基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法组成比例

本发明专利技术公开了基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法。在该两层OFDMA网络中，在下行链路场景下，宏基站与家庭基站共享频谱资源，本发明专利技术首先给宏基站用户分配频谱资源并保证宏基站用户满足一定的服务质量的要求。然后，在家庭基站用户满足一定的服务质量的前提下，基于图论建立模型简化实际问题。在图论的模型的基础上，通过加边、最大势搜索方法(MCS)计算出团的权重和团度，最后，用传统图论着色的方法结合团的权重和团度来最大化资源分配的效率。本发明专利技术提出的基于图论的动态资源分配方法有效的增加了系统的吞吐量，并实现了家庭用户的公平性的提高。

【技术实现步骤摘要】
基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法
本专利技术公开了基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法，属于无线通信的

技术介绍
近年来，室内用户对网络的覆盖范围和高速率的要求越来越高，同时，这也就促进了家庭基站成为新一门研究热点。家庭基站以其“即插即用”、小功率和经济实用的特点，迅速被广大运营商所追捧。家庭基站主要使用在家庭和办公场所，以弥补宏基站的衰弱和不足，在网络上通过DSL(cable/Ethernet/WiMAX)将数据传输到运营商网络中。但是正因为家庭基站“即插即用”的优点，也给家庭基站网络拓扑带来了动态性和不可预测性，因此动态的分配频谱在家庭基站网络拓扑上有其必要性。本专利技术利用图论对家庭基站的物理模型进行简化，将家庭基站简化为模型中的点，将家庭基站间的相互干扰简化成模型中点与点之间的边，将子带分配问题简化为着色问题，图论的应用在实际生活中有其实用操作性。本专利技术结合图论中的团和传统着色方法，大大提高了点着色的效率和公平性。团内的点两两之间有边，而极大团就是增加任何一项点都会使团不再符合团的定义，也就是说，极大团不能被任何一个更大的团所包含。因此，极大团在资源竞争上是极大冲突区域。本专利技术对极大的资源冲突区域进行资源分配，每一个极大团都是一个独立的资源冲突区域，因此每个极大团都可以共享所有资源，大大简化了复杂度并且提高了资源分配的效率。本专利技术是在OFDMA的下行链路的场景下运行。OFDMA把可用频带分成一系列正交的子信道，每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。OFDMA系统有着优越的性能，其优点主要在于频谱利用率较高。OFDMA系统中，子载波是相互正交的，之间没有保护间隔且频谱重叠，因此可以节省频谱资源，提高频带的利用率，也就是提高系统的吞吐量。在两层网络模型中，频谱资源的分配模式分为宏基站和家庭基站不共用频谱、部分共用和共用频谱三类。在频谱资源越来越稀缺的今天，完全不共用频谱是不现实和不经济的。在本专利技术中，宏基站和家庭基站是共享频谱资源的，因此宏基站用户和家庭基站用户同时需要面临两个干扰：跨层干扰和同层干扰。在宏基站和家庭基站共享频谱资源的同时，如何提高家庭基站的平均吞吐量和系统的吞吐量，与此同时还需降低方法的复杂度。因此，本专利技术优先保证宏用户的服务质量，在此基础上，考虑宏基站和其他家庭基站对家庭用户的干扰，基于图论来分配所有频谱，并在保证用户公平性的基础上，大大提高系统吞吐量。
技术实现思路
技术问题：本专利技术针对传统图论中根据度来分配资源精确度和效率低下、资源利用不充分的不足，提供一种性能优越、复杂度低的基于图论的两层OFDMA网络的频谱分配方法。技术方案：1.基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法，该方法包括以下步骤：1)建模：获取瞬时信道信息，基于图论建模G＝(V,E)。基于图论建立家庭基站的模型G＝(V,E)，V为图论中的点，代表家庭基站用户节点；E为图论中的边，代表用户之间的干扰。家庭基站的用户FUEi收集本家庭基站的信道瞬时信息，包括家庭基站Fi到FUEi的发射功率Pf以及瞬时信道增益gi,i，其他所有家庭基站F的信道瞬时信息，其中包括其他家庭基站F到家庭基站用户节点FUEi的信道的发射功率Pf以及瞬时信道增益gj,i，其中j∈F，系统中的加性高斯白噪声N0，求得目的节点FUEi的瞬时的信干燥比为使家庭基站用户FUEi满足SINRi＞SINtRh，(SINRth为信干燥比的下限，通常为一个给定的常数。)将对FUEi造成最大干扰的家庭基站加入集合Ii，并使得Ii中的家庭基站与FUEi之间的边的值为1，即直至满足条件。2)初始化：子带总数为R，所有用户的已被分配子带的集合为M。3)加边：得到弦图G'＝(V,E')。求弦图，即将图三角化，在模型G＝(V,E)的基础上加边得到：G'＝(V,E∪F)，其中F就是所加的边。根据定理：uv是弦图中的边，当且仅当uv∈E或者原图G中存在有路径u,x1,x2,…,xk,v使得α(xi)＜min{α(u),α(v)}，1≤i≤k，求得F，继而得到弦图G'＝(V,E∪F)＝(V,E')。4)通过最大势方法(MCS)，在弦图G'＝(V,E')的基础上，求得弦图内所有极大团的集合为K。5)根据公式公式公式以及公式求得每个极大团的权重wK和每个点的团度(pv,qv)，其中代表vk到v的信道增益，代表vk对v的干扰，Iv代表点v所受的最大干扰。6)更新：每个极大团的可以分配的子带的集合为N＝R∩M。7)若K为空，此次分配结束；否则，根据每个极大团的权重wK，优先选出权重最小的极大团k内的点进行优先分配，若同时存在有多个极大团的权重相同，优先选择已被分配子带数目最少的极大团k。8)赋值：i＝1。每次给选出的极大团k内点分配子带时，令i＝1，在k的可着的颜色集Nk里遍历分配子带，其中Nk是第k个极大团里的可分配信道集。9)若i＞|Nk|，则转步骤10)；否则，根据团度(pv,qv)对极大团k内的所有的点进行排序，优先选择团度最小的点v进行排序，若有多个点团度最小，则选择已被分配子带数目最少的点v，并将Nk(i)分配的分配给选出的v，其中|Nk|是第k个极大团里的可分配信道集的个数，Nk(i)是第k个极大团里的可分配子带集里的第i个子带。接着：i＝i+1。重复步骤9)。10)更新：令k中所有的点为集合A，k中点的相邻点为集合B，则A和B内各点之间边为零，即Ev∈A,v∈B＝0,Ev∈B,v∈A＝0。并令团k中所有的点已被分配的颜色为集合Mk，则已分配的子带的集合为M＝M∪Mk。转步骤3)。有益效果本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.资源分配方面，本专利技术提供了基于图论的两层OFDMA网络的频谱分配方法，该方法在对传统图论中度和团的深入理解上，在分配子载波时，通过团度提高精准度，能够获得更好的系统容量性能。2.公平性方面，在资源分配时，虽然为了使系统容量达到最大，优先给干扰小的分配，但是本专利技术中当有多个干扰小的选择时，优先选择已被分配子载波少的，这样能保证并提高用户的公平性。3.方法复杂度方面，原本的基于图论的建立的模型是一个NP-hard模型，为了简化系统模型以获得复杂度低的资源分配方法，通过本专利技术提供的团度的计算和分配方法，本专利技术首先将图变成弦图，再通过MCS方法求出所有极大团，利用极大团的概念进行优化分配，大大降低了资源分配的复杂度。附图说明图1为本专利技术方法的两层家庭基站网络的结构示意图。图2为本专利技术方法的整体流程逻辑框图。具体实施方式下面结合实施例和说明书附图来对本专利技术作进一步的说明：一、两层OFDMA家庭基站网络系统模型在本专利技术中，本专利技术考虑下行OFDMA系统两层家庭基站网络系统模型，如附图1所示。在此模型中，宏基站和家庭基站共享频谱。宏基站位于本小区中心，其覆盖范围为：Rm，每个宏小区内随机分布M个宏用户和N个家庭基站。在家庭小区内部，一个家庭基站服务于一个家庭用户，家庭基站覆盖范围为：Rf。家庭基站和宏基站的发射功率分别固定为Pm和Pf，并且Pm＞Pf。子载波集合为C＝{1,2,…,C}，子载波的个数为C。资源分配矩阵为A＝[ac,n]，矩阵的大小为C*(N+M)，当ac,n＝1时，子载波c分配给用户n；否则，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建模：获取瞬时信道信息，基于图论建模G＝(V,E)，基于图论建立家庭基站的模型G＝(V,E)，V为图论中的点，代表家庭基站用户节点；E为图论中的边，代表用户之间的干扰，家庭基站的用户FUE

