异构网络融合场景下的联合式动态频谱分配方法

摘要

本发明公开了一种异构网络融合场景下的联合式动态频谱分配方法，具体包括如下步骤：（1）将各个无线通信网络的频谱资源汇集为一个矢量频谱资源库；（2）对矢量频谱资源库，按照“先优化网间频谱分配，在优化网间频谱分配后，再对网内频谱进行二次优化”的频谱分配优化策略，建立联合式动态频谱分配通用模型；（3）使用人工智能方法求解联合式动态频谱分配模型。本发明提供的异构网络融合场景下的联合式动态频谱分配方法，从提高整个异构网络系统的频谱资源利用率角度出发，考虑了网间和网内频谱资源协同分配优化问题，对发展绿色通信提供了有力的支持，能够找出最优的频谱优化分配方案。

说明书

技术领域

本发明涉及一种异构网络融合场景下的联合式动态频谱分配方法，通过对异构通信网络融合场景下的频谱资源进行联合优化分配，解决移动通信网络频谱资源紧缺问题。

背景技术

目前，随着无线通信业务的持续增长，无线频谱资源变得很紧缺，导致新业务开展困难。现有的频谱管理体制是将频谱分配给注册的授权用户，无论授权用户使用与否，非授权用户均不能使用已经分配的频段。这种频谱分配机制的弊端是：在频谱资源紧缺的状态下，非授权用户不能利用授权用户的空闲频谱资源，造成频谱资源白白浪费。

今后，在无线通信网络系统中，将既有技术完全成熟的第二代（2G）移动通信网络，又有以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA为代表的第三代（3G）移动通信网络、4G网络，还有以IEEE802.11a/b/g、HiperLan/2、WiMAX为代表的宽带无线局域网/城域网（WLAN/WMAN），由于各个通信网络所采用的无线接入技术（radio access technology，RAT）不同导致了网络的管理架构和业务支撑均有所不同，从而构成了异构网络环境。在异构网络融合场景下，通信网络的宽带化、业务的多样化，将使无线频谱资源更加紧缺。

动态频谱分配是解决频谱资源匮乏问题的有效途径，国内外学者对认知无线网络的动态频谱分配问题进行了较系统的研究，提出的方案有：基于图论的频谱分配方案、基于博弈论的频谱分配方案、基于拍卖竞价的频谱分配方案和基于强化学习理论的频谱分配方案。这些方案考虑的都是单一运营商同构网络环境中的动态频谱分配问题，没有涉及多运营商异构网络融合场景下的动态频谱分配问题。从单个无线网络的角度最大程度地优化了频谱资源，但没有考虑其他无线网络的频谱分配情况，从整体上看，频谱资源的利用率并不高。

现有的频谱分配体制是将频谱分配给注册的授权用户，无论授权用户使用与否，非授权用户均不能使用已经分配的频段。这种频谱分配机制的弊端是：在频谱资源紧缺的状态下，非授权用户不能利用授权用户手中的空闲频谱资源，造成频谱资源白白浪费。今后，通信网络的宽带化、业务的多样化的发展趋势，将使无线频谱资源更加紧缺。

现有技术的缺点：1、大多数情况下，采用的是静态频谱分配方案，在频谱资源紧缺的状态下，非授权用户不能利用授权用户手中的空闲频谱资源，造成频谱资源白白浪费；2、在某些热点区域，某些运营商采用了动态频谱分配方案，从单个无线网络的角度最大程度地优化了其拥有的频谱资源，但没有考虑其他无线网络的频谱分配情况，从整体上看，频谱资源的利用率并不高；3、基于手工计算或基于工程人员的经验知识，仅仅给出一种可行的频谱分配方案，其频谱分配成本较高、且反应速度慢，难以适应解决大规模的动态频谱分配问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种异构网络融合场景下的联合式动态频谱分配方法，从“先优化网间频谱分配，再优化网间频谱分配后，对网内频谱进行二次优化，从而提高整个异构网络系统的频谱资源利用效能”和从“智能式频谱分配优化，降低频谱分配成本，提高频谱分配效率”两个方面来，解决异构网络融合场景下的频谱分配问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

