CN104185184B - 一种基于max-min公平的多小区资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于max‑min公平的多小区资源分配方法。本方法中，小区内用户工作在正交的频道上，各小区在满足给定干扰门限的基础上复用系统资源。该方法以最小小区用户的和速率最大化为目标将基于干扰协调的联合资源分配问题建立成一个max‑min优化问题，采用拉格朗日乘子法求解。为了进一步保证边缘用户的性能，在用户调度过程中赋予边缘用户更高的优先级。该方法可以有效地控制小区间的干扰功率强度，提高边缘用户性能，获取更为理想的公平性和系统性能。

Description

一种基于max-min公平的多小区资源分配方法

技术领域

本发明涉及基于max-min公平的多小区资源分配方法，该方法用于无线通信系统进行资源分配，属于通信技术中的移动通信领域。

背景技术

在下一代通信系统中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，超高速无线局域网中数据流量将出现井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集网络成为实现未来大流量需求的主要手段之一。超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。

未来，面向高频段大带宽，将采用更加密集的网络方案。愈发密集的网络部署也使得网络拓扑更加复杂，小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素，极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。同时密集网络覆盖区域重叠，会产生大量小区边缘区域，在小区边缘区域的用户容易受到相邻基站的干扰，从而影响上下行链路接收信号的质量。由于用户信道质量变差，现有的功率控制算法会增加基站的下行发射功率或者指示用户增加上行发射功率，有用信号功率增加的同时，网络内的干扰功率也会随之增加。在其他用户由于接收信号质量变差也提高发射功率的情况下，通信网络内的功率控制算法最终会导致网络内部各基站或者用户以最大功率发射信号，使得网络内总干扰功率大幅增加，甚至会导致网络整体服务质量大幅下降。

另一方面，基站的无规则部署、随意移动和随意开关等特点也使得网络的可用资源分布不均匀，公平性问题值得进一步研究。因此，传统的网络规划和优化方法不能有效解决资源最优分配问题。

为了解决小区间的干扰问题，提高公平性和小区边缘用户的通信质量，亟需设计新的干扰避免和无线资源分配方案。

发明内容

本发明所述的基于max-min公平的多小区资源分配方法，旨在解决在下一代通信系统中资源公平性分配和保障边缘用户通信质量的问题。

本发明的基于max-min公平的多小区资源分配方法中，小区内用户工作在正交的频道上，各小区在满足给定干扰门限的基础上复用系统资源。方法以最小小区用户和速率的最大化为目标将基于干扰协调的联合资源分配问题建立成一个max-min优化问题，采用拉格朗日乘子法，最优的资源分配策略为所得注水解。为了进一步保证边缘用户的性能，在用户调度过程中赋予边缘用户更高的优先级。具体方法步骤如下：

1)根据用户与AP的地理位置，标记边缘用户和中心用户，结合反馈的信道

信息，建立各用户与各AP之间的频道复用指示参数矩阵。

2)建立优化目标函数和约束条件，用拉格朗日乘子法求解，迭代得到最优的

拉格朗日乘子，从而得到最优解。

3)最后根据解出的频道分配结果和发射功率分配结果进行用户及资源调度。

相对于现有技术，本发明的有益效果有：本发明提出了基于max-min公平的多小区资源分配方法。优点是有效地控制小区间的干扰功率强度，提高边缘用户性能，获取理想的公平性和系统性能。

附图说明

图1是本发明的一轮调度流程图。

图2是本发明的最优拉格朗日乘子迭代流程。

图3是本发明的正交频道分配流程。

图4是本发明的频道复用流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的基于max-min公平的多小区资源分配方法的具体实施进行详细说明。

