超密集无线网络的频谱分配程序设计Word下载.docx
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Superdense
heterogeneousnetwork；
spectrumresource
spectrumallocation；
Spectrumutilization
1前言
1.1课题背景及研究意义
随着全球网络用户的不断增加，移动设备的全面普及和每天都在增长的数据流量，导致3G，4G移动通信在容量，频谱资源利用率和速率等方面已经不能满足人们对网络的需求，5G移动通信随之产生。
而超密集无线网络作为5G通信关键技术之一更是目前的研究重点。
频谱资源的合理分配的研究更是会帮助网络通信之间减小干扰，提高利用率。
无线网络包括了局域网，城域网和广域网。
而5G的超密集无线网络技术是在此基础上加大了覆盖率，大幅度的提升了系统容量，并将业务进行分流，具有更加灵活的网络部署和更高效的频率复用。
面对未来的高频段大宽带，会采用更加密集的网络方案。
同时更加密集的网络部署使得网络拓扑更加复杂，密集小区间的干扰增大，能效降低也成为了现阶段要解决的问题。
在这个网络信息飞速发展的时代，随着无线通信技术的不断发展与通信业务的不断普及，日益增长的电脑，手机等无线网络用户使得可用频谱资源越来越少，而如今用到的频谱仅仅占所有可利用频谱资源的6%不到，由此可见移动通信服务所需的可利用频谱并不缺乏。
前几年，无线频谱资源都是静态分配的，使得无线通信系统只能够在规定的授权频段上进行通信，这也导致了频谱资源无法得到有效的利用。
目前在大多数频域中大约有70%的频谱资源都没有被充分的利用起来，这样的数据明显和现在的频谱资源的匮乏而自相矛盾。
要改变频谱资源匮乏的局面，首先我们要重新认识一下频谱，频谱是一种抽象的资源，频谱资源利用率的高和低是由所用到的技术造成的。
当前，无线电频谱可用的频段都已经分配完毕，有的频段相当的拥挤，导致频谱资源供不应求，矛盾日益增长。
各个国家为了改善这一情况，都在积极开发新技术。
为什么要研究频谱的分配呢？
现如今移动设备的不断增加，通信服务的大量普及，使得通信干扰大大增加，造成了网络通信的拥堵，通信的容量和速率大大降低。
为了解决这一些麻烦，需要不断完善频谱分配技术，做到有效合理利用频谱资源，改善国内频谱资源供不应求的状况，从而减小通信干扰，提高系统吞吐量。
使得在许多人同时上网或通信的情况下，也不会造成拥堵，用户通信或上网的质量大大提高。
1.2国内外发展现状
在无线通讯技术与业务得到迅速发展的时候，无线电频谱需求飞速增长，无线电可用频段资源管理越来越艰难。
每个国家频电管理部门都联想到无线电频谱资源在将来会成为重要的战略资源，在社会发展和经济建设中有着巨大的影响，所以各国都开始启动无线电频谱的战略计划。
信息管理局与国家电信这两个美国部门在2008年3月20日公布了《联邦机构频谱战略规划》。
计划中写了在接下来的5年，政府将积极开发人与机器的互动智能技术，提高已有频谱资源的利用效率，增长频段资源信息化管理的水平，解决政府部门之间公共安全和互相联系互相通信的问题，完善政府部门之间的协调机制。
规划中还写了新型MIMO技术、无线电的感知技术、无线宽带技术的进一步使用、低端频段的进一步使用和未来人机互动智能技术等等一系列无线新技术与频段资源管理新方法。
最后规划中还介绍了无线电定位、气象辅助、广播、固定、移动等无线电方面的业务与未来的频谱需求，然后提出了频谱供不应求主要来源于通信传输速率的增长和数据传输量的增大，以及国家安全和应急通信的需求等。
下面两个表分显示了美国政府频段资源的使用数据和美国联邦非联邦政府频段资源使用数据：
