5G異構接入網(wǎng)系統(tǒng)頻譜資源的統(tǒng)一化表示及動態(tài)分配①

朱思峰 柴爭義 沈連豐③ 葛 振

(*周口師范學院 數(shù)學與統(tǒng)計學院 周口 466001)(**東南大學移動通信國家重點實驗室 南京 210096)(***中國衛(wèi)星發(fā)射測控系統(tǒng)部 北京 100020)

5G異構接入網(wǎng)系統(tǒng)頻譜資源的統(tǒng)一化表示及動態(tài)分配①

朱思峰②***柴爭義*沈連豐③**葛 振***

(*周口師范學院 數(shù)學與統(tǒng)計學院 周口 466001)(**東南大學移動通信國家重點實驗室 南京 210096)(***中國衛(wèi)星發(fā)射測控系統(tǒng)部 北京 100020)

針對5G通信網(wǎng)絡系統(tǒng)提供以大容量、高速率、低時延為主要特征的服務導致頻譜資源緊缺現(xiàn)象日趨嚴重的問題，進行了5G頻譜資源動態(tài)分配的研究，給出了5G異構接入網(wǎng)頻譜資源特征描述、表達方法和一種基于雙層優(yōu)化的動態(tài)頻譜分配方案。仿真實驗結果表明，給出的動態(tài)頻譜分配方案在系統(tǒng)吞吐量和分配公平性兩個指標上均有較好表現(xiàn)，具有較好應用價值。

5G，異構融合網(wǎng)絡，動態(tài)頻譜分配，系統(tǒng)吞吐量，公平性，分配

0 引 言

2012年1月18日，國際電信聯(lián)盟在2012年度無線電通信全會全體會議上，正式審議通過4G標準。2013年12月，中國正式發(fā)放了第四代移動通信(簡稱4G)牌照，4G通信網(wǎng)絡在我國正式走向商用。在4G通信網(wǎng)絡商用的同時，全世界面向下一代移動通信需求的第五代移動通信(5G)的研發(fā)工作也已在世界范圍內(nèi)迅速展開，并成立了專項研究組，如歐盟EMIS、韓國5G 論壇、中國IMT2020 項目組等。從移動網(wǎng)絡的發(fā)展歷程來看，未來的5G網(wǎng)絡很難做到一種技術、架構全覆蓋。多無線接入技術(multiple radio access technology，M-RAT)會在將來一個很長時間段內(nèi)并存， 多種技術融合、多種架構融合是必然趨勢。5G異構接入網(wǎng)將是一種由GSM、WLAN、Bluetooth、3G、B3G、4G、5G等多種接入網(wǎng)絡組成的異構混合網(wǎng)絡(heterogeneous mixed network)[1]。由于各種無線接入網(wǎng)絡在業(yè)務服務能力、覆蓋能力和技術層面都存在差異，任一種無線接入網(wǎng)絡都不能完全滿足覆蓋、延遲、傳輸速率、成本等方面的需求。5G采用的不是獨立的、全新的無線接入技術。5G容納了現(xiàn)有無線接入技術(包括2G、3G、4G和WiFi)以及一些新增補充性無線接入技術，是一種集成的解決方案。從某種程度上講，5G將是一個真正意義上的融合網(wǎng)絡，它以融合和統(tǒng)一的標準，提供人與人、人與物以及物與物之間高速、安全和自由的聯(lián)通。

5G網(wǎng)絡將提供環(huán)境自感知的、以用戶為中心的個性化內(nèi)容和業(yè)務[2]。這顯然與3G/4G 網(wǎng)絡主要考慮改善峰值速率和頻譜效率的設計目標是截然不同的。5G 不再一味強調(diào)峰值速率，而是把用戶體驗放在第一位。5G 是一個泛技術時代，多業(yè)務系統(tǒng)、多接入技術、多層次覆蓋融合成為5G 的重要特征。未來的5G時代，人們對各種應用場景下的通信體驗要求越來越高，用戶希望任何地點任何環(huán)境下都能獲得一致的高質(zhì)量業(yè)務體驗(即無邊界的高速數(shù)據(jù)業(yè)務服務)。用戶業(yè)務需求是無限增長的，而頻譜資源是受限資源。在5G時代，通信網(wǎng)絡的寬帶化、業(yè)務的多樣化的發(fā)展趨勢，將使無線頻譜資源更加緊缺。如何提高頻譜資源的利用率是無線通信業(yè)務持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。動態(tài)頻譜分配是解決頻譜資源匱乏問題的有效途徑之一。

