本發(fā)明涉及雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域,具體指一種用于LTE系統(tǒng)中毫微微(Femtocell)網(wǎng)絡(luò)與宏(Macrocell)網(wǎng)絡(luò)所組成的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于軟頻率復(fù)用(Soft Frequency Reuse,SFR)的邊緣頻譜共享方法。
背景技術(shù):
眾所周知,在LTE系統(tǒng)中OFDMA的接入方式使得小區(qū)中的用戶之間互不干擾,而對(duì)小區(qū)邊緣用戶來(lái)說其容易受到相鄰小區(qū)的干擾。為了解決LTE系統(tǒng)中采用OFDMA所導(dǎo)致的小區(qū)邊緣用戶干擾嚴(yán)重的問題,提出了OFDMA的干擾協(xié)調(diào)技術(shù),其中軟頻率復(fù)用方案(Soft Frequency Reuse,SFR)對(duì)頻率的分配更加靈活,在發(fā)揮干擾協(xié)調(diào)的同時(shí),也更好地提高了頻譜利用率。而Femtocell是一種服務(wù)于家庭的微型網(wǎng)絡(luò),能極大地減輕現(xiàn)有宏網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。為了實(shí)現(xiàn)更好的室內(nèi)覆蓋,在LTE系統(tǒng)中引入了Femtocell。但Femtocell的引入使原本緊張的頻譜資源更加“雪上加霜”,并使異構(gòu)網(wǎng)中的干擾變得更加復(fù)雜。其中,軟頻率復(fù)用技術(shù)是目前解決頻率資源緊缺的重要技術(shù)手段。在固定SFR方案中,每個(gè)小區(qū)使用的子載波分為主載波和副載波。它們的區(qū)別在于,主載波的發(fā)送功率大于副載波,并且主載波優(yōu)先分配給小區(qū)邊緣用戶使用,而副載波只分配給小區(qū)中心用戶使用。相鄰小區(qū)主載波是互不重疊的,這就減小了小區(qū)間干擾。
通常,在對(duì)軟頻率復(fù)用方案的研究中,劃分子載波是通過給每個(gè)小區(qū)固定劃分一段相互正交的頻譜,這樣的分配方法簡(jiǎn)單固定,但不能根據(jù)每個(gè)小區(qū)邊緣區(qū)域的負(fù)載情況合理利用資源,屬于靜態(tài)劃分頻率資源。靜態(tài)的頻率資源劃分導(dǎo)致頻率利用率偏低,并且頻率資源無(wú)法根據(jù)負(fù)載量的變化進(jìn)行靈活調(diào)動(dòng)。
因此,針對(duì)宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏負(fù)載不均衡的情況下,靜態(tài)軟頻率復(fù)用方案不能很好地解決Femtocell與Macrocell所組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中宏小區(qū)中邊緣頻譜利用效率不高的問題,成為本技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有靜態(tài)軟頻率復(fù)用技術(shù)存在的缺失和不足,提出一種雙層異構(gòu)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用方法。
本發(fā)明的主要思路是,宏小區(qū)采用軟頻率復(fù)用,避免小區(qū)間的干擾。并將軟頻率復(fù)用引入到毫微微小區(qū)的頻譜分配中。在LTE網(wǎng)絡(luò)中宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶密度分布不均勻的背景下,將保證每個(gè)宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶服務(wù)質(zhì)量的最小平均動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶分割出來(lái),最后根據(jù)小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負(fù)載情況,令邊緣負(fù)載重的宏小區(qū)對(duì)鄰小區(qū)進(jìn)行全局搜索,搜索結(jié)束后,向邊緣負(fù)載輕的宏小區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶的借用,從而達(dá)到提高邊緣頻譜的利用效率,最大化邊緣區(qū)域的吞吐量,同時(shí)保證用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)的目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)路線主要包括以下幾個(gè)步驟(如附圖1所示):
步驟一:將宏小區(qū)劃分成兩個(gè)區(qū)域:宏小區(qū)中心區(qū)域和宏小區(qū)邊緣區(qū)域。
