CN103957583B - 一种分布式的室内低功率基站功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明方法涉及一种分布式的室内低功率基站功率分配方法，包括以下步骤：首先用户根据传输损耗确定自己的服务基站；然后基站对自己服务的所有用户进行资源块分配；最后基站按照最差情况以及用户的要求速率为各RB分配传输功率。该方法通过分布式的功率分配算法，令更多的用户可以在要求的速率上工作，且设定了最大的传输功率后，不仅节省了总发射功率，还使能量效率大幅度提高。

Description

一种分布式的室内低功率基站功率分配方法

技术领域：

本发明涉及一种功率分配方法，特别涉及一种分布式的室内低功率基站功率分配方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着移动通信建设步伐的不断加快、移动用户的飞速增加，在大中城市的室外地区已经基本可以做到无缝覆盖。为了提高网络质量、提高用户满意度、增加话务量，室内覆盖越来越成为运营商关注的重点，特别是随着移动通信的普及，移动用户在室内使用手机的机会日益增加，迫切需要提供更好的室内移动通信环境来满足室内通信的需求。

在异构网的部署运用中，低功率的节点例如毫微微蜂窝、微微蜂窝(Pico)，以及中继节点可在宏小区布局中任意放置，并且通常放置的方式也不固定。在这些低功率节点中，Pico的引入是十分重要的，它可以通过在局部地区(例如热点地区)内高效的调节大量电信业务来提高整个系统的容量。在室内单独配置密集Pico可以有效改善室内通信质量。目前，已有部分学者提出了一些功率分配方法，但这些方法都只是着力追求更高的平均速率或总吞吐量，并没有考虑到如何真正满足用户的需求。

发明内容

本发明的目的是为解决如何在低功率基站之间不交换信息的情况下为用户分配合适的发射功率，使更多的用户在高于要求的速率上工作，避免资源浪费问题，提出了一种分布式的室内Pico功率分配方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种分布式的室内低功率基站功率分配方法，包括以下步骤：

步骤1、用户根据传输损耗确定自己的服务基站；

用户首先会通过比较各个基站到自己的传输损耗，为自己选择服务基站。一个用户只能被一个基站服务，而一个基站可以服务于多个用户。在室内不考虑快衰落的情况下，传输损耗只和基站到用户的距离以及是否存在墙壁穿透损耗有关。且基站到该用户的传输损耗越小，基站对该用户服务的质量越好。用户会在所有基站中选择出传输损耗最小的那个基站为自己服务，而该基站同时也会记录下自己需要服务的用户，为资源分配做准备。

步骤2、基站对自己服务的所有用户进行资源块分配；

为保证用户之间的公平性，基站根据轮询调度法则对接入的用户进行资源块RB(Resource-Block)分配。所有基站的RB数均相同且固定，一个用户可以同时占用一个基站内的多个RB，但一个RB在一个基站内只能被一个用户占用。且不同基站之间存在同频干扰，即不同基站处于相同频率的RB(相同RB号)之间存在干扰。轮询调度的基本思想是将资源块循环平等的分配给所有的用户，即所有用户都拥有相同的优先级。基站会为用户按照某种确定的顺序分配资源块，若分配一轮过后RB还有剩余，那么会继续按照之前确定的顺序继续分配，直到该基站内所有的RB分配完毕。这种调度方法下每个用户得到RB的机会相等，得到分配资源的概率相同。

步骤3、表示出每个用户的传输速率；

在一个OFDMA系统中，一个用户的传输速率是它在每个RB上传输速率的总和。令r_i,k表示用户i在第k个RB(记为RB_k)上的传输速率，那么用户i的总传输速率可用香农公式表示为r_i：

其中SINR_i,k是用户i在RB_k上的信干噪比(Signal to Interference plus NoiseRatio)，B表示一个RB的带宽，且每个RB的带宽均相等。N表示一个基站内RB的总数量，N_i表示第i个用户得到分配的RB数量。假设其中一个基站内有m个用户，那么N和N_i的关系可表示为：

假设用户在每个RB上的传输功率相同并且其他干扰基站在每个RB上均采用相同且恒定(最大)的发射功率，这样同一用户在不同RB上的SINR值变为相等，则公式(1)可进一步表示为：

