在共存的多种无线网络中进行动态频谱分配的方法及装置

摘要

本发明公开了在共存多种无线网络中进行动态频谱分配的方法，包括：MS检测自身服务AP及共存的cAP，发送携带本次通信的带宽需求量以及cAP ID的带宽请求消息到服务AP；在接收到所述带宽请求消息后，服务AP发送携带有自身AP ID以及根据一个或多个MS发送的带宽请求消息得到该服务AP的频谱需求量和其cAP ID的频谱请求消息到DSAM；DSAM根据所接收的频谱需求量，AP ID及cAP ID，通过一定的动态频谱分配算法进行动态频谱分配，并将频谱分配结果发送到服务AP；服务AP根据频谱分配结果分配相应的频谱资源给所述MS。通过上述方法可以在共存的多个AP之间实现动态的频谱资源共享，提高系统的频谱利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及到无线网络中的频谱分配技术，特别涉及到一种在共存的多种无线网络中进行动态频谱分配的方法及动态频谱分配装置。

背景技术

未来的无线通信被期望可以满足用户在任何时间、任何地点的通信需求，并且这一愿景由于移动设备和无线网络的显著进步逐渐变为可能。为支持无所不在的通信需求，从覆盖区域角度划分的无线网络可包括小区域范围的本地短距离无线网络、微蜂窝网络及大区域范围的宏蜂窝网络。其中，小区域范围无线网络技术，例如无线局域网(WLAN，Wireless Local AreaNetwork)，可以支持本地自组织的通信服务；而移动运营商建立的宏蜂窝网络系统能够对大区域内的用户提供通信服务。在实际的组网过程中，这些小区域范围及大区域范围的无线通信网络可能会被整合在一起，以实现在不同的位置给用户提供互相补充的通信服务，因此，未来无线通信网络环境将演变为大区域范围无线网络和小区域范围无线网络整合的异构网络环境，即多种类型的无线网络将在空间和时间上共存。

在这样的无线网络通信环境下，不同无线网络的业务量负荷会因为不均等的用户密度及业务活跃率在空间和时间上有所变化，因此，无线资源管理，尤其是频谱管理，应该能够实现对有限无线资源的有效利用。

传统的固定频谱管理策略为特定的无线接入技术(RAT，Radio AccessTechnology)发放频谱执照使其独占频谱使用。然而，这种频谱管理方式不能及时地适应在空间和时间上动态变化的频谱资源需求，从而造成不均匀的频谱利用率以及人为的频谱缺乏。为解决频谱缺乏的问题，如何提高频谱使用效率，采用更精细的频谱分配方法是目前亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种在共存的多种无线网络中进行动态频谱分配的方法，可以在共存的多种无线网络中在时间和空间上实现频谱资源的动态分配。

本发明还提供了一种实现频谱资源动态分配的动态频谱分配装置，用于在共存的多种无线网络中实现时间和空间上的频谱资源动态分配。

本发明所述在共存的多种无线网络中进行动态频谱分配的方法，包括：

A、移动终端(MS)检测自身的服务接入点(AP，Access Point)及该服务AP的共存接入点(cAP，coexisting AP)，获得所述cAP的标识cAP ID，再发送带宽请求消息到所述服务AP，并在该带宽请求消息中携带本次通信的带宽需求量以及所述cAP ID；

B、在接收到所述带宽请求消息后，所述服务AP发送一频谱请求消息到动态频谱分配模块(DSAM，Dynamic Spectrum Allocation Module)，并在该频谱请求消息中携带有自身AP ID，及根据一个或多个MS的所述带宽请求消息得到的该服务AP的频谱需求量和其cAP ID；

C、所述DSAM根据所接收的频谱需求量，AP ID及cAP ID，通过一定的动态频谱分配算法进行动态频谱分配，并将频谱分配结果发送到所述服务AP；

D、所述服务AP根据来自所述DSAM的频谱分配结果，分配相应的频谱资源给所述MS。

上述步骤B所述AP发送频谱请求消息包括：所述AP在接收到一个带宽请求消息后立即发送与所接收带宽请求消息对应的一个频谱请求消息到所述DSAM；或者所述AP在接收到多个带宽请求消息后，将多个带宽请求合并在一起，发送一个频谱请求到所述DSAM。其中，所述AP根据预先设定的频谱需求量门限或预先设定的频谱请求时间间隔或其组合确定发送频谱请求消息的时机。

