CN104363664A - 用于毫微微蜂窝网络的动态混合接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于毫微微蜂窝网络的动态混合接入控制方法，网络中的非注册用户和注册用户在Femtocell基站的实时调度下，首先根据其注册用户QoS需求进行功率分配；其次，若基站还有剩余的功率未分配，运用博弈理论建立非注册用户和基站剩余功率之间的博弈模型并进行求解；最后，基站根据上述两个过程将求得的功率值分配给相应用户，从而实现对于Femtocell网络的动态混合接入控制。本发明利用有限的功率资源，首先以保证注册用户的QoS为约束，以最小化分配给注册用户总功率为目标对注册用户进行功率分配；然后根据剩余功率的值，以基站作为卖家，而非注册用户作为买家，实现了以最大化卖家所得收益和买家效益为目标的功率分配。

Description

用于毫微微蜂窝网络的动态混合接入控制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其是一种用于毫微微蜂窝网络的动态混合接入控制方法。

背景技术

在Femtocell网络场景下的关键技术研究中，如何低成本、高效率地实现网络用户动态接入Femtocell是无线通信研究的重点内容之一。在Macro-Femto网络场景中，大量Femtocell部署在宏蜂窝(Macrocell)小区内。当宏蜂窝用户远离宏蜂窝基站并相应靠近相近的Femtocell基站时，会根据Femtocell的接入机制进行切换。

但是，由于Femtocell基站功率较小，若在开放的接入机制下对注册用户和非注册用户进行功率分配会相应降低注册用户的用户体验度；而在非开放接入机制下，非注册用户则不能接入到Femtocell网络中，从而会依旧停留在宏蜂窝网络中，可能因为“死区”等原因中断服务；而混合接入机制能在一定的限制内允许一定非注册用户接入到Femtocell网络中，综合了开放和非开放两种接入机制的特点，但是如何动态地进行混合接入的判定和允许哪些非注册用户接入Femtocell网络则成为了难点。

现有的Femtocell网络混合接入方法大部分是以最大化网络吞吐量等性能进行的。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需求并保护系统资源，因此需要新的Femtocell动态混合接入控制方法。

发明内容

发明目的：提供一种用于毫微微蜂窝网络的动态混合接入控制方法，以解决现有技术的上述问题。

技术方案：一种用于毫微微蜂窝网络的动态混合接入控制方法，包括如下步骤：

根据其注册用户QoS需求进行功率分配；

若基站还有剩余的功率未分配，运用博弈理论建立非注册用户和基站剩余功率之间的博弈模型并进行求解；

基站根据上述两个过程将求得的功率值分配给相应用户，从而实现对于Femtocell网络的动态混合接入控制。

在进一步的实施例中，上述过程具体为：

步骤1、根据Femtocell用户属性将用户集分成注册用户集和非注册用户集，基站通过信道检测对所有用户的信道状态进行搜集并得到注册用户的QoS需求值；

步骤2、Femtocell基站根据得到的注册用户的QoS值并以其为约束，以最小化使用的总功率为目标对注册用户进行功率分配，并得到注册用户的功率值；

步骤3、根据步骤2中所得注册用户的功率值，判断Femtocell基站是否还有剩余功率待分配，若还有剩余功率则进入步骤4；

若没有剩余功率则切换到步骤5并分配给非注册用户的功率值为0，将Femtocell网络设置为非开放接入机制，从而拒绝所有非注册用户；

步骤4、根据注册用户所得功率值以及基站拥有的总功率计算剩余功率，以基站作为卖家，而非注册用户作为买家进行Stackelberg game数学建模；求得基站分配给每个非注册用户的功率值，基站根据其功率值选择性地接纳非注册用户进入Femtocell网络中以得到其最大的经济效益；

