CN105451241A - 异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法，包括：获取异构网络资源信息、用户设备信道状态及其服务等级要求信息，并以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数，同时确定相应的约束条件；根据目标函数求得每个基站资源分配表达式，系统几乎空子帧ABS参数表达式，并基于边际效益算法获取用户设备归属近似最优结果，再根据表达式求得的解，设置系统中ABS的参数值，以及由基站为接入的用户设备分配相应的带宽资源。通过采用本发明公开的方法，可以减弱异构网络中层间干扰，均衡负载，提高了网络资源利用率，同时满足保证了用户之间的服务公平性。

Description

异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法。

背景技术

随着宽带无线应用的爆炸式增长，基于多种无线接入技术融合的异构网络成为新一代无线网络的重要架构之一。异构网络指宏小区(macrocell)下部署了很多微小区(picocell)，如远端射频头(RRH，RemoteRadioHead)，家庭演进基站(HeNB,HomeevolvedNodeB)，以及中继节点(relaynode)等。然而，宏小区与微小区间的功率不平衡使得只有一小部分用户接入到微小区中，故无法充分利用频率复用来提升系统效益。一种小区扩展(RE，RangeExpansion)技术被提了出来，即用户在判断接入宏小区或微小区时，在来自微小区的信号强度增加一个正的偏置值(bias)再进行比较判断，从而减轻宏基站的负载，扩大微小区覆盖范围。

然而，在微小区扩张区域范围内的用户遭受来自宏基站严重的下行干扰。这一方面因为来自微小区信号接收强度的减弱，另一方面因为来自宏小区干扰信号的增强。结果处于微小区扩张区域范围内的用户不能正确接收其数据传输的可能性大大提高。因此，3GPP提出了增强型小区干扰协调(eICIC，enhancedInter-CellInterferenceCoordination)技术，使宏基站在某些特定的子帧内不传输数据来减少对微小区用户的下行信道干扰，由于在这些子帧内只传输小区专属参考信号及必要的控制信息，称其为几乎空子帧(ABS，AlmostBlankSubframe)。

传统的异构网络中资源分配方法，往往仅从用户端或者仅从网络端单一方面进行判断，缺乏对网络资源和用户服务优先级的清晰把握，从而导致资源分配存在很多的不足，无法适应异构网络融合系统中多网络、多业务和多种小区类型的特点。因此，关于如何通过合理的频谱资源分配方案来有效抑制微小区与宏小区之间的层间干扰，既考虑网络整体的资源使用效率，提高吞吐量，又从用户的角度考虑，满足用户服务优先级，保证用户服务公平性是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法，可以减弱异构网络中层间干扰，均衡负载，提高网络资源利用率，同时满足保证用户之间的服务公平性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法，包括：

获取异构网络资源信息、用户设备信道状态及其服务等级要求信息，并以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数，同时确定相应的约束条件；

根据目标函数求得每个基站资源分配表达式，系统几乎空子帧ABS参数表达式，并基于边际效益算法获取用户设备归属近似最优结果，再根据表达式求得的解，设置系统中ABS的参数值，以及由基站为接入的用户设备分配相应的带宽资源。

进一步的，所述获取异构网络资源信息、用户设备信道状态及其服务等级要求信息，并以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数，同时确定相应的约束条件包括：

所述异构网中包括：N_m个宏基站和N_p个微基站；系统的每个宏基站ABS比例统一设为α；

将每个微基站看成两个虚拟的微基站，一个微基站使用ABS资源服务用户设备，用表示该类集合；另一个使用non-ABS资源服务用户设备，用表示该类集合；宏基站只使用占总资源1-α的non-ABS来服务其用户设备，用表示该类集合；最终基站集合表示为：

根据用户设备i与基站j间的信干噪比SINR_ij，计算相应的频谱效率c_ij＝log(1+SINR_ij)；

则用户设备i到基站j的数据速率r_ij为：其中，为用户设备集合；

以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数：

式中，ω_i为用户设备i的权重因子，R_i为用户设备i的速率，布尔变量x_ij表示用户设备i是否分配给基站j，x_ij＝1则代表用户设备i被分配给基站j，集合表示基站j内用户设备的集合，y_ij表示基站j分配给用户设备i的资源比例。