步驟二:將OFDMA網(wǎng)絡(luò)中的授權(quán)可用頻帶B平分B1、B2、B3為自留頻帶(i=1,2,3)和動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶B0i(i=1,2,3);
確定可用頻帶B的子載波數(shù)N;
確定宏小區(qū)中心區(qū)域用戶使用的中心子載波數(shù)NA-SFRc、宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶所使用的邊緣子載波數(shù)NA-SFRe、自留頻帶和動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶的子載波數(shù)子載波數(shù)Ne-nb和Ne-b。
步驟三:由宏基站中的中心實(shí)體確定宏用戶(MU)以及毫微微用戶(FU)的位置信息,采用距離判斷法和接收功率(RSRP)判斷法將宏用戶劃分為宏小區(qū)中心用戶和宏小區(qū)邊緣用戶。
步驟四:規(guī)劃宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶和毫微微用戶的頻譜,使每個(gè)宏小區(qū)邊緣區(qū)域中的宏用戶可以使用頻帶B1、B2、B3中的一個(gè),使相鄰宏小區(qū)邊緣區(qū)域中的宏用戶分配到的頻帶相互正交,為位于宏小區(qū)邊緣區(qū)域的毫微微用戶分配沒有被宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶所占用的頻帶。
步驟五:規(guī)劃宏小區(qū)中心區(qū)域的頻譜,使宏小區(qū)中心區(qū)域的宏用戶使用未被宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶占用的頻帶,為位于小區(qū)中心區(qū)域的毫微微用戶分配沒有被宏小區(qū)中心區(qū)域宏用戶所占用的頻帶。
步驟六:首先,將宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶的Se與宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶的最小值Smin與最大值Smax進(jìn)行比較;
其次,將宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負(fù)載情況與鄰小區(qū)交互;再次,根據(jù)宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負(fù)載情況確定宏小區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整頻段B0i中的子載波調(diào)用情況。
步驟七.采用遺傳算法求出最優(yōu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整載波組中可以共享的子載波數(shù)所占的比例因子β,0≤β≤1。
進(jìn)一步,還包括:
所述步驟二中,可用頻帶B平均分為B1、B2、B3三個(gè)子集,B1∩B2∩B3=0,保證B1、B2、B3這3個(gè)子集中的子載波相互正交;
據(jù)公式N=[B/Δf]確定可用頻帶B的子載波數(shù)N,其中[]表示取整數(shù),Δf為子載波的頻譜寬度;
在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的情況下確定所需要的最小平均頻帶Bmin即自留頻帶Bi′(i=1,2,3),然后用B0i=Bi-Bmin確定動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶B0i(i=1,2,3);
再確定初次分配時(shí)宏小區(qū)中心區(qū)域用戶使用的中心子載波數(shù)NA-SFRc、宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶所使用的邊緣子載波數(shù)NA-SFRe、自留頻帶Bi′中的子載波數(shù)Ne-nb、動(dòng)態(tài)調(diào)整頻段B0i中的子載波數(shù)Ne-b,確定方法分別為:
其中,宏小區(qū)中心區(qū)域半徑和宏小區(qū)半徑由r和R表示。
所述步驟三中宏用戶和毫微微用戶劃分方法:
首先,中心實(shí)體確定毫微微用戶的位置信息:確定位于宏小區(qū)邊緣區(qū)域的毫微微用戶為毫微微邊緣用戶,確定位于宏小區(qū)中心區(qū)域的毫微微用戶為毫微微中心用戶;
其次,采用距離判斷法劃分宏用戶:宏用戶向其服務(wù)基站的中心實(shí)體報(bào)告位置信息,中心實(shí)體計(jì)算與用戶間的距離d,若d≤r,則將宏用戶劃分為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶;