步骤5、根据步骤2和步骤4所得的注册用户和非注册用户的功率分配值进行动态混合接入Femtocell网络的判定。

有益效果：本发明利用网络中各用户在Femtocell基站的实时调度机制，根据各个用户当前信道状态以及Femtocell网络注册用户QoS等信息进行动态的功率分配。并且利用有限的功率资源，首先以保证注册用户的QoS为约束，以最小化分配给注册用户总功率为目标对注册用户进行功率分配；然后根据剩余功率的值，以基站作为卖家，而非注册用户作为买家，以最大化卖家所得收益和买家效益为目标进行功率分配。根据所得的功率分配值，Femtocell基站对各个非注册用户进行接入判定，从而得到根据用户自身信道状态的Femtocell动态混合接入机制。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括如下步骤：

步骤1、根据Femtocell用户属性的不同将用户集分成注册用户集和非注册用户集，基站通过信道检测对所有用户的信道状态进行搜集并得到注册用户的QoS需求值；

步骤2、Femtocell基站根据得到的注册用户的QoS值并以其为约束，以最小化使用的总功率为目标对注册用户进行功率分配，并得到相应的功率值；

步骤3、Femtocell基站根据步骤2中所得注册用户的功率值进行判断，若还有剩余功率则进行步骤4；若没有剩余功率则切换到步骤5并设置Femtocell网络为非开放接入机制，从而拒绝所有非注册用户。

步骤4、根据注册用户所得功率值以及基站拥有的总功率计算剩余功率，以基站作为卖家，而非注册用户作为买家进行Stackelberg game数学建模。从而求的基站分配给每个非注册用户的功率值，基站根据其功率值选择性地接纳非注册用户进入Femtocell网络中以得到其最大的经济效益。

步骤5、根据步骤2和步骤4所得的功率分配值进行动态混合接入Femtocell网络的判定。若从步骤3直接到步骤5，则设置分配给非注册用户的功率值为0，即拒绝该非注册用户。

所述的Femtocell分集操作分为注册用户和非注册用户。Femtocell注册用户的特性为可以随意且无偿地应用Femtocell基站的功率资源；而非注册用由于属于外来用户，因此其所分配功率资源必须用有偿的代价去获得。因此两者的不同决定了Femtocell用户要被分为两类进行功率分配；

所述的Femtocell注册用户资源分配方法采用以QoS为约束条件，以最小化使用总功率为目标函数进行功率分配。QoS约束是因为Femtocell必须首先满足注册用户的QoS需求后才能跟非注册用户进行资源买卖。而最小化使用总功率则是因为Femtocell基站除了要保证注册用户QoS外，还要得到最大化卖资源给非注册用户用所得到的有偿代价。所述的Femtocell非注册用户资源分配方法采用经济学上Stackelberg game进行如下数学建模：由于基站拥有资源，因此将它作为卖方，而Femtocell的非注册用户因为不能无偿地使用基站功率因此必须采用买资源的方式进行资源的分配。其中基站制定单位功率所需的价格，而非注册用户根据其价格进行买功率的博弈。

如图1所示，对本发明方案设计作进一步的具体分析和描述。

若Femtocell网络中的用户集或者注册用户的QoS发生变化，基站重新搜集注册用户和非注册用的信道状态以及注册用户的QoS。

记为Femtocell网络中注册用户i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_i应大于等于该用户最小QoS值，即

$r_i\≥R_i^{\min }---\left(1\right)$

记p_i为Femtocell基站分配给注册用户i的功率值，因此根据最小化注册用户总功率原理，有

从而根据上述最优化问题求解出分配给注册用户的功率值若

其中p_T为基站总功率，则基站有剩余功率卖给非注册用户，因此可以依据Stackelberggame理论进行非注册用户的功率分配；否则，基站没有多余的功率卖给非注册用户，此时对于非注册用户，Femtocell网络采取非开放接入模式。

对于非注册用户的功率分配，令β_i表示非注册用户i买单位功率时的价格，因此β_ip_i表示该用户在购买p_i时所付的代价，因此非注册用户i在Stackelberg game理论下的效用函数为