近年來，異構網(wǎng)絡環(huán)境中基于認知無線電的動態(tài)頻譜分配問題引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注，這方面的主要研究團隊有：麻省理工大學、加州大學伯克利分校、弗吉尼亞理工大學、科英布拉大學、北京郵電大學、東南大學、解放軍理工大學、西安電子科技大學等。提出的方案有基于圖論的頻譜分配方案[3-8]、基于博弈論的頻譜分配方案[9-11]、基于拍賣競價的頻譜分配方案[12-15]和基于強化學習理論的頻譜分配方案[16-18]。這些方案考慮的都是單一運營商同構網(wǎng)絡環(huán)境中的動態(tài)頻譜分配問題，沒有涉及多運營商異構網(wǎng)絡融合場景下的動態(tài)頻譜分配問題。部分文獻中的方案針對某些熱點區(qū)域采用了動態(tài)頻譜分配方案，從單個無線接入網(wǎng)絡的角度最大程度地優(yōu)化了其擁有的頻譜資源，但沒有考慮其他無線接入網(wǎng)絡的頻譜分配情況，從整體上看，頻譜資源的利用率并不高。另外，現(xiàn)有的動態(tài)頻譜方案是基于手工計算或基于工程人員的經(jīng)驗知識給出一種可行的頻譜分配方案，其頻譜分配成本較高且反應速度慢，難以適應解決大規(guī)模的動態(tài)頻譜分配問題。本文給出了一種不同于已有方案的5G異構接入網(wǎng)場景下的聯(lián)合式動態(tài)頻譜分配方法，該方法通過先對網(wǎng)間頻譜進行優(yōu)化分配，再對網(wǎng)內(nèi)頻譜進行二次優(yōu)化，從而提高整個5G異構接入網(wǎng)系統(tǒng)的頻譜資源利用效能，并使用智能優(yōu)化算法進行頻譜分配優(yōu)化，降低頻譜分配成本，提高頻譜分配效率。

1 5G異構接入網(wǎng)系統(tǒng)中頻譜資源的統(tǒng)一化表示

不同無線接入網(wǎng)絡中的無線資源特征描述和表達方法差異很大。對無線資源采用統(tǒng)一描述和表示方法是對5G接入網(wǎng)資源進行綜合管理的前提。本文建立統(tǒng)一的5G異構接入網(wǎng)資源特征描述和表達方法如下：將無線頻譜資源和用戶需求用廣義矢量資源空間網(wǎng)格中的矢量表示，即首先根據(jù)頻譜資源分布，建立頻譜資源使用約束條件，將矢量資源劃分為可用矢量資源、已用矢量資源和禁用矢量資源，將頻譜資源使用的決策轉(zhuǎn)化為可用矢量資源和資源需求矢量匹配的過程。在這種思想的指導下，根據(jù)不完整、不一致和不確定的資源信息，利用廣義矢量資源空間網(wǎng)格，實現(xiàn)資源特征信息的識別、匯聚、組織、描述，建立統(tǒng)一的異構網(wǎng)絡頻譜資源特征描述和表達方式；通過使用統(tǒng)一的異構網(wǎng)絡頻譜資源特征描述和表達方法，把各個無線通信網(wǎng)絡的頻譜資源匯集為一個矢量頻譜資源庫。

具體抽象表達如下：

(1)

將頻譜資源Rj特征描述抽象為以下三元組：

Rj=

(2)

有了統(tǒng)一的5G異構接入網(wǎng)頻譜資源特征描述和表達方法后，可以把各個無線接入網(wǎng)的頻譜資源匯集為一個矢量頻譜資源庫，采用認知無線電技術，通過對各個接入網(wǎng)的頻譜資源使用狀況進行實時感知，將感知的信息進行描述和表達。

2 5G異構接入網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)頻譜分配優(yōu)化模型

有了統(tǒng)一的5G異構接入網(wǎng)頻譜資源特征描述和表達方法后，按照“先優(yōu)化網(wǎng)間頻譜分配，再對網(wǎng)內(nèi)頻譜進行二次優(yōu)化”的頻譜分配優(yōu)化策略，下面給出具體操作。

