一种基于图染色和代价函数的全局频率规划方法和系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于图染色和代价函数的全局频率规划方法和系统。

背景技术

目前频率规划方法大多是针对蜂窝网络等基站布局较为规则的无线通信网络，一般呈现六边形蜂窝小区模型分布，可使用规则分组模型(BCCH、TCH、BSIC等)进行频率分配，也可采用遗传算法、神经网络算法、模拟退火等方法进行搜索。

但是对于一些特殊通信场景(包括但不限于航空组网、防区巡逻、分区巡检等场景)，由于其具有地面站部署位置受限、分布不规则、使用时间较为集中、频率资源极其有限等应用特点，无法使用传统的BCCH、TCH、BSIC等规则分组模型进行频率分配；同时，传统的频率规划方法通常基于监测资源专用信道质量、载波干扰比或信道干扰电平等信息，需要进行较长周期的测量和计算，算法也具有复杂度高、收敛性差等特点，无法适应快速灵活规划和部署的应用需求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于图染色和代价函数的全局频率规划方法和系统，旨在解决背景技术中确定的现有技术存在的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于图染色和代价函数的全局频率规划方法，所述方法包括：

获取待规划频率的站点信息，所述站点信息至少包括站点位置、站点间距离信息和站点连通关系；

根据所述站点信息输出关于子连通图的划分结果，所述划分结果至少包括子连通图的数量、组成和拓扑关系，所述子连通图用于表征站点的通信范围交叠关系；

以直接连通的相邻站点间的频率不同为原则，通过图染色算法进行频点分配；

遍历所有站点，统计出未进行频率分配的站点集合；

判定站点集合是否为空，当所述站点集合不为空时，计算未进行频率分配的站点与其直接连通站点分配相同频率时的干扰代价函数，并以代价函数最小为最优原则进行频率分配，直至站点集合为空。

本发明实施例的另一目的在于提供一种基于图染色和代价函数的全局频率规划系统，所述系统包括：

频率规划准备模块，用于获取待规划频率的站点信息，所述站点信息至少包括站点位置、站点间距离信息和站点连通关系；

站点连通图生成模块，用于根据所述站点信息输出关于子连通图的划分结果，所述划分结果至少包括子连通图的数量、组成和拓扑关系，所述子连通图用于表征站点的通信范围交叠关系；以及

全局频率规划计算模块，所述全局频率规划计算模块包括：

第一分配单元，用于以直接连通的相邻站点间的频率不同为原则，通过图染色算法进行频点分配；

遍历单元，用于遍历所有站点，统计出未进行频率分配的站点集合；以及

第二分配单元，用于判定站点集合是否为空，当所述站点集合不为空时，计算未进行频率分配的站点与其直接连通站点分配相同频率时的干扰代价函数，并以代价函数最小为最优原则进行频率分配，直至站点集合为空。

本发明实施例能够根据站点位置和用户工作概率等信息实现自动、快速的全局频率规划，经实际工程系统运行结果验证，能够有效地降低站点间的相互干扰，使各站点协调组网工作，且计算时间复杂度较低，能够满足实际应用需求，根据频率资源情况自适应地调整频率规划策略，有效地解决了该类场景下站点密集、频率资源不足时导致的相互干扰严重的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的站点位置受限的通信网络典型拓扑示意图；

图2为本发明实施例提供的相邻站点采用相同工作频率时不产生干扰的场景示意图；

图3为本发明实施例提供的相邻站点采用相同工作频率时产生干扰交叠区域的场景示意图；

图4为本发明实施例提供的基于图染色和代价函数的全局频率规划方法的步骤示意图；

图5为本发明实施例提供的基于图染色和代价函数的全局频率规划方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的根据所述站点信息输出关于子连通图的划分结果的流程图；