再次,采用接收功率判斷法對(duì)已判斷為宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶作再次劃分:宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶測(cè)量來(lái)自本服務(wù)小區(qū)的參考信號(hào)接收功率RSRP,并將測(cè)量值反饋給服務(wù)基站,服務(wù)基站的中心實(shí)體比較宏用戶反饋的RSRP與門限值RSRPth,若RSRP≤RSRPth,則劃分該宏用戶為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶;
最后,只有當(dāng)兩種方法均判斷宏用戶為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶時(shí),才將宏用戶劃分為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶,否則劃分為宏小區(qū)中心區(qū)域用戶。
所述步驟六,宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負(fù)載情況確定為:
若Se<Smin,則表明該宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏蜂窩用戶負(fù)載輕,該宏小區(qū)中心區(qū)域中動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶中的子載波可以被鄰小區(qū)調(diào)用,此時(shí)宏小區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整頻段B0i中子載波調(diào)用后該宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶的邊緣子載波數(shù)為:
若Smin≤Se≤Smax,表明該宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶負(fù)載適中,該小區(qū)中動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶不與鄰小區(qū)發(fā)生借調(diào)關(guān)系,該宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的邊緣子載波數(shù)可以表示為:
若Se>Smax,表明該宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶負(fù)載嚴(yán)重,該小區(qū)向負(fù)載輕的鄰小區(qū)借用動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶中的子載波,發(fā)生調(diào)用后該宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的邊緣子載波數(shù)可以表示為:其中k表示重負(fù)載小區(qū)提供調(diào)用動(dòng)態(tài)調(diào)整載波組的所有鄰小區(qū),k=1,2,...K。
所述步驟七中,比例因子β的求解方法為:
對(duì)重負(fù)載小區(qū)η,確定宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶和宏小區(qū)邊緣區(qū)域毫微微蜂窩用戶u′(u′∈Uf(e))在子載波i上接收到的信干噪比(SINR)值:
其中和分別表示在重負(fù)載小區(qū)η所有與宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用u(u∈{1,...,Um(e)})使用相同子載波i的毫微微用戶的集合和所有與毫微微用戶u′(u′∈{1,...,Uf(e)})使用相同子載波i的毫微微用戶的集合,Pm和Pf為重負(fù)載小區(qū)η宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶和宏小區(qū)邊緣區(qū)域毫微微用戶在子載波i上的發(fā)射功率,
其中,δi表示子載波i是否被宏用戶所占用,取值1或0;
δi=1表示子載波i已被宏用戶占用,而δi=0表示子載波i未被宏用戶占用;
和分別表示在重負(fù)載小區(qū)η中宏基站m和毫微微基站j到宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶u在子載波i上的信道增益;
表示毫微微蜂窩用戶u′到其服務(wù)毫微微基站j在子載波i上的信道增益,和分別表示重負(fù)載小區(qū)η中毫微微基站n和宏基站m到毫微微蜂窩用戶u′在子載波i上的信道增益,No表示噪聲功率譜密度;
然后確定重負(fù)載小區(qū)η中邊緣區(qū)域宏用戶和毫微微用戶的總吞吐量:
其中,和分別為宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶和毫微微用戶個(gè)數(shù);
采用遺傳算法使邊緣區(qū)域的總吞吐量最大化,即
maxTe(β)=Tem+Tef
采用遺傳算法的方法為:確定適應(yīng)度函數(shù)為Te(β),β采用二進(jìn)制編碼,其它參數(shù)按照遺傳算法的一般方法,進(jìn)行全局搜索得到最優(yōu)的比例因子β。
