一種無線蜂窩網中信道重用的加權圖建模方法與流程

2023-12-08 22:47:11 4

本發明涉及通信技術的技術領域，具體涉及一種無線蜂窩網中信道重用的加權圖建模方法，尤其適用於移動通信網絡和無線通信網絡。

背景技術：

在無線蜂窩網中，頻譜資源通常被劃分為多個相互獨立的信道，這些信道被分配給不同的蜂窩小區，供小區內的呼叫請求使用。每個呼叫請求需要使用一個信道，由於總的頻譜資源是有限的，為了能夠同時容納更多的呼叫請求，小區之間需要對信道資源進行重用。當多個小區使用同一個信道進行通信時，會產生同信道幹擾；在進行信道重用時，就需要合理選擇共用同一個信道的小區，需要對小區之間的幹擾進行建模分析，以滿足通信的最小信幹比要求。

最常用的方式是將信道重用問題表示為衝突圖模型。在該模型中，每個小區被看作一個節點；若兩個小區共用一個信道時，相互間的幹擾使得接收機處的信幹比小於給定的閾值，則認為這兩個小區在進行信道重用時存在「衝突」，此時就在這兩個小區所對應的節點之間連接一條邊。在模型建好之後，只需要尋找衝突圖的最大獨立集即可。假設網絡中共有n個小區，建立衝突圖模型時最多需要檢查對小區之間是否存在衝突，故其計算複雜度為o(n2)。

幹擾不只存在於兩個小區之間，還存在於多個小區之間。為了描述多個小區之間的幹擾，sarkar和sivarajan提出了描述該問題的超圖模型。超圖是圖的一種擴展，其節點的概念與圖中相同，而把圖中「每條邊只包含兩個節點」擴展為「每條超邊可以包含任意個數的節點」。因此，用超圖模型可以描述多個小區之間的幹擾。若由多個小區組成的集合滿足：1)它們之間的相互幹擾使得其中至少一個小區內的信幹比小於給定閾值，2)它們的任何一個真子集都不滿足此條件，則這幾個小區就組成一個超邊。由於該模型需要檢查所有的小區集合是否為超邊，最多需要檢查2n-n個集合，故其計算複雜度為o(2n)。超圖模型可以完整地描述小區之間的幹擾，但是其計算複雜度為指數時間的。

為了降低計算複雜度，li等人考慮了一般無線網絡中限定超邊規模的超圖模型。在該模型中，限定每個超邊不超過k個節點，並把由此得到的超圖稱作k超圖。該建模方法最多需要考慮個集合是否構成超邊，由於k為一個遠小於n的常數，故其計算複雜度為o(nk)。該建模方法以降低模型精確度為代價換取了計算複雜度的降低。

因此，在無線蜂窩中進行信道分配和重用時，目前採用的方法主要有衝突圖模型和超圖模型：衝突圖模型可以在多項式時間內完成建模，但卻無法精確反映小區之間的幹擾，無法最大化重用同一個信道的小區個數；超圖模型可以精確反映小區之間的幹擾，但其建模過程是np困難的。為了既能夠精確地反映小區之間的幹擾，又能夠降低建模的計算複雜度，本發明給出一種基於加權圖的建模方法。

技術實現要素：

針對信道重用中衝突圖模型無法精確反映小區間的幹擾，超圖模型計算複雜度較高的技術問題，本發明提出一種無線蜂窩網中信道重用的加權圖建模方法，既能夠精確反映小區之間的幹擾，又能夠降低建模的計算複雜度、在多項式時間內完成建模。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種無線蜂窩網中信道重用的加權圖建模方法，其步驟如下：

步驟一：設無線蜂窩網中共有n個小區，所有小區的集合為v＝{n1,n2,…,nn}，小區ni(i＝1,…,n)的覆蓋區域的外接圓半徑為ri；

步驟二：小區ni的基站到小區nj覆蓋區域的最小距離為di→j，小區ni中基站的發射功率為pit，則小區ni的基站對小區nj中移動臺的最大幹擾與pit·di→j-α成正比，其中，α為幹擾係數；

步驟三：將無線蜂窩網建模為一個加權有向圖g＝(v,e,c)，其中，v表示所有小區組成的節點集合，e＝{eij＝(ni,nj)|ni∈v,nj∈v,i≠j}是有向邊的集合，c:e→r+是權值函數、表示小區之間的相對幹擾強度，有向邊eij的權值為c(eij)＝pit·di→j-α/pjt·rj-α；

