CN106714268B - 一种用于实现接入和功率控制联合优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在通信系统中用于实现接入和功率控制联合优化的方法，包括步骤：A.确定链路候选集合B.从所述链路候选集合中找出初始链路l₁作为已选链路l_k；C.把所述已选链路l_k加入到已选链路集合S_k中；D.最后加入到已选链路集合S_k中的链路l_k的接收机，针对所述链路候选集合中的各个链路l计算功率更新因子E.当所述已选链路集合S_k在所述链路l_k加入之前不为空集时，在加入所述链路l_k之前的已选链路集合S_k‑1中的链路m的接收机分别针对链路候选集合中的链路l计算功率更新因子F.确定符合SINR要求的候选链路l；G.各条链路的接收机分别更新所述链路候选集合并根据最小系统总功率优先的原则，从所述链路候选集合中寻找最优链路l_k+1。

Description

一种用于实现接入和功率控制联合优化的方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体地，本发明涉及一种在通信系统中用于实现接入和功率控制联合优化的方法。

背景技术

在移动蜂窝系统、自组织网络和认识无线电网络中，功率和接入控制是干扰管理的有效工具。通常，接入控制和功率控制是作为两个独立的过程而分别处理的。具体的，用户先基于可用资源接入至网络。一旦一些用户被允许接入网络，功率控制过程将被调用以设置发射功率水平从而使得所有干扰链路都可以实现其所希望的信干噪比(SINR)要求并且达到系统功率总和最小化。然而，当网络经历强干扰时，无论采用何种功率控制方法都不能同时保证所有新接入的或现存的链路的传输质量。在该情况下，由于相互间的干扰各链路所希望的服务级别不再被满足，所以需要移除一些链路。不幸的是，接入和功率控制步骤的独立处理常常导致许多链路被不必要地移除。一个有益的方式是实施接入和功率控制的联合处理，用来同时确定当前可支持链路的数量和分配每个发射机的发射功率。而且，联合的功率控制和接入控制可以确定哪些链路必须被关闭并在正交的资源维度(例如时间，空间或频率时隙)重新调度它。

联合功率和接入控制可以减缓单独的功率控制方法所带来的收敛性问题。例如，在已知的通过Foschini-Miljanic算法实现的分布式功率控制中，在每一步骤，每个发射机独立的通过一个乘积因子更新其自己的功率水平，该乘积因子等于其目标SINR和其测量到的实际工作SINR的比值。在该方式中，如果每个发射机的实际工作SINR没有达到其SINR目标值，则每个发射机增加其功率水平，否则就降低其功率水平。对于任何可行的预定义的SINR级别，该功率控制策略能够以几何速度收敛至一个稳定解，该方案支持所有链路能满足其给定的SINR目标并最小化系统总传输功率。关于该功率控制策略的一个长期存在的问题是：当预先选择的SINR级别是不可行的时候其功率更新过程不会收敛，也就是不是网络中的所有链路可以同时达到其SINR目标值。这种情况在现有和未来的通过在相同物理资源上允许并发的传输而实现频率高度复用的无线网络中变得经常发生。

在另一方面，传统的接入控制和无线资源管理相互分离的方法对于例如5G的未来网络将是低效和无效的。未来网络将是一个高度密集化的网络，其被希望能够容纳大量的连接，其干扰模式并非是同质均匀的而且不易预测。这要求一种具有较小信令开销和干扰感知的分布式接入控制方案。这样一种分布式媒介接入控制方法可以有助于网络部署，使得网络控制的开销随用户容量线性增长而不是呈指数级别增长。

为了解决该技术问题，本发明创造了一个用于联合接入和功率控制的分布式方案。该设计的网络允许通信链路一个一个地依次叠加。根据最小化总传输功率的贪婪准则，每次选择一个新的合格链路，使得扩展后的网络中所有链路都可以满足各自的SINR目标，该扩展后的网络包括依照贪婪准则选择出的和之前选择的链路。所提出的联合接入和功率控制的方法是通过基于功率更新因子的分布式功率计算方案和具有计算感知的信令方案来实现的。该具有计算感知信令传递方案仅仅根据决策过程，按需要传输有用的计算信息，其避免了事先收集整个初始信道状态信息的操作，消除了对于系统决策过程没用的冗余信息的额外信令开销。

