CN103068024A - 家庭基站系统中的联合信道分配与功率控制方法 - Google Patents

家庭基站系统中的联合信道分配与功率控制方法 Download PDF

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CN103068024A
CN103068024A CN2013100406928A CN201310040692A CN103068024A CN 103068024 A CN103068024 A CN 103068024A CN 2013100406928 A CN2013100406928 A CN 2013100406928A CN 201310040692 A CN201310040692 A CN 201310040692A CN 103068024 A CN103068024 A CN 103068024A
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朱琦
穆施瑶
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Nanjing Post and Telecommunication University
Nanjing University of Posts and Telecommunications
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Nanjing Post and Telecommunication University
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Abstract

本发明的目的在于提供一种家庭基站系统中的联合信道分配与功率控制方法，通过优化目标将家庭网络的信道分配和功率控制结合，较于干扰最小原则，采用凸优化和次梯度方法，求解出功率的闭合式，保证家庭基站网络容量的最大化。另外，将家庭基站网络容量的优化与宏基站容量的优化相联系，为宏用户合理分配信道，使宏基站的容量在同条件下达到了最大。与单纯的功率控制算法相比，该算法不仅大幅度提高了家庭基站网络的容量，同时宏基站容量也得到提升。

Description

家庭基站系统中的联合信道分配与功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种家庭基站系统中家庭基站分配信道和控制功率的实现方案，属于通信技术领域。
 
背景技术
作为提高移动用户室内通话速率的一项新技术，家庭基站系统正越来越受到人们的关注。用户在家中或是办公室中放置家庭基站（HBS），家庭基站通过DSL或电缆与网络服务提供商联系。从用户的角度，提高了室内的服务质量和通话速率。从网络服务提供商的角度，缓解了宏基站（MBS）的压力，提高了网络整体的覆盖面积和容量。因而，家庭基站（femtocells）正日渐成为一种满足高速率无线应用的有效技术。
 为提高频谱的利用率，满足用户的速率要求，在由家庭基站和宏基站组成的双层网络中，家庭用户和宏用户可共享频谱。因此，家庭基站网络与宏基站网络之间的跨层干扰以及家庭基站网络层内的干扰会极大的限制网络的性能。如何减小此双层网络中的干扰已成为一大研究热点。概括而言，功率控制和信道分配是减小网络干扰，提高容量的主要方法。如何实现两者的协调统一，从而最高效的减小干扰、提高容量，是本发明的研究问题之一。本发明的另一研究问题是协调宏用户和家庭用户间信道分配的关系。
  实现功率控制和信道分配主要有中央控制和分布控制两种方法，对于中央控制方式，由中心点管理各小区的资源，分布控制中，各小区自主管理资源。尽管分布式控制更为简单，但是中央控制可更有效的调配资源，提高系统性能。同时，随着3GPP一些新标准的提出，如CoMP（Coordinated Multipoint），中央控制的可操作性正日益增强。因此，越来越多的研究开始关注中央控制，本发明即是以中央控制的方式实现资源分配。
 