异构网络融合场景下的联合式动态频谱分配方法，包括如下步骤：

（1）使用统一的异构网络频谱资源特征描述和表达方法，将各个无线通信网络的频谱资源汇集为一个矢量频谱资源库；可以采用认知无线电技术，通过对各个无线通信网络的频谱资源使用状况进行实时感知，将感知的信息进行描述和表达；

（2）对矢量频谱资源库，按照“先优化网间频谱分配，在优化网间频谱分配后，再对网内频谱进行二次优化”的频谱分配优化策略，建立联合式动态频谱分配通用模型；

（3）使用人工智能方法（比如免疫优化算法、模拟退火算法等）求解联合式动态频谱分配通用模型，获得最优的联合式动态频谱分配方案；

（4）在仿真环境下，对求出的联合式动态频谱分配方案进行验证、评估，获取评估数据，修正联合式动态频谱分配通用模型的相关参数，获得联合式动态频谱分配优选模型；

（5）求解联合式动态频谱分配优选模型，获得最终的联合式动态频谱分配方案。

所述步骤（1）中，统一的异构网络频谱资源特征描述和表达方法为：将无线频谱资源和用户需求用广义矢量资源空间网格中的矢量表示，首先根据频谱资源分布，建立频谱资源使用约束条件，将矢量资源划分为可用矢量资源、已用矢量资源和禁用矢量资源，将频谱资源使用的决策转化为可用矢量资源和资源需求矢量匹配的过程。在这种思想的指导下，根据不完整、不一致和不确定的资源信息，利用广义矢量资源空间网格，实现资源特征信息的识别、汇聚、组织、描述，建立统一的异构网络频谱资源特征描述和表达方式；通过使用统一的异构网络频谱资源特征描述和表达方法，把各个无线通信网络的频谱资源汇集为一个矢量频谱资源库。

在单运营商环境下，一般基于网络优化工程师的个人经验，对网内的频谱资源进行静态优化分配；基于网络优化工程师的个人经验，难以解决异构多网络融合场景下的联合式动态频谱分配问题；另外，异构多网络融合场景下的联合式动态频谱分配问题是非常复杂的，传统的数学方法难以求解，我们采用人工智能算法求解异构多网络融合场景下的联合式动态频谱分配通用模型，从而能够获得频谱分配方案。通过系统仿真、实地检测等方式对联合式动态频谱分配方案进行验证和评估，通过调整影响异构多网络融合场景下联合式动态频谱分配问题的相关因素的权重，对通用模型进行改进，从而获得最终的联合式动态频谱分配方案。

所述步骤（1）中，统一的异构网络频谱资源特征描述和表达方法，具体包括如下步骤：

（1a）设无线通信网络拥有的频谱资源为R，所述频谱资源R由n个连续信道组成，记R＝r₁r₂r₃…r_i…r_n；

（1b）设在时间周期T内，频谱资源R的各个信道的状态是恒定的，即仅在下一个时间周期T到达时，各个信道的状态才有可能发生改变；则在当前该时间周期T内，信道r_i在t时段内的状态只有空闲和被占用两种状态，t＜＜T，记为：

