CN104301968A - 一种为移动台选取接入基站簇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为移动台选取接入基站簇的方法，该方法包括：稀疏度参数设定步骤、服务质量设定步骤、更新步骤、服务质量调整步骤以及接入步骤。该方法能够在服务质量与基站簇内的基站个数之间达到较好的平衡，还能将一部分计算量分摊到各个基站去完成，减少中央控制器的计算工作量。

Description

一种为移动台选取接入基站簇的方法

技术领域

本发明涉及移动接入技术领域，尤其涉及一种为移动台选取接入基站簇的方法。

背景技术

在移动通信网络中，一个移动台可以同时接入多个基站，即：由多个基站同时为一个移动台提供服务。这些同时为一个移动台提供服务的基站就组成了一个基站簇。

当移动台需要接入基站时，需要通过为其选取基站簇的方法决定将其接入到哪些基站。现有的为移动台选取接入基站簇的方法只简单地根据接收信号的强度来选择接入基站，且基站簇的构成在事先定义好以后会固定不变。

这样的方法可能会由于接收信号强度和传输信道的变化导致将移动台接入该基站簇后的服务质量无法保证，还有可能会导致选取出的基站簇内的基站个数过多，使得由于基站簇内的基站间的协同传输带来的开销过大。此外，现有方法的运算量较大且需要集中计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种为移动台选取接入基站簇的方法，能够在服务质量与基站簇内的基站个数之间达到较好的平衡，还能将一部分计算量分摊到各个基站去完成，减少中央控制器的计算工作量。

本发明的一个实施例提供了一种为移动台选取接入基站簇的方法，包括：稀疏度参数设定步骤：基于预先设定的基站簇内的基站个数的上限值设定稀疏度参数；服务质量设定步骤：基于移动台的发射功率、移动台与所有可能接入的基站间的传输信道和基站的环境噪声得到服务质量上限值、服务质量下限值和服务质量中间值；更新步骤：根据服务质量中间值对接入控制矩阵、辅助矩阵和拉格朗日乘数进行多轮更新，直至最近两轮更新得到的接入控制矩阵之间的差异、辅助矩阵之间的差异和拉格朗日乘数之间的差异之和小于预先设定的更新终止门限值；服务质量调整步骤：根据最近一轮更新得到的接入控制矩阵与稀疏度参数的比较结果，调整服务质量上限值和服务质量下限值；以及接入步骤：当服务质量上限值和服务质量下限值的差异小于预先设定的差异门限值时，根据最后一轮更新得到的接入控制矩阵将移动台接入由接入控制矩阵所指示的基站簇。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为本发明的为移动台选取接入基站簇的方法的一个实施例的总体流程示意图；

图2所示为本发明方法中的更新步骤的一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。

在下面的一个实施例中，假设在一个C-RAN网络中有M个用户和K个基站，考虑其上行链路传输过程，每个用户配备单天线，每个基站配备T根天线。

参考图1，图1所示为本发明的为移动台选取接入基站簇的方法100的一个实施例的总体流程示意图。方法100可以包括如下步骤101至105。

在步骤101中，基于预先设定的基站簇内的基站个数的上限值设定稀疏度参数。

本发明方法可以在服务质量与基站簇内的基站个数之间进行平衡，因此，为了在后续的步骤中方便地比较判断，在步骤101中，可以基于预先设定的基站簇内的基站个数的上限值设定一个大于零的稀疏度参数。该稀疏度参数的大小可以反映出预先设定的基站簇内的基站个数的上限值的大小。具体来说，稀疏度参数可以确保本发明方法最终得到的基站簇内的基站个数在预先设定的基站簇内的基站个数的上限值的附近。

