СПОСОБ НАЗНАЧЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ПОДДИАПАЗОНОВ, СИСТЕМА СВЯЗИ И КОНТРОЛЛЕР
METHOD OF ALLOCATING FREQUENCY SUBBANDS, COMMUNICATION SYSTEM AND CONTROLLER

Варианты осуществления изобретения относятся к области сетей беспроводной связи, в частности к области гетерогенных сетей, содержащих фемтосоты. В частности, варианты осуществления изобретения относятся к способу назначения частотных поддиапазонов нескольким создающим взаимные помехи узлам в сетях беспроводной связи, к контроллеру для сети беспроводной связи и к системе беспроводной связи, включающей такой контроллер.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
Гетерогенные сети позволяют получить хорошие рабочие характеристики системы в части пропускной способности и покрытия. Фемтосота представляет собой одну из важных частей таких сетей. В сетях, где плотность фемтосот высока, подавление взаимных помех между этими фемтосотами становится важнейшей задачей для обеспечения требуемого качества обслуживания (QoS - от англ. quality of service). В беспроводных сетях происходит постоянное увеличение графика и операторы мобильной связи сталкиваются с трудностями в обеспечении пользовательского спроса. Одним из путей решения этой проблемы является использование точки доступа фемтосоты (FAP - от англ. femtocell access point), также известной под названием персональной усовершенствованной базовой станции (HeNB - от англ. home evolved nodeB). Эти точки доступа или узлы представляют собой небольшие базовые станции, развертываемые пользователем и в основном используемые в помещениях. На фигуре 1 схематически показана сота 100 сети, включающая базовую станцию 102. Схематически показанное на фигуре 1 помещение 104 находится в пределах соты 100. Помещение 104 включает, например, первую комнату 104 и вторую комнату 104. Развернутые пользователем в каждой комнате 104 и 104 точки доступа фемтосоты или персональные усовершенствованные базовые станции обозначены как HeNB-1 и HeNB-2. В каждой комнате 104 и 104 имеются абонентские устройства фемтосоты FUE-1 и FUE-2 (FUE - от англ. femtocell user equipment). Кроме того, внутри соты 100 показано одно устройство мобильного абонента MUE (от англ. mobile user equipment). Абонентское устройство FUE-1, расположенное в первой комнате 104 помещения 104, непосредственно соединяется с базовой станцией 102, как показано стрелкой 1. Устройство MUE мобильного абонента, находящееся снаружи помещения 104 и внутри соты 100, связывается с точкой HeNB-1 доступа фемтосоты, как показано стрелкой 2. Во второй комнате 104 помещения 104 находится другое абонентское устройство FUE-2, которое также связано с точкой HeNB-1 доступа фемтосоты, находящейся в первой комнате 104 помещения 104.
th
Основным преимуществом использования узлов HeNB является существенное улучшение зоны покрытия и пропускной способности, недостижимых при использовании только макросоты, как это, например, описано в статьях "Работа макро-фемтосот и фемтосот с уплотнением в иерархической сотовой структуре", Н. Claussen, Proc. Of the 18IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), Athens, Greece, 3-7 сентября 2007, стр.1-5, и "Улучшение пропускной способности посредством развертывания фемтосот", Z. Bharucha, Н. Haas, A. Saul, and G. Auer, European Transactions on Telecommunications, vol. 21, no 4, стр.469-477, 31 марта 2010. Поскольку зона покрытия HeNB невелика, имеющийся спектр можно использовать чаще. Кроме того, поскольку абоненты в помещении обслуживаются точками HeNB, интенсивность трафика макросоты 100 снижается, что является дополнительным преимуществом организации фемтосоты операторами, как это было описано в статье V. Chandrasekhar, J. Andrews, and A. Gatherer в "Фемтосотовые сети: Обзор", IEEE Communications Magazine, vol. 46, no. 9, стр.59-67, 2008.
2
1
Однако развертывание фемтосот также связано с некоторыми трудностями. Среди них наибольшего внимания требует проблема взаимных помех между фемтосотами (внутриканальная помеха), особенно в сетях, где высока плотность размещения фемтосот, например сеть компаний, торговых центров и др. В отличие от макросот фемтосоты устанавливаются конечными пользователями, поэтому частотное планирование невозможно. Кроме того, возможны ситуации, когда две фемтосоты развернуты очень близко друг к другу, и в этом случае абонентское устройство (UEs - от англ. user equipments) испытывает сильные помехи от соседних фемтосот, и в этом устройстве UE возникают перерывы в работе. На фигуре 1 подобная помеховая обстановка схематически показана между абонентским устройством FEU-2 во второй комнате 104 и точкой HeNB-1 в первой комнате 104 помещения. Таким образом, хотя развертывание фемтосот обеспечивает расширение зоны покрытия и увеличение пропускной способности, это также сопровождается и ростом помех. При этом проблема известных решений состоит в том, что в технике сетей фемтосот не может быть обеспечено на требуемом уровне взаимодействие с пользователями.
A
B
C
Одним известным решением этой проблемы является разделение ресурсов. Согласно этому подходу соседи, создающие помехи друг другу, используют различные поддиапазоны, также называемые приоритетные поддиапазонами, которые имеют максимальную мощность передачи. Остальные поддиапазоны, так называемые вторичные поддиапазоны, не используются или используются с управлением мощностью с тем, чтобы не создавать помех приоритетному диапазону соседних фемтосот. На фигуре 2 представлен способ подавления помех посредством разделения ресурсов. На фигуре 2(А) приведен пример трех примыкающих друг к другу сот А, В и С, каждая из которых имеет базовую станцию еNB, eNB и eNB соответственно. Первая сота А использует первый ресурс 1, например первый частотный диапазон в пределах имеющегося частотного диапазона. Вторая сота В использует второй ресурс 2, например второй частотный диапазон, а сота С использует третий ресурс 3, например третий частотный поддиапазон. На фигуре 2(В) показано, как осуществляется подавление помех посредством планирования ресурса, а именно выбором поддиапазонов 1-3 таким образом, что соты А-С используют неперекрывающиеся приоритетные поддиапазоны в пределах имеющегося частотного интервала F. На фигуре 2(В) приведен пример, включающий три смежные соты А, В и С, в которых первый частотный диапазон 1 используется сотой А, в то время как оставшиеся поддиапазоны, вторичные поддиапазоны ii и iii, либо не используются вовсе, либо используются с пониженной мощностью по сравнению с приоритетным поддиапазоном 1. Аналогично, сота В имеет в качестве приоритетного поддиапазона поддиапазон 2, а остальные, вторичные поддиапазоны i и iii, либо не используются, либо используются с пониженной мощностью. То же относится и к соте С, использующей третий поддиапазон 3, в которой первый и второй вторичные поддиапазоны i и ii не используются или используются с пониженной мощностью. Как понятно из фигуры 2, достижение максимальной пропускной способности системы и обеспечение приемлемого взаимодействия со всеми пользователями могут быть противоречивыми задачами. Управление взаимными помехами посредством разделения ресурса дает возможность абоненту в центре соты использовать все ресурсы с пониженной мощностью, в то время как пользователям на краю соты назначаются приоритетные диапазоны, которые они могут использовать с полной мощностью передатчика.
Таким образом, устройства UE, которым назначен приоритетный поддиапазон, сталкиваются с меньшими помехами и пользуются большей пропускной способностью. Однако разделение ресурсов снижает эффективность использования ресурсов сетью. Чем более широкая полоса частот назначена в качестве вторичного диапазона, тем меньше ресурса используется с максимальной доступной мощностью. В сетях с макросотами используются различные способы разделения ресурсов. В таких сетях соседи базовой станции априори используют известные адреса и идентификационные коды сот. В зависимости от числа соседей и адресов, полный частотный диапазон разделяется на ортогональные участки, и каждая базовая станция использует один из этих участков в качестве своего приоритетного поддиапазона.
1
10
1
6
1
5
6
2
3
Реализация такого подхода может оказаться сложной в сетях фемтосот, и использовать описанное выше разделение ресурса в таких сетях может быть непростой задачей. На фигуре 3 схематически иллюстрируется, как могут назначаться в сетях фемтосот приоритетные поддиапазоны с использованием разделения ресурса. На фигуре 3(А) схематически показано помещение 104, имеющее несколько комнат 104-104, причем в этих комнатах 104-104 установлены или развернуты абонентом соответствующие точки А-F доступа. Например, на фигуре 3 может быть сначала три точки FAP (точки доступа фемтосоты) А, В и С. В этом случае, может быть использовано разделение ресурса, как показано на фигуре 2. Однако через некоторое время в сеть могут быть введены дополнительные точки FAP, например D, Е и F. Как показано, точки доступа фемтосоты (HeNB) обеспечиваются в соседних комнатах 104-104, в то время как точка F доступа фемтосоты находится в комнате 104, удаленной от остальных точек доступа фемтосоты. Стрелки на фигуре 3(А) показывают возможные пути проникновения помех между соответствующими фемтосотами, и, как можно видеть, предполагается, что сота А может иметь взаимные помехи с сотами В-Е, но не с сотой F. Предполагается, что сота В в комнате 104 будет иметь взаимные помехи с сотами А и С, но не с сотами D-F. Предполагается, что сота С в комнате 104 будет иметь взаимные помехи с сотами А и В, но не с сотами D-F. Соты D и Е будут иметь взаимные помехи только с сотой А, в то время как сота F, как упоминалось выше, удалена от остальных сот, поэтому помехи должны отсутствовать. Использование описанного выше подхода к разделению ресурса дает распределение частотных поддиапазонов, показанное на фигуре 3(С), аналогичное показанному на фигуре 2(А) тем, что три доступных поддиапазона в пределах частотного интервала распределены между сотами А, В и С, но при этом не покрываются соты D, Е и F, как показано знаками вопроса на фигуре 3(В). Таким образом, фигура 3 иллюстрирует необходимость динамического разделения ресурса. Динамическое разделение ресурса может осуществляться как централизовано, так и распределенным способом.
При распределенном подходе, каждая базовая станция определяет ресурсы, используемые этой станцией. Методы распределенного разделения ресурса в макро- и фемто- сетях описаны, например, в работах:
th
Y. -Y. Li, M. Macuha, Е. Sousa, Т. Sato, and M. Nanri, "Когнитивное управление взаимными помехами в 3G фемтосотах", Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2009 IEEE 20 International Symposium on, 13-16 сентября 2009, стр.1118-1122;
J. Ling, D. Chizhik, and R. Valenzuela, "О распределении ресурса в фемтосетях большой плотности", Microwaves, Communications, Antennas and Electronics Systems, 2009, COMCAS 2009, IEEE International Conference on, 9-11 ноября 2009, стр.1-6;
J. Ellenbeck, С.Hartmann, and L. Berlemann, "Децентрализованное согласование взаимных помех между сотами посредством автономных решений повторного использования спектра", Wireless Conference, 2008, EW 2008, 14 European, 22-25 июня 2008, стр.1-7, и
st
С.Lee, J.-H Huang, and L.-C. Wang, "Принципы распределенного выбора каналов для фемтосот с двухуровневыми взаимными помехами", Vehicular Technology Conference (VTC 2010-Spring), 2010 IEEE 71, 16-19 мая 2010, стр.1-5.
