CN103269515A - 密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种家庭基站密集部署网络下行链路的一种低复杂度的节能无线资源分配方法。该方法为了在最大化家庭基站下行链路的能量效率的同时减小所用算法的复杂度，提出了分布式的子信道分配与功率控制算法。通过使用不同于宏基站所用频段的子信道进行信号传输，避免了跨层干扰。家庭基站首先进行公平的时域平均子信道分配，以将子信道分配给各终端用户。通过采用指数加权的时间平均滤波器的方法，得到家庭基站在各子信道上基于非合作博弈的最优功率响应函数，进而得到功率分配均衡点。本发明通过采用时间平均的思想，解决了瞬时能量效率函数无法找到关于发射功率的闭式解的问题，用较小的能量损失换来了算法复杂度的明显降低。

Description

密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法

技术领域

本发明涉及第四代移动通信技术领域，具体涉及在密集部署的家庭基站网络中，低复杂度的节能下行链路无线资源分配方法。此方案在降低家庭基站下行链路资源分配复杂度的同时，也保证了家庭基站的能量效率。 

背景技术

第三代和第四代移动通信系统通常部署在较高的频段，而这些频段的无线电波的穿墙损耗较大，单纯依靠宏基站容易造成室内覆盖不足问题。同时由于移动互联网的快速发展，各种移动多媒体业务逐渐流行，这造成了移动数据流量的指数式增长。统计显示，超过70%的移动数据发生在室内，因此，为了解决室内覆盖不足以及为室内用户提供高速无线数据接入的问题，家庭基站技术应运而生。家庭基站是一种用户部署的、即插即用型低功率小型基站，主要应用于家庭、公司、商场等场所，解决室内热点地区的覆盖问题。 

在家庭基站和宏基站异构部署的网络环境中，由于频谱资源的稀缺性，家庭小区与宏小区一般采用共享频谱的策略，这样就会造成家庭小区与宏小区间的跨层干扰。同时，在办公楼、大型商场和居民区等家庭基站密集部署的区域，相邻家庭基站之间也存在着同层干扰的问题。严重的同层干扰和跨层干扰不仅会大大降低家庭基站小区的网络容量，而且还会影响宏基站用户的QoS，是家庭基站部署时必须要解决的问题之一。 

另外，随着温室效应的加剧，整个社会对于节能降耗越来越关注。随着近几年来移动通信行业在全球的快速发展，其能耗占信息通信技术总能耗的比重已达到15%～20%，并且随着移动通信技术的不断发展，其基础设施和用户群规模仍将快速增长，整个移动通信行业的能耗仍将保持快速增长。作为一种具有广阔应用前景的技术，家庭基站能量效率的提升也具有非常重要的现实意义。预计到2015年，全球家庭基站的出货量将超过5400万，其能耗高达5.51亿瓦，存在巨大的节能潜力。另一方面，移动终端的计算能力不断提升，这为移动多媒体业务的普及创造了条件，同时也带来了终端能耗过高的问题，由于电池储能技术的进步缓慢，想极大地延长移动终端的待机时间始终是难以克服的技术障碍。所以，提高资源分配方案的能量效率是用户、运营商的共同需要，也比将成为未来移动通信发展的必然趋势。 

当前学术界和工业界关于家庭基站的研究主要关注于最大化家庭基站的小区容量，减小同层干扰或者跨层干扰，而关于家庭基站密集部署场景下的资源管理方案的能效提升一直未 得到足够重视。虽然也有学者提出了一些低复杂度的子信道分配方法，但是并没有考虑相邻家庭基站的干扰问题。所以本发明就是针对家庭基站网络中的子信道分配与功率分配联合进行时的复杂性，提出了一种分步进行子信道分配与功率控制的次优的分布式无线资源管理方案。 

发明内容

本发明旨在针对密集部署的OFDMA家庭基站网络，解决如何在最大化系统总体能量效率的同时降低算法的复杂度。针对子信道与功率联合分配算法的复杂性，提出了分步进行子信道分配与功率分配的分布式方案。 

为了实现上述目的，解决相应的技术问题，本发明具体通过如下步骤来实现： 

步骤1：根据经验初始化家庭基站b的数据传输率和能效。 

步骤2：当t帧时隙到来时，首先初始化子信道集合。 

步骤3：使用公平的时域平均的子信道分配策略，将子信道k分配给能使得能效最高的终端。 

步骤4：每确定一个子信道的分配，则将该子信道从子信道集合中剔除，并对剩余子信道继续进行分配。 

步骤5：判断子信道是否已经分配完，如果不为空，则返回步骤3继续进行子信道的分配；否则进入步骤6。 

步骤6：确定子信道为空，并开始进行功率分配。 

步骤7：根据最优功率表达式更新家庭基站在各子信道的功率分配。 

步骤8：判断功率分配是否达到均衡，或者达到最大迭代次数N。如果上述条件都未满足，则返回步骤7，继续更新功率分配；若满足上述的任意一个条件，则退出迭代，进入步骤9。 

