CN102781085B - 基于干扰限制的家庭基站功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是在OFDMA家庭基站系统中，通过基于博弈模型的功率控制算法来调节家庭基站的发射功率，达到提高家庭基站用户性能和限制对宏用户干扰的目的。给出的效用函数中引进了对宏用户干扰限制的要求，其中的拉格朗日参数根据次梯度法来更新。这样的效用函数不仅体现了家庭基站用户的性能，同时也体现了对宏用户的干扰门限值要求。基于该效用函数的功率控制方法在有效的提高了家庭基站用户的吞吐量的同时也满足了宏用户的干扰限制要求。

Description

基于干扰限制的家庭基站功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种特别用于OFDMA两层网络中的功率控制分配实现方案，属于通信技术领域。

背景技术

随着通信行业的持续发展，用户越来越多，宏蜂窝小区的通信要求也是越来越高，小区内用户的覆盖问题也越来越需要得到更好的解决。研究表明，在宏蜂窝小区中,大约2/3的语音业务和超过70%的数据业务发生在室内。而随着人们对数据业务需求的增强,这一比例还会进一步升高。电磁波穿透建筑物会受到很大的穿透损耗,导致信号质量大幅度下降,因此如何为如此高比例的室内通信提供质量保证是通信人员必须面对的问题。室内覆盖的好坏是移动网络服务质量的重要体现，对于手机用户来说，室内覆盖质量已成为影响客户在网稳定性的重要原因。针对室内覆盖问题,家庭基站的建立被提出。家庭基站的提出有很重要的意义。家庭基站是一种毫微微米蜂窝基站，面向住宅或企业环境，一般通过有线网络连接运营商核心网络。已经在在3GPP的长期演进（LTE）项目中得到了应用。

LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进，是3G与4G技术之间的一个过渡，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。3GPP长期演进(LTE)项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看作“准4G”技术。

与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。LTE下行链路主要采用OFDMA技术。OFDMA是OFDM技术的演进，在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。OFDM系统有着优越的性能，其优点主要包括：(1) 频谱利用率较高，(2) 抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强，(3) 抗符号间干扰能力强，(4) OFDM系统可以方便地与其它接入方式结合使用，比如多载波码分多址MC-CDMA，跳频OFDMA，OFDM-TDMA等，拓展了OFDM的应用环境。

功率控制是为使小区内所有移动台到达基站时信号电平基本维持在相等水平、通信质量维持在一个可接收水平，对移动台功率进行的控制。功率控制分为前向与反向功率控制，反向功率控制又分为开环功率控制和闭环功率控制，闭环功率控制细分为外环功率控制和内环功率控制。功率控制是一项关键技术。由于远近效应和自干扰问题，功率控制是否有效直接决定了系统是否可用。功率控制既能符合最低的通信要求，同时又避免对其他用户信号产生不必要的干扰。功率控制的作用是减少系统内的相互干扰，使系统容量最大化。

在宏基站与家庭基站的两层网络模型中，在共频谱的通信过程中，基站与用户，基站与基站之间会存在干扰。在下行链路的数据传输过程中，家庭基站的发射功率过大则对其他家庭基站的用户和宏用户会产生很大的干扰，过小则会影响家庭基站用户的性能。所以通过调节家庭基站的发射功率的大小可以控制用户的性能和对宏用户的干扰，如何调节家庭基站的发射功率来提高家庭基站用户的性能和满足对宏用户的干扰限制问题需要解决。

博弈论是一种很重要的数学方法，它把研究对象分别看作博弈参与者，对象的选择看作策略空间，以效用函数的形式来表达需要研究的目标。博弈论在各个领域中得到了广泛的应用。在研究的通信问题中，利用博弈模型来解决用户性能优化提高问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是在于提供一种在OFDMA家庭基站系统中下行链路上功率控制方法来提高用户的性能。在博弈论的基础上，将家庭基站看作是博弈参与者，家庭基站的发射功率当作是参与者的策略空间，家庭基站用户与宏用户的性能问题体现在博弈的效用函数当中。该方法能保证家庭基站用户的性能得到提高和满足对宏用户的干扰限制要求。

技术方案：本发明在OFDAM系统中家庭基站网络下行链路上用户的性能提高和干扰限制问题，通过功率控制算法来提高家庭基站用户的性能，同时能满足宏用户的干扰门限值要求。在博弈模型中，研究目标通过效用函数来表示，随后根据这个问题提出了基于博弈模型的效用函数，这个效用函数中除了和家庭基站本身的用户性能相关外还引进了关于宏用户干扰限制的因素，这样在这个效用函数中就同时表达了需要考虑的目标因素。