发明内容
技术问题： 本发明的目的是在于提供一种家庭基站系统中的联合信道分配与功率控制方法，通过优化目标将家庭网络的信道分配和功率控制结合，采用凸优化和次梯度方法，求解出功率的闭合式，保证了家庭基站网络容量的最大化。另外，算法将家庭基站网络容量的优化与宏基站容量的优化相联系，为宏用户合理分配信道，使宏基站的容量在同条件下达到了最大。
技术方案：本方法的设计紧密结合国内外最新的研究动态与成果，通过优化问题的建立，将家庭系统中的信道选择和功率控制问题，家庭系统的信道选择和宏系统的信道选择问题结合在一起。采用了理论分析、可行性论证和计算机仿真相结合的方法，从理论和仿真两个方面验证了所提出的方案。
本发明所针对的家庭基站系统结构如图1所示，考虑一个宏蜂窝小区内有多个家庭小区和多个宏用户，每个家庭小区内有多个家庭用户，宏小区和家庭小区共用频谱，宏用户之间和家庭用户之间使用不同的频段。
如图1所示，上行信道中，宏基站接收宏用户发送的信号（信号1）时，会受到来自使用相同信道的家庭用户对宏基站的干扰（干扰1）；家庭基站接收家庭用户的信号（信号2）会受到来自使用相同信道的其它家庭用户对本家庭基站的干扰（干扰2）。宏用户                                               
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE002
与宏基站之间的信道增益为
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE004
，家庭用户
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE006
与邻家庭基站之间的信道增益为，家庭用户与本家庭基站
Figure 95147DEST_PATH_IMAGE008
之间的信道增益为
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE012
，家庭用户与宏基站之间的信道增益为
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE014
，家庭用户
Figure 889108DEST_PATH_IMAGE008
在信道
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE016
上的发射功率为
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE018
，其中
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE020
（N指家庭小区的个数，
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE022
指每个家庭小区内的家庭信道数，
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE024
指信道总数）。引入的信道选择因子为
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE026
，取值为0和1，为1表明家庭用户
Figure 240586DEST_PATH_IMAGE008
占用了信道
Figure 641611DEST_PATH_IMAGE016
，为0表明家庭用户未占用信道
Figure 418736DEST_PATH_IMAGE016
。宏用户
Figure 862487DEST_PATH_IMAGE002
在信道
Figure 78704DEST_PATH_IMAGE016
上的发射功率为
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE032
，引入信道选择因子
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 836576DEST_PATH_IMAGE034
为1，表明宏用户
Figure 189060DEST_PATH_IMAGE002
占用了信道
Figure 803712DEST_PATH_IMAGE016
，为0，表明宏用户
Figure 865526DEST_PATH_IMAGE002
未占用信道
Figure 72516DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE036
表示信道
Figure 123649DEST_PATH_IMAGE016
上的噪声功率。对于宏用户
Figure 986563DEST_PATH_IMAGE002
，其信噪比
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE038
(
Figure 139765DEST_PATH_IMAGE036
表示噪声)需满足质量要求，即
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE040
，家庭用户的发射功率
Figure 404524DEST_PATH_IMAGE018
需满足约束条件
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE042
，令
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE044
，则
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE046
，且家庭用户发射功率有最大限制：
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE048
。由于每个家庭用户仅使用一条信道，则，且
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE052
。家庭用户
Figure 439607DEST_PATH_IMAGE008
在信道
Figure 586555DEST_PATH_IMAGE016
上的信噪比
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE054
可表示为
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE056
。
联合信道与功率分配算法通过优化目标将家庭网络的信道分配和功率控制结合，家庭系统的信道分配和宏系统的信道分配结合。主要分为四个部分：
a. 建立家庭基站系统容量优化模型
由于家庭用户
Figure 489920DEST_PATH_IMAGE008
在信道
Figure 671503DEST_PATH_IMAGE016
上的容量为
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE058
，且对于家庭用户
Figure 61508DEST_PATH_IMAGE008
，仅有一条信道的
Figure 2013100406928100002DEST_PATH_IMAGE060
为1，故家庭用户的容量为
Figure DEST_PATH_IMAGE062
，家庭用户的上行总容量为
Figure DEST_PATH_IMAGE064
（
Figure DEST_PATH_IMAGE066
个家庭小区，每个小区内
Figure DEST_PATH_IMAGE068
个家庭用户，共
Figure DEST_PATH_IMAGE070
个家庭用户）。
此优化问题可表述为：
Figure DEST_PATH_IMAGE072
      