如上所述,本發(fā)明提出一種動(dòng)態(tài)可調(diào)的軟頻率復(fù)用方法,相比與靜態(tài)的頻率資源劃分方法,有效地提高邊緣頻率利用率,從而提高了邊緣吞吐量。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例中一個(gè)Femtocell異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的子頻帶分配流程框圖;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中用戶分類流程框圖;
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中基于動(dòng)態(tài)的軟頻率復(fù)用的子頻帶分配圖;
圖4為發(fā)明實(shí)施例中邊緣吞吐量的直方圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述
本發(fā)明的雙層異構(gòu)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用方法(如附圖1所示),具體實(shí)施步驟如下:
步驟一:將宏小區(qū)劃分為宏小區(qū)中心區(qū)域和宏小區(qū)邊緣區(qū)域。
步驟二:將OFDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中授權(quán)的頻帶資源先平分為三部分,再將平分后的三部分頻帶各分為兩部分:自留頻段、動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶。
該步驟中將OFDMA網(wǎng)絡(luò)中的授權(quán)可用頻帶B平均分為B1、B2、B3三個(gè)子集,B1∩B2∩B3=0,保證B1、B2、B3這3個(gè)子集中的子載波相互正交根;據(jù)公式N=[B/Δf]確定可用頻帶B的子載波數(shù)N,其中[]表示取整數(shù),Δf為子載波的頻譜寬度;在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的情況下確定所需要的最小平均頻帶Bmin即自留頻帶然后用B0i=Bi-Bmin確定動(dòng)態(tài)調(diào)整頻帶B0i(i=1,2,3);再確定初次分配時(shí)宏小區(qū)k(k=1,2,3)中心區(qū)域用戶使用的中心子載波數(shù)NA-SFRc為宏小區(qū)k(k=1,2,3)邊緣區(qū)域用戶所使用的邊緣子載波數(shù)NA-SFRe為自留頻帶Bi′中的子載波數(shù)Ne-nb為動(dòng)態(tài)調(diào)整頻段B0i中的子載波數(shù)Ne-b為其中宏小區(qū)k的中心區(qū)域半徑和宏小區(qū)k的半徑由r和R表示。
步驟三:宏基站中的中心實(shí)體確定宏用戶以及毫微微用戶的位置信息,判斷用戶類型。
該步驟中:首先由宏小區(qū)的中心實(shí)體確定位于宏小區(qū)邊緣區(qū)域的毫微微用戶為毫微微邊緣用戶,確定位于宏小區(qū)中心區(qū)域的毫微微用戶為毫微微中心用戶;其次,采用距離判斷法和接收功率判斷法對(duì)宏小區(qū)中的宏用戶進(jìn)行劃分。
步驟四:給位于宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶和毫微微邊緣用戶進(jìn)行頻譜資源的初次分配,給位于宏小區(qū)中心區(qū)域中宏用戶和毫微微中心用戶進(jìn)行頻譜資源的初次分配。
步驟五:對(duì)宏小區(qū)k(k=1,2,3)邊緣區(qū)域的宏用戶的負(fù)載情況進(jìn)行判斷。
該步驟中將宏小區(qū)k(k=1,2,3)邊緣區(qū)域宏用戶的負(fù)載值Se與兩個(gè)臨界負(fù)載值:最小值Smin和最大值Smax進(jìn)行比較,確定小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負(fù)載情況,并將該情況與鄰小區(qū)交互,再根據(jù)宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負(fù)載情況確定宏小區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整頻段B0i中的子載波調(diào)用情況;最后采用遺傳算法求出最優(yōu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整載波組中可以共享的子載波數(shù)所占的比例因子β,0≤β≤1。
宏小區(qū)中宏用戶分類(如附圖2所示)具體執(zhí)行過程如下:
首先,采用距離判斷法劃分宏用戶:用戶向其服務(wù)基站的中心實(shí)體報(bào)告位置信息,中心實(shí)體計(jì)算與用戶間的距離d,若d≤r,則將宏用戶劃分為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶;
