CN106454850B - 蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法，属于移动通信技术领域。该方法根据蜂窝异构网的特性，联合优化网络能效实现最优的小区选择方案、信道分配方案、功率分配方案和基站开关模式，包括以下步骤：S1：基于负载均衡确定用户和小区基站最优选择方案；S2：建模信道选择函数与网络联合能效；S3：确定信道分配方案；S4：结合信道分配方案，联合优化网络能效确定最优的功率分配方案和基站开关模式。本方法在网络资源有限的前提下实现了网络的负载均衡并合理的分配信道和功率给用户，在保证用户的最低服务需求和中断概率的条件下有选择性的关闭一些基站，从而优化整个网络的能量利用效率，提升用户满意度和网络的整体性能。

Description

蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法。

背景技术

异构网络融合作为未来无线通信网络发展的必然趋势，是用户业务、市场需求和技术演进的必然结果。它不仅能够充分利用异构网络之间的互补优势，向用户提供丰富的业务应用和最佳的业务体验，而且将给运营商的网络部署和运营带来广阔的市场前景和巨大的市场潜力。然而未来无线通信系统的发展趋势并不是建设一个全新具备各种完善功能的网络，而是考虑在多种异构无线网络间相互协调和集成的需求。异构融合网络的本质目标是对异构无线网络进行资源整合，最终实现网络性能的提升。

随着业务类型的不断丰富和应用需求的快速增长，特别是高带宽需求的业务涌现，人们对无线网络中资源的需求越来越大，日益增长的资源需求和有限的网络资源供给之间的矛盾已成为制约无线通信发展的主要因素之一。由此，实现无线网络资源的合理、高效利用是异构网络融合亟待解决的技术挑战之一。在复杂多变的异构融合网络环境中，由于网络中基站设备消耗能量巨大，除了网络资源的高效利用以及用户业务QoS(Quality ofService)保证以外，如何在满足用户业务数据传输的前提下有效降低异构网络中的能量消耗、提高网络能效，这也是当前异构无线网络在服务用户所面临的关键挑战之一。

综上所述，在有限的网络资源供给上合理的分配资源实现网络能效的最大化是无线资源管理(RRM,Radio Resource Management)的主要目标，本发明提出了一种基于基站最大传输功率和传输速率比例公平限制，能够有效的提高网络能效、保障用户服务需求的资源分配方案。这对增加网络的整体性能将具有十分重要的意义。

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能效优化的资源分配方法，该方法在分配的过程中考虑了基站最大传输功率和传输速率比例公平限制条件，联合优化网络能效确定最优信道分配、功率分配方案和基站开关模式，该方法在提升网络能效的同时合理的分配信道和功率给每个用户。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法，该方法根据蜂窝异构网的特性，联合优化网络能效实现最优的小区选择方案、信道分配方案、功率分配方案和基站开关模式，该方法包括以下步骤：

S1：基于负载均衡确定用户和小区基站最优选择方案；

S2：建模信道选择函数与网络联合能效；

S3：确定信道分配方案；

S4：结合信道分配方案，联合优化网络能效确定最优的功率分配方案和基站开关模式。

进一步，在步骤S1中，建模蜂窝异构网络有K个用户，N个信道和M个不同类型的基站，并初始化基站为全开模式；建模接入因子用来表示用户k成功接入基站m的概率，其中L_m表示基站m当前所服务的用户数，L_{m_max}表示基站m的最大服务用户数，L_{m_sim}表示基站m在一个传输时间间隔(Transmission Time Interval,TTI)中能同时服务的最多用户数；

建模综合效用函数其中表示用户k接入基站m的能量效率，P_m是基站m的最大传输功率，是用户k接入基站m可获得的信干噪比；用户在保证自己的最低服务需求下根据依次选择服务小区；

在完成用户与基站的匹配问题后建模信道增益h_k,n,m＝g_k,n,mL_k,m(1≤k≤K，1≤n≤N，1≤m≤M)表示用户k属于基站m并占用信道n的信道频率响应，其中g_k,n,m表示无线信道的小尺度衰落并服从瑞利分布，L_k,m表示大尺度衰落，主要取决于用户与基站间的距离。