上述步骤C所述动态频谱分配包括：

C1、从所接收的频谱请求消息中提取频谱需求量以及AP ID和cAP ID；

C2、根据所述AP ID查找自身存储的与该AP ID对应的频谱分配表(SAT，Spectrum Allocation Table)，如果存在，则执行步骤C3，否则，建立与该AP ID对应的SAT，并设为所述服务AP实际分配的频谱资源为0，然后执行步骤C3；

C3、在所述SAT中查找与cAP ID对应的频谱资源分配记录，如果存在，则执行步骤C4，否则，在所述SAT中添加与所述cAP ID对应的记录，并设为所述cAP实际分配的频谱资源为0，然后执行步骤C4；

C4、从所述频谱资源分配记录中获得该MS服务AP实际所分配的频谱资源以及其服务AP的cAP实际所分配的频谱资源，并根据频谱资源请求消息中携带的所述服务AP的频谱需求量及所述cAP的频谱需求量；

C5、判断所述服务AP的频谱需求量及所述cAP的频谱需求量之和是否大于可全部共享的频谱量，如果是，则进行拥塞情况下的频谱资源动态分配，否则，按照所述服务AP的实际需要为其分配相应的频谱资源；

C6、根据频谱分配结果更新所述SAT中对应的频谱资源分配记录。

其中，步骤C5所述拥塞情况下的频谱资源动态分配为基于优先级的频谱资源分配；具体包括：优先满足具有较高的优先级的频谱请求。或者为基于保留的频谱资源分配；包括：设置共存的一个RAT中的AP的保留频谱资源，在动态频谱分配过程中，已设置保留频谱资源的AP实际获得的频谱资源为所述保留频谱资源和其频谱需求量之间的最小值，其他没有设置保留频谱资源的RAT中的AP可以获得的频谱资源为共享的频谱资源总量与保留频谱资源的AP实际获得的频谱资源之差。又或者为按照预先设定的各个共存AP的频谱资源分配概率进行频谱资源动态分配。

其中，所述预先为共存的RAT所设定的保留频谱资源或频谱资源分配概率是根据频谱过载概率和/或从共存的AP获得的总收益所设计的准则来确定的。

所述方法进一步包括：预先为共存的AP分配一定的频谱资源量；

在步骤C5之前进一步包括：如果一个AP的频谱需求量小于或者等于预先分配的频谱量，则该AP直接为请求频谱资源的MS分配相应的频谱资源，然后执行步骤C6，否则，执行步骤C5。

当由于MS的移动而导致其cAP改变时，所述方法进一步包括：所述MS进行频谱资源的重新分配。其中，所述频谱资源的重新分配包括：判断该MS服务AP的频谱需求量及其cAP的频谱需求量之和是否大于可全部共享的频谱量，如果是，则进行拥塞情况下的频谱资源动态分配，否则，按照所述服务AP的实际需要为其分配相应的频谱资源；根据频谱分配结果更新所述SAT中对应的频谱资源分配记录。

根据本发明的另一方面，所述动态频谱分配装置，主要包括：

频谱资源请求处理模块，用于接收来自各种RAT中AP的频谱资源请求消息，并从中提取频谱资源请求的相关参数；

SAT存储模块，用于存储对应共存的RAT中各个AP的频谱资源分配记录；

动态频谱分配模块，连接到所述频谱资源请求处理模块及所述SAT存储模块，用于根据来自频谱资源请求处理模块的频谱资源请求的相关参数，通过查找所述SAT存储模块中存储的SAT记录，根据一定的动态频谱分配算法进行动态频谱分配；