其次,采用接收功率判斷法對(duì)已判斷為宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶作
再次,劃分宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶測(cè)量來(lái)自本服務(wù)小區(qū)的參考信號(hào)接收功率RSRP,并將測(cè)量值反饋給服務(wù)基站,服務(wù)基站的中心實(shí)體比較宏用戶反饋的RSRP與門限值RSRPth,若RSRP≤RSRPth,則劃分該宏用戶為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶;
最后,只有當(dāng)兩種方法均判斷宏用戶為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶時(shí),才將宏用戶劃分為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶,否則劃分為宏小區(qū)中心區(qū)域用戶。
實(shí)施例:3個(gè)相鄰小區(qū)基于動(dòng)態(tài)軟頻率復(fù)用的子頻帶分配(如附圖3所示)具體實(shí)施步驟如下:
規(guī)劃宏小區(qū)k(k=1,2,3)邊緣區(qū)域中宏用戶和毫微微用戶的頻譜:在宏小區(qū)1中的宏小區(qū)邊緣用戶和毫微微邊緣用戶分別使用頻帶B3和B1、B2;在宏小區(qū)2中的宏小區(qū)邊緣用戶和毫微微邊緣用戶分別使用頻帶B2和B1、B3;在宏小區(qū)3中的宏小區(qū)邊緣用戶和毫微微邊緣用戶分別使用頻帶B1和B2、B3;
規(guī)劃宏小區(qū)k(k=1,2,3)中心區(qū)域的頻譜:在宏小區(qū)1中的宏小區(qū)中心用戶和毫微微邊緣用戶分別使用頻帶B1、B2和B3;在宏小區(qū)2中的宏小區(qū)中心用戶和毫微微邊緣用戶分別使用頻帶B1、B3和B2;在宏小區(qū)1中的宏小區(qū)中心用戶和毫微微邊緣用戶分別使用頻帶B2、B3和B1。
以3個(gè)相鄰宏網(wǎng)絡(luò)和少量毫微微網(wǎng)絡(luò)組成的雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型為例。
宏小區(qū)的覆蓋半徑為R,宏小區(qū)中心區(qū)域的覆蓋半徑為r,毫微微小區(qū)的覆蓋半徑為Rˊ。
令宏小區(qū)1為重負(fù)載小區(qū),其邊緣區(qū)域中宏邊緣用戶負(fù)載為Se=15;宏小區(qū)2為負(fù)載較輕小區(qū),其邊緣區(qū)域中宏邊緣用戶負(fù)載為Se=5;宏小區(qū)3為輕負(fù)載小區(qū),其邊緣區(qū)域中宏邊緣用戶負(fù)載為Se=2。
宏小區(qū)k(k=1,2,3)中邊緣區(qū)域中宏邊緣用戶和毫微微邊緣用戶的資源規(guī)劃(如圖3所示)具體為:
對(duì)于宏邊緣用戶來(lái)說:宏小區(qū)1中的小區(qū)邊緣宏用戶分配的頻帶為B3;
宏小區(qū)2中的小區(qū)邊緣宏用戶分配的頻帶為B2;
宏小區(qū)3中的小區(qū)邊緣宏用戶分配的頻帶為B1;
對(duì)毫微微邊緣用戶來(lái)說:宏小區(qū)1中的毫微微邊緣用戶分配的頻帶為B1和B2;
宏小區(qū)2中的毫微微邊緣用戶分配的頻帶為B1和B3;
宏小區(qū)3中的毫微微邊緣用戶分配的頻帶為B2和B3。
宏小區(qū)k(k=1,2,3)的中心區(qū)域中宏中心用戶和毫微微中心用戶的資源規(guī)劃(如圖3所示)具體為:
對(duì)于宏中心用戶來(lái)說:宏小區(qū)1中的宏中心用戶分配的頻帶為B1和B2;
宏小區(qū)2中的宏中心用戶分配的頻帶為B1和B3;
宏小區(qū)3中的宏中心用戶分配的頻帶為B2和B3。
對(duì)毫微微中心用戶來(lái)說:宏小區(qū)1中的毫微微中心用戶分配的頻帶為B3;
宏小區(qū)2中的毫微微中心用戶分配的頻帶為B2;
宏小區(qū)3中的毫微微中心用戶分配的頻帶為B1。
相應(yīng)各參數(shù)數(shù)值見表1。
表1仿真參數(shù)值
如上所述,在重負(fù)載宏小區(qū)1中邊緣區(qū)域的總吞吐量與其它方法在宏小區(qū)1中邊緣區(qū)域的總吞吐量的對(duì)比直方圖(如附圖4所示)表明,通過宏小區(qū)邊緣宏區(qū)域的負(fù)載情況對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)整頻段進(jìn)行共享能夠提高宏小區(qū)邊緣區(qū)域的吞吐量。
綜上所述,在本發(fā)明提出一種動(dòng)態(tài)可調(diào)的軟頻率復(fù)用方法,相比與靜態(tài)的頻率資源劃分方法,具有資源分配方式簡(jiǎn)單有效的優(yōu)點(diǎn)以及在不增加宏基站和保證用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下,根據(jù)宏小區(qū)邊緣區(qū)域的負(fù)載情況,動(dòng)態(tài)地調(diào)整子載波的分配,提高了邊緣頻譜利用效率,從而達(dá)到提高邊緣吞吐量。