双层异构移动通信网络的动态软频率复用方法与流程

本发明涉及双层异构网络技术领域，具体指一种用于LTE系统中毫微微(Femtocell)网络与宏(Macrocell)网络所组成的双层异构网络中基于软频率复用(Soft Frequency Reuse，SFR)的边缘频谱共享方法。

背景技术：

众所周知，在LTE系统中OFDMA的接入方式使得小区中的用户之间互不干扰，而对小区边缘用户来说其容易受到相邻小区的干扰。为了解决LTE系统中采用OFDMA所导致的小区边缘用户干扰严重的问题，提出了OFDMA的干扰协调技术，其中软频率复用方案(Soft Frequency Reuse，SFR)对频率的分配更加灵活，在发挥干扰协调的同时，也更好地提高了频谱利用率。而Femtocell是一种服务于家庭的微型网络，能极大地减轻现有宏网络的负载。为了实现更好的室内覆盖，在LTE系统中引入了Femtocell。但Femtocell的引入使原本紧张的频谱资源更加“雪上加霜”，并使异构网中的干扰变得更加复杂。其中，软频率复用技术是目前解决频率资源紧缺的重要技术手段。在固定SFR方案中，每个小区使用的子载波分为主载波和副载波。它们的区别在于，主载波的发送功率大于副载波，并且主载波优先分配给小区边缘用户使用，而副载波只分配给小区中心用户使用。相邻小区主载波是互不重叠的，这就减小了小区间干扰。

通常，在对软频率复用方案的研究中，划分子载波是通过给每个小区固定划分一段相互正交的频谱，这样的分配方法简单固定，但不能根据每个小区边缘区域的负载情况合理利用资源，属于静态划分频率资源。静态的频率资源划分导致频率利用率偏低，并且频率资源无法根据负载量的变化进行灵活调动。

因此，针对宏小区边缘区域宏负载不均衡的情况下，静态软频率复用方案不能很好地解决Femtocell与Macrocell所组成的异构网络中宏小区中边缘频谱利用效率不高的问题，成为本技术领域的重要课题。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有静态软频率复用技术存在的缺失和不足，提出一种双层异构移动通信网络的动态软频率复用方法。

本发明的主要思路是，宏小区采用软频率复用，避免小区间的干扰。并将软频率复用引入到毫微微小区的频谱分配中。在LTE网络中宏小区边缘区域用户密度分布不均匀的背景下，将保证每个宏小区边缘区域用户服务质量的最小平均动态调整频带分割出来，最后根据小区边缘区域中宏用户的负载情况，令边缘负载重的宏小区对邻小区进行全局搜索，搜索结束后，向边缘负载轻的宏小区进行动态调整频带的借用，从而达到提高边缘频谱的利用效率，最大化边缘区域的吞吐量，同时保证用户的服务质量(QoS)的目的。

为了实现上述目的，实现本发明的技术路线主要包括以下几个步骤(如附图1所示)：

步骤一：将宏小区划分成两个区域：宏小区中心区域和宏小区边缘区域。

步骤二：将OFDMA网络中的授权可用频带B平分B1、B2、B3为自留频带(i＝1,2,3)和动态调整频带B0i(i＝1,2,3)；

确定可用频带B的子载波数N；

确定宏小区中心区域用户使用的中心子载波数N_A-SFRc、宏小区边缘区域用户所使用的边缘子载波数N_A-SFRe、自留频带和动态调整频带的子载波数子载波数N_e-nb和N_e-b。

步骤三：由宏基站中的中心实体确定宏用户(MU)以及毫微微用户(FU)的位置信息，采用距离判断法和接收功率(RSRP)判断法将宏用户划分为宏小区中心用户和宏小区边缘用户。

步骤四：规划宏小区边缘区域中宏用户和毫微微用户的频谱，使每个宏小区边缘区域中的宏用户可以使用频带B1、B2、B3中的一个，使相邻宏小区边缘区域中的宏用户分配到的频带相互正交，为位于宏小区边缘区域的毫微微用户分配没有被宏小区边缘区域宏用户所占用的频带。