在本发明的一个实施例中，稀疏度参数β＝1。

在步骤102中，基于移动台的发射功率、移动台与所有可能接入的基站间的传输信道和基站的环境噪声得到服务质量上限值、服务质量下限值和服务质量中间值。

例如，当移动台m的发射功率为p_m，移动台m与所有可能接入的基站间的传输信道为各基站的环境噪声均为σ²时，服务质量上限值r_u可以通过如下公式(1)计算得到：

$r_u=\left(p_m{h}_m^H{h}_m\right)/{\mathrm{\σ}}^2---\left(1\right)$

服务质量的下限值可以设定为0，即：r_L＝0。

在本发明的一个实施例中，服务质量的中间值可以通过如下公式(2)得到：

r＝(r_L+r_u)/2      (2)

在步骤103中，根据服务质量中间值对接入控制矩阵、辅助矩阵和拉格朗日乘数进行多轮更新，直至最近两轮更新得到的接入控制矩阵之间的差异、辅助矩阵之间的差异和拉格朗日乘数之间的差异之和小于预先设定的更新终止门限值。

在一轮更新的过程中，可以先对接入控制矩阵、辅助矩阵和拉格朗日乘数中的任意一个进行更新，然后再对另外两个进行更新。当对接入控制矩阵、辅助矩阵和拉格朗日乘数都完成一次更新后，就完成了一轮对这三个变量的更新。

在本发明的一个实施例中，当进行第一轮更新时，可以先将移动台m的接入控制矩阵的初始值设定为 其中，表示服务于移动台m的所有基站的接收波束矢量的初始值，其中的w_k，m∈C^T×1表示基站k与用户m之间的接收波束赋形，因此，接入控制矩阵中的第k个行块子矩阵W_k，m∈C^T×KT。拉格朗日乘数的初始值可以设定为I表示单位矩阵，其中，拉格朗日乘数中的第k个行块子矩阵Z_k，m∈C^T×KT。

在本发明的一个实施例中，步骤103可以包括如下子步骤201至203：

在子步骤201中，根据上一轮更新得到的接入控制矩阵和拉格朗日乘数更新辅助矩阵。

在本发明的一个实施例中，由于辅助矩阵中包含有移动台与所有可能接入的基站间的接入信息，因此，可以由可能被用于接入移动台的每个基站负责更新辅助矩阵中的对应行块。即：第k个基站负责更新辅助矩阵中的第k个行块。这样，就可以将更新计算辅助矩阵的工作量分担到各个基站完成，而不需要集中在中央控制器上进行。

在本发明的一个实施例中，可以采用如下规则和公式(3)对辅助矩阵进行更新：

当时，辅助矩阵中的第k个行块中的元素值即：第k个基站不作为基站簇中的基站参与移动台m的接入。

当时，辅助矩阵中的第k个行块中的元素值

$U_{k,m}^{(l+1)}=\frac{1}{{\left|\right|c{W}_{k,m}^{\left(l\right)}-Z_{k,m}^{\left(l\right)}\left|\right|}_F}\·({\left|\right|c{W}_{k,m}^{\left(l\right)}-Z_{k,m}^{\left(l\right)}\left|\right|}_F-{\mathrm{\λ}}_{k,m})\·(c{W}_{k,m}^{\left(l\right)}-Z_{k,m}^{\left(l\right)})---\left(3\right)$

其中，λ_k，m为第k个基站用于接入移动台m的优先级权重，在本发明的一个实施例中，λ_k，m的可以是正数。在本发明的一个实施例中，可以将所有的λ_k，m设置为全1。为第l轮更新得到的移动台m接入控制矩阵的第k个行块，为第l轮更新得到的移动台m的拉格朗日乘数的第k个行块，c为大于零的预设常数，|| ||_F表示求F范数。

在子步骤202中，根据服务质量中间值、更新后的辅助矩阵、上一轮更新得到的接入控制矩阵和上一轮更新得到的拉格朗日乘数对接入控制矩阵进行多次迭代，直至最近两次迭代得到的接入控制矩阵的差异小于预先设定的相似度。