频谱分配结果输出模块，连接到所述动态频谱分配模块，用于将来自所述动态频谱分配模块的动态频谱分配结果输出到发送频谱请求消息的AP。

其中，所述动态频谱分配装置通过有线或者无线的方式与所述服务AP及共存AP通信。

由此可以看出，通过本发明所述的在共存的多种无线网络中进行动态频谱分配的方法及装置通过DSAM所维护的SAT以及一定的频谱资源分配算法可以在共存的RAT中多个AP之间实现动态的频谱资源共享，因此，可以适应各个无线网络的业务量在空间和时间上的动态变化，使共存的无线网络的频谱利用率得到显著提高。

另外，本发明所述的在共存的多种无线网络中进行动态频谱分配的方法及装置通过拥赛时的频谱分配算法还可以在多个共存的AP的频谱资源需求发生拥塞的情况下，实现频谱资源的动态分配以降低频谱过载概率或使得从共存的RAT获得的总收益最大化。

附图说明

图1为可以支持多种不同的通信服务的两种无线网络共存的网络环境示意图；

图2为显示了由多个RAT共享的全部频谱资源N的示意图；

图3为本发明优选实施例所述的动态频谱分配方法的实现流程图；

图4为在图3所示的动态频谱分配方法中，DSAM根据SAT以及一定的动态频谱分配算法进行所述的动态频谱分配的方法流程图；

图5显示了一个RAT频谱需求量r随时间的变化情况；

图6显示了一个RAT频谱需求量的概率分布；

图7为本发明优选实施例所述的DSAM结构示意图。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的动态频谱分配方法及装置适合应用在多种无线网络共存的网络环境中。图1显示了可以支持多种不同的通信服务的两种无线网络共存的网络环境。需要说明的是，本发明还可扩展到超过两个的无线网络共存的通信场景中，而不会超出本发明的意欲保护的范围。

在图1所示的网络环境中，两种无线网络所使用的RAT分别为RAT#1和RAT#2，这两种RAT在相同的地理服务区域中共存，换句话说，这两种RAT的服务覆盖范围在空间上相互重叠。例如，如图1所示，在RAT#1的AP RAT#1-AP1的无线覆盖范围中，还存在RAT#2的AP，如RAT#2-AP1，RAT#2-AP2及RAT#2-AP3的无线覆盖范围。在实际的无线通信系统中，所谓的AP可以是蜂窝网络中的一个基站，也可以是WLAN中的一个AP。图1中所示的RAT#1-MS1，RAT#1-MS2，RAT#1-MS3以及RAT#1-MS4表示由RAT#1提供服务的MS，在图1中没有显示由RAT#2提供服务的MS。

相对于RAT#1服务的一个MS，例如对RAT#1-MS1而言，RAT#1-MS1处于RAT#1-AP1的无线覆盖范围之内，并且还由RAT#1-AP1提供服务，则RAT#1-AP1为RAT#1-MS1的服务AP。除此之外，RAT#1-MS1还处于RAT#2-AP1的无线覆盖范围之内，因此，RAT#2-AP1为与所述RAT#1-MS1服务AP的共存cAP。如图1所示，此时RAT#1-MS1的服务AP为RAT#1-AP1，其服务AP的cAP为RAT#2-AP1。而当RAT#1-MS1移动到RAT#2-AP2的无线覆盖范围内时，它的服务AP保持RAT#1-AP1不变，而其服务AP的cAP将变化为RAT#2-AP2。

在图1所示的网络环境中，RAT#1和RAT#2两个RAT的频谱需求会因为自身业务量负荷的变化而在空间和时间中动态地改变。为了提高频谱使用效率，在本发明所述的动态频谱分配方法中，两个RAT可以对全部频谱资源进行动态共享，以适应动态变化的频谱需求。

在这里，假设待分配频谱资源可划分和可分配的最小单元为f，由多个RAT共享的全部频谱资源为Nf。为了描述方便，在下面的描述中省略了频谱最小单元符号f，仅使用N表示全部的共享频谱资源。图2显示了由多个RAT共享的全部频谱资源N。