В соответствии с этими известными методами каждый узел (H)eNB использует для передачи только заранее установленное число поддиапазонов. Изменение помеховой обстановки не распознается и не влечет за собой никаких действий. Другим недостатком подобных подходов является то, что ресурсы, которые должны использоваться, определяются на основании прослушивания эфира, и между соседними узлами (H)eNB отсутствует координация. Таким образом, согласно распределенному подходу узлы, или частотные точки доступа, определяют ресурс, который они будут использовать, однако используется только заранее определенное количество ресурса на узел или (H)eNB, в результате чего имеет место низкий коэффициент использования поддиапазонов и проблема сходимости.
При централизованном подходе, напротив, имеется центральный контроллер, который принимает информацию о помехах от всех узлов, или (H)eNB, и назначает приоритетные поддиапазоны каждому узлу (H)eNB в соответствии с этой информацией. Поскольку приоритетные диапазоны назначаются централизованно, может быть достигнуто более эффективное использование ресурса. Централизованный подход обеспечивает быструю сходимость и эффективен в сетях с высокой плотностью сот, однако для него требуется центральный контроллер, например (H)eNB-GW (GW=межсетевой интерфейс).
1
2
3
4
5
6
1
3
Наиболее общим подходом, используемым при централизованном назначении ресурса, является так называемая теория графов, где взаимные помехи между сотами изображаются в форме графа (графа интерференции). На фигуре 4 представлен пример подхода для назначения ресурса, использующего теорию графов. На фигуре 4(А) схематически представлено помещение, имеющее шесть комнат 104, 104, 104, 104, 104 и 104. В этом помещении 104 комнаты 104-104 оборудованы узлы (H)eNB A-С. Кружки вокруг узлов А-С показывают радиус их действия. Видно, что эти области перекрываются. Кроме того, в соответствии с централизованным подходом имеется центральный контроллер 106, в который поступает информация о взаимных помехах от соответствующих узлов А-С. Центральный контроллер 106 генерирует граф интерференции, изображенный на фигуре 4(В), в котором влияющие друг на друга соседи определены для примера в соответствии с заранее установленным пороговым параметром (например, SINR=отношение сигнала к смеси помехи с шумом). В графе 108 интерференции узлы А-С соотносятся с соответствующими сотами (на фигуре 4(А) обозначены кругами), а ребра, соединяющие два узла, представляют взаимные помехи между соответствующими сотами. Поскольку соты или радиусы действия узлов А-С пересекаются и налагаются друг на друга, граф 108 интерференции показывает, что каждый узел А-С взаимодействует с соседним узлом.
После генерирования графа интерференции, аналогичного графу интерференции, показанному на фигуре 4(В), в соответствии с ограничениями в графе интерференции производится назначение приоритетных поддиапазонов. Обычно это выполняется путем использования алгоритмов раскраски графа, имеющих небольшую сложность. Назначение ресурса для сетей макросот с использованием алгоритмов раскраски графа описано в работах:
Chang, Z. Tao, J. Zhang, and C.-C. Kuo, "Использование графов для динамического повторного использования частот (FFR) в многосотовых OFDMA сетях ", Communications, 2009, ICC '09, IEEE International Conference on, 14-18 июня, 2009, стр.1-6;
M.C. Necker, "Интегральный алгоритм распределения и управление взаимными помехами в сотовых OFDMA сетях", Broadband Communications, Networks and Systems, 2007, BROADNETS 2007, Fourth International Conference on, 10-14 сентября 2007, стр.559-566; и
"Графоориентированная схема распределенного управления взаимными помехами в сотовых OFDMA сетях". Vehicular Technology Conference, 2008, VTC Spring 2008, IEEE, 11-14 мая 2008, стр.713-718.
th
Граф интерференции строится на основе устройств UE. Поскольку условия возникновения взаимных помех в устройствах UE изменяются более часто, такие графы интерференции должны обновляться более часто, что требует передачи большого объема данных. Кроме того, в статье Chang, Z. Tao, J. Zhang, and C.-C. Kuo, "Использование графов для динамического повторного использования частот (FFR) в многосотовых OFDMA сетях ", Communications, 2009, ICC '09, IEEE International Conference on, 14-18 июня, 2009, стр.1-6 эффективность использования поддиапазонов полной сети не исследована достаточно глубоко. С другой стороны, в статье "Графоориентированная схема распределенного управления взаимными помехами в сотовых OFDMA сетях", Vehicular Technology Conference, 2008, VTC Spring 2008, IEEE, 11-14 мая 2008, стр.713-718, устройства UE окрашены центральным контроллером в один или более цветов, после чего каждая базовая станция назначает обслуживающим ее устройствам UE одно или более разделение ресурса среди назначенных наборов цветов устройств UE так, чтобы увеличить выделяемый ресурс. Помимо алгоритма раскраски графа, в статье D. Lopez Perez, G. de la Roche, A. Valcarce, A. Juttner, and J. Zhang, "Подавление помех и динамическое частотное планирование WiMAX фемтосотовых сетей", Communication Systems, 2008, ICCS 2008, 11 IEEE Singapore International Conference on, 19-21 ноября 2008, стр.1579-1584, центральный объект назначает ресурсы, используя функцию оптимизации для сведения к минимуму взаимных помех в сети в целом. В этом методе количество ресурсов, назначаемых узлам (H)eNB, оценивается в соответствии с потребностями графика каждого узла (H)eNB, вместо условий взаимных помех. Поэтому в условиях высокой интенсивности графика, когда для всех узлов (H)eNB требуется широкая полоса, этот подход не позволяет назначить абоненту соты поддиапазон, свободный от взаимных помех.
Таким образом, описанные выше известные способы назначения поддиапазонов базовым станциям неприменимы к сетям фемтосот, их использование невыгодно, так как в них не используются полностью возможное частотное пространство, которое может быть доступно и необходимо для эффективного назначения приоритетных поддиапазонов в меняющейся среде, каковой является сеть фемтосот. Во всех существующих подходах к решению вопроса назначения приоритетных поддиапазонов, напротив, просто выбирают, в целом случайно, один из какого-то числа возможных поддиапазонов, в результате чего из-за наличия неиспользуемых поддиапазонов наблюдается снижение пропускной способности. Подход, описанный в статье М.С.Necker, "Интегральный алгоритм распределения и управление взаимными помехами в сотовых OFDMA сетях", Broadband Communications, Networks and Systems, 2007, BROADNETS 2007, Fourth International Conference on, 10-14 сентября 2007, стр.559-566, относится к макросотам и неприменим к сетям фемтосот, поскольку каждая базовая станция использует свой ресурс по секторам после того, как поддиапазоны были распределены абонентскому оборудованию. В сетях фемтосот узел HeNB имеет только один сектор, поэтому упомянутый подход в этом случае не улучшает работу, что достижимо в сетях макросот.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа назначения частотных поддиапазонов в сети беспроводной связи, имеющей несколько узлов, в которой по меньшей мере некоторые из узлов создают друг другу помехи.
Эта задача решается с использованием способа по п.1 и контроллера по п.12 формулы изобретения.
В настоящем изобретении предложен способ назначения частотных поддиапазонов нескольким создающим взаимные помехи узлам в сети беспроводной связи, в которой число поддиапазонов, назначенных узлу, зависит от помеховой обстановки данного узла, при этом чем меньше воздействие помех на узел, тем больше поддиапазонов ему назначается.
В настоящем изобретении также предложен контроллер для сети беспроводной связи, включающей несколько узлов. Контроллер включает запоминающее устройство, обеспечивающее прием и хранение перечня соседей для нескольких узлов, и процессор, обеспечивающий назначение частотных поддиапазонов узлам сети беспроводной связи, создающим взаимные помехи, при этом создающие взаимные помехи узлы определяются из перечня соседей, а процессор обеспечивает назначение нескольких поддиапазонов узлу, в зависимости от помеховой обстановки данного узла, и чем меньше воздействие помех на узел, тем больше поддиапазонов ему назначается.
В вариантах осуществления изобретения также предложен компьютерный программный продукт, содержащий программу, включающую команды, хранящиеся в машиночитаемом носителе, команды, выполняемые с использованием способа в соответствии с вариантами осуществления изобретения, при их выполнении посредством компьютера.
В других вариантах осуществления предложена система беспроводной связи, включающая несколько узлов, в которой по меньшей мере часть узлов создают взаимные помехи, и центральный контроллер, в соответствии с вариантами осуществления изобретения.
В предложенном в изобретении способе, в отличие от описанных выше известных подходов, предлагается назначать конкретному узлу как можно больше поддиапазонов, при условии, что ситуация взаимных помех с соседними узлами позволяет использовать дополнительные поддиапазоны. При этом имеется возможность назначить по меньшей мере некоторым из узлов в сети несколько поддиапазонов, увеличивая тем самым эффективность и пропускную способность.
В предложенном в изобретении способе учитывается меняющийся характер среды сети фемтосот и особенно то, что число и расположение соседей может изменяться во время работы так, что предварительное частотное планирование невозможно. Поэтому в предложенном в изобретении способе описывается динамический способ подавления помехи для назначения приоритетных диапазонов, благодаря чему обеспечивается высокая эффективность использования поддиапазонов. В частности, поскольку в сетях фемтосот число соседей меняется в процессе работы фемтосот, приоритетные поддиапазоны, используемые фемтосотами, определяются и динамически обновляются в зависимости от помеховых условий. Кроме этого, помеховая среда каждой фемтосоты отличается от других, что означает, что фемтосота, имеющая меньше соседей, создающих помехи, может использовать больше поддиапазонов в качестве приоритетных поддиапазонов. В результате для повышения эффективности использования ресурса, а значит, общей пропускной способности системы, фемтосоты используют как можно больше приоритетных диапазонов, в зависимости от расположения и числа соседей.
Предложенный в изобретении способ в ситуации, аналогичной показанной на фигуре 3, когда дополнительные узлы входят в сеть, использует метод динамического разделения ресурса, который решает, какой поддиапазон и какому узлу HeNB должен быть назначен. Предложенный в изобретении способ обеспечивает подходящее распределение поддиапазонов среди узлов HeNBs, несмотря на то, что взаимоотношения с соседями среди этих точек доступа фемтосот (FAP) заранее неизвестны.