进一步的，所述根据目标函数求得每个基站资源分配表达式，系统几乎空子帧ABS参数表达式包括：

令每个用户设备获得一致的加权速率：w_iR_i＝λ_j,求解得到：

给定用户设备分配和小区内资源分配策略y_ij，则优化目标函数变为：

从而获得系统中最优ABS比例参数α*：

式中，

进一步的，基于边际效益算法获取用户设备归属近似最优结果，再根据表达式求得的解，设置系统中ABS的参数值，以及由基站为接入的用户设备分配相应的带宽资源包括：

判断是否有未加入基站的用户设备；

若有，则执行如下步骤：S11、对于未加入基站的用户设备集合中每一个用户设备，假设使其归属到一个基站中，并计算相应的系统效益；S12、根据计算结果选择系统效益增量最大的用户设备和基站对(i^*,j^*)，将用户设备i^*归属至基站j^*中，并将用户设备i^*从未加入基站的用户设备集合中移除；重复上述步骤S11～S12，直至所有用户设备均加入基站；

若否，则执行如下步骤：S21、计算当前的系统效益U₁，并寻找速率最低的用户设备所在的基站索引号，标识为j^min；S22、对归属到基站j^min里的每一个用户，假设使其归属到除基站j^min外的其他任意一个基站中，再计算相应的系统效益U₁′，并从中选择系统效益增量最大的用户设备和基站对(i′,j′)；S23、判断系统效益增益U₁′-U₁是否大于给定值ε；如果是，将用户i′从基站j^min中切换至基站j′，再重复上述步骤S21～S23；否则，输出用户设备归属结果x_ij，该结果显示了每一用户设备所接入的基站，且该结果即为用户设备归属近似最优结果，再根据相应基站的资源分配表达式计算并输出资源分配结果y_ij，以及根据ABS参数表达式计算并输出ABS比例参数，最后，根据输出结果为基站设置相应的ABS比例参数，以及为用户设备分配相应的带宽资源。

进一步的，计算系统效益的公式为：

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用最大最小公平的调度方法，依据资源分配方法进行资源分配，可以更为灵活的对小区间干扰进行抑制，并且在改善边缘用户性能的基础上，均衡负载，明显有效的提高了系统频谱利用率和用户之间的服务公平性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的异构网络场景示意图；

图3为本发明实施例提供的最大最小公平性资源分配方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的ABS子帧的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的基于边际效益运算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法的流程图。如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤1、获取异构网络资源信息、用户设备信道状态及其服务等级要求信息，并以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数，同时确定相应的约束条件。

本发明实施例中，所述异构网中包括：N_m个宏基站(其覆盖范围即为宏小区)和N_p个微基站(其覆盖范围即为微小区)；使用时间域的eICIC来减弱层间干扰，即宏基站在特定的子帧(ABS)内保持沉默来保护被卸载的用户的性能，系统的每个宏基站ABS比例统一设为α；

将每个微基站看成两个虚拟的微基站，一个微基站使用ABS资源服务用户设备，用表示该类集合；另一个使用non-ABS资源服务用户设备，用表示该类集合；宏基站只使用占总资源1-α的non-ABS来服务其用户设备，用表示该类集合；最终基站集合表示为：

根据用户设备i与基站j间的信干噪比SINR_ij，计算相应的频谱效率c_ij＝log(1+SINR_ij)；

则用户设备i到基站j的数据速率r_ij为：其中，为用户设备集合；

以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数：

式中，ω_i为用户设备i的权重因子，R_i为用户设备i的速率，布尔变量x_ij表示用户设备i是否分配给基站j，x_ij＝1则代表用户设备i被分配给基站j，集合表示归属到基站j内用户设备的集合，y_ij表示基站j分配给用户设备i的资源比例。

步骤2、根据目标函数求得每个基站资源分配表达式，系统几乎空子帧ABS参数表达式，并基于边际效益算法获取用户设备归属近似最优结果，再根据表达式求得的解，设置系统中ABS的参数值，以及由基站为接入的用户设备分配相应的带宽资源。

本发明实施例中，令每个用户设备获得一致的加权速率：w_iR_i＝λ_j,则求解目标可以转变为：

求解得到：

式中,ω_k为用户设备k的权重因子,r_kj为用户设备k到基站j的数据速率；

给定用户设备分配和小区内资源分配策略y_ij，则优化目标函数变为：

从而获得系统中最优ABS比例参数α*：

式中，

根据上述表达式可以看出，是指在non-ABS基站集合中，计算每个基站的大小，其中，找到该值最小的那个基站的索引号即为表示归属到基站中的用户设备的集合，同理可得到

同时，可获得系统效益的计算公式：

本发明实施例中，基于边际效益算法获取用户设备归属近似最优结果，再根据表达式求得的解，设置系统中ABS的参数值，以及由基站为接入的用户设备分配相应的带宽资源，其具体步骤如下：

