CN106455077B - 一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种异构网络组播传输比例公平子载波分配算法，属于异构网络资源分配技术领域。所依托的系统由宏蜂窝小区、微蜂窝小区、基站以及小区用户组成；其中，宏蜂窝小区中包含微蜂窝小区以及多个基站，微蜂窝小区之中的用户可根据自身情况选择通过宏蜂窝小区中的基站或者微蜂窝小区中的基站接入网络；每个宏蜂窝小区的用户组成一个组播组，所有微蜂窝小区共用一个子载波集合中的所有子载波，根据小区速率是否满足既定的小区速率比例公平性参数要求，调整每个小区的子载波分配策略。本发明解决了异构蜂窝网络中，针对组播传输业务，各小区不能公平共享无线资源的问题，使各小区速率达到既定的速率比例值要求。

Description

一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法

技术领域

本发明涉及一种异构网络中基于比例公平性的子载波分配方法，尤其涉及一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法，属于异构网络资源分配技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，为了应对无线环境的多变性和持续增长的用户业务需求，给用户带来丰富的无线多媒体业务体验和更快的数据传输速率以及更好的服务质量，真正实现用户在任何时间、任何地点以任何方式进行通信的目的，异构网络成为了未来无线网络发展的必然趋势。在异构网络的发展过程中，解决日益繁多的移动业务需求和本已极度匮乏的无线资源之间的矛盾成为异构网络通信系统能否提供可靠高效的用户体验的关键，无线资源分配技术的研究变得非常重要。传统的对于异构网络无线资源分配的研究主要集中在单播业务展开，根据所需系统场景模型和约束条件，给出功率分配或子载波分配的最优化问题，提出针对所描述信道状态信息下提升系统整体吞吐量或减少基站总发射功率的自适应分配策略。从最近几年的研究中可以发现，异构网络无线资源分配被进一步扩展到组播系统，并开始讨论系统用户之间的公平性问题。

针对本发明，进行了深入的文献及专利检索，相关度较高的文献如下：

(1)Peng Gong,Ping Li,Jiejun Kong,Sone Hee Kim,Hae Beom Jung,XiaolingNiu,Duk Kyung Kim.Power Allocation with Max-min Fairness for Multicast inHeterogeneousNetwork.Advanced Communication Technology(ICACT),2012.pp.502-505.该文献提出了一种异构网络组播传输方式下基于用户最大-最小公平性的功率分配算法。采用由宏蜂窝小区和微蜂窝小区组成的异构网络模型，基站以组播传输的方式给用户发送数据信息。优化问题目标函数为通过功率分配最大化系统中最小小区的速率。在求解优化问题时为了降低计算复杂度，将优化问题转化为利用几何规划问题求解的次优化问题。此文提出了异构网络中组播传输方式下基于用户最大-最小公平性的一种功率分配算法，然而，文中没有考虑到小区之间速率的比例公平性问题。(2)Wenjun Xu,Kai Niu,JiaruLin,and Zhiqiang He.Resource Allocation in Multicast OFDM Systems:Lower/UpperBounds and Suboptimal Algorithm.IEEE COMMUNICATIONS LETTERS,VOL.15,NO.7,JULY2011.该文献在OFDM系统中以用户速率比例公平性和基站总发射功率两个约束条件下，提出了一种子载波分配和功率分配联合资源分配策略，提升整体系统容量。用户由于位置距离基站的远近不同而具有不同的链路增益，处于这点考虑子载波分配算法中避免给处于深衰落信道下的用户分配子载波，以此来防止频谱资源的浪费。次文献提出的资源分配算法能够提升OFDM系统中用户的比例公平性，然而，文中没有考虑组播传输技术的应用。

