超密集网络中基于动态分簇的小基站用户资源分配方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及到超密集网络中基于小基站动态分簇的小基站用户资源分配方法。

背景技术：

从3g(第三代移动通信)投入使用到4g(第四代移动通信)的成功商用，无线通信技术在不断的发展和前进。伴随着手持终端设备的普及和通信业务的多样化，未来人们对于通信业务的需求呈现出爆炸式增长。从业务场景来看，移动业务的60％、数据业务的70％发生在室内和热点区域。现有4g移动网络，在解决用户接入速率、接入质量、高速移动性支持、吞吐量提升等方面具有很大的突破。但对于越来越高的用户体验速率、未来千亿的设备连接数密度、毫秒级的端到端时延，现有技术还无法满足，特别是公共场所、大型商超等人口密集区域的业务需求问题，在下一代的通信技术的研究中，提出了超密集网络技术，解决人口密集区域的业务需求问题。

超密集网络是在传统宏蜂窝覆盖下密集部署小基站，通过减少小基站到用户的距离、合理的资源分配策略等手段，提升人口密集区域的系统容量、提升用户的服务质量。然而由于小基站部署的灵活性、频谱分配等问题，将会加剧系统干扰，如层间干扰、层内干扰。此外，系统内的指令开销将会随着小基站数目成指数级增长。因此如何减少因密集部署小基站带来的系统干扰和指令开销成为待解决的问题。

目前相关文献已经提出了一些用于减少系统干扰和指令开销的方法，其中宏基站集中控制模式下的干扰管理方案采用频谱动态分配和功率控制成为抑制超密集网络中干扰的有效手段。此外，有人提出了一种基于小基站分组的干扰管理方案，基本有两种类型，一类是组内进行正交分配，组间进行复用，组内正交分配的方法是将距离相近干扰较大的小基站分在相同组，相同组中的小基站使用不同的子信道，不同分组之间对频谱进行复用。另一类是组间分配正交资源，组内进行复用。组间正交分配的方法是将距离较远干扰较小的基站分在同一组内，同一组内的小基站对子信道进行复用，不同组间分配正交信道。

发明人发现，现有技术中，宏基站集中控制模式下干扰管理方案中的系统信令开销将随着小基站数量增加而增加，该方法很难完全应用在超密集网络环境中；由于小基站部署的灵活性，需要分簇方案能够根据网络拓扑的变化，进行动态分簇；此外基于分组的干扰管理方案中组内正交方法是从每个小基站自身出发进行分组，难以找到全局较优秀的分组方案。同时，这种分配使得每个分簇中的小基站数目相差很大。面对有限的系统可用频谱资源，可能会使的一部分的小基站用户分布不到足够的或者是没有分到频谱资源，使得用户服务质量无法得到保障。

技术实现要素：

针对以上现有技术的的问题，本发明讨论了超密集网络中的频谱资源分配问题，提出了一种超密集网络中基于动态分簇的小基站用户资源分配方法，可以有效的减少系统的层内干扰和信令开销，在提升系统容量、用户的服务质量的同时兼顾用户公平性。

本发明是一种用于超密集网络中的基于动态分簇的小基站用户资源分配方案，主要包括以下步骤：

步骤101：计算小基站到簇头的距离，按照距离的远近，将小基站分配到距离最近的簇头所在的分簇中。

步骤102：在步骤101分簇的基础之上，利用分簇数目与小基站数目之间的关系、输入参数的限制，对初始分簇结果进行合并或分裂操作。

步骤103：初始分配：对研究问题进行建模、求解，根据最优解中的关键参数，将用户按照信道质量进行降序排列，用户依次选取最优(即sinr值最大)的频谱资源块。对未选取到最优资源块的用户进行标记。

步骤104：补偿分配：对被标记的用户进行补偿分配，根据公式(1-8)计算出用户的调度值，并降序排列。然后依次从剩余资源块中选取最优资源块，或用户对应的最优资源块被别的用户释放之后，且在调度期间没有被调分配出去，则优先分配分配给该用户。

所述步骤101计算小基站到簇头的距离，按照距离的远近，将小基站分配到距离最近的分簇中。其中包括：从所有小基站中选取k0个小基站作为初始簇头，计算剩余小基站到这k0个簇首的距离。按照到这k0个簇首距离的远近，将小基站分配到距离最近簇头所在的分簇中。

所述步骤102在步骤101的基础之上，利用分簇数目与小基站数目的关系、输入参数的限制，对初始分簇进行合并或分裂操作，判断每个分簇中小基站到簇头的距离方差是否大于最大距离方差，如果是，则对分簇进行分裂。判断两两分簇的簇头距离是否小于簇头间最小距离，如果小，则将两个分簇进行合并。

所述步骤103首先对研究问题进行系统建模，公式如下：

得出最优解，

上式中，目标是最大化系统容量，c1-c5为限制条件，c1表示用户的最低业务速率，c2表示系统总功率，c3表示可用资源块的数目，c5表示最优解之和，c6最优解的取值范围；最优解中有两个变量，一个是功率pf，uf，一个是信干燥比sinr，假设将功率进行均分，所以可以将其看作是定值，sinr是唯一的变量；当sinr增大或减小时，pf，uf将随之增大或减小。且选取sinr值较大的资源块，则用户获取资源块的概率也将增大。