进一步，在步骤S2中，建模信道选择模型：假设同一基站下的用户选择不同的信道进行传输，而不同基站下的用户是可以选择同一信道进行传输的，所以属于同一基站下的用户间不存在干扰，且属于基站m的用户k在信道n上传输时会受到来自除基站m外其它所有基站下占用信道n的用户干扰，即其中κ表示所有用户的集合，ε_m表示属于基站m的所有用户的集合，B表示所有基站的集合，k'表示集合κ中除接入基站m下的其他所有用户，m'表示集合B中除基站m外的所有基站；建模信道选择函数σ²为传输信道噪声功率。

进一步，在步骤S2中，建模网络能效为网络中用户速率总和与其总功率消耗之比，即其中R是所有用户的速率总和，即传输功率P_c是恒定电路损耗；

信道选择指数x_k,n,m＝1表示用户k属于基站m并占用信道n进行传输，反之，x_k,n,m＝0。所以网络能效，即目标函数表示为

进一步，在步骤S3中，以基站为单位分配信道，对于属于基站m上的用户k根据计算出它若占用每个信道的信道选择函数值的集合再根据用户依次选择信道；若属于基站m的所有用户都完成了一次信道选择后还有剩余信道未被选择，此时让服务需求高的用户优先选择剩余信道直至所有的信道都被分完为止。

进一步，在步骤S4中，完成信道分配后，联合优化网络能效来确定功率分配方案，由于一个用户可以占用多个信道，所以最优功率分配方案是以信道为单位完成的，即确定用户在所分配的每一个信道下可分得的最优功率。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法不仅可以有效的保障蜂窝异构网中不同类型基站下的负载均衡，而且联合最大化网络能效实现了最优的信道分配方案、功率分配方案和基站开关模式，进而提升整个网络的传输性能。

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为信道分配示意图；

图3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。

本发明所述的异构蜂窝网络的小区选择机制在保证了用户的传输要求下，通过构造接入因子来控制用户成功接入基站的概率从而实现负载均衡以，同时提高整体网络的能量效率。基于已确定的用户联合小区选择方案，受限于基站的最大传输功率和传输速率比例公平的条件，联合优化网络能效实现合理的信道分配和功率分配方案，并通过依次关闭能效最低的基站，观察此模式下的网络能效的变化情况确定最优的基站开关模型。

图1为一个典型的异构网络示意图，异构网中的每个服务小区公用信道N，一个用户最多只能接入一个基站，当某个基站被关闭后，在更新后的开关模式下用户重新选择服务小区并更新资源分配方案。

图2是信道分配示意图，用户{UEi,...,UEk}是属于基站1的用户集合，信道{Ci,Cj,...,Cn}是用户UEi所占用的信道集合。

图3是基于异构网络能效最大化的资源分配方案的流程图，该方法包括以下步骤：1)基于负载均衡确定用户和小区基站最优选择方案；2)建模信道选择函数与网络联合能效；3)确定信道分配方案；4)结合信道分配方案，联合优化网络能效确定最优的功率分配方案和基站开关模式。

具体技术方案如下：

在进行资源分配之前，初始化基站为全开模式。

在步骤1)中，由于蜂窝异构网络中不同类型基站的发射功率、覆盖范围、所能够服务的最大用户数各不相同，本发明把某种类型的基站m所服务的用户数叫做该基站的负载L_m，而一个基站的最大负载(最多能服务的用户数)，不仅与该基站的最大传输资源数有关，还与这个基站的调度方法有关。用L_{m_sim}来表示基站m在一个传输时间间隔(TransmissionTime Interval,TTI)中能同时服务的最多用户数。每个TTI在LTE网络中相当于两个时隙，所占时间长度为1ms。当基站的负载满足L_m＞L_{m_sim}时，不能确定该基站一定超载，因为可以采用某种合适的调度方法使得用户在下一个TTI获得服务，本发明采用轮询调度法(RoundRobin Scheduling)。根据对未来网络提出的“零”时延要求，设备到设备间的时延必须限制在1ms范围内，所以在轮询调度法下，一个基站能够服务的最大用户数(最大负载)L_{m_max}正好是其一个TTI中可以服务的用户数的两倍，即L_{m_max}＝2L_{m_sim}。所以当L_m＞L_{m_max}时，称基站m过载，当L_m＝L_{m_max}时，称基站m满载。进而构造接入因子用来表示用户k成功接入基站m的概率。