(3)Kang Wang,Carla F.Chiasserini,John G.Proakis,Ramesh R.Rao.JointScheduling and Power Control for Multicasting in Wireless Ad HocNetworks.Vehicular Technology Conference,2003.VTC 2003-Fall.2003IEEE58th.pp.1915-1920.该文献在发射功率和用户速率比例公平性约束条件下采用改进的遗传算法和注水算法进行资源分配，仿真结果表明该算法在比例公平性、算法收敛性和算法复杂性上都有较大提升。然而，该文献针对单播业务进行资源分配，没有考虑组播技术的应用。

上述有关文献中资源分配算法的提出均没有考虑异构网络组播传输技术应用下用户的比例公平性问题。本发明的目的是致力于解决上述文献中各小区速率不均衡和忽略组播技术的缺陷，提出一种异构网络组播传输比例公平子载波分配算法。

发明内容

本发明的目的在于针对异构蜂窝网络中用户不能公平共享无线资源的问题，提出一种异构网络组播传输比例公平子载波分配算法。

一种异构网络组播传输比例公平子载波算法依托的系统，由宏蜂窝小区、微蜂窝小区、基站以及小区用户组成；其中，宏蜂窝小区中包含微蜂窝小区以及多个基站，小区之中的用户可根据自身情况选择通过宏蜂窝小区中的基站或者微蜂窝小区中的基站接入网络。

一种异构网络组播传输比例公平性的子载波分配方法，每个微蜂窝小区的用户组成一个组播组，所有微蜂窝小区以及他们所在的宏蜂窝小区共用一个子载波集合中的所有子载波，根据小区速率是否满足既定的小区速率比例公平性参数要求，调整每个小区的子载波分配策略。

一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法,包括如下步骤：

步骤A1、建立由宏蜂窝小区作为底层网络覆盖，覆盖范围内包含若干微蜂窝小区的双层异构蜂窝网络系统模型；

步骤A2、在步骤A1建立的双层异构蜂窝网络系统模型基础上，基站以组播传输方式给本小区用户传输数据；

步骤A3、根据一种异构网络组播传输比例公子载波分配算法所要解决的实际问题，确定优化问题目标函数及约束条件；

所述的优化问题目标函数为公式(1)所示：

r₁:r₂:…r_M＝γ₁:γ₂:…γ_M (1)；

其中，M为步骤A1建立的双层异构蜂窝网络系统模型中小区的总数，包括宏蜂窝小区和微蜂窝小区；r₁:r₂:…r_M分别为小区1,2，…，M的传输速率，γ₁:γ₂:…γ_M为各小区速率在进行子载波分配之后希望达到的比例值；

子载波分配方法的约束条件为：

即：找出各个小区中的最大速率；k是小区序号；m是用户序号；

功率约束条件为：

l是子载波序号；

步骤A4、基于衰落信道计算各个子载波上的信道增益，并分别计算得到每个小区的速率；

其中，所述的衰落信道主要为瑞丽平坦衰落信道，这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境；信道特性由幅度特性和相位特性决定，瑞丽衰落对信号的幅度和相位都有影响，经瑞丽衰落的信道服从瑞丽分布，所以经瑞利衰落的信道的幅度和相位特性可由实部和虚部服从于零均值的独立同分布高斯过程的复数表示，信道的模值的平方乘以由距离决定的衰减因子，即：1/R³，即可得到信道增益；

步骤A4，具体为：计算小区m中，用户k在子载波l上的SNR，并由香农公式计算出小区m中用户k在子载波l上的传输速率；将所有子载波上的传输速率求和，得到小区m中用户k的速率；由于小区m的速率由小区中信道质量最差的用户的速率决定，则小区m的速率表示为公式(2)：

r_m＝min(r_m,k) (2)；

其中，SNR表示接收到的有用信号强度与接收到的干扰信号强度比值；有用信号强度为用户希望传输的携带有用信息的信号强度；干扰信号强度为噪声加干扰的信号强度；信号强度单位为dBm；