Figure DEST_PATH_IMAGE074
               
Figure DEST_PATH_IMAGE076
     
Figure DEST_PATH_IMAGE078
       
                                        
    其中，家庭用户
Figure 31836DEST_PATH_IMAGE008
在信道
Figure 67925DEST_PATH_IMAGE016
上的信噪比为：
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，总容量可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE086
。由于每个家庭用户仅使用一条信道，对每个用户有。又
Figure 569445DEST_PATH_IMAGE060
仅可取值0或1，有
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
。由上文的分析有
Figure DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure DEST_PATH_IMAGE096
。
b. 家庭用户的信道分配
此部分吸取了基于最远信道搜索法的动态信道分配法的思想。它的思路是分配信道时最大程度的拉大使用相同信道的移动台之间的距离，降低使用相同信道的移动台之间的干扰，从而系统的容量最大化，提高用户容量，分配信道时通过对分配的信道进行质量检测，保证新的移动台加入系统后不会影响其他移动台的正常通信，减小同频干扰。
c. 确定家庭用户的发射功率
由上述b部分可以实现对各家庭用户分配信道，从而确定家庭用户在信道
Figure 873835DEST_PATH_IMAGE016
上的信道选择因子
Figure 967693DEST_PATH_IMAGE060
，再由a部分对优化问题的求解可以求得家庭用户
Figure 764748DEST_PATH_IMAGE008
的发射功率
Figure DEST_PATH_IMAGE098
。 
d. 宏用户的信道分配
此部分的基本思路是：距离宏基站越近的宏用户，应该分配受家庭用户干扰最小的信道（信道情况越好）。
本发明中对宏用户的资源分配主要是信道分配，若进一步考虑功率的控制，则可同样采用家庭用户容量优化问题中的信道分配和功率控制的处理方法（将多个宏小区之间的干扰同样考虑在内）。
具体步骤如下：
令家庭用户
Figure DEST_PATH_IMAGE100
 ，
步骤一、对家庭用户
Figure 246020DEST_PATH_IMAGE008
分配信道：检查信道集合
Figure DEST_PATH_IMAGE102
中是否存在空闲信道，如果存在，则在空闲信道中选取任意一条信道
Figure DEST_PATH_IMAGE104
分配给家庭用户
Figure 91617DEST_PATH_IMAGE008
，转步骤三；否则执行步骤二；
步骤二、对信道集合中的每一条信道
Figure 39981DEST_PATH_IMAGE104
，遍历使用该信道的所有家庭用户，找到其中距离家庭用户
Figure 7937DEST_PATH_IMAGE008
最近的家庭用户
Figure DEST_PATH_IMAGE106
，将这些家庭用户组成一个集合
Figure DEST_PATH_IMAGE108
；遍历上述集合，找到该集合中距离家庭用户
Figure 979435DEST_PATH_IMAGE008
最远的家庭用户，则该家庭用户使用的信道
Figure 691039DEST_PATH_IMAGE104
可分配给家庭用户；
步骤三：检查家庭用户在信道
Figure 153879DEST_PATH_IMAGE104
上能否达到要求的信噪比，若能，则分配信道，若不能，则对家庭用户
Figure 669174DEST_PATH_IMAGE008
不分配信道，同时令；检查
Figure 592130DEST_PATH_IMAGE008
是否等于
Figure DEST_PATH_IMAGE112
其中，N是家庭小区的个数，N f 是每个家庭小区内的信道数，即检查所有的家庭用户是否都已分配信道，若等于，则前往步骤四，否则，令，返回步骤一； 
步骤四：令
Figure 597049DEST_PATH_IMAGE100
，初始化拉格朗日因子
Figure DEST_PATH_IMAGE114
；
步骤五：令信道
Figure DEST_PATH_IMAGE116
，初始化拉格朗日因子，初始化家庭用户的发射功率
Figure 588138DEST_PATH_IMAGE098
； 
步骤六：令家庭用户
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，可求得其发射功率；
步骤七：分配发射功率
Figure 303285DEST_PATH_IMAGE120
，令
Figure DEST_PATH_IMAGE122
，检查
Figure 596994DEST_PATH_IMAGE006
是否等于，即家庭用户第一轮功率迭代循环是否结束，若等于则前往步骤八；否则返回步骤七；
步骤八：更新拉格朗日因子
Figure DEST_PATH_IMAGE124
，判断
Figure 681286DEST_PATH_IMAGE124
是否平稳，即
Figure 578835DEST_PATH_IMAGE124
与差的绝对值是否小于门限值
Figure DEST_PATH_IMAGE128
，若平稳，即绝对值小于门限值，则前往步骤九，否则返回步骤六；
步骤九：令信道
Figure DEST_PATH_IMAGE130
，判断
Figure 105762DEST_PATH_IMAGE016
是否等于，即是否信道的第一轮循环已结束，若等于则前往步骤十，否则返回步骤六；
步骤十：更新
Figure DEST_PATH_IMAGE132
，判断
Figure 218392DEST_PATH_IMAGE132
是否平稳，即
Figure 970447DEST_PATH_IMAGE132
与
Figure DEST_PATH_IMAGE134
差的绝对值是否小于门限值
Figure 730593DEST_PATH_IMAGE128
，若平稳，即绝对值小于门限值，则前往步骤十一，否则返回步骤五；
步骤十一：令
Figure 935309DEST_PATH_IMAGE110
，判断
Figure 134209DEST_PATH_IMAGE008
是否等于
Figure 803088DEST_PATH_IMAGE112
，即关于
Figure 737064DEST_PATH_IMAGE114
的循环是否结束，若循环结束即
Figure 491394DEST_PATH_IMAGE008
等于
Figure 431668DEST_PATH_IMAGE112
，则前往步骤十二，否则返回步骤五；
步骤十二：根据每个家庭用户在每个信道上的发射功率，计算出每条信道上所受的家庭用户的总干扰，并进行排序，根据宏用户与宏基站之间的信道增益排序；
步骤十三：将所受家庭用户干扰小的信道分配给离宏基站较近的宏用户，依次进行。
分配发射功率
Figure 892736DEST_PATH_IMAGE120
的取值为
Figure DEST_PATH_IMAGE136
，其中
Figure 994685DEST_PATH_IMAGE018
是家庭用户
Figure 236310DEST_PATH_IMAGE008
在信道
Figure 714696DEST_PATH_IMAGE016
上的发射功率，
Figure 92588DEST_PATH_IMAGE132
和
Figure 631016DEST_PATH_IMAGE124
是拉格朗日因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE138
是家庭基站与宏用户之间的信道增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE140
是家庭用户
Figure 32042DEST_PATH_IMAGE006
在信道
Figure 314119DEST_PATH_IMAGE016
上的发射功率，
Figure 546517DEST_PATH_IMAGE010
是家庭用户
Figure 252917DEST_PATH_IMAGE006
与邻家庭基站
Figure 203556DEST_PATH_IMAGE008
之间的信道增益，
Figure 961427DEST_PATH_IMAGE012
是家庭用户
Figure 313911DEST_PATH_IMAGE008
与本家庭基站
Figure 194142DEST_PATH_IMAGE008
之间的信道增益，
Figure 632077DEST_PATH_IMAGE036
表示噪声。
有益效果：本发明通过容量优化问题的建立实现家庭基站系统中的信道分配和功率控制以及宏系统的信道分配，与单纯的功率控制算法相比，不仅大幅度提高了家庭基站网络的容量，同时也提升了宏基站网络的容量。
 