图7为本发明实施例提供的根据所述站点信息输出关于子连通图的划分结果的步骤示意图；

图8为本发明实施例提供的通过图染色算法进行频点分配的流程图；

图9为本发明实施例提供的以代价函数最小为最优原则进行频率分配的流程图；

图10为本发明实施例提供的基于图染色和代价函数的全局频率规划系统的结构框图；

图11为本发明实施例提供的全局频率规划计算模块的结构框图；

图12为本发明实施例提供的站点连通图生成模块的结构框图；

图13为本发明实施例提供的第一分配单元的结构框图；

图14为本发明实施例提供的第二分配单元的结构框图；

图15为一个实施例中计算机设备的内部结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。

由于如图1所示的无线通信网络中(S

如图4和图5所示，在一个实施例中，提出了一种基于图染色和代价函数的全局频率规划方法，具体可以包括以下步骤：

步骤S100，获取待规划频率的站点信息，所述站点信息至少包括站点位置、站点间距离信息和站点连通关系。

本发明实施例中，获取待规划频率的站点信息的方式可以通过人机界面输入或者读取文件等方式实现，本发明实施例在此不做具体限定，站点信息会直接影响后续的划分以及频点分配结果等。

步骤S200，根据所述站点信息输出关于子连通图的划分结果，所述划分结果至少包括子连通图的数量、组成和拓扑关系，所述子连通图用于表征站点的通信范围交叠关系。

本发明实施例中，子连通图可表征站点的通信范围交叠关系，每个子连通图可以视为一个站点群组，站点群组内的站点存在连通关系。

步骤S300，以直接连通的相邻站点间的频率不同为原则，通过图染色算法进行频点分配。

本发明实施例中，根据相邻两个站点的无线传输覆盖距离之和与两个站点间距离的关系，定义当任意两个站点的无线传输覆盖距离之和小于或等于两个站点间距离时，定义这两个站点为直接连通站点、具有直接连通性；当任意两个站点的无线传输覆盖距离之和大于两个站点间距离时，定义这两个站点为不直接连通站点；当两个站点虽不直接连通、但可通过其他站点转发实现连通，则定义这两个站点为间接直通站点、具有间接连通性；当两个站点既不能直接连通，也不可通过其他站点转发实现连通，定义这两个站点为不连通站点、不具有连通性。

在本发明实施例中，要实现直接连通的相邻站点间的频率不同，则要求直接连通的相邻站点间需要使用不同的频率，该问题可抽象为连通图的相邻顶点需要染为不同颜色的模型，因此可应用图染色相关算法进行先一阶段的频点分配。

步骤S400，遍历所有站点，统计出未进行频率分配的站点集合。

本发明实施例中，在应用图染色相关算法进行先一阶段的频点分配后，由于资源有限或站点密集，可能存在一些站点无法无干扰地分配频点，此时则进行第二阶段的处理，即将尚未完成频点分配的站点进行统计。

步骤S500，判定站点集合是否为空，当所述站点集合不为空时，计算未进行频率分配的站点与其直接连通站点分配相同频率时的干扰代价函数，并以代价函数最小为最优原则进行频率分配，直至站点集合为空。

本发明实施例中，站点集合不为空，即表明存在一些站点无法无干扰地分配频点，此时则进行第三阶段的处理，即通过计算站点与其直接连通站站点间的干扰代价函数，并选择最优的频率分配方案，使得站点分配频率后产生的干扰影响最小，从而完成这些未分配站点的频率规划。

在一个实施例中，步骤S200具体可以包括以下步骤：

将存在直接或间接连通关系的所有站点划分至同一子连通图中，每个所述子连通图中至少存在一个站点，直至所有站点均完成子连通图的划分。

本发明实施例中，由于子连通图可表征站点的通信范围交叠关系，每个子连通图可以视为一个站点群组，站点群组内的站点存在连通关系，因此在进行子连通图的划分时，将存在直接或间接连通关系的所有站点划分至同一子连通图中，最终可以得到至少两个的子连通图。

