CN103533623B - 一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法。该方法为了实现在最大化家庭用户能量效率的同时，减少家庭用户对宏基站的干扰，采用了由宏基站和家庭用户组成的斯坦伯格博弈模型。宏基站通过定价的方式限制家庭用户对其的干扰，占用相同频率的家庭用户组建功率控制的子博弈模型。通过采用指数权重的时间平均滤波器的方法，得到斯坦伯格博弈关于宏基站的最优定价函数以及家庭用户子博弈的最优功率响应函数，进而得到斯坦伯格均衡点。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

一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法

技术领域

本发明涉及第四代无线通信技术领域，具体涉及到一种家庭基站双层网络中的基于节能的功率控制方法。此方法在提高家庭基站上行链路的能量效率的同时，对宏基站进行干扰保护。

背景技术

大量研究表明，超过50％的语音业务和70％的数据业务发生在室内，而且这一比例还有扩大的趋势，因此如何增强室内覆盖成为运营商十分关注的热点技术问题。第三代和第四代移动通信系统通常部署在较高的频段，而这个频段的无线电波的穿透能力较差，因此，传统宏小区对室内覆盖能力的不足使得家庭基站的大规模引入变得很有必要。家庭基站是一种用户部署的、即插即用型低功率小型基站，解决室内热点地区的覆盖问题,主要应用于家庭、公司、商场等场所。

然而，家庭基站的大规模部署面临着几个非常严重的挑战，其中如何避免或者抑制干扰将是一个很棘手的问题。家庭基站部署在现有的宏蜂窝网络中，由于频谱资源的稀缺性，家庭小区与宏小区共享相同的频谱，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，由于同频复用，家庭小区之间也存在严重的同层干扰。

另外，节能减排是我国经济和社会发展的重要战略之一。据统计，移动通信网的能耗占信息通信技术总能耗的15％～20％，并且随着移动通信网络和用户群规模的进一步扩展以及数据业务量的迅速增长，通信业的能耗仍将呈指数形式地增长。同时，据报告显示，预计到2015年家庭基站的出货量将超过5400万，其能耗高达5.51亿瓦。因此，提高家庭基站的能源利用率具有非常重要的意义。同时，对于用户终端来说，智能手机、平板电脑以及移动互联网的逐步普及使移动终端的能耗越来越高，但是电池技术的发展永远赶不上用户对无线数据指数级增长的需求。所以，寻求高能量效率的资源分配方法将是下一代无线移动通信技术的发展方向。

当前学术界和科技界关于家庭基站的研究重点在干扰抑制和频谱效率最大化上面，而关于家庭基站部署场景下的高能效的资源分配是一直被忽略的。所以，本发明就是针对家庭基站双层网络所存在的上述问题，提出了一种基于斯坦伯格博弈的高能效、低复杂度的功率控制方法。

发明内容

本发明旨在解决家庭基站双层网络中，提高家庭用户的能量效率并减轻家庭用户对宏基站的上行干扰问题。在给定子信道分配策略情况下，提出一种基于节能的功率控制方法。

为了解决相应的技术问题，实现上述目的，本发明具体通过如下步骤实现：

步骤一：根据经验给家庭用户i初始化功率P_i(0)和能效值e_i(0)；

步骤二：当t帧时隙到来时，建立关于作为领导者的宏基站和作为跟随者的家庭用户的斯坦伯格博弈；

步骤三：根据步骤二建立的斯坦伯格博弈，宏基站给家庭用户i分配最优的定价因子其中，λ为时间平均低通滤波器平滑因子，B为信道带宽，h_ii为家庭用户i到家庭基站i的路径增益，g_i为家庭用户i到宏基站的路径增益，e_i(t-1)表示家庭用户i在t-1时刻的能量效率，σ²为加性高斯白噪声，p_j表示家庭用户j的发射功率；

步骤四：建立关于家庭用户的功率控制子博弈；

步骤五：给家庭用户初始化博弈迭代次数上限M；

步骤六：家庭用户i更新其发射功率其中，B为信道带宽，代表宏基站分配给家庭用户i的最佳定价因子，g_i为家庭用户i到宏基站的路径增益，λ是时间平均低通滤波器平滑因子，P_i(t-1)和e_i(t-1)分别表示家庭用户i在t-1时刻的发射功率和能量效率，p_j表示家庭用户j的发射功率，h_ij为家庭用户i到家庭基站j的路径增益，σ²为加性高斯白噪声；