附图说明
图1是家庭基站系统的干扰模型。
 
具体实施方式
   本发明的具体实施方式如下。
1.   建立家庭基站系统容量优化模型
此部分主要研究功率和信道的分配以实现上行容量的最大化。此优化问题可表述为：
Figure 255956DEST_PATH_IMAGE072
     
Figure 462947DEST_PATH_IMAGE074
              
Figure 514079DEST_PATH_IMAGE076
     
Figure DEST_PATH_IMAGE142
     
Figure DEST_PATH_IMAGE144
                     
Figure 376993DEST_PATH_IMAGE082
                 
   可以看出，上述优化问题属于混合整数规划，属于NP-hard问题。为便于解决此问题，我们引入
Figure DEST_PATH_IMAGE146
。则上述问题可表述为：
Figure DEST_PATH_IMAGE148
      
Figure DEST_PATH_IMAGE150
                
Figure DEST_PATH_IMAGE152
    
 
Figure DEST_PATH_IMAGE156
                 
Figure DEST_PATH_IMAGE158
             
   可以看出，上述问题可用凸优化理论求解，改为拉格朗日形式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE160
Figure DEST_PATH_IMAGE162
=
Figure DEST_PATH_IMAGE164
Figure DEST_PATH_IMAGE166
                                
则
Figure DEST_PATH_IMAGE168
，       
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE170
                                         
即求解
Figure DEST_PATH_IMAGE174
可转化为求解维的相互独立的
Figure DEST_PATH_IMAGE178
，由
Figure DEST_PATH_IMAGE180
条件，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE182
                                                        
Figure DEST_PATH_IMAGE184
                                                      
Figure DEST_PATH_IMAGE186
                                                            
Figure DEST_PATH_IMAGE188
                                                            
同时，对求导可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE192
  
对
Figure 779463DEST_PATH_IMAGE060
求导可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE194
           
可求得：
Figure DEST_PATH_IMAGE196
          
Figure DEST_PATH_IMAGE198
定义为
Figure DEST_PATH_IMAGE200
，由上式可以看出为使容量最大化，
Figure 919588DEST_PATH_IMAGE098
与及拉格朗日参数
Figure 288570DEST_PATH_IMAGE132
、之间需满足的关系。由于三者相互制约，则下面我们需要的解决的问题是如何一一确定此些变量
2. 拉格朗日参数
Figure 438764DEST_PATH_IMAGE132
、
Figure 894016DEST_PATH_IMAGE124
的确定
我们采用的方法是次梯度方法，可以得到的更新式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE202
                                    
