[发明专利]一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配方案

说明书

本发明涉及一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配(DSA)方案，为解决频谱危机提供了可靠的解决方案。本发明提出了一个软件定义的异构网络（HetNets）的多尺度DSA框架，在微观尺度上，我们基于实时用户需求制定小时标频谱分配的定价策略。在宏观尺度上，所达到的和所需的平均传输速率之间的差值被用作反馈信号，以便根据业务需求的大时标变化实现小区间频谱协调。接下来，对拟议框架的四种典型应用场景进行阐述，以说明其潜在收益，并通过案例研究验证其可行性。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配(DSA)方案，以自适应地匹配频谱资源提供和软件定义的异构网络中的时空变化的业务需求。通过巧妙地管理宏观和微观频谱分配的定价策略，该方案可以支持超密集网络，多址边缘计算，空天地一体化和机器间(M2M)通信等多种应用场景。案例研究中的仿真结果表明，该方案可以有效提高用户满意度，提高网络性能。

背景技术：

近年来，由于物联网应用，增强现实和虚拟现实游戏等新型应用产生的数据流量爆炸性增长，对频谱资源的需求正在迅速增长。另一方面，频谱被认为是稀缺资源。因此，快速增长的数据流量需求与有限的频谱资源之间的差距日益扩大迫使无线服务提供商以更高效的方式利用频谱。由于认知无线电技术的发展，动态频谱分配已被证明是克服频谱短缺的有前途的方法。在大多数国家，无线电频谱一般由行业监管机构或政府管理。在传统的静态频谱分配策略下，每个授权频段被分配给无线服务提供商，然后由其授权用户使用。拥有频谱带的无线服务提供商被称为主要服务提供商，并且具有在某一频谱带上操作的许可证的用户被称为主要用户(PU)。静态频谱分配可能相当低效，因为频谱利用不适应数据业务需求的快速时空变化。结果，一些无线电频谱甚至可能在城市地区被闲置或利用不足，即所谓的频谱空洞或白色空间。

通过动态频谱分配的实现，可以感知频谱空洞，并允许未经许可的用户(以下称为次用户(SU))以机会方式利用它，而不会对主要用户产生有害干扰。这样，频谱可以由网络实体本身动态共享，而不涉及调节器，并且可以预期更高效的频谱利用率。

特别是，多尺度动态频谱分配方案可以很容易地与新兴的软件定义网络(SDN)架构集成在一起，提供灵活的网络管理，通过将网络控制平面与物理网络拓扑解耦，实现网络可编程性。因此，可以容易地实现一系列网络控制和管理机制(例如，业务管理，功率控制和频谱分配)，而不会对物理网络组件进行重大修改。此外，网络组件可以通过集中控制器相互协商，从而可以实时调整控制策略。随着服务供应和物理基础设施的分离，移动虚拟网络运营商可以访问虚拟资源，并在服务级别协议下部署自己的应用程序。

然而，在软件定义的异构网络(HetNets)中实现多尺度DSA仍然面临着几个关键的挑战。次用户可以通过损害网络系统从中获益，所以他们总是自私的。如果没有正确的激励机制，次用户的自私行为可能会大大降低频谱利用效率。例如，以自己的方式利用频谱资源的自私次用户可能会导致其他诚实次用户的频谱资源不足。另一种情况是每个自私的次用户只关心自己的利益，增加传输功率，以达到更高的传输速率，从而增加了整个网络的干扰水平。

为了提供一个解决方案，定价是一个强大的工具，可以打击用户的不当行为，并分配资源给最重视他们的用户。例如，用户可以根据占用的资源量或者产生的干扰量来计费。精心设计的定价方案可以指导次用户彼此合作，以有效的方式利用稀缺的频谱资源。动态频谱的定价方案可以分为两类：基于优化的定价和基于博弈论的定价。在基于优化的定价中，频谱分配是作为受到某些限制的优化问题来制定的，并且最优定价是作为使目标函数最大化或最小化的解决方案推导出来的。相比较而言，基于博弈论的定价更适合处理不同目标的多个实体之间的频谱分配问题，并且可以为每个实体提供单独优化的解决方案。

发明内容：