CN105873220B - 一种两层非均匀拓扑结构异构网络的干扰协调方法 - Google Patents

Abstract

一种两层非均匀拓扑结构异构网络的干扰协调方法，该方法引入频域划分系数，将ABS时隙的频带划分为两部分，一部分只给Pico基站使用，另一部分只给Macro基站使用。以网络中所有用户的传输速率的对数累加和最大为目标问题构建问题模型，并将目标问题拆分为四个子问题依次求解，分别为用户连接、ABS比率分配、频域资源划分及功率分配，该方法可以减轻异层小区间的干扰，提高系统的总用户速率并且保证了用户之间的公平性。

Description

一种两层非均匀拓扑结构异构网络的干扰协调方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其是一种两层非均匀拓扑结构异构网络的干扰协调方法。

背景技术

无线数据的需求量近年来飞速增长。传统的蜂窝网络已经不能满足增长的需求，因此LTE-A异构网络(HetNets，Heterogeneous networks)被提出来提高无线频谱效率。所谓异构网络，就是在原来的宏站(Macro cell)的基础上再增加一些低功率节点(LPN，LowPower node)，并且两者一般共用相同的频带。高功率的Macro小区会严重影响到LPN的性能。为了解决异层小区间的干扰问题，LTE标准提出一种Macro基站在时域缄默传输的模式，这种方式也被称之为增强型小区间干扰协调(eICIC，enhanced Intercell InterferenceCoordination)。在eICIC中，Macro基站通过在某些子帧以低功率传输的方式来减少对LPN的干扰。当Macro基站在某些子帧上不进行数据传输则这些子帧称为零功率几乎空白子帧(ZP-ABS，Zero Power Almost Blank Subframes)，当Macro基站在某些子帧上以低功率进行传输则这些子帧称为低功率几乎空白子帧(LP-ABS，Low Power Almost BlankSubframes)。

之前的场景都是考虑均匀异构网络下的干扰协调，而且Pico基站的位置都是随机分布。并未考虑一种特殊场景的非均匀异构网络，即Pico基站都部署在Macro基站中心附近，并且每个Pico基站内的用户个数各不相同。当Pico基站部署在Macro基站中心附近，Pico基站内的用户将更容易受到Macro基站的干扰影响，因此使用LP-ABS的效果将与ZP-ABS类似，因为在LP-ABS时隙即便是极低的功率也会对Pico基站内的用户造成很大的干扰。

因此，特殊非均匀异构网络的场景下，怎样协调干扰做功率和资源分配提高系统总吞吐量，具有很高的研究价值和意义。

发明内容

发明目的：为充分考虑异构网络的拓扑结构特点，提高系统的总用户速率并且保证用户之间的公平性，本发明提出一种两层非均匀拓扑结构异构网络的干扰协调方法。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种两层非均匀拓扑结构异构网络的干扰协调方法，包括步骤：

(1)引入频域划分系数ε_m，将每个ABS时隙的频带T划分为两段，前一段带宽为ε_mT的频带资源作为接入Pico基站的用户的专用频带资源，后一段带宽为(1-ε_m)T的频带资源作为接入Macro基站的用户的专用频带资源；

(2)将两层非均匀拓扑结构异构网络中的Macro基站和Pico基站均等价为独立的虚拟基站；基于步骤(1)中对ABS时隙频带的划分结果，计算当前网络中的频域资源分配策略如下：

式中，y_ub表示用户u连接基站b时获得的归一化带宽；B_nABS表示非ABS时隙调度的基站；P_ABS和M_ABS分别表示ABS时隙调度的Pico基站和Macro基站；b∈B_m表示基站b位于基站m的覆盖范围内；β为ABS比率，表示连接ABS时隙调度的基站下用户个数与两层非均匀拓扑结构异构网络中总用户个数的比值；K_b表示基站b下的总用户个数；