步骤A5、根据当前小区的速率是否满足系统参数要求来进行相应的子载波分配，通过子载波分配的循环判断实现，具体为：

设置变量θ_m，令

其中γ_m是小区m中速率所要达到的既定比例值,方法最优解如公式(3)所示：

设置参数ε作为循环结束的判断条件；

如果M个小区最大的θ_m和最小的θ_m之间的差小于ε，则结束循环，如果M个小区最大的θ_m和最小的θ_m之间的差大于等于ε，则调整参数，继续判断是否符合循环结束条件，直到退出循环；

所述的子载波分配的循环判断过程如下公式(4)所示：

根据判断条件进行子载波分配，直到判断条件不成立，此时子载波分配方法使得各小区速率比例值达到系统参数要求；所述的系统参数要求为：

子载波l的取值范围为1到L；k的取值范围为1到K，K为小区m内的用户总数；

至此，从步骤A1到步骤A5，完成了一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法。

有益效果

一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法，与其他子载波分配方法相比，具有如下有益效果：

1.解决了异构蜂窝网络中，针对组播传输业务，各小区不能公平共享无线资源的问题，使各小区速率达到既定的速率比例值要求；

2.设计包含宏蜂窝小区和微蜂窝小区在内的双层异构蜂窝网络系统模型，基站以组播传输方式给各自的组播组用户同时发送相同的数据信息，组播传输方式可以有效的提高无线资源的利用率；

3.本发明考虑到异构蜂窝网络组播传输方式下的子载波分配，旨在使系统中各个小区的速率达到比例公平，通过循环计算并且判断各小区速率比例值是否满足系统参数要求来调整各小区子载波使用集合，使用户公平的共享无线资源，防止出现一部分用户性能富裕，而另一部分用户性能恶化的情况。

附图说明

图1为本发明一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法的流程图；

图2为本发明一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法所依托系统的示意图；

图3为本发明一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法的异构蜂窝网络组播通信系统模型仿真图；

图4为三种子载波分配方法下小区速率比例公平比较仿真图；

图5为三种子载波分配方法公平性性能仿真图。

具体实施方式

下面参照附图和实施例，具体阐述本发明所提出的一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法。

实施例1

本实施例具体叙述了发明所提方法的具体实施步骤。

图1为本发明一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法的流程图。

由图中可以看出，方法开始后：

具体实施步骤如下：

步骤1、计算各小区用户每条子载波上的信道增益；

用户由于距离基站远近不同以及所处无线环境的差异导致各子载波具有不同的信道增益，根据信道类型以及路径损耗模型确定子载波上的链路增益；图1中的参数α_m,k,l代表小区m中用户k在子载波l上的信道增益，本实施例中采用瑞丽平坦衰落信道模型，对于每个用户，取子载波数为1024，使用MATLAB生成1024个服从瑞丽分布的随机数作为信道的幅度特性和相位特性，再依据步骤A4，计算得到该用户的α_m,k,l值；

步骤2、对应发明内容中的步骤A4，计算小区中，用户的有用信号的强度与接收到的干扰信号(噪声加干扰)的强度比值SNR；步骤3、确定一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法的优化问题目标函数，即期望达到的各小区传输速率之比γ₁:γ₂:…:γ_M。具体到本实施例中，选择公平传输，即γ₁:γ₂:…:γ_M＝1:1:…1；

步骤4、计算各小区的速率r₁,r₂,…,r_M；

对应发明内容步骤A4，计算小区速率r₁,r₂,…,r_M；步骤5、设置变量θ_m，令

θ_m是当前小区的传输速率与期望传输速率的比值其中γ_m是步骤3中确定的各小区传输速率所要达到的既定比例值；

步骤6、根据判断条件maxθ_m-minθ_m≥ε，分配子载波，具体如下：

为了不损失太多的系统容量，设置一个数值很小的参数ε作为方法循环结束的判断条件。如果判断条件成立，则说明各小区速率未达到期望的比例公平性要求，进行步骤7。如果判断条件不成立，则说明当前子载波分配策略下的各小区速率已经符合比例公平性需求，结束子载波分配方法流程，进行步骤11；