步骤9：取均衡点的发射功率和子信道最大发射功率中的较小值作为家庭基站的子信道发射功率。 

步骤10：保存此时家庭基站的能效值、数据率和子信道功率值。 

步骤11：转入步骤2，等待并准备进行下一帧t+1时的子信道分配和功率分配。 

说明： 

在步骤1中，根据经验初始化t=0时家庭基站b的数据传输率T_bm[0]和能量效率e_b[0]， 数据传输率T_bm[0]将会在步骤3中的计算终端的能效时使用，而能量效率e_b[0]将会在步骤7中计算子信道功率时使用。 

在步骤2中，在每一帧的开始，为了避免家庭基站与宏基站之间的跨层干扰，使家庭基站使用的子信道集合与宏基站使用的的信道集合无交集。 

在步骤3中，所用的公平的时域平均的子信道分配策略首先将家庭基站的发射功率平均分配给各子信道，其次使用能效计算公式

依次求解出对于子信道k来说能效值最大的终端m*，并将该子信道分配给该终端，如是将所有的子信道都可以分给终端，这意味着一个终端可以同时使用多个子信道。 

在步骤7中，根据非合作博弈的理论建模，所有的家庭基站是博弈的参与者，策略集合是家庭基站在各子信道上的可行发射功率集合，效用函数是家庭基站的能效。将所有的子信道都分配给终端。家庭基站更新其在各子信道的功率分配的策略为： 

$\widehat{p_b^k}\left[t\right]={[\frac{w}{e_b[t-1]\log 2}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2+\underset{m\∈U_b}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{bm}}^k\left[t\right]I_{\mathrm{bm}}^k\left[t\right]}{\underset{m\∈U_b}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{bm}}^k\left[t\right]g_{\mathrm{bm}}^k\left[t\right]}]}_0^{p_{\max }},$ 其中表示在t时刻家庭基站的子信道分配；

表示在t时刻家庭基站对终端m在子信道k上的信道增益；

表示在t时刻其它家庭基站在相同子信道的干扰。 

在步骤8中，设置博弈迭代次数上限的目的是为了保证迭代时间消耗不能超过一帧时间，N的大小通过实际仿真测试获得。 

在步骤9中，取均衡点时的子信道发射功率与家庭基站在该子信道上的最大发射功率做比较，取其较小者作为子信道发射功率。 

在步骤10中，记录在该帧时家庭基站b的数据率、能效值和在各子信道上的功率分配值以用于下一帧。 

从以上技术方案可以看出，本发明的技术方案是通过将家庭基站密集部署场景下的子信道分配与功率分配分解成两步来处理：首先采用基于指数权重低通滤波的时间平均的子信道分配方法进行次优的子信道分配，然后将功率分配问题建模为一个基于能效的非合作博弈，进行最优的功率分配，从而提出了一种分布式的子信道分配和功率分配算法，大大降低了复杂度。 

下面通过附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的阐述。 

附图说明

图1为本发明专利具体适用的场景图； 

图2为本发明中家庭基站进行子信道分配与功率分配的流程图。 

具体实施方式

为使本发明优势描述更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细阐述，显然所描述的实施例只是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。根据本发明的实施例，本领域的普通技术人员在不经创造性劳动的基础上实现的本发明的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面的描述中，对与本发明无关的技术只做简要的技术说明或者直接略过。 

本发明的主要思想是在密集部署的OFDMA家庭基站网络场景中，针对之前的联合进行功率控制和子信道分配所用穷举算法的复杂性所带来的时间损耗与能量消耗的状况，提出一种分步进行子信道分配与功率分配的分布式算法。首先对家庭基站进行公平的时域平均的子信道分配，在给定子信道分配之后，开始低复杂度的功率分配。不仅优化了子信道的分配，同时极大地降低了功率分配时所用算法的时间损耗与能量消耗。 