图1是一轮调度流程图，主要分为三块：

1.初始化：根据用户与AP的地理位置，标记边缘用户和中心用户，结合反馈的信道信息，建立各用户与各AP之间的频道复用指示参数矩阵。具体说明如下：

多小区下行通信系统由L个小区构成，小区集合记为第l小区基站记为AP_l，其最大功率记为P_l ^max，l表示小区编号，其取值为1,...,L，小区中有M_l个用户，用户记为m，用户集合记为为保证用户的通信质量，每个用户m维护一个最小速率c_lm，并且对任意用户有分配频道数量的上限系统中拥有R个频道，资源块集合记为每个频道宽度为Δf。系统中的控制中心可以获取所有链路上各个信道的瞬时状态信息，控制中心根据各信道信息，集中地进行用户调度和资源分配。表示用户m在资源块r上所分配到的功率。表示在资源块r上用户m与基站AP_l之间的信道衰落。

各小区间采用准正交的频道分配策略，即当给定小区中某用户受到来自其他小区基站的干扰小于预设门限时，该用户可以复用其他小区的频道资源，反之不能。二元变量指示特定的用户(小区l中的用户m)和小区l'间能否频谱复用，l'表示与l不同的小区编号，当小区l中用户m受到基站AP_l'的干扰小于门限δ时，设定此时频道可以复用，这种情况出现的场景之一是用户m离AP_l'足够远，同理当用户m受到基站AP_l'的干扰大于门限δ时，设定此时频道不能复用。对于的取值，针对信道状况，提出以下取值标准：

其中δ为频道复用干扰门限，E{}是期望运算。特殊的是表示本小区用户与本小区基站的关系，恒有即表示小区内用户频道不能复用，即小区内用户分配正交的频道资源。定义二元变量指示频道分配结果，表示小区l中的用户m使用频道r，表示小区l中的用户m不使用频道r。综合前述分析，对于小区间的复用，有如下不等式：

小区内各用户均工作在正交的时频资源块上，本方法提出的资源分配策略，在合适的频道复用干扰门限下，小区l中的用户m在各个所分配到的资源块上获得的和速率表示为：

式中n₀是噪声的单边功率谱密度。定义第l小区用户和速率C_l为第l小区获得的所有用户的和速率：

本方法需要找寻最优的频道分配策略X^*和功率分配策略P^*，基于各小区间的公平性，将基于干扰协调的频谱和功率资源联合分配问题描述为最小小区用户的和速率最大化优化问题。

2.建立优化目标函数和约束条件，用拉格朗日乘子法求解最优解，并迭代获得最优拉格朗日乘子。

(P1)

约束条件：

其中，表示小区l'中用户m和小区l间能否频谱复用；表示频道分配结果，表示小区l'中的用户m使用频道r，表示小区l'中的用户m不使用频道r；

其中(1)式为和速率的优化目标，X和P分别为频道分配矩阵和功率分配矩阵。(2)式表示相互干扰的小区用户间及小区内频率资源都不能复用，不干扰的小区用户间频率资源可以复用。(3)式表示的是用户最小速率约束。(4)式表示的是用户最大频道数量的限制。(5)式表示的是小区中用户使用的总功率不得超过基站最大功率。

由于边缘用户容易受到相邻基站的严重干扰，为保障边缘用户的性能，定义边缘用户在正交频道上的调度优先级要高于不易受干扰的中心用户。定义变量ω_lm是用户的优先级权重系数，边缘用户对应的ω_lm＞1，中心用户对应的ω_lm＝1，表示边缘用户在资源分配调度中有一定的优先权。具体操作为：在频道分配变量赋值过程中添加这一权重，见式(8)和(11)。

综上所述，最终注水解形式如下，其中和分别是最优频道分配和功率分配解:

1)当l∈{1,...,L-1}时，

2)当l＝L时，

其中[x]⁺＝max(0,x)。把最优解代入优化问题中，通过迭代更新η_l,β_lm,μ_l的次梯度的方法求解，η_l,β_lm,μ_l表示系数。下面是对偶函数的一个次梯度：