步驟四：在選取信道重用的一組小區時，只需要在節點集合v中選取一個子集，使得在由該子集導出的子圖中任何一個節點的有向邊的權值之和不大於1/sirmin，sirmin為通信系統的最小信幹比。

所述小區ni的基站到小區nj覆蓋區域的最小距離為di→j的計算方法為：小區ni基站和小區nj基站之間的距離為dij，且dij＝dji，如果小區ni和小區nj的由外接圓確定的覆蓋範圍沒有重疊，即ri+rj≤dij，則di→j＝dij-rj，dj→i＝dij-ri；如果小區ni和小區nj的覆蓋範圍有重疊，即ri+rj＞dij，若ri＝rj＝r，則di→j＝dj→i＝dij/2，若ri＞rj，則di→j＝dij-rj，dj→i＝rj。

所述幹擾係數α為3到5之間的一個常數。

本發明將無線蜂窩網中的小區抽象為加權有向圖中的節點，然後在每兩個小區節點之間建立有向邊，有向邊的權值等於兩小區之間的相對幹擾強度；該建模方法克服了衝突圖模型無法精確反映小區之間的幹擾、超圖模型能精確反映幹擾但計算成本高的問題，既可以較精確地反映小區之間的幹擾，又可以在多項式時間內完成建模。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明由7個小區組成的一個無線蜂窩網絡示意圖。

圖2為本發明具體實例中兩個小區覆蓋範圍沒有重疊部分時，一個小區基站到另一個小區覆蓋範圍最小距離的計算方法。

圖3為本發明具體實例中兩個小區覆蓋範圍有重疊部分且兩個小區半徑相等時，一個小區基站到另一個小區覆蓋範圍最小距離的計算方法。

圖4為本發明具體實例中兩個小區覆蓋範圍有重疊部分且兩個小區半徑不相等時，一個小區基站到另一個小區覆蓋範圍最小距離的計算方法。

圖5為本發明中將小區間相對幹擾表示為加權圖中有向邊的過程示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

一種無線蜂窩網中信道重用的加權圖建模方法，其步驟如下：

步驟一：設無線蜂窩網中共有n個小區，所有小區的集合為v＝{n1,n2,…,nn}，小區ni(i＝1,…,n)的覆蓋區域的外接圓半徑為ri。

如圖1所示，無線蜂窩網中共有7個小區，其標號從1到7，小區的集合v＝{n1,n2,…,n7}。小區1、2、3的大小相等；小區4、5、6、7的大小相等；小區2和3在進行小區分裂時被小區4割去一部分，其中共有兩種大小的蜂窩小區，大蜂窩小區的半徑是小蜂窩小區半徑的二倍。記小區n1覆蓋區域外接圓的半徑為1，則各個小區的半徑分別為：r1＝r2＝r3＝1，

步驟二：小區ni的基站到小區nj覆蓋區域的最小距離為di→j，小區ni中基站的發射功率為pit，則小區ni的基站對小區nj中移動臺的最大幹擾與pit·di→j-α成正比，其中，α為幹擾係數。

不同小區基站之間的距離可以使用物理方法進行測算(如無線信號的傳播時延乘以光速)，也可以根據基站之間的位置關係使用基本的幾何原理(如勾股定理)來計算；在本實施例中使用幾何方法進行計算，結果如表1所示。

表1不同小區基站之間的距離

小區ni的基站設置在小區的中心，i＝1,2,…,7，表1中，dij為小區ni基站和小區nj基站之間的距離為dij，且dij＝dji。進一步，根據小區覆蓋範圍之間的關係，可以計算出小區ni基站到小區ni覆蓋範圍的最小距離di→j。例如：

a)如圖2所示，小區n1和小區n4的覆蓋區域沒有重疊部分，根據公式可知：

b)如圖3所示，小區n1和小區n2的覆蓋區域有重疊部分，二者的半徑相同，根據公式可知：

c)如圖4所示，小區n2和小區n5的覆蓋區域有重疊部分，但r2＞r5，根據公式可知

使用相同的方法，可以計算出所有小區到其它小區的最小距離，計算結果如表2所示。

表2小區基站到其它小區覆蓋範圍的最小距離

在無線蜂窩網中，若發射機與接收機之間的距離為d，發射功率為pt，則接收功率pr與pt·d-α成正比(假設比例係數為c)。假設網絡中共有k個小區使用同一個信道，在不考慮背景噪聲的情況下，小區k0中的接收機的信幹比為：

