本發(fā)明涉及認知femtocell網(wǎng)絡(luò)資源分配存，特別是一種認知femtocell網(wǎng)絡(luò)混合頻譜接入方法。

背景技術(shù)：

隨著長期演進系統(tǒng)的實施，室內(nèi)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在通信業(yè)務(wù)中所占的比重越來越大，這對移動通信系統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋和系統(tǒng)容量都提出了更高的標準。而長期演進系統(tǒng)部署的頻段主要分布在高頻段，高頻段信號在穿越墻壁等建筑物時其衰減程度比低頻信號嚴重，導(dǎo)致室內(nèi)宏基站覆蓋弱區(qū)、盲區(qū)增多。在傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署多個家庭基站而成的兩層家庭基站網(wǎng)絡(luò)能夠有效增強傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)覆蓋質(zhì)量。由于頻譜資源緊缺，家庭基站與宏基站同頻部署，這種部署方式會給宏蜂窩帶來嚴重的干擾問題，降低兩層家庭基站網(wǎng)絡(luò)的性能。

femtocell基站能夠?qū)崿F(xiàn)增強的室內(nèi)及小范圍熱點覆蓋，從而顯著提高系統(tǒng)容量。但femtocell的引入會帶來新的資源分配問題，也會造成網(wǎng)絡(luò)干擾結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。針對femtocell引入帶來的資源分配及干擾問題，已有的研究工作主要從功率控制、頻率分配及其聯(lián)合功率與頻率分配在提高系統(tǒng)容量、干擾抑制等方面進行研究。

a.功率控制與資源分配

在無線通信系統(tǒng)中，來自其他系統(tǒng)中的跨層干擾或者其他系統(tǒng)中用戶的干擾是限制系統(tǒng)容量的主要因素。為了保證無線通信系統(tǒng)中通信設(shè)備的正常工作，采用功率控制方法，盡可能地降低通信設(shè)備的發(fā)射功率，改善系統(tǒng)性能，并且增加通信設(shè)備終端的待機時間。認知femtocell網(wǎng)絡(luò)中，fus不能對mus產(chǎn)生嚴重的干擾。功率控制就是抑制認知femtocell基站對mus干擾的一種有效手段。通過功率控制將fus的發(fā)射功率控制在一定的范圍內(nèi)，以避免對mus產(chǎn)生干擾。但是fus的發(fā)射功率也不能過低，否則可能會導(dǎo)致fus的通信受阻，服務(wù)質(zhì)量qos下降。

b.頻譜資源分配

隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展、無線通信設(shè)備廣泛的應(yīng)用，移動用戶對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求不斷提高，高效的頻譜管理技術(shù)和先進的頻譜分配方法至關(guān)重要。高效的頻譜分配方式一方面可以實現(xiàn)認知femtocell網(wǎng)絡(luò)中頻譜的合理分配，另一方面可以提高現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)中的頻譜利用率。頻譜資源在無線通信系統(tǒng)中也被劃分為子信道，亦可稱之為子信道分配。在兩層femtocell網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配主要分為兩種：1)共享頻譜接入。在共享頻譜接入中，fus可以接入mus已占用了的信道或載波，這種方式中，fus既要考慮對mus產(chǎn)生的干擾，又要考慮來自其他家庭用戶的干擾。2)正交頻譜接入。在正交頻譜接入中，在一個時刻，一條子信道只可以被一個用戶占用。完成子信道分配后，fus使用相互正交的子信道進行傳輸數(shù)據(jù)，從而避免了fus之間的干擾。

c.聯(lián)合功率與頻譜資源分配

近年來，也有一些文獻在femtocell中綜合考慮頻譜和功率的聯(lián)合分配。例如，一種聯(lián)合信道與功率分配算法，該算法最大化密集部署femtocell基站的網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘?，但是并沒有考慮femtocell基站對macrocell基站的干擾。

將認知無線電的思想應(yīng)用于femtocell基站的研究中去解決femtocell基站與宏蜂窩系統(tǒng)中的資源分配及干擾問題，是目前比較新穎的方法。這方面的研究成果較少。在傳統(tǒng)femtocell基站資源分配方法中，大多數(shù)文獻將全部的頻譜資源劃分成了兩大部分，一部分供mus使用，剩余部分供femtocell基站使用。但是在實際生活應(yīng)用中，某些時間段內(nèi)mus的通信量暴增，而fus的通信量卻很低，然而這種情形時mus不能使用femtocell基站占用的那部分資源，導(dǎo)致mus的通信得不到保證。同樣，若fus通信量暴增，分配給femtocell基站的頻譜資源不足以支撐femtocell基站內(nèi)用戶的通信量。所以，mus使用的頻譜資源和femtocell基站擁有的頻譜資源需要動態(tài)劃分，而認知無線電中的頻譜感知技術(shù)能夠很好的完成femtocell基站和mus之間的動態(tài)資源劃分。目前針對認知femtocell系統(tǒng)中的資源分配問題，大多建立在完美頻譜感知基礎(chǔ)上的，然而完美頻譜感知在實際中是很難實現(xiàn)的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種認知femtocell網(wǎng)絡(luò)混合頻譜接入方法，聯(lián)合子信道與功率分配，最大化認知femtocell系統(tǒng)容量，獲得更好系統(tǒng)容量，改善系統(tǒng)頻譜利用。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種認知femtocell網(wǎng)絡(luò)混合頻譜接入方法，包括以下步驟：

步驟1：建立基于不完美頻譜感知的聯(lián)合子信道與功率分配算法，具體為：

步驟1.1：構(gòu)建認知femtocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

所述認知femtocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型為：一個主macrocell給m個mus傳輸信號，f個認知femtocell基站，每個認知femtocell基站給h個認知fus提供服務(wù)；其中認知femtocell基站隨機部署在主macrocell基站覆蓋范圍內(nèi)，認知femtocell基站接入方式為封閉式接入，認知fus使用overlay模式接入主mus的空閑頻段；ofdma系統(tǒng)總帶寬為b，分成ntotal個正交子信道，每個子信道帶寬為δf＝b/ntotal，每個子信道衰落模型為瑞利平坦衰落；

