CN103916914A - 异构网络融合系统下行基站与中继联合功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种异构网络融合系统中的下行基站与中继联合功率控制方法，其包括：在异构网络融合系统中，中心控制节点根据宏蜂窝用户信道状态以及是否满足其QoS需求等信息进行Macrocell到Femtocell网络的切换判决与操作，然后中心控制节点根据Femtocell网络注册用户与非注册用户的当前信道状态，以及各移动用户终端的QoS需求，在保证注册用户QoS以及异构网络融合场景下跨层干扰不大于门限值的基础上，以最大化Femtocell非注册用户的吞吐量为目标对Femtocell基站和中继节点功率进行分配优化。

Description

异构网络融合系统下行基站与中继联合功率控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，特别是一种异构网络融合系统中下行基站与中继联合功率控制的方法。

背景技术

在异构网络融合场景下的关键技术研究中，如何低成本、高效率地实现大吞吐量的无线通信是其重点之一，而利用无线资源共享与分配技术能够对有限的网络资源进行合理优化。

在异构网络场景中，大量毫微微蜂窝（Femtocell）部署在宏蜂窝（Macrocell）小区内，因此它们同宏蜂窝构成了异构的网络架构。由于无线频谱资源的相对匮乏，Femtocell与宏蜂窝同频段的频谱资源架构越来越得到人们的认可。但是，随之而来的Macrocell与Femtocell间的跨层同频干扰问题也成为研究的热门方向。

当Femtocell基站（FBS,Femtocell Base Station）安置在靠近宏蜂窝基站时，在上行链路中femtocell用户（FUE,Femtocell User）对宏蜂窝基站（MBS,Macrocell Base Station）以及下行链路中MBS对FUE的跨层同频干扰将会变得异常大，从而会导致接收信号的信噪比大幅度降低，影响了用户的QoS；同理，当FBS安置在远离MBS（靠近宏蜂窝小区边缘）时，在上行链路中宏蜂窝用户（MUE,Macrocell User）对FBS以及下行链路中FBS对MUE的跨层同频干扰也会造成用户QoS的降低，从而导致用户体验变的非常的差。

Femtocell网络中由于穿墙效应的影响，部署在网络外围的非注册用户接收到的来自基站的信号强度大幅度降低，从而造成了Femtocell网络的资源浪费。

现有的异构网络功率控制方法大部分是基于异构网络基站集中式或者分布式功率控制方法，对Femtocell网络基站进行功率分配优化，以期解决由于不同网络架构下最大化网络资源利用率的问题。而随着技术的发展，研究的重点逐渐转向如何利用有限的频谱资源，尽可能地保证各个用户的QoS需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于中心控制的异构网络融合下行基站和中继联合功率控制方法，在跨层干扰受限和总功率受限的条件下动态分配功率资源，最优化数据传输速率，优先满足Femtocell注册用户QoS前提下，最优化非注册用户的容量。

为达上述或其它目的，本发明提供了一种异构网络融合系统下行基站与中继联合功率控制方法，该方法用于基于多用户的中心控制节点，该中心控制节点包括：

切换判决执行模块，用以完成异构网络间的切换判决和切换操作；

功率分配模块，用于Femtocell网络中基站和外围中继节点提供实时功率分配控制，以最大化网络非注册用户吞吐量为目标，并保证网络中各注册用户的QoS需求。

该方法包括如下步骤：

(1)切换判决执行模块首先根据宏蜂窝用户信道状态，是否满足其QoS需求以及Femtocell网络负载和中继节点负载等信息进行宏蜂窝到Femtocell网络的切换判决；

(2)切换判决执行模块随后根据判决决策的结果进行相应操作，若进行切换，则启动宏蜂窝到Femtocell网络的切换操作，从宏蜂窝用户集合中删除该用户，并将其加入到Femtocell网络中的非注册用户集中；若不进行切换，则继续检测宏蜂窝用户的状态信息，以备下次进行切换判决；