频段用途0.003-33-5.9255.925-3030-3000.003-300
国防约36%约74%约48%约76%40%
执法与安全约24%约16%约10%0%21.5%
自然资源管理约20%约4%约12%约2%20.5%
交通约14%约2%约26%0%12.4%
其他约6%约4%约4%约22%5.6%
表1美国政府频段资源的使用数据
频段用途0.003-33-5.9255.925-3030-3000.003-300
联邦政府专用14.1%8.2%6.6%0.7%1.4%
非联邦政府专用31.7%17.9%22.8%2.8%4.8%
共享54.2%73.9%70.6%96.5%93.8%
表2美国联邦非联邦政府频段资源使用数据
欧盟从1990年开始，就成立法规来调整与欧盟国有关的无线电频段管理的政策。
CEPT调节欧盟国内的无线电频段分配，确保无线电频谱的长远计划与发展，技术的标准等一干事务的决定。
各个欧盟国也有自己国内使用的频段管理部门，管理自己国家境内的频谱。
在国内无线频谱分配情况：
825~835MHz，870~880MHz分配给电信使用CDMA技术。
1920~1935MHz，2110~2125MHz在2009年1月新分配给中国电信的3G频谱，使用EVDO技术。
885~909MHz，930~954MHz分配给中国移动，使用GSM900技术。
1710~1735MHz，1805~1830MHz分配给中国移动，使用DCS1800技术。
1880~1900MHz，2010~2025MHz，2300~2400MHz分配给中国移动，使用TD技术。
909~915MHz，954~960MHz分配给中国联通，使用GSM900技术。
1735~1755MHz，1830~1850MHz分配给中国联通，使用DCS1800技术。
1940~1955MHz，2130~2145MHz在2009年1月新分配给中国联通的3G频谱，使用WCDMA技术。
1900~1920MHz分配给中国联通，小灵通退网后分配给中国移动，两者共用，使用PHS技术。
3400~3430MHz，3500~3530MHz经过公开进价评选的方法分配给中国移动，中国电信和中国联通，基础电信运营商和中电华通分别在不同的城市中得到运营权，使用宽带无线接入技术。
2400~2483.5MHz分配给WLAN，使用ISM技术。
WRC-07新频段分配：
450~470MHz用于CDMA450、铁路运作网络、公安网络、民用设备、村村通和应急通讯。
821~825MHz，866~870MHz用于数据通信（铁道部）698~806：
700MHz用于广电、航天科技设备、无线导航系统和移动电视等系统。
2500~2609MHz用于BSS:
卫星广播、偏远农村有线电视覆盖、无线GPRS、射电天文。
3400~3600MHz用于卫星设备、天线设备和宽带无线接入技术（分配了30M：
电信、移动、联通、中电华通）。
前段时间，中国国家无线电监测中心与全球移动通信系统协会一起发布了关于未来宽带移动通信与频谱高效利用的合作研究报告。
报告显示，我国下一代移动网络将继续以6GHz以下相关频谱为主，比如3400-3600MHz以及WRC-15上为移动通信系统新划分的频谱。
在这些完成的基础上，下一代的移动网络将有可能使用6GHz以上的频谱资源，目前主要面向6-100GHz。
1.3论文主要内容
本文首先从课题的背景与研究意义讲述了超密集无线网络的概念，介绍了全球频谱资源的匮乏导致频谱资源供不应求，为了提高频谱资源的利用率，需要进行合理的频谱分配。
然后讲述了国内外的频段分配的一些状况。