（1c）将频谱资源R特征描述抽象为以下三元组：

R＝＜ID(R),SA(R),DA(R)＞

ID(R)为频谱资源R的全局唯一标识符，在整个异构网络系统中，每个无线接入网络拥有的频谱资源都具有一个全局唯一标识符；

SA(R)为频谱资源R的静态信息描述集；

DA(R)为频谱资源R的动态信息描述集。

优选的，所述SA(R)＝{主用户信息,主用户的资源再分配偏好，信道数目}

主用户信息：频谱资源R的属主信息；

主用户的资源再分配偏好：当次用户申请使用频谱资源R的空闲信道时，频谱资源R的属主对自己空闲资源的再分配策略；

信道数目：频谱资源R所包含的信道数目。

优选的，所述DA(R)＝{信道状态描述，最大空闲信道块}

信道状态描述：频谱资源R的各个信道在t时段内的空闲情况，记为

最大空闲信道块：频谱资源R的最大连续空闲信道块，例如频谱资源R的信道状态描述为则频谱资源R在t时段内的最大空闲信道块为第8、9、10三个连续空闲信道块。

所述步骤（2）中，“先优化网间频谱分配，在优化网间频谱分配后，再对网内频谱进行二次优化”的频谱分配优化策略，网间动态频谱分配按照是否有统一的中心控制模块分为：网间集中式动态频谱分配和网间分布式动态频谱分配，网内动态频谱分配按照各个次用户之间是否进行协商分为：网内合作式动态频谱分配机制和网内非合作动态频谱分配机制；所述网内合作式动态频谱分配机制是指同一类型网络中，各个次用户间通过协商来进行动态频谱分配，常用的协商方式有标签机制（用于区分次用户的优先级别）、本地讨价还价机制（用于保证业务公平性）；所述网内非合作动态频谱分配机制是指同一类型网络中，各个次用户间不通过协商，而是基于已经规定好的规则来进行动态频谱分配。

所述步骤（2）中，“先优化网间频谱分配，在优化网间频谱分配后，再对网内频谱进行二次优化”的频谱分配优化策略，具体包括如下步骤：

（2a）设整个异构网络系统的总频谱资源为A，在该异构网络中存在m个无线通信网络，第j个无线通信网络按照通信政策获得比例为w_j的授权频谱资源为R_j，即：

$>\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{R}_j=A,\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{w}_j=1,w_j·A=R_j$>

（2b）设在时间周期θ内，每个无线通信网络所获得的授权频谱资源是恒定的，即仅在下一个时间周期θ到达时，各个无线通信网络的授权频谱资源才有可能发生改变；在当前该时间周期θ内，授权频谱资源分配的函数记为f(A)，频谱资源在每个无线通信网络中的分配情况为：f(A)＝＜w₁,w₂,...,w_j,...,w_m＞；

（2c）在当前该时间周期θ用尽前，检测各个无线通信网络的频谱利用率，进行网间动态频谱分配：对频谱利用率低于设定阈值Φ₁的无线通信网络，回收期获得的授权频谱资源的一部分，将回收的频谱资源重新分配给频谱利用率高于设定值Φ₂的无线通信网络；

网间动态频谱分配的分配原则为：为了提高重新分配的效率，仅在相邻无线通信网络间进行频谱的重新分配，即：若第i个无线通信网络的频谱利用率低于设定阈值Φ₁，第i+1个无线通信网络的频谱利用率高于设定阈值Φ₂，则把第i个无线通信网络的频谱资源w_i·(1-Φ₁)分配给无线通信网络i+1；

将网间频谱资源重新分配的函数记为g(f(A))，获得的下一个时间周期θ的频谱资源在每个无线通信网络中的分配情况为：g(f(A))＝＜g(w₁),g(w₂),...,g(w_j),...,g(w_m)＞；其中，Φ₂≥Φ₁；

（2d）在时间周期θ内的一个小的时间周期T内，T＜＜θ，利用认知无线电技术动态感知每个频谱资源的利用情况，设第j个无线通信网络的频谱资源R_j的各个信道在t时段内的信道状态描述记为t＜＜T，n为频谱资源R_j的信道个数；某主用户（授权用户）拥有的空闲频谱段为1＜s≤v＜n，此时该频谱段的信道状态描述记为在当前时间周期T用尽前，某次用户通过网内动态频谱分配机制获取该主用户的空闲频谱段的使用权，此时该频谱段的信道状态描述变换成网内频谱资源重新分配的函数记为$>h\left(R_j\right)=h\left(X_{R_j}^t\right)=h(x_{r_{j1}}^t{x}_{r_{j2}}^t...x_{r_{\mathrm{jn}}}^t);$>

（2e）综合步骤（2c）和步骤（2d）获得联合式动态频谱分配模型通用模型如下：

$>\theta :g_A^{\theta }\to g\left(f\left(A\right)\right)$>

g(f(A))＝＜g(w₁),g(w₂),...,g(w_j),...,g(w_m)＞

$>T:h_A^T\to h\left(R_j\right)$>

$>h\left(R_j\right)=h\left(X_{R_j}^t\right)=h(x_{r_{j1}}^t{x}_{r_{j2}}^t...x_{r_{\mathrm{jn}}}^t)$>