В вариантах осуществления настоящего изобретения предложен способ распределения ресурсов в сетях фемтосот, и, как было упомянуто выше, задача состоит в увеличении пропускной способности абонентского оборудования, находящегося под воздействием сильных помех. Частотные диапазоны (поддиапазоны) распределяются среди фемтосот так, чтобы соседние фемтосоты не использовали один и тот же поддиапазон, для чего в соответствии с вариантами осуществления разработан новый способ назначения ресурса с использованием метода графов и назначения поддиапазонов, исходя из эффективности.
В соответствии с вариантами осуществления при назначении поддиапазонов узлам, создающим помехи друг другу, для каждого из множества этих узлов выбирают частотный поддиапазон так, чтобы вызвать минимальное снижение использования поддиапазона в сети, определяют, для каждого частотного поддиапазона, один или более создающих помехи узлов, на которые воздействие помехи от одного или более оставшихся частотных поддиапазонов ослаблено или отсутствует, и выбирают один или более из создающих помехи узлов, которые вызывают минимальное снижение в использовании поддиапазона в сети, и назначают соответствующий один или более частотных поддиапазонов выбранным узлам, создающим помехи. Коэффициент использования поддиапазона может быть определен по числу узлов, создающих взаимные помехи с выбранным узлом, которому назначен конкретный поддиапазон. Например, коэффициент использования поддиапазона представляет собой процентное отношение назначенных приоритетных поддиапазонов ко всем доступным поддиапазонам. Например, если в системе имеется 4 поддиапазона и HeNB назначены 2 поддиапазона в качестве приоритетных поддиапазонов, тогда коэффициент использования HeNB становится равным 50%. В соответствии с вариантами осуществления коэффициент использования поддиапазона при назначении конкретного поддиапазона выбранному узлу определяется на основании затрат по назначению поддиапазона сети, в которой затраты определяются на основании группы узлов, каждый узел которой обладает следующими свойствами: (а) узел является соседом выбранного узла, (b) конкретный поддиапазон не назначен узлу, и (с) конкретный поддиапазон не назначен соседу этого узла, при этом снижение в коэффициенте использования поддиапазона минимально, когда минимальны затраты.
В соответствии с вариантами осуществления при выборе частотного поддиапазона для каждого из нескольких узлов, создающих друг другу помехи, могут выбирать для каждого такого узла узел, создающий помехи, имеющий наибольшее число соседних узлов (например, сортировка узлов по степени их насыщения, которая представляет собой число различных поддиапазонов, к которым может быть подсоединен данный узел), определять, для выбранного узла, доступные поддиапазоны, которые могут быть назначены выбранному узлу в качестве приоритетного поддиапазона, выбирают поддиапазон, вызывающий минимальное снижение в коэффициенте использования поддиапазона, в случае, если существует один или более доступных поддиапазонов и если не существует доступного поддиапазона, не выбирают поддиапазона для этого узла. Описанные стадии могут быть повторены заданное число раз, при этом заданное число может быть определено по минимальному числу приоритетных поддиапазонов, которые рассматривались для назначения каждому узлу.
В соответствии с другими вариантами осуществления при определении и выборе узлов, создающих взаимные помехи, и назначении частотных поддиапазонов, могут определять для каждого поддиапазона все имеющиеся узлы, которым может быть назначен поддиапазон в качестве приоритетного поддиапазона, назначать поддиапазон узлу, который вызывает минимальное снижение коэффициента использования, и в случае, если более чем один узел вызывает минимальное снижение коэффициента использования поддиапазона, назначают поддиапазон этим узлам, имеющим минимальное число назначенным им поддиапазонов.
В соответствии с вариантами осуществления узлы, создающие взаимные помехи, представляют точки доступа фемтосоты, сформированные базовыми станциями, развернутыми пользователями, в которых узлы, создающие взаимные помехи, являются соседними узлами, причем сосед данного узла определяется как узел, который создает помеху с мобильного аппарата, обслуживаемого данным узлом, и каждый узел обслуживает один или более мобильных аппаратов.
В соответствии с другими вариантами осуществления беспроводная сеть связи может включать центральный контроллер, который назначает частотные поддиапазоны узлам, создающим взаимные помехи, и в котором имеется перечень соседей для каждой фемтосоты. В этом варианте осуществления, в случае изменения в одном или более перечней соседей, об изменении сообщается в центральный контроллер, и контроллер, в ответ на изменение, производит динамическое переназначение частотных поддиапазонов узлам, создающим взаимные помехи.
В соответствии с другими вариантами осуществления в случае, если в результате назначения частотных поддиапазонов, одному или более узлам, создающим взаимные помехи, не будет назначено поддиапазона, каждому такому узлу, создающему взаимные помехи, назначается поддиапазон, который используется минимальным количеством узлов, соседствующих с узлом, которому не назначен поддиапазон.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления для подавления динамической помехи между фемтосотами описан новый способ распределения ресурса, представляющий собой графоориентированный способ динамического повторного использования частот (GB-DFRM - от англ. graph-based dynamic frequency reuse method). Основной задачей этого способа является динамическое назначение приоритетных поддиапазонов фемтосотам, что может быть использовано для повышения пропускной способности абонентского оборудования на краю соты. В GB-DFRM используется гибкость в числе назначенных поддиапазонов, в зависимости от ситуации с частотами в каждой соте. Когда уровень помех у соты снижается, ей назначается больше поддиапазонов, что приводит к росту эффективности использования ресурса в сети.
min
В соответствии с вариантом осуществления центральный контроллер в GB-DFRM собирает от фемтосот идентификационные коды (ID) соседей, создающих помехи, и наносит эту информацию на граф интерференции. Затем в соответствии с ограничениями графа интерференции он назначает приоритетные поддиапазоны из набора S поддиапазонов с количеством элементов множества, равным |S|=S, соответствующим фемтосотам. Для этого используется модифицированный алгоритм раскраски графа в соответствии с вариантами осуществления изобретения, который учитывает коэффициент использования поддиапазона, с тем, чтобы обеспечить справедливое распределение приоритетных поддиапазонов среди фемтосот, особенно когда набор S поддиапазонов велик, может быть использован расчетный параметр s, представляющий собой минимальное число приоритетных поддиапазонов, которые GB-DFRM пытается назначить каждой фемтосоте.
GB-DFRM может быть использован для подавления взаимных помех в сетях фемтосот, но также может быть применен и для других беспроводных сетей, где управление базовыми станциями выполняется централизовано.
Распространение концепции повторного использования частот соты на гетерогенные сети позволяет повторно использовать частоты, притом, что число поддиапазонов и сценарий помех не известны заранее. В отличие от традиционного подхода к частотному планированию новый способ позволяет не координировать разворачивание соответствующих базовых станций при улучшенном использовании полосы частот, по сравнению с тем, что достижимо известными способами, и с использованием сравнительно скромных вычислительных средств и расходов.
GB-DFRM обладает следующими преимуществами:
- Каждой фемтосоте назначен приоритетный поддиапазон: GB-DFRM назначает каждой фемтосоте приоритетный поддиапазон (-ны), которые не используются или используются с управлением мощностью соседями соответствующей фемтосоты, создающими взаимные помехи.
- Динамическое назначение ресурса: Центральный контроллер обновляет граф интерференции на основании сообщений из фемтосот и переназначает им приоритетные поддиапазоны при изменении помеховой обстановки.
- GB-DFRM учитывает эффективность использования ресурса: Приоритетные поддиапазоны назначаются фемтосотам так, что они могут как можно больше повторно использоваться другими фемтосотами в сети.
min
- Адаптивная полоса частот приоритетного поддиапазона: Если полное число S поддиапазонов в системе увеличивается регулировкой параметра s, минимальная полоса частот, назначаемая фемтосоте, может находиться в заданном интервале.
- Меньшая сложность: Центральный контроллер требует только IDs соседей, создающих взаимные помехи с соответствующей фемтосотой, и на основании этих данных контроллер назначает приоритетные поддиапазоны, используя алгоритмы раскраски графа и поиска, имеющие невысокую сложность и затраты.
Варианты осуществления настоящего изобретения описываются далее со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фигура 1 - схема соты сети, содержащей базовую станцию;
фигура 2 - иллюстрация способа подавления взаимной помехи распределением ресурса, причем на фигуре 2(А) приведен пример с тремя соседними сотами, а на фигуре 2(В) показано, как достигается подавление взаимной помехи распределением ресурса;
фигура 3 - иллюстрация назначения приоритетных поддиапазонов в сети фемтосот методом распределения ресурса, причем на фигуре 3(А) схематически показано помещение с несколькими точками доступа фемтосот, а на фигуре 3(В) показано распределение частотных поддиапазонов методом распределения ресурса;
фигура 4 - иллюстрация назначения ресурса с использованием теории графов, при этом на фигуре 4(А) схематически представлено помещение, а на фигуре 4(В) представлен граф интерференции, генерируемый центральным контроллером;
фигура 5 - сеточная модель сети фемтосот размером 5×5;
фигура 6 - пример графа интерференции и назначения приоритетного поддиапазона после использования алгоритма раскраски графа, при этом на фигуре 6(А) показан граф интерференции, а на фигуре 6(В) показаны раскрашенные узлы;
фигура 7 - иллюстрация ограничения алгоритма раскраски графа при назначении частотных поддиапазонов соответствующим узлам, при этом на фигуре 7(А) представлен пример помещения, аналогичного показанному на фигуре 3(А), а на фигуре 7(В) показаны результаты применения алгоритма раскраски графа;
фигура 8 - пример сети фемтосот с пятью узлами;
фигура 9 - пример предложенного в изобретении способа, где фигура 9(А) иллюстрирует результаты известного, ограниченного способа применения алгоритма раскраски графа, показанного на фигуре 7(В), а на фигуре 9(B) показано назначение поддиапазона после применения предложенного в изобретении способа;
фигура 10 - другой пример предложенного в изобретении способа, где на фигуре 10(А) показан пример сети с пятью узлами, на фигуре 5(В) показана сеть, изображенная на фигуре 10(А), в которой узлу А назначен дополнительный поддиапазон 3, а на фигуре 10(С) показана сеть, изображенная на фигуре 10(А), в которой каждому из узлов В-D также назначен дополнительный поддиапазон 3;
фигура 11 - пример графа интерференции для сети с шестью узлами, где фигура 11(А) показывает граф перед применением алгоритма первой стадии, в соответствии с предложенным способом, фигура 11(В) показывает полученное назначение поддиапазонов после первой итерации алгоритма, а фигура 11(С) показывает полученное назначение поддиапазонов после второй итерации алгоритма;
фигура 12 - графики интегральной функции распределения (CDF - от англ. cumulative distribution function) SINR и пропускной способности;
фигура 13 - график сравнения влияния GB-DFRM на пропускную способность для разного количества поддиапазонов; и
фигура 14 - график сравнения коэффициента использования поддиапазонов для различной плотности фемтосот.
