CN103281786A - 一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是在OFDMA家庭基站双层网络中，通过将子信道分配和功率控制建模为非合作博弈的思想来提高家庭基站在上行链路的能量效率，达到提高网络吞吐量和节能的目的。在给出的能量效率效用函数中，通过引入指数级定价因子，减少了家庭用户对宏基站的干扰，同时引入了无线终端的电路消耗，使其更接近实际情况。基于该效用函数的子信道和功率分配方法分为两步实现，首先用次优方法实现子信道分配，再用超模博弈理论实现最优的功率分配。该方法降低了上行链路联合子信道和功率分配问题的复杂度，并提高了家庭基站用户的吞吐量，同时又减小了终端用户的能耗，达到节能的目的。

Description

一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法

技术领域

本发明专利涉及移动通信技术领域，更特别的，本发明针对OFDMA家庭基站和蜂窝系统组成的双层网络的上行链路，是一种基于能量效率的资源优化方法。 

背景技术

近年来，随着手机上网用户数量迅速增长、用户对移动多媒体等业务的高需求，无线网络中的高数据容量、满足多种业务服务质量和改善网络覆盖已经成为下一代无线通信网络中研究热点。 

3GPP通过引入LTE技术来满足带宽方面的高数据需求和多种业务的低时延需求，但是LTE系统的链路容量已经接近香农极限，因此单层网络（如蜂窝网络）的容量提高和覆盖增强已经没有太大的提升空间。家庭基站可以解决这方面的问题，它在宏基站覆盖范围内再进行一次频谱利用，与宏基站共享部分或者全部的频谱资源，由于使用了相同的频带资源，必然会带来宏基站用户和家庭基站用户在相同频段上的干扰。 

为了避免在上行链路中家庭基站用户与宏基站用户之间的共信道干扰，本发明提出了一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，在避免共信道干扰的同时，提高网络的吞吐量。另外，我们在评价网络的效用函数中引入了功率作为分母，组成了能量效率函数，既考虑网络的吞吐量，又考虑网络的节能因素，因此该资源优化方法实现了一定程度的节能。 

发明内容

本发明旨在正对家庭基站与宏基站用户在上行链路中的共信道干扰问题，而提出一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，更有效地进行子信道和功率的分配，以提高家庭基站与宏基站双层网络中上行链路的吞吐量并实现一定程度的节能。本优化方法考虑了终端的静态功率，将子信道分配和功率分配分开考虑，先进行子信道分配，再进行功率分配，最终实现资源的而优化分配。 

为了达到此目的，本发明提出的资源优化方法主要包含以下步骤： 

首先进行子信道分配，子信道分配算法步骤： 

步骤1：根据接入先后顺序，将家庭基站接入用户进行排列编号1-M_b号。 

步骤2：将所有属于基站b的子信道进行编号，并把所有可用的子信道组成可用子信道集合S，将k初始化为1号。 

步骤3:考虑给第K号用户分配一个子信道，根据K号用户周围的干扰情况，将对于该用户最好的一个子信道n^*分配给用户K。 

步骤4：从可用子信道集S中去掉已经被分配的子信道n^*，用户号K递增1。如果S中还有可用子信道没有分配，就回到步骤3，否则子信道分配完毕。 

在子信道已经分配好的情况下，接下来用超模博弈论原理来继续进行功率分配算法步骤如下： 

步骤1：将基站b的每一个可用子信道功率初始化为一个可以计算出的较小的值，记p_n为分配第n个可用子信道的初始功率。迭代的次数初始化t=1，最大迭代次数为T。 

步骤2：开始进行第t代功率调整，初始化子信道标记n=1。 

步骤3：检测来自其他基站的共信道的干扰，调整子信道n的功率，找到目前使该子信道的能量效用函数最大的功率，并将分配功率p_n更新为该功率，如果p_n超过该子信道可分配的最大功率p_max，则p_n分配为p_max。 

步骤4：子信道n号自增1;如果n大于N，进行步骤5,否则跳转到步骤3，进行该次迭代的n+1号子信道分配功率的调整。 

步骤5：迭代次数t自增1；如果t大于T，则结束功率分配，各子信道当前的分配功率p_n即为最终的功率分配结果，否则跳转到步骤2，开始第t+1轮功率调整。 

上述资源优化方法最终目的是为了提高家庭基站所有上行链路总的能效函数，其中某个子信道的能效函数为η_(u_(b,n)^k)=R_(u_(b,n)^k)/(p_(u_(b,n)^k)+p_c)，要使得总体能效尽可能大，需要进行两方面工作，一方面要进行子信道分配，另外还要进行功率的分配。 