判断是否有未加入基站的用户设备；

若有，则执行如下步骤：S11、对于未加入基站的用户设备集合中每一个用户设备，假设使其归属到一个基站中，并计算其最优的ABS比例与临时的系统效益；S12、根据计算结果选择系统效益增量最大的用户设备和基站对(i^*,j^*)，将用户设备i^*归属至基站j^*中，并将用户设备i^*从未加入基站的用户设备集合中移除；重复上述步骤S11～S12，直至所有用户设备均加入基站；

若否，则执行如下步骤：S21、计算当前的系统效益U₁，并寻找速率最低的用户设备所在的基站索引号，标识为j^min；S22、对归属到基站j^min里的每一个用户，假设使其归属到除基站j^min外的其他任意一个基站中，再计算相应的系统效益U₁′，并从中选择系统效益增量最大的用户设备和基站对(i′,j′)；S23、判断系统效益增益U₁′-U₁是否大于给定值ε；如果是，将用户i′从基站j^min中切换至基站j′，再重复上述步骤S21～S23；否则，输出用户设备归属结果x_ij，该结果显示了每一用户设备所接入的基站，且该结果即为用户设备归属近似最优结果，再根据相应基站的资源分配表达式计算并输出资源分配结果y_ij，以及根据ABS参数表达式计算并输出ABS比例参数，最后，根据输出结果为基站设置相应的ABS比例参数，以及为用户设备分配相应的带宽资源。

为了便于理解，下面结合附图2-5对本发明做进一步说明。

如图2所示为本发明实施例提供的异构网络场景示意图，该异构网络中包含了多个宏基站(MacroBS)、微基站(PicoBS)、用户设备(UE)。

该异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法具体实施过程如图3所示。首先获取当前研究区域内可接入的微小区的数量，用户的服务优先级以及相应的用户到各个基站的RSRP信息；然后根据优化目标建立优化目标函数，在目标函数中，引入用户权重因子，是从用户的角度出发，提高用户满意度。根据目标函数求得相应的每个基站资源分配表达式，系统ABS参数表达式，同时基于边际效益算法获取用户归属近似最优的结果，最后由运算求得的解，设置系统中的几乎空子帧(ABS)的参数值，并将用户接入相应的小区并为其分配相应的带宽资源。

本实施例中，ABS子帧的结构如图4所示。

宏小区基站在一些子帧内进行正常的数据传输(如图4子帧1，3，5，7，9)，而在某些子帧内不传输数据，这些子帧称为几乎空白子帧ABS(如图4子帧2，4，6，8，10)。微小区利用宏小区正常的子帧进行数据传输时会受到来自宏小区功率的干扰，因此，宏小区正常的子帧对应微小区不被保护的子帧；而宏小区在ABS帧内无数据传输，即在ABS帧内，宏小区会大大降低发射功率，那么，微小区在这些子帧内传输数据时不受来自宏小区的功率干扰，因此，宏小区ABS帧对应微小区被保护的子帧。

系统中把不传输数据的那部分子帧称为ABS子帧。eICIC机制中，宏基站在某些子帧不传输据，微基站在所有子帧上都传数据，因此，系统中的ABS比例是参数主要是针对宏基站的。本发明实施例中，微基站ABS子帧(即前文所描述的使用ABS资源服务用户设备的虚拟微基站)并不是说微基站在该子帧内不传输数据，而是图4中所标明的受保护的子帧，也就是对应宏基站的ABS子帧，为统一描述，因此前文将微基站虚拟成使用了ABS帧和non-ABS帧的两个微基站，也即ABS比例参数的设置也影响微基站资源调度。

