5G通信网络频谱资源分配方法研究

2021-07-03藏涛丁东艳

电子测试 2021年10期

藏涛，丁东艳

（郑州信息科技职业学院信息工程学院，河南郑州，450000）

0 引言

当前通信网络已经逐步从4G达到5G，随之用户的需求逐渐向着多样化发展，对通信网络提出了低时延、高速率的通信需要[1]。同时，用户需求的不断加剧，也进一步造成了用户对频谱资源的需求不断增加。当前频谱资源十分有限，因此如何能够根据5G通信网络的特点，对频谱资源进行合理的分配，既能够满足用户的需要，同时又能够让频谱资源得到有效利用是当前相关领域研究人员重点研究的问题[2]。当前现行分配方法包括：主动自愿分配方法、颜色敏感图着色模型等。但其在实际应用中均存在分配成本高、分配效率低、无法满足用户实际需求等问题。基于此，本文开展5G通信网络频谱资源分配方法研究。

1 5G通信网络频谱资源分配方法设计

1.1 用户对频谱资源偏好优先数计算

在针对通信网络频谱资源分配行为实施的过程中，假定5G通信网络的受众群体内用户的数量表示为N，其中N名用户的频谱值表示为M。此时需要根据上述两者之间指标进行优先数矩阵的构建，将矩阵表示为PRu，矩阵的函数表示式如下：

公式（1）中：PRu表示为在5G网络中，用户频谱的M×N矩阵；i表示为网络中指定用户名；j表示为相比i用户的优先数值，其中j的取值越小，代表5G网络中，用户的优先数值越大，即用户对于此时j的数值特性愈发满意；Qij表示为用户在网络中可实现获取的网络容量，对应的矩阵元素为公式中Q元素；Sij表示为用户可支出的网络消费金额，对应的矩阵元素为公式中S元素；Fij表示为用户对于5G网络资源的丢包率，对应的矩阵元素为公式中F元素；Xil表示为用户对5G网络频谱资源的容量需求，对应的矩阵元素为公式中X元素；Yil表示为用户对5G网络频谱资源的价格需求，对应的矩阵元素为公式中Y元素；Zil表示为用户对5G网络频谱资源的信息丢包需求，对应的矩阵元素为公式中Z元素。根据上述提出的用户需求，对X、Y、Z元素进行频谱定义。定义函数如下公式所示。

公式（2）中：Qma、Sma、Fma分别对应矩阵中元素的最大值，Qmi、Smi、Fmi分别对应矩阵中元素的最小值。此过程中考虑到不同用户对于网络资源的需求不同，因此可直接采用对公式中i与j进行匹配程度分析的方式，进行用户使用网络适配程度的计算[3]。使用Matvh（ij）表示为匹配程度，当计算后的数值结果越高（无限趋近于1.0），表明两者的匹配程度越高；当计算后的数值结果越低（无限趋近于0.0），表明两者的匹配程度越低。在此种情况下，用户会优先选择匹配程度相对较高的用户。

1.2 用户和频谱资源对分配偏好优先级排序

综合上述构建的PRu矩阵，输出用户的优先数值由大到小排序，将排序矩阵表示为Ru。基于此种情况下，可认为Ru是5G网络中N名用户对导出的M种频谱的需求，综合计算匹配程度Matvh（ij）结果，对两者分配偏好进行优先级排序处理[4]。处理过程中，假定用户数量N表示为4.0，M表示为3.0，则用户2此时对于频谱的排序应处于最低位置。用户2的优先匹配顺序为（2.0,3.0,1.0），即用户2对于提出的三种网络频谱资源的喜好排名分别为2；3和1。

根据构建的优先数矩阵，得到排序矩阵，并对N个用户进行M种频谱的直接排序，按照优先数的大小，返回频谱数值。输出最终数值，根据排序进行用户满意度的分析，以此完成对用户和频谱资源对分配偏好优先级排序研究。

1.3 高中低段频谱资源分配

当前5G通信网络能够支持较大范围的应用场景，结合本文上述计算得出的用户对频谱资源偏好优先数和用户和频谱资源对分配偏好优先级排序，针对5G通信网络当中的高中低不同频段的频谱资源分别进行分配。针对6GHz以上的高频段为了保证用户能够在这一范围内获取到更多的有效频谱资源，将宽带引入幅度的频谱资源扩展到6GHz以上，为每个移动网络运营商分配百MHz可用物理带宽，并允许其对每个物理频段的共享和接入。针对低于6GHz频段以下的中低段频谱资源，在对其进行分配时，应当采用高级射频调制与三载波聚合等新技术，对LTE传输带宽能力进行扩展，在不对频谱资源分配规则进行大幅度修改的情况下，在低频段中实现对频谱资源的分配。通过上述论述得出，中低频段可利用宏基站部署或小基站部署的方式实现对频谱资源的分配；高频段可利用无线频谱资源，在毫米波频段用物理带宽增大的方式，完成对频谱资源的分配。

2 对比实验

本文为实现对提出的5G通信网络频谱资源分配方法在实际应用中的广泛性验证，选择在六个频段对其进行实验探究。

考虑到当前5G通信网络的应用特点，同时为保证本文实验的客观性，在本文分配方法和传统分配方法分别对资源进行分配时，下述参数均保持相同：用户所需加权平均速率均在[150 Mbit/s，350 Mbit/s]范围以内；频谱提供的容量均在[160 Mbit/s，340 Mbit/s]范围以内；信噪比均在[12 dB，35dB]范围以内；丢包率均在[10-7,10-5]范围以内；无线通信设备对频谱收费为2s3.5×108元。根据上述实验条件完成两种分配方法的对比实验后，将实验结果进行记录，并对频谱资源的利用率进行计算，计算公式为：频谱资源利用率=有效利用的频谱资源数量/总频谱资源数量×100%。根据上述公式计算频谱资源利用率后，结果如表1所示。

表1 两种分配方法实验结果对比表

由表1中的实验结果可以看出，本文方法频谱资源利用率明显高于传统分配方法的频谱资源利用率，同时，在高频段（序号1～3）由于资源穿透性较差，并且传统分配方法并未针对其进行合理处理，因此造成了高频段利用率低于中低端资源利用率的问题存在。而本文提出的5G通信网络频谱资源分配方法在对其不同频段的频谱资源进行分配时，综合考虑了不同段的具体特点，因此保证其利用率均能够达到90%以上。