Далее приводится более подробное описание вариантов осуществления изобретения на основе модели, описанной в работе 3GPP. "Исходные положения и параметры моделирования радиочастотных требований к частотному дуплексированию HeNB", 3GPP TSG RAN WG4 R4-092042, май 2009 из www.3gpp.org/ftp/Specs/. В этой публикации рассматривается модель сети фемтосот размером 5×5, основанная на 3 GPP LTE (3-Generation Partnership Project Long Term Evolution - стандарт по совершенствованию технологий CDMA, UMTS для удовлетворения будущих потребностей в скорости передачи данных). Это моделирование высокой плотности HeNB для городских условий. В этой модели используется одноэтажное здание с 25 квартирами, каждая размером 10×10 м. Все фемтосоты сети управляются центральным контроллером, в качестве которого может использоваться шлюз HeNB (HeNB-GW). На фигуре 5 показана сеточная модель 5×5, в которой узлы HeNB обозначены треугольничками, а устройства UE обозначены кружками. В каждой квартире находится максимум одна фемтосота с вероятностью р. Если фемтосота расположена в квартире, предполагается, что она все время активна и обслуживает только одно мобильное устройство, которое также расположено в этой квартире. На фигуре 5 представлен пример развертывания фемтосот и мобильных устройств. Для простоты, предполагается, что между макросотой и фемтосотой отсутствуют взаимные помехи и спектральный интервал сети фемтосот отделен от спектра сети макросот.
s
Частотный диапазон системы разделен на S одинаковых поддиапазонов. В соответствии с настоящим вариантом осуществления каждая фемтосота может использовать один или более поддиапазонов в качестве приоритетных поддиапазонов, в зависимости от ее окружения. Мощность передачи на приоритетный поддиапазон составляет X. Во вторичных поддиапазонах не используется управление мощностью, и мощность этих поддиапазонов установлена равной 0. Таким образом, при этих условиях, поддиапазоны, используемые фемтосотой, эквивалентны назначенным ей приоритетным поддиапазонам. При передаче в нисходящей линии, отношение сигнала к смеси помехи и шума (SINR) в принимаемом сигнале мобильного устройства m (абонентское оборудование UE) от соты f, использующей поддиапазон s, рассчитывается по формуле
<mrow><msubsup><mi>γ</mi><mi>s</mi><mi>m</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>Y</mi><mi>s</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>f</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>∈</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>s</mi></mrow></msub></mrow></munder><mrow><msubsup><mi>Y</mi><mi>s</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>η</mi></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Y</mi><mi>s</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>f</mi></mrow></msubsup></mrow>
m,s
где
представляет мощность принятого сигнала, переданного от соты f к мобильному устройству m, I представляет набор фемтосот, создающих взаимные помехи, которые используют поддиапазон s, а η - тепловой шум.
Величина принимаемой мощности рассчитывается по формуле:
<mrow><msubsup><mi>Y</mi><mi>s</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>f</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>X</mi><mi>s</mi><mi>f</mi></msubsup><msubsup><mi>G</mi><mi>s</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>f</mi></mrow></msubsup><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>s</mi><mi>f</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>s</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>f</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
обозначает мощность сигнала передачи, a
является коэффициентом передачи канала между фемтосотой f и мобильным устройством m, определяемым потерями распространения и затенением.
<mrow><msubsup><mi>γ</mi><mi>s</mi><mi>m</mi></msubsup></mrow>
Для расчета пропускной способности используется затухающая и усеченная форма метода границы Шеннона. Он позволяет получить пропускную способность канала при адаптации линии связи, что означает выбор схемы модуляции и кодирования на основе SINR. При заданном
спектральная эффективность мобильного устройства m на поддиапазоне s в бит/с/Гц вычисляется согласно описанному в 3GPP, "Усовершенствованный универсальный наземный радиодоступ (E-UTRA); сценарии построения радиосистем", 3GPP TR 36.942 V8.2.0, июнь 2010 из www.3gpp.org/ftp/Specs/ следующим образом:
<mrow><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi>C</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>s</mi><mi>m</mi></msubsup><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable columnalign="left"><mtr columnalign="left"><mtd columnalign="left"><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>C</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mtd><mtd columnalign="left"><mrow><mi>f</mi><mi>o</mi><mi>r</mi><mtext> </mtext><msubsup><mi>γ</mi><mi>s</mi><mi>m</mi></msubsup><mo><</mo><msub><mi>γ</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr columnalign="left"><mtd columnalign="left"><mrow><mi>α</mi><msub><mrow><mi>log</mi></mrow><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msubsup><mi>γ</mi><mi>s</mi><mi>m</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd><mtd columnalign="left"><mrow><mi>f</mi><mi>o</mi><mi>r</mi><mtext> </mtext><msub><mi>γ</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo><</mo><msubsup><mi>γ</mi><mi>s</mi><mi>m</mi></msubsup><mo><</mo><msub><mi>γ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr columnalign="left"><mtd columnalign="left"><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>C</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mtd><mtd columnalign="left"><mrow><mi>f</mi><mi>o</mi><mi>r</mi><mtext> </mtext><msubsup><mi>γ</mi><mi>s</mi><mi>m</mi></msubsup><mo>></mo><msub><mi>γ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
min
max
где α - коэффициент затухания, представляющий потери аппаратной реализации, γ и γ представляют минимальное и максимальное значения SNIR, используемые доступными схемами модуляции и кодирования. Значения этих параметров в нисходящем направлении приведены в Таблице 1 (см. 3GPP, "Усовершествованный универсальный наземный радиодоступ (E-UTRA); сценарии построения радиосистем", 3GPP TR 36.942 V8.2.0, июнь 2010 из www.3gpp.org/ftp/Specs/; A. Persson, Т. Ottosson, A. Saul, G. Auer, and M. Aigani, "О межсекторной очередности обслуживания в системах доступа с ортогональным частотным разделением (OFDMA)", FREQUENZ Journal of RF-Engineering and Telecommunications, vol. 61, стр.47-50, январь 2007).
Таблица 1
Параметры моделирования
Параметр
Значение
<maths num="8"><math display="block"><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>C</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>б</mi><mi>и</mi><mi>т</mi><mo>/</mo><mi>с</mi><mo>/</mo><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></math><img file="00000008.tif" he="6" wi="37" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
[бит/с/Гц]
0 (на базе QPSK)
<maths num="9"><math display="block"><mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>C</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>ф</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>б</mi><mi>и</mi><mi>т</mi><mo>/</mo><mi>с</mi><mo>/</mo><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></math><img file="00000009.tif" he="6" wi="37" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
4.4 (на базе 64QAM)
α
0,6
γ<sub>min</sub>
-10 дБ
γ<sub>max</sub>
19,5 дБ
m
m
При заданном наборе поддиапазонов S, выделенных абоненту m, пропускная способность C абонента или мобильного устройства m рассчитывается по формуле
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mrow><mi>s</mi><mo>∈</mo><msub><mi>S</mi><mi>m</mi></msub></mrow></munder><mrow><msub><mi>B</mi><mi>s</mi></msub><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi>C</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>s</mi><mi>m</mi></msubsup></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
s
где B обозначает ширину полосы поддиапазона s.
Сосед данной фемтосоты f определяется как фемтосота, которая создает помеху мобильному устройству, обслуживаемому данной фемтосотой f. Как уже упоминалось, из-за параметров развертывания ее абонента невозможно заранее или априори установить соседа фемтосоты. Поэтому каждая фемтосота определяет соседей в процессе работы.
th
th
m
th
m
th
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>γ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>m</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>γ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>m</mi></msub></mrow>
В GB-DFRM фемтосота назначает другую фемтосоту в качестве своего соседа на основании заранее установленного расчетного параметра, называемого порогом SINR γ. γ представляет минимальное заданное значение SINR, которое может быть в каждом мобильном устройстве в сети. Если величина γ оказывается ниже, чем γ, среди всех фемтосот I, создающих взаимные помехи, фемтосота, создающая максимальные помехи, исключается и
пересчитывается снова. Этот процесс продолжается, пока
не станет больше γ.
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>γ</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>f</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>∈</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>m</mi><mo>−</mo></msubsup></mrow></munder><mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>η</mi></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mo>≥</mo><msub><mi>γ</mi><mrow><mi>t</mi><mi>h</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>m</mi><mo>−</mo></msubsup></mrow>
В (5), нижний индекс для поддиапазона опущен с целью упрощения. В этом выражении,
определено как
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>m</mi><mo>−</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>m</mi><mo>,</mo><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
m,rem
где I представляет набор исключенных фемтосот, создающих помехи. Этот набор соседей становится соседом обслуживающей фемтосоты, другими словами, перечнем соседей фемтосоты f. Аналогичный процесс описан в статьях М.С.Necker, "Интегральный алгоритм распределения и управление взаимными помехами в сотовых OFDMA сетях", в Broadband Communications, Networks and Systems, 2007, BROADNETS 2007, Fourth International Conference on, 10-14 сентября 2007, стр.559-566, и "Графоориентированная схема распределенного управления взаимными помехами в сотовых OFDMA сетях", в Vehicular Technology Conference, 2008, VTC Spring 2008, IEEE, 11-14 мая 2008, стр.713-718, но соседские отношения устанавливаются между мобильными устройствами. Основываясь на данном определении соседней фемтосоты, поддиапазон фемтосоты, не используемый ее соседями (или используемый с управлением мощностью), может быть назван поддиапазоном, свободным от помех.
