CN105578482B - 一种蜂窝异构网络资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蜂窝异构网络资源分配方法，属于无线通信技术领域。该方法包括以下步骤：步骤一：基于用户业务需求确定初始带宽分配策略，记b＝[b1,b2,...,bN]，其中步骤二：确定MBS与第i个FBS，记为FBSi，共享频谱部分最大传输速率，记为步骤三：建模破产博弈模型，确定MBS及FBS分配速率步骤四：基于FBS效用函数优化确定局部带宽及功率分配策略，记和步骤五：重复上述步骤，直到算法收敛，从而实现联合带宽及功率优化分配。方法可以有效保障异构蜂窝网络宏用户及家庭基站用户QoS需求，实现频谱资源共享，提高频谱利用率和网络综合性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别是蜂窝异构网络资源分配技术领域，涉及一种蜂窝异构网络资源分配方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，新一代通信智能终端的广泛应用以及丰富多样数据业务的不断涌现，用户业务需求对传统蜂窝网络提出了严峻的挑战。异构蜂窝网络技术通过在传统宏蜂窝覆盖范围内，引入其他通信方式，如微微基站、家庭基站和中继站等，从而可以有效解决盲区覆盖问题，减轻宏蜂窝网络的负载，在提升用户业务性能的同时可有效降低运营成本。
在宏基站与家庭基站异构融合的网络场景中，由于家庭基站非确定规划、随机接入以及与宏基站共享频谱等特性，导致网络拓扑结构复杂、用户之间干扰较为严重，用户传输性能严重受限，因此如何实现对家庭基站和宏基站用户的高效资源分配，以提高网络频谱资源利用率及系统容量是亟待解决的问题。
目前已有研究考虑蜂窝异构网络资源分配方案，如提出一种异构双层网络中下行链路功率分配方法，家庭基站以最大化其小区容量为目标，而宏基站则在保证链路最低信干噪比要求下以提高自身能量效率为目标，实现家庭基站及宏基站联合功率优化，以及网络综合性能提升；也有研究提出了一种蜂窝异构网络联合功率和子信道分配方法，在满足用户干扰门限和速率需求的前提下，优化子信道及功率分配以实现家庭基站吞吐量最大化。
以上研究通过建模特定网络性能函数，基于优化理论确定对应性能函数最优的资源分配策略，但现有研究未综合考虑各异构接入网络特性、网络之间存在竞争及合作关系及用户业务需求等问题，难以实现网络综合性能优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蜂窝异构网络资源分配方法，该方法针对包含一个宏基站(MBS)和多个家庭基站(FBSs)的蜂窝异构网络，MBS在满足宏蜂窝用户(MUE)最小传输速率需求下，可划分其频谱，与各FBS共享频谱，而各FBSs之间无法共享频谱的网络场景，如何实现FBSs频谱及传输功率分配问题，提出两阶段资源分配算法，具体为基于破产博弈进行MBS与FBSs共享频谱传输速率分配，继而基于FBS效用函数优化实现带宽及功率局部优化分配，重复上述步骤，直至算法收敛。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种蜂窝异构网络资源分配方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：基于用户业务需求确定初始带宽分配策略，记b＝[b1,b2,...,bN]，其中
步骤二：确定MBS与第i个FBS，记为FBSi，共享频谱部分最大传输速率，记为
步骤三：建模破产博弈模型，确定MBS及FBS分配速率
步骤四：基于FBS效用函数优化确定局部带宽及功率分配策略，记
和
步骤五：重复上述步骤，直到算法收敛，从而实现联合带宽及功率优化分配。
进一步，在步骤一中，若满足FBSi最低速率需求为FBSi最大发送功率Pi max，则
确定FBSi的初始带宽为其中Pi为FBSi发送功率，Pm为MBS
发送功率，hi为FBSi到FUEi信道增益，gm,i为MBS到FBSi信道增益，σ2为传输信道噪声功率，记
FBSs初始带宽分配向量为b＝[b1,b2,...,bN]。
进一步，在步骤二中，基于初始带宽分配策略b＝[b1,b2,...,bN]，确定MBS与FBSi
共享频谱部分最大传输速率为其中，hm为MBS到MUE信道增益，令
MBS最大速率分配向量为
进一步，在步骤三中，给定FBSi共享频谱部分的MBS最大传输速率分配量MBS
传输速率需满足MUE最低QoS需求，即基于及限定条
件，建模MBS各频段速率划分问题为破产博弈模型，采用夏普利值划分原则确定与FBSi共享
频谱的MBS传输速率
进一步，构造联盟子集S，建模特征函数为联盟子集S所分配的传输速率，定义与FBS共享频谱的MBS传输速率分配量为
其中，即为以特征函数v(s)为参数的与FBSi共享频谱的MBS所分配传输速率，调用公式计算MBS速率分配其中|S|表示集合S中的元素数目，v(S)-v(S-{i})表示FBSi对联盟成员的贡献，表示FBSi对联盟成员贡献的权值。
进一步，基于FBSi共享频谱的MBS速率分配其中gi,m为FBSi到MUE的信道增益，可确定Pi和bi的关系。
进一步，在步骤四中，建模FBSi的效用函数为：
在满足Pi≤Pi max，
条件下确定局部优化MBS带宽分配及FBS功率分配策略，记重复上述步
骤，直到满足收敛条件，实现带宽及功率分配方案。
本发明的有益效果在于：本发明所述方法可以有效保障异构蜂窝网络宏用户及家庭基站用户QoS需求，实现频谱资源共享，提高频谱利用率和网络综合性能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为蜂窝异构网络场景示意图；