其中，表示功率分配解；

迭代求解最优乘子的步骤如附图2所示：

1)初始化η_l(0),β_lm(0),μ_l(0),

2)计算的值，

3)正交频带分配。如图3所示：对每个频道r，将此频道分配给使且值最大的第l小区的第m个用户，记录其分配的小区号l，在分配过程中，当第l小区的第m个用户所分配的资源块数量大于上限选择次大的用户，依次类推；

4)频带复用。如图4所示：对于每个用户m，获取其对应小区所分配到的正交频道集合，找出这些频道中使且值最大的频道r，将r分配给该用户并在集合中删除该频道，如果集合中频道数量仍大于0且该用户所分配的频道数量小于上限再选择使次大的频道进行分配，分配的频道数量最大为分配数量上限；

5)根据(13)计算次梯度，并且用如下方法更新η_l,β_lm,μ_l：

η_l(t+1)＝[η_l(t)-(ε_η/t)▽η_l(t)]⁺,

β_lm(t+1)＝[β_lm(t)-(ε_β/t)▽β_lm(t)]⁺,

μ_l(t+1)＝[μ_l(t)-(ε_μ/t)▽μ_l(t)]⁺,

t是迭代步长，ε_η,ε_β,ε_μ分别是η_l,β_lm,μ_l的步长参数；

6)回到3)直到算法收敛，收敛标准为||C⁽ⁿ⁾-C^(n-1)||₂≤ε，其中C为小区用户和速率向量C＝[C₁,C₂,...,C_L]，C₁、C_L分别表示第1、L个用户速率向量，由此得到最优η_l ^*,β_lm ^*,μ_l ^*，η_l ^*,β_lm ^*,μ_l ^*分别为η_l,β_lm,μ_l的最优值，将其代入(7)-(12)，即得到频道和功率资源的分配策略。

3.最后根据频道分配结果和发射功率分配结果进行用户及资源调度。

Claims (1)

1.一种基于max-min公平的多小区资源分配方法，其特征在于：小区内用户工作在正交的频道上，各小区在满足给定干扰门限的基础上复用系统资源；以最小小区用户和速率的最大化为目标将基于干扰协调的联合资源分配问题建立成一个max-min优化问题，采用拉格朗日乘子法求解，最优的功率分配遵循注水定理；并在用户调度过程中赋予边缘用户更高的优先级；

具体方法是：

(1).初始化：根据用户与AP的地理位置，标记边缘用户和中心用户，结合反馈的信道信息，建立各用户与各AP之间的频道复用指示参数矩阵；具体如下：

多小区下行通信系统由L个小区构成，小区集合记为第l小区基站记为AP_l，其最大功率记为P_l ^max，l表示小区编号，其取值为1,...,L，小区中有M_l个用户，用户记为m，用户集合记为为保证用户的通信质量，每个用户m维护一个最小速率c_lm，并且对任意用户有分配频道数量的上限系统中拥有R个频道，资源块集合记为每个频道宽度为Δf；系统中的控制中心获取所有链路上各个信道的瞬时状态信息，控制中心根据各信道信息，集中地进行用户调度和资源分配；表示用户m在资源块r上所分配到的功率；表示在资源块r上用户m与基站AP_l之间的信道衰落；

各小区间采用准正交的频道分配策略，即当给定小区中某用户受到来自其他小区基站的干扰小于预设门限时，该用户可以复用其他小区的频道资源，反之不能；二元变量指示特定的用户和小区l'间能否频谱复用，l'表示与l不同的小区编号，当小区l中用户m受到基站AP_l'的干扰小于门限δ时，取此时频道可以复用，这种情况出现的场景之一是用户m离AP_l'足够远，同理当用户m受到基站AP_l'的干扰大于门限δ时，取此时频道不能复用；对于的取值，针对信道状况，提出以下取值标准：

其中δ为频道复用干扰门限，E{}是期望运算；表示本小区用户与本小区基站的关系，恒有即表示小区内用户频道不能复用，即小区内用户分配正交的频道资源；定义二元变量指示频道分配结果，表示小区l中的用户m使用频道r，表示小区l中的用户m不使用频道r；