Далее приводится подробное описание построения графа интерференции. Все фемтосоты сообщают перечень своих соседей в центральный контроллер каждый раз, когда происходит изменение в их перечнях, например появление фемтосоты в их окружении. Центральный процессор строит граф интерференции, основанный на соседских отношениях между соответствующими фемтосотами. Каждый узел в графе интерференции соответствует фемтосоте, которая в дальнейшем описании также называется узлом, а ребро, соединяющее два узла, представляет взаимную помеху между двумя фемтосотами. На фигуре 6 приведен пример графа интерференции и назначения приоритетного поддиапазона после применения алгоритма раскраски, в котором ребра между узлами показывают, что эти фемтосоты не должны использовать один и тот же поддиапазон. На фигуре 6(А) показан граф интерференции, где узлы HeNB и устройства UE обозначены соответственно треугольничками и кружками. На фигуре 6(В) показаны раскрашенные узлы, где каждый цвет соответствует своему поддиапазону (следует заметить, что на чертежах, вместо использования различных цветов, узлы, имеющие одинаковый цвет, обозначены одинаковыми цифрами). Изображение на фигуре 6 представляет собой пример графа интерференции, генерируемого с использованием сеточной модели размером 5×5, показанной на фигуре 5. Для раскраски графа требуется шесть цветов, что соответствует шести поддиапазонам, поэтому на фигуре 6(В) узлам присвоено одно из чисел от 1 до 6.
th
th
На фигуре 6(А) представлен пример графа интерференции, где γ выбран равным 5 дБ. Следует заметить, что соседские отношения могут быть симметричными, т.е. если фемтосота А сообщает о фемтосоте В как о своем соседе, тогда фемтосота А также станет соседом фемтосоты В, независимо от того, сообщит об этом фемтосота В или нет. Увеличение γ приводит к увеличению графа, поскольку этим увеличивается число соседей фемтосоты, а значит, и число ребер графа. При этом достигаются и более высокие значения SINR, но зато происходит снижение коэффициента использования поддиапазонов.
sat
Далее приводится более подробное описание алгоритма раскраски графа. Алгоритм раскраски графа используется для раскраски узлов графа минимальным количеством цветов так, чтобы узлы, соединенные ребром (соседние узлы), не были одного цвета, как это показано на фигуре 6 (В) (как упоминалось выше, вместо использования различных цветов соответствующим узлам присваиваются различные цифры). Известны различные алгоритмы раскраски графов, и из этих известных алгоритмов в вариантах осуществления изобретения используется алгоритм Dsatur, описанный в статье D. Brelaz, "Новые способы раскраски вершин графа", Communications of the ACM, vol. 22, no. 4, стр.251-256, апрель 1979. Этот алгоритм используется, поскольку эффективен при небольшой сложности. Этот алгоритм приведен ниже как "алгоритм 1", в котором степень насыщения Θ узла определяется как полное число различных цветов, с которыми соединен узел.
1: определить пул Р цветов, содержащий только цвет 1
2: repeat
3: среди неокрашенных узлов:
sat
выбрать узел n, имеющий максимальное значение Θ
sat
если имеются узлы с теми же значениями Θ, то среди этих узлов выбрать узел, имеющий максимальное число неокрашенных соседей
4: назначить цвет узлу n:
если существуют доступные цвета в Р, окрасить узел n в один из доступный цветов,
если нет, увеличить размер Р на 1 и окрасить узел n во вновь добавленный цвет
5: until окрашены все узлы
Алгоритм 1: Алгоритм Dsatur
Аналогичным путем может быть выполнено назначение приоритетных поддиапазонов на основе графа интерференции, где две фемтосоты, соединенные ребрами, не должны использовать один и тот же поддиапазон в качестве приоритетного поддиапазона. В этом случае S обозначает пул цветов, a ©sat становится полным числом различных поддиапазонов, назначенных соседям фемтосоты. На фигуре 6(В) показано, каким образом раскрашиваются узлы после применения алгоритма Dsatur. Шесть поддиапазонов или цветов требуется для того, чтобы разрешить все конфликты в данном графе интерференции. S представляет собой заранее определенный параметр планирования сети. При этом этот алгоритм работает нужным образом, если S больше или равно требуемому числу цветов Р, которое равно числу элементов множества Р. В противном случае, S не будет достаточным для назначения свободных от помех поддиапазонов всем фемтосотам. В этом случае, фемтосоте, чей цветовой идентификационный код превышает S, будет назначен поддиапазон, который также используется ее соседом.
Фигура 7 иллюстрирует ограничения описанного выше способа раскраски графа для назначения частотных поддиапазонов соответствующим узлам. На фигуре 7(А) представлен пример помещения 104, аналогичного показанному на фигуре 3(А). Предполагается, как и в случае, показанном на фигуре 3(А), что узел А создает взаимные помехи с узлами В-Е, узел В создает взаимные помехи с узлом А и С, узел С создает взаимные помехи с узлами А и В, узел D создает взаимные помехи с узлом А, а узел Е - с узлом А. Узел F не создает взаимных помех с другими узлами. Описанные выше результаты использования метода раскраски графа, известные в уровне техники, представлены на фигуре 7(В) и показывают граф интерференции, в котором узел А соединен с каждым из узлов В-Е посредством ребра, указывающего на соответствующее создание взаимных помех между этими узлами. Соответствующие ребра между узлами представляют взаимные помехи между соседними узлами, и, кроме того, показано, какой частотный диапазон, из трех доступных частотных диапазонов, назначен соответствующим узлам A-F. Видно, что каждый узел связан, таким образом, только с одним поддиапазоном. Узлу А назначен первый поддиапазон 1, и для того, чтобы избежать взаимных помех с окружающими сотами В-Е, используется поддиапазон, отличный от первого поддиапазона 1. Далее, узлы В и С являются узлами, создающими взаимные помехи, поэтому эти два узла также не используют один и тот же поддиапазон, при этом, как показано, узлу В назначен третий поддиапазон 3, а узлу С назначен второй поддиапазон 2. Узлы D и F не создают помех друг другу, но создают взаимные помехи с узлом А, поэтому каждому из этих узлов может быть назначен один из поддиапазонов 2 и 3, что в соответствии с описанным выше методом раскрашивания графа выполняется произвольно. Аналогично, поскольку узел F не создает взаимных помех ни с одним из других узлов, наугад выбирается один из трех поддиапазонов 1-3, и на фигуре 7(В) показано, что выбран поддиапазон 1.
1
4
Таким образом, недостатком алгоритма раскрашивания является неэффективное использование ресурсов. При использовании этого алгоритма, каждой фемтосоте назначается только один приоритетный поддиапазон, как показано на фигуре 7(В). Если предположить, что по вторичным поддиапазонам данные не передаются, каждая фемтосота использует только одну 1/S часть частотного диапазона, вне зависимости от имеющегося у нее количества соседей. (См., например, узел F или узлы D и Е на фигуре 7(В)). Для повышения коэффициента использования ресурсов необходимо проявлять гибкость в числе назначенных поддиапазонов. Например, согласно фигуре б(В), некоторые из фемтосот имеют трех соседей, с которыми создаются взаимные помехи, и этим фемтосотам возможно назначить / частотного диапазона в качестве приоритетного диапазона. Кроме того, увеличение S для гарантии того, что все фемтосоты используют свободный от взаимных помех поддиапазон, приводит к дальнейшему снижению коэффициента использования полосы частот в каждой фемтосоте. Кроме того, для ситуаций, где S>P, некоторые поддиапазоны оказываются неиспользуемыми. Поскольку S определено заранее, S невозможно обновить в зависимости от ситуации взаимных помех и величины Р, которые изменяются. Таким образом, работа алгоритма раскраски графа очень сильно зависит от величины S. В способе согласно вариантам осуществления изобретения эта проблема решается модификацией алгоритма раскраски графа для повышения эффективности и гибкости использования поддиапазона.
В соответствии с вариантами осуществления графоориентированный способ динамического повторного использования частот (GB-DFRM) назначает фемтосотам приоритетные поддиапазоны в три этапа. Он определяет оптимальное решение, приводящее к высокой эффективности использования ресурса соблюдением ограничений графа интерференции. Это достигается путем использования функции затрат, которая показывает полное снижение коэффициента использования поддиапазона в сети. Перед подробным объяснением каждого этапа GB-DFRM приводится подробное описание функции затрат и ее использования для достижения оптимального решения.
Как было упомянуто выше, поддиапазон s может быть назначен фемтосоте f в качестве приоритетного поддиапазона, если s не был назначен соседям фемтосоты f. Когда поддиапазон s назначен фемтосоте f, затраты этого назначения поддиапазона определяются как
<mrow><mi>c</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>s</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
f,s
f,s
f,s
где N, с числом элементов множества |N|=N, представляет набор фемтосот, члены которого (фемтосоты) обладают следующими свойствами:
- она должна быть соседом фемтосоты f,
- s не был ей назначен, и
- s не был назначен ни одному из ее соседей.
f,s
f,s
В соответствии с данным свойством члены N представляют собой фемтосоты, которым может быть назначен поддиапазон s в качестве приоритетного поддиапазона, на основе ограничений графа интерференции. Если поддиапазон s назначен фемтосоте f, он не может быть далее назначен этим фемтосотам, что снижает коэффициент использования поддиапазона s в сети набором N фемтосот. Поскольку функция затрат означает снижение коэффициента использования поддиапазона, оптимальная комбинация фемтосоты f и поддиапазона s должна быть той, где снижены затраты, как показывает уравнение (7).
av
В GB-DFRM функция затрат используется в двух случаях. В первом случае, задача состоит в отыскании поддиапазона s среди набора поддиапазонов S, который может быть назначен фемтосоте f в качестве приоритетного поддиапазона. Оптимальное решение находят путем выбора поддиапазона, вызывающего минимальное снижение коэффициента использования поддиапазона в сети, с использованием выражения
<mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><munder><mrow><mi>arg</mi></mrow><mrow><mi>s</mi><mo>∈</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>a</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow></munder><mtext> </mtext><mi>min</mi><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>c</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>s</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
av
Во втором случае, требуется выбрать фемтосоту f среди набора доступных фемтосот F, которой может быть назначен поддиапазон s в качестве приоритетного поддиапазона. В этом случае, оптимальной фемтосотой будет та, которая создает минимальное снижение коэффициента использования поддиапазона в сети, когда назначен поддиапазон s:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><munder><mrow><mi>arg</mi></mrow><mrow><mi>s</mi><mo>∈</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>a</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow></munder><mtext> </mtext><mi>min</mi><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>c</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>s</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Фигура 8 иллюстрирует функцию затрат на базе сети фемтосот с пятью узлами. Как показано на фигуре 8, сеть фемтосот имеет пять сот А - Е, из которых каждый узел В - Е создает взаимные помехи только с узлом А. Между узлами В и С, узлами С и D, узлами D и Е и узлами Е и В взаимные помехи отсутствуют. Функция затрат, как упоминалось ранее, показывает снижение коэффициента использования поддиапазона в сети, когда данный поддиапазон s назначен одному из узлов (HeNB) f. При построении фигуры 8 использовалось предположение, что частотный диапазон может быть разделен на три поддиапазона 1, 2 и 3. Для узла А и поддиапазона 3, функция затрат с(А, 3)=4, поскольку при назначении третьего поддиапазона 3 узлу А, всем остальным поддиапазонам В-Е поддиапазон 3 назначен быть не может из-за того, что они являются соседними узлами (узлами, создающими взаимные помехи) по отношению к узлу А, и поэтому для этих четырех узлов данный поддиапазон использован быть не может, на что и указывают затраты, равные четырем. С другой стороны, для узлов В, С, D и Е, каждый из которых создает взаимные помехи только с узлом А, назначение третьего поддиапазона 3 соответствующему узлу даст функцию затрат с(В, 3)=1, так как только один узел в сети, а именно узел А, не может теперь использовать этот поддиапазон. В примере, показанном на фигуре 8, затраты для назначения поддиапазона 3 узлам В, С, D и Е одинаковы, а затраты назначения третьего поддиапазона узлу А равны четырем, то есть больше затрат для назначения поддиапазона другим узлам.