步驟1.2：分析認知femtocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)干擾

上行鏈路中認知femtocell基站系統(tǒng)因為不完美頻譜感知造成的共信道干擾以及帶外發(fā)射對主macrocell基站造成的跨層干擾表示為：

其中表示認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的鏈路增益，n0和n1分別表示認知fap判定的空閑子信道集和非空閑子信道集；

步驟1.3：建立資源分配優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型

資源分配的目標是在滿足認知fus的qos，保護mus的正常工作前提下，聯(lián)合子信道與功率分配，最大化上行鏈路認知fus的總?cè)萘?，即?/p>

其中，約束條件c1的作用是保證認知femtocell基站i中的認知fusv的qos需求，即滿足最小傳輸速率ri,v；c2的作用是限制每一個認知家庭用戶的發(fā)射功率不高于pmax；約束條件c4和c5的作用是保證每一個子信道最多被認知femtocell網(wǎng)絡(luò)中的一個認知家庭用戶占用；約束條件c6給出主macrocell基站網(wǎng)絡(luò)中每個子信道跨層干擾溫度限制保護mus的通信質(zhì)量；

步驟1.4：建立聯(lián)合子信道與功率分配算法，具體為：

s1：認知家庭基站集：f＝{1,2,...,f}，每個家庭基站中的認知用戶集：v＝1,2,...,h；

s2：初始化基站網(wǎng)絡(luò)中每個子信道跨層干擾溫度限制和拉格朗日乘子α,β和δ，設(shè)置更新標識l＝0；

s3：給每一條子信道分配相同功率，設(shè)置子信道分配系數(shù)εi,v,s＝0；

s4：針對每一個更新標示l，進行如下計算：

s5：首先針對認知家庭基站i，計算ii,v,s，

s6：針對每一個家庭基站f，f初始值等于1，計算：

s7：子信道集：s＝{1,2,...,n}；

s8：子信道分配數(shù)量；

s9：根據(jù)式計算并找出v^*＝argmaxδi,v,s，s∈s；

s10：功率分配數(shù)值；

s11：針對子信道集中的每一個s，s初始值等于1，計算：

s12：a、fus根據(jù)式更新

s13：b、認知家庭基站i基于子梯度法更新α和β；

s14：c、認知家庭基站i更新δi,v,s；

s15：更新s，即s增加1，回到第s11重新計算，直到s大于n，結(jié)束第s11的循環(huán)；

s16：更新家庭基站f，即f增加1，回到s6重新計算，直到f大于f，結(jié)束s6的循環(huán)；

s17：主宏基站基于子梯度法更新δ，并將更新后的值回傳給認知家庭基站，迭代更新標

識l＝l+1；回到s4重新計算；

s18：當更新迭代標識l＝lmax或者算法得到了收斂，則結(jié)束s4的循環(huán)，退出程序；

步驟2：認知femtocell網(wǎng)絡(luò)混合頻譜接入方案，具體為：

步驟2.1：混合頻譜接入認知femtocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

所述認知femtocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型中，所有的mus和認知fus都使用同一運營商提供的頻譜資源，fap基于ip通過femtocell網(wǎng)關(guān)fgw連接核心網(wǎng)，一個主macrocell基站給m個mus傳輸信號，f個認知femtocell基站，每個認知femtocell基站給h個認知fus提供服務(wù)；其中認知femtocell基站隨機部署在主macrocell基站覆蓋范圍內(nèi)，認知femtocell基站接入方式為封閉式接入，ofdma系統(tǒng)總帶寬為b，分成ntotal個正交子信道，每個子信道帶寬為δf＝b/ntotal，每個子信道衰落模型為瑞利平坦衰落；

步驟2.2：混合頻譜接入模式的選擇標準

在混合頻譜分配中，系統(tǒng)授權(quán)頻譜資源為bωhz，外部認知femtocell基站使用bωhz的頻譜資源，而內(nèi)部認知femtocell基站與macrocell基站分別使用bfhz、bmhz的頻譜資源，bf+bm＝bω；

步驟2.3：認知femtocell網(wǎng)絡(luò)下行鏈路混合頻譜分配

當時，認知femtocell基站選擇overlay分配模式獲得更好地系統(tǒng)容量；當時，認知femtocell基站選擇underlay頻譜分配模式獲得更好地系統(tǒng)容量，d是認知femtocell基站與macrocell基站之間的距離，是將認知femtocell基站劃分成內(nèi)部認知femtocell基站和外部認知femtocell基站的距離閾值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明獲得的系統(tǒng)容量和干擾抑制方面相對于傳統(tǒng)的femtocell基站網(wǎng)絡(luò)和基于完美頻譜感知的認知femtocell基站網(wǎng)絡(luò)在獲得的系統(tǒng)容量及干擾抑制方面都有很好的改善；本發(fā)明混合頻譜接入方法較overlay模式、underlay模式可以獲得更好的系統(tǒng)容量。

附圖說明

圖1是認知femtocell系統(tǒng)模型。

圖2是認知femtocell系統(tǒng)性能與迭代次數(shù)的關(guān)系。

圖3是系統(tǒng)性能與fus的qos需求之間的關(guān)系。

圖4是不完美頻譜感知與完美頻譜感知性能比較。

圖5是有無同層干擾對系統(tǒng)性能的影響。

圖6是認知femtocell網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)femtocell網(wǎng)絡(luò)性能比較。

圖7是仿真流程圖。

圖8是macrocell容量與femtocell-macrocell之間距離的關(guān)系。

圖9是認知femtocell容量與femtocell-macrocell之間距離的關(guān)系。

圖10是不同距離閾值認知femtocell容量比較。

圖11是不同頻譜接入方式認知femtocell容量比較。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