附图说明

图1所示为本发明实施例中包含的家庭基站与宏基站用户组成的双层网络结构； 

图2所示为本发明实施例中家庭基站实现的子信道分配流程图 

图3所示为本发明实施例中在子信道分配已经完成的情况下，家庭基站实现的各个子信道功率分配流程图 

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:在密集部署大量家庭基站的企业办公环境中，我们对无线资源的分配主要分为两步：先进行子信道的分配，再进行功率的分配。家庭基站通过与基站用户通信，得到某个用户在某个子信道上的信道增益参数以及受到的干扰情况，从而可以得到信道状况的判断。在这种情况下，我们首先对接入用户按照接入先后顺序轮流地分配子信道，每次都把可分配子信道中信道状况最好的子信道分配给该用户，循环轮流进行，子信道分配完为止。接下来，我们再进行每个子信道进行功率分配，首先给每个子信道一个初始化的功率，然后对所有子信道进行T轮功率的分配，每一轮功率分配都遵循这样的规律：在其他子信道分配功率保持不变的情况下，调整某一子信道的分配功率，直至其能效函数达到最大值；在这轮中，每一个子信道按照编号顺序都进行一次这样的调整。子信道分配与功率分配相关的分析计算都由家庭基站承担，移动终端只需要和家庭基站保持通信，向家庭基站提供信道的相关信息。最后，家庭基站把无线资源分配的结果通知给各个用户，使得用户按照分配各自的子信道以及功率发送数据。 

图1所示为家庭基站与宏基站组成的双层网络系统架构图，其包含若干家庭基站和若干家庭基站用户，以及一个宏基站和若干宏基站用户。每个家庭基站独立地给自己覆盖范围内的家庭基站用户分配子信道以及功率，并将分配的结果通知给家庭基站用户，用户按照这样的功率和子信道给基站发送数据。 

图2所示为本发明实施例家庭基站中实现子信道分配的流程图，具体包括： 

步骤201：家庭基站登记接入用户，并按照接入的先后顺序进行从小到大编号，排在前面的具有优先分配子信道的机会，保证了子信道分配的公平性。另外，对所有可用子信道进行编编号，组成可用子信道集合，这样分配子信道就是把这个集合中所有子信道分配完，直至再也没有可用子信道。 

步骤202:用户标记K代表当前正在给哪个用户分配子信道，初始化为1，表示每一轮从最早接入的用户开始分配起。 

步骤203：判断可用子信道是否分配完成，如果还有可用子信道，那么继续步骤204，否则说明子信道分配完成，执行步骤205。 

步骤204：当给用户K分配子信道时，用户提供每个子信道的增益和干扰，通过这些信息可以对每个子信道求出对于用户K的能效函数，使得函数值最大的即是对于K用户最好的 子信道n，把它分配给用户K。 

步骤205：从可用子信道集合S中去掉已经分配出去的子信道n，剩下的为可以继续分配的子信道。 

步骤206：将用户标记自增1，表示接下来给用户k+1进行子信道分配；当K+1大于在线用户总数Mb时，将其取模，循环轮流分配。 

步骤207：当没有可以再分配的子信道时，子信道分配完成，返回分配结果，为功率分配做准备。 

图3所示为本发明实施例家庭基站中实现功率分配的流程图，具体包括： 

步骤301：子信道分配结束后基站会维持子信道分配表，在这个表中会反映子信道分配给了哪个用户，这样可以根据移动终端可发送的最大功率以及分得的子信道数目来计算每个子信道可分配的最大功率。还可以用于计算功率分配后时，子信道对于某个用户的能量效用函数。 

步骤302：实际实施时，会根据经验来设定最多进行T轮的功率调整。刚开始时，计为第一轮，迭代次数初始化为1。 

步骤303：当迭代次数大于T时，功率的调整对性能的改善提高不大，可以看作功率分配完成，将执行步骤308；否则的话，执行步骤304，开始执行下一回合的功率分配。 

步骤304：初始化子信道编号为1，即从第一个子信道开始调整功率，其他子信道功率保持不变。 

步骤305：当子信道编号小于最大子信道编号N时，执行步骤306，开始进行下一个子信道的功率分配；否则执行步骤303，判断是否继续执行下一轮的功率分配。 

步骤306：在其他子信道功率保持不变的前提下，调整子信道n的功率，直至其能量效用函数达到最大，记这个最大功率为p*。 

步骤307：如果p*小于子信道n的最大可分配功率p_max，更新p*为子信道n的分配功率，否则子信道n的分配功率更新为p_max。 

步骤308：当迭代次数大于T时，可判定每个子信道的功率分配已经完成，最终将子信道分配和功率分配的结果返回。 

Claims (9)