接着着重讲述超密集无线网络频谱技术的概述，并将频谱分配算法进行了分类，然后将每种算法简单的介绍了一下。
接着主要讲解了一种算法的方案以及他的实现步骤和改进方案。
然后再在Matlab仿真平台上进行仿真实验，再对实验结果进行分析。
最后对整个毕业设计进行总结与展望。
1.4论文主组织结构
第一章，本章主要介绍了超密集无线网络的频谱分配的一些背景以及频谱分配的重要意义，还讲述了国内外无线频谱分配的部分情况以及整篇论文的主要内容。
第二章，本章主要介绍了超密集无线网络的概述和频谱分配技术的概述和频谱分配算法的分类以及选取了其中几种较为典型的频谱分配算法进行详细的介绍，然后通过各种算法的初步比较，进行分析各种算法的性能，并找出各种算法的优点和局限性。
第三章，本章主要介绍了一种频谱分配算法的基本情况、实现步骤和流程分析。
第四章，本章主要介绍了Matlab仿真平台的简介，参量的设置以及仿真实验结果的分析。
第五章，本章主要讲述了对毕业设计的总结与展望。
2超密集无线网络频谱分配技术
2.1超密集无线网络频谱分配技术概述
2.1.1超密集无线网络概述
随着网络技术的不断发展，移动设备的不断普及，网络数据流量日益增长，而以往的3G，4G在速率，频谱利用率等方面渐渐无法满足广大人民的需求，而且当前用户们对网络通信的需求越来越大，网络通信在生活中所发挥的作用也越来越大，它的应用方面也不再局限于人人间的沟通。
人们对网络通信的需求也呈爆炸似的增长，5G通信由此诞生。
5G作为面向2020年后的移动通信技术，在频谱资源利用率、传输速率、能效方面较3G，4G有了显著的提高，他在系统安全、传输时延、无线覆盖范围和无线覆盖性能也将会得到明显的提升。
5G将与其他无线移动通信技术紧密结合，将会具有充分的灵活性，具有一些智能化特点以应对未来的需求。
5G比较于以前，在无线传输与无线网络技术方面得到重大突破。
在无线传输方面将使用进一步提高频谱利用率的技术，例如新的多址接入技术、编码调制技术等。
在无线网络方面，将会使用更加智能，更加灵活多变的组网技术和网络架构，例如超密集异构组网等技术。
在未来的5G网络中，将会减小小区的半径，增加低功率节点的个数，因此超密集无线网络成为未来提高数据流量和网络效率的重要技术。
将来无线网络会部署超过以往许多的无线节点，在宏站覆盖范围，站点之间的距离将会在10m以内，并且还将支持在每1平方公里的范围内为25000个用户提供通信服务。
密集部署的网络减小了节点与终端之间的距离，增加了无线网络的覆盖范围，提高了无线网络的频谱效率，增强了业务的灵活性。
尽管超密集无线网络架构有着很大的潜力，但是越来越密集的网络部署加大了网络拓扑的复杂性，因此减小用户移动设备之间的干扰成了必须要解决的一个问题。
以下利用两个小区协作减少干扰问题的自己所画的一种部署场景：
微蜂窝宏蜂窝虚拟小区用户平面中继Relay
图两个小区的场景部署图
但在将来可能存在多个小区协作多网并存，而频谱资源愈加匮乏，所以将来会尽可能的提高资源利用率，通过超密集异构部署来提高容量，减少干扰。
2.1.2超密集无线网络频谱分配技术概述
随着无线网络的飞速发展，移动设备的大量普及，人们对于网络速率与通信业务质量有了更高的需求，也促使人类对移动通信技术有着更高的要求，但是同样也造成了频谱资源的短缺。
无线频谱资源不是有形和有限的资源，它是看不见摸不着的一种抽象且无限的资源。
那为什么无限的资源却会短缺呢？
那是因为我们并没有充分利用好全部可用的频谱资源，为了解决频谱资源短缺和频谱利用率低的问题，需要我们提高频谱利用率，将可用频谱资源得到充分的使用，也要提升系统之间通信的效率，将可以利用的频段资源与其它资源之间进行合理的分配，然后便会获得提高频段利用率的效果。