傳統(tǒng)的femtocell基站系統(tǒng)中的femtocell不具有認知能力，只能固定地占用宏蜂窩系統(tǒng)的某些頻譜資源。雖然有相應(yīng)的頻譜選擇機制，但不能從根本上靈活選擇頻譜。本發(fā)明中基于ofdma的認知femtocell系統(tǒng)上行鏈路中的資源分配問題。在系統(tǒng)模型中，一個主macrocell給m個mus傳輸信號，f個認知femtocell基站，每個認知femtocell基站給h個認知fus提供服務(wù)。其中認知femtocell基站隨機部署在主macrocell基站覆蓋范圍內(nèi)。認知femtocell基站接入方式為封閉式(closed)接入，認知fus使用overlay模式接入主mus的空閑頻段。ofdma系統(tǒng)總帶寬為b，分成ntotal個正交子信道，每個子信道帶寬為δf＝b/ntotal，每個子信道衰落模型為瑞利平坦衰落。此外本文中的信道增益只考慮路徑損耗，即其中g(shù)i,j表示信道增益，τ由天線增益、陰影衰落等系統(tǒng)參數(shù)決定，γ表示路徑衰落指數(shù)。系統(tǒng)模型如圖1所示(假設(shè)宏蜂窩小區(qū)和femtocell都處于上行傳輸階段)。

在認知femtocell系統(tǒng)中，認知fus使用基于能量檢測的頻譜感知技術(shù)，在頻譜感知周期的信號檢測時間段內(nèi)檢測ntotal個子信道的狀態(tài)，在每個決策時間段結(jié)束時，認知femtocell基站綜合每個fus感知信號結(jié)果做出最優(yōu)決策，判定每一個子信道是否空閑。在ntotal個子信道中決策出空閑子信道集s＝1,2,...,n(n＜ntotal)。認知femtocell基站負責(zé)將空閑子信道分配給認知fus。該系統(tǒng)中認知femtocell基站可以同時進行頻譜感知與數(shù)據(jù)傳輸。同時每一個認知femtocell基站能夠檢測mus是否要占用已被認知fus使用的子信道，以及時退出宏用戶要占用的子信道，避免對宏用戶造成有害干擾，然后每個認知femtocell基站更新其空閑子信道集。對于空閑子信道集s中的每一個子信道，最多被一個fus使用。令εi,v,s表示子信道分配系數(shù)，εi,v,s∈{0,1}，εi,v,s＝1表示認知femtocell基站i^th(i＝1,2,...,f)中的認知fusv(v＝1,2,...,h)占用子信道s(s＝1,2,...,n)，未占用則εi,v,s＝0。認知femtocell基站j到認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的信道增益為主macrocell基站到認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的信道增益為則認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的信號與干擾功率比sinr可以寫成：

其中，pi,v,s表示認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的發(fā)射功率，為宏用戶m在子信道s中的發(fā)射功率，m指正在使用子信道s的宏用戶，σ²為高斯白噪聲功率。在式(1)中表示認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中受到的來自主macrocell基站的跨層干擾。femtocell基站低功耗、低穿透損耗的特點使認知femtocell相鄰基站間的同層干擾可以視作熱噪聲的一部分，尤其是在郊區(qū)稀疏部署的femtocell基站，所以與跨層干擾相比，同層干擾可以忽略不計。根據(jù)香農(nóng)定理，認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的容量為：

其中表示認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的最大傳輸速率。

在基于ofdma的認知femtocell系統(tǒng)中，認知fus對mus的干擾成因主要有兩個。其中一個是在頻譜感知錯誤即不完美頻譜感知的情況下，認知fus會錯誤地判定某些信道是空閑的，并且會接入這些頻段，而這些頻段正在被mus占用，會給mus造成嚴重的干擾。另一個是因為認知fus接入mus空閑子信道后，認知fus的功率泄露到mus使用的信道中造成的帶外發(fā)射，即ofdm中的旁瓣泄露問題。

在由認知femtocell基站系統(tǒng)和主macrocell基站系統(tǒng)構(gòu)成的同頻異構(gòu)認知蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，不完美頻譜感知會給macrocell基站造成嚴重的共信道干擾，影響兩層femtocell網(wǎng)絡(luò)的性能。

判斷子信道s是否被mus所使用是由認知femtocell接入點fap確定的，其判斷結(jié)果分為以下四種情況：

情況1：主macrocell基站網(wǎng)絡(luò)中子信道s被占用，認知fap判定子信道s空閑；

情況2：主macrocell基站網(wǎng)絡(luò)中子信道s被占用，認知fap判定子信道s被占用；

情況3：主macrocell基站網(wǎng)絡(luò)中子信道s空閑，認知fap判定子信道s空閑；

情況4：主macrocell基站網(wǎng)絡(luò)中子信道s空閑，認知fap判定子信道s被占用。

對于情況1和情況4屬于認知fap感知錯誤情況，情況2與情況3認知fap作出的決策是正確的。在不完美頻譜感知中，情況1子信道s被占用卻被決策為空閑，屬于漏警情況，而情況4子信道s空閑卻被決策為繁忙狀態(tài)，屬于虛警情況。假設(shè)頻譜感知中漏警概率為pm，虛警概率為pa，主macrocell基站用戶占用子信道s的概率為ps。令h1表示子信道s被mus占用事件，表示認知fap判定子信道s被占用事件；令h0表示子信道s在macrocell基站網(wǎng)絡(luò)中空閑事件，表示認知fap判定子信道s空閑事件。根據(jù)以上假設(shè)，可以分別計算出這四種情況發(fā)生的概率。

子信道s中出現(xiàn)情況1的概率為：

子信道s中出現(xiàn)情況2的概率為：

子信道s中出現(xiàn)情況3的概率為：

子信道s中出現(xiàn)情況4的概率為：

帶外發(fā)射是由ofdm信號的旁瓣功率泄漏所造成的。認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的功率譜密度可以表示如下：

