专利名称：固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信技术领域的方法，具体的是一种固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法。
背景技术：
频率是无线通信中宝贵的资源，在网络规划时，如何处理好频率分配以提高频谱资源效率具有十分重要的意义。在此领域中，许多研究者的一大突破就是把图论中的着色问题引入了进来。一旦将整个规划中的无线网络抽象成一个图模型以后，很多图论着色问题中的结论、算法都可以被成功地应用到这个网络里，大大减少了频率分配过程中的复杂度。固定中继网络，是最近研究相当热点的无线网络架构。他是对传统蜂窝网的一种改进，通过在一个蜂窝网络中，添加固定位置的中继节点，来提高小区的覆盖范围，减小小区功耗，以及降低掉话率。
经对现有技术文献的检索发现，Carleton大学的研究者(Huining Hu.Performance Analysis of Cellular Networks with Digital Fixed Relays[D].Ottawa，OntarioCarleton University，2003.(蜂窝网中引入数字固定中继的性能分析，加拿大，蒙特利尔，开尔顿大学硕士论文2003)提出的一个小区有6个固定中继规则分布的网络布局，这种中继方案经研究与分析，节省功率和提高频谱效率方面，与传统网络相比有很大的提高。在频谱规划方面，文献Huining Hu.Performance Analysis of Cellular Networks with Digital FixedRelays[D].Ottawa，OntarioCarleton University，2003(蜂窝网中引入数字固定中继的性能分析，加拿大，蒙特利尔，开尔顿大学 硕士论文2003)给出了Carleton固定中继下最简单的频率分配方案，然而，这种频率方案只考虑规则分布下的复用最远距离频率原则，未考虑任何实际地形因素和电波传播特性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，使其在现有技术的基础上，能有效地把复杂地形等因素考虑进去，与此同时，还保证了相当高的计算效率。这是传统着色方案在固定中继网中无法达到的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明使用3步骤的分配过程，首次尝试了使用点着色频率分配方法和边着色频率分配方法相结合的改进型频率分配算法。方法具体步骤如下第一步根据点着色约束条件进行图的点着色算法计算，得到基站的频率分配结果；第二步获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，记录位置和频率耗用信息；第三步根据边着色频率约束条件以及中继频率分配约束条件，对边着色图进行图的边着色算法着色，得到各个固定中继的频率资源分配结果。
所述的根据点着色约束条件进行图的点着色算法计算，得到基站的频率分配结果，是指蜂窝网络的地图信息、基站位置和路径损耗已知的情况下，根据点着色约束条件，应用点着色算法得到每个基站的可着色集合，即分配到的频率集合。
所述的应用点着色算法得到每个基站的可着色集合，是指使用典型的点着色算法来解决基站的频率分配问题，将无线网络建模成一个简单图G(V，E)，集合V中的顶点v代表一个网络中的发射台，集合E中的边e＝(v1，v2)代表了相邻2个发射台的连接，在进行点着色的分配算法时，分析整个网络的频率约束问题，约束条件为同信道频率距离约束、邻信道频率距离约束、频率距离约束和频率约束问题，同信道频率距离约束的图顶点着色算法模型，由DL算法进行求解，以度降序为着色顺序的DL算法解出。
所述的获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，是指搜索整个固定中继网络，属3个不同基站下的3个相邻固定中继，距离小于基站覆盖半径的1/2时，标记该3个固定中继为一组，以这3个固定中继为顶点所组成的三角形的中心点来代替这3个固定中继，这一点作为中间着色点。
所述的以这3个固定中继为顶点所组成的三角形的中心点来代替这3个固定中继，是指把组成的3个固定中继信息都记录到这个中间着色点上，它的天线和发射情况，等同于固定中继的天线和发射情况，它和各个基站，和各个其他中间着色点的路径损耗，需要重新计算和记录。
所述的获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，是指位置上，3个相邻蜂窝之间的3个固定中继之间的距离相当近，所以将这3个固定中继看成一个点来参与固定中继频率分配，在得到基站的频率分配结果之后，对原场景中的信息进行扫描，获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，记录位置和频率耗用信息，对所有已知的基站和中间点，构建边着色图，然后使用边着色算法，完成对整个蜂窝系统的频率分配。