为了实现频谱资源N在多个RAT之间的共享，本发明的优选实施例给出了一种在多个共存的RAT之间对所述频谱资源进行动态分配的方法，该动态频谱分配方法的实现过程如图3所示，主要包括以下步骤：

A、在MS请求本次通信所需的频谱资源之前，该MS检测自身的服务AP及该服务AP的cAP，并获得自身服务AP的标识AP ID及所述cAP的标识cAP ID。

为了实现步骤A，需要对现有MS进行改进，使其能够对其临近的与自身服务AP共存的其他AP进行检测。本领域的技术人员可以理解，这种对MS功能的改进是非常容易实现的，而且无需在MS上增加复杂的频谱感知技术。具体来讲，对于双模和多模的MS，它可以直接获得另一个RAT中共存AP的情况；而对于单模的MS，它可以在共存的RAT中通过增加一个公共信道来通知移动终端的共存AP的情况或发送信标使移动终端可以检测到共存的AP。

B、所述MS发送带宽请求消息到自身的服务AP，并在该带宽请求消息中携带本次通信的带宽需求量，以及在步骤A获得的cAP ID。

C、所述服务AP在接收到所述带宽请求消息后，根据其中携带的本次通信所需的带宽需求量得到所述服务AP的频谱需求量，并发送一频谱请求消息到负责动态频谱分配的DSAM，其中携带自身的AP ID以及所述频谱需求量以及cAP ID。

在本步骤中，所述AP可以采用多种方式发送所述频谱请求消息，例如所述AP可以在接收到一个带宽请求消息后立即发送与该带宽请求消息对应的一个频谱请求消息到所述DSAM；也可以在接收到多个带宽请求消息后，将多个带宽请求合并在一起，发送一个频谱请求到所述DSAM，其中，该频谱请求消息中所携带的频谱需求量应当为所述多个带宽请求所需频谱需求量的总和。对应后一种实现方法，发送频谱请求消息的时机可以根据预先设定的频谱需求量门限确定，也可以根据预先设定的频谱请求时间间隔来确定，或者同时考虑频谱需求量门限以及频谱请求的时间间隔。若MS发送到AP的带宽请求消息中进一步携带MS进行通信的业务类型，则AP可以根据MS通信的业务类型，例如是实时业务还是非实时业务，来设定不同的频谱需求量门限和频谱请求时间间隔。

本步骤所述的DSAM是一个逻辑实体，它可以是一个独立的网络设备，也可以作为一个逻辑模块被整合在已有的网络设备中，例如，可以被整合在某个无线网络RAT的AP中。另外，从某个RAT的AP到所述DSAM的连接可以是有线的，也可以是无线的。若所述DSAM被整合在如图1所示的RAT#1-AP1中，则对应RAT#2中某个AP的频谱请求消息，可以由该RAT#2的AP直接发送到所述DSAM，或者由该RAT#2的AP首先发送到RAT#1-AP1，然后再由RAT#1-AP1转发到所述DSAM。

D、所述DSAM根据所接收的频谱需求量，AP ID以及cAP ID，通过一定的动态频谱分配算法进行动态频谱分配，并将频谱分配结果发送到发送所述频谱请求消息的AP。

E、所述AP根据来自所述DSAM的频谱分配结果，分配相应的频谱资源给所述MS。

F、当MS移动到另一个共存AP区域从而导致其cAP改变时，该MS需要完成相关的频谱资源的重新分配。

具体来讲，该步骤所述的频谱资源重新分配可通过执行下文图4所示的步骤D6～D9来实现。

为了实现上述步骤D所述的动态频谱分配，所述DSAM需要为请求频谱资源的每个RAT的AP建立了SAT，用于记录该AP与其共存AP之间实际的频谱分配情况。表1为图1所示的RAT#1-AP1的SAT示例。

  共存AP    分配给自身的频谱(n1)    分配给共存AP的频谱(n2)  RAT#2-AP1    f1～f2    f3～f10  RAT#2-AP2    f1～f8    f9～f10  RAT#2-AP3    f1～f6    f7～f10  其他    f3～f10    无