其中ts是ofdm符號周期。子信道s對macrocell基站已占用子信道n因為帶外發(fā)射造成的干擾可以表示如下：

其中ds,n是認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s與宏用戶已占用的子信道n之間的頻譜距離；表示認知fus到主macrocell基站在子信道n中的信道功率增益。

基于以上分析，上行鏈路中認知femtocell基站系統(tǒng)因為不完美頻譜感知造成的共信道干擾以及帶外發(fā)射對主macrocell基站造成的跨層干擾可以表示如下：

其中表示認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中的鏈路增益，n0和n1分別表示認知fap判定的空閑子信道集和非空閑子信道集。

femtocell基站低功耗、低穿透損耗的特點使認知femtocell相鄰基站間的同層干擾可以視作熱噪聲的一部分，尤其是在郊區(qū)稀疏部署的femtocell基站，所以與femtocell-macrocell之間的跨層干擾相比，femtocell基站之間的同層干擾可以忽略不計。

基于ofdma的認知femtocell網(wǎng)絡(luò)中的滿足認知fus的qos，保證mus通信質(zhì)量，最大化認知femtocell系統(tǒng)容量的資源分配問題。資源分配的目標是在滿足認知fus的qos，保護mus的正常工作前提下，聯(lián)合子信道與功率分配，最大化上行鏈路認知fus的總?cè)萘?，即?/p>

其中約束條件c1的作用是保證認知femtocell基站i中的認知fusv的qos需求，即滿足最小傳輸速率ri,v；c2的作用是限制每一個認知家庭用戶的發(fā)射功率不高于pmax；約束條件c4和c5的作用是保證每一個子信道最多被認知femtocell網(wǎng)絡(luò)中的一個認知家庭用戶占用；約束條件c6給出主macrocell基站網(wǎng)絡(luò)中每個子信道跨層干擾溫度限制保護mus的通信質(zhì)量。

優(yōu)化問題(10)是非凸混合整數(shù)規(guī)劃問題，很難解決而且有很高的計算復(fù)雜度，因為該優(yōu)化問題含有一個連續(xù)變量pi,v,s和一個二元變量εi,v,s。為了降低問題解決復(fù)雜度，求解優(yōu)化問題(10)，松弛約束條件c4中的子信道分配系數(shù)限制條件到一個連續(xù)變量，即εi,v,s放寬在[0,1]區(qū)間取值，此時εi,v,s含義變?yōu)檎J知femtocell基站i中的認知fusv在一個傳輸幀期間只有部分幀時隙使用。記表示認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中動態(tài)功率分配。記表示認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中可以受到的最大干擾，即干擾上界。則認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中最大傳輸速率的下界為：

根據(jù)以上討論，優(yōu)化問題(10)轉(zhuǎn)化為一個凸優(yōu)化問題(12)：

問題(12)是一個凸優(yōu)化問題，其證明過程如下：

定義函數(shù)則式(12)中的優(yōu)化問題即為對的函數(shù)的總和。將式(11)代入函數(shù)中，可以得到：

對式(13)求二次微分得

則函數(shù)的海賽矩陣為：

由式(17)可知函數(shù)的海賽矩陣h的一階主子式是負的，二階主子式為0，所以函數(shù)的海賽矩陣h是負半定矩陣，函數(shù)是關(guān)于εi,v,s和的凹函數(shù)，由于凹函數(shù)求非負加權(quán)和不改變其凹性，所以問題(12)是一個凸優(yōu)化問題。

聯(lián)合子信道和功率資源分配的優(yōu)化問題(12)可以使用拉格朗日(lagrange)對偶分解法解決，該方法已被廣泛應(yīng)用于解決凸優(yōu)化資源分配問題，而且采用拉格朗日對偶分解法能夠在多項式的時間復(fù)雜度內(nèi)得到凸優(yōu)化問題(12)的最優(yōu)解。問題(12)的拉格朗日函數(shù)為：

其中α,β,γ,δ分別是約束條件c1，c2，c5和c6的拉格朗日乘子。邊界約束條件c3和c4包含在kkt(karush-kuhn-tucker)條件中。lagrange對偶函數(shù)為：

則對偶問題可以表示如下：

在基于ofdma的認知femtocell系統(tǒng)中，每一個子信道只能被一個認知fus占用，所以每一個認知fus占用的子信道集相互獨立。因此可以使用分解法解決該拉格朗日對偶問題。該拉格朗日對偶問題可以分解成一個主對偶問題和f×n個獨立的子問題，主對偶問題和子問題都可以使用迭代法解決。拉格朗日函數(shù)分解如下：

其中

假設(shè)和表示資源分配問題(12)的最優(yōu)解。分別對和求偏導(dǎo)，求解kkt點(對于凸優(yōu)化問題而言，kkt點即為該問題的最優(yōu)解)，如式(23)和(26)所示：

其中：

根據(jù)式(23)和(24)，令式(23)等于零，可以得到認知femtocell基站i中的認知fusv在子信道s中最優(yōu)發(fā)射功率為：

其中(x)⁺＝max(0,x)。

其中

根據(jù)式(26)和(27)，可以得到每個子信道都不能被多個認知fus同時使用，而且只有取得δi,v,s最大值的認知fus才可以使用子信道s即：

以上是f×n個子問題的解決過程。對于式(21)中的主對偶問題，因為本發(fā)明所要求解的對偶問題是可微的，所以可以通過迭代更新的次梯度方法解決?；诖翁荻确椒ǎ鲗ε紗栴}解決如下：