所述的根据边着色频率约束条件以及中继频率分配约束条件，对边着色图进行图的边着色算法着色，是指在完成了中间着色点的得到和信息补全之后，把整个场景的基站和中间着色点，构造成了边着色分配图，边着色频率约束条件为边着色时，相邻边必须着以不同的颜色，中继频率分配约束条件为中继频率分配时，中间着色点和基站相连的这条边，必须着以与基站不同的颜色。
所述的对边着色图进行图的边着色算法着色，是指采用启发式算法，以度最大的顶点为开始，先着色它所连接的各条边，然后再以和这个点相邻的度最大顶点为第二顺序，着色它所连接的各条未着色边。
与现有技术相比，本发明在对固定中继的蜂窝网络进行频率规划时，采用了基站小区和固定中继区别开来，按先后顺序分配的技术，实现了整个分配过程实施的简单化。本发明还在对固定中继进行频率分配时，采用了改进的边着色算法，把邻近的3个固定中继在允许误差的范围内，用中间着色点来代替，这样大幅度地简化了着色算法的复杂度。并且，本发明还充分考虑到了基站和固定中继发射台的不同地形因素，弥补了在固定中继蜂窝网络中全面有效的频率分配算法的空白。
具体实施例方式
本发明主要利用中继位置固定，以及频率复用时中继发射功率较小这些特点，将边着色和点着色结合起来，把这2种算法分别在划分固定发射台的频率和划分固定传播链路的频率的优势融入到了新的算法中，经过部分改动后完成的。
本发明所涉及的图的点着色算法，是指将无线网络建模成一个简单图G(V，E)。集合V中的顶点v代表一个网络中的发射台，集合E中的边e＝(v1，v2)代表了相邻2个发射台的连接。在进行点着色的分配算法时，分析整个网络的频率约束问题。分配中的约束条件，主要可有同信道频率距离约束、邻信道频率距离约束、频率距离约束和频率约束等问题。点着色算法的数学概述为求一个分配AV->F；满足u，v∈V，u≠v，D(u，v)＜d0，d0＝1则|A(u)-A(v)|≠0，maxA(V)＝max{A(v)|v∈V}。设F为可选的频率颜色集合，max表示求解分配颜色跨距最小。FD-CCAP的图顶点着色算法模型，可由DL算法进行求解，本发明采用了以度降序为着色顺序的DL算法。
如果约束条件更复杂时，比如d0＞1，对这种图的分配，还是能够找到合适的简单启发式算法来逼近(FD-ACAP)，虽然结论也不是最优的，但这个过程还是十分高效的，特别是在顶点数量较少的情况下。
在本发明中，蜂窝网络的地图信息、基站位置和路径损耗已知的情况下，画出干扰图，根据点着色的同信道频率距离约束条件，由DL算法进行求解，以度降序为着色顺序的DL算法解出。
本发明所涉及的图的边着色算法，是指将无线网络建模成一个简单图G(V，E)，主要运用于具有定向发射的，具有“空分多址”的频率分配方案中。集合V中的顶点v代表一个网络中的发射台，当两个发射台之间存在定向发射关系时，则对应发射台的顶点v1，v2之间用一条直线相连，该直线称为关联边。所有关联边的集合用E表示。边着色的数学概述为求一个分配AE->F；满足ei，ej∈E，i≠j，D*(i，j)＜d1则|A(ei)-A(ej)|≠0，maxA(E)＝max{A(e)|e∈E}模型建立之后，频率分配问题就转化为如何使用有限的颜色集合对图G中的每条边进行着色。最简单的约束条件为合理边着色，它指的是图G(V，E)中任意一个顶点的所有关联边的颜色互不相同，即d1＝1的情况。
合理边着色由1964Vizing定理的约束，简单图的最小可着色数x’＝Δ，Δ+1。并且同样存在着很多广为接受的启发式算法来得出次优的结果。本发明采用的启发式算法具体为以度最大的顶点为开始，先着色它所连接的各条边，然后再以和这个点相邻的度最大顶点为第二顺序，着色它所连接的各条未着色边。
本发明可以采用度着色顺序边传递的着色法，但边着色的约束条件与经典略微不同相邻边必须着以不同的颜色，中继频率分配约束条件为中继频率分配时，中间着色点和基站相连的这条边，必须着以与基站不同的颜色。
本发明所设计的频率分配方案，主要创新点在于1)频率分配分2步进行先进行小区基站之间的频率资源分配，然后再进行各个中继节点的频率资源分配。采用这样的分配步骤的主要理由在于操作过程的简单。第一步中所涉及的基站频率资源分配，是一个典型使用点着色算法就能解决的案例，而且涉及的点数量少，所以次优算法运行快速而稳定。
在基站频谱已完成分配的情况下，固定中继的频率限制也就固定了下来。事实上，在规划和设计整个具有2-跳固定中继的蜂窝网络时，固定中继的频率限制也是服从于上级基站的频率规划的。这样一下，下级分配算法也是很明了的。