其中，dk為該接收機到第k個小區中發射機的距離。可以看出，比例係數c對信幹比不產生影響，為了計算簡單起見，在下面的計算中將α的值選定為常數，並使用pit·di→j-α來衡量接收機收到的來自小區i基站的信號強度，幹擾係數α為3到5之間的一個常數。

步驟三：將無線蜂窩網建模為一個加權有向圖g＝(v,e,c)，其中，v表示所有小區組成的節點集合，e＝{eij＝(ni,nj)|ni∈v,nj∈v,i≠j}是有向邊的集合，c:e→r+是權值函數、表示小區之間的相對幹擾強度，有向邊eij的權值為c(eij)＝pit·di→j-α/pjt·rj-α。

將無線蜂窩網建模為一個加權有向圖g＝(v,e,c)，其中，v表示所有小區組成的節點集合，e＝{eij＝(ni,nj)|ni∈v,nj∈v,i≠j}是有向邊的集合，c:e→r+是權值函數、表示小區之間的相對幹擾強度。有向邊eij＝(ni,nj),i≠j表示小區ni和小區nj使用同一個信道時，小區ni的基站對小區nj中移動臺存在的幹擾。為了保證小區內移動臺的通信質量，覆蓋範圍大的小區的基站發射功率一般要大於覆蓋範圍小的小區。假設相對幹擾公式中，幹擾係數α的取值為3，信號功率隨著距離的三次方衰減，大蜂窩小區中基站的發射功率應等於小蜂窩小區中基站發射功率的8倍。在本實施例中，假設小區n1,n2,n3的基站發射功率為8，小區n4,n5,n6,n7的基站發射功率為1。如圖5所示，有向邊eij的權值為c(eij)＝pit·di→j-α/pjt·rj-α，利用公式可以求出不同小區之間的相對幹擾(亦即加權圖中有向邊的權值)。例如，小區1對小區4和小區4對小區1的相對幹擾分別為：

使用相同的方法，可以求出所有小區之間的相對幹擾，亦即加權圖中所有有向邊的權值，計算結果如表3所示。

表3加權圖中各有向邊的權值

需要注意的是，表3實際上是加權圖的鄰接矩陣表示形式。

步驟四：在選取信道重用的一組小區時，只需要在節點集合v中選取一個子集，使得在由該子集導出的子圖中任何一個節點的有向邊的權值之和不大於1/sirmin，sirmin為通信系統的最小信幹比。

將小區之間的幹擾建模為一個加權有向圖g＝(v,e,c)，選取信道重用同一個信道小區的過程就等價於從節點集合v中選取滿足一定條件的節點子集的過程。通信系統的最小信幹比受到多個因素的影響，為了方便說明問題，假設最小信幹比為6db(實際通信系統中要遠大於該值)，換算成比例形式相當於在選取信道重用時，只需要使得所有小區在重用頻率上受到的相對幹擾之和小於1/sirmin，即0.398。在選擇信道重用小區集合時，可以將候選小區集合所在的行與列劃出，然後將交叉點處的數值按列求和，所得結果即為對應小區受到的相對幹擾之和；若所有列的求和結果都小於等於1/sirmin，則該小區集合可以使用進行信道重用；若存在任何一列的和大於1/sirmin，則該小區集合不能進行信道重用。例如：

a)如表4所示，若小區n1和小區n7使用同一個信道，兩個小區受到的相對幹擾之和都小於0.398，故此這兩個小區可以進行信道重用。

表4小區n1和n7進行信道重用時各小區受到的相對幹擾

b)如表5所示，若小區n1、n4和n7進行信道重用，小區n1和n7受到的相對幹擾之和小於0.398，但小區n4受到的相對幹擾之和大於0.398，故此這三個小區不能進行信道重用。

表5小區n1、n4和n7進行信道重用時各小區受到的相對幹擾

由於本發明的主要目的是對信道重用過程中的加權圖建模方法進行公布，而不是研究最優的信道重用方法，故此不對信道重用小區的優化選擇問題進行深入探討。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。