频谱分配指的是首先知道要接入的次用户的数目，再看看它的服务要求，然后将频谱分配给一个或者多个用户当中。
如何选择正确的频谱分配策略影响着频谱利用率、是否满足用户在不同情况下不断变化的需求以及系统的容量。
频谱分配的主要目的是经过一个有效的手段来合理利用空闲的频段资源。
由于不同种类的频谱具有不同的特性，所以需要我们仔细学习过可用频谱的特性才能更好的进行频谱分配，频谱资源才会得到充分的利用。
因为前几年都是采用的固定分配的方式进行频谱分配，大部分可用频谱都未能得到充分的利用，所以新的频谱分配技术就是为解决这一问题而产生的。
利用动态的频谱分配的手段可以有效增长无线通信的灵活性，防止几个不一样的用户间产生冲突，公平合理的分配频段资源。
频谱分配需要满足以下几个中的原则：
A）灵活性和实时性，这样保证了用户在检测到可用频谱时能够及时而又灵活地切换到空闲的频谱上，以达到提高频谱资源的利用率。
B）提高系统的性能，频谱分配就是为了采取一定的措施将频谱合理利用，然后改善系统的性能。
C）降低算法的难易度和时间的花费。
D）需要满足不同用户的通信需求，每个用户对系统的要求都是不同的，所以分配给每个用户的功率和载波都是不一样的，因此需要不同的分配策略来进行不同频谱的分配。
分配方式频谱分配合作方式网络结构接入技术合作市式分配集中式分配静态频谱分配动态频谱分配非合作式分配Underlay频谱接入混合式分配Overlay频谱接入分布式分配频谱分配在分配的时候往往要考虑系统的网络结构和系统的应用需求等方面，下面对不同的频谱进行分类：
频谱分配技术分类图
静态频谱分配是将具体不变的频谱分派给用户，用户不可以改变得到的频谱；
动态频
谱分配是通过一些策略来分配频谱，满足各种用户的不同需求，频谱的利用率得到明显的改善。
混合式则是结合了前两者而产生的。
集中式是指在一个小区有一个中心基站生成频段分配的具体情况将频谱分配到小区中的每一个用户。
分布式是指小区中没有基站中心，每个用户都参与频谱分配的工作中。
合作式是用户间相互合作，而非合作式则只考虑用户自己。
Overlay频谱接入只有在频谱空闲的时候才能接入，Underlay频谱接入则是此用户的发射功率被扩展到整段频谱上。
2.2超密集无线网络频谱分配算法的分类
为了提高频谱利用效率，各种各样的频谱分配算法由此出现，本文介绍的是超密集无线网络的频谱分配算法，以下将频谱分配算法分为3类，分别是基于博弈的频谱分配算法、基于图论着色的频谱分配算法以及基于竞价的频谱分配算法。
（1）首先基于博弈的频谱分配额算法，博弈论根据合作方式分为非合作博弈和合作博弈。
现在有关博弈论的频谱分配算法大多数是非合作博弈，在非合作博弈中，次级用户一般不管对其他次级用户的影响，只考虑自身的利益，次级用户会用纳什均衡求解，但纳什均衡求出来的解不是最优的，由此基于合作博弈的频谱分配算法诞生，并解决了公平性的问题。
博弈论又可以分为动态博弈和静态博弈。
动态博弈中最典型的是斯坦科尔伯格算法，该算法讲述了各个主用户会分两批以相同的价格出租同一种类型的频谱，且各个主用户之间不合作，价格随市场的需求而改变，后一批主用户会参考前一批主用户的策略来采取不同的策略，通过一段博弈互动后，出租的频谱数达到平衡。
静态博弈有两种情况，一是所有的参与者一起行动，二是后参与者不了解先参与者的具体行为。
代表算法有古诺模型算法，该算法主要讲述了各个主用户会以一定的价格出租频谱且各个主用户之间不会互相合作，价格会随环境而发生改变，同时各个主用户之间会采取不同的策略，经过好多轮的博弈后，每一个主要用户出租的频谱数会达到平衡。
（2）接着基于图论着色的频谱分配算法有着颜色敏感图着色算法、并行频谱分配算法以及列表着色算法。
