5G通信網絡頻譜資源分配方法研究

藏濤，丁東艷

（鄭州信息科技職業學院信息工程學院，河南鄭州，450000）

0 引言

當前通信網絡已經逐步從4G達到5G，隨之用戶的需求逐漸向著多樣化發展，對通信網絡提出了低時延、高速率的通信需要[1]。同時，用戶需求的不斷加劇，也進一步造成了用戶對頻譜資源的需求不斷增加。當前頻譜資源十分有限，因此如何能夠根據5G通信網絡的特點，對頻譜資源進行合理的分配，既能夠滿足用戶的需要，同時又能夠讓頻譜資源得到有效利用是當前相關領域研究人員重點研究的問題[2]。當前現行分配方法包括：主動自愿分配方法、顏色敏感圖著色模型等。但其在實際應用中均存在分配成本高、分配效率低、無法滿足用戶實際需求等問題。基于此，本文開展5G通信網絡頻譜資源分配方法研究。

1 5G通信網絡頻譜資源分配方法設計

1.1 用戶對頻譜資源偏好優先數計算

在針對通信網絡頻譜資源分配行為實施的過程中，假定5G通信網絡的受眾群體內用戶的數量表示為N，其中N名用戶的頻譜值表示為M。此時需要根據上述兩者之間指標進行優先數矩陣的構建，將矩陣表示為PRu，矩陣的函數表示式如下：

公式（1）中：PRu表示為在5G網絡中，用戶頻譜的M×N矩陣；i表示為網絡中指定用戶名；j表示為相比i用戶的優先數值，其中j的取值越小，代表5G網絡中，用戶的優先數值越大，即用戶對于此時j的數值特性愈發滿意；Qij表示為用戶在網絡中可實現獲取的網絡容量，對應的矩陣元素為公式中Q元素；Sij表示為用戶可支出的網絡消費金額，對應的矩陣元素為公式中S元素；Fij表示為用戶對于5G網絡資源的丟包率，對應的矩陣元素為公式中F元素；Xil表示為用戶對5G網絡頻譜資源的容量需求，對應的矩陣元素為公式中X元素；Yil表示為用戶對5G網絡頻譜資源的價格需求，對應的矩陣元素為公式中Y元素；Zil表示為用戶對5G網絡頻譜資源的信息丟包需求，對應的矩陣元素為公式中Z元素。根據上述提出的用戶需求，對X、Y、Z元素進行頻譜定義。定義函數如下公式所示。

公式（2）中：Qma、Sma、Fma分別對應矩陣中元素的最大值，Qmi、Smi、Fmi分別對應矩陣中元素的最小值。此過程中考慮到不同用戶對于網絡資源的需求不同，因此可直接采用對公式中i與j進行匹配程度分析的方式，進行用戶使用網絡適配程度的計算[3]。使用Matvh（ij）表示為匹配程度，當計算后的數值結果越高（無限趨近于1.0），表明兩者的匹配程度越高；當計算后的數值結果越低（無限趨近于0.0），表明兩者的匹配程度越低。在此種情況下，用戶會優先選擇匹配程度相對較高的用戶。

1.2 用戶和頻譜資源對分配偏好優先級排序

綜合上述構建的PRu矩陣，輸出用戶的優先數值由大到小排序，將排序矩陣表示為Ru。基于此種情況下，可認為Ru是5G網絡中N名用戶對導出的M種頻譜的需求，綜合計算匹配程度Matvh（ij）結果，對兩者分配偏好進行優先級排序處理[4]。處理過程中，假定用戶數量N表示為4.0，M表示為3.0，則用戶2此時對于頻譜的排序應處于最低位置。用戶2的優先匹配順序為（2.0,3.0,1.0），即用戶2對于提出的三種網絡頻譜資源的喜好排名分別為2；3和1。

根據構建的優先數矩陣，得到排序矩陣，并對N個用戶進行M種頻譜的直接排序，按照優先數的大小，返回頻譜數值。輸出最終數值，根據排序進行用戶滿意度的分析，以此完成對用戶和頻譜資源對分配偏好優先級排序研究。

1.3 高中低段頻譜資源分配

當前5G通信網絡能夠支持較大范圍的應用場景，結合本文上述計算得出的用戶對頻譜資源偏好優先數和用戶和頻譜資源對分配偏好優先級排序，針對5G通信網絡當中的高中低不同頻段的頻譜資源分別進行分配。針對6GHz以上的高頻段為了保證用戶能夠在這一范圍內獲取到更多的有效頻譜資源，將寬帶引入幅度的頻譜資源擴展到6GHz以上，為每個移動網絡運營商分配百MHz可用物理帶寬，并允許其對每個物理頻段的共享和接入。針對低于6GHz頻段以下的中低段頻譜資源，在對其進行分配時，應當采用高級射頻調制與三載波聚合等新技術，對LTE傳輸帶寬能力進行擴展，在不對頻譜資源分配規則進行大幅度修改的情況下，在低頻段中實現對頻譜資源的分配。通過上述論述得出，中低頻段可利用宏基站部署或小基站部署的方式實現對頻譜資源的分配；高頻段可利用無線頻譜資源，在毫米波頻段用物理帶寬增大的方式，完成對頻譜資源的分配。

2 對比實驗

本文為實現對提出的5G通信網絡頻譜資源分配方法在實際應用中的廣泛性驗證，選擇在六個頻段對其進行實驗探究。

考慮到當前5G通信網絡的應用特點，同時為保證本文實驗的客觀性，在本文分配方法和傳統分配方法分別對資源進行分配時，下述參數均保持相同：用戶所需加權平均速率均在[150 Mbit/s，350 Mbit/s]范圍以內；頻譜提供的容量均在[160 Mbit/s，340 Mbit/s]范圍以內；信噪比均在[12 dB，35dB]范圍以內；丟包率均在[10-7,10-5]范圍以內；無線通信設備對頻譜收費為2s3.5×108元。根據上述實驗條件完成兩種分配方法的對比實驗后，將實驗結果進行記錄，并對頻譜資源的利用率進行計算，計算公式為：頻譜資源利用率=有效利用的頻譜資源數量/總頻譜資源數量×100%。根據上述公式計算頻譜資源利用率后，結果如表1所示。

表1 兩種分配方法實驗結果對比表

由表1中的實驗結果可以看出，本文方法頻譜資源利用率明顯高于傳統分配方法的頻譜資源利用率，同時，在高頻段（序號1～3）由于資源穿透性較差，并且傳統分配方法并未針對其進行合理處理，因此造成了高頻段利用率低于中低端資源利用率的問題存在。而本文提出的5G通信網絡頻譜資源分配方法在對其不同頻段的頻譜資源進行分配時，綜合考慮了不同段的具體特點，因此保證其利用率均能夠達到90%以上。

3 結束語

本文通過開展5G通信網絡頻譜資源分配方法研究，提出一種全新的分配方法，并通過實驗證明了該方法的應用優勢。同時，將本文方法應用于實際既能夠保證用戶需求，同時又能夠實現對有限頻譜資源的高效利用。