設某區(qū)域內(nèi)整個5G異構接入網(wǎng)系統(tǒng)的總頻譜資源為A，在該異構接入網(wǎng)系統(tǒng)中存在m個無線接入網(wǎng)，第j個無線接入網(wǎng)按照通信政策獲得比例為wj的授權頻譜資源為Rj，如下式所示：

(3)

設在時間周期θ內(nèi)，每個無線接入網(wǎng)所獲得的授權頻譜資源是恒定的，在該時間周期θ內(nèi)，授權頻譜資源分配的函數(shù)記為f(A)，頻譜資源在每個無線接入網(wǎng)中的分配情況為f(A)=。

在該時間周期θ用盡前，檢測各個無線接入網(wǎng)的頻譜利用率，進行網(wǎng)間動態(tài)頻譜分配：對頻譜利用率低于設定閾值Φ1的無線接入網(wǎng)，回收期獲得的授權頻譜資源的一部分，將回收的頻譜資源重新分配給頻譜利用率高于設定值Φ2的無線接入網(wǎng)。

網(wǎng)間動態(tài)頻譜分配的分配原則是：僅在相鄰無線接入網(wǎng)間進行頻譜的重新分配，即：若第j個無線接入網(wǎng)的頻譜利用率低于設定閾值Φ1，第j+1個無線接入網(wǎng)的頻譜利用率高于設定閾值Φ2，則把第j個無線接入網(wǎng)的頻譜資源wj·(1-Φ1)分配給無線接入網(wǎng)j+1。

將網(wǎng)間頻譜資源重新分配的函數(shù)記為g(f(A))，獲得的下一個時間周期θ的頻譜資源在每個無線接入網(wǎng)中的分配情況為g(f(A))=，其中Φ2≥Φ1。

本文給出的聯(lián)合式動態(tài)頻譜分配模型通用模型如下：

(4)

式(4)是一個與時間有關的雙層優(yōu)化模型，上下層通過時間周期來建立關聯(lián)：上層實現(xiàn)網(wǎng)間動態(tài)頻譜資源優(yōu)化，主要優(yōu)化每個無線接入網(wǎng)獲得的頻譜資源占總頻譜資源 的比例；下層實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)動態(tài)頻譜資源優(yōu)化，實現(xiàn)對主用戶的授權頻譜資源的空閑頻段進行二次分配。

3 實驗及分析

動態(tài)頻譜分配就是在感知到空閑頻譜之后對空閑頻譜進行分析的基礎上對空閑頻譜在網(wǎng)絡間和網(wǎng)絡內(nèi)分別進行分配。采用認知無線電技術，把接入用戶分為授權用戶(主用戶)和認知用戶(次用戶)，認知用戶通過感知技術檢測到空閑頻譜。利用本文第一節(jié)的頻譜資源統(tǒng)一表達方法，把各個接入網(wǎng)的頻譜資源統(tǒng)一表達為信道。把頻譜資源的分配轉(zhuǎn)化為信道的分配。

評價動態(tài)頻譜分配算法性能的主要指標有：系統(tǒng)吞吐量(頻譜資源利用率)、分配公平性和系統(tǒng)利用率。

頻譜資源利用率是評價動態(tài)頻譜分配算法性能的重要指標之一，它指平均每MHz支持的最大傳輸速率。在5G通信網(wǎng)絡中，常用系統(tǒng)的吞吐量來測量頻譜利用率。系統(tǒng)吞吐量是指對網(wǎng)絡、設備、端口、虛電路或其他設施,單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量(以比特、字節(jié)、分組等測量)。本文把系統(tǒng)吞吐量作為評價頻譜分配算法性能的一個指標。

把系統(tǒng)吞吐量定義為所有認知用戶吞吐量之和，描述如下式：

(5)

式中信道i的信干噪比為SINRi，帶寬為Bi，可用性權重值為wi(0

分配公平性指各個認知用戶間獲取頻譜資源的差異性，本文用吞吐量的方差δ2來度量，資源在用戶中分布得越平均，各個認知優(yōu)化吞吐量偏離均值的程度越低，則算法的分配公平性越好。本文設計分配公平性數(shù)學表達式如下：