步骤七：判断家庭用户子博弈是否达到了纳什均衡点或者达到了博弈迭代次数上限，如果没有达到，转入步骤六，反之转入步骤八；

步骤八：将步骤六得到的发射功率值与预先设定的发射功率的最大值做比较，取较小者作为此家庭用户的发射功率；

步骤九：找到宏基站最佳的定价因子和家庭用户在t帧时的最佳的发射功率，保存此时家庭用户的功率P_i(t)和能量效率e_i(t)；

步骤十：转入步骤二，等待并寻找下一帧t＝t+1的斯坦伯格均衡点。

说明：

1)在步骤一中，根据经验初始化t＝0时家庭用户i的发射功率P_i(0)和能量效率e_i(0)，P_i(0)和e_i(0)将会在步骤三的计算最优定价因子和步骤六计算t＝1时的发射功率时使用。

2)在步骤三中，宏基站作为领导者，先给家庭用户分配其最优的定价因子，其定价公式为其中，λ为时间平均低通滤波器平滑因子，B为信道带宽，h_ii为家庭用户i到家庭基站i的路径增益，g_i为家庭用户i到宏基站的路径增益，e_i(t-1)表示家庭用户i在t-1时刻的能量效率，σ²为加性高斯白噪声，p_j表示家庭用户j的发射功率。

3)在步骤五中，设置子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。

4)在步骤六中，家庭用户发射功率的更新策略为其中，B为信道带宽，代表宏基站分配给家庭用户i的最佳定价因子，g_i为家庭用户i到宏基站的路径增益，λ是时间平均低通滤波器平滑因子，P_i(t-1)和e_i(t-1)分别表示家庭用户i在t-1时刻的发射功率和能量效率，p_j表示家庭用户j的发射功率，h_ij为家庭用户i到家庭基站j的路径增益，σ²为加性高斯白噪声。

5)在步骤八中，将均衡点的功率值和家庭用户在此信道上的最大发射功率相比较，取其较小值作为最终的功率策略。

以上技术方法可以看出，本发明的技术方法通过将宏基站和家庭用户建模为斯坦伯格博弈，宏基站作为领导者，家庭用户作为跟随者，从而实现在提高家庭用户的能量效率的同时，减少家庭用户对宏基站的干扰的目的。首先，家庭基站给家庭用户初始化发射功率和能量效率；其次，宏基站给家庭用户的发射功率进行定价，以免引起家庭用户对宏基站过高的同频干扰；最后，使用同频信道的家庭用户建立基于能量效率的非合作子博弈，其效用函数由两部分组成，即能量效率和定价干扰，采用迭代的方式，寻找其发射功率的均衡点。

下面通过附图和具体实施例对本发明的技术方法进行进一步的阐述。

附图说明

为了更加清晰的阐述本发明的实施例和现有的技术方法，下面将本发明的技术方法说明附图和现有技术描述中用到的说明附图做简单的介绍，显而易见，在不付出创造性劳动的前提下，本领域普通技术人员可通过本附图获得其他的附图。

图1是本发明专利适用的场景图。

图2是本发明实施例中关于家庭基站双层网络的功率控制流程图。

具体实施方式

为将本发明的技术方法优势描述的更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细阐述，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可以实现本发明的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图2是本发明实施例中关于家庭基站双层网络的功率控制流程图。具体包括：

步骤201：家庭基站根据经验给家庭用户初始化发射功率和能量效率。

步骤202：当t帧时隙到来时，建立宏基站和家庭用户的斯坦伯格博弈。

步骤203：领导者根据最优定价因子函数给家庭用户进行干扰功率定价。

步骤204：建立关于家庭用户的功率控制子博弈。

步骤205：给家庭用户初始化功率控制子博弈迭代次数上限。

步骤206：家庭用户根据其功率最优反应迭代公式更新其发射功率。

步骤:207：判断功率控制子博弈是否达到均衡或者是否达到博弈迭代次数上限，如果没达到，则转到步骤206；如果达到，则转到步骤208。

步骤208：比较从步骤207得到的功率值和发射功率的最大值，取其较小者。

步骤209：宏基站得到了最佳的定价因子，家庭用户得到了最优的功率控制值，t帧的博弈达到了均衡。保存家庭用户对应的功率值和能量效率值，以便下一帧寻找斯坦伯格均衡点时使用。

步骤210：如果下一帧时隙到来，转入步骤202。

Claims (7)

1.一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据经验给家庭用户i初始化功率P_i(0)和能效值e_i(0)；

步骤二：当t帧时隙到来时，建立关于作为领导者的宏基站和作为跟随者的家庭用户的斯坦伯格博弈；

步骤三：根据步骤二建立的斯坦伯格博弈，宏基站给家庭用户i分配最优的定价因子其中，λ为时间平均低通滤波器平滑因子，B为信道带宽，h_ii为家庭用户i到家庭基站i的路径增益，g_i为家庭用户i到宏基站的路径增益，e_i(t-1)表示家庭用户i在t-1时刻的能量效率，σ²为加性高斯白噪声，p_j表示家庭用户j的发射功率；