在本发明的一个实施例中，在上述的一轮对三个变量的更新过程中，可以采用多次迭代的方法，完成对接入控制矩阵的一轮更新。

在本发明的一个实施例中，该多次迭代过程可以包含如下子步骤：

迭代参数初始化子步骤：可以初始化接入控制矩阵的迭代次数q＝0，迭代参数 $s_1^{\left(0\right)}=1,$ $s_2^{\left(0\right)}=1,$ $W_m^{(l+\mathrm{1,0})}=W_m^{\left(l\right)},$ α⁽⁰⁾＝1；

接入控制矩阵计算子步骤：可以用如下公式(4)计算得到第l+1轮更新后移动台m的接入控制矩阵。

$W_m^{(l+1,q+1)}=\frac{1}{c}[c{U}_m^{(l+1)}+Z_m^{\left(l\right)}-s_1^{\left(q\right)}{\tilde{H}}_m-s_2^{\left(q\right)}I]---\left(4\right)$

在本发明的一个实施例中，还可以对用公式(4)计算得到的进行转换，使其成为半正定的矩阵。具体来说，可以先对用公式(4)计算得到的进行特征值分解，如果有负的特征值，将其置零，然后将其与特征向量矩阵相乘，得到转换后的

终止迭代子步骤：当对接入控制矩阵的最近两次迭代的差异小于预先设定的相似度时，可以终止迭代并将转换后的半正定矩阵作为迭代输出。在本发明的一个实施例中，可以通过如下不等式(5)进行相似度的判定。即：当不等式(5)成立时，可以认为对接入控制矩阵的最近两次迭代得差异小于预先设定的相似度。

${\left|\right|W_m^{(l+1,q+1)}-W_m^{(l+1,q)}\left|\right|}_F\≤\mathrm{\θ}---\left(5\right)$

其中，θ表示预先设定的相似度，|| ||_F表示求F范数。

迭代参数更新子步骤：当对接入控制矩阵的最近两次迭代的差异大于预先设定的相似度时，可以通过如下的公式组(6)更新迭代参数：

$s_1^{(q+1)}=s_1^{\left(q\right)}+{\mathrm{\α}}^{\left(q\right)}\mathrm{tr}\left\{W_m^{(l+1,q+1)}{\tilde{H}}_m\right\}$

$s_2^{(q+1)}=s_2^{\left(q\right)}+{\mathrm{\α}}^{\left(q\right)}\left[\mathrm{tr}\right\{W_m^{(l+1,q+1)}\}-1]---\left(6\right)$

α^(q)＝1/q，q＝1，2，...

q＝q+1

然后返回接入控制矩阵计算子步骤，利用更新后的迭代参数继续进行迭代计算。

其中，为第l+1轮更新得到的辅助矩阵，为第l轮更新得到的移动台m的拉格朗日乘数，c为大于零的预设常数， p_m为移动台m的发射功率，σ²为环境噪声，I为单位矩阵，h_m为移动台m与各个基站的传输信道信息，为h_m的共轭转置，h_n为移动台n与各个基站的传输信道信息，为h_n的共轭转置，r为服务质量中间值，tr{}表示求矩阵的迹，M为移动台m可能接入的所有基站下的移动台的总数。

在子步骤203中，根据更新后的接入控制矩阵、更新后的辅助矩阵和上一轮更新得到的拉格朗日乘数更新拉格朗日乘数。

在本发明的一个实施例中，可以通过如下公式(7)对拉格朗日乘数Z_m进行更新：

$Z_m^{(l+1)}=Z_m^{\left(l\right)}+c(U_m^{(l+1)}-W_m^{(l+1)})---\left(7\right)$

其中，表示最近一轮更新后的接入控制矩阵，表示最近一轮更新后的辅助矩阵，表示上一轮更新后的拉格朗日乘数，c为大于零的预设常数。

当对接入控制矩阵、辅助矩阵和拉格朗日乘数都完成一次更新后，可以通过如下不等式(8)判断最近两轮更新得到的接入控制矩阵之间的差异、辅助矩阵之间的差异和拉格朗日乘数之间的差异之和是否小于预先设定的更新终止门限值。即：当不等式(8)成立时，可以认为最近两轮更新得到的接入控制矩阵之间的差异、辅助矩阵之间的差异和拉格朗日乘数之间的差异之和小于预先设定的更新终止门限值δ。

