...,xk,v使得α(xi)＜min{α(u),α(v)}，1≤i≤k，求得F，繼而得到弦圖G'＝(V,E∪F)＝(V,E')；4)通過最大勢方法(MCS)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：季萍萍，朱琦，
申請(專利權(quán))人：南京郵電大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32