(3)功率分配模块根据当前Femtocell网络中注册用户集与非注册用户集等信息分别对基站到注册用户的直传链路以及基站通过中继节点转发到非注册用户的中继链路进行功率分配。在保证Femtocell网络注册用户QoS的基础上，以最大化Femtocell非注册用户的吞吐量为目标对Femtocell基站和中继节点功率进行联合分配优化。

所述的网络架构采用中继节点部署在Femtocell网络外围，为Femtocell外围的非注册用户提供中继转发链路。中继转发链路采用子信道对的形式进行信号传输，即Femtocell基站到中继节点以及中继节点到非注册用户采用两个相互正交的子信道，可同时进行数据的发送，而基站到非注册用户没有直传链路。

所述的切换判决执行模块执行切换的判决与操作。Femtocell网络采用开放接入机制，当宏蜂窝网络满足不了其用户的QoS并且Femtocell网络的负载较低时，宏蜂窝用户可以切换到Femtocell网络成为Femtocell网络的非注册用户。

所述的中心控制节点采用集中控制方式下对基站和中继节点进行联合功率优化，该方法根据Femtocell网络注册用户终端的QoS需求以及各用户的当前信道状态。在保证Femtocell网络资源优先分配给注册用户QoS的基础上，最大化Femtocell非注册用户的吞吐量。

所述方法综合考虑各用户的当前信道状态，以及各用户终端的QoS需求，在中心控制节点控制下对开放接入机制Femtocell网络进行切换判决与切换操作，采用中继节点部署在Femtocell网络外围的网络结构进行对非注册用户8的中继转发，在优先保证Femtocell注册用户5QoS的基础上，最大化Femtocell网络非注册用户容量。

其中，中继节点的引入可以将一条较长的传输路径分成几段具有较好传输质量的较短路径，提高系统容量。中继节点在Femtocell网络中的引入可以较好地提高外围非注册用户的QoS，并且能够减小由于未架设中继节点时基站对外围用户直达链路的高功率对于宏蜂窝用户的跨层干扰。

本发明利用网络中各用户在中心控制节点的实时调度机制，根据宏蜂窝用户当前信道状态以及Femtocell网络负载等信息进行异构网络间的切换判决与操作。并且利用有限的功率资源，以最大化所有Femtocell非注册用户的QoS为目标，并优先保证Femtocell注册用户的QoS约束和对Macrocell用户的跨层干扰不超过设定的门限值，进行Femtocell基站和中继节点的联合功率分配优化。

附图说明

图1是本发明中继节点辅助通信的下行异构网络结构示意图；

图2是本发明中心控制节点结构模块示意图；

图3是本发明基站通过中继节点转发信号的子载波配对示意图；

图4是本发明异构网络融合系统下行基站与中继联合功率控制流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

图1所示是本发明一实施例中继节点辅助通信的下行异构网络结构示意图，如图1所示，该网络是Femtocell和Macrocell异构网络场景，异构网络融合场景中的宏蜂窝用户终端，在既可与宏蜂窝建立通信链路、也可在开放接入机制下通过切换操作与毫微微蜂窝网络建立通信链路。由于切换到Femtocell的非注册用户在Femtocell网络外围，因此Femtocell基站到用户的直达链路会因为穿墙效应等因素降低链路质量。

采用将中继节点7部署在Femtocell网络外围的方法对该网络的非注册用户8进行转发通信，而Femtocell的注册用户5到FBS2依旧采用直达链路进行通信。中心控制节点将MBS1、FBS2和中继节点7进行集中式管理，从而有效地对用户跨层切换和FBS2与中继联合功率分配提供支持。

网络中各用户在中心控制节点的实时调度下，以最大化所有Femtocell非注册用户的QoS为目标，并保证Femtocell注册用户的QoS约束和对Macrocell用户的跨层干扰不超过设定的门限值，进行Femtocell基站和中继节点的联合功率分配优化。

在实际实行中，中继节点7的引入可以将一条较长的传输路径分成几段具有较好传输质量的较短路径，提高系统容量。中继节点7在Femtocell网络中的引入可以较好地提高外围非注册用户8的QoS，并且能够减小由于未架设中继节点7时基站对外围用户直达链路的高功率对于宏蜂窝用户的跨层干扰。