$U_i=w{\log }_2(1+\frac{p_i{H}_i}{{\mathrm{\σ}}^2})-{\mathrm{\β}}_i{p}_i---\left(4\right)$

此效用函数由两部分组成，分别为效益和代价。随着分配功率的增大，其速率也随之增大，效益也越来越大。但是随着功率的加大，其代价函数也将增大。因此，对于每个非注册用户，其目标是最大化自身的效用函数。

而在基站方面，由于将剩余的功率卖给非注册用户，因此其目标函数为

由于总功率受限，功率约束为然后根据最优化理论求得保证上述约束的最佳功率分配解向量，

根据对Femtocell网络的非注册用户功率分配，得到对其用户的功率分配向量，若对于非注册用i，其p_i＝0，则表示该非注册用户没有竞价得到基站的功率资源，从而不能切换到Femtocell网络中；若p_i＞0，则表示该非注册用户通过竞价得到基站的功率资源，从而可以切换到Femtocell网络中。因此，得到非注册用户可以切换到Femtocell网络的用户列表，从而实现了一种根据注册用户QoS值等信息的Femtocell网络动态混合接入方法。

总之，本发明方法综合考虑各个用户的当前信道状态以及注册用户终端的QoS需求。在Femtocell基站上，首先根据其注册用户QoS需求进行注册用户的功率分配；然后，若基站还有剩余的功率未分配，运用博弈理论建立非注册用户和基站剩余功率之间的博弈模型并进行求解；最后基站根据上述两个过程求得的功率值分配给相应用户，从而得到对于Femtocell网络的动态混合接入控制方案。

在Femtocell网络场景，根据注册用户QoS值以及以最大化基站售出功率所得收益为目标，采用经济学上的博弈论模型对非注册用户和注册用户进行功率分配，根据所得功率分配值，得到动态的混合接入机制下可接入到Femtocell网络的非注册用户列表。

本方法能够保证注册用户的QoS值，并将剩余功率作为“商品”卖给非注册用户以求得到最大的市场效益；本方法结合了Femtocell网络注册用户和非注册用户的特点进行数学建模，物理上符合现实应用的场景并将能够有效地应用于工程实际。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (2)

1.一种用于毫微微蜂窝网络的动态混合接入控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据其注册用户QoS需求进行功率分配；

若基站还有剩余的功率未分配，运用博弈理论建立非注册用户和基站剩余功率之间的博弈模型并进行求解；

基站根据上述两个过程将求得的功率值分配给相应用户，从而实现对于Femtocell网络的动态混合接入控制。

2.如权利要求1所述的用于毫微微蜂窝网络的动态混合接入控制方法，其特征在于，进一步为：

步骤1、根据Femtocell用户属性将用户集分成注册用户集和非注册用户集，基站通过信道检测对所有用户的信道状态进行搜集并得到注册用户的QoS需求值；

步骤2、Femtocell基站根据得到的注册用户的QoS值并以其为约束，以最小化使用的总功率为目标对注册用户进行功率分配，并得到注册用户的功率值；

步骤3、根据步骤2中所得注册用户的功率值，判断Femtocell基站是否还有剩余功率待分配，若还有剩余功率则进入步骤4；

若没有剩余功率则切换到步骤5并分配给非注册用户的功率值为0，将Femtocell网络设置为非开放接入机制，从而拒绝所有非注册用户；

步骤4、根据注册用户所得功率值以及基站拥有的总功率计算剩余功率，以基站作为卖家，而非注册用户作为买家进行Stackelberg game数学建模；求得基站分配给每个非注册用户的功率值，基站根据其功率值选择性地接纳非注册用户进入Femtocell网络中以得到其最大的经济效益；

步骤5、根据步骤2和步骤4所得的注册用户和非注册用户的功率分配值进行动态混合接入Femtocell网络的判定。