其中W_i＝N_i·B表示为用户i分配的总带宽，公式(3)中可以将N_i提到求和符号前正是在基于公式(3)前的假设使得同一用户在不同RB上的SINR值相等了。

步骤4，表示出每个用户在每个RB上的SINR；

由公式(3)，用户i在RB_k上的信干噪比可表示为：

由于公式(4)是由公式(3)推导而来，且在公式(3)中假设干扰基站在每个RB上均采用相同且恒定(最大)的发射功率，即这种假设是在干扰最大的情况，也是最差的情况。所以公式(4)推导出来的SINR值也是该用户最差的SINR。

而用户i在RB_k上的SINR同时还可以表示为接收功率比上干扰加噪声的形式，即：

其中P_r为用户的接收功率，可表示为P_j,k·h_ij的形式。P_j,k表示基站j在RB_k上的传输功率，h_ij是基站j到用户i的传输损耗。P_I是干扰功率，P_t,k表示干扰基站t在自己RB_k上的传输功率，h_it是基站t到用户i的传输损耗。P_noise为噪声功率，是一个常数，可表示为σ²。M为所有基站的个数。

步骤5，将两个SINR表达式建立等式关系求得基站在不同RB上分配的传输功率。

正如之前说的，我们假设所有干扰基站在每个资源块RB上都使用固定的最大的发射功率，即最差的情况，则公式(5)中的P_t,k也可变为P_max。其中P_max是在一个RB上的最大发射功率，且假设所有基站的所有RB的P_max相等。这种情况下，将公式(4)与公式(5)联立，得到：

则发射功率P_j,k可以表示为：

由于P_max是RB上最大的可传输功率。如果求得的P_j,k的值超过最大功率P_max，就令P_j,k＝P_max，即：

通过公式(8)的功率分配算法，在指定了用户i的要求速率r_i后，即可求得所有用户在自己所分配的RB上的传输功率P_j,k了。

可以看到由于公式(8)在每个RB上设定了最大传输功率P_max，那么采用此算法计算得到的P_j,k肯定要小于等于P_max，而之前在考虑相邻基站干扰时假定干扰基站在每个RB上采用的是恒定且相等的最大发射功率P_max，即最差的情况。因此采用公式(8)的功率分配算法后，实际得到的传输速率一般会好于设定的要求速率r_i。

有益效果

本发明方法通过分布式的功率分配算法，令更多的用户可以在要求的速率上工作，且设定了最大的传输功率后，不仅节省了总发射功率，还使能量效率大幅度提高。

附图说明

图1为实施例中选用的室内Pico通信场景图。

图2为8个Pico与4个Pico场景下有功率控制与无功率控制的累积分布函数图。

图3为无功率控制、有功率控制和要求速率周期变化且有功率控制三种情况下每个Pico的传输速率对比图。

图4为三种情况下归一化的功率消耗对比与达到要求速率的用户比例对比图。

图5为三种情况下能量效率的对比图。

图6为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。本实施例在以发明技术方案为前提进行实施，给出了详细实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图1所示的应用场景中模拟了两个由一堵墙隔离的60m×60m的室内通信场景。第一种情况两间屋子共有4个Pico基站，每间2个，分别在角落处。第二种情况总共有8个Pico基站，每间4个，也在角落处。

步骤1，划定仿真范围，生成基站和用户；

以8个Pico基站为例。首先划定两个室内场景边界，在每个房间角落处放置4个基站。用户在每个房间为均匀分布，每个房间分别放置50个用户。

设墙壁穿透损耗为20dB，当用户基站不处于同一房间情况下需要考虑穿透损耗。用户根据自己与所有基站的距离以及是否存在穿透损耗计算出总的传输损耗，选择传输损耗最小的基站作为自己的服务基站，即接入该基站，基站也会记录下所有选择自己作为服务基站的用户。

步骤2，基站对接入用户进行资源块分配；

每个基站共有50个RB，为每个接入自己的用户分配RB，算法为轮询调度。基站按任意确定次序为不同用户依次分配50个RB，直到分完为止。

步骤3，表示出每个用户的传输速率；

一个用户的传输速率是它在每个RB上速率的总和。每个RB带宽为180KHz。根据用户分配到的总RB数计算出总带宽W_i。

步骤4，计算各RB的发射功率；

考虑最差情况，假设其他干扰基站在每个RB上均为最大功率发射，即P_xma，根据公式(8)计算出发射功率。其中要求速率r_i设为500kbit/s。

步骤5，计算每个用户的最终速率。

根据步骤4中由公式(8)计算得到的发射功率，重新计算实际传输速率。由于所有基站在所有RB上的发射功率均已计算得到，且传输损耗已知，则接收功率和干扰功率均可求得。其中干扰功率为干扰基站的发射功率乘以传输损耗得到。在得到实际信干噪比SINR后，可根据香农公式，即公式(1)，计算每个用户实际的传输速率。