步骤五：规划宏小区中心区域的频谱，使宏小区中心区域的宏用户使用未被宏小区边缘区域宏用户占用的频带，为位于小区中心区域的毫微微用户分配没有被宏小区中心区域宏用户所占用的频带。

步骤六：首先，将宏小区边缘区域宏用户的S_e与宏小区边缘区域宏用户的最小值S_min与最大值S_max进行比较；

其次，将宏小区边缘区域中宏用户的负载情况与邻小区交互；再次，根据宏小区边缘区域中宏用户的负载情况确定宏小区动态调整频段B0i中的子载波调用情况。

步骤七.采用遗传算法求出最优的动态调整载波组中可以共享的子载波数所占的比例因子β，0≤β≤1。

进一步，还包括：

所述步骤二中，可用频带B平均分为B₁、B₂、B₃三个子集，B₁∩B₂∩B₃＝0，保证B₁、B₂、B₃这3个子集中的子载波相互正交；

据公式N＝[B/Δf]确定可用频带B的子载波数N，其中[]表示取整数，Δf为子载波的频谱宽度；

在保证用户服务质量的情况下确定所需要的最小平均频带B_min即自留频带B_i′(i＝1,2,3)，然后用B_0i＝B_i-B_min确定动态调整频带B_0i(i＝1,2,3)；

再确定初次分配时宏小区中心区域用户使用的中心子载波数N_A-SFRc、宏小区边缘区域用户所使用的边缘子载波数N_A-SFRe、自留频带B_i′中的子载波数N_e-nb、动态调整频段B_0i中的子载波数N_e-b，确定方法分别为：

其中，宏小区中心区域半径和宏小区半径由r和R表示。

所述步骤三中宏用户和毫微微用户划分方法：

首先，中心实体确定毫微微用户的位置信息：确定位于宏小区边缘区域的毫微微用户为毫微微边缘用户，确定位于宏小区中心区域的毫微微用户为毫微微中心用户；

其次，采用距离判断法划分宏用户：宏用户向其服务基站的中心实体报告位置信息，中心实体计算与用户间的距离d，若d≤r，则将宏用户划分为宏小区边缘区域用户；

再次，采用接收功率判断法对已判断为宏小区边缘区域宏用户作再次划分：宏小区边缘区域用户测量来自本服务小区的参考信号接收功率RSRP，并将测量值反馈给服务基站，服务基站的中心实体比较宏用户反馈的RSRP与门限值RSRPth，若RSRP≤RSRPth，则划分该宏用户为宏小区边缘区域用户；

最后，只有当两种方法均判断宏用户为宏小区边缘区域用户时，才将宏用户划分为宏小区边缘区域用户，否则划分为宏小区中心区域用户。

所述步骤六，宏小区边缘区域中宏用户的负载情况确定为：

若S_e＜S_min，则表明该宏小区边缘区域宏蜂窝用户负载轻，该宏小区中心区域中动态调整频带中的子载波可以被邻小区调用，此时宏小区动态调整频段B_0i中子载波调用后该宏小区边缘区域用户的边缘子载波数为：

若S_min≤S_e≤S_max，表明该宏小区边缘区域中宏用户负载适中，该小区中动态调整频带不与邻小区发生借调关系，该宏小区边缘区域中宏用户的边缘子载波数可以表示为：

若S_e＞S_max，表明该宏小区边缘区域中宏用户负载严重，该小区向负载轻的邻小区借用动态调整频带中的子载波，发生调用后该宏小区边缘区域中宏用户的边缘子载波数可以表示为：其中k表示重负载小区提供调用动态调整载波组的所有邻小区，k＝1,2,...K。

所述步骤七中，比例因子β的求解方法为：

对重负载小区η，确定宏小区边缘区域宏用户和宏小区边缘区域毫微微蜂窝用户u′(u′∈U_f^(e))在子载波i上接收到的信干噪比(SINR)值：

其中和分别表示在重负载小区η所有与宏小区边缘区域宏用u(u∈{1,...,U_m^(e)})使用相同子载波i的毫微微用户的集合和所有与毫微微用户u′(u′∈{1,...,U_f^(e)})使用相同子载波i的毫微微用户的集合，P_m和P_f为重负载小区η宏小区边缘区域宏用户和宏小区边缘区域毫微微用户在子载波i上的发射功率，