上述模型是一个与时间有关的双层优化模型，上下层优化模型通过时间周期T和θ建立关联：上层实现网间动态频谱资源优化，主要优化每个无线通信网络获得的频谱资源占总频谱资源A的比例；下层实现网内动态频谱资源优化，实现对主用户的授权频谱资源的空闲频段进行二次分配。

有益效果：本发明提供的异构网络融合场景下的联合式动态频谱分配方法，从提高整个异构网络系统的频谱资源利用率角度出发，考虑了网间和网内频谱资源协同分配优化问题，对发展绿色通信提供了有力的支持；与基于网络优化工程师个人经验的频谱分配方案相比（粗选方案），本发明基于人工智能方法求解，能够找出最优的频谱分配方案。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

其中，实线表示处理流程，虚线表示控制信息或采用方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种网络融合场景下的联合式动态频谱分配方法，包括如下步骤：

（1）使用统一的异构网络频谱资源特征描述和表达方法，将各个无线通信网络的频谱资源汇集为一个矢量频谱资源库；

（2）对矢量频谱资源库，按照“先优化网间频谱分配，在优化网间频谱分配后，再对网内频谱进行二次优化”的频谱分配优化策略，建立联合式动态频谱分配通用模型；

（3）使用人工智能方法求解联合式动态频谱分配通用模型，获得最优的联合式动态频谱分配方案；

（4）在仿真环境下，对求出的联合式动态频谱分配方案进行验证、评估，获取评估数据，修正联合式动态频谱分配通用模型的相关参数，获得联合式动态频谱分配优选模型；

（5）求解联合式动态频谱分配优选模型，获得最终的联合式动态频谱分配方案。

所述步骤（1）中，统一的异构网络频谱资源特征描述和表达方法为：将无线频谱资源和用户需求用广义矢量资源空间网格中的矢量表示，首先根据频谱资源分布，建立频谱资源使用约束条件，将矢量资源划分为可用矢量资源、已用矢量资源和禁用矢量资源，将频谱资源使用的决策转化为可用矢量资源和资源需求矢量匹配的过程。具体包括如下步骤：

（1a）设无线通信网络拥有的频谱资源为R，所述频谱资源R由n个连续信道组成，记R＝r₁r₂r₃…r_i…r_n；

（1b）设在时间周期T内，频谱资源R的各个信道的状态是恒定的，即仅在下一个时间周期T到达时，各个信道的状态才有可能发生改变；则在当前该时间周期T内，信道r_i在t时段内的状态只有空闲和被占用两种状态，t＜＜T，记为：

（1c）将频谱资源R特征描述抽象为以下三元组：

R＝＜ID(R),SA(R),DA(R)＞

ID(R)为频谱资源R的全局唯一标识符，在整个异构网络系统中，每个无线接入网络拥有的频谱资源都具有一个全局唯一标识符；

SA(R)为频谱资源R的静态信息描述集：

SA(R)＝{主用户信息,主用户的资源再分配偏好，信道数目}

主用户信息：频谱资源R的属主信息；

主用户的资源再分配偏好：当次用户申请使用频谱资源R的空闲信道时，频谱资源R的属主对自己空闲资源的再分配策略；

信道数目：频谱资源R所包含的信道数目；

DA(R)为频谱资源R的动态信息描述集：

DA(R)＝{信道状态描述，最大空闲信道块}

信道状态描述：频谱资源R的各个信道在t时段内的空闲情况，记为

最大空闲信道块：频谱资源R的最大连续空闲信道块，例如频谱资源R的信道状态描述为则频谱资源R在t时段内的最大空闲信道块为第8、9、10三个连续空闲信道块。

所述步骤（2）中，“先优化网间频谱分配，在优化网间频谱分配后，再对网内频谱进行二次优化”的频谱分配优化策略，网间动态频谱分配按照是否有统一的中心控制模块分为：网间集中式动态频谱分配和网间分布式动态频谱分配，网内动态频谱分配按照各个次用户之间是否进行协商分为：网内合作式动态频谱分配机制和网内非合作动态频谱分配机制；所述网内合作式动态频谱分配机制是指同一类型网络中，各个次用户间通过协商来进行动态频谱分配，常用的协商方式有标签机制（用于区分次用户的优先级别）、本地讨价还价机制（用于保证业务公平性）；所述网内非合作动态频谱分配机制是指同一类型网络中，各个次用户间不通过协商，而是基于已经规定好的规则来进行动态频谱分配。具体包括如下步骤：