下面我们给出了两种场景下基于3GPP TR36.814传播模型下的SINR和速率比较。

图2显示了两种场景下有功率控制和无功率控制情况下传输速率的累积分布曲线。横坐标为速率值，纵坐标为0到1的累积分布值。累积分布曲线可以反映出所有用户速率的分布情况。以8个Pico的有功率控制和无功率控制曲线为例，可以看到当采用本实施例的分布式功率控制分配方案后，曲线明显更为陡峭，即用户之间的速率差距很小，大多数集中在1000kbit/s，且均大于要求速率500kbit/s。而不采用功率控制的曲线更为平缓，即用户在整个速率范围内分布较为平均，用户体验差距明显。且小于500kbit/s的用户数，即图中横坐标0.5对应的纵坐标为0.2，说明有接近20％的用户没有达到要求速率，资源分配严重不合理。

图3为无功率控制，有功率控制以及在有功率控制时某些基站的要求速率周期性变化时的每个Pico的传输速率对比图。需要说明的是本实施例中的分布式功率分配方案不仅可以在要求速率固定的情况下应用，也可以根据环境自适应的调整要求速率。

可以看到当不采用功率控制时，每个基站的总速率都要高于其他两种情况。然而这些速率主要是归功于某些高速率的接入用户，而大多数其他用户均处于低速率情况，甚至有很多没有达到要求速率；而且这些高速率用户也需要很大的发射功率才可以维持，从后面的图中可以知道能量效率是很低的。

有功率控制情况下每个基站总速率很相近，每个用户的速率差距也较小。

当某些基站用户的要求速率周期性变化时，即1,4,5,8号基站用户的要求速率周期性变化时，可以看到他们的总速率有所降低。这是因为某些时候接入这些基站的用户要求速率较低，基站发射功率也会自适应的降低，总速率也自然降低。且此时由于发射功率减小，相邻基站受到的干扰也会变小，传输速率也会有所增加。可以看到2,3,6,7号基站的总速率提升明显。

图4矩形标注的折线反映了三种情况下达到要求速率的用户比例。可以看到不论要求速率是否周期性变化，在有功率控制时，达到要求速率的用户比例都接近100％，即所有用户都可以工作在要求速率之上。若不采用功率控制，达到要求速率的用户仅为80％多。

图4中圆形标注的折线为归一化的功率消耗。如果将不采用功率控制情况的功率消耗设为标准的1,那么有功率控制的两种情况功率消耗约为0.5和0.4，远远低于没有功率控制的情况。可以看到本实施例不仅能够令所有用户稳定的工作在要求速率之上，对功率的节省也是非常巨大的。

图5是三种情况下能量效率的对比图，结果十分明显：采用功率控制的能量效率普遍比不采用功率控制的情况高70％至80％，在要求速率周期性变化时甚至高出1倍。所以本实施例的功率分配方案不仅可以保证所有用户工作在要求速率之上，且功率节省巨大，能量效率提升明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，或者对其中部分技术特征进行等同替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种分布式的室内低功率基站功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：用户根据传输损耗确定自己的服务基站；

步骤2：基站对自己服务的所有用户进行资源块分配；

步骤3：基站根据下式计算并分配各RB的传输功率；

$P_{j,k}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{(2^{r_i/W_i}-1)(P_{\max }{\&Sigma;}_{t\&NotEqual;j}^M{h}_{it}+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{h_{ij}},& (P_{j,k}<P_{\max })\\ P_{\max },& (P_{j,k}\&GreaterEqual;P_{\max })\end{array}\right.$

其中P_j,k表示基站j在第k个RB上的传输功率，r_i为用户i的要求速率，W_i为基站j为用户i分配的总带宽，P_max为在一个RB上的最大发射功率，M为所有基站的个数，h_ij为基站j到用户i的传输损耗，h_it为干扰基站t到用户i的传输损耗，σ²为噪声功率。

2.根据权利要求1所述的一种分布式的室内低功率基站功率分配方法，其特征在于，所述用户根据传输损耗确定自己的服务基站，包括下述内容：

首先用户从所有基站中选择出到自己的传输损耗最小的那个基站为自己服务；然后该基站同时记录下自己需要服务的用户。

3.根据权利要求1所述的一种分布式的室内低功率基站功率分配方法，其特征在于，所述基站对自己服务的所有用户进行资源块分配，采用轮询调度算法。