其中，δ_i表示子载波i是否被宏用户所占用，取值1或0；

δ_i＝1表示子载波i已被宏用户占用，而δ_i＝0表示子载波i未被宏用户占用；

和分别表示在重负载小区η中宏基站m和毫微微基站j到宏小区边缘区域宏用户u在子载波i上的信道增益；

表示毫微微蜂窝用户u′到其服务毫微微基站j在子载波i上的信道增益，和分别表示重负载小区η中毫微微基站n和宏基站m到毫微微蜂窝用户u′在子载波i上的信道增益，N_o表示噪声功率谱密度；

然后确定重负载小区η中边缘区域宏用户和毫微微用户的总吞吐量：

其中，和分别为宏小区边缘区域宏用户和毫微微用户个数；

采用遗传算法使边缘区域的总吞吐量最大化，即

maxT_e(β)＝T_em+T_ef

采用遗传算法的方法为：确定适应度函数为T_e(β)，β采用二进制编码，其它参数按照遗传算法的一般方法，进行全局搜索得到最优的比例因子β。

如上所述，本发明提出一种动态可调的软频率复用方法，相比与静态的频率资源划分方法，有效地提高边缘频率利用率，从而提高了边缘吞吐量。

附图说明

图1为本发明实施例中一个Femtocell异构网络的子频带分配流程框图；

图2为本发明实施例中用户分类流程框图；

图3为本发明实施例中基于动态的软频率复用的子频带分配图；

图4为发明实施例中边缘吞吐量的直方图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

本发明的双层异构移动通信网络的动态软频率复用方法(如附图1所示)，具体实施步骤如下：

步骤一：将宏小区划分为宏小区中心区域和宏小区边缘区域。

步骤二：将OFDMA无线网络中授权的频带资源先平分为三部分，再将平分后的三部分频带各分为两部分：自留频段、动态调整频带。

该步骤中将OFDMA网络中的授权可用频带B平均分为B₁、B₂、B₃三个子集，B₁∩B₂∩B₃＝0，保证B₁、B₂、B₃这3个子集中的子载波相互正交根；据公式N＝[B/Δf]确定可用频带B的子载波数N，其中[]表示取整数，Δf为子载波的频谱宽度；在保证用户服务质量的情况下确定所需要的最小平均频带B_min即自留频带然后用B_0i＝B_i-B_min确定动态调整频带B_0i(i＝1,2,3)；再确定初次分配时宏小区k(k＝1，2，3)中心区域用户使用的中心子载波数N_A-SFRc为宏小区k(k＝1，2，3)边缘区域用户所使用的边缘子载波数N_A-SFRe为自留频带B_i′中的子载波数N_e-nb为动态调整频段B_0i中的子载波数N_e-b为其中宏小区k的中心区域半径和宏小区k的半径由r和R表示。

步骤三：宏基站中的中心实体确定宏用户以及毫微微用户的位置信息，判断用户类型。

该步骤中：首先由宏小区的中心实体确定位于宏小区边缘区域的毫微微用户为毫微微边缘用户，确定位于宏小区中心区域的毫微微用户为毫微微中心用户；其次，采用距离判断法和接收功率判断法对宏小区中的宏用户进行划分。

步骤四：给位于宏小区边缘区域中宏用户和毫微微边缘用户进行频谱资源的初次分配，给位于宏小区中心区域中宏用户和毫微微中心用户进行频谱资源的初次分配。

步骤五：对宏小区k(k＝1,2,3)边缘区域的宏用户的负载情况进行判断。

该步骤中将宏小区k(k＝1,2,3)边缘区域宏用户的负载值S_e与两个临界负载值：最小值S_min和最大值S_max进行比较，确定小区边缘区域中宏用户的负载情况，并将该情况与邻小区交互，再根据宏小区边缘区域中宏用户的负载情况确定宏小区动态调整频段B_0i中的子载波调用情况；最后采用遗传算法求出最优的动态调整载波组中可以共享的子载波数所占的比例因子β，0≤β≤1。