步骤四：建立关于家庭用户的功率控制子博弈；

步骤五：给家庭用户初始化博弈迭代次数上限M；

步骤六：家庭用户i更新其发射功率其中，B为信道带宽，代表宏基站分配给家庭用户i的最佳定价因子，g_i为家庭用户i到宏基站的路径增益，λ是时间平均低通滤波器平滑因子，P_i(t-1)和e_i(t-1)分别表示家庭用户i在t-1时刻的发射功率和能量效率，p_j表示家庭用户j的发射功率，h_ij为家庭用户i到家庭基站j的路径增益，σ²为加性高斯白噪声；

步骤七：判断家庭用户子博弈是否达到了纳什均衡点或者达到了博弈迭代次数上限，如果没有达到，转入步骤六，反之转入步骤八；

步骤八：将步骤六得到的发射功率值与预先设定的发射功率的最大值做比较，取较小者作为此家庭用户的发射功率；

步骤九：找到宏基站最佳的定价因子和家庭用户在t帧时的最佳的发射功率，保存此时家庭用户的功率P_i(t)和能量效率e_i(t)；

步骤十：转入步骤二，等待并寻找下一帧t＝t+1的斯坦伯格均衡点。

2.根据权利要求1所述的一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法，其特征在于：步骤一中，家庭基站需要给家庭用户分配基于经验的初始化功率值，包括电路消耗功率和发射功率，及对应的能效值，供第一帧时步骤三中计算宏基站分配给家庭用户的定价因子和步骤六中功率更新使用。

3.根据权利要求1所述的一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法，其特征在于：

(1)步骤二中，建立的斯坦伯格博弈中，宏基站作为领导者，通过定价的方式卖出其所受到的干扰，家庭用户则是在最大化其本身能效的同时买入其发射功率对宏基站的干扰；

(2)步骤二中，建立的斯坦伯格博弈模型由两部分组成：宏基站侧的优化目标为：I_i(p_i(t))＝g_ip_i(t),其中，μ_i表示宏基站对家庭用户i的干扰价格，I_i(p_i(t))表示家庭用户i对宏基站的干扰功率，p_i(t)是用户i在t帧的发送功率，g_i表示家庭用户到宏基站的增益；

(3)家庭用户i的优化目标为：

$u_i\left(t\right)=\frac{(1-\mathrm{\λ})T_i(t-1)+{\mathrm{\λr}}_i\left(t\right)}{(1-\mathrm{\λ})P_i(t-1)+\mathrm{\λ}\left(p_i\right(t)+p_c(t\left)\right)}-{\mathrm{\μ}}_i{g}_i{p}_i\left(t\right)$

其中，T_i(t-1)表示家庭用户i在t-1帧的传输速率，P_i(t-1)表示t-1帧的功率，λ是时间平均低通滤波器平滑因子，且是大于0远小于1的常数，r_i(t)是用户i在t帧的数据速率，p_c(t)为用户i在t帧的电路消耗功率。

4.根据权利要求1所述的一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法，其特征在于：

(1)步骤三中，首先宏基站给各个家庭用户分配最佳的干扰定价因子，第t帧的定价因子中会用到第t-1帧时的发射功率和能量效率，在t＝1时，将用到由家庭基站给家庭用户初始化的功率P_i(0)和能效值e_i(0)；

(2)步骤三中，干扰定价因子为其中，λ为时间平均低通滤波器平滑因子，B为信道带宽，h_ii为家庭用户i到家庭基站i的路径增益，g_i为家庭用户i到宏基站的路径增益，e_i(t-1)表示家庭用户i在t-1时刻的能量效率，σ²为加性高斯白噪声，p_j表示家庭用户j的发射功率。

5.根据权利要求1所述的一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法，其特征在于：步骤五中，初始化功率子博弈迭代次数，以保证在一帧时隙内结束迭代过程。

6.根据权利要求1所述的一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法，其特征在于：

(1)家庭用户发射功率的更新公式为：其中，B为信道带宽，代表宏基站分配给家庭用户i的最佳定价因子，g_i为家庭用户i到宏基站的路径增益，λ是时间平均低通滤波器平滑因子，P_i(t-1)和e_i(t-1)分别表示家庭用户i在t-1时刻的发射功率和能量效率，p_j表示家庭用户j的发射功率，h_ij为家庭用户i到家庭基站j的路径增益，σ²为加性高斯白噪声。

7.根据权利要求1所述的一种家庭基站双层网络中基于节能的功率控制方法，其特征在于：由于本功率分配是一个动态的过程，步骤九中，在每一帧时隙寻找最优的宏基站定价因子和功率最优响应时都会用到上一帧时隙的功率和能效，所以找到每帧均衡点的时候都要保存其对应的能效值和功率值。