CN103906246B - 一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度方法，该方法包括：每个小基站收集信道状态信息，设定其接入阶段的初始发射功率，并上报给宏基站；宏基站根据所有小基站上报的信道状态信息及初始发射功率设定最大干扰容限；宏基站建立斯塔克尔伯格博弈模型，分别确认宏基站的效用函数和每个小基站的效用函数；宏基站根据最大干扰容限和其效用函数确定总回传带宽；每个小基站根据其效用函数，通过回传支付选择算法确定最优支付策略；宏基站根据最优支付策略为每个小基站分配回传带宽；每个小基站确定接入阶段的发射功率并发送给宏基站，宏基站根据其调整最大干扰容限。该方法能够实现宏基站和小基站通信质量和资源利用率的联合优化。

Description

一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度方法。

背景技术

随着无线数据业务的快速增长，小基站由于能够有效地提高网络的容量与覆盖，已经得到了越来越多的关注。小基站的利用，打破了常规的网络拓扑结构，使蜂窝移动用户有了高速的用户体验。不同于传统的宏蜂窝基站，小基站体积小，价格低廉，功耗低，一般部署在家庭室内或小的商业机构中，为用户提供无线服务。小基站可以有效地为宏蜂窝基站卸载流量，并为室内用户提供更好的服务质量，而且发射功率偏低，因此能够有效提高整体网络的容量和覆盖范围。

与中继节点类似，小基站的传输也可以分为接入和回传两个阶段。在接入阶段，为提高频谱效率，异构网络中的宏蜂窝基站和小基站以频谱共享的方式共用同一频谱资源进行传输。网络中存在着较强跨层干扰和同层干扰。因此，干扰控制成为提高性能增益的一个重要的考虑因素。当前，大部分关于蜂窝异构网络资源分配的文献主要关注于接入阶段的资源分配。在文献“Interference mitigation using uplink power control for two-tier femtocell networks”中提出了通过功率控制策略来缓解干扰和优化性能。在文献“OFDMA femtocells:a roadmap on interference avoidance”中研究了采用正交频分多址的小基站用户避免干扰的策略。在文献“Price-based resource allocation forspectrum-sharing femtocell networks:a stackelberg game approach”中研究了用斯塔克尔伯格博弈模型来解决小基站网络中的功率控制和节能的资源分配问题。

但是，回传阶段的资源分配问题往往被忽略，鲜有文献联合考虑接入及回传两个阶段的资源分配问题。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度方法，能够实现蜂窝异构网络在接入阶段的干扰控制和回传阶段的无线回传频谱分配的联合优化，宏蜂窝基站在干扰可控的基础上为小基站分配无线回传资源。

（二）技术方案

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度方法，蜂窝异构网络包括若干个小基站和一个宏基站，该方法包括：

每个小基站收集信道状态信息，设定其接入阶段的初始发射功率，并上报给宏基站；

宏基站根据所有小基站上报的信道状态信息及初始发射功率设定最大干扰容限；

宏基站建立斯塔克尔伯格博弈模型，分别确认宏基站的效用函数和每个小基站的效用函数；

宏基站根据最大干扰容限和其效用函数确定总回传带宽；

每个小基站根据其效用函数，通过回传支付选择算法确定最优支付策略，从而确定为获得回传带宽所支付的费用；

宏基站根据每个小基站的支付费用为其分配回传带宽；

每个小基站根据回传阶段获得的回传带宽确定接入阶段的发射功率并发送给宏基站，宏基站根据其调整最大干扰容限。

其中，宏基站设定最大干扰容限Q，要求满足：其中，p_n表示第n个小基站在接入阶段的发射功率，g_n表示第n个小基站到宏基站用户之间的信道增益。

其中，第n个小基站获得回传带宽w_n为：其中c_n为第n个小基站所支付的回传频谱费用，W为总回传带宽。

其中，所述回传支付选择算法具体包括：

第一步：置t=0并初始化所有SBSs的回传频谱费用，设置精度ε>0；

第二步：置t=t+1，通过下面的公式计算

其中，表示第n个小基站在时间t的回传频谱费用，W表示总的回传带宽，a_n为单位吞吐量给第n个小基站效用贡献的收益，表示回传阶段的单位带宽传输速率；

第三步：如果|C(t)-C(t-1)|<ε，结束算法，否则重复第二步。

（三）有益效果

本发明至少有如下有益效果：

本发明提供的方法基于无线回传链路的蜂窝异构网络模型，不仅考虑了回传阶段的无线回传带宽分配，还考虑到网络在接入阶段的干扰控制，通过建立斯塔克尔伯格模型，实现宏基站和小基站的通信质量和资源利用率的联合优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的方法中网络的场景示意图；

图2是本发明实施例提供的一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为本发明实施例提供的方法中网络的场景示意图，包含若干小基站和一个宏基站的两层蜂窝异构网络，如图1所示，所有小基站SBS1、SBS2、SBS3通过无线回程连接到IP骨干网，宏基站MBS通过有线回程连接到IP骨干网，所有小基站和宏基站均通过无线链路与其用户终端相连，且宏基站MBS负责分配无线回传带宽给每个小基站。

参见图2，本发明实施例提供了一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度的方法，该方法步骤如下：

步骤201：每个小基站收集信道状态信息，设定其接入阶段的初始发射功率，并上报给宏基站MBS。

本步骤中，相关信道信息包括h_n，g_n，和其中，为回传阶段所有小基站SBSs的平均发射功率，h_n表示为第n个小基站SBS n和其服务用户之间的信道增益，表示在回传阶段SBS n的信道增益。则SBSs根据香农公式可计算出接入和回传两个阶段的吞吐量分别和每个SBS的实际吞吐量不仅取决于接入链路吞吐量，还取决于回传链路的吞吐量。也即，SBS n的实际吞吐量为两阶段吞吐量的最小值：