宏小区中宏用户分类(如附图2所示)具体执行过程如下：

首先，采用距离判断法划分宏用户：用户向其服务基站的中心实体报告位置信息，中心实体计算与用户间的距离d，若d≤r，则将宏用户划分为宏小区边缘区域用户；

其次，采用接收功率判断法对已判断为宏小区边缘区域宏用户作

再次，划分宏小区边缘区域用户测量来自本服务小区的参考信号接收功率RSRP，并将测量值反馈给服务基站，服务基站的中心实体比较宏用户反馈的RSRP与门限值RSRPth，若RSRP≤RSRPth，则划分该宏用户为宏小区边缘区域用户；

最后，只有当两种方法均判断宏用户为宏小区边缘区域用户时，才将宏用户划分为宏小区边缘区域用户，否则划分为宏小区中心区域用户。

实施例：3个相邻小区基于动态软频率复用的子频带分配(如附图3所示)具体实施步骤如下：

规划宏小区k(k＝1，2，3)边缘区域中宏用户和毫微微用户的频谱：在宏小区1中的宏小区边缘用户和毫微微边缘用户分别使用频带B3和B1、B2；在宏小区2中的宏小区边缘用户和毫微微边缘用户分别使用频带B2和B1、B3；在宏小区3中的宏小区边缘用户和毫微微边缘用户分别使用频带B1和B2、B3；

规划宏小区k(k＝1，2，3)中心区域的频谱：在宏小区1中的宏小区中心用户和毫微微边缘用户分别使用频带B1、B2和B3；在宏小区2中的宏小区中心用户和毫微微边缘用户分别使用频带B1、B3和B2；在宏小区1中的宏小区中心用户和毫微微边缘用户分别使用频带B2、B3和B1。

以3个相邻宏网络和少量毫微微网络组成的双层异构网络模型为例。

宏小区的覆盖半径为R，宏小区中心区域的覆盖半径为r，毫微微小区的覆盖半径为Rˊ。

令宏小区1为重负载小区，其边缘区域中宏边缘用户负载为S_e＝15；宏小区2为负载较轻小区，其边缘区域中宏边缘用户负载为S_e＝5；宏小区3为轻负载小区，其边缘区域中宏边缘用户负载为S_e＝2。

宏小区k(k＝1,2,3)中边缘区域中宏边缘用户和毫微微边缘用户的资源规划(如图3所示)具体为：

对于宏边缘用户来说：宏小区1中的小区边缘宏用户分配的频带为B₃；

宏小区2中的小区边缘宏用户分配的频带为B₂；

宏小区3中的小区边缘宏用户分配的频带为B₁；

对毫微微边缘用户来说：宏小区1中的毫微微边缘用户分配的频带为B₁和B₂；

宏小区2中的毫微微边缘用户分配的频带为B₁和B₃；

宏小区3中的毫微微边缘用户分配的频带为B₂和B₃。

宏小区k(k＝1,2,3)的中心区域中宏中心用户和毫微微中心用户的资源规划(如图3所示)具体为：

对于宏中心用户来说：宏小区1中的宏中心用户分配的频带为B₁和B₂；

宏小区2中的宏中心用户分配的频带为B₁和B₃；

宏小区3中的宏中心用户分配的频带为B₂和B₃。

对毫微微中心用户来说：宏小区1中的毫微微中心用户分配的频带为B₃；

宏小区2中的毫微微中心用户分配的频带为B₂；

宏小区3中的毫微微中心用户分配的频带为B₁。

相应各参数数值见表1。

表1仿真参数值

如上所述，在重负载宏小区1中边缘区域的总吞吐量与其它方法在宏小区1中边缘区域的总吞吐量的对比直方图(如附图4所示)表明，通过宏小区边缘宏区域的负载情况对动态调整频段进行共享能够提高宏小区边缘区域的吞吐量。

综上所述，在本发明提出一种动态可调的软频率复用方法，相比与静态的频率资源划分方法，具有资源分配方式简单有效的优点以及在不增加宏基站和保证用户服务质量的前提下，根据宏小区边缘区域的负载情况，动态地调整子载波的分配，提高了边缘频谱利用效率，从而达到提高边缘吞吐量。