在一个实施例中，如图6和图7所示，步骤S200具体可以包括以下步骤：

步骤S201，为所有待规划频率的站点设置子连通图标识，初始化为0，子连通图序号初始化设置为0。

本发明实施例中，子连通图标识为0，即意味着目前还未进行子连通图的划分。

步骤S202，从待规划频率的站点中选取一个站点。

本发明实施例中，选取站点的方式可以通过随机选取、顺序选取、按站点的直接连通度从大到小选择或按站点重要度从高到低选择等方式。本发明实施例中所提及的站点的直接连通度是指与某站点直接连通的所有站点的总数量，站点直接连通度越大，即当与该站点直接连通的站点数量越多时，此时，该站点与其他站点发生干扰的可能性越大。

步骤S203，当该站点未完成子连通图的划分时，将当前子连通图序号加1，并将更新后的子连通图序号填入该站点的子连通图标识。

步骤S204，获取与该站点具有直接连通关系、且尚未划分子连通图的站点，为其赋予当前的子连通图序号，并逐一为与所获取站点具有直接连通关系、且尚未划分子连通图的站点赋予当前的子连通图序号。

本发明实施例中，该步骤是个迭代的过程，例如以事先选取的站点i为例，与其具有直接连通关系、且尚未划分子连通图的站点分别为站点j和站点k，之后又找寻与站点j和站点k具有直接连通关系、且尚未划分子连通图的站点，例如分别为站点m和站点n，直至无法找寻到新的站点为止。至此相当于完成了一个子连通图的划分。

步骤S205，判定是否有站点未进行子连通图的划分。

步骤S206，当存在站点未进行子连通图的划分时，继续迭代执行子连通图的划分步骤，直至所有站点均完成子连通图的划分。

本发明实施例中，当存在站点未进行子连通图的划分时，则相当于返回步骤S203，继续进行新一个子连通图的划分，如果没有站点未进行子连通图的划分，则进入步骤S207。

步骤S207，输出所有站点的子连通图划分结果，包括所有子连通图的数量、各子连通图的组成及拓扑关系等。

在一个实施例中，如图5和图8所示，步骤S300具体可以包括以下步骤：

步骤S301，选取子连通图中的一个待分配站点。

本发明实施例中，待分配站点的选取方式为随机选取、顺序选取、按站点的直接连通度从大到小选择、以及按站点重要度从高到低选择等方式，本发明实施例在此不做具体的限定。

步骤S302，从待分配频点库中选择待分配频点赋予当前待分配站点。

步骤S303，获取当前子连通图中与当前待分配站点不直接连通且未分配频点的所有站点，得到待分配站点集合。

本发明实施例中，子连通图中的站点间只存在直接连通或者间接连通两种情况，而如果直接连通的两个站点频点相同的话，就会出现干扰，因此本发明实施例中，则是首先找出与当前待分配站点不直接连通且未分配频点的所有站点，得到待分配站点集合。

步骤S304，针对待分配站点集合中的每个站点，当待分配频点和与待分配站点集合中站点直接连通的站点的频点不相同时，将待分配频点赋予待分配站点集合中的站点。

本发明实施例中，虽然待分配站点集合中均是与步骤S302中当前待分配站点存在不直接连通关系的，但是必然会存在待分配站点集合中两个站点是直接连通关系的，因此在频点分配时，对于每个站点，需要首先判定该站点和与该站点存在直接连通关系的其他站点的是否存在频点相同的情况，如果不存在，那么就直接分配频点，如果存在则不进行分配。

步骤S305，遍历当前子连通图的所有站点，当当前子连通图中存在未分配频点的站点且待分配频点库还存在可用待分配频点时，继续按前述步骤进行频点分配。

本发明实施例中，未分配频点的站点，可能是因为其与步骤S302中当前待分配站点存在直接连通关系的，也有可能是处于待分配站点集合中但与相邻站点存在直接连通关系的，对于这部分站点，则需要从待分配频点库中选择未分配过的频点再次分配。