${\left|\right|U_m^{(l+1)}-U_m^{\left(l\right)}\left|\right|}_F+{\left|\right|W_m^{(l+1)}-W_m^{\left(l\right)}\left|\right|}_F+{\left|\right|Z_m^{(l+1)}-Z_m^{\left(l\right)}\left|\right|}_F\≤\mathrm{\δ}---\left(8\right)$

如果公式(8)不成立，则可以再次执行步骤103来对接入控制矩阵、辅助矩阵和拉格朗日乘数进行第l+2轮的更新。

在步骤104中，根据最近一轮更新得到的接入控制矩阵与稀疏度参数的比较结果，调整服务质量上限值和服务质量下限值。

在本发明的一个实施例中，可以采用如下规则来对最近一轮更新得到的接入控制矩阵与稀疏度参数进行比较：

当时，调高服务质量下限值。

当时，调低服务质量上限值。

其中，β为稀疏度参数，W_k，m为接入控制矩阵W_m的第k个行块子矩阵，K为移动台m可能接入的基站总数，λ_k，m为第k个基站用于接入移动台m的优先级权重，|| ||_F表示求F范数。

在本发明的一个实施例中，当需要调高服务质量下限值时，可以将服务质量中间值赋值给服务质量下限值，即：调整后的服务质量下限值等于调整前的服务质量中间值。

在本发明的一个实施例中，当需要调低服务质量上限值时，可以将服务质量中间值赋值给服务质量上限值，即：调低后的服务质量上限值等于调整前的服务质量中间值。

在步骤105中，当服务质量上限值和服务质量下限值的差异小于预先设定的差异门限值时，根据最近一轮更新得到的接入控制矩阵将移动台接入由接入控制矩阵所指示的基站簇。

具体来说，可以判断如下的不等式(9)是否成立，如果成立，就可以认为服务质量上限值和服务质量下限值的差异小于预先设定的差异门限值。

|r_u-r_L|＜ε       (9)

其中，r_u可以是经步骤104调整后的服务质量上限值，r_L可以是经步骤104调整后的服务质量下限值，ε为预先设定的差异门限值。

在本发明的一个实施例中，当不等式(9)成立时，可以根据最近一轮更新得到的接入控制矩阵W_m中的K个行块子矩阵W_k，m的值，将移动台m接入到非零的行块子矩阵W_k，m所对应的多个基站所组成的基站簇。

在本发明的一个实施例中，还可以通过接入控制矩阵W_m得到接收波束矢量w_m。具体来说，可以将控制矩阵W_m进行特征值分解，然后取其主特征矢量，即：最大特征值所对应的特征矢量，然后按照上述的W_m所指示的接入关系，取出最大特征值所对应的特征矢量中的对应块以构成接收波束矢量其中N表示由本发明方法确定的用于接入移动台m的基站的总数，N≤K，并用该接收波束矢量控制移动台接入到相应基站。

在本发明的另一个实施例中，还可以对接收波束矢量进行进一步地修正，用修正后的接收波束矢量来控制移动台的接入，以达到更优的信干比。在本发明的一个实施例中，可以通过如下子步骤对接收波束矢量进行修正：

信道信息子矢量提取子步骤：根据最近一轮更新得到的接入控制矩阵提取对应的信道信息子矢量。

具体来说，可以根据上述的接收波束矢量w_m中行块不为零的元素的位置，将其对应的信道信息提取出来以组成信道信息子矢量

接收波束矢量修正子步骤：可以按照如下公式(10)，根据信道信息子矢量计算修正后的接收波束矢量

${\hat{w}}_m={({\mathrm{\σ}}^{2}I+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{p}_n{\hat{h}}_n{\hat{h}}_n^H)}^{-1}{\hat{h}}_m\∈C^{\mathrm{NT}\×1}---\left(10\right)$