(6)

式中，μj表示認知用戶j的吞吐量。

假定在10km×10km的區(qū)域內(nèi)，存在著2G、3G、4G、5G等多類無線接入網(wǎng)絡，構成一個5G異構接入融合網(wǎng)絡環(huán)境。隨機放置N個認知用戶，每個認知用戶可以準確地感知周圍環(huán)境信息和可用信道信息，并相互交換。所有認知用戶共享M個可用信道。設每個接入網(wǎng)絡信道的基本帶寬均為6MHz，每個信道的可用性權重均為0.5，SINR均為10dB，接入概率在[0，1]區(qū)間取值，認知無線電檢測時長為0.25s。實驗用的計算機系統(tǒng)配置：HPZ800Workstation，雙核CPU(IntelXeonQuad-CoreW5580 3.2GHz)， 12GB內(nèi)存，450GB15000rpm硬盤，windows7。

(1)系統(tǒng)吞吐量

設信道數(shù)為20，認知用戶數(shù)目初始為0，以步長為5遞增到50。橫坐標為認知用戶數(shù)目，縱坐標為系統(tǒng)的吞吐量。為了驗證本文所提出的動態(tài)頻譜分配方案性能，在MatLab實驗環(huán)境下，與基于圖論的動態(tài)頻譜分配方案、基于博弈論的動態(tài)頻譜分配方案進行了對比試驗。圖1描述了3種動態(tài)頻譜分配方案的系統(tǒng)吞吐量隨用戶數(shù)目變化情況。

圖1 系統(tǒng)吞吐量隨認知用戶數(shù)目的變化情況

從圖1可以看出，在起始階段[認知用戶從零個到5個]，三種動態(tài)頻譜分配方案的系統(tǒng)吞吐量均迅速上升，而后階段，隨著認知用戶數(shù)目的增加而持續(xù)上升，本文方案的系統(tǒng)吞吐量性能一直優(yōu)于基于圖論的動態(tài)頻譜分配方案和基于博弈論的動態(tài)頻譜分配方案。

當認知用戶數(shù)目固定為20個，信道數(shù)目從10開始，以步長5遞增到50時， 3種方案系統(tǒng)吞吐量隨信道數(shù)目變化情況如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)吞吐量隨信道數(shù)目的變化情況

從圖2可以看出，隨著信道數(shù)的增加，越來越多的認知用戶分配到可用信道，三種方案的系統(tǒng)吞吐量均隨著信道數(shù)目的增多而上升，本文方案一直優(yōu)越于基于圖論的動態(tài)頻譜分配方案和基于博弈論的動態(tài)頻譜分配方案。當信道數(shù)目增加到40個以后，由于認知用戶數(shù)目是固定的，此時頻譜資源較為充分，系統(tǒng)吞吐量達到最多值，此后，系統(tǒng)吞吐量不再隨著信道數(shù)目的繼續(xù)增多而上升。

(2)分配公平性

查閱已有的文獻發(fā)現(xiàn)，基于圖論的動態(tài)頻譜分配方案和基于博弈論的動態(tài)頻譜分配方案很少考慮分配公平性。為了驗證本文所給出的分配方案的公平性，在相同的仿真環(huán)境下，與公平性優(yōu)先的動態(tài)頻譜分配算法和吞吐量優(yōu)先的動態(tài)頻譜分配算法進行了對比實驗。公平性優(yōu)先的動態(tài)頻譜分配算法在進行頻譜資源分配時把分配公平性作為第一優(yōu)先級，系統(tǒng)吞吐量作為第二優(yōu)先級。吞吐量優(yōu)先的動態(tài)頻譜分配算法正好與之相反，把系統(tǒng)吞吐量作為第一優(yōu)先級，分配公平性作為第二優(yōu)先級。下面對公平性優(yōu)先的分配方案、吞吐量優(yōu)先的分配方案和本文方案的仿真結果進行比較分析。