步骤S306，若当前子连通图的站点均已完成频点分配或待分配频点库不存在可用待分配频点时，继续为下一个子连通图中的站点进行频点分配，直至所有子连通图均进行了频点分配。

需要特别说明的是，本发明实施例中，所有子连通图均进行了频点分配，并不是意味着所有子连通图中的所有站点均进行了频点分配，可能因为频点不足或者站点关系过于复杂导致部分站点仍未分配频点的情况存在。

在一个实施例中，如图9所示，步骤S500具体可以包括以下步骤：

步骤S501，选取未进行频率分配的站点集合中的一个站点。

本发明实施例中，选取站点的方式可以通过随机选取、顺序选取、按站点的直接连通度从大到小选择或按站点重要度从高到低选择等方式。

步骤S502，计算与所述站点直接连通的所有站点间的干扰代价函数大小。

本发明实施例中，所述干扰代价函数是指两个具有直接连通性的相邻站点分配同一频率的干扰代价。

步骤S503，选择干扰代价函数最小所对应的站点的频点赋予该站点，直至未进行频率分配的站点集合中的所有站点均完成频点分配。

本发明实施例在实际应用时，在站点过于密集、频点资源极其有限，无法保证将所有存在相互干扰的站点分配为不同的频率的情况下，可以代价最小的方式完成频点的分配。

在一个实施例中，所述干扰代价函数为：

其中，P

本发明实施例中，根据相邻地面站点的位置、用户工作时间等因素，对用户同时接收到两个站点的信号且使用相同工作频率时发生碰撞的概率进行建模。

假设用户一天最长可工作时长均为T，归属站点i的用户的实际工作时长为T

而且两个站点距离D

如图10和图11所示，在一个实施例中，提供了一种基于图染色和代价函数的全局频率规划系统，所述系统包括频率规划准备模块100、站点连通图生成模块200和全局频率规划计算模块300。

所述频率规划准备模块100，用于获取待规划频率的站点信息，所述站点信息至少包括站点位置、站点间距离信息和站点连通关系。

所述站点连通图生成模块200，用于根据所述站点信息输出关于子连通图的划分结果，所述划分结果至少包括子连通图的数量、组成和拓扑关系，所述子连通图用于表征站点的通信范围交叠关系。

所述全局频率规划计算模块300包括第一分配单元301、遍历单元302和第二分配单元303。

所述第一分配单元301，用于以直接连通的相邻站点间的频率不同为原则，通过图染色算法进行频点分配。

所述遍历单元302，用于遍历所有站点，统计出未进行频率分配的站点集合。

所述第二分配单元303，用于判定站点集合是否为空，当所述站点集合不为空时，计算未进行频率分配的站点与其直接连通站点分配相同频率时的干扰代价函数，并以代价函数最小为最优原则进行频率分配，直至站点集合为空。

如图12所示，在一个实施例中，所述站点连通图生成模块200包括初始化单元201、站点选取单元202、第一判定单元203、第一迭代划分单元204、第二判定单元205、第二迭代划分单元206和结果输出单元207。

所述初始化单元201，用于为所有待规划频率的站点设置子连通图标识，初始化为0，子连通图序号初始化设置为0。

所述站点选取单元202，用于从待规划频率的站点中选取一个站点。

所述第一判定单元203，用于当该站点未完成子连通图的划分时，将当前子连通图序号加1，并将更新后的子连通图序号填入该站点的子连通图标识。

所述第一迭代划分单元204，用于获取与该站点具有直接连通关系、且尚未划分子连通图的站点，为其赋予当前的子连通图序号，并逐一为与所获取站点具有直接连通关系、且尚未划分子连通图的站点赋予当前的子连通图序号。