其中，σ²为基站的环境噪声，I为单位矩阵，为移动台m的信道信息子矢量，为的共轭转置，M为移动台m可能接入的所有基站下的移动台的总数，p_n为移动台n的发射功率。

移动台接入子步骤：用修正后的接收波束矢量，将移动台接入由接入控制矩阵所指示的基站簇。即：用接收波束矢量所定义的各个参与移动台m的接入的基站的接收波束，来将移动台m接入到接入控制矩阵所指示的相应的基站。

在本发明的一个实施例中，当不等式(9)不成立时，可以利用步骤104中调整后的服务质量上限值和服务质量下限值，按照公式(2)重新计算服务质量中间值，然后返回步骤103，从第一轮开始，对接入控制矩阵、辅助矩阵和拉格朗日乘数进行更新。

以上步骤101至105描述了为一个移动台m选取接入基站簇的方法，对于位于这些基站下面的其他移动台，也可以采用类似步骤101至105的方法，来完成接入基站簇的选取。

至此描述了根据本发明实施例的为移动台选取接入基站簇的方法，该方法能够在服务质量与基站簇内的基站个数之间达到较好的平衡，还能将一部分计算量分摊到各个基站去完成，减少中央控制器的计算工作量。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种为移动台选取接入基站簇的方法，其特征是，包括：

稀疏度参数设定步骤：基于预先设定的基站簇内的基站个数的上限值设定稀疏度参数；

服务质量设定步骤：基于所述移动台的发射功率、所述移动台与所有可能接入的基站间的传输信道和所述基站的环境噪声得到服务质量上限值、服务质量下限值和服务质量中间值；

更新步骤：根据服务质量中间值对接入控制矩阵、辅助矩阵和拉格朗日乘数进行多轮更新，直至最近两轮更新得到的所述接入控制矩阵之间的差异、所述辅助矩阵之间的差异和所述拉格朗日乘数之间的差异之和小于预先设定的更新终止门限值；

服务质量调整步骤：根据最近一轮更新得到的接入控制矩阵与所述稀疏度参数的比较结果，调整所述服务质量上限值和所述服务质量下限值；以及

接入步骤：当所述服务质量上限值和所述服务质量下限值的差异小于预先设定的差异门限值时，根据最近一轮更新得到的接入控制矩阵将所述移动台接入由所述接入控制矩阵所指示的基站簇。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述更新步骤进一步包括：辅助矩阵更新步骤：根据上一轮更新得到的接入控制矩阵和拉格朗日乘数更新所述辅助矩阵；

接入控制矩阵更新步骤：根据服务质量中间值、更新后的辅助矩阵、上一轮更新得到的所述接入控制矩阵和上一轮更新得到的所述拉格朗日乘数对所述接入控制矩阵进行多次迭代，直至最近两次迭代得到的所述接入控制矩阵的差异小于预先设定的相似度；以及

拉格朗日乘数更新步骤：根据更新后的接入控制矩阵、更新后的辅助矩阵和上一轮更新得到的拉格朗日乘数更新拉格朗日乘数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述辅助矩阵更新步骤进一步包括：

由可能被用于接入移动台的每个基站更新所述辅助矩阵中的对应行块。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述辅助矩阵更新步骤进一步包括：

当时，所述辅助矩阵中的第k个行块中的元素值为零；以及

当时，所述辅助矩阵中的第k个行块中的元素值 $U_{k,m}^{(l+1)}=\frac{1}{{\left|\right|c{W}_{k,m}^{\left(l\right)}-Z_{k,m}^{\left(l\right)}\left|\right|}_F}\·({\left|\right|c{W}_{k,m}^{\left(l\right)}-Z_{k,m}^{\left(l\right)}\left|\right|}_F-{\mathrm{\λ}}_{k,m})\·(c{W}_{k,m}^{\left(l\right)}-Z_{k,m}^{\left(l\right)});$

其中，λ_k，m为第k个基站用于接入移动台m的优先级权重，为第l轮更新得到的移动台m的接入控制矩阵的第k个行块，为第l轮更新得到的移动台m的拉格朗日乘数的第k个行块，c为大于零的预设常数，||||_F表示求F范数。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述接入控制矩阵更新步骤进一步包括：