(3)根据y_ub计算得到基站b下各用户获得的传输速率为：

R_ub＝y_ubBlog(1+SINR_ub) (2)

式中，B表示两层非均匀拓扑结构异构网络的总带宽，SINR_ub表示用户u连接基站b时的信噪比；

(4)以网络中所有用户的传输速率的对数累加和最大为目标问题构建问题模型，并将目标问题分解为四个子问题：P1：用户连接状态和频谱资源分配策略，P2：时域资源分配，P3：频域划分系数配置，P4：Macro基站在ABS时隙的发送功率设置；

(5)依次对四个子问题进行求解，求解步骤包括：

(5-1)初始化Macro基站在ABS时隙的功率为P₀、ABS比率β＝β₀、频域划分系数ε_m＝ε_m0；

(5-2)求解P1：求取目标问题在当前ABS时隙的功率、ABS比率和频域划分系数下所对应的用户的连接状态和基站频域资源分配策略；

(5-3)求解P2：根据步骤(2)求出的用户连接状态和基站频域资源分配策略，求解目标问题对应的最优ABS比率β；

(5-4)求解P3：根据步骤(3)求出的ABS比率β和步骤(2)求出的用户连接状态和基站频域资源分配策略，求解目标问题对应的频域划分系数ε_m；

(5-5)求解P4：根据步骤(2)求出的用户连接状态和基站频域资源分配策略、步骤(3)求出的ABS比率β和步骤(4)求出的频域划分系数ε_m，求解目标问题对应的Macro基站在ABS时隙的发射功率；

(5-6)循环执行(5-2)至(5-5)并设置终止条件，当满足终止条件时停止循环，所求得的ABS时隙的功率、ABS比率β、频域划分系数ε_m、用户的连接状态和基站频域资源分配策略即为目标问题的最优解。

进一步的，所述步骤(5-2)中求解用户的连接状态和基站频域资源分配策略的方法为：

1)计算K_b，并将K_b广播给网络中的所有基站，根据式(1)计算各用户获得的归一化带宽y_ub；根据计算出的用户的归一化带宽y_ub计算用户速率R_ub；

2)定义变量x_ub表示用户连接问题，当x_ub＝1时表示用户u连接基站b，当x_ub＝0时表示用户u没有接入基站b；根据用户返回的传输速率R_ub及K_b，计算x_ub：

重复执行步骤1)至2)直至用户连接变量集合{x_ub}不再变化为止，即不断遍历所有基站，直到用户与基站之间的连接关系不再变化为止。

进一步的，所述步骤(5-3)中计算ABS比率β的公式为：

其中，N表示系统的总用户数，即ABS比率表示连接ABS基站的用户个数与系统总用户个数的比值，B_ABS表示ABS时隙调度的基站。

进一步的，所述步骤(5-4)中求解频域划分系数ε_m的方法为：

在用户连接状态、基站频域资源分配策略及ABS比率确定以后，计算Macro基站m的频域划分系数ε_m为：

其中，表示Macro基站m覆盖范围下的所有基站，b＝0表示当前Macro基站本身，M表示Macro基站的集合。

进一步的，所述步骤(5-5)中求解Macro基站在ABS时隙的发射功率的方法为：

将求解所有Macro基站在ABS时隙的发射功率的转化为求解两层非均匀拓扑结构异构网络下用户获得的传输速率的对数和：

其中，P表示所求的Macro基站在ABS时隙的发送功率向量集合，0＜P_b＜P^M表示Macro基站b的发送功率限制区间，使用凸优化中的梯度下降法对表达式(6)进行求解，得到Macro基站在ABS时隙的发射功率。