的更新式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE204
                   
此处的
Figure DEST_PATH_IMAGE206
为迭代次数，
Figure DEST_PATH_IMAGE208
和
Figure DEST_PATH_IMAGE210
为步长，可以证明只要步长选择的足够小，
Figure 146771DEST_PATH_IMAGE114
和
Figure 710608DEST_PATH_IMAGE124
最终必然趋于稳定的最优值，通常选择步长的准则是
Figure 832147DEST_PATH_IMAGE208
必须能方求和，但不能绝对求和。当梯度有界时，可选用以下确定
Figure 139632DEST_PATH_IMAGE208
和
Figure 295807DEST_PATH_IMAGE210
：
Figure DEST_PATH_IMAGE212
，
Figure DEST_PATH_IMAGE214
，选用合适的
Figure DEST_PATH_IMAGE216
和
Figure DEST_PATH_IMAGE218
可以保证和
Figure 511817DEST_PATH_IMAGE124
的收敛性,需要注意的是，此处的
Figure 357413DEST_PATH_IMAGE114
和都需经过迭代循环实现，但是针对于每个用户迭代循环，而是针对于每条信道迭代循环。
3．家庭用户的信道分配
对于信道分配，本文吸取了基于最远信道搜索法的动态信道分配法的思想。它的思路是分配信道时最大程度的拉大使用相同信道的移动台之间的距离，降低使用相同信道的移动台之间的干扰，从而系统的容量最大化，提高用户容量，分配信道时通过对分配的信道进行质量检测，保证新的移动台加入系统后不会影响其他移动台的正常通信，减小同频干扰，信道分配具体步骤如下：
步骤一、对家庭用户
Figure 19153DEST_PATH_IMAGE008
分配信道：检查信道集合
Figure 884341DEST_PATH_IMAGE102
中是否存在空闲信道，如果存在，则在空闲信道中选取任意一条信道
Figure 960881DEST_PATH_IMAGE104
分配给家庭用户
Figure 544309DEST_PATH_IMAGE008
，前往步骤三；否则执行步骤二。
步骤二、对信道集合中的每一条信道
Figure 997287DEST_PATH_IMAGE104
，遍历使用该信道的所有家庭用户，找到距离家庭用户
Figure 654665DEST_PATH_IMAGE008
最近的家庭用户，将这些家庭用户组成一个集合
Figure DEST_PATH_IMAGE224
。
步骤三：遍历上述集合，找到集合
Figure 916755DEST_PATH_IMAGE224
中距离家庭用户
Figure 925162DEST_PATH_IMAGE008
最远的家庭用户，则该家庭用户使用的信道
Figure 916252DEST_PATH_IMAGE104
可分配给家庭用户
Figure 756032DEST_PATH_IMAGE008
。
步骤四、检查家庭用户
Figure 174375DEST_PATH_IMAGE008
在信道
Figure 732395DEST_PATH_IMAGE104
上能否达到要求的信噪比，若能，则分配信道，若不能，则对用户
Figure 261597DEST_PATH_IMAGE008
不分配信道。
通过以上步骤，可实现最大程度的拉大使用相同信道的家庭用户之间的距离，从而减小干扰，进一步的提高家庭用户容量。
4. 确定家庭用户的发射功率
由步骤3可以实现对各家庭用户分配信道，从而确定家庭用户
Figure 955883DEST_PATH_IMAGE008
在信道
Figure 810707DEST_PATH_IMAGE016
上的信道选择因子
Figure 590444DEST_PATH_IMAGE060
，则由式(22)，可以求得家庭用户
Figure 923336DEST_PATH_IMAGE008
的发射功率
Figure 737709DEST_PATH_IMAGE098
，值得注意的是，此处也需要进行迭代循环，即家庭用户之间的发射功率互相影响，需迭代循环。
5. 宏用户的信道分配
为进一步提高宏用户的容量，以提高双层网络的总容量，本文给出了宏用户的信道分配方法，基本思路是：距离宏基站越近的宏用户，应该分配受家庭用户干扰最小的信道（信道情况越好）。
宏用户
Figure 497854DEST_PATH_IMAGE002
的信噪比可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE226
，令，
Figure DEST_PATH_IMAGE230
，则信噪比可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE232
，宏用户的总容量可表示为：。为将此混合整数问题转化为凸优化问题，令
Figure DEST_PATH_IMAGE236
，则总容量为。由于宏用户
Figure DEST_PATH_IMAGE240
仅使用一条信道，有
Figure DEST_PATH_IMAGE242
，又
Figure 450373DEST_PATH_IMAGE034
仅能取0或1，有
Figure DEST_PATH_IMAGE244
，
Figure DEST_PATH_IMAGE246
。由于宏用户的最大功率限制，有
Figure DEST_PATH_IMAGE248
。优化问题如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE250
                                         