3種方案分配公平性隨用戶數(shù)目變化情況如圖3所示。

圖3 分配公平性隨認知用戶數(shù)目的變化情況

從圖3可以看出，在相同的實驗環(huán)境下，公平性優(yōu)先的分配方案在分配公平性性能指標上表現(xiàn)最優(yōu)(吞吐量方差δ2的值最小)，并且隨著認知用戶數(shù)目的增多，其分配公平性性能越來越優(yōu)。吞吐量優(yōu)先的分配方案在公平性指標上表現(xiàn)最差，由于該方案優(yōu)先考慮的是系統(tǒng)吞吐量，隨著認知用戶數(shù)目的增多，該方案的公平性越來越差。值得說明的是，本文方案在分配公平性指標上有較好的表現(xiàn)，其性能略低于公平性優(yōu)先方案，但是遠遠超過吞吐量優(yōu)先的方案。本文方案的公平性一直非常穩(wěn)定，隨著用戶數(shù)目增多呈現(xiàn)略微提升趨勢。

3種方案分配公平性隨信道數(shù)目變化情況如圖4所示。從圖4可以看出，隨著可用信道數(shù)目的增多，吞吐量優(yōu)先的分配方案和公平性優(yōu)先的分配方案在公平性指標上的性能表現(xiàn)均有所下降，而本文方案的公平性性能卻穩(wěn)定中略有提升。這是因為，當認知用戶數(shù)目固定的情況下，隨著可用信道資源增多，本文方案中接入概率低的用戶有更多的機會被分配到信道，從而使得吞吐量方差變小，即分配公平性得到提升。

圖4 分配公平性隨信道數(shù)目的變化情況

4 結論

在5G異構無線網(wǎng)絡場景下，不同接入網(wǎng)絡在技術優(yōu)勢和業(yè)務能力等方面均有很大差異，聯(lián)合無線資源管理是提高異構無線網(wǎng)絡資源利用率的有效機制。頻譜資源的動態(tài)分配是聯(lián)合無線資源管理的主要任務之一，它對提高整個異構網(wǎng)絡系統(tǒng)性能有著重要的意義。

本文給出了一種5G異構網(wǎng)絡融合場景下的聯(lián)合式動態(tài)頻譜分配方法，首先將各個無線通信網(wǎng)絡的頻譜資源匯集為一個矢量頻譜資源庫；然后對矢量頻譜資源庫，按照“先優(yōu)化網(wǎng)間頻譜分配，再對網(wǎng)內(nèi)頻譜進行二次優(yōu)化”的頻譜分配優(yōu)化策略，建立聯(lián)合式動態(tài)頻譜分配通用模型。本文方案考慮了網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)頻譜資源協(xié)同分配優(yōu)化問題，對發(fā)展綠色通信提供了有力的支持，能夠找出最優(yōu)的頻譜優(yōu)化分配方案。與文獻方案的對比實驗表明，本文提出的基于雙層優(yōu)化的動態(tài)頻譜分配方案在系統(tǒng)吞吐量、分配公平性兩個指標上均有較好的表現(xiàn)，具有較好的應用價值。

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Unified expression and dynamic allocation of the spectrum resources of 5G heterogeneous networks

Zhu Sifeng***, Chai Zhengyi*, Shen Lianfeng**, Ge Zhen***

(*School of Mathematics & Statistics, Zhoukou Normal University, Zhoukou 466001)(**National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University， Nanjing 210096)(***Department of Measurement and Control of Chinese Satellite Launch Center, Beijing 100020)

To solve 5G communication network systems’ increasingly serious problem of spectrum resource shortage caused by providing the high-capacity, high-rate and low-latency services, the dynamic allocation of 5G spectrum resources was studied, thus a method for description and expression of the spectrum resources characteristics of 5G heterogeneous networks was given, and a novel dynamic spectrum allocation scheme based on two-layer optimization was proposed. The results of the simulation experiment showed the proposed dynamic spectrum allocation scheme had better performance in system throughput and fairness of allocation, thus showing its better application value.

5G, heterogeneous converged network, dynamic spectrum allocation, system throughput, fairness, allocation

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.12.003

國家自然科學基金(U1204618、U1504613)資助項目。

2016-09-01)

②男，1975年生，博士，副教授；研究方向：通信網(wǎng)絡資源分配優(yōu)化、異構融合網(wǎng)絡等；E-mail：zhusifeng@163.com

③通信作者，E-mail:: seu_lfshen@126.com