初始分配阶段：1、将所有用户按照信道质量进行降序排列，用户依次选取最优资源块(即用户所对应的sinr值最大的资源块)。2、如果用户对应的最优资源块被别的用户选取，则该用户从剩余资源块中选取其中sinr最大的资源块，并对用户进行标记。3、当多个用户的最优资源块相同的时候，根据该资源块给用户带来的比特数大小决定，带来比特数较大的用户，优先分配。

所述步骤104对于被标记的用户进行补偿分配，按照下列公式(1-8)对标记用户进行调度值的计算，用户按照调度值的高低进行排序，依次选取最优资源块，或用户对应的最优资源块被别的用户释放，且调度期间没有被分配出去，则优先分配给该用户。

本发明的有益效果在于：本发明针对超密集网络中的小基站用户资源分配问题，采用基于动态分簇的资源分配算法来完成对小基站用户频谱资源分配，利用分簇对小基站进行管理，减少了系统内的信令开销，加上合理的资源分配方案和频谱簇间复用，减少了层内干扰、提高了频谱利用率，提高系统容量的同时兼顾系统公平性。

附图说明

图1超密集网络中基于动态分簇的小基站用户资源分配方法示例图

图2本发明基于距离的小基站动态分簇方法实施流程图

图3本发明的小基站用户资源分配过程流程图

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施案例对本发明做进一步详细说明。

图1超密集网络中基于动态分簇的小基站用户资源分配方法示例图，该方法包含以下步骤：

步骤101：利用分簇数目与小基站数目的关系：k＝lnⁿ(k是簇数，n为小基站数目)，给出预期分簇数目范围[1,k],在[1，k]中选择一个数k0，挑选k0个小基站作为初始簇头，计算n-k0个小基站到k0个簇头的距离，按照距离的远近，将小基站分配到距离最近的簇头所在的分簇中。

步骤102：在步骤101分簇的基础之上，利用输入参数(预期分簇数目k0、每个分簇中最少基站数目、簇中小基站到簇头的最大距离方差、两两簇头之间的最小距离)的限制，对初始分簇进行合并或分裂。判断每个分簇中的距离方差是否大于初始参数中的距离方差，如果是，则将这个分簇进行分裂操作。判断两两分簇的簇头距离是否小于簇头间最小距离，如果是，则将这两个分簇进行合并操作。

步骤103：初始分配：对研究问题进行建模，根据最优解中的关键参数，将用户按照信道质量进行降序排列，用户依次选取最优(即sinr值最大)的频谱资源。对未选取到最优资源块的用户进行标记。

步骤104：补偿分配：对未选取到最优资源块的用户进行补偿分配或资源块微调。

图2本发明基于距离的小基站动态分簇方法实施流程图，包含以下步骤：

步骤201：初始参数：预期分簇数目k0、每个分簇中最少基站数目、簇中小基站到簇头的最大距离方差、两两簇头之间的最小距离。

步骤202：根据分簇数目与小基站数目的关系，在[1,k]中挑选一个数k0作为预期分簇数目，从小基站中挑选k0个作为簇头，计算剩余n-k0个小基站到这k0个簇头的距离，将n-k0个小基站分配到距离最近的簇头所在的分簇中。

步骤203：判断每个分簇中的小基站数目是否小于初始参数中的簇中基站最低数目，如果小于则将该簇丢弃，将簇中小基站分配到临近的簇中。

步骤204：对于已经分好的分簇，重新选取每个分簇中的簇头。

步骤205：判断每个分簇中的距离方差是否大于初始参数中的最大距离方差，如果是，则将这个分簇进行分裂操作。如果否，则转到步骤206。

步骤206：判断两两分簇的簇头距离是否小于簇头间最小距离，如果是，则将这两个分簇进行合并操作。如果否，则转到步骤207。

步骤207：判断分簇中是否存在基站到簇头的距离大于两两簇头之间的距离。如果存在，将分簇进行合并。

步骤208：判断是否是最后一次迭代。如果否，则返回步骤202。

步骤209：是否需要修改初始值。如果是，则返回步骤201。直至结束。

图3本发明的小基站用户资源分配过程流程图，包含以下步骤：

步骤301：将所有用户按照信道质量进行降序排列，依次从资源块中选择自己所对应的最优资源块(用户对应的sinr最大的资源块)。

步骤302：如果对应的最优资源已被别的用户选走，则从剩下的资源块中选取次优资源块。并对用户进行标记。

步骤303：如果两个用户的对应的资源块相同，则根据该资源块给用户带来的比特数多少决定，带来比特数较多的用户，优先获取。

步骤304：对于被标记的用户进行补偿分配，按照下列式子(1-8)计算用户的调度值，根据调度值的大小进行排序，依次选取最优资源块，如果最优资源块已被分配，则从剩余资源块中选取次优资源块。