本發(fā)明涉及雙層異構網(wǎng)絡技術領域，具體指一種用于LTE系統(tǒng)中毫微微(Femtocell)網(wǎng)絡與宏(Macrocell)網(wǎng)絡所組成的雙層異構網(wǎng)絡中基于軟頻率復用(Soft Frequency Reuse，SFR)的邊緣頻譜共享方法。

背景技術：

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，而對小區(qū)邊緣用戶來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所導致的小區(qū)邊緣用戶干擾嚴重的問題，提出了OFDMA的干擾協(xié)調技術，其中軟頻率復用方案(Soft Frequency Reuse，SFR)對頻率的分配更加靈活，在發(fā)揮干擾協(xié)調的同時，也更好地提高了頻譜利用率。而Femtocell是一種服務于家庭的微型網(wǎng)絡，能極大地減輕現(xiàn)有宏網(wǎng)絡的負載。為了實現(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”，并使異構網(wǎng)中的干擾變得更加復雜。其中，軟頻率復用技術是目前解決頻率資源緊缺的重要技術手段。在固定SFR方案中，每個小區(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，在對軟頻率復用方案的研究中，劃分子載波是通過給每個小區(qū)固定劃分一段相互正交的頻譜，這樣的分配方法簡單固定，但不能根據(jù)每個小區(qū)邊緣區(qū)域的負載情況合理利用資源，屬于靜態(tài)劃分頻率資源。靜態(tài)的頻率資源劃分導致頻率利用率偏低，并且頻率資源無法根據(jù)負載量的變化進行靈活調動。

因此，針對宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏負載不均衡的情況下，靜態(tài)軟頻率復用方案不能很好地解決Femtocell與Macrocell所組成的異構網(wǎng)絡中宏小區(qū)中邊緣頻譜利用效率不高的問題，成為本技術領域的重要課題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有靜態(tài)軟頻率復用技術存在的缺失和不足，提出一種雙層異構移動通信網(wǎng)絡的動態(tài)軟頻率復用方法。

本發(fā)明的主要思路是，宏小區(qū)采用軟頻率復用，避免小區(qū)間的干擾。并將軟頻率復用引入到毫微微小區(qū)的頻譜分配中。在LTE網(wǎng)絡中宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶密度分布不均勻的背景下，將保證每個宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶服務質量的最小平均動態(tài)調整頻帶分割出來，最后根據(jù)小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負載情況，令邊緣負載重的宏小區(qū)對鄰小區(qū)進行全局搜索，搜索結束后，向邊緣負載輕的宏小區(qū)進行動態(tài)調整頻帶的借用，從而達到提高邊緣頻譜的利用效率，最大化邊緣區(qū)域的吞吐量，同時保證用戶的服務質量(QoS)的目的。

為了實現(xiàn)上述目的，實現(xiàn)本發(fā)明的技術路線主要包括以下幾個步驟(如附圖1所示)：

步驟一：將宏小區(qū)劃分成兩個區(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)絡中的授權可用頻帶B平分B1、B2、B3為自留頻帶(i＝1,2,3)和動態(tài)調整頻帶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)N_A-SFRc、宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶所使用的邊緣子載波數(shù)N_A-SFRe、自留頻帶和動態(tài)調整頻帶的子載波數(shù)子載波數(shù)N_e-nb和N_e-b。

步驟三：由宏基站中的中心實體確定宏用戶(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，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S_e與宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用戶的最小值S_min與最大值S_max進行比較；

其次，將宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負載情況與鄰小區(qū)交互；再次，根據(jù)宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負載情況確定宏小區(qū)動態(tài)調整頻段B0i中的子載波調用情況。

步驟七.采用遺傳算法求出最優(yōu)的動態(tài)調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、B₃三個子集，B₁∩B₂∩B₃＝0，保證B₁、B₂、B₃這3個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；

在保證用戶服務質量的情況下確定所需要的最小平均頻帶B_min即自留頻帶B_i′(i＝1,2,3)，然后用B_0i＝B_i-B_min確定動態(tài)調整頻帶B_0i(i＝1,2,3)；

再確定初次分配時宏小區(qū)中心區(qū)域用戶使用的中心子載波數(shù)N_A-SFRc、宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶所使用的邊緣子載波數(shù)N_A-SFRe、自留頻帶B_i′中的子載波數(shù)N_e-nb、動態(tài)調整頻段B_0i中的子載波數(shù)N_e-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：宏用戶向其服務基站的中心實體報告位置信息，中心實體計算與用戶間的距離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)域用戶測量來自本服務小區(qū)的參考信號接收功率RSRP，并將測量值反饋給服務基站，服務基站的中心實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，只有當兩種方法均判斷宏用戶為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶時，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)域中宏用戶的負載情況確定為：

若S_e＜S_min，則表明該宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏蜂窩用戶負載輕，該宏小區(qū)中心區(qū)域中動態(tài)調整頻帶中的子載波可以被鄰小區(qū)調用，此時宏小區(qū)動態(tài)調整頻段B_0i中子載波調用后該宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶的邊緣子載波數(shù)為：