发明内容

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种在通信系统中用于实现联合的功率和接入控制优化的方法，包括步骤：A.确定链路候选集合以及已选链路集合S_k；B.从所述链路候选集合中找出初始链路l₁作为已选链路l_k；C.从所述链路候选集合中删除该已选链路l_k，并把所述已选链路l_k加入到所述已选链路集合S_k中；D.最后加入到所述已选链路集合S_k中的链路l_k的接收机，针对所述链路候选集合中的各个链路l计算功率更新因子并把该计算后的功率更新因子通过所述通信系统的专用信道向所有链路广播所计算得到的该功率更新因子；E.当所述已选链路集合S_k在所述链路l_k加入之前不为空集时，所有链路的接收机分别独立计算针对链路候选集合中的每一个链路l的关于所述链路l_k之前的已选链路集合S_k-1中的每一个链路m的功率更新因子F.所述链路候选集合中的各个链路l的接收机分别预测该链路和所述已选链路集合S_k中的所有链路一起并发传输时所能获得的最大SINR，并确定符合SINR要求的候选链路l，所述符合要求的链路的接收机计算功率更新因子并通过所述专用信道向所有链路广播所计算得到的该功率更新因子；G.各条链路的接收机分别更新所述链路候选集合并根据最小系统总功率优先的原则，从所述链路候选集合中确定最优链路l_k+1；H.如果能够找到该最优链路l_k+1并且所述链路候选集合中还剩至少2个链路，则把该最优链路l_k+1作为可选链路l_k，并实施步骤C；I.最后获得的最优链路l_k+1以及已选链路集合S_k中的链路按所设定的功率值同时实施数据发送。

特别的，在所述步骤A中，所述链路候选集合中包括所有需要被加入到所述通信系统中的链路l，所述已选链路集合S_k为空集。

特别的，所述步骤B具体包括：B1.获取链路候选集合中各个链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l；B2.所述链路候选集合中各个链路l的接收机，根据所述初始功率更新因子δ_l,φ,l，更新所述链路候选集合B3.从所述链路候选集合中确认具有最小初始功率更新因子的链路作为所述初始链路l₁。

特别的，所述步骤B1具体包括：b1.所述链路候选集合中各个链路l的发射机依次以恒定功率P_constant发送探测信号，其中，所述探测信号包括该发射机的最大发射功率值的信息；b2.由所述链路候选集合中的所有链路j的接收机测量该探测信号的到达功率和噪声功率n_l，并计算该链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l，并在所述专用信道中广播该初始功率更新因子δ_l,φ,l。

特别的，在所述步骤b2中，通过以下公式计算获得所述初始功率更新因子δ_l,φ,l：其中，β_l是对应于链路l的SINR目标值，G_j,l表示从链路l的发射机到链路j的接收机之间的信道增益。

特别的，所述步骤B2具体包括：所述链路候选集合中各个链路l的接收机分别计算各链路的功率比并结合各个链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l，更新所述链路候选集合

特别的，通过以下公式获得功率比 通过以下公式更新所述链路候选集合

特别的，在所述步骤D中，所述功率更新因子通过以下公式获得：

其中，

其中，所述p表示功率分配方式。

特别的，在所述步骤E中所述功率更新因子通过以下公式获得：

特别的，所述步骤F具体包括：所述链路候选集合中的各个链路l的接收机计算：当所述已选链路集合S_k中各链路l满足各自SINR目标的前提下，链路候选集合中的各个链路l和已选链路集合S_k的所有链路同时并发传输时，各个链路l可达到的最大SINR值当该最大可实现SINR的值不小于对应链路l的SINR最低要求时，计算该对应链路l的功率更新因子并通过通信系统的专用信道向其他链路广播所计算得到的该功率更新因子。

特别的，根据以下公式计算所述最大可达到的SINR值

其中，

根据以下公式计算所述功率更新因子

特别的，所述步骤G具体包括：G1.各条链路的接收机分别根据是否接收到对应所述链路候选集合中的各个链路l的功率更新因子同时更新所述链路候选集合当没有收到该的信息时从所述链路候选集合中删除相对应的链路l；G2.各条链路的接收机分别根据以下公式计算针对所述链路候选集合中各个链路l的功率更新因子 G3.通过以下公式寻找最优链路l_k+1，使得该最优链路l_k+1与所述已选链路集合S_k中的链路并发传输所组成网络的功率总和为最小：

特别的，在所述步骤I中，所述链路l所设定的功率值为其中所述链路l满足以下公式l∈S_k∪l_k+1。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了根据本发明所公开的一种功率更新因子的迭代计算的流程示意图；