迭代参数初始化步骤：初始化接入控制矩阵的迭代次数q＝0，迭代参数 $s_1^{\left(0\right)}=1,s_2^{\left(0\right)}=1,$ $W_m^{(l+\mathrm{1,0})}=W_m^{\left(l\right)},$ α⁽⁰⁾＝1；

接入控制矩阵计算步骤：用 $W_m^{(l+1,q+1)}=\frac{1}{c}[c{U}_m^{(l+1)}+Z_m^{\left(l\right)}-s_1^{\left(q\right)}{\tilde{H}}_m-s_2^{\left(q\right)}I]$ 计算得到第l+1轮更新后移动台m的接入控制矩阵并将转换成半正定矩阵；

终止迭代步骤：当对所述接入控制矩阵的最近两次迭代得差异小于预先设定的相似度时，终止迭代并将转换后的半正定矩阵作为迭代输出；以及

迭代参数更新步骤：当对所述接入控制矩阵的最近两次迭代的差异大于预先设定的相似度时，更新迭代参数：

$s_1^{(q+1)}=s_1^{\left(q\right)}+{\mathrm{\α}}^{\left(q\right)}\mathrm{tr}\left\{W_m^{(l+1,q+1)}{\tilde{H}}_m\right\}$

$s_2^{(q+1)}=s_2^{\left(q\right)}+{\mathrm{\α}}^{\left(q\right)}\left[\mathrm{tr}\right\{W_m^{(l+1,q+1)}\}-1]$

α^(q)＝1/q，q＝1，2，...

q＝q+1并返回所述接入控制矩阵计算步骤；

其中，为第l+1轮更新得到的辅助矩阵，为第l轮更新得到的移动台m的拉格朗日乘数，c为大于零的预设常数， $H_m=p_m{h}_m{h}_m^H,$ $H_{-m}={\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{n=1,n\≠m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n{h}_n{h}_n^H,$ p_m为移动台m的发射功率，σ²为所述环境噪声，I为单位矩阵，h_m为移动台m与各个基站的传输信道信息，为h_m的共轭转置，h_n为移动台n与各个基站的传输信道信息，为h_n的共轭转置，r为所述服务质量中间值，tr{}表示求矩阵的迹，M为移动台m可能接入的所有基站下的移动台的总数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述服务质量调整步骤进一步包括：

当时，调高所述服务质量下限值；以及

当时，调低所述服务质量上限值；

其中，β为所述稀疏度参数，W_k，m为最近一轮更新得到的移动台m的接入控制矩阵的第k个行块子矩阵，K为移动台m可能接入的基站总数，λ_k，m为第k个基站用于接入移动台m的优先级权重，||||_F表示求F范数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，调高后的服务质量下限值等于调整前的服务质量中间值。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，调低后的服务质量上限值等于调整前的服务质量中间值。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是，还包括：当所述服务质量上限值和所述服务质量下限值的差异大于预先设定的差异上限值时，返回所述更新步骤。

10.根据权利要求1-9中的任一项所述的方法，其特征是，所述接入步骤进一步包括：

信道信息子矢量提取步骤：根据最近一轮更新得到的接入控制矩阵提取对应的信道信息子矢量；

接收波束矢量修正步骤：根据所述信道信息子矢量计算修正后的接收波束矢量

${\hat{w}}_m={({\mathrm{\σ}}^{2}I+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{p}_n{\hat{h}}_n{\hat{h}}_n^H)}^{-1}{\hat{h}}_m;$ 以及

移动台接入步骤：用修正后的接收波束矢量，将所述移动台接入到由所述接入控制矩阵所指示的基站簇；

其中，σ²为所述环境噪声，I为单位矩阵，为移动台m的所述信道信息子矢量，为移动台m可能接入的所有基站下的移动台的信道信息子矢量，为的共轭转置，M为移动台m可能接入的所有基站下的移动台的总数，p_n为移动台n的发射功率。