其中，是變量v的迭代步長，l∈{1,2,...,lmax}，lmax是最大迭代次數(shù)。其中迭代步長要滿足該算法可以收斂到最優(yōu)結(jié)果。

為驗證本發(fā)明所研究的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署認知femtocell基站場景下，基于不完美頻譜感知的聯(lián)合子信道與功率分配優(yōu)化算法的正確性和有效性，本發(fā)明采用了matlab系統(tǒng)級仿真來進行驗證，對上述理論進行數(shù)值仿真，并對仿真結(jié)果進行分析和總結(jié)。使用靜態(tài)仿真，用戶在一次撒點后位置就不再移動。仿真場景是下層部署一個主macrocell基站，上層部署多個認知femtocell基站的兩層femtocell網(wǎng)絡(luò)場景。在系統(tǒng)中部署一個主宏小區(qū)，其覆蓋半徑為500m。主macrocell基站位于宏小區(qū)的中心，m個mus和f個認知femtocell基站隨機分布在主macrocell基站覆蓋區(qū)域。認知femtocell基站半徑為10m。采用共信道傳輸模式。認知femtocell基站接入模式為封閉接入模式。系統(tǒng)的載波頻率為2ghz，總帶寬為b＝10mhz，n0＝-174db/hz，子信道數(shù)ntotal＝50，宏用戶數(shù)m＝30，認知femtocell基站數(shù)f＝10，每個femtocell基站中有h＝4個fus，頻譜感知的虛警概率pa，漏警概率pm和宏用戶使用子信道s的概率ps分別是[0.05,0.1]，[0.01,0.05]和[0,1]區(qū)間的均勻分布，跨層溫度干擾門限具體的仿真參數(shù)及其含義如表1所示：

表1主要仿真參數(shù)

圖2給出了每一個認知femtocell基站用戶總?cè)萘颗c迭代次數(shù)之間的關(guān)系。其中認知fus的最大發(fā)射功率pmax＝26dbm，認知fus最小傳輸速率ri,v＝9bps/hz。由圖可知本發(fā)明研究的算法迭代4次便收斂，表明本發(fā)明研究的算法可以很快產(chǎn)生最優(yōu)解、獲得很好的系統(tǒng)性能，而且迭代4次便收斂，表明本發(fā)明研究的認知femtocell基站網(wǎng)絡(luò)資源分配算法的時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度較低。

圖3所示為認知femtocell基站系統(tǒng)的總?cè)萘颗c每個認知fus的最小傳輸速率需求之間的關(guān)系，其中認知fus的最大發(fā)射功率pmax＝26dbm。從圖中可以看出認知femtocell系統(tǒng)的總?cè)萘侩S著每個認知fus的最小傳輸速率需求ri,v增大而減小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是約束條件c1中認知fus最小傳輸速率需求ri,v的增大會縮小優(yōu)化問題(12)中優(yōu)化變量的可行域。而且圖中的三條曲線分別給出每一個認知femtocell基站中擁有不同家庭用戶數(shù)時，認知femtocell基站系統(tǒng)可以獲得的系統(tǒng)總?cè)萘恐g的大小關(guān)系，可以看出，每個認知femtocell基站中的家庭用戶數(shù)越多，可以獲得較高的系統(tǒng)容量，這是多用戶分集增益產(chǎn)生的益處。

圖4給出了每條子信道中宏用戶受到的平均跨層干擾與認知fus的最大傳輸功率pmax之間的關(guān)系，認知fus最小傳輸速率ri,v＝9bps/hz。圖中對比了認知femtocell基站系統(tǒng)中，基于完美頻譜感知的和基于不完美頻譜感知的聯(lián)合子信道與功率分配算法。其中基于完美頻譜感知的聯(lián)合子信道與功率分配算法是參考文獻中的算法。可以看出基于不完美頻譜感知的算法，每條子信道中主macrocell基站中mus受到的平均跨層干擾隨認知fus的最大傳輸功率pmax的增大而增大，但mus受到的跨層干擾不會超過跨層干擾溫度限制這是因為認知fus對mus造成的累積跨層干擾一旦超過跨層干擾溫度限制的值，認知femtocell基站便拒絕給該認知fus分配子信道，以避免影響mus的正常工作。而基于完美頻譜感知的算法中主macrocell基站中mus受到的平均跨層干擾比本發(fā)明研究的算法的高。這是因為不完美頻譜感知中的虛警和漏警現(xiàn)象使得認知femtocell基站對跨層干擾的計算更敏感，抑制了一定的跨層干擾。

圖5所示為認知femtocell系統(tǒng)性能與認知fus最大傳輸功率pmax之間的關(guān)系。其中認知fus最小傳輸速率ri,v＝9bps/hz。可以看出認知femtocell系統(tǒng)總?cè)萘侩Sfus的最大傳輸功率的增大而增大。圖5對比了系統(tǒng)有無考慮認知femtocell基站網(wǎng)絡(luò)中的認知femtocell基站之間的同層干擾對系統(tǒng)性能的影響，從仿真結(jié)果可以看出有無考慮認知femtocell基站之間的同層干擾對系統(tǒng)性能基本沒有影響。也就是說，與跨層干擾相比，femtocell基站間的干擾很小，基本可以忽略，證實了認知femtocell基站低發(fā)射功率、低穿透損耗的特點使得認知femtocell基站之間的同層干擾可以視作熱噪聲的一部分。

圖6比較了認知femtocell基站網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量與傳統(tǒng)femtocell基站網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量間的關(guān)系。其中認知fus最小傳輸速率ri,v＝9bps/hz。可以看出，認知型femtocell基站相比于傳統(tǒng)型femtocell基站可以獲得更高的兩層femtocell基站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，并且性能超過約7.6％，即認知femtocell在提高femtocell基站系統(tǒng)容量方面優(yōu)于傳統(tǒng)型femtocell。這主要是因為認知型femtocell基站的認知能力，通過頻譜感知可以提供更多且信道狀態(tài)較好的頻譜資源給家庭用戶使用。其中傳統(tǒng)femtocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中資源分配算法是參考文獻中的聯(lián)合子信道與功率分配算法。