在实际实行中，在Femtocell开放接入机制下对异构网络用户进行切换判决与操作，引入中继节点7部署在Femtocell网络外围转发基站对网络外围非注册用的信号。采用基站和中继节点7集中控制下的功率联合分配方法，该方法在优先保证Femtocell注册用户5QoS的基础上，以最大化Femtocell网络非注册用户8容量为目标。

图2是本发明中心控制节点结构模块示意图。如图2所示，异构网络融合系统下行基站与中继联合功率控制方法，所设计的方法用于多用户异构网络中多用户的中心控制节点。所述中心控制节点主要包括两个部分：第一部分为切换判决执行模块，用以完成异构网络间的切换判决和切换操作；第二部分为功率分配模块，用于Femtocell网络中基站和外围中继节点7提供实时功率分配控制，以最大化网络非注册用户8吞吐量为目标，并保证网络中各注册用户5的QoS需求。

该方法包括如下步骤：

(1)切换判决执行模块首先根据宏蜂窝用户信道状态，是否满足其QoS需求以及Femtocell网络负载和中继节点负载等信息进行宏蜂窝到Femtocell网络的切换判决；

(2)切换判决执行模块随后根据判决决策的结果进行相应操作，若进行切换，则启动宏蜂窝到Femtocell网络的切换操作，从宏蜂窝用户集合中删除该用户，并将其加入到Femtocell网络中的非注册用户集中；若不进行切换，则继续检测宏蜂窝用户的状态信息，以备下次进行切换判决；

(3)功率分配模块根据当前Femtocell网络中注册用户集与非注册用户集等信息分别对基站到注册用户的直传链路以及基站通过中继节点转发到非注册用户的中继链路进行功率分配。在保证Femtocell网络注册用户QoS的基础上，以最大化Femtocell非注册用户的吞吐量为目标对Femtocell基站和中继节点功率进行联合分配优化。

所述的切换判决执行模块执行切换的判决与操作。Femtocell网络采用开放接入机制，当宏蜂窝网络满足不了其用户的QoS时，宏蜂窝用户可以切换到Femtocell网络成为该网络的非注册用户。根据Femtocell网络的负载情况进行切换判决，若Femtocell网络在满足其注册用户QoS的基础上有剩余能量，则进行切换操作；若Femtocell网络注册用户负载较重时，不进行切换操作；

所述的网络架构采用中继节点部署在Femtocell网络外围，为Femtocell外围的非注册用户提供中继转发链路。中继转发链路采用子信道对的形式进行信号传输，即Femtocell基站到中继节点以及中继节点到非注册用户采用两个相互正交的子信道，可同时进行数据的发送，而基站到非注册用户没有直传链路。

所述的中心控制节点根据各用户的当前信道状态，以及Femtocell网络注册用户终端的QoS需求。在保证Femtocell网络注册用户QoS的基础上，以最大化Femtocell非注册用户的吞吐量为目标对Femtocell基站和中继节点功率进行联合分配优化。

所述实时功率控制一方面可以动态地优先满足Femtocell注册用户的QoS需求，另一方面可以最大限度地利用网络剩余能量最大化非注册用户的吞吐量。

结合图1和图2，对本发明方案作进一步的具体分析和描述。

在所述异构网络融合系统下行基站与中继联合功率控制方法，Femtocell基站到中继节点和中继节点到Femtocell非注册用户分别工作在两个相互正交的信道上。

图3是本发明基站通过中继节点转发信号的子载波配对示意图。如图3所示：在Femtocell基站到中继节点链路中，采用正交子信道集中的i子信道进行数据传输，在中继节点到非注册用户链路中，采用正交子信道集中的j子信道进行数据传输。两条链路可同时工作，且传输不同的数据，中继节点采用缓存器进行数据的存储与转发。