Figure DEST_PATH_IMAGE252
                              
Figure DEST_PATH_IMAGE254
                            
Figure DEST_PATH_IMAGE256
                 
Figure DEST_PATH_IMAGE258
               
Figure DEST_PATH_IMAGE260
                           
  该优化问题可以转化为对应的拉格朗日问题：
                          
Figure DEST_PATH_IMAGE268
 
Figure DEST_PATH_IMAGE270
                                        
则
Figure DEST_PATH_IMAGE272
，           
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE274
   
即求解
Figure 966717DEST_PATH_IMAGE174
可转化为求解
Figure DEST_PATH_IMAGE276
维的相互独立的
Figure DEST_PATH_IMAGE278
，由
Figure 508033DEST_PATH_IMAGE180
条件，可得：
                                                          
Figure DEST_PATH_IMAGE282
                                                      
Figure DEST_PATH_IMAGE284
                                                              
Figure DEST_PATH_IMAGE286
                                                              
同时，对
Figure DEST_PATH_IMAGE288
求导可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE290
                                   
则得：
Figure DEST_PATH_IMAGE292
                                         
值得注意的是，此处与第1)部分家庭用户容量优化问题的不同之处在于：此处每条信道受到的家庭用户干扰是已经确定的，问题在于确定每个宏用户对应的信道，即确定
Figure 252129DEST_PATH_IMAGE288
对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE294
，而由上式可以看出，若使容量最大，大的信道对应的
Figure 681153DEST_PATH_IMAGE288
较小，即
Figure DEST_PATH_IMAGE296
较小的宏用户应分配所受干扰较大的信道，即离宏基站越远的宏用户应分配所受干扰越大的信道。
可求得
Figure DEST_PATH_IMAGE298
  