如图1所示，考虑在一个宏小区内，随机分布一部分家庭基站以及宏用户，每个家庭基站范围内随机分布一个家庭用户，将整个信道分成几个子信道，每个宏用户占用一个子信道，家庭基站在所以信道上都可以进行数据传输。所以在每个子信道上，家庭基站与家庭用户之间会产生干扰，家庭基站也会对宏用户产生干扰。

本发明考虑家庭基站用户和宏用户的性能，效用函数体现了家庭基站用户的性能，同时也体现了宏用户的性能问题。在这个博弈模型中，家庭基站是博弈参与者，家庭基站的发射功率是博弈的策略空间，家庭基站用户和宏用户的性能体现为该博弈模型的效用。

对于家庭基站用户总的吞吐量可以表示为：                                               ，为在每个信道上每个家庭基站用户的吞吐量。根据博弈论的概念，如果每个博弈参与者的性能都达到了最优，那么所有博弈参与者的总的性能也能得到很大的提高，利用博弈的方法来优化每个家庭基站用户的性能，从而使得最后系统的性能得到提高。

基于干扰限制的家庭基站功率控制方法方法包括以下步骤：

a.在一个宏小区内，宏基站与家庭基站共频谱传输数据，将信道分成几个子信道，每个宏用户占用一个子信道，每个家庭基站在所有子信道上都可以进行数据传输；

b.家庭基站为博弈参与者，在博弈模型中，维数为家庭基站的数目，为博弈策略空间，即家庭基站的发射功率，为和家庭基站发射功率相关的效用；

c．不考虑干扰限制时，定义用户占用信道的效用函数为：，其中为在第个信道上家庭基站用户的信干噪比，为家庭基站的发射功率，为家庭用户接收到来自其他家庭基站的干扰值，为非负的权重系数，为加性高斯白噪声，，其中为第个家庭基站用户与第个家庭基站之间的路径损耗，为宏基站的发射功率，为第个家庭用户与宏基站之间的路径损耗；

d.确定优化问题为M个家庭基站用户的总效用最大，即，同时保证家庭基站对宏用户的累积干扰其中小于门限值，即，家庭基站发射功率之和小于最大值，利用拉格朗日算法来解决这个优化问题，则拉格朗日等式为，为拉格朗日参数；

e.考虑干扰限制时，定义用户占用信道的效用函数为： ，其中与家庭基站对宏用户的干扰相关，，为拉格朗日参数，根据次梯度法来更新变量：，其中，为一个非负的系数。

有益效果：本发明提供的下行链路中家庭基站的发射功率控制方法能有效的提高家庭基站用户的吞吐量，同时也提高了宏用户的性能，即满足了对宏用户的干扰限制要求。无论是家庭基站用户还是宏用户，在其性能上本发明提出的算法都比原有的功率控制算法要好。

附图说明

图1 是OFDMA的系统模型。

具体实施方式

与家庭基站相关的效用函数为：

                                      （1）

其中为在第个信道上家庭基站用户的信干燥比，为家庭基站的发射功率，为家庭用户i接收到来自其他家庭基站的干扰值，为非负的权重系数，为加性高斯白噪声。家庭基站用户的信干噪比为：

              （2）

在上式中为第个家庭基站用户与第个家庭基站之间的路径损耗，为宏基站的发射功率，为第个家庭用户与宏基站之间的路径损耗。考虑到宏用户的干扰限制问题，可以在这个效用函数的基础上加上第三项，这一项和宏用户的干扰有关。因为每个子信道之间没有干扰，所以只要讨论每个子信道上的用户的性能，则可以将本发明的问题写成如下形式：

                                                   （3）

采用拉格朗日的方法求解这个优化问题，则拉格朗日等式为：

                                                （5）

其中每个信道上宏用户接收到来自家庭基站的干扰，为宏用户的干扰门限值，设计的新的家庭基站的效用函数为：

                                    （6）

其中与对宏用户的干扰相关，，为拉格朗日参数，根据次梯度法来更新变量：

              （7）

                                                       （8）

为一个非负的参数系数。通过这个次梯度的方法迭代获得的值，然后根据博弈论的方法迭代获得最终家庭基站的发射功率。根据以上的描述，已经确定了设计的基于博弈论的效用函数。