本发明实施例中，基于边际效益运算方法的流程如图5所示，其主要包括如下步骤：

第一步：初始化系统参数，包括未归属的用户集合基站集合计算得到的用户到每个基站的传输速率c_ij，初始时，用户未归属至任何基站。

第二步：判断未归属的用户集合是否为空，若不为空，进行第三步；否则进入第六步。

第三步：对未归属的用户集合里的每一个用户，假设使其归属到一个基站中，根据前述公式(6)计算相应的系统效益U_tmp。

第四步：在第三步结果中选择系统效益增量最大的用户和基站对(i^*,j^*)。

第五步：将用户i^*归属至基站j^*中，并将用户i^*从未归属用户集合中移除，并返回第二步。

第六步：根据前述公式(6)计算此时的系统效益U₁。

第七步：寻找速率最低的用户所在的基站索引号，标识为j^min。

第八步：对归属到基站j^min里的每一个用户，假设使其归属到除基站j^min的其他任意一个基站中，再根据前述公式(6)计算相应的系统效益U₁′。

第九步：在第八步结果中选择系统效益增量最大的用户和基站对(i′,j′)。

第十步：判断系统效益增益U₁′-U₁是否大于给定值ε；如果是，进入第十一步；否则，进入第十二步。

第十一步：将用户i′从基站j^min中切换至基站j′，并进入第六步。

第十二步：输出用户归属结果x_ij，根据公式(3)计算并输出资源分配结果：y_ij，并根据公式(5)计算并输出ABS比例参数。

最后，根据上述十二步获得最佳分配方案为每个用户设备的每个业务进行资源分配。

本发明实施例的上述方案中，采用最大最小公平的调度方法，依据资源分配方法进行资源分配，可以更为灵活的对小区间干扰进行抑制，并且在改善边缘用户性能的基础上，均衡负载，明显有效的提高了系统频谱利用率和用户之间的服务公平性。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种异构网中基于干扰协调的最大最小公平性资源分配方法，其特征在于，包括：

获取异构网络资源信息、用户设备信道状态及其服务等级要求信息，并以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数，同时确定相应的约束条件；

根据目标函数求得每个基站资源分配表达式，系统几乎空子帧ABS参数表达式，并基于边际效益算法获取用户设备归属近似最优结果，再根据表达式求得的解，设置系统中ABS的参数值，以及由基站为接入的用户设备分配相应的带宽资源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取异构网络资源信息、用户设备信道状态及其服务等级要求信息，并以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数，同时确定相应的约束条件包括：

所述异构网中包括：N_m个宏基站和N_p个微基站；系统的每个宏基站ABS比例统一设为α；

将每个微基站看成两个虚拟的微基站，一个微基站使用ABS资源服务用户设备，用表示该类集合；另一个使用non-ABS资源服务用户设备，用表示该类集合；宏基站只使用占总资源1-α的non-ABS来服务其用户设备，用表示该类集合；最终基站集合表示为：

根据用户设备i与基站j间的信干噪比SINR_ij，计算相应的频谱效率c_ij＝log(1+SINR_ij)；

则用户设备i到基站j的数据速率r_ij为：其中，为用户设备集合；

以最大化系统内最小的用户设备加权速率为目的建立优化目标函数：

0≤α≤1

式中，ω_i为用户设备i的权重因子，R_i为用户设备i的速率，布尔变量x_ij表示用户设备i是否分配给基站j，x_ij＝1则代表用户设备i被分配给基站j，集合表示基站j内用户设备的集合，y_ij表示基站j分配给用户设备i的资源比例。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据目标函数求得每个基站资源分配表达式，系统几乎空子帧ABS参数表达式包括：

令每个用户设备获得一致的加权速率：求解得到：

给定用户设备分配和小区内资源分配策略y_ij，则优化目标函数变为：

U＝maxminλ_j

0≤α≤1

从而获得系统中最优ABS比例参数α^*：

式中，

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于边际效益算法获取用户设备归属近似最优结果，再根据表达式求得的解，设置系统中ABS的参数值，以及由基站为接入的用户设备分配相应的带宽资源包括：

判断是否有未加入基站的用户设备；

若有，则执行如下步骤：S11、对于未加入基站的用户设备集合中每一个用户设备，假设使其归属到一个基站中，并计算相应的系统效益；S12、根据计算结果选择系统效益增量最大的用户设备和基站对(i^*,j^*)，将用户设备i^*归属至基站j^*中，并将用户设备i^*从未加入基站的用户设备集合中移除；重复上述步骤S11～S12，直至所有用户设备均加入基站；

若否，则执行如下步骤：S21、计算当前的系统效益U₁，并寻找速率最低的用户设备所在的基站索引号，标识为j^min；S22、对归属到基站j^min里的每一个用户，假设使其归属到除基站j^min外的其他任意一个基站中，再计算相应的系统效益U₁′，并从中选择系统效益增量最大的用户设备和基站对(i′,j′)；S23、判断系统效益增益U₁′-U₁是否大于给定值ε；如果是，将用户i′从基站j^min中切换至基站j′，再重复上述步骤S21～S23；否则，输出用户设备归属结果x_ij，该结果显示了每一用户设备所接入的基站，且该结果即为用户设备归属近似最优结果，再根据相应基站的资源分配表达式计算并输出资源分配结果y_ij，以及根据ABS参数表达式计算并输出ABS比例参数，最后，根据输出结果为基站设置相应的ABS比例参数，以及为用户设备分配相应的带宽资源。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算系统效益的公式为：