若S_min≤S_e≤S_max，表明該宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶負載適中，該小區(qū)中動態(tài)調整頻帶不與鄰小區(qū)發(fā)生借調關系，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S_e＞S_max，表明該宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶負載嚴重，該小區(qū)向負載輕的鄰小區(qū)借用動態(tài)調整頻帶中的子載波，發(fā)生調用后該宏小區(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表示重負載小區(qū)提供調用動態(tài)調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：

對重負載小區(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′∈U_f^(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載小區(qū)η所有與宏小區(qū)邊緣區(qū)域宏用u(u∈{1,...,U_m^(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,...,U_f^(e)})使用相同子載波i的毫微微用戶的集合，P_m和P_f為重負載小區(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，δ_i表示子載波i是否被宏用戶所占用，取值1或0；

δ_i＝1表示子載波i已被宏用戶占用，而δ_i＝0表示子載波i未被宏用戶占用；

和分別表示在重負載小區(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′到其服務毫微微基站j在子載波i上的信道增益，和分別表示重負載小區(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，N_o表示噪聲功率譜密度；

然后確定重負載小區(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數(shù)；

采用遺傳算法使邊緣區(qū)域的總吞吐量最大化，即

maxT_e(β)＝T_em+T_ef

采用遺傳算法的方法為：確定適應度函數(shù)為T_e(β)，β采用二進制編碼，其它參數(shù)按照遺傳算法的一般方法，進行全局搜索得到最優(yōu)的比例因子β。

如上所述，本發(fā)明提出一種動態(tài)可調的軟頻率復用方法，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)明實施例中一個Femtocell異構網(wǎng)絡的子頻帶分配流程框圖；

圖2為本發(fā)明實施例中用戶分類流程框圖；

圖3為本發(fā)明實施例中基于動態(tài)的軟頻率復用的子頻帶分配圖；

圖4為發(fā)明實施例中邊緣吞吐量的直方圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述

本發(fā)明的雙層異構移動通信網(wǎng)絡的動態(tài)軟頻率復用方法(如附圖1所示)，具體實施步驟如下：

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無線網(wǎng)絡中授權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、動態(tài)調整頻帶。

該步驟中將OFDMA網(wǎng)絡中的授權可用頻帶B平均分為B₁、B₂、B₃三個子集，B₁∩B₂∩B₃＝0，保證B₁、B₂、B₃這3個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；在保證用戶服務質量的情況下確定所需要的最小平均頻帶B_min即自留頻帶然后用B_0i＝B_i-B_min確定動態(tài)調整頻帶B_0i(i＝1,2,3)；再確定初次分配時宏小區(qū)k(k＝1，2，3)中心區(qū)域用戶使用的中心子載波數(shù)N_A-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)N_A-SFRe為自留頻帶B_i′中的子載波數(shù)N_e-nb為動態(tài)調整頻段B_0i中的子載波數(shù)N_e-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宏小區(qū)中的宏用戶進行劃分。

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行頻譜資源的初次分配。

步驟五：對宏小區(qū)k(k＝1,2,3)邊緣區(qū)域的宏用戶的負載情況進行判斷。

該步驟中將宏小區(qū)k(k＝1,2,3)邊緣區(qū)域宏用戶的負載值S_e與兩個臨界負載值：最小值S_min和最大值S_max進行比較，確定小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負載情況，并將該情況與鄰小區(qū)交互，再根據(jù)宏小區(qū)邊緣區(qū)域中宏用戶的負載情況確定宏小區(qū)動態(tài)調整頻段B_0i中的子載波調用情況；最后采用遺傳算法求出最優(yōu)的動態(tài)調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：用戶向其服務基站的中心實體報告位置信息，中心實體計算與用戶間的距離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)域用戶測量來自本服務小區(qū)的參考信號接收功率RSRP，并將測量值反饋給服務基站，服務基站的中心實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，只有當兩種方法均判斷宏用戶為宏小區(qū)邊緣區(qū)域用戶時，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。

實施例：3個相鄰小區(qū)基于動態(tài)軟頻率復用的子頻帶分配(如附圖3所示)具體實施步驟如下：

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個相鄰宏網(wǎng)絡和少量毫微微網(wǎng)絡組成的雙層異構網(wǎng)絡模型為例。

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為重負載小區(qū)，其邊緣區(qū)域中宏邊緣用戶負載為S_e＝15；宏小區(qū)2為負載較輕小區(qū)，其邊緣區(qū)域中宏邊緣用戶負載為S_e＝5；宏小區(qū)3為輕負載小區(qū)，其邊緣區(qū)域中宏邊緣用戶負載為S_e＝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：

對于宏邊緣用戶來說：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；

對毫微微邊緣用戶來說：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：

對于宏中心用戶來說：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。

對毫微微中心用戶來說：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)域的負載情況對動態(tài)調整頻段進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)明提出一種動態(tài)可調的軟頻率復用方法，相比與靜態(tài)的頻率資源劃分方法，具有資源分配方式簡單有效的優(yōu)點以及在不增加宏基站和保證用戶服務質量的前提下，根據(jù)宏小區(qū)邊緣區(qū)域的負載情況，動態(tài)地調整子載波的分配，提高了邊緣頻譜利用效率，從而達到提高邊緣吞吐量。