综合前述分析，对于小区间的复用，有如下不等式：

其中，表示小区l'中用户m和小区l间能否频谱复用；表示频道分配结果，表示小区l'中的用户m使用频道r，表示小区l'中的用户m不使用频道r；

小区内各用户均工作在正交的时频资源块上，在选定的频道复用干扰门限下，小区l中的用户m在各个所分配到的资源块上获得的和速率C_lm表示为：

式中n₀是噪声的单边功率谱密度；定义第l小区用户和速率C_l为第l小区获得的所有用户的和速率：

本方法需要找寻最优的频道分配策略X^*和功率分配策略P^*，基于各小区间的公平性，将基于干扰协调的频谱和功率资源联合分配问题描述为最小小区用户的和速率最大化优化问题；

(2).建立优化目标函数和约束条件，用拉格朗日乘子法求解最优解，并迭代获得最优拉格朗日乘子；

约束条件：

其中式(1)为和速率的优化目标，X和P分别为频道分配矩阵和功率分配矩阵；式(2)表示相互干扰的小区用户间及小区内频率资源都不能复用，不干扰的小区用户间频率资源可以复用；式(3)表示的是用户最小速率约束，c_lm表示用户最小速率；式(4)表示的是用户最大频道数量的限制；式(5)表示的是小区中用户使用的总功率不得超过基站最大功率；

由于边缘用户容易受到相邻基站的严重干扰，为保障边缘用户的性能，定义边缘用户在正交频道上的调度优先级要高于不易受干扰的中心用户；定义变量ω_lm是用户的优先级权重系数，边缘用户对应的ω_lm＞1，中心用户对应的ω_lm＝1，表示边缘用户在资源分配调度中有一定的优先权；具体操作为：在频道分配变量赋值过程中添加这一权重，见式(8)和(11)；

最终注水解形式如下，其中和分别是最优频道分配和功率分配解，l^*、m^*分别表示获得最优解时的小区及对应的用户:

1)当l∈{1,...,L-1}时，

2)当l＝L时，

其中[x]⁺＝max(0,x)；

把最优解代入优化问题中，通过迭代更新η_l,β_lm,μ_l的次梯度的方法求解，η_l,β_lm,μ_l表示系数：

下面是对偶函数的一个次梯度：

其中，表示功率分配解；

迭代求解最优乘子的步骤如下：

1)初始化η_l(0),β_lm(0),μ_l(0),

2)计算的值，

3)正交频带分配：对每个频道r，将此频道分配给使且值最大的第l小区的第m个用户，记录其分配的小区号l，在分配过程中，当第l小区的第m个用户所分配的资源块数量大于上限则选择次大的用户，依次类推；

4)频带复用：对于每个用户m，获取其对应小区所分配到的正交频道集合，找出这些频道中使且值最大的频道r，将r分配给该用户并在集合中删除该频道，如果集合中频道数量仍大于0且该用户所分配的频道数量小于上限再选择使次大的频道进行分配，分配的频道数量最大为分配数量上限；

5)根据式(13)计算次梯度，并且用如下方法更新η_l,β_lm,μ_l：

t是迭代步长，ε_η,ε_β,ε_μ分别是η_l,β_lm,μ_l的步长参数；

6)回到3)直到算法收敛，收敛标准为||C⁽ⁿ⁾-C^(n-1)||₂≤ε，其中C为小区用户和速率向量C＝[C₁,C₂,...,C_L]，其上标(n)、(n-1)分别表示第n次、第n-1次迭代；C₁、C_L分别表示第1、L个用户速率向量，ε为收敛阈值，由此得到最优η_l ^*,β_lm ^*,μ_l ^*，η_l ^*,β_lm ^*,μ_l ^*分别为η_l,β_lm,μ_l的最优值，将其代入(7)-(12)，即得到频道和功率资源的分配策略；

(3).最后根据频道分配结果和发射功率分配结果进行用户及资源调度。