表1所示的RAT#1-AP1的SAT中包含一条或多条的频谱资源分配记录，其中，每一条资源分配记录对应一个与该表所对应AP的共存AP，记录了在该表所对应AP与其共存AP共同的覆盖范围内，为该AP实际分配的频谱资源n1及为其共存AP实际分配的频谱资源n2。通过表1所示频谱资源分配记录，DSAM可以得到RAT#1-AP1与其共存AP，例如RAT#2-AP1、RAT#2-AP3和RAT#2-AP3之间实际的频谱分配情况。

在本步骤中，DSAM实际上根据所述SAT以及一定的动态频谱分配算法进行所述动态频谱分配的，其具体方法如图4所示，主要包括以下步骤：

D1、从所接收的频谱请求消息中提取频谱需求量以及AP ID和cAP ID；

D2、根据所述AP ID查找自身存储的，与该AP ID对应的SAT，如果不存在与该AP ID对应的SAT，则建立与该AP ID对应的SAT，并设为所述服务AP实际分配的频谱资源n1为0；

D3、在得到的所述SAT中查找与cAP ID对应的频谱资源分配记录，如果没有与所述cAP ID对应的记录，则在所述SAT中添加与所述cAP ID对应的记录，此时，设为所述共存AP实际分配的频谱资源n2为0；

D4、从所述频谱资源分配记录中获得为该MS服务AP实际分配的频谱资源n1以及为其服务AP的共存AP实际分配的频谱资源n2；

D5、根据频谱资源请求消息中携带的所述服务AP的频谱需求量r1及所述共存AP的频谱需求量r2；

D6、判断是否会出现频谱拥塞，即判断所述服务AP的频谱需求量r1及所述共存AP的频谱需求量r2之和是否大于可全部共享的频谱量N，如果是，则执行步骤D7，否则，执行步骤D8；

D7、进行拥塞情况下的频谱资源动态分配；

D8、按照所述服务AP的实际需要为所述服务AP分配相应的频谱资源；

D9、根据频谱分配结果更新所述SAT中对应的频谱资源分配记录。

本实施例给出了3种拥塞情况下的资源分配方法以实现上述步骤D7。

方法1：基于优先级的频谱资源分配。

在基于优先级的频谱资源分配策略下，具有更高的优先级的频谱请求将获得所需的频谱。

其中，优先级的可以简单地根据发起频谱请求的RAT来确定。例如，可以设定由RAT#1发起的频谱请求比由RAT#2发起的频谱请求具有更高的优先级，在这种情况下，RAT#1的频谱需求首先被满足，具体而言，采用如下公式进行频谱分配，n1＝min(r1，N)，n2＝N-n1。

另外，还可以根据请求带宽的业务的重要程度来确定所述优先级。其中，所述业务的重要程度可根据业务类型或者运营商从中获取收益等来划分等级。例如，话音业务由于其实时性的要求，应当比数据业务设置为更高的优先级，实时业务应当比非实时业务具有更高的优先级，具有高收益的业务应当比低收益的业务具有更高的优先级等等。在实际的频谱分配过程中，如果根据业务的类型来确定频谱请求的优先级，则MS需要在步骤A的带宽请求消息中进一步增加通信的业务类型，AP需要在步骤B的频谱请求消息中将所述业务类型发送给DSAM以进行所述动态频谱分配。

为满足更高的优先级业务的带宽需求，对于当前正在被服务的业务而言可以设计为可中断的业务和不可中断的业务。如果当前被服务的业务是可中断的业务，则在出现频谱资源拥塞的情况下，该业务可被中止，其释放的频谱资源就可以被分配给其它具有更高优先级的业务。而如果当前被服务的业务是不可中断的业务，则新的频谱请求需要等待当前被服务的业务结束后，才能获得相应的频谱资源。

从上述基于优先级的频谱资源分配方法可以看出，一种支持更高优先级的RAT可能独占全部可用的频谱资源，以至于导致支持较低优先级的RAT的服务质量(QoS，Quality of Service)可能很低。