若Femtocell网络中的用户集发生变化，功率分配模块启动进行功率分配优化。

记R_k，min为Femtocell网络中注册用户k的最小QoS需求，在本发明优先满足Femtocell注册用户的QoS，因此Femtocell基站分配给注册用户k的功率所得的吞吐量r_k应大于等于该用户最小QoS值，即r_k≥R_k，min。记p_s，k为Femtocell基站分配给注册用户5k的功率值，由于基站功率资源有限，因此Femtocell基站所分配的功率之和应小于等于其总功率，即Σ_k∈Up_s，k≤p_s，total。同理，中继节点上的功率约束为记I_s，k和I_r，k分别为Femtocell基站和中继节点对宏蜂窝用户的干扰门限值，本发明所涉及的异构融合网络中Femtocell对宏蜂窝用户的跨层干扰应小于等于门限值，即和Femtocell网络外围中继节点采用放大转发（AF,amplify-and-forward）技术来处理接收到的信号并发送给非注册用户k。本发明以最大化非注册用户的吞吐量为目标，即其中Γ_s，r，k为用户接收信噪比。然后求得保证上述约束的最佳基站和中继节点的功率分配解向量， $p_s^{*}=(p_{s,1}^{*},p_{s,2}^{*},\·\·\·{,p}_{s,m}^{*})$ 和 $p_r^{*}=(p_{r,1}^{*},p_{r,2}^{*},\·\·\·,p_{r,K}^{*}).$

图4所示为异构网络融合系统下行基站与中继联合功率控制步骤，根据Femtocell非注册用户集的变化触发联合功率分配方法，在以所有注册用户QoS需求、基站总功率、中继节点总功率和跨层干扰等为约束条件的基础上，最大化Femtocell非注册用户QoS值，通过最优化算法得到基站和中继节点的联合功率优化分配解。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种异构网络融合系统下行基站与中继联合功率控制方法，其包括：

宏蜂窝用户在开放接入机制下切换到Femtocell网络中，且其接收设置在所述Femtocell网络外围的所述中继转发所述下行基站的信号；

其特征在于：基于中心控制节点的联合功率控制，该中心控制节点包括：

切换判决执行模块，用以完成所述异构网络融合系统间的切换判断和切换操作；

功率分配模块，用于所述Femtocell网络中所述基站和外围所述中继提供实时功率分配控制，实现网络非注册用户吞吐量最大化，并保证网络中各注册用户的QoS需求。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述切换判决执行模块执行切换的判决具体为：

所述Femtocell网络采用开放接入机制，当宏蜂窝网络满足不了所述宏蜂窝用户的QoS时，所述宏蜂窝用户可以切换到所述Femtocell网络成为该网络的非注册用户。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述切换判决执行模块执行切换的操作具体为：

根据所述Femtocell网络的负载情况进行切换判决，若Femtocell网络在满足其注册用户QoS的基础上有剩余能量，则进行切换操作；

若Femtocell网络注册用户负载较重时，不进行切换操作。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：根据所述Femtocell网络中注册用户集与非注册用户集信息分别对所述基站到注册用户的直传链路以及所述基站通过所述中继转发到非注册用户的中继链路进行功率分配。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：采用中继节点部署在所述Femtocell网络外围，为Femtocell外围的非注册用户提供中继转发链路，其中，中继转发链路采用子信道对的形式进行信号传输。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：中继转发链路采用子信道对的形式进行信号传输为Femtocell基站到中继节点以及中继节点到非注册用户采用两个相互正交的子信道，同时进行数据的发送，而基站到非注册用户无直传链路。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述中心控制节点根据用户当前信道状态和所述Femtocell网络注册用户终端的QoS需求，在保证所述Femtocell网络注册用户QoS的基础上，以最大化Femtocell非注册用户的吞吐量为目标和对Macrocell用户的跨层干扰不超过设定的门限值对Femtocell基站和中继节点功率进行联合分配优化；

在中心控制节点的实时调度下，可实现动态地优先满足Femtocell注册用户的QoS需求，和最大限度地利用网络剩余能量最大化非注册用户的吞吐量。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：以所有注册用户QoS需求、基站总功率、中继节点总功率和跨层干扰为约束条件，最大化Femtocell非注册用户QoS值，通过最优化算法得到所述基站和所述中继联合功率优化分配解。