图2示出了根据本发明所公开的一种功率更新因子的迭代计算的初始阶段示意图；

图3示出了根据本发明所公开的一种在通信系统中用于实现接入和功率控制联合优化的方法流程图；

图4示出了根据本发明所公开的一个分布式接入系统的系统示意图；

图5示出了根据本发明所公开的一个分布式接入系统的信道配置示意图；

图6示出了根据本发明所公开的数据信道和控制信道的帧结构示意图；

图7示出了根据本发明所公开的分布式接入网络的自组织过程的示意图；以及

图8示出了根据本发明所公开的方法的性能的比较图。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。此外，尽管说明书中以特定的顺序描述了方法的步骤，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果，相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

本发明公开了一个用于接入和功率控制联合优化的分布式方法。其致力于用分布式的方式提升大规模无线网络的空间复用效率。所设计的网络可以以在线实现的方式在同一信道资源上依次添加通信链路。每次以贪婪准则选择一个新的合格的链路并加入至之前被激活的网络，从而扩展被激活的网络的规模，并且使得扩展后网络中的各条链路都可以实现各自的SINR目标以及所有链路的功率总和最小。该贪婪接入控制方法通过基于功率更新因子的分布式功率计算方案和具有计算感知的信令传递方案来实施。与事先收集整个初始信道的状态信息的处理方法不同，具有计算感知的信令传递方案仅仅根据决策过程，按需要发送有用计算信息，其避免了对于决策过程没有用或有较少用的冗余信息所导致的巨大信令开销。值得一提的是，所有计算和信令的交换都通过接收机实施，其特别适用于基站之间通过X2接口相互连接的上行蜂窝系统。

一、首先，我们讨论一下问题模型和实际问题：

假设网络由L个通信链路组成，其传输功率受限于电池容量。通过共享一个共用的无线信道，所有链路试图分别实施满足各自的SINR目标的数据传输。由于它们之间强烈的相互干扰，通常不是所有链路都被允许发送数据信号。为了获得具有最低能量损耗和最高频谱效率的目的，需要接入和功率控制的联合优化，以找出一个最大链路子集，其中的所有链路可以通过一个可行的且总和最小的系统功率配置方案，达到他们各自SINR的目标。

对于接入和功率控制联合优化的问题：该问题可以描述为两个阶段，即：可以允许接入的最大激活链路的数量，和最小化这些激活链路的总发射功率。数学上，该第一阶段涉及一个关于混合整数优化的NP难题(NP-hard)，并可以通过以下公式描述：

x_l∈{0,1},l＝1,2,…,L

其中：

p_l表示链路l的发射功率；

β_l表示链路l的SINR目标值；

G_lk表示从链路k的发射机到链路l的接收机的信道增益；

n_l表示在链路l的接收机侧的背景噪声功率，其包括热噪声以及来自外部链路的干扰；

表示分配给链路l的最大发射功率；

x_l表示二进制接入变量，x_l＝1表示链路l可以被加入并发送数据，反之x_l＝0表示该链路要被移除。

很明显，如果x_l＝0，那么必定p_l＝0，并且在任何功率分配方案下相应约束总是成立的，其意味着链路l对网络没有影响。

设表示第一阶段的最优接入变量。一旦发现了链路的最大可接入子集，接下来要做的是调节它们的发射功率使得他们的功率总和最小，可以通过以下公式描述：

需要指出的是，对于第一阶段可能存在多个等效方案，其可能会导致第二阶段的功率之和是不同的。如果多个方案确实存在，一个期望的方式是对于第一阶段的每个候选方案，分别求解功率最小问题，最后从中选出一个能产生最小总功率的方案。

可以证明寻找最大数量的可接入子集的问题在理论上是一个NP难题，同时在实现中还会遇到以下两个实际问题的挑战：

1.计算开销问题：为了得到最优方案，一个穷尽求解的方式是需要搜索2^L-1个所有可能的候选子集。这意味着当网络维度增加时，计算成本将以指数级别增长。未来网络希望能在相同物理资源中支持大量的共存传输，其需要一个低复杂度的方法。

2.信令开销问题：为了解决该问题，通常需要事先收集所有信道增益G_lk的原始信息，相关信令开销量级相当于L²。事实上，为了避免恶劣的共信道干扰，在最终的接入方案中只有一小部分链路拥有传输的机会。这通常导致较差的性能与成本的比率，并且降低了网络管理的效率。因此需要一个精巧的具有计算感知的信令交换方案，系统信息的收集和传递是根据计算演进过程的需要而进行的。