步骤202：宏基站MBS根据所有小基站信道状态及初始发射功率设定最大干扰容限Q。

本步骤中，MBS根据当前信道状态计算MBS用户的吞吐量为其中p_m为MBS的发射功率，w为一个PRB的频谱带宽。

步骤203：建立斯塔克尔伯格博弈模型，分别确认宏基站的效用函数和每个小基站的效用函数。

本步骤中，建立的斯塔克尔伯格博弈模型，选择MBS为领导者，SBSs作为追随者。在博弈的第一阶段，MBS作为领导者率先采取行动，根据宏基站用户的当前通信质量确定最大干扰容限Q，以此确定可提供给SBSs的总的回传带宽W，在干扰可控的基础上最大化自身的收益。在博弈的第二阶段，SBSs作为追随者，确定最优无线回传频谱支付来获得回传带宽，并根据获得的回传频谱带宽来决定接入阶段的发射功率。斯塔克尔伯格博弈的参与者在确定自身最优策略时，需要考虑对其他参与者的影响。

MBS的最优化效用目标函数为：其中c_n为SBS n的支付费用，a_M为单位吞吐量给MBS效用贡献的收益。为了保证宏基站用户的最低QoS需求，限定来自小基站的干扰总和小于最大干扰容限Q，即SBS n的最优化效用目标函数为：其中a_n为单位吞吐量给SBS效用贡献的收益。以上两个效用函数共同组成了本专利的斯塔克尔伯格博弈模型。

步骤204：宏基站MBS根据最大干扰容限Q确定总回传带宽。

本步骤中由当SBSs的干扰和等于最大干扰容限时，解得对于MBS最优的回传频谱：

步骤205:每个小基站根据其效用函数，通过回传支付选择算法确定最优支付策略，从而确定为获得回传带宽所支付的费用。

本步骤中，对效用函数分别对其求关于cn的一阶二阶导数。令一阶导数为零，得到c_n的解：其他。当时，即支付大于收益时，SBS不进行回传带宽的支付。小基站由于竞争回传资源形成一个非合作子博弈问题。

且SBSs根据以下回传支付选择算法确定最优支付策略：

第一步：置t=0并初始化所有SBSs的回传频谱费用C(0)，设置精度ε>0；

第二步：置t=t+1，通过下面的公式计算

第三步：如果|C(t)-C(t-1)|<ε，结束算法，否则重复第二步。

由此得到SBSs的最优的付费策略{c_n}。

步骤206：宏基站根据每个小基站的支付费用为其分配回传带宽。

本步骤中，SBSs通过支付费用来获得回传带宽

步骤207：，每个小基站根据回传阶段获得的回传带宽确定接入阶段的发射功率并发送给宏基站，宏基站根据其调整最大干扰容限。

本步骤中，可得到接入阶段小基站的发射功率：并发送给MBS，进而计算出对MBS造成的总干扰，MBS通过调整最大干扰容限Q值来控制干扰。由此得到斯塔克尔伯格博弈均衡点(W^*,c^*)。

本发明实施例提供的方法基于无线回传链路的蜂窝异构网络模型，不仅考虑了回传阶段的无线回传带宽分配，还考虑到网络在接入阶段的干扰控制，通过建立斯塔克尔伯格模型，实现宏基站和小基站的通信质量和资源利用率的联合优化。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种蜂窝异构网络下的无线回传资源调度方法，蜂窝异构网络包括若干个小基站和一个宏基站，其特征在于，该方法包括：

每个小基站收集信道状态信息，设定其接入阶段的初始发射功率，并上报给宏基站；

宏基站根据所有小基站上报的信道状态信息及初始发射功率设定最大干扰容限；

宏基站建立斯塔克尔伯格博弈模型，分别确认宏基站的效用函数和每个小基站的效用函数；

宏基站根据最大干扰容限和其效用函数确定总回传带宽；

每个小基站根据其效用函数，通过回传支付选择算法确定最优支付策略，从而确定为获得回传带宽所支付的费用；

宏基站根据每个小基站的支付费用为其分配回传带宽；

每个小基站根据回传阶段获得的回传带宽确定接入阶段的发射功率并发送给宏基站，宏基站根据其调整最大干扰容限。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，宏基站设定最大干扰容限Q，要求满足：其中，p_n表示第n个小基站在接入阶段的发射功率，g_n表示第n个小基站到宏基站用户之间的信道增益。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第n个小基站获得回传带宽w_n为：其中c_n为第n个小基站所支付的回传频谱费用，W为总回传带宽。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回传支付选择算法具体包括：

第一步：置t＝0并初始化所有小基站SBSs的回传频谱费用，设置精度ε>0；

第二步：置t＝t+1，通过下面的公式计算

$c_n^{\left(t\right)}=\sqrt{\underset{i\&NotEqual;n}{\&Sigma;}{c}_i^{(t-1)}{\mathrm{Wa}}_n{T}_n^b}-\underset{i\&NotEqual;n}{\&Sigma;}{c}_i^{(t-1)};$

其中，表示第n个小基站在时间t的回传频谱费用，W表示总的回传带宽，a_n为单位吞吐量给第n个小基站效用贡献的收益，表示回传阶段的单位带宽传输速率；

第三步：如果|C(t)-C(t-1)|<ε，结束算法，否则重复第二步。