min
Как упоминалось выше, в соответствии с вариантами осуществления изобретения графоориентированный способ динамического повторного использования частот включает два этапа. На первом этапе выполняется циклический обход сети сот и выбор поддиапазона для данной соты, который минимально снижает коэффициент использования поддиапазона в сети, на основе описанной выше функции затрат. В результате циклического обхода сот назначается требуемое число приоритетных поддиапазонов сотам, особенно, когда число поддиапазонов велико, с учетом ограничений на минимальное число поддиапазонов s для каждой соты. На втором этапе выполняется циклический обход поддиапазонов для определения сот, в меньшей степени подверженных влиянию помех, для назначения им большего числа поддиапазонов, и выбор соты, вызывающей минимальное снижение коэффициента использования поддиапазона в сети. В соответствии с вариантом осуществления изобретения этим обеспечивается динамический подход, учитывающий изменяющуюся помеховую обстановку, отличающийся гибкостью в отношении числа назначаемых поддиапазонов и позволяющий достичь высокого разрешения коэффициента использования при невысокой сложности и затратах.
На фигуре 9 приведен пример использования предложенного в изобретении способа циклического обхода сот и поддиапазонов для назначения большего числа поддиапазонов. На фигуре 9(А) иллюстрируется результат использования ограниченной раскраски графа, приведенной на фигуре 7(В). Каждому из узлов A-F назначен только один единственный поддиапазон. Однако использование предложенного в изобретении способа приводит к назначению поддиапазонов, показанному на фигуре 9(В). В соответствии с предложенным в изобретении способом получается, что узлы А-С не допускают назначения дополнительных поддиапазонов из-за взаимных помех между этими тремя узлами. В соответствии с предложенным в изобретении способом узлам D и Е может быть назначен дополнительный поддиапазон, в частности узлу D может быть назначен в дополнение к исходному поддиапазону 3 также и поддиапазон 2, не используемый узлом А. Поскольку между узлами D и С отсутствует взаимная помеха, такое назначение возможно. Аналогично, узлу Е дополнительно назначается поддиапазон 3, также не используемый узлом А, и это дополнительное назначение третьего поддиапазона 3 возможно, поскольку отсутствует взаимная помеха между узлом Е и узлом D, а также между узлом Е и узлом В. Кроме того, видно, что узел F не имеет взаимных помех с любым другим узлом. Ему назначаются все три поддиапазона 1-3.
На фигуре 10 приведен другой пример использования предложенного в изобретении подхода, согласно которому определяются подходящие пары "поддиапазон - сота" для повышения коэффициента использования поддиапазона, при этом поддиапазоны назначаются сотам с привлечением описанной выше функции затрат, показывающей снижение коэффициента использования поддиапазона, когда данный поддиапазон s назначен соте.
На фигуре 10(А) представлен пример сети, имеющей пять узлов или фемтосот А-Е, по аналогии с сетью, используемой для описания функции затрат применительно к фигуре 8. Здесь также имеются три поддиапазона 1-3 частотного диапазона, которые должны быть распределены между соответствующими узлами. На фигуре 10(А) представлены результаты применения обычного алгоритма раскраски, согласно которому каждому узлу назначен единственный поддиапазон. Как показано на фигуре 10(А), узлу А назначен поддиапазон 2, а всем остальным узлам назначен поддиапазон 1. Здесь также только узел А создает взаимные помехи с каждым другим узлом, в то время как узлы В, С, D и Е взаимных помех друг другу не создают. На фигуре 10(А) каждый из пяти узлов использует один поддиапазон, в результате чего используются пять из доступных поддиапазонов, то есть коэффициент использования поддиапазонов составляет 5/15. В соответствии с предложенным в изобретении подходом определены пары "поддиапазон-сота" для повышения коэффициента использования поддиапазонов. На фигуре 10(В) показано, что узлу А дополнительно назначен также поддиапазон 3. Однако из-за того, что узел А создает взаимные помехи со всеми остальными узлами В-Е, это препятствует использованию третьего поддиапазона 3 в узлах В-Е, в результате чего из 15 поддиапазонов в сценарии, показанном на фигуре 10(В), используются только шесть поддиапазонов, и коэффициент использования поддиапазонов равен 6/15. Вместо назначения дополнительного поддиапазона узлу А, другим вариантом может быть назначение дополнительных поддиапазонов узлам В-Е так, как это показано на фигуре 10(С). Видно, что каждому из узлов В-Е назначен дополнительный поддиапазон 3, который также не используется узлом А, которому, с другой стороны, не назначен дополнительный поддиапазон. Видно, что в показанном на фигуре 10(С) варианте используется девять из пятнадцати поддиапазонов, т.е. коэффициент использования поддиапазонов равен 9/15, что является максимально возможным значением коэффициента использования поддиапазонов в ситуации, показанной на фигуре 10.
Начиная с фигуры 10(А), на основе функции затрат, определяют, нужно ли назначить дополнительный поддиапазон узлу А или одному из узлов В-Е. Если смотреть на фигуру 10(В), видно, что функция затрат при назначении дополнительного поддиапазона узлу А имеет величину, равную 4, потому что назначение поддиапазона 3 узлу А запрещает его использование во всех оставшихся узлах В-Е, поэтому при назначении поддиапазонов в соответствии с фигурой 10(В) получается большое снижение коэффициента использования поддиапазонов. Напротив, если рассматривать фигуру 10(С), назначение третьего поддиапазона 3 каждому из узлов В-Е дает функцию затрат для каждого узла, равную единице, поскольку только узлу А не может быть в этом случае назначен дополнительный поддиапазон 3. Поэтому, при использовании функции затрат в соответствии с предложенным в изобретении подходом, способ автоматически выберет конфигурацию согласно фигуре 10(С), поскольку снижение коэффициента использования поддиапазонов в сети оказывается минимальным благодаря тому, что функция затрат, в свою очередь, обеспечивает наивысший коэффициент использования поддиапазонов, равный 9/15, на фигуре 10(С).
Описанные стадии рассмотрены ниже более подробно.
min
min
th
min
Стадия 1: На этой стадии поддиапазоны назначаются фемтосотам так же, как и в приведенном выше алгоритме раскраски графа. Однако, для усовершенствования процедуры, алгоритм модифицируется. Первая модификация касается процесса выбора поддиапазонов. В обычных алгоритмах раскраски, если имеется более одного доступного поддиапазона, который может быть назначен данной фемтосоте, между этими поддиапазонами производится случайный выбор. Однако в соответствии с вариантами осуществления изобретения наиболее оптимальный поддиапазон, вызывающий минимальное снижение коэффициента использования поддиапазонов в сети, выбирается на основании уравнения 8. При этом в сети может быть использовано больше поддиапазонов. Во-вторых, в отличие от известного алгоритма раскраски графа соты циклически обходятся s раз. В каждом цикле, каждой соте назначается только один поддиапазон. Если алгоритм не может найти доступного поддиапазона для данной фемтосоты, он пропускает эту фемтосоту, не назначая ей никакого поддиапазона. При этом каждой фемтосоте назначается s поддиапазонов, при условии разумного выбора S и γ. Смысл введения s состоит в применении минимальной приоритетной полосы частот, назначенной фемтосоте, особенно, когда устанавливаются большие значения S. Псевдокод алгоритма, используемого на этой стадии, приведен ниже:
1: определить пул поддиапазонов, S как [1, 2,…,S]
min
2: for i=1:s do
3: пометить все фемтосоты как невыбранные
4: repeat
sat
5: рассортировать невыбранные фемтосоты путем снижения порядка Θ:
sat
Выбрать фемтосоту f, имеющую максимальное значение Θ
sat
если имеются фемтосоты с одинаковыми значениями Θ,
тогда среди этих фемтосот выбрать фемтосоту, имеющую максимальное число невыбранных соседей
Пометить выбранную фемтосоту как выбранную
av
6: для выбранной f, найти доступный поддиапазон (-ы) S⊆S,
который может быть назначен f в качестве приоритетного поддиапазона:
av
av
Если |S|≥1, среди S, назначить поддиапазон s, удовлетворяющий (8)
av
Если |S|=0, оставить фемтосоту без назначения ей какого-либо поддиапазона
7: until все фемтосоты помечены как выбранные
8: end for
Алгоритм 2: Стадия 1 алгоритма GB-DFRM
sat
В алгоритме 2 степень насыщения узла (Θ) означает полное число разных поддиапазонов, к которым подключен узел. Например, когда рассматривается сеть, представленная ее графом интерференции, как показано на фигуре 11 (А), предполагается, что узел А имеет четырех соседей: В, С, D и Е. Кроме того, предполагается, что узлу В назначен поддиапазон 1, узлу С назначены поддиапазоны 1 и 3, узлу D назначен поддиапазон 3, а узлу Е назначен поддиапазон 4. Таким образом, соседям узла А назначены три различных поддиапазона, а именно 1, 3 и 4. Это означает степень насыщения узла А, равную 3.
Операции, указанные строками 4-7 приведенного выше алгоритма, аналогичны операциям алгоритма раскраски графа, хотя и включают усовершенствования. Выполнение операций алгоритма между строками 4-7 (оператор цикла) обеспечивает однократный выбор каждого узла и назначение ему поддиапазона.
го
ом
Поэтому, в начале каждого i цикла оператора цикла, соответствующего строке 3, все узлы помечаются как невыбранные. Затем алгоритм повторяет операции, указанные строками 4-7, до тех пор, пока все узлы не будут выбраны один раз. В соответствии с обычным алгоритмом раскраски графа установлено, что если степень насыщения узлов одинакова, тогда среди этих узлов следует выбрать тот, что имеет максимальное число неокрашенных соседей. В данном случае ситуация аналогичная, однако из-за того, что узлы окрашены более одного раза, и из-за того, что могут быть узлы, которые выбраны, но которым не назначен поддиапазон, узлы помечаются как выбранные или невыбранные на i цикле, вместо того, чтобы говорить "цветной" или "не цветной". Это будет объяснено с использованием фигуры 11.
min
Предполагается, что система имеет 6 поддиапазонов S={1, 2, 3, 4, 5, 6} и s=2, что означает необходимость для каждого узла иметь по меньшей мере два приоритетных поддиапазона. Система или сеть представлена своим графом интерференции, показанным на фигуре 11 (А).