进一步的，所述步骤(6)中的终止条件为：

A、根据信道特征设定最长迭代周期次数，当迭代次数大于设定的最长迭代周期次数时结束迭代过程；或

B、将用户传输速率的前一次对数和与当前对数和相减得到用户传输速率对数和差，根据用户传输速率对数和差设置阈值区间[l₁，l₂]，当用户传输速率对数和差落入阈值区间[l₁，l₂]时，终止迭代过程；l₁表示阈值区间下限，l₂表示阈值区间上限。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1本发明在ABS时隙引入频域划分系数，隔离Macro基站与Pico基站之间的小区间干扰。

2本发明是基于非均匀分布的两层异构网络模型，并且允许不同的Macro基站在ABS时隙使用不同的发射功率及不同的频域划分系数，更加适应非均匀的基站分布。

3本发明采用联合优化功率及资源分配的算法，一定程度上消除了Macro基站对Pico基站下用户的干扰，提高系统总吞吐量并且保证了用户之间的公平性。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的原理流程图；

图2为实施例中引入的频域划分系数示意图，其中横坐标为时间，纵坐标为频率；

图3为实施例中的异构网络结构示意图，*表示eNB，×表示Pico基站，●表示用户。

图4为ZP-ABS连接策略、LP-ABS连接策略、no-eICIC连接策略及实施例提出的连接策略在相同网络布局下的用户连接分布对比图，纵坐标表示吞吐量；

图5为不同连接策略下基站边缘用户速率以及用户中位速率对比图，纵坐标表示用户吞吐量。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明提出的技术方案，下面将结合实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例：本实施例以两层非均匀异构网络为例，该两层异构网络结构示意图如图3所示：非均匀异构网络中有21个Macro基站，分别用编号1至21表示，每个Macro基站中包含有2个Pico基站，并且2个Pico基站都距离Macro基站中心80m。一个eNB中的3个Macro基站中的Pico基站部署的用户数分别为5、10和20个，每个Macro基站中随机部署20个用户。Macro基站与Pico基站工作于2GHz载波并有10MHz带宽，Macro基站与Pico基站的发送功率分别为46dBm与30dBm。在本实施例中，接收模型只考虑路损与阴影衰落而不考虑快衰落。

引入Pico基站是为了替Macro基站分流部分用户，现在Macro基站与Pico基站的覆盖范围重叠，所以管理计算用户的连接问题，是连接Macro基站还是Pico基站。又因为需要减轻Macro基站对Pico基站下用户的干扰，所以Macro基站在一段时间(ABS时隙)内以低功率通信，并且不同的Macro基站可以采用不同的功率。使用多少比例的ABS比率也是我们的工作之一。由于引入了频域划分系数，所以还需要求解每个Macro基站使用多少频域划分系数。最后，由于Macro基站在ABS时隙的功率是以低功率通信的，那么应该采用多少功率通信则需要计算。

由于需要保证用户速率公平性的条件下最大化系统用户总速率，所以目标模型构建为所有用户速率的对数累加和。将目标模型所要解决的问题拆分为四个子问题依次求解：

首先，初始化其他的参数。第二，求解当前情况下的用户连接及频率资源分配；第三，当用户连接及频率资源分配情况确定以后，求解当前最优的ABS比率配置；第四，求解每个Macro基站的频域划分系数；最后，求解每个Macro基站在ABS时隙的发射功率。由于目标函数相对于以上变量为凸函数，循环第二步到最后一步，最终会收敛于一个最优的功率及资源配置策略。

如图1所示为实施例的原理流程图，包括以下步骤：

步骤1：将所有Macro基站在ABS时隙功率初始化为0，即表示Macro在ABS时隙不通信；ABS比率也初始化为0即表示不采用干扰协调；频域划分系数都设为0.5，即表示ABS时隙的频带资源一半给Macro基站使用，一半给Pico基站使用。

步骤2：用户连接及频谱资源分配策略如下：

两层非均匀拓扑结构异构网络中每个用户获得的频域资源分配如下：

其中，y_ub表示用户u连接基站b时获得的归一化带宽；K_b表示当前连接策略下基站b下的总用户个数；b∈B_nABS表示非ABS时隙调度的基站，b∈P_ABS，M_ABS分别表示ABS时隙调度的Pico基站和Macro基站；b∈B_m表示Macro基站m覆盖范围内的Macro基站和Pico基站。