所述第二判定单元205，判定是否有站点未进行子连通图的划分。

所述第二迭代划分单元206，当存在站点未进行子连通图的划分时，继续迭代执行子连通图的划分步骤，直至所有站点均完成子连通图的划分。

所述结果输出单元207，用于输出所有站点的子连通图划分结果。

如图13所示，在一个实施例中，所述第一分配单元301包括第一待分配站点确定子单元3011、第一频点赋予子单元3012、待分配站点集合确定子单元3013、第二频点赋予子单元3014、第一迭代分配子单元3015和第二迭代分配子单元3016。

所述第一待分配站点确定子单元3011，用于选取子连通图中的一个待分配站点；

所述第一频点赋予子单元3012，用于从待分配频点库中选择待分配频点赋予当前待分配站点；

所述待分配站点集合确定子单元3013，用于获取当前子连通图中与当前待分配站点不直接连通且未分配频点的所有站点，得到待分配站点集合；

所述第二频点赋予子单元3014，用于针对待分配站点集合中的每个站点，当待分配频点和与待分配站点集合中站点直接连通的站点的频点不相同时，将待分配频点赋予待分配站点集合中的站点；

所述第一迭代分配子单元3015，用于遍历当前子连通图的所有站点，当当前子连通图中存在未分配频点的站点且待分配频点库还存在可用待分配频点时，继续按前述步骤进行频点分配；

所述第二迭代分配子单元3016，用于若当前子连通图的站点均已完成频点分配或待分配频点库不存在可用待分配频点时，继续为下一个子连通图中的站点进行频点分配，直至所有子连通图均进行了频点分配。

如图14所示，在一个实施例中，所述第二分配单元303包括第二待分配站点确定子单元3031、干扰代价函数计算子单元3032和第三迭代分配子单元3033。

所述第二待分配站点确定子单元3031，用于选取未进行频率分配的站点集合中的一个站点。

所述干扰代价函数计算子单元3032，用于计算与所述站点直接连通的所有站点间的干扰代价函数大小。

所述第三迭代分配子单元3033，选择干扰代价函数最小所对应的站点的频点赋予该站点，直至未进行频率分配的站点集合中的所有站点均完成频点分配。

图15示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、输入装置和显示屏。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现基于图染色和代价函数的全局频率规划方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行基于图染色和代价函数的全局频率规划方法。计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图15中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，本申请提供的基于图染色和代价函数的全局频率规划系统可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图15所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该基于图染色和代价函数的全局频率规划系统的各个程序模块，比如，图10所示的A模块、B模块和C模块。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的本申请各个实施例的基于图染色和代价函数的全局频率规划方法中的步骤。

在一个实施例中，提出了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

步骤S100，获取待规划频率的站点信息，所述站点信息至少包括站点位置、站点间距离信息和站点连通关系。

步骤S200，根据所述站点信息输出关于子连通图的划分结果，所述划分结果至少包括子连通图的数量、组成和拓扑关系，所述子连通图用于表征站点的通信范围交叠关系。

步骤S300，以直接连通的相邻站点间的频率不同为原则，通过图染色算法进行频点分配。

步骤S400，遍历所有站点，统计出未进行频率分配的站点集合。

步骤S500，判定站点集合是否为空，当所述站点集合不为空时，计算未进行频率分配的站点与其直接连通站点分配相同频率时的干扰代价函数，并以代价函数最小为最优原则进行频率分配，直至站点集合为空。

在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行以下步骤：

步骤S100，获取待规划频率的站点信息，所述站点信息至少包括站点位置、站点间距离信息和站点连通关系。

步骤S200，根据所述站点信息输出关于子连通图的划分结果，所述划分结果至少包括子连通图的数量、组成和拓扑关系，所述子连通图用于表征站点的通信范围交叠关系。

步骤S300，以直接连通的相邻站点间的频率不同为原则，通过图染色算法进行频点分配。

步骤S400，遍历所有站点，统计出未进行频率分配的站点集合。

步骤S500，判定站点集合是否为空，当所述站点集合不为空时，计算未进行频率分配的站点与其直接连通站点分配相同频率时的干扰代价函数，并以代价函数最小为最优原则进行频率分配，直至站点集合为空。

应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。