構(gòu)建一種基于ofdma的混合頻譜接入模式認知femtocell系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的femtocell基站具有認知無線電技術(shù)中的頻譜感知能力。研究基于ofdma的認知femtocell系統(tǒng)下行鏈路中的資源分配問題。三種頻譜共享機制，分別為a)overlay頻譜接入模式，b)underlay頻譜接入模式，c)混合頻譜接入模式。三種頻譜共享機制中都考慮了用戶的認知性：a)中的認知fus檢測mus的頻譜空穴，在頻譜空穴中傳輸數(shù)據(jù)；b)中的認知fus在一定干擾門限值以下接入mus正在使用的子信道傳輸數(shù)據(jù)；c)所示為本發(fā)明的混合頻譜接入模式，在該機制下，認知fus首先檢測mus未占用的子信道，如果有空閑子信道，則使用空閑子信道傳輸數(shù)據(jù)，同overlay頻譜接入模式；若沒有空閑子信道，在一定干擾門限值以下使用mus正在使用的子信道進行數(shù)據(jù)傳輸，即underlay頻譜接入模式。

本發(fā)明中的混合頻譜接入的認知femtocell系統(tǒng)中，所有的mus和認知fus都使用同一運營商提供的頻譜資源。在該系統(tǒng)中，fap基于ip通過femtocell網(wǎng)關(guān)fgw連接核心網(wǎng)，其中femtocell網(wǎng)關(guān)fgw相當于一個附近區(qū)域中所有的fap的控制中心。該系統(tǒng)中，一個主macrocell基站給m個mus傳輸信號，f個認知femtocell基站，每個認知femtocell基站給h個認知fus提供服務(wù)。其中認知femtocell基站隨機部署在主macrocell基站覆蓋范圍內(nèi)。認知femtocell基站接入方式為封閉式(closed)接入。ofdma系統(tǒng)總帶寬為b，分成ntotal個正交子信道，每個子信道帶寬為δf＝b/ntotal，每個子信道衰落模型為瑞利平坦衰落。

本發(fā)明主要研究認知femtocell基站密集部署情形中的資源分配問題，所有的子信道不足以供所有的mus和fus獨立占用，即在混合頻譜接入認知femtocell系統(tǒng)中，空閑子信道數(shù)小于認知fus數(shù)，因此在ofdma頻譜共享系統(tǒng)中，認知fus可能與mus共享同一子信道。所以該系統(tǒng)中共信道干擾很嚴重。

假設(shè)每一個認知femtocell都能夠根據(jù)頻譜分配選擇的標準和一些相關(guān)條件選擇最優(yōu)的頻譜分配方式。下面一小節(jié)講述最優(yōu)頻譜接入方式的選擇標準。該選擇標準主要考慮到macrocell基站和認知femtocell基站的可獲得的最大系統(tǒng)容量和跨層干擾問題。

在認知femtocell網(wǎng)絡(luò)中研究混合頻譜接入方式的目的是改善femtocell密集部署時認知fus通信質(zhì)量得不到保證的問題。選擇混合頻譜接入模式是為了改善認知femtocell網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率、最大化系統(tǒng)容量，同時抑制跨層干擾。

根據(jù)香農(nóng)定理，macrocell基站(或認知femtocell基站)可達到的容量為：

c＝bωlog2(1+s/n)

其中c表示容量，bω是可用頻譜資源，s/n表示信噪比sinr。根據(jù)之前的分析可知，跨層干擾是影響認知femtocell網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)容量的主要因素。

事實上，跨層干擾的嚴重性與femtocell基站與macrocell基站之間的相對空間位置有關(guān)。認知fus收到的干擾是距離的函數(shù)，路徑損耗pl(pathloss)為：

plm＝128+37.6log(d/1000)+21log(fc/2)+lwp(db)

其中，plm表示macrocell基站的路徑損耗，d(單位：m)是fus距離macrocell基站的距離，fc是系統(tǒng)載波頻率，lwp是路徑穿透損耗，和分別表示認知femtocell基站視距和非視距的路徑損耗?？梢钥闯?，認知femtocell基站距離macrocell基站距離越近，認知femtocell與macrocell間的跨層干擾越嚴重；距離macrocell基站越遠，fus收到的干擾越小。認知femtocell基站位于不同位置，其產(chǎn)生的跨層干擾是不同的，可實現(xiàn)的系統(tǒng)容量亦是不同的。認知femtocell基站距離macrocell基站越近，跨層干擾就成為影響系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素；而當認知femtocell基站位于macrocell基站覆蓋邊緣時，可用的頻譜資源往往是影響系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素。因此，如果認知femtocell基站能夠選擇頻譜分配模式來避免可用的頻譜資源或跨層干擾對系統(tǒng)容量的制約，則可以提高頻譜的整體利用率。即認知femtocell基站能夠選擇采用overlay模式或underlay模式以最大化認知femtocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

跨層干擾的大小在很大程度上取決于認知femtocell基站的空間位置，所以認知femtocell基站頻譜接入模式的選擇標準可以轉(zhuǎn)換為相關(guān)的空間位置的判定，即認知femtocell基站與macrocell基站之間的距離。記認知femtocell基站與macrocell基站之間的距離為d，將認知femtocell基站劃分成內(nèi)部認知femtocell基站和外部認知femtocell基站的距離閾值為dth。當d≤dth時，這些認知femtocell基站稱之為內(nèi)部認知femtocell基站，否則稱之為外部認知femtocell基站。對于外部認知femtocell基站，因為其距離macrocell基站較遠，因此macrocell基站對外部認知femtocell基站造成的跨層干擾可以忽略。因此，外部認知femtocell基站可以分配全部的頻譜資源。而與此相反，內(nèi)部認知femtocell基站距離macrocell基站較近，如果內(nèi)部認知femtocell基站中的fus與外部認知femtocell基站中的fus一樣，可以與mus共享同一子信道，那么內(nèi)部認知femtocell基站中的fus將會因為很嚴重的跨層干擾而導(dǎo)致其吞吐量很差。因此，內(nèi)部認知femtocell基站中的fus與mus分別占用不同的正交子信道，即內(nèi)部認知femtocell使用overlay頻譜分配模式，外部認知femtocell采用underlay頻譜分配模式。所以混合頻譜分配是一個macrocell基站內(nèi)覆蓋多個認知femtocell基站的自然選擇結(jié)果。