二、其次，我们介绍一下贪婪接入控制的设计原理：

为了应对以上的实际挑战，我们推荐一个基于具有计算感知信令交互方案的分布式贪婪接入控制方法。该贪婪接入控制机制从候选链路集合中选择一个新链路，该新链路将被加入至之前k维度的网络中，该网络包括已被激活的链路S_k＝{l₁,l₂,…,l_k}，籍此构建一个(k+1)维的网络。因此，可能存在种网络扩展组合；每一种组合对应一个不同的功率开销，该开销需要满足各链路的SINR目标。只有一个最优的链路，被表示为l_k+1，允许加入至网络，从而使得对应的所扩展的网络的功率总和是所有可能的组合中最小的。该贪婪的网络扩展过程通过以下两个阶段实施：

1.可行性校验阶段：用以校验任何可能的(k+1)维度的网络的可行性。

2.链路选择阶段：用于识别最优链路l_k+1，然后构建一个具有链路集合S_k+1＝S_k∪l_k+1的扩大的网络。

毫无疑问，一个k维网络所需要的功率总和越小，当它和其它链路合并为一个更高维度的网络时，它对其他链路所造成的干扰就越低。这样的贪婪准则设计能对系统的最终性能产生积极的效应。按照该贪婪接入机制，网络可以持续扩展至一个L^*维网络(L^*≤L)。

根据定理一所描述的接入控制准则可知，可行性校验的过程与功率计算直接相关。具体而言，当且仅当链路最大可实现的不小于其SINR目标时，链路l_k+1对于激活的网络S_k是可行的。幸运的是，我们可以推导出一个明确的显性公式，通过和功率约束的知识来计算即：

其中：

是正的常数表示链路l_k+1的参考功率；

表示矢量的第l_j个元素；

表示一个k维矢量其表示最优功率分配方式，该最优功率分配方式使得k维网络S_k的总功率最小并且各个链路能达到各自SINR目标。

表示一个k维矢量

其表示当存在来自链路l_k+1的干扰的情况下的最优功率分配方式，该最优功率分配方式使得k维网络S_k的总功率最小并且在来自链路l_k+1的干扰下各个链路能达到各自SINR目标。

此处，I_k表示k维单位矩阵， 并且表示满足以下公式的k维矩阵：

在另一方面，链路选择阶段通过以下公式确定贪婪选择过程的结果：

其中：1表示所有元素都为1的列向量，并且

其中，并且

在下文中，我们示出了一个对于公式(1)和(2)的简洁的计算方式。根据下文定理2所提供的功率计算递归公式，对于k维的网络S_k，和可以通过功率更新因子和参考功率来计算，即：

具体的，k维的网络S_k的功率更新因子可以通过以下的递归公式从(k-1)维的网络S_k-1的功率更新因子中得出：

结合公式(3)和(4)，公式(1)和(2)可以被变换为由功率更新因子和一些基本测量值(例如，G_lmP_m、)表示的等价形式。然后可以得出：

和

公式(7)和(8)表明贪婪接入控制过程的两个阶段可以基于功率更新因子的迭代计算，在分布式功率计算框架下而实现。该框架利用相同的计算信息并且减轻了整个接入和功率控制的优化，导致在计算成本和信令开销上有明显的减少。

本文还设计了基于计算感知的信令方案以传递最少量的功率更新因子的信息。只有一小部分功率更新因子作为信令信息需要广播至所有接收机上，而其余的功率更新因子可以根据本地测量值和关于低维度网络的功率更新因子的历史信息而独立产生。如图1所示，对于确定S_k+1的决策过程，只有关于和的信息必须通过链路l_k和链路的接收机来计算和广播。然后各个链路可以独立地利用新广播的信息和历史信息，根据公式(5)和(6)来推算和由此，各条链路可以单独地实施对于任何链路的可行性校验，并且使用公式(8)获得关于l_k+1的一致结果。进一步地，如果假设P_m对于所有链路是恒定的，公式(8)可以进一步简化为：