方法2：基于保留的频谱资源分配。

在基于保留的频谱资源分配策略中，为共存的多种RAT中的一种或几种RAT分别保留一定的频谱资源，称为保留频谱资源Nrev。该保留的频谱资源是当多个RAT之间存在频谱资源拥塞时可以保证分配给所述一个或几个RAT的频谱量。在实际的频谱资源分配过程中，若出现频谱资源拥塞，进行保留的频谱资源分配的具体方法为：设置RAT的保留频谱资源Nrev，该RAT实际获得的资源为所述保留频谱资源Nrev和其频谱需求量之间的最小值，其他没有设置保留频谱资源的RAT可以获得的频谱资源为共享的频谱资源总量与所有保留频谱资源的差。例如，在图1所示的网络环境中，若为RAT#2的保留频谱为Nrev2时，RAT#2和RAT#1两个RAT之间的频谱分配为n2＝min(r2，Nrev2)，n1＝N-n2。有上述频谱资源分配方法可以看出，当一个RAT的频谱需求量不超过为该RAT所保留的频谱时，所保留的频谱也可以被另外的RAT所共享。

方法3：基于概率的频谱资源分配。

在这种策略下，当存在频谱拥塞时，频谱资源将按照预先设定的各个共存的RAT频谱资源分配概率进行频谱资源分配。例如，在图1所示的网络环境中，可以预先设定RAT#1和RAT#2在存在频谱拥塞时的频谱分配概率分别为p1和p2，此时，DSAM则可以根据所述频谱分配概率进行频谱资源分配。其中，p1和p2可根据下文描述的准则确定。

上述方法2和方法3可以在频谱资源的分配过程中一定程度地实现多个RAT之间频谱分配的公平性，同时基本保证各个RAT的QoS。

通过以上描述可以看出，本实施例给出的动态频谱分配方法，可以在多种无线网络共存的情况下实现频谱资源的共享以及动态的频谱资源分配。

为了进一步简化本实施例所述的动态频谱分配方法，在本发明另一个优选实施例中，还可以预先为共存的RAT中的AP分配一定的频谱量。这样，在步骤D2和D3中新添加所述服务AP和共存AP实际分配的频谱资源n1和n2不为0。

当一个RAT中的AP的频谱需求量小于或者等于预先分配的频谱量时，例如，在r1≤n1或r2≤n2时，RAT AP可以直接为请求频谱资源的MS分配相应的频谱资源，而无需向所述DSAM请求频谱资源；只有当一个RAT中的AP的频谱需求量大于为其预先分配的频谱量时，例如，在r1＞n1或r2＞n2时，RAT中的AP才需要向DSAM请求相应的频谱资源，请求频谱资源的过程可以参见上述步骤A～E。通过这样优选实施例实现的频谱资源分配过程可以减少频谱分配的信令负荷。

本实施例还进一步给出了确定预先设定的保留频谱资源和预先设定的共存的RAT在存在频谱拥塞时频谱资源分配概率的准则，下面将以两种RAT共存的网络环境为例详细进行说明。

其中，一个RAT中长期的频谱需求量可以度量为离散的概率密度函数p(r)，其中，r为一个变量，表示该RAT的频谱需求量。为得到p(r)的值，可以首先收集短时间，例如，每分钟，每小时以及每天内该RAT的业务量负荷变化，然后，在相同时间尺度上推导出相应的频谱资源需求的变化。这样，就可以根据短期的频谱资源需求变化推导出RAT中长期(以月、年为度量单位的大时间尺度)的频谱需求量。图5显示了一个RAT频谱需求量r随时间的变化情况。图6显示了一个RAT频谱需求量的概率分布。其中，频谱需求量的离散概率密度函数p(r)可以从收集到的时变的频谱需求量的柱状图获得，所述离散概率密度函数p(r)趋近于连续概率密度函数f(r)。在图6中，用n表示为该RAT实际分配的频谱量。

下面用F(r)表示频谱资源需求变量r的累积分布函数，并进一步定义频谱过载概率(SOP，Spectrum Outage Probability)G(n)为当频谱需求量r超过了实际所分配的频谱量n时的概率，其具体计算公式如下所示：