因為內(nèi)部和外部認知femtocell基站采用的頻譜分配方式不同，因此在一個macrocell基站單元內(nèi)femtocell基站的頻譜分配方式為混合的。本文稱之為混合頻譜分配。在混合頻譜分配方式中，系統(tǒng)授權(quán)頻譜資源為bωhz，外部認知femtocell基站可以使用bωhz的頻譜資源，而內(nèi)部認知femtocell基站與macrocell基站分別可以使用bfhz、bmhz的頻譜資源(bf+bm＝bω)。隨著dth的增大，外部認知femtocell基站數(shù)量減少，外部fus可使用的子信道數(shù)增加，外部fus與邊緣mus共享同一子信道，因此邊緣mus的吞吐量也會提高，但是邊緣mus會受到相鄰認知femtocell基站的嚴重干擾，與其想改善吞吐量的目標背道而馳。如果dth較小，外部認知femtocell基站中的fus將會受到很嚴重的跨層干擾。因此，dth的大小對系統(tǒng)性能的影響很大。下面講解在認知femtocell網(wǎng)絡(luò)下行鏈路中如何確定dth的大小使得認知femtocell系統(tǒng)取得最大的系統(tǒng)容量。

確定認知femtocell基站網(wǎng)絡(luò)下行鏈路中決定頻譜分配模式的空間閾值dth。首先分析一個macrocell基站區(qū)域只有一個認知femtocell基站的情形，即f＝1。對于多認知femtocell基站數(shù)f>1情形，本發(fā)明通過系統(tǒng)級仿真估算其性能。

頻譜分配模式的選擇是為了使認知femtocell系統(tǒng)容量最大化。記認知femtocell系統(tǒng)容量為c＝cm+cf，其中cm是主macrocell基站系統(tǒng)的容量，cf為認知femtocell基站系統(tǒng)的容量。

首先，分析主macrocell基站下行鏈路的容量。根據(jù)香農(nóng)定理可知，主macrocell基站下行鏈路的容量取決于其占用的帶寬和信噪比sinr。記認知femtocell基站采用overlay頻譜接入模式時主macrocell基站下行鏈路吞吐量為采用underlay頻譜接入模式時主macrocell基站下行鏈路容量為令和分別表示下行鏈路中的認知femtocell基站選擇overlay頻譜接入模式和underlay頻譜接入模式時主macrocell基站中的宏用戶m的sinr。mus受到的干擾是來自femtocell基站的跨層干擾，則可以表示如下：

其中，pm表示主macrocell基站的發(fā)射功率；表示主macrocell基站到宏用戶m的鏈路衰落增益，由天線增益、陰影衰落、路徑衰落等系統(tǒng)參數(shù)決定，x0表示宏用戶m和macrocell基站之間的距離；α1表示macrocell基站的路徑衰落指數(shù)；表示認知femtocell基站對宏用戶m的跨層干擾；表示認知femtocell基站到宏用戶m的鏈路衰落增益，x1表示宏用戶m和認知femtocell基站之間的距離；α2表示認知femtocell基站的路徑衰落指數(shù)；δ²是高斯白噪聲干擾，δ²＝bn0，b表示帶寬，在overlay頻譜接入模式中b＝bm，在underlay頻譜接入模式中b＝bω。這里分析的mus受到的下行干擾包括來自femtocell基站的跨層和高斯白噪聲干擾。因為femtocell基站的低發(fā)射功率，低穿墻損耗，可以視作熱噪聲的一部分，所以根據(jù)式(32)可知

根據(jù)香農(nóng)定理，主macrocell基站下行鏈路容量為：

根據(jù)式(33)和式(34)可知，可使用的頻譜資源是影響mactocell基站系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素。因此，相比于overlay頻譜分配模式，采用underlay頻譜分配方式可以獲得較高的mactocell系統(tǒng)容量，即在下行鏈路中mactocell基站采用underlay頻譜分配方式可以最大化mus容量。所以在下行鏈路中認知femtocell系統(tǒng)可實現(xiàn)的最大系統(tǒng)容量取決于認知femtocell基站在兩種頻譜分配方式中可最大化的容量。

下面分析下行鏈路中認知femtocell系統(tǒng)容量。記認知femtocell基站采用overlay頻譜接入模式時下行鏈路吞吐量為采用underlay頻譜接入模式時下行鏈路吞吐量為和分別表示下行鏈路中認知femtocell基站中的家庭用戶f在overlay頻譜接入模式和underlay頻譜接入模式中的信噪比sinr。下行鏈路中家庭用戶f的可以表示如下：

其中，pf表示認知femtocell基站的發(fā)射功率；表示認知femtocell基站到家庭用戶f的鏈路衰落增益，x2表示家庭用戶f和認知femtocell基站之間的距離；表示主macrocell基站對家庭用戶f的跨層干擾；表示主macrocell基站到家庭用戶f的鏈路衰落增益，x3表示家庭用戶f和認知femtocell基站之間的距離。