图2示出了功率更新因子的初始计算阶段。

三、接下来，基于以上分析，我们通过具体步骤介绍实现接入和功率控制联合优化的分布式方法：

图3示出了根据本发明所公开的一种在通信系统中用于实现接入和功率控制联合优化方法的流程图。如图3所示，该方法具体包括：

在步骤301中，确定链路候选集合以及已选链路集合S_k。

具体的，在该通信系统中，可以先确定链路候选集合以及已选链路集合S_k，其中，所述链路候选集合中包括所有需要被加入到所述通信系统中的链路l(即：)，而所述已选链路集合S_k为空集(即：S_k＝φ)。其中，k可以视为是该方法的迭代次数，可以理解在初始状态下k＝0。

在步骤302中，从所述链路候选集合中找出初始链路l₁作为已选链路。具体的，步骤302可以通过以下几个子步骤(302.1～302.3)来实现：

步骤302.1：获取链路候选集合中各个链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l。

具体的，所述链路候选集合中各个链路l的发射机依次以恒定功率P_constant发送探测信号，其中，所述探测信号包括该发射机的最大发射功率值的信息。由所述链路候选集合中的其他所有链路j的接收机测量该探测信号的到达功率和噪声功率n_l，并计算该链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l，其中β_l是对应于链路l的SINR目标值。然后在所述专用信道中广播该初始功率更新因子δ_l,φ,l，从而使得信道中的所有链路可以接收到该初始功率更新因子δ_l,φ,l。

步骤302.2：所述链路候选集合中各个链路l的接收机，根据从所述专用信道中接收到的初始功率更新因子δ_l,φ,l，更新所述链路候选集合

具体的，所述链路候选集合中各个链路l的接收机分别通过公式计算各链路的功率比并结合各个链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l，根据公式更新所述链路候选集合

步骤302.3：从所述链路候选集合中确认具有最小初始功率更新因子的链路作为所述初始链路l₁。即：如果不能够找到该初始链路l₁，则说明系统不支持任何链路传输数据，该方法被终止。

在步骤303中，把该迭代次数设定为k＝k+1，从所述链路候选集合中删除该已选链路l_k，并把所述已选链路l_k加入到所述已选链路集合S_k中，即：并且S_k＝S_k-1∪l_k。

在步骤304中，最后加入到所述已选链路集合S_k中的链路l_k的接收机，针对所述链路候选集合中的各个链路l计算功率更新因子并把该计算后的功率更新因子通过所述通信系统的专用信道向所有链路广播所计算得到的该功率更新因子。

具体的，所述功率更新因子可以通过以下公式获得：

其中，

并且通过所有链路可以接入的专用信道向各条链路广播的值。

在步骤305中，当所述已选链路集合S_k在所述链路l_k加入之前不为空集时(即：S_k-1≠φ)，所有接收机分别针对链路候选集合中的每一个链路l计算关于在加入所述链路l_k之前的已选链路集合S_k-1中的每个链路m的功率更新因子即：

在步骤306中，所述链路候选集合中的各个链路l的接收机分别预测该链路和所述已选链路集合S_k中的所有链路一起并发传输时所能获得的最大SINR，并确定符合SINR要求的候选链路l，所述符合要求的链路的接收机计算功率更新因子并通过所述专用信道向所有链路广播所计算得到的该功率更新因子。

具体的，所述链路候选集合中的各个链路l的接收机计算：当所述已选链路集合S_k中各链路l满足各自SINR目标的前提下，链路候选集合中的各个链路l和已选链路集合S_k的所有链路同时并发传输时，各个链路l可达到的最大SINR值

当该最大可实现SINR的值不小于对应链路l的SINR最低要求时(即：时)，计算该对应链路l的功率更新因子并通过通信系统的专用信道向其他链路广播所计算得到的该功率更新因子。

其中，根据以下公式计算所述最大可达到的SINR值

其中，

根据以下公式计算所述功率更新因子

在步骤307中，各条链路的接收机分别更新所述链路候选集合并根据最小系统总功率优先的原则，从所述链路候选集合中确定最优链路l_k+1。

具体的，各条链路的接收机分别根据是否接收到对应所述链路候选集合中的各个链路l的功率更新因子同时更新所述链路候选集合当没有收到该的信息时从所述链路候选集合中删除相对应的链路l，即：链路l已接收到信息}。然后，各条链路的接收机分别根据以下公式计算针对所述链路候选集合中各个链路l的功率更新因子

最后通过以下公式寻找最优链路l_k+1，使得该最优链路l_k+1与所述已选链路集合S_k中的链路并发传输所组成网络的功率总和为最小：

在步骤308中，判断是否找到该最优链路l_k+1并且所述链路候选集合中的剩余链路数是否大于2，如果能找到该最优链路l_k+1并且剩余链路数大于2，则实施步骤303，以寻找下一个最优链路l_k+1；反之，则实施步骤309。