图1所示为本发明中具体OFDMA家庭基站网络的具体场景图； 

图2所示为本发明中本发明中家庭基站进行子信道分配与功率分配的流程图。具体包括： 

步骤201：根据经验初始化家庭基站b的数据传输率和能效。 

步骤202：当t帧时隙到来时，首先初始化子信道集合。 

步骤203：对子信道k使用公平的时域平均的子信道分配策略将其分配给能使得能效最高的终端。 

步骤204：每确定一个子信道的分配，则将该子信道从子信道集合中剔除，并对剩余子信道继续进行分配。 

步骤205：判断子信道是否已经分配完，如果不为空，则返回步骤203继续进行子信道的分配；否则进入步骤206。 

步骤206：确定子信道为空，则开始进行功率分配。 

步骤207：根据最优功率表达式更新家庭基站在各子信道的功率分配。 

步骤208：判断功率分配是否达到均衡，或者达到最大迭代次数N。如果上述条件都未满足，则返回步骤207，继续更新功率分配；若满足上述的任意一个条件，则退出迭代，进入步骤209。 

步骤209：取均衡点的发射功率和子信道最大发射功率中的较小值作为家庭基站的子信道发射功率。 

步骤210：保存此时家庭基站的能效值、数据率和子信道功率值。 

步骤211：t帧时的子信道与功率分配完毕，转入步骤202，等待并准备进行下一帧t+1时的子信道分配和功率分配。 

Claims (8)

1.密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法，其特征在于，将联合的子信道分配与功率分配分解为公平的时域平均的子信道分配和基于非合作博弈的低复杂度功率分配，包括以下步骤： 

步骤1：根据经验初始化家庭基站b的数据传输率和能效。 

步骤2：当t帧时隙到来时，首先初始化子信道集合。 

步骤3：对子信道k使用公平的时域平均的子信道分配策略将其分配给能使得能效最大的终端。 

步骤4：每确定一个子信道的分配，则将该子信道从子信道集合中剔除，并对剩余子信道继续进行分配。 

步骤5：判断子信道是否已经分配完，如果不为空，则返回步骤3继续进行子信道的分配；否则进入步骤6。 

步骤6：确定子信道为空，并开始进行功率分配。 

步骤7：根据最优功率表达式更新家庭基站在各子信道的功率分配。 

步骤8：判断功率分配是否达到均衡，或者达到最大迭代次数N。如果上述条件都未满足，则返回步骤7，继续更新功率分配；若满足上述的任意一个条件，则退出迭代，进入步骤9。 

步骤9：取均衡点的发射功率和子信道最大值发射功率中的较小值作为家庭基站的子信道发射功率。 

步骤10：保存此时家庭基站的能效值、数据率和子信道功率值。 

步骤11：转入步骤2，等待并准备进行下一帧t+1时的子信道分配和功率分配。 

2.根据权利要求1所述的密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法，其特征在于在步骤1中，根据经验初始化t=0时家庭基站b的数据传输率T_bm[0]和能量效率e_b[0]，数据传输率T_bm[0]将会在步骤3中计算终端t=1时的能效时使用，而能量效率e_b[0]将会在步骤7中计算家庭基站在t=1的子信道功率时使用。 

3.根据权利要求1所述的密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法，其特征在于在步骤2中的子信道集合初始化是在每一帧的开始，为了避免家庭基站与宏基站之间的跨层干扰，通过初始化子信道集合使家庭基站使用的子信道集合与宏基站使用的子信道集合无交集。 

4.根据权利要求1所述的密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法， 其特征在于在步骤3中所用的公平的时域平均的子信道分配策略首先将家庭基站的发射功率平均分配给各子信道，其次使用能效计算公式

依次求解出对于子信道k来说能效值最大的终端m*，并将该子信道分配给该终端，如是将所有的子信道都将被分配给终端使用，这也就意味着一个终端可以同时使用多个子信道。 

5.根据权利要求1所述的密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法，其特征在于在步骤7中根据非合作博弈的理论建模，所有的家庭基站是博弈的参与者，策略集合是家庭基站在各子信道上的可行发射功率的集合，效用函数是家庭基站的能效。家庭基站根据下式更新其在各子信道的功率： 

其中表示在t时刻家庭基站的子信道分配；

表示在t时刻家庭基站对终端m在子信道k上的信道增益；

表示在t时刻其它家庭基站在相同子信道的干扰。 

6.根据权利要求1所述的密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法，其特征在于在步骤8中设置博弈迭代次数上限的目的是为了保证迭代时间消耗不能占据一帧太长的时间，N的大小通过实际仿真测试获得。 

7.根据权利要求1所述的密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法，其特征在于在步骤9中取均衡点时的子信道发射功率与家庭基站在该子信道上的最大发射功率做比较，取其较小者作为子信道的发射功率。 

8.根据权利要求1所述的密集部署的家庭基站网络的低复杂度节能无线资源分配方法，其特征在于在步骤10中需要记录在该帧时家庭基站b的数据率、能效值和在各子信道上的功率分配值以用于下一帧的子信道分配与功率分配。 

Images