2)使用中间位置点来代表3个相邻的固定中继由于固定中继的发射功率较小，影响的范围也较小。位置上，3个相邻蜂窝之间的3个固定中继之间的距离相当近，所以本发明尝试将这3个固定中继看成一个点来参与第2步的固定中继频率分配。本发明对以中间位置点来代替3个相邻固定中继，所带来的误差进行了数值上的分析。理论上的误差计算很简单，如果小区的复用系数为4，无线传播的衰减因子为4，则误差小于1.17％。如果计算进实际的不同位置可能由环境不同所造成的误差，干扰系数的最大误差在5％以内。
在Carleton固定中继方案中，使用中间位置点所带来的5％以内的干扰误差，影响后续的固定中继频率分配结果的概率很低。3个节点简略成一个代表点，所带来的好处是十分明显的。大大降低了系统的复杂度，参与边着色分配的点数量是原来的(1/3)。这是后续启发式算法高效的一个重要保证。
为此，本发明设计了如下得到中间着色点的过程搜索整个固定中继网络，属3个不同基站下的3个相邻固定中继，距离小于基站覆盖半径的1/2时，标记该3个固定中继为一组，以这3个固定中继为顶点所组成的三角形的中心点来代替这3个固定中继，这一点作为中间着色点。
3)在中继的频率分配上，引入边着色算法本发明创新地在第二步，固定中继之间的频率分配过程中，提出引入边着色算法的想法。使用这一算法的理由在于，固定中继节点的位置是固定的，且规则位于中间位置点的3个不同方位，另外固定中继都有发射功率很小，只影响其周围一个区域的特点。
自从引入边着色后，传统点着色算法在面对固定中继网络的新产生频率约束问题被迎刃而解。按照边着色的约束规定，具有公共节点的两条关联边，是无法被着以同一颜色的。这一条件直接解决了同一小区内，不同固定中继无法占用同一信道资源的问题。另外，虽然不在同一小区内，但是地理位置相近的中继节点，也受到边着色的约束而无法被着以同样颜色。
边着色算法还有一个特点通过顶点的颜色可允许条件的动态调整，能非常方便地改变整个场景的频率规划。也就是说，在中继节点的动态频率资源分配上，留有简单处理的方法。这使得固定中继网络的频率分配变得十分灵活，方便了更复杂频率分配方案的开发。
本发明的具体实现分为如下7个操作1)获得场景信息，地图信息，可用频率资源信息，以及具体固定中继等的资源耗用数量信息。
2)将信息中与基站相关的提取出来，建立只存在基站的点着色图A。计算各个小区的路径耗损信息，写入边的权重上，把点着色图A完善。
3)对此图根据一般点着色约束条件进行算法计算，得到基站的频率分配结果。
4)得到基站的频率分配结果之后，对原场景中的信息进行扫描，获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替。记录位置和频率耗用信息。
5)对所有已知的基站和中间点，构建边着色图B。
6)根据边着色频率约束条件以及中继频率分配约束条件，对边着色图B进行算法着色。得到各个固定中继的频率资源分配结果。
7)检查整个流程，完成整个频率分配过程。
结合本发明方法的内容提供以下实施例本实施例在仿曼哈顿的场景中采用。这一仿曼哈顿地区场景由440*410个地图格组成，具有19个分布的基站节点，114(19*6)个分布的固定中继节点。本实施例中，一共分配42种可选的频率，每种频率用不同的颜色代替。每个基站都可被分配到6个不同频率，每个固定中继能且只能被分配3个不同频率。本实施例利用已知地理位置和天线高度，用OKUMURA_HATA+dual slope传播模型计算路径损耗值，在点着色和边着色前，根据所有点之间的路径损耗值，忽略影响较小的路径，然后构建出点着色图和边着色图。本实施例采用降度次序的DL算法，进行对点着色图的算法着色，本实施例采用降度次序的启发式算法，进行对边着色图的算法着色。最后结果，送到COBWeb Network Simulator with2-hop Fixed Relaying Nodes Scheme无线2-跳中继系统模拟平台上进行了性能的测试。该平台为大规模固定中继场景仿真平台，整个系统配置在FDD工作模式下，Random Walk+Markov的Mobility模型。在未开启系统的功率控制和自适应功能时，测试得到在第一跳(移动台到固定中继的链路)和第二跳(固定中继到基站的链路)上都有SINR的明显质量改善。
权利要求
1.一种固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，其特点在于，具体步骤如下第一步根据点着色约束条件进行图的点着色算法计算，得到基站的频率分配结果；第二步获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，记录位置和频率耗用信息；第三步根据边着色频率约束条件以及中继频率分配约束条件，对边着色图进行图的边着色算法着色，得到各个固定中继的频率资源分配结果。