在步骤309中，最后获得的最优链路l_k+1以及已选链路集合S_k中的链路分别按所设定的功率值同时实施数据发送。其中，所述链路l(l∈S_k∪l_k+1)所设定的功率值为

在上述方法中，步骤302被用于获取基于G_lmP_m的基本参考功率和基于的功率预算信息，其测量过程仅需要L＝|S|个信道时隙。仅在本地测量器保存这些初始测量值。步骤304至306被设计为实现可行性校验阶段，而步骤307被用于实施链路选择阶段。个关于 的信息通过步骤304中链路l_k的接收机来广播，然而个关于的信息通过链路各自的接收机广播。这两个信令交互过程只需要很小的传输开销，便使得各链路能够在本地计算它们所需要的功率更新因子。此外，当没有更多的合格的链路能够被加入至L^*维网络时，终止功率更新因子信息的计算和传播，以避免在链路之间进行冗余的信令交换。该具有计算感知的信令传递方案最多花费个L²-(L-L^*)(L-L^*-1)传输时隙，与现有方式相比，节省了(L-L^*)(L-L^*-1)个时隙。通过简化上述方法可进一步降低信令开销。例如，在步骤306中，根据预设的优先级排序选择可行的链路，其中中仅一个信息是需要广播的。因此，总的信令开销被减少至

表-1总结了不同方法的信令开销。

表-1：开销对比

四、接下来，我们简介贪婪接入控制和相关迭代计算的数学原理基础：

定理1(最大可达到SINR和接入控制准则)：如果激活的网络由链路集合S_k＝{l₁,l₂,…,l_k}构成，其具有一个可行的功率分配方案以达到各自的SINR目标对于一个新的链路l_k+1而言，当且仅当其最大可实现的不小于其目标其可以与集合S_k组合形成一个新的激活的网络，并满足以下条件

这里，

证明：略。

定理2(功率的迭代计算)：k维矢量

和可以分别通过功率更新因子和参考功率描述为：和其中

并且

特别的，对于k＝1我们有简化式以及

证明(概述)：利用分块矩阵结构和 的定义可以立刻导出结果。可以证明

并且

而且，考虑到和我们可以得到结果。

接下来我们再通过一个具体的实施例来说明本发明所公开的一种在通信系统中用于实现功率和接入控制联合优化的方法。

图4示出了一个分布式接入系统的系统示意图。其包括被标示为1、2、…、L的L个链路，它们共享相同的无线信道以传输数据业务。

单元1-l和单元2-l分别表示第l个(l＝1,2,…,L)链路的发射机和接收机。单元1-l希望向单元2-l发送数据信号。发射机具有有限的功率容量。

在现实的应用中，图4所示的链路可以被视为是3G系统的CDMA链路，异构蜂窝系统的微小区链路，类似LTE-U的认知无线系统的初级和次级链路，和D2D系统的D2D链路和蜂窝链路。

图5示出了分布式接入系统的信道配置。数据信道和控制信道分别位于两个不同的(频率、时间或扰码)物理资源块上。它们的功能定义如下：

单元3表示承载数据业务的信道，所有的候选链路都共享该信道。这些链路经该信道传送数据并探测信号。

单元4表示低速率的控制信道，所有链路通过时分、频分、或码分的方式来共享该信道。通过该控制信道，接收机根据图6定义的特定时隙广播并接收功率更新因子的相关信息。(每个链路的发射机可以侦听控制信道以获悉其传输的信息，这并不是强制的。)该控制信道在自组织网络中可以通过无线媒介来实现，或者在基于基础设施的网络中的有线媒介上实现。需要指出的是，对于控制信道，该不同的时隙不仅仅指不同时间间隔，其还可以对应不同的频率或扰码资源。

图6示出了数据信道和控制信道的帧结构。其可以被分为4类

1.探测帧：其占用数据信道，被设计以执行步骤302并根据G_lmP_m获取基本参考功率，以及根据获取功率预算信息。其包括L个时隙，并且对于不同的链路，不同的时隙是互斥的。在时隙l上，只有链路l的发射机被允许发送具有参考功率P_l＝P_constant的探测信号，同时任何接收机可以测量和探测来自该发射机1-l的该探测信号。该探测信号传达了关于其最大传输功率的信息。