对和
Figure 71115DEST_PATH_IMAGE296
进行排序，
Figure 438643DEST_PATH_IMAGE296
小的宏用户分配较大的信道，即距离宏基站越远的宏用户将被分配收到干扰最大的信道
本文中对宏用户的资源分配主要是信道分配，若进一步考虑功率的控制，则可同样采用家庭用户容量优化问题中的信道分配和功率控制的处理方法（将多个宏小区之间的干扰同样考虑在内）。
联合信道和功率控制算法共分为4个部分，实现过程如下：
令家庭用户
Figure 893075DEST_PATH_IMAGE100
。
步骤一、对家庭用户
Figure 536546DEST_PATH_IMAGE008
分配信道：检查信道集合
Figure 809395DEST_PATH_IMAGE102
中是否存在空闲信道，如果存在，则在空闲信道中选取任意一条信道
Figure 538317DEST_PATH_IMAGE104
分配给家庭用户
Figure 554815DEST_PATH_IMAGE008
，转步骤三；否则执行步骤二；
步骤二、对信道集合中的每一条信道，遍历使用该信道的所有家庭用户，找到其中距离家庭用户最近的家庭用户
Figure 650444DEST_PATH_IMAGE106
，将这些家庭用户组成一个集合
Figure 532949DEST_PATH_IMAGE108
；遍历上述集合，找到该集合中距离家庭用户最远的家庭用户，则该家庭用户使用的信道
Figure 765664DEST_PATH_IMAGE104
可分配给家庭用户
Figure 203599DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤三：检查家庭用户在信道
Figure 31539DEST_PATH_IMAGE104
上能否达到要求的信噪比，若能，则分配信道，若不能，则对家庭用户
Figure 20355DEST_PATH_IMAGE008
不分配信道，同时令
Figure 945585DEST_PATH_IMAGE110
；检查
Figure 107576DEST_PATH_IMAGE008
是否等于
Figure 169073DEST_PATH_IMAGE112
（N是家庭小区的个数，N f 是每个家庭小区内的信道数），即检查所有的家庭用户是否都已分配信道，若等于，则前往步骤四，否则，令
Figure 391107DEST_PATH_IMAGE110
，返回步骤一； 
步骤四：令
Figure 803634DEST_PATH_IMAGE100
，初始化拉格朗日因子
Figure 769316DEST_PATH_IMAGE114
（第二部分有所交待，用于求解拉格朗日最优解）；
步骤五：令信道
Figure 950899DEST_PATH_IMAGE116
，初始化拉格朗日因子
Figure 78255DEST_PATH_IMAGE124
（第二部分有所交待，用于求解拉格朗日最优解），初始化家庭用户的发射功率
Figure 978077DEST_PATH_IMAGE098
； 
步骤六：令家庭用户
Figure 481871DEST_PATH_IMAGE118
，可求得其发射功率
Figure 783539DEST_PATH_IMAGE120
；
步骤七：分配发射功率
Figure 84726DEST_PATH_IMAGE120
，令
Figure 471845DEST_PATH_IMAGE122
，检查
Figure 779330DEST_PATH_IMAGE006
是否等于
Figure 669926DEST_PATH_IMAGE112
（即家庭用户第一轮功率迭代循环是否结束），若等于则前往步骤八；否则返回步骤七；
步骤八：更新拉格朗日因子
Figure 404663DEST_PATH_IMAGE124
，判断
Figure 13499DEST_PATH_IMAGE124
是否平稳（即
Figure 124675DEST_PATH_IMAGE124
与差的绝对值是否小于门限值
Figure 40995DEST_PATH_IMAGE128
），若平稳（即绝对值小于门限值），则前往步骤九，否则返回步骤六；
步骤九：令信道
Figure 74810DEST_PATH_IMAGE130
，判断
Figure 786414DEST_PATH_IMAGE016
是否等于
Figure 589285DEST_PATH_IMAGE024
，即是否信道的第一轮循环已结束，若等于则前往步骤十，否则返回步骤六；
步骤十：更新
Figure 728143DEST_PATH_IMAGE132
，判断
Figure 249254DEST_PATH_IMAGE132
是否平稳（即
Figure 498970DEST_PATH_IMAGE132
与
Figure 418997DEST_PATH_IMAGE134
差的绝对值是否小于门限值
Figure 728755DEST_PATH_IMAGE128
），若平稳（即绝对值小于门限值），则前往步骤十一，否则返回步骤五；
步骤十一：令
Figure 799479DEST_PATH_IMAGE110
，判断
Figure 790569DEST_PATH_IMAGE008
是否等于
Figure 630349DEST_PATH_IMAGE112
（即关于
Figure 48692DEST_PATH_IMAGE114
的循环是否结束），若循环结束（
Figure 278816DEST_PATH_IMAGE008
等于
Figure 135914DEST_PATH_IMAGE112
），则前往步骤十二，否则返回步骤五；
步骤十二：根据每个家庭用户在每个信道上的发射功率，计算出每条信道上所受的家庭用户的总干扰，并进行排序，根据宏用户与宏基站之间的信道增益排序；
步骤十三：将所受家庭用户干扰小的信道分配给离宏基站较近的宏用户，依次进行。
    其中算法步骤一至步骤三为家庭用户的信道分配过程，算法步骤四至步骤十一为家庭用户的功率控制过程（包括次梯度算法确定拉格朗日因子），算法步骤十二至步骤十三为宏用户的信道分配过程。

Claims (2)