（2a）设整个异构网络系统的总频谱资源为A，在该异构网络中存在m个无线通信网络，第j个无线通信网络按照通信政策获得比例为w_j的授权频谱资源为R_j，即：

$>\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{R}_j=A,\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{w}_j=1,w_j·A=R_j$>

（2b）设在时间周期θ内，每个无线通信网络所获得的授权频谱资源是恒定的，即仅在下一个时间周期θ到达时，各个无线通信网络的授权频谱资源才有可能发生改变；在当前该时间周期θ内，授权频谱资源分配的函数记为f(A)，频谱资源在每个无线通信网络中的分配情况为：f(A)＝＜w₁,w₂,...,w_j,...,w_m＞；

（2c）在当前该时间周期θ即将用尽之际，检测各个无线通信网络的频谱利用率，进行网间动态频谱分配：对频谱利用率低于设定阈值Φ₁的无线通信网络，回收期获得的授权频谱资源的一部分，将回收的频谱资源重新分配给频谱利用率高于设定值Φ₂的无线通信网络；

网间动态频谱分配的分配原则为：为了提高重新分配的效率，仅在相邻无线通信网络间进行频谱的重新分配，即：若第i个无线通信网络的频谱利用率低于设定阈值Φ₁，第i+1个无线通信网络的频谱利用率高于设定阈值Φ₂，则把第i个无线通信网络的频谱资源w_i·(1-Φ₁)分配给无线通信网络i+1；

将网间频谱资源重新分配的函数记为g(f(A))，获得的下一个时间周期θ的频谱资源在每个无线通信网络中的分配情况为：g(f(A))＝＜g(w₁),g(w₂),...,g(w_j),...,g(w_m)＞；其中，Φ₂≥Φ₁；

（2d）在时间周期θ内的一个小的时间周期T内，T＜＜θ，利用认知无线电技术动态感知每个频谱资源的利用情况，设第j个无线通信网络的频谱资源R_j的各个信道在t时段内的信道状态描述记为t＜＜T，n为频谱资源R_j的信道个数；某主用户（授权用户）拥有的空闲频谱段为1＜s≤v＜n，此时该频谱段的信道状态描述记为在当前时间周期T即将用尽之际，某次用户通过网内动态频谱分配机制获取该主用户的空闲频谱段的使用权，此时该频谱段的信道状态描述变换成网内频谱资源重新分配的函数记为$>h\left(R_j\right)=h\left(X_{R_j}^t\right)=h(x_{r_{j1}}^t{x}_{r_{j2}}^t...x_{r_{\mathrm{jn}}}^t);$>

（2e）综合步骤（2c）和步骤（2d）获得联合式动态频谱分配模型通用模型如下：

$>\theta :g_A^{\theta }\to g\left(f\left(A\right)\right)$>

g(f(A))＝＜g(w₁),g(w₂),...,g(w_j),...,g(w_m)＞

$>T:h_A^T\to h\left(R_j\right)$>

$>h\left(R_j\right)=h\left(X_{R_j}^t\right)=h(x_{r_{j1}}^t{x}_{r_{j2}}^t...x_{r_{\mathrm{jn}}}^t)$>

上述模型是一个与时间有关的双层优化模型，上下层优化模型通过时间周期T和θ建立关联：上层实现网间动态频谱资源优化，主要优化每个无线通信网络获得的频谱资源占总频谱资源A的比例；下层实现网内动态频谱资源优化，实现对主用户的授权频谱资源的空闲频段进行二次分配。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。