2.数据帧：其占用数据信道，其被设计为让允许接入的链路执行步骤309并且发送数据信号。其包括大量的时隙，并且根据业务量的需要，长度是可变的。数据帧k对于允许接入的链路集合S_k是专有的。链路l∈S_k以功率发送其数据信号。它们可以同时传输并且同时满足它们的SINR目标。

3.信令帧0：其占用控制信道，并且被设计为实施步骤302.1。其包括L个时隙并且对于不同的链路不同的时隙是互斥的。在时隙l中，只有链路l的接收机被允许广播功率更新因子δ_l,φ,l的相关信息，同时其他接收机(和发射机)通过聆听来获取该信息。

4.信令帧k(k≠0)：其占用控制信道并且包括2个子帧。

-信令子帧k-1：其被设计用于实施步骤304。其包括个时隙，所有时隙被保留给同一个链路l_k的接收机。在时隙m(m＝1,2,…,L-k)中，该接收机广播功率更新因子的信息，同时其他接收机(和发射机)通过侦听来获取该信息。

-信令子帧k-2：其被设计用于实施步骤306。其包括个时隙，并且不同的时隙被专门保留给不同的接收机。在时隙L-k+m(m＝1,2,…,L-k)中，仅链路的接收机被允许广播功率更新因子的信息，同时其他接收机(和发射机)通过侦听来获取该信息。如果系统实施本发明中简化方法以节省信令的开销，该子帧仅仅包括1个时隙。该时隙被分配给具有最高优先级的接收机以广播功率更新因子的相关信息。

接下来我们介绍实施过程中的自组织过程(Self-Organization Procedure)和帧组合规则(Frame Assembling Rule)。

可以通过组合5种帧来自行组织分布式接入网络。通过合并处理本地信息和广播信息，所有链路可以通过自治的方式来达成一致的接入决定。包括最大可接入链路集合的激活的网络可以通过以下规则来初始：

帧组合规则：当且仅当每个链路已经通过侦测信令帧k获取关于S_k+1和的信息，那么允许发送数据帧k+1。

此处，如图7所示，我们枚举了5种配置方式。

2.配置方式a：数据信道和控制信道以时分的方式共享一个物理信道。探测帧在开始的时候被发送。信令帧和数据帧在时间上以交织的方式排列。在该情况下，信令帧M表示没有新的链路可以被加入，并且网络容纳了最大链路集合S_M。因此，最后持续发送的是数据帧M而不是数据帧M+1。

3.配置方式b：数据信道和控制信道以时分的方式共享一个物理信道。探测帧在开始的时候被发送。信令帧和数据帧在时间以交织的方式排列。在该情况下，信令帧L-1表示新的链路可以被加入，并且网络可以容纳全部的链路，之后跟随数据帧L。

4.配置方式c：数据信道和控制信道被分隔在不同的频率或扰码信道中。探测帧在开始的时候被发送。信令帧和数据帧被在相互分隔的信道中交叉排列。在该情况下，信令帧M表示没有新的链路可以被加入，并且网络仅容纳最大链路集合S_M。因此，最后持续发送的是数据帧M而不是数据帧M+1。

5.配置方式d：数据信道和控制信道被分隔在不同的频率或扰码信道中。探测帧在开始的时候被发送。信令帧和数据帧在相互分隔的信道中交叉排列。在该情况下，信令帧L-1表示新的链路可以被加入，并且网络可以容纳全部的链路，之后跟随数据帧L。

6.配置方式e：数据信道和控制信道以时分的方式共享一个物理信道。探测帧在开始的时候被发送。当且仅当各个链路已经获知没有新的信令帧可以被生成，数据帧被允许发送。在该情况下，信令帧M表示没有新的链路可以被加入，并且网络仅容纳最大链路集合S_M。因此，最后持续发送的是数据帧M而不是数据帧M+1。

7.配置方式f：数据信道和控制信道以时分的方式共享一个物理信道。探测帧在开始的时候被发送。当且仅当各个链路已经获知没有新的信令帧可以被生成，数据帧被允许发送。在该情况下，信令帧L-1表示新的链路可以被加入，并且网络可以容纳全部的链路，之后跟随数据帧L。