- В соответствии с алгоритмом вначале i=1, и все узлы от А до F помечаются как невыбранные (строка 3 в данном алгоритме).
ой
- Теперь необходимо рассортировать эти узлы (строка 5). Понятно, что степень насыщения всех узлов равна 0. Поэтому выбирается тот узел, который имеет максимальное число соседей, которые еще не выбраны в этом 1 цикле оператора цикла. Другими словами, выбирается тот узел, который имеет максимальное число невыбранных соседей.
Невыбранный узел
Степень насыщения
Число невыбранных соседей
А
0
4(B, C, D, E)
В
0
2 (A, C)
С
0
2 (A, B)
D
0
1(A)
Е
0
1(A)
F
0
0
В соответствии с приведенными в таблице значениями алгоритм выбирает узел А, поскольку у него имеется максимальное число невыбранных соседей (В, С, D и Е), и помечает их как выбранные. Затем алгоритм назначает поддиапазон 1 узлу А (строка 6).
- После назначения поддиапазона узлу А, будет 5 узлов, которые не выбраны в первом цикле оператора цикла. Другими словами, имеется 5 невыбранных узлов В, С, D, Е и F. Таким путем, гарантируется, что все узлы будут выбраны только один раз. Если провести перерасчет всех атрибутов этих узлов, можно получить:
Невыбранный узел
Степень насыщения
Число невыбранных соседей
В
1
1(С)
С
1
1(В)
D
1
0
Е
1
0
F
0
0
Поскольку узлу А назначен поддиапазон, его соседи В, С, D и Е имеют степень насыщения, равную 1. Кроме того, поскольку узел А выбран, узел В имеет только одного невыбранного соседа, а именно узел С. Аналогично, узел С имеет только одного соседа, который не выбран, а именно узел В. В соответствии с величинами, приведенными выше, алгоритм выбирает узел В (строка 5) и помечает как выбранный. Далее поддиапазон 2 назначается узлу В (строка 6).
- Далее, следует возвращение на строку 5 алгоритма. Поскольку А и В выбраны, алгоритм выбирает узел среди С, D, Е и F. Если пересчитать атрибуты этих узлов, можно получить:
Невыбранный узел
Степень насыщения
Число невыбранных соседей
С
2
0
D
1
0
Е
1
0
F
0
0
Поскольку соседям узла С, то есть узлам А и В, были назначены два поддиапазона (1 и 2), степень насыщения узла С становится равной 2. Поскольку узел С имеет максимальную степень насыщения, алгоритм выбирает узел С, помечает его как невыбранный и назначает поддиапазон.
го
- Далее, снова на строке 5, делается выбор между D, Е и F, и этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут выбраны один раз все узлы и не будет получено назначение поддиапазонов, как показано на фигуре 11 (В) (показано назначение поддиапазонов в конце 1 цикла оператора цикла).
Далее алгоритм начинает второй цикл оператора цикла (строка 2). Как упоминалось выше, в этом цикле должны быть выбраны все узлы, поэтому все узлы помечаются как невыбранные (строка 3).
- Теперь выполняется строка 5 алгоритма. Невыбранные узлы имеют следующие атрибуты:
Невыбранный узел
Степень насыщения
Число невыбранных соседей
А
2
4 (B, C, D, E)
В
2
2 (A, C)
С
2
2 (A, B)
D
1
1(A)
Е
1
1(A)
F
0
0
Поскольку соседи узла А используют поддиапазоны 2 и 3 (узлам В и С назначены поддиапазоны 2 и 3 соответственно), степень насыщения А равна 2. Аналогично, соседям узла В назначены поддиапазоны 1 и 3, поэтому расчет степени насыщения узла В также дает 2, и так далее. Поскольку А, В и С имеют максимальные степени насыщения, проверяется число их невыбранных соседей. Соответственно этому, алгоритм выбирает А и помечает его как выбранный, и алгоритм назначает поддиапазон 4 узлу А (строка 6).
- Теперь выполняется строка 5 алгоритма. В этом случае, он рассортировывает невыбранные узлы В, С, D, Е и F.
Невыбранный узел
Степень насыщения
Число невыбранных соседей
В
3
1(С)
С
3
1(В)
D
2
0
Е
2
0
F
0
0
Поскольку соседям узла В назначены поддиапазоны 1, 3 и 4, его степень насыщения становится равной 3 и степени насыщения других узлов вычисляются аналогичным образом. Затем выбирается узел В, который помечается как выбранный (строка 5), и назначается поддиапазон 5 (строка 6).
го
- Это продолжается до тех пор, пока все узлы не будут выбраны один раз. В конце второго цикла оператора цикла будет получено назначение поддиапазонов, показанное на фигуре 11(С) (показано назначение поддиапазонов в конце 2 цикла оператора цикла).
На фигуре 11(С) показано назначение приоритетных поддиапазонов после выполнения стадии 1 предложенного в изобретении способа. В описываемой далее стадии 2, алгоритм циклически обходит каждый поддиапазон и пытается назначить больше поддиапазонов при наличии такой возможности.
min
Вторая стадия: После назначения s поддиапазонов фемтосотам на второй стадии предложенный в изобретении способ пытается найти еще поддиапазоны для назначения фемтосотам. С этой целью алгоритм на этой стадии выполняет циклический обход всех поддиапазонов. Для каждого поддиапазона алгоритм выполняет поиск доступной фемтосоты, которой может быть назначен выбранный поддиапазон в качестве приоритетного поддиапазона. Затем среди этих доступных фемтосот с использованием уравнения (9) выбирается та, которая вызывает минимальное снижение коэффициента использования поддиапазона. Таким путем один и тот же поддиапазон может быть назначен большему числу фемтосот. Ниже приведен псевдокод этого алгоритма:
1: fors=1:S do
2: repeat
av
3: найти доступные фемтосоты F, которым может быть назначен поддиапазон s в качестве приоритетного поддиапазона
av
4: среди F
назначить поддиапазон s фемтосоте f, удовлетворяющей (9), если более одной фемтосоты удовлетворяют (9), то назначить поддиапазон s той, которая имеет минимальное число уже назначенных поддиапазонов
av
5: until |F|=0
6: end for
Алгоритм 3. Стадия 2 алгоритма GB-DFRM
min
min
Используемый в этой стадии алгоритм всегда находит оптимальную фемтосоту для данного поддиапазона, и не существует ограничений в отношении выбора фемтосоты. Существует возможность, что в этой стадии фемтосоте не будет назначен ни один поддиапазон, если у нее есть много соседей в графе интерференции. С другой стороны, поддиапазоны в основном назначаются фемтосотам, меньше подверженным воздействию помех, поскольку при этом меньше снижается коэффициент использования поддиапазона. Поэтому коэффициент использования поддиапазона в сети будет увеличиваться, если снижается s. Однако тем самым становится менее справедливым назначение приоритетных диапазонов среди фемтосот. В этом случае назначается большое число частотных диапазонов в качестве приоритетного диапазона фемтосоте, имеющей меньше соседей, в то время как остальным фемтосотам при этом назначается только малая часть частотного диапазона. В результате s должно быть установлено зависящим от S и условий в сети.
Например, в случае, представленном на фигуре 11(С), во второй стадии могут быть назначены добавочные поддиапазоны соответствующим узлам, с использованием приведенного выше алгоритма. Например, алгоритм может назначить дополнительные поддиапазоны 5 и 6 каждому из узлов D и Е, поскольку между узлами D и Е отсутствуют взаимные помехи, и нет взаимных помех с другими узлами (В и С), которым назначены поддиапазоны 5 и 6. Кроме того, поскольку у узла F нет взаимных помех ни с одним из других узлов, ему могут быть назначены вдобавок к поддиапазонам 1 и 2 также и поддиапазоны 3, 4, 5 и 6.
Третья стадия: В дополнительной, третьей стадии в данной сети могут находиться фемтосоты, имеющие большое число соседей, создающих взаимные помехи, и описанные выше алгоритмы могут оказаться непригодными для назначения такой фемтосоте приоритетных поддиапазонов, свободных от помех, если все поддиапазоны уже назначены ее соседям. Поэтому на этой стадии в соответствии с вариантом осуществления изобретения способ выполняет поиск фемтосот, которым не были назначены поддиапазоны на первой и второй стадиях. Алгоритм назначает этим фемтосотам поддиапазон, который используется минимальным числом их соседей с тем, чтобы свести к минимуму число создающих взаимные помехи соседей, использующих этот поддиапазон. При разумном выборе S всем фемтосотам может быть назначен по меньшей мере один приоритетный поддиапазон, свободный от взаимных помех. Если во вторичных поддиапазонах используется управление мощностью, эта стадия может быть опущена.
Далее приводятся результаты моделирования, проведенного авторами изобретения, демонстрирующие преимущества предложенного в изобретении способа динамического назначения поддиапазонов описанным выше способом. Используемые в моделировании параметры взяты из 3GPP. "Исходные положения и параметры моделирования радиочастотных требований к частотному дуплексированию HeNB", 3GPP TSG RAN WG4 R4-092042, май 2009; "Усовершествованный всемирный наземный радиодоступ (Е-UTRA); сценарии построения радиосистем", 3GPP TR 36.942 V8.2.0, июнь 2010 из www.3gpp.org/ftp/Specs; и 3GPP, "Модели канала для фемтосоты", 3GPP TSG RANI WG1 #59bis R1-100560, январь 2010 из www.3gpp.org/ftp/Specs и показаны в Таблице 2.