用户u连接基站b时获得速率为R_ub如下：

R_ub＝y_ubBlog(1+SINR_ub) (2)

其中，B表示基站的总带宽。SINR_ub表示用户u连接基站b时的信噪比，注意连接B_ABS采用的是Macro基站在ABS时隙的发送功率。

用变量x_ub表示用户连接问题，即x_ub＝1表示用户u连接基站b，而x_ub＝0则表示没有接入基站b。采用分布式算法求解用户连接问题，算法分别在用户端和基站端执行，所有用户执行下列步骤：

1)计算K_b，并将值广播给所有基站。

2)根据用户返回的传输速率R_ub及K_b，再根据下列公式计算x_ub：

在用户端和基站端重复执行以上步骤，直到用户连接变量集合{x_ub}不再变化停止迭代。

步骤3：计算ABS比率为：

其中，N表示系统的总用户数，即ABS比率表示连接ABS基站的用户个数与系统总用户个数的比值。

步骤4：将求解所有Macro基站在ABS时隙的发送功率等价于求表达式(5)的优化问题，

其中，P表示所求的功率向量，0＜P_b＜P^M表示Macro基站的发送功率限制，R_ub是关于P的方程，使用凸优化中的梯度下降法对表达式(5)进行求解。

步骤5：设置终止条件，重复步骤2到步骤4，直到达到终止条件。所求的功率及资源配置方案即我们需要的。

所述终止条件包括：

1、可以根据信道特征设定最长迭代周期次数，当发现周期大于设定的门限值时结束迭代过程；或

2、当网络用户对数速率和趋于稳定时结束迭代过程，即针对非均匀拓扑结构异构网络下用户获得的速率的对数和设置变化区间，当用户速率的对数和落入该区间，结束迭代过程。例如：将用户传输速率的前一次对数和与当前对数和相减得到用户传输速率对数和差，根据用户传输速率对数和差设置阈值区间[l₁，l₂]，当用户传输速率对数和差落入阈值区间[l₁，l₂]时，终止迭代过程；l₁表示阈值区间下限，l₂表示阈值区间上限。

图4为ZP-ABS连接策略、LP-ABS连接策略、no-eICIC连接策略及本发明提出的连接策略在相同网络布局下的用户连接分布对比图，由图可以看出本发明所提出的策略最利于负载均衡；图5为不同连接策略下基站边缘用户速率以及用户中位速率对比图。由图可知，本发明一定程度上消除了Macro基站对Pico基站下用户的干扰，提高系统总吞吐量并且保证了用户之间的公平性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种两层非均匀拓扑结构异构网络的干扰协调方法，其特征在于，所述两层非均匀拓扑结构异构网络中，Pico基站都部署在Macro基站中心附近，并且每个Pico基站内的用户个数各不相同；该方法包括步骤：

(1)引入频域划分系数ε_m，将每个ABS时隙的频带T划分为两段，前一段带宽为ε_mT的频带资源作为接入Pico基站的用户的专用频带资源，后一段带宽为(1-ε_m)T的频带资源作为接入Macro基站的用户的专用频带资源；

(2)将两层非均匀拓扑结构异构网络中的Macro基站和Pico基站均等价为独立的虚拟基站；基于步骤(1)中对ABS时隙频带的划分结果，计算当前网络中的频域资源分配策略如下：

式中，y_ub表示用户u连接基站b时获得的归一化带宽；B_nABS表示非ABS时隙调度的基站；P_ABS和M_ABS分别表示ABS时隙调度的Pico基站和Macro基站；b∈B_m表示基站b位于基站m的覆盖范围内；β为ABS比率，表示连接ABS时隙调度的基站下用户个数与两层非均匀拓扑结构异构网络中总用户个数的比值；K_b表示基站b下的总用户个数；