1.一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 

首先进行子信道分配，子信道分配算法步骤： 

步骤1：根据接入先后顺序，将家庭基站接入用户进行排列编号1-M_b号。 

步骤2：将所有属于基站b的子信道进行编号，并把所有可用的子信道组成可用子信道集合S，将k初始化为1号。 

步骤3:考虑给第K号用户分配一个子信道，根据K号用户周围的干扰情况，将对于该用户最好的一个子信道n^*分配给用户K。 

步骤4：从可用子信道集S中去掉已经被分配的子信道n^*，用户号K递增1。如果S中还有可用子信道没有分配，就回到步骤3，否则子信道分配完毕。 

在子信道已经分配好的情况下，接下来用超模博弈论原理来继续进行功率分配算法步骤如下： 

步骤1：将基站b的每一个可用子信道功率初始化为一个可以计算出的较小的值，记p_n为分配第n个可用子信道的初始功率。迭代的次数初始化t=1，最大迭代次数为T。 

步骤2：开始进行第t代功率调整，初始化子信道标记n=1。 

步骤3：检测来自其他基站的共信道的干扰，调整子信道n的功率，找到目前使该子信道的能量效用函数最大的功率，并将分配功率p_n更新为该功率，如果p_n超过该子信道可分配的最大功率p_max，则p_n分配为p_max。 

步骤4：子信道n号自增1;如果n大于N，进行步骤5,否则跳转到步骤3，进行该次迭代的n+1号子信道分配功率的调整。 

步骤5：迭代次数t自增1；如果t大于T，则结束功率分配，各子信道当前的分配功率p_n即为最终的功率分配结果，否则跳转到步骤2，开始第t+1轮功率调整。 

2.根据权利要求1所述的一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征在于: 

整个无线资源优化方法，分为两步，先对每个接入用户轮流进行子信道分配，在子信道已经分配好的情况下再进行功率的分配，其中第一步用一种次优化算法实现，第二步用基于超模博弈的最优化算法实现。 

3.根据权利要求1所述的一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征还在于: 

所述子信道分配算法步骤1中，根据接入先后顺序将用户进行编号的具体目的是为了设置优先级，以便在进行子信道分配时，优先把质量好的子信道分配给先接入的用户，保证公平性。 

4.根据权利要求1所述的一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征还在于： 

所述子信道分配算法步骤2和步骤3中，确定对于用户K的最好可分配子信道的方法为：计算可分配子信道集S中所有子信道对于用户K的能量效用函数值，选择效用函数最大的那个子信道n^*即是最优子信道。其中能量效用函数综合考虑了频带利用率和能量消耗，并且在效用函数中还引入了静态电路功率的消耗。 

5.根据权利要求1所述的一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征还在于: 

所述子信道分配算法步骤4中，每次对某个用户只分配一个子信道，而且这个子信道在可用子信道集S中对于该用户是最好的，分配掉之后，该子信道便不能再分给其他用户，所以在可分配子信道集S中必须去掉这个子信道。对M_b个用户轮流分配之后，每个用户至少能分配一个子信道，但任何两个用户之间分配的子信道个数要么相等，要么相差1个，不会再有第三种情况。 

6.根据权利要求1所述的一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征还在于: 

功率分配算法步骤3中，每次对子信道的功率进行调整都是在其它子信道发送功率不变的前提下进行的。 

7.根据权利要求1所述的一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征在于: 

所述功率分配算法步骤3中，每个信道可分配最大功率p_max，是根据某个用户的最大分配功率以及该用户占用子信道的个数来确定的，两者相除即可得到p_max。 

8.根据权利要求1所述的一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征还在于: 

所述功率分配算法步骤4和步骤5中，跳转的目的是为实现每个子信道轮流对功率进行调整，当第T轮调整完毕后，调整结束，功率分配完成。T是一个根据经验设定的值，一般能保证T轮调整后，继续调整功率后能量效率几乎不会再提高。 

9.根据权利要求1所述的一种基于能量效率的家庭基站双层网络的资源优化方法，其特征还在于: 

以上的无线资源分配过程都是在家庭基站中独立运行的，因此是一种分布式的资源分配算法，家庭基站在完成子信道分配和功率分配之后，通知用户终端用分配好的子信道和相应的功率来发送信号。 

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