Таблица 2
Параметры моделирования
Параметр
Значение
Полоса частот системы
10 МГц
Модель организации графика
Полная буферизация
Минимальное расстояние между UE и HeNB
20 см
Коэффициент усиления антенны HeNB
0 dBi
Диаграмма направленности антенны (горизонтальная плоскость)
А(θ)=0 дБ (ненаправленная)
Потери распространения
L=127+30log<sub>10</sub>d, где d расстояние между UE и HeNB в км
Модель фединга
Быстрый фединг отсутствует
Логонормальное стандартное отклонение затенения
10 дБ
Параметр автокорреляции затенения
3 м
Максимальная мощность передачи HeNB
20 дБм
Спектральная плотность мощности теплового шума
N<sub>0</sub>=-174 дБм/Гц
th
В моделировании предполагалось, что все узлы HeNB и устройства UE случайно распределены по зданию. Моделирование проводилось для 1000 вариантов распределения, и для каждого варианта рассчитывались и регистрировались требуемые данные. При построении графа интерференции, γ, всегда устанавливался равным 5 дБ. Как было указано ранее, фемтосоты для передачи используют только приоритетные поддиапазоны и не используют вторичные поддиапазоны. Было исследовано три различных варианта:
(1) все фемтосоты используют все доступные поддиапазоны (повторное использование -1)
(2) фемтосотам назначен один приоритетный подканал, основанный на обычном алгоритме раскраски графа
(3) приоритетные поддиапазоны назначаются фемтосотам с использованием предложенного в изобретении GB-DFRM.
min
th
На фигуре 12 представлена интегральная функция распределения (CDF - от англ. cumulative distribution function) SINR и пропускной способности для трех вариантов. В наихудшем сценарии предполагается, что все квартиры (см. фигуру 5) имеют одну активную фемтосоту. В способах распределения ресурса используются различные количества поддиапазонов, а именно S=4 и S=6, и для GB-DFRM s устанавливается равным 1. Согласно фигуре 12(А), когда фемтосоты используют все частотные диапазоны, только в 30% устройств UE SINR оказывается выше заранее установленного SINR порога, γ=5 дБ. Такое распределение SINR показывает необходимость использования подавления помех. Без подавления взаимных помех требуемое качество обслуживания для мобильных устройств на краю сот достигнуто быть не может. Распределение ресурса дает значительный эффект. При S=4 почти 90% устройств UE имели SINR выше 5 дБ. При увеличении S значения SINR вырастают, для S=6 почти все устройств UE имеют SINR более 5 дБ. Это происходит благодаря тому, что в данной сети четырех поддиапазонов недостаточно для разрешения всех конфликтов в графе интерференции, поэтому некоторым фемтосотам назначен приоритетный поддиапазон, также используемый ее соседями. Однако при S=6 каждой фемтосоте назначен по меньшей мере один свободный от взаимных помех приоритетный канал в соответствии с предложенным в изобретении способом.
min
4
min
1
На фигуре 12(В) приведена пропускная способность для трех вариантов. Поскольку каждая фемтосота обслуживает одного абонента, пропускная способность абонента также показывает и пропускную способность фемтосоты. Интервалы на кривых выбраны согласно ограничениям, устанавливаемым методом границы Шеннона, используемого для расчета пропускной способности. В соответствии с фигурой 12(В) применение предложенного в изобретении способа распределения ресурса позволяет улучшить рабочие характеристики при малых пропускных способностях. Поскольку устройства UE на краях сот подвержены большим взаимным помехам, назначение меньшего числа поддиапазонов, но не имеющих взаимных помех, обеспечивает получение большей пропускной способности. С другой стороны, для устройств UE, менее подверженных воздействию взаимных помех, увеличение SINR не может скомпенсировать снижения величины ресурса, поэтому происходит падение пропускной способности. Так, для S=6 при пропускной способности более 5 Мбит/с (для S=4 примерно 3,7 Мбит/с) способ повторного использования -1 дает лучшие результаты, чем способ распределения ресурса. Положительный эффект предложенного в изобретении GB-DFRM в этом месте легко заметен. Чем больше поддиапазонов назначено фемтосотам, мало подверженным взаимным помехам, тем лучше работает GB-DFRM при высоких пропускных способностях, если сравнивать с алгоритмом раскраски графа. Кроме этого, увеличение S без изменения s улучшает работу в областях низких и высоких значений пропускной способности, но вызывает ухудшение при средних. Этот эффект понятен, поскольку при увеличении S увеличивается вероятность назначения поддиапазона, свободного от взаимных помех, фемтосоте, подверженной сильным взаимным помехам. Этот эффект сдвигает вправо нижнюю часть кривой пропускной способности, однако при изменении S от 4 до 6 некоторым из фемтосот назначается 1/6 часть частотного диапазона, вместо / части, в результате чего их пропускная способность падает. Этот эффект заметен в средней части кривой. Остальным фемтосотам, подверженным этой помехе, назначается больше поддиапазонов, поскольку предложенный в изобретении способ пытается повысить эффективность использования поддиапазонов путем назначения большего числа поддиапазонов этим фемтосотам во время второй стадии, после назначения поддиапазона s=1 каждой из фемтосот в первой стадии. Поэтому пропускные способности этих мобильных устройств возрастают еще больше. С другой стороны, увеличение S в классическом алгоритме раскраски графа ухудшает работу в области высокой пропускной способности, поскольку этот алгоритм назначает только один поддиапазон каждой фемтосоте, вне зависимости от помеховой обстановки.
min
min
min
На фигуре 13 проводится сравнение работы GB-DFRM в части пропускной способности для различного числа S поддиапазонов, а именно 6, 12 и 24. Значение s устанавливается соответственно 1, 2 и 4, с тем, чтобы поддерживать отношение s/S постоянным. Таким образом, ширина полосы для назначенного в каждую фемтосоту минимального числа поддиапазонов становится одинаковой для всех трех случаев. На фигуре 13 хорошо видно, что без изменения отношения s/S рабочие характеристики получаются аналогичными. Кроме того, если установлено большее число поддиапазонов, тогда по меньшей мере один поддиапазон, свободный от помех, назначается каждой фемтосоте, что означает улучшение работы в области низких значений пропускной способности.
min
Наконец, на фигуре 14 приведено сравнение коэффициента использования поддиапазонов для различной плотности фемтосот, при S=6 и s=1. Видно, что по мере уменьшения плотности фемтосот коэффициент использования поддиапазонов увеличивается. Этот график показывает, как предложенный в изобретении способ назначает поддиапазоны фемтосотам, адаптируясь к изменению окружения и помеховой обстановки. Кроме того, при всех плотностях фемтосот способ использует больше поддиапазонов, чем обычный алгоритм раскраски графов, для которого коэффициент использования составляет 100/6≈16,7%. Более того, при использовании почти 30% поддиапазонов может быть получена зависимость CDF, показанная на фигуре 13. Если во вторичных каналах используется управление мощностью, может быть достигнуто дальнейшее улучшение.
min
min
th
Задачей предложенного в изобретении способа является назначение фемтосотам приоритетных поддиапазонов с учетом изменяющихся условий воздействия помех. Вместо назначения фемтосотам одинакового числа поддиапазонов, в соответствии с изобретением, при назначении ресурса проявляется гибкость в отношении числа назначаемых поддиапазонов. Благодаря этому увеличивается эффективность использования поддиапазонов и фемтосоты могут использовать большую ширину полосы в условиях сниженных помех. Результаты моделирования показывают, что при использовании предложенного в изобретении GB-DFRM улучшение при малых пропускных способностях достигается за счет ухудшения работы при больших пропускных способностях. Кроме того, в зависимости от обстановки в сети, может выполняться адаптация s. Стремление назначать минимальное число поддиапазонов может приводить к снижению эффективности использования поддиапазонов, однако этим устанавливается справедливость в назначении ресурса среди фемтосот. Этим предотвращается назначение фемтосотам нежелательного числа поддиапазонов, когда используется их большое количество. Также описанные выше результаты показывают, что предложенный в изобретении способ не зависит от S, если отношение s/S поддерживается постоянным. Для простоты изложения, GB-DFRM был рассмотрен применительно к сетям, где узлы HeNB обслуживают только одно устройство UE. Однако предложенный в изобретении подход в равной мере применим к сетям, где узлы HeNB обслуживают несколько устройств UE. В этом случае, по аналогии с вариантом с одним устройством UE, каждый узел HeNB получает информацию о помехах от своих устройств UE и, в зависимости от обратной связи UE и γ, определяет соседей. Поскольку увеличение числа устройств UE может приводить к увеличению числа создающих взаимные помехи соседей, ограничение числа создающих взаимные помехи соседей может быть использовано для снижения ограничений в графе интерференции.
Хотя некоторые особенности были описаны применительно к устройству, очевидно, что эти особенности также представляют и описание соответствующего способа, в котором блок или устройство соответствуют стадии способа или элементу стадии способа. Аналогично, особенности, описанные применительно к стадии способа, также представляют и описание соответствующего блока или части или элемента соответствующего устройства.
В зависимости от конкретных требований реализации, варианты осуществления изобретения могут иметь аппаратную или программную реализацию. Реализация может быть с использованием носителя цифровой информации, например дискеты, DVD-диски, CD-диски, ОЗУ, ППЗУ, ЭППЗУ, ЭСППЗУ или FLASH-памяти, на которых хранятся считываемые электронным путем сигналы управления, взаимодействующие (или способные взаимодействовать) с программируемой компьютерной системой так, что реализуется соответствующий способ. Некоторые варианты осуществления в соответствии с изобретением включают носитель данных, содержащий считываемые электронным путем сигналы управления, которые могут взаимодействовать с программируемой компьютерной системой так, что выполняется один из описанных здесь способов.
Вообще, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы в виде компьютерного программного продукта, выполняемого на компьютере. Программный код может, например, храниться на машиночитаемом носителе. Другие варианты осуществления содержат компьютерные программы для выполнения одного из описанных здесь способов, хранящиеся на машиночитаемом носителе.
Другими словами, вариант осуществления предложенного в изобретении способа представляет собой, таким образом, компьютерную программу, включающую программный код для выполнения одного из описанных здесь способов, когда компьютерная программа выполняется компьютером. Другим вариантом осуществления предложенного в изобретении способа является, таким образом, носитель информации (или цифровой носитель, или машиночитаемый носитель), содержащий записанную на нем компьютерную программу для выполнения одного из описанных здесь способов. Еще одним вариантом осуществления предложенного в изобретении способа является, таким образом, поток данных или последовательность сигналов, представляющих компьютерную программу для выполнения одного из описанных здесь способов. Поток данных или последовательность сигналов может, например, быть приспособлена для передачи по каналу передачи данных, например через Интернет.
Другой вариант осуществления включает средства обработки, например компьютер, или программируемое логическое устройство, конфигурированное или приспособленное для выполнения одного из описанных здесь способов. Другой вариант осуществления включает компьютер с установленной на нем программой для выполнения одного из описанных здесь способов.
В некоторых вариантах осуществления, программируемое логическое устройство (например, программируемая пользователем вентильная матрица) может быть использовано для выполнения некоторых или всех функций описанных здесь способов. В некоторых вариантах осуществления, программируемая пользователем вентильная матрица может взаимодействовать с микропроцессором для выполнения одного из описанных здесь способов. В целом, в предпочтительном варианте, способы осуществляются посредством любого аппаратного устройства.
Описанные выше варианты осуществления предназначены для иллюстрации принципов настоящего изобретения. Подразумевается, что модификации и изменения описанных здесь устройств и элементов должны быть очевидны для специалистов. Таким образом, объем изобретения ограничивается только прилагаемой формулой, но не конкретными деталями, представленными в описании и в пояснениях к приведенным вариантам осуществления.