2.根据权利要求1所述的固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，其特征是，所述的根据点着色约束条件进行图的点着色算法计算，得到基站的频率分配结果，是指蜂窝网络的地图信息、基站位置和路径损耗已知的情况下，根据点着色约束条件，应用点着色算法得到每个基站的可着色集合，即分配到的频率集合。
3.根据权利要求2所述的固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，其特征是，所述的应用点着色算法得到每个基站的可着色集合，是指使用典型的点着色算法来解决基站的频率分配问题，将无线网络建模成一个简单图G(V，E)，集合V中的顶点v代表一个网络中的发射台，集合E中的边e＝(v1，v2)代表了相邻2个发射台的连接，在进行点着色的分配算法时，分析整个网络的频率约束问题，约束条件为同信道频率距离约束、邻信道频率距离约束、频率距离约束和频率约束问题，同信道频率距离约束的图顶点着色算法模型，由DL算法进行求解，以度降序为着色顺序的DL算法解出。
4.根据权利要求1所述的固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，其特征是，所述的获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，是指搜索整个固定中继网络，属3个不同基站下的3个相邻固定中继，距离小于基站覆盖半径的1/2时，标记该3个固定中继为一组，以这3个固定中继为顶点所组成的三角形的中心点来代替这3个固定中继，这一点作为中间着色点。
5.根据权利要求4所述的固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，其特征是，所述的以这3个固定中继为顶点所组成的三角形的中心点来代替这3个固定中继，是指把组成的3个固定中继信息都记录到这个中间着色点上，它的天线和发射情况，等同于固定中继的天线和发射情况，它和各个基站，和另外各个中间着色点的路径损耗，需要重新计算和记录。
6.根据权利要求1或者4所述的固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，其特征是所述的获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，是指位置上，3个相邻蜂窝之间的3个固定中继之间的距离相当近，所以将这3个固定中继看成一个点来参与固定中继频率分配，在得到基站的频率分配结果之后，对原场景中的信息进行扫描，获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，记录位置和频率耗用信息，对所有已知的基站和中间点，构建边着色图，然后使用边着色算法，完成对整个蜂窝系统的频率分配。
7.根据权利要求1所述的固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，其特征是，所述的根据边着色频率约束条件以及中继频率分配约束条件，对边着色图进行图的边着色算法着色，是指在完成了中间着色点的得到和信息补全之后，把整个场景的基站和中间着色点，构造成了边着色分配图，边着色频率约束条件为边着色时，相邻边必须着以不同的颜色，中继频率分配约束条件为中继频率分配时，中间着色点和基站相连的这条边，必须着以与基站不同的颜色。
8.根据权利要求1或者7所述的固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，其特征是，所述的对边着色图进行图的边着色算法着色，是指采用启发式算法，以度最大的顶点为开始，先着色它所连接的各条边，然后再以和这个点相邻的度最大顶点为第二顺序，着色它所连接的各条未着色边。
全文摘要
一种固定中继蜂窝网络结合点边着色的频率分配方法，属于无线通信技术领域。本发明具体步骤如下第一步根据点着色约束条件进行图的点着色算法计算，得到基站的频率分配结果；第二步获取所有3个相邻固定中继的情况，用中间着色节点代替，记录位置和频率耗用信息；第三步根据边着色频率约束条件以及中继频率分配约束条件，对边着色图进行图的边着色算法着色，得到各个固定中继的频率资源分配结果。本发明在现有技术的基础上，能有效地把复杂地形等因素考虑进去，与此同时，还保证了相当高的计算效率。这是传统着色方案在固定中继网中无法达到的。
文档编号H04W16/12GK1874587SQ20061002798
公开日2006年12月6日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者赵兆, 戎蒙恬 申请人:上海交通大学