网络中的任意一个用户k接入基站m能达到的SINR值用来表示，其中m'是集合中除m外的所有基站，P_m是基站m的最大传输功率。所以构造用来表示用户k接入基站m的能量效率，进而建模综合效用函数

为了保证用户的最低服务需求，构造为用户k的备选小区列表并定义其列表中基站的个数为用户k的自由度，进而让自由度较小的用户优先选择其小区列表中的基站并根据确定能够使其能效值最大的基站作为其服务基站。用户每完成一次选择后更新基站的当前负载与小区列表。

在步骤2)中建模信道选择函数前，先建模信道增益h_k,n,m＝g_k,n,mL_k,n,m表示用户k属于基站m占用信道n的信道频率响应。基于本发明所建模的信道选择模型用户k在信道n上的干扰可以表示为其中κ表示所有用户的集合，ε_m表示属于基站m的所有用户的集合，B表示所有基站的集合，k'表示集合κ中除接入基站m下的其他所有用户，m'表示集合B中除基站m外的所有基站。故有信道选择函数

建模网络能效为网络中用户的总速率和与其总功率消耗之比，即其中R是所有用户的速率总和，即是传输功率，P_c是恒定电路损耗。因为本发明中采用x_k,n,m＝1表示用户k属于基站m并占用信道n，反之，x_k,n,m＝0。故网络中用户的速率总和可以表示为：传输功率P_t可以表示为：网络能效可以表示为：

在完成信道选择函数建模和网络能效建模后，要基于网络能效最大化实现联合分配信道和功率是一个非凸的非线性组合优化问题，求解较复杂。因此本发明通过设计步骤3)和步骤4)来得到一个低复杂度的次优解。

在步骤3)中先假设每个信道的功率是平均分配的，即基站依次分配信道给自己的用户集，用户集中的用户再依次根据所建模的信道选择函数可计算出属于基站m的用户k若占用每个信道所对应的函数值集合H＝[H_k,1,m,H_k,2,m,...,H_k,N,m]，用户k再根据选择能够使其信道选择函数值最大的信道n作为其最优信道并记x_k,n,m＝1且N^*＝N-{n}，其中N表示所有信道的集合，N^*表示未被分配的信道集合。若基站m下的所有用户都完成了一次信道选择后，此时N^*为非空，则让用服务需求较大的用户优先选择剩余信道，重复以上步骤直至N个信道都被分配完为止。

在步骤4)中由于基站的最大传输功率限制，即和传输速率比例公平限制，即本发明在分配功率时考虑了如何在保证以上两个限制条件下实现使得网络能效达到最大的功率分配方案。

基于本发明所建模的能效在确定了信道分配方案后可简化为通过非线性分式规则把它写成等价的线性表达式可得：令当且仅当F(q^*)＝0与f(q^*)＝p^*时η与h(p,q)是等价的。

利用能效η的等价函数和以上两个限制条件构建拉格朗日函数：

其中P_c是用户1的所属基站功率，P_d是用户k的所属基站功率。λ_m和γ_k分别表示基站和用户所对应的两组拉格朗日因子。

根据拉格朗日求解法有，当k＝1时，

其中λ_c表示用户1的所属基站所对应的拉格朗日因子。

当k≥2时，其中λ_d表示用户k的所属基站所对应的拉格朗日因子。

进一步利用次梯度求解法，依据：

更新拉格朗日因子，其中τ⁽ⁱ⁾，ν⁽ⁱ⁾表示迭代步长取值为足够小的正整数。

根据以上所解的p_k,n,m可计算的值。

迭代更新求解功率p_k,n,m和拉格朗日因子λ_m与γ_k直至算法收敛，而此时的p_k,n,m和q分别是基站在全开模式下所对应的最优功率分配方案和网络的最大能效值。