步骤7、找到m个小区中速率最大的小区m^*；

步骤8、找到小区m^*中速率最小的用户k^*；

小区的速率由小区中速率最小的用户决定，所以要想改变小区的速率，需要改变小区中速率最小的用户的速率；

步骤9、找到用户k^*子载波集合中信道质量最差的子载波l^*；

步骤10、将子载波l^*从用户k^*的子载波集合中去掉；由于采用组播传输方式，小区m^*中的其他用户同时在子载波集合中减去子载波l^*；减去子载波l^*能够降低该小区的速率，同时可以避免该小区基站在子载波l^*上对其他小区的干扰，使其他小区的速率有所提升；

步骤11、子载波分配完成，达到目标函数要求；

至此，从步骤1到步骤11完成了一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法。

实施例2

本实施例具体叙述了发明所提方法所依托的系统组成，如图2所示。

从图2可以看出，本发明所提出的一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法所依托系统包含宏蜂窝小区、微蜂窝小区、基站以及用户组成，宏蜂窝小区中包含微蜂窝小区以及多个基站，小区之中的用户可根据自身情况选择通过宏蜂窝小区中的基站或者微蜂窝小区中的基站接入网络。

实施例3

本实施例具体叙述了本发明一种异构网络组播传输比例公平子载波分配方法在具体实施时的仿真条件、仿真内容及仿真结果。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：

构建异构蜂窝网络组播传输通信系统模型，仿真参数选取如表1所示：

表1异构蜂窝网络组播传输通信系统的仿真参数

参数	值
		宏蜂窝小区	1
微蜂窝小区	5
		宏蜂窝小区覆盖半径	1000m
微蜂窝小区覆盖半径	300m
		每小区用户数量	6
基站发射功率	30dBm
		噪声功率	-40dBm
子载波个数	1024
		整个网络下的信道	服从瑞利分布
路径损耗模型	1/d<sup>2</sup>
		ε	0.5

2.仿真内容：

1)证明子载波分配方法可以使各小区速率达到比例公平。

本发明的目的就是使异构网络组播传输通信系统中各小区速率达到比例公平，满足系统参数要求。为了比较所提方法在用户公平性上的优越性，我们将比例公平子载波分配方法(PFSA)与传统的所有子载波共用的子载波分配方法(ASA)和正交子载波分配方法(OSA)进行比较。ASA情况不考虑小区之间速率的比例公平性，所有小区用户共用所有的子载波。OSA中，每个小区只使用N个子载波中数量相等且互不相同的一部分，这种子载波分配方式可以避免小区之间的干扰,但是同样没有考虑小区之间的速率公平性。

2)证明所提子载波分配方法可以达到较高的系统公平性。

本发明中采用Jain’Fairness公平性指数来衡量方法公平性性能。J≤1，如果J越逼近于1，说明公平性越好，反之则越差。

3.仿真结果

如图4所示，比较了ASA、OSA和PFSA三种方法下各个小区的速率。由图可以看出，菱形点线表示ASA，即所有子载波共用的子载波分配方法；圆形点线表示OSA，即正交子载波分配方法；星型点线表示PFSA，即比例公平子载波分配方法；ASA方法由于所有的子载波被所有用户共用，速率比较高，但是它没有考虑小区之间的速率公平性，各小区速率的差异很大。OSA方法各个小区只使用所有子载波中的一部分，与ASA和PFSA相比，虽然小区之间的干扰没有了，但是总的速率相对较低，同时它也没有考虑小区之间的速率公平性。PFSA方法下，各小区的速率达到了既定的比例值，满足系统各小区之间的速率比例公平性，能够解决用户同等资费下获得不公平数据传输速率的问题。