（二）纳什均衡的证明

根据博弈论的概念知道，博弈论的效用函数需要满足纳什均衡的条件，接下来证明设计的新的博弈效用函数的纳什均衡的存在性。

如若一个博弈模型满足以下两个限制条件，则此博弈模型一定存在纳什均衡[9]：

（1）策略空间是欧几里得空间中有界的，闭的，非空的凸集，

（2）在其策略空间上连续，且为拟凸（凹）函数，其中表示参与者集合，为策略空间，则为效用函数。

可知此博弈模型的策略空间为，易知满足第一个限制条件，同时也可证明效用函数的连续性，则只要证明效用函数的凹凸性即可。

                    （9）

                   （10）

，根据等式(10)知道，这个效用函数在策略空间上是拟凹函数，所以满足第（2）个限制条件，也就证明了设计的效用函数的纳什均衡的存在性。

（三）功率控制流程

根据上面所述的新的博弈效用函数，可以获得新的家庭基站的发射功率，具体方法如下，首先令对的一阶偏导数等于零，即：

                      （11）

则得到功率的表达式为：

                       （12）

根据等式（7）（8）（12）可以得到家庭基站的最终发射功率，在迭代过程中考虑宏用户的干扰门限限制问题，具体功率控制算法流程如下：

（1）初始化：令， ，，，

（2）根据等式和来计算求得这次迭代过程中所得到的功率，

（3）根据获得的新的家庭基站的发射功率来计算每个信道上宏用户接收到来自家庭基站的干扰值，并与宏用户的干扰门限值比较，如果大于宏用户的干扰门限值，则减小在这个信道上的家庭基站的发射功率。具体的方法与上面所述的相同。以此来重新获得新的家庭基站的发射功率，

（4）根据求得的新的家庭基站的发射功率来更新参数，，

，

（5），返回（2）直到满足条件，是一个很小的常数参数。

通过这个在博弈论基础上基于宏用户干扰限制的功率控制算法，可以得到家庭基站的发射功率，本方法使家庭基站用户的性能得到提高，同时也满足了宏用户的干扰门限值。

Claims (1)

1.一种基于干扰限制的家庭基站功率控制方法方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a.在一个宏小区内，宏基站与家庭基站共频谱传输数据，将信道分成几个子信道，每个宏用户占用一个子信道，每个家庭基站在所有子信道上都可以进行数据传输；

b.家庭基站为博弈参与者，在博弈模型G＝{M,{p},U(p)}中，维数M为家庭基站的数目，{p}为博弈策略空间，即家庭基站的发射功率，U(p)为和家庭基站发射功率相关的效用；

c.不考虑干扰限制时，定义第i个家庭基站的用户占用信道n的效用函数为：其中r_i,n为在第n个信道上第i个家庭基站的用户的信干噪比，p_i,n为第i个家庭基站的发射功率，为第i个家庭基站的用户接收到来自其他家庭基站的干扰值，a为非负的权重系数，σ²为加性高斯白噪声，i＝1,2,3···M,n＝1,2,3,···N，其中g_ij为第i个家庭基站的用户与第j个家庭基站之间的路径损耗，g_ii为第i个家庭基站的用户与第i个家庭基站之间的路径损耗，p_m为宏基站的发射功率，g_i0为第i个家庭基站的用户与宏基站之间的路径损耗；

d.确定优化问题为M个家庭基站用户的总效用最大，即同时保证家庭基站对宏用户的累积干扰小于门限值I，即其中n＝1,2,3···N，h_ni为第i个家庭基站在信道n上与宏用户之间的路径损耗，家庭基站发射功率之和小于最大值p_max，利用拉格朗日算法来解决这个优化问题，则拉格朗日等式为I_t为宏用户的干扰门限值，λ_n为拉格朗日参数；

e.考虑干扰限制时，定义用户i占用信道n的效用函数为： $u_{i,n}=\log (1+r_{i,n})-a(I_i^f+{\mathrm{\σ}}^2)p_{i,n}-p_{i,n}{l}_n,$ 其中l_n与家庭基站对宏用户的干扰相关，λ_n为拉格朗日参数，根据次梯度法来更新变量λ_n： ${\mathrm{\λ}}_n(k+1)=\max \{0,{\mathrm{\λ}}_n\left(k\right)+\mathrm{\Δ}\left(k\right)(I_n^m\left(k\right)-I_t)\},$ 其中 $\mathrm{\Δ}\left(k\right)=\frac{\mathrm{\η}}{I_t\sqrt{k}},$ η为一个非负的系数。