图2为本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为异构蜂窝网络场景图，如图所示，存在一个MBS与多个FBSs融合共存的网络中，假设MBS与多个FBSs共享频谱资源，建立两阶段资源分配算法实现FBSs联合频谱分配及功率分配策略，具体为基于破产博弈进行MBS与FBS共享频谱传输速率分配，继而基于FBS效用函数优化实现带宽及功率分配。
图2为本发明所述方法的流程示意图，本方法包括以下步骤：步骤一：基于用户业务需求确定初始带宽分配策略，记b＝[b1,b2,...,bN]；步骤二：确定MBS与FBSi共享频谱部分最大传输速率，记步骤三：建模破产博弈模型，确定分配速率步骤四：基于FBS效用函数优化确定局部带宽及功率分配，记和步骤五：重复上述步骤，直到满足收敛条件，实现带宽及功率分配方案。
在本实施例中，具体步骤如下：
201：确定初始带宽分配量
在满足FBS最低速率需求FBSi最大发送功率Pi max，则确定记初始带宽分配向量b＝[b1,b2,...,bN]，其中bi为分配给FBSi带宽，Pi为FBSi发送功率，Pm为MBS发送功率，hi为FBSi到FUEi信道增益，gm,i为MBS到FUEi信道增益，σ2为传输信道噪声功率。
202：计算FBSi共享频谱MBS最大传输速率
基于初始带宽分配策略b＝[b1,b2,...,bN]，确定其中hm
为MBS到MUE信道增益，令
203：建模MBS速率分配破产博弈模型
令网络中FBS数量为N，FBSi共享频谱MBS速率为i＝1,2,…N，根据破产博弈理论，可将MBS最低速率需求分配至与FBS共享频谱的MBS各频段，因而满足基于及等限定条件，建模MBS各频段速率划分问题为破产博弈模型，采用夏普利值划分原则可确定与第i个FBS共享频谱的MBS传输速率
表1为破产博弈理论模型与本发明实施例中MBS速率分配问题建模对照表：
表1
204：计算MBS速率分配量
构造联盟子集S，建模特征函数v(s)为联盟子集S所分配的传输速率，令定义与FBS共享频谱的MBS传输速率分配量为
其中，即为以特征函数v(s)为参数的，与FBSi共享频谱的MBS所分配传输速率，调用公式计算MBS速率分配其中|S|表示集合S中的元素数，v(S)-v(S-{i})表示FBSi对联盟成员的贡献，表示FBSi对联盟成员贡献的权值。
205：优化带宽及功率分配
FBSs带宽及功率优化分配问题建模为：max Ri，其中
优化限定条件为Pi≤Pi max，其中，gi,m为FBSi到MUE的
信道增益，通过拉格朗日迭代算法优化求解，可确定FBSs带宽分配及功率分配局部优化策
略，记为
206：判断是否满足收敛条件
判断FBSs带宽分配及功率分配策略是否满足收敛条件，若满足，则算法结束，可得FBSs优化带宽分配及功率分配方案；否则，转至202，重复上述过程，直至算法收敛。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (4)
1.一种蜂窝异构网络资源分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：基于用户业务需求确定初始带宽分配策略，记b＝[b1,b2,...,bN]，其中其中N表示FBS的总数量；
步骤二：确定MBS与第i个FBS，记为FBSi，共享频谱部分最大传输速率，记为
步骤三：建模破产博弈模型，确定MBS及FBS分配速率
步骤四：基于FBS效用函数优化确定局部带宽及功率分配策略，记和
步骤五：重复上述步骤，直到算法收敛，从而实现联合带宽及功率优化分配；
在步骤一中，若满足FBSi最低速率需求为FBSi最大发送功率Pi max，则确定FBSi的初始带宽为其中Pi为FBSi发送功率，Pm为MBS发送功率，hi为FBSi到FUEi信道增益，gm,i为MBS到FBSi信道增益，σ2为传输信道噪声功率，记FBSs初始带宽分配向量为b＝[b1,b2,...,bN]；
在步骤二中，基于初始带宽分配策略b＝[b1,b2,...,bN]，确定MBS与FBSi共享频谱部分最大传输速率为其中，hm为MBS到MUE信道增益，令MBS最大速率分配向量为
在步骤三中，给定FBSi共享频谱部分的MBS最大传输速率分配量MBS传输速率需满足MUE最低QoS需求，即基于及限定条件，建模MBS各频段速率划分问题为破产博弈模型，采用夏普利值划分原则确定与FBSi共享频谱的MBS传输速率
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝异构网络资源分配方法，其特征在于：构造联盟子集S，建模特征函数为联盟子集S所分配的传输速率，定义与FBS共享频谱的MBS传输速率分配量为其中，即为以特征函数v(s)为参数的与FBSi共享频谱的MBS所分配传输速率，调用公式计算MBS速率分配其中|S|表示集合S中的元素数目，v(S)-v(S-{i})表示FBSi对联盟成员的贡献，表示FBSi对联盟成员贡献的权值。
3.根据权利要求2所述的一种蜂窝异构网络资源分配方法，其特征在于：基于FBSi共享频谱的MBS速率分配其中gi,m为FBSi到MUE的信道增益，可确定Pi和bi的关系。
4.根据权利要求1所述的一种蜂窝异构网络资源分配方法，其特征在于：在步骤四中，建模FBSi的效用函数为：
在满足Pi≤Pi max， 条件下确定局部优化MBS带宽分配及FBS功率分配策略，记重复上述步骤，直到满足收敛条件，实现带宽及功率分配方案。
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