【技术特征摘要】
1.基于图论的OFDMA两层网络的频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建模：获取瞬时信道信息，基于图论建模G＝(V,E)，基于图论建立家庭基站的模型G＝(V,E)，V为图论中的点，代表家庭基站用户节点；E为图论中的边，代表用户之间的干扰，家庭基站的用户FUEi收集本家庭基站的信道瞬时信息，包括家庭基站Fi到FUEi的发射功率Pf以及瞬时信道增益gi,i；其他所有家庭基站F的信道瞬时信息，其中包括其他家庭基站F到家庭基站用户节点FUEi的信道的发射功率Pf以及瞬时信道增益gj,i,其中j∈F，系统中的加性高斯白噪声N0，求得目的节点FUEi的瞬时的信干燥比为使家庭基站用户FUEi满足SINRi＞SINRth，SINRth为信干燥比的下限，通常为一个给定的常数；将对FUEi造成最大干扰的家庭基站加入集合Ii，并使得Ii中的家庭基站与FUEi之间的边的值为1，即直至满足条件；2)初始化：子带总数为R，所有用户的已被分配子带的集合为M；3)加边：得到弦图G'＝(V,E')；求弦图，即将图三角化，在模型G＝(V,E)的基础上加边得到：G'＝(V,E∪F)，其中F就是所加的边；根据定理：uv是弦图中的边，当且仅当uv∈E或者原图G中存在有路径u,x1,x2,...,xk,v使得α(xi)＜min{α(u),α(v)}，1≤i≤k，求得F，继而得到弦图G'＝(V,E∪F)＝(V,E')；4)通过最大势方法(MCS)...

【专利技术属性】
技术研发人员：季萍萍，朱琦，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32