此时完成了基站在此模式下的资源分配方案，并通过：

可计算出网络中每个基站的能效值，选择能效最低的基站关闭并更新基站的开关模式。

在新的基站开关模式下重复执行以上的步骤1)至步骤4)并观察网络能效值q的变化，在保证网络中断概率(定义网络中发生中断的用户数与总用户数之比)的需求下依次关闭基站且当q的值出现先增后减，即网络能效不再提高时停止关闭基站。而所返回的上一次基站开关模式即为最优模式，而此模式下的资源分配方案也是使网络能效值最大的资源分配方案。

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做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法，该方法根据蜂窝异构网的特性，联合优化网络能效实现最优的小区选择方案、信道分配方案、功率分配方案和基站开关模式，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：基于负载均衡确定用户和小区基站最优选择方案；

S2：建模信道选择函数与网络联合能效；

S3：确定信道分配方案；

S4：结合信道分配方案，联合优化网络能效确定最优的功率分配方案和基站开关模式；

在步骤S1中，建模蜂窝异构网络有K个用户，N个信道和M个不同类型的基站，并初始化基站为全开模式；建模接入因子用来表示用户k成功接入基站m的概率，其中L_m表示基站m当前所服务的用户数，L_{m_max}表示基站m的最大服务用户数，L_{m_sim}表示基站m在一个传输时间间隔(Transmission Time Interval,TTI)中能同时服务的最多用户数；

建模综合效用函数其中表示用户k接入基站m的能量效率，P_m是基站m的最大传输功率，是用户k接入基站m可获得的信干噪比；用户在保证自己的最低服务需求下根据依次选择服务小区；

在完成用户与基站的匹配问题后建模信道增益h_k,n,m＝g_k,n,mL_k,m(1≤k≤K，1≤n≤N，1≤m≤M)表示用户k属于基站m并占用信道n的信道频率响应，其中g_k,n,m表示无线信道的小尺度衰落并服从瑞利分布，L_k,m表示大尺度衰落，主要取决于用户与基站间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法，其特征在于：在步骤S2中，建模信道选择模型：假设同一基站下的用户选择不同的信道进行传输，而不同基站下的用户是可以选择同一信道进行传输的，所以属于同一基站下的用户间不存在干扰，且属于基站m的用户k在信道n上传输时会受到来自除基站m外其它所有基站下占用信道n的用户干扰，即其中κ表示所有用户的集合，ε_m表示属于基站m的所有用户的集合，B表示所有基站的集合，k'表示集合κ中除接入基站m下的其他所有用户，m'表示集合B中除基站m外的所有基站；建模信道选择函数σ²为传输信道噪声功率，p_k',n,m'为基站m外的所有基站m'其接入用户k'在信道n的发射功率。

3.根据权利要求2所述的一种蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法，其特征在于：在步骤S2中，建模网络能效为网络中用户速率总和与其总功率消耗之比，即其中R是所有用户的速率总和，即传输功率P_c是恒定电路损耗；

信道选择指数x_k,n,m＝1表示用户k属于基站m并占用信道n进行传输，反之，x_k,n,m＝0，所以网络能效，即目标函数表示为

4.根据权利要求3所述的一种蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法，其特征在于：在步骤S3中，以基站为单位分配信道，对于属于基站m上的用户k根据计算出它若占用每个信道的信道选择函数值的集合H＝[H_k,1,m,H_k,2,m,...,H_k,N,m],再根据用户依次选择信道；若属于基站m的所有用户都完成了一次信道选择后还有剩余信道未被选择，此时让服务需求高的用户优先选择剩余信道直至所有的信道都被分完为止。

5.根据权利要求4所述的一种蜂窝异构网络能效优化的资源分配方法，其特征在于：在步骤S4中，完成信道分配后，联合优化网络能效来确定功率分配方案，由于一个用户可以占用多个信道，所以最优功率分配方案是以信道为单位完成的，即确定用户在所分配的每一个信道下可分得的最优功率。