1.一种家庭基站系统中的联合信道分配与功率控制方法，其特征在于该方法具体步骤如下：
令家庭用户                                               
Figure 2013100406928100001DEST_PATH_IMAGE002
 ，
步骤一、对家庭用户
Figure 2013100406928100001DEST_PATH_IMAGE004
分配信道：检查信道集合中是否存在空闲信道，如果存在，则在空闲信道中选取任意一条信道分配给家庭用户，转步骤三；否则执行步骤二；
步骤二、对信道集合中的每一条信道
Figure 962001DEST_PATH_IMAGE008
，遍历使用该信道的所有家庭用户，找到其中距离家庭用户
Figure 945001DEST_PATH_IMAGE004
最近的家庭用户
Figure 2013100406928100001DEST_PATH_IMAGE010
，将这些家庭用户组成一个集合
Figure 2013100406928100001DEST_PATH_IMAGE012
；遍历上述集合，找到该集合中距离家庭用户
Figure 277893DEST_PATH_IMAGE004
最远的家庭用户，则该家庭用户使用的信道
Figure 764369DEST_PATH_IMAGE008
可分配给家庭用户；
步骤三：检查家庭用户
Figure 57128DEST_PATH_IMAGE004
在信道
Figure 256028DEST_PATH_IMAGE008
上能否达到要求的信噪比，若能，则分配信道，若不能，则对家庭用户
Figure 597010DEST_PATH_IMAGE004
不分配信道，同时令
Figure 2013100406928100001DEST_PATH_IMAGE014
；检查
Figure 808285DEST_PATH_IMAGE004
是否等于
Figure 2013100406928100001DEST_PATH_IMAGE016
其中，N是家庭小区的个数，N f 是每个家庭小区内的信道数，即检查所有的家庭用户是否都已分配信道，若等于，则前往步骤四，否则，令，返回步骤一； 
步骤四：令
Figure 174992DEST_PATH_IMAGE002
，初始化拉格朗日因子
Figure 2013100406928100001DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤五：令信道
Figure 2013100406928100001DEST_PATH_IMAGE020
，初始化拉格朗日因子，初始化家庭用户的发射功率
Figure DEST_PATH_IMAGE022
； 
步骤六：令家庭用户
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，可求得其发射功率
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤七：分配发射功率
Figure 511427DEST_PATH_IMAGE026
，令
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，检查
Figure DEST_PATH_IMAGE030
是否等于
Figure 878954DEST_PATH_IMAGE016
，即家庭用户第一轮功率迭代循环是否结束，若等于则前往步骤八；否则返回步骤七；
步骤八：更新拉格朗日因子
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，判断
Figure 792684DEST_PATH_IMAGE032
是否平稳，即
Figure 268140DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure DEST_PATH_IMAGE034
差的绝对值是否小于门限值
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，若平稳，即绝对值小于门限值，则前往步骤九，否则返回步骤六；
步骤九：令信道
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，判断是否等于
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，即是否信道的第一轮循环已结束，若等于则前往步骤十，否则返回步骤六；
步骤十：更新
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，判断
Figure 724660DEST_PATH_IMAGE044
是否平稳，即
Figure 997510DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure DEST_PATH_IMAGE046
差的绝对值是否小于门限值，若平稳，即绝对值小于门限值，则前往步骤十一，否则返回步骤五；
步骤十一：令，判断
Figure 178589DEST_PATH_IMAGE004
是否等于
Figure 622340DEST_PATH_IMAGE016
，即关于
Figure 838558DEST_PATH_IMAGE018
的循环是否结束，若循环结束即
Figure 661676DEST_PATH_IMAGE004
等于
Figure 14160DEST_PATH_IMAGE016
，则前往步骤十二，否则返回步骤五；
步骤十二：根据每个家庭用户在每个信道上的发射功率，计算出每条信道上所受的家庭用户的总干扰，并进行排序，根据宏用户与宏基站之间的信道增益排序；
步骤十三：将所受家庭用户干扰小的信道分配给离宏基站较近的宏用户，依次进行。
2.根据权利要求1所述的家庭基站系统中的联合信道分配与功率控制方法，其特征在于分配发射功率
Figure 894391DEST_PATH_IMAGE026
的取值为，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
是家庭用户
Figure 270009DEST_PATH_IMAGE004
在信道
Figure 628309DEST_PATH_IMAGE040
上的发射功率，
Figure 100879DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 948749DEST_PATH_IMAGE032
是拉格朗日因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
是家庭基站与宏用户之间的信道增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
是家庭用户
Figure 687029DEST_PATH_IMAGE030
在信道
Figure 849020DEST_PATH_IMAGE040
上的发射功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
是家庭用户
Figure 110850DEST_PATH_IMAGE030
与邻家庭基站
Figure 395200DEST_PATH_IMAGE004
之间的信道增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
是家庭用户
Figure 745410DEST_PATH_IMAGE004
与本家庭基站
Figure 445513DEST_PATH_IMAGE004
之间的信道增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
表示噪声。
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