如图5所示，显示了进行50次仿真之后得到ASA、OSA和PFSA的JFI的瞬时值和平均值。图5中，横坐标为仿真的序号，纵坐标为每次仿真得到的Jain’Fairness公平性指数的瞬时值。PFSA的JFI的平均值为0.9315，ASA的JFI的平均值为0.7015，OSA的JFI的平均值为0.7320。PFSA的JFI比ASA和OSA的JFI更接近于1，所以PFSA可以得到更好的速率比例公平性。在改变了比例约束条件后，PFSA依然可以保持较好的用户比例公平性，由此可以看出本文所提比例公平子载波分配方法在提高用户比例公平性上的优越性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种异构网络组播传输比例公平子载波方法，其特征在于：所依托的系统，由宏蜂窝小区、微蜂窝小区、基站以及小区用户组成；其中，宏蜂窝小区中包含微蜂窝小区以及多个基站，小区之中的用户可根据自身情况选择通过宏蜂窝小区中的基站或者微蜂窝小区中的基站接入网络；

所述方法，包括如下步骤：

步骤A1、建立由宏蜂窝小区作为底层网络覆盖，覆盖范围内包含若干微蜂窝小区的双层异构蜂窝网络系统模型；

步骤A2、在步骤A1建立的双层异构蜂窝网络系统模型基础上，基站以组播传输方式给本小区用户传输数据；

步骤A3、根据一种异构网络组播传输比例公子载波分配算法所要解决的实际问题，确定优化问题目标函数及约束条件；

步骤A3中所述的优化问题目标函数为公式(1)所示：

r₁:r₂:…r_M＝γ₁:γ₂:…γ_M (1)；

其中，M为步骤A1建立的双层异构蜂窝网络系统模型中小区的总数，包括宏蜂窝小区和微蜂窝小区；r₁:r₂:…r_M分别为小区1,2，…，M的传输速率，γ₁:γ₂:…γ_M为各小区速率在进行子载波分配之后希望达到的比例值；

子载波分配算法的约束条件为：

即：找出各个小区中的最大速率；k是用户序号；

功率约束条件为：

步骤A4、基于衰落信道计算各个子载波上的信道增益，并分别计算得到每个小区的速率，具体为：计算小区m中，用户k在子载波l上的SNR，并由香农公式计算出小区m中用户k在子载波l上的传输速率；将所有子载波上的传输速率求和，得到小区m中用户k的速率；由于小区m的速率由小区中信道质量最差的用户的速率决定，则小区m的速率表示为公式(2)：

r_m＝min(r_m,k) (2)；

其中，SNR表示接收到的有用信号强度与接收到的干扰信号强度比值；有用信号强度为用户希望传输的携带有用信息的信号强度；干扰信号强度为噪声加干扰的信号强度；信号强度单位为dBm；

其中，所述的衰落信道为瑞利平坦衰落信道，经该瑞利平坦衰落信道的幅度和相位特性可由实部和虚部服从于零均值的独立同分布高斯过程的复数表示，信道的模值的平方乘以由距离决定的衰减因子，即：1/R³，即可得到信道增益；

步骤A5、根据当前小区的速率是否满足系统参数要求来进行相应的子载波分配，通过子载波分配的循环判断实现，具体为：

设置变量θ_m，令

其中，γ_m是第m个小区速率所要达到的既定比例值,算法最优解如公式(3)所示：

设置参数ε作为循环结束的判断条件；

如果M个小区中最大的θ_m和最小的θ_m之间的差小于ε，则结束循环，如果M个小区中最大的θ_m和最小的θ_m之间的差大于等于ε，则调整参数，继续判断是否符合循环结束条件，直到退出循环；

所述的子载波分配的循环判断过程如下公式(4)所示：

其中，

表示找到M个小区中速率最大的小区m^*速率最小的用户k^*的子载波l的链路增益；子载波l的取值范围为1到L；k的取值范围为1到K，K为小区m内的用户总数；

找到信道质量最差的子载波l^*后，

表示将子载波l^*从用户k^*的子载波集合

中去掉，得到子载波集合

根据判断条件进行子载波分配，直到判断条件不成立，此时子载波分配算法使得各小区速率比例值达到系统参数要求；所述的系统参数要求为：

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