根據(jù)香農(nóng)定理，認知femtocell基站下行鏈路容量為：

由式(35)可知依賴認知femtocell基站與mactocell基站之間的距離d。認知femtocell基站距離macrocell基站越近，下行鏈路中認知fus受到的來自macrocell基站的跨層干擾越嚴重。記表示下行鏈路中認知fus受到的來自macrocell基站的跨層干擾。當認知femtocell基站靠近macrocell基站時，此時跨層干擾比較大，選擇認知fus與mus采用不同正交子信道進行傳輸可以獲得降低跨層干擾，overlay頻譜分配方式中的會小于underlay頻譜分配方式中的所以由式(36)和式(37)可知，下行鏈路中，當認知femtocell基站靠近macrocell基站時選擇overlay分配模式可以獲得較高的容量，即隨著d增大，在underlay頻譜分配方式中，macrocell基站與認知femtocell基站的跨層干擾會因為路徑損耗的增加而減小，認知femtocell基站中的增加。當認知femtocell基站遠離macrocell基站一定距離時，跨層干擾會急劇下降，此時系統(tǒng)帶寬b成為制約認知femtocell系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素，同時會存在一個距離d，使得當時所求得的d即為空間閾值當時，認知femtocell基站選擇overlay分配模式可以獲得更好地系統(tǒng)容量；當時，認知femtocell基站選擇underlay頻譜分配模式可以獲得更好地系統(tǒng)容量。

對于f>1時的情形，通過仿真證明在認知femtocell基站密集部署時macrocell基站在underlay頻譜分配方式中可以獲得更好地系統(tǒng)性能，而認知femtocell基站對頻譜分配方式的選擇與f＝1時的情形相同。

為了驗證本發(fā)明所研究的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)密集部署認知femtocell基站情形中，混合頻譜接入認知femtocell網(wǎng)絡(luò)資源分配策略在認知femtocell基站密集部署時對認知femtocell系統(tǒng)容量、頻譜利用的改善，本發(fā)明采用matlab系統(tǒng)級仿真進行驗證，對上述方案進行數(shù)值仿真，并對仿真結(jié)果進行分析和總結(jié)。仿真流程圖如圖7所示。仿真場景是下層部署1個macrocell基站，上層部署多個認知femtocell基站的兩層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景。macrocell基站位于宏蜂窩小區(qū)中心，其覆蓋半徑為500m。m個mus和f個認知femtocell基站隨機分布在macrocell基站覆蓋區(qū)域。認知femtocell基站半徑為10m。其中m＝30。仿真參數(shù)及其含義如表2所示。

表2系統(tǒng)仿真參數(shù)

首先針對其中f＝1的情形進行仿真驗證。圖8所示為認知femtocell系統(tǒng)中macrocell基站網(wǎng)絡(luò)下行鏈路的總?cè)萘颗c認知femtocell基站和macrocell基站間的距離d之間的關(guān)系。由圖8可以看出，而且和都幾乎不隨d的變化而變化。與本發(fā)明分析的可使用的頻譜資源是影響mactocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量的關(guān)鍵因素相符合。相比于overlay頻譜分配模式，采用underlay頻譜分配方式可以提高mactocell網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，在下行鏈路中mactocell基站采用underlay頻譜分配方式可以最大化mus容量。

圖9所示為認知femtocell系統(tǒng)中認知femtocell基站下行鏈路的容量與femtocell基站和macrocell基站間的距離d之間的關(guān)系。當認知femtocell基站距離macrocell基站很近(小于60m)時，而當認知femtocell基站與主macrocell基站間的距離d>60m時，當d＝60m時，所以設(shè)置可以下行鏈路距離閾值來決定內(nèi)部認知femtocell基站和外部認知femtocell基站頻譜分配方式。

如圖10所示為認知femtocell系統(tǒng)中認知femtocell基站下行鏈路的容量與femtocell基站數(shù)量之間的關(guān)系，其中認知femtocell基站數(shù)量是指一個macrocell基站覆蓋區(qū)域內(nèi)分布著的家庭基站數(shù)量。圖中分別給出不同認知femtocell基站與macrocell基站之間下行鏈路距離閾值(包括距離閾值及時認知femtocell基站系統(tǒng)下行鏈路可以獲得總?cè)萘?。從圖中曲線變化可以看出，認知femtocell基站下行鏈路的容量隨認知femtocell基站數(shù)量的增加而增大，說明混合頻譜接入方式可以保證認知fus的通信質(zhì)量。而且從圖9中可知，設(shè)置認知femtocell基站與macrocell基站之間下行鏈路距離閾值為60m左右時，認知femtocell基站系統(tǒng)下行鏈路可以獲得更高的總?cè)萘?，與認知femtocell基站數(shù)量f＝1時，認知femtocell基站對頻譜分配方式的選擇的情形相同。

圖11所示為認知femtocell系統(tǒng)中所有認知fus容量與系統(tǒng)中認知femtocell數(shù)量的關(guān)系。其中認知femtocell基站與macrocell基站之間下行鏈路距離閾值圖11比較了overlay頻譜接入方式、underlay頻譜接入方式以及本發(fā)明所提的混合頻譜接入方式下認知femtocell系統(tǒng)可以達到的認知femtocell容量間的關(guān)系?？梢钥闯觯瑔渭兊膐verlay頻譜接入模式中認知fus獲得的總?cè)萘炕颈３植蛔?，這是因為overlay頻譜接入模式中認知fus可以占用的空閑頻譜不會隨著認知femtocell基站數(shù)量的增加而變化，從而認知fus的容量基本不變。混合頻譜接入方式與underlay頻譜接入方式中，認知fus可以獲得的總?cè)萘侩S著認知femtocelll基站數(shù)量的增加而增加，因為隨著認知fus的增加，混合頻譜接入方式和underlay頻譜接入方式都可以保證所有的認知fus都有頻譜可以占用傳輸數(shù)據(jù)。但隨著認知femtocell數(shù)量的增加，這兩種方式中認知fus可以獲得的總?cè)萘吭黾拥某潭仍絹碓骄徛?，這主要是因為隨著認知femtocell數(shù)量的增加，認知femtocell與macrocell之間的干擾越來越嚴重。而且混合頻譜接入方式比underlay頻譜接入方式可以獲得更好的系統(tǒng)容量，性能平均超過約3％。這主要是因為混合頻譜方式中認知fus可以選擇性能更好的子信道進行數(shù)據(jù)傳輸。