(3)根据y_ub计算得到基站b下各用户获得的传输速率为：

R_ub＝y_ubBlog(1+SINR_ub) (2)

式中，B表示两层非均匀拓扑结构异构网络的总带宽，SINR_ub表示用户u连接基站b时的信噪比；

(4)以网络中所有用户的传输速率的对数累加和最大为目标问题构建问题模型，并将目标问题分解为四个子问题：P1：用户连接状态和频谱资源分配策略，P2：时域资源分配，P3：频域划分系数配置，P4：Macro基站在ABS时隙的发送功率设置；

(5)依次对四个子问题进行求解，求解步骤包括：

(5-1)初始化Macro基站在ABS时隙的功率为P₀、ABS比率β＝β₀、频域划分系数ε_m＝ε_m0；

(5-2)求解P1：求取目标问题在当前ABS时隙的功率、ABS比率和频域划分系数下所对应的用户的连接状态和基站频域资源分配策略；具体步骤为：

1)计算K_b，并将K_b广播给网络中的所有基站，根据式(1)计算各用户获得的归一化带宽y_ub；根据计算出的用户的归一化带宽y_ub计算用户速率R_ub；

2)定义变量x_ub表示用户连接问题，当x_ub＝1时表示用户u连接基站b，当x_ub＝0时表示用户u没有接入基站b；根据用户返回的传输速率R_ub及K_b，计算x_ub：

重复执行步骤1)至2)直至用户连接变量集合{x_ub}不再变化为止，即不断遍历所有基站，直到用户与基站之间的连接关系不再变化为止；

(5-3)求解P2：根据步骤(2)求出的用户连接状态和基站频域资源分配策略，求解目标问题对应的最优ABS比率β：

其中，N表示系统的总用户数，即ABS比率表示连接ABS基站的用户个数与系统总用户个数的比值，B_ABS表示ABS时隙调度的基站；

(5-4)求解P3：根据步骤(3)求出的ABS比率β和步骤(2)求出的用户连接状态和基站频域资源分配策略，求解目标问题对应的频域划分系数ε_m：

其中，表示Macro基站m覆盖范围下的所有基站，b＝0表示当前Macro基站本身，M表示Macro基站的集合；

(5-5)求解P4：根据步骤(2)求出的用户连接状态和基站频域资源分配策略、步骤(3)求出的ABS比率β和步骤(4)求出的频域划分系数ε_m，求解目标问题对应的Macro基站在ABS时隙的发射功率；具体步骤为：

将求解所有Macro基站在ABS时隙的发射功率的转化为求解两层非均匀拓扑结构异构网络下用户获得的传输速率的对数和：

其中，P表示所求的Macro基站在ABS时隙的发送功率向量集合，0＜P_b＜P^M表示Macro基站b的发送功率限制区间为(0，P^M)，使用凸优化中的梯度下降法对表达式(6)进行求解，得到Macro基站在ABS时隙的发射功率；

(6)循环执行(5-2)至(5-5)并设置终止条件，当满足终止条件时停止循环，所求得的ABS时隙的功率、ABS比率β、频域划分系数ε_m、用户的连接状态和基站频域资源分配策略即为目标问题的最优解。

2.根据权利要求1所述的一种两层非均匀拓扑结构异构网络的干扰协调方法，其特征在于，所述步骤(6)中的终止条件为：

A、根据信道特征设定最长迭代周期次数，当迭代次数大于设定的最长迭代周期次数时结束迭代过程；或

B、将用户传输速率的前一次对数和与当前对数和相减得到用户传输速率对数和差，根据用户传输速率对数和差设置阈值区间[l₁，l₂]，当用户传输速率对数和差落入阈值区间[l₁，l₂]时，终止迭代过程；l₁表示阈值区间下限，l₂表示阈值区间上限。