在分布式网络结构中，贪心算法和基于用户公平性的算法只针对干扰与功率和距离有关，针对干扰与频谱的差异文题，提出了CSGC即颜色敏感图着色算法。
该算法考虑到了干扰频谱的差异和频谱利用率，但却增加了时间的开销，由此提出并行算法解决这一问题。
（3）最后基于竞价的频谱分配算法，该算法首先通过次用户需要的频谱数的不同来调整竞拍低价和次用户开出的竞拍价，在竞拍时，授权用户从低到高给出竞拍价格，次用户选择使自身利益最大化的竞拍价，直到所有频谱数全部拍完，最后根据拍卖情况分配频谱。
2.3典型的超密集无线网络频谱分配算法
2.3.1基于图论着色的频谱分配算法
所谓图论就是用一些点和线组成的图来表示网络结构，频谱分配可以看成是对无向图G进行顶点着色，在频谱分配探索中，将网络结构抽象地画成网络拓扑图，图中的各个点都代表了一个次级用户，两点间的连线代表了用户间的干扰与冲突，两个用边相连的顶点不能使用同一段频谱，每一个极点有一个或多个集合，每个集合代表顶点所在范围可以使用的频段。
下图表示的是一个无线系统的网络拓扑图。
I（信道A）②（CD）①（BCD）
⑧（ABC）
③（ACD）IV（信道D）
⑤（AC）
⑥（A）
II（信道B）III（信道C）
⑦（ABD）
④（ABCD）
图无线系统的网络拓扑
图中有四个信道，八个顶点代表八个次用户，图中分部了四个主用户I~IV，分别使用四个授权可用频段信道ABCD，如果主用户使用当前信道，则该主用户小区范围内的次用户不能使用该信道以防会对主用户产生干扰。
所以用户①使用BCD频谱，用户②使用CD频谱，用户③使用ACD频谱，用户④使用ABCD频谱，用户⑤使用AC频谱，用户⑥使用A频谱，用户⑦使用ABD频谱，用户⑧使用ABC频谱。
另外，八个次用户之间也存在干扰，两个由边相连的顶点不可使用同一段频谱，例如：
①使用了C频谱则②就只能使用D频谱。
图只是收集的一个参考，在现实环境中信道的可用性是不停变化的，用户的移动特性和负载的不停改变都会影响信道的可用性，网络拓扑结构也会紧接着发生变化。
为了使实验研究简单化，一般假设一段时间内拓扑结构不会改变。
2.3.2基于博弈论的频谱分配算法
基于博弈论的频谱分配算法是用来解决和研究决策和决策平衡问题，也可用来解决无线电系统中各个次级用户间争夺频谱的分布式问题。
假定有一个散布式的无线网络，由N对发射接收组成，节点相对来说是不变的，或者节点移动的很慢，节点能用来测量空闲的频段以及决定所要传输的信道。
假设总共有K个信道可以被用来传输，且K<
N，系统不允许用户独占一个信道，也就是说系统准许用户共享同一个信道且在同一时刻进行传输。
次用户可以通过选择适当的传输频率，去组建一个可以减小共享信道干扰的信道复用分布图。
用信干比表示用户所受到的干扰的强弱，接收端为j，发射端i的信干比为下述公式：
在这之中Pi是发射端i的功率，Gij是同一对接收端和发射端的之间链路的增长收益，I（k,j）代表了从k节点到j节点这段区域的干扰方程，接下来是它的定义：
按照这些，能用博弈的方式进行建模来解决频谱分派的问题，博弈者是无线电次用户，它们的行动计策是对那些可用频谱的选择，它们的输出代表了频谱分配所产生的结果，而且它们产生的效益与信道的质量有相当大的关联，下面是博弈论对于频谱分配所产生的问题的表达式：
在公式中N代表博弈者所组成的有范围的集合，｛Si｝i∈N代表这博弈者i由博弈计策所组成的计策集合，在这个博弈中，ui是一个效益函数，对于N中的每一个博弈者i，该函数都表示着i选择的计策Si以及它的对手选择的计策S-i的函数。
所有的博弈者从不同时一起进行决
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