在以下的仿真中，我们将对使用了本发明所示的具有链路选择的方法和没有链路选择的简化方法的分布式接入网络的性能，和没有调度的简单系统的性能进行比较。

如图7所示我们模拟了一个无线共存的场景，其中大量的链路试图共享相同的信道。链路随机地设置于100米×50米×20米的建筑内，该建筑具有每层4米的5个楼层。每22米一堵墙。链路长度被定为20米。对于40％的链路，两个设备相隔一层楼，而对于其余的链路，设备在同一层楼中。任何两个节点间的路损基于Keenan-Motley模式具有以下参数：楼层穿透损耗为15dB；墙壁穿透损耗为5dB；载波频率为2.4GHz。对于每个具有10dB标准偏离的信道增益，慢衰弱被模拟为独立对数正态阴影衰落。噪声系数是7dB并且天线增益是每个设备-2.5dB。每个链路的最大传输功率是20dBm。仿真结果是10000次独立实验的平均值。候选链路的总数被分别设为8、16、32、64、128、256和512。对于本发明的简化版本，链路优先级在所有实验中都是随机和独立的。对于非调度的系统，所有链路使用最大传输功率来传输数据信息并且增加相互干扰，而本发明所示的方案选择合格链路的最大可接入集合，所有被选择的链路的工作SINR是20dB。图8比较不同的方法的频谱效率性能随候选链路L数量变化的关系。该仿真结果显示了通过本发明来设定功率的分布式网络可以在频谱效率和有效用户容量上达到显著的增益。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (13)

1.一种在通信系统中用于实现接入和功率控制联合优化的方法，包括步骤：

A.确定链路候选集合以及已选链路集合S_k；

B.从所述链路候选集合中找出初始链路l₁作为已选链路l_k；

C.从所述链路候选集合中删除该已选链路l_k，并把所述已选链路l_k加入到所述已选链路集合S_k中；

D.最后加入到所述已选链路集合S_k中的链路l_k的接收机，针对所述链路候选集合中的各个链路l计算功率更新因子并把该计算后的功率更新因子通过所述通信系统的专用信道向所有链路广播所计算得到的该功率更新因子；

E.当所述已选链路集合S_k在所述链路l_k加入之前不为空集时，所有链路的接收机分别独立计算针对链路候选集合中的每一个链路l的关于所述链路l_k之前的已选链路集合S_k-1中的每一个链路m的功率更新因子

F.所述链路候选集合中的各个链路l的接收机分别预测该链路和所述已选链路集合S_k中的所有链路一起并发传输时所能获得的最大SINR，并确定符合SINR要求的候选链路l，所述符合要求的链路的接收机计算功率更新因子并通过所述专用信道向所有链路广播所计算得到的该功率更新因子；

G.各条链路的接收机分别更新所述链路候选集合并根据最小系统总功率优先的原则，在所述链路候选集合中确定最优链路l_k+1；

H.如果能够找到该最优链路l_k+1并且所述链路候选集合中还剩至少2个链路，则把该最优链路l_k+1作为可选链路l_k，并实施步骤C；

I.最后获得的最优链路l_k+1以及已选链路集合S_k中的链路按所设定的功率值同时实施数据发送。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤A中，所述链路候选集合中包括所有需要被加入到所述通信系统中的链路l，所述已选链路集合S_k为空集。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤B具体包括：

B1.获取链路候选集合中各个链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l；

B2.所述链路候选集合中各个链路l的接收机，根据所述初始功率更新因子δ_l,φ,l，更新所述链路候选集合

B3.从所述链路候选集合中确认具有最小初始功率更新因子的链路作为所述初始链路l₁。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述步骤B1具体包括：

b1.所述链路候选集合中各个链路l的发射机依次以恒定功率P_constant发送探测信号，其中，所述探测信号包括该发射机的最大发射功率值的信息；

b2.由所述链路候选集合中的所有链路j的接收机测量该探测信号的到达功率和噪声功率n_l，并计算该链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l，并在所述专用信道中广播该初始功率更新因子δ_l,φ,l。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述步骤b2中，通过以下公式计算获得所述初始功率更新因子δ_l,φ,l：

其中，β_l是对应于链路l的SINR目标值，G_j,l表示从链路l的发射机到链路j的接收机之间的信道增益。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述步骤B2具体包括：

所述链路候选集合中各个链路l的接收机分别计算各链路的功率比并结合各个链路l的初始功率更新因子δ_l,φ,l，更新所述链路候选集合

7.根据权利要求6所述的方法，其中，

通过以下公式获得功率比

通过以下公式更新所述链路候选集合

8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤D中，所述功率更新因子通过以下公式获得：

其中，

其中，所述p表示功率分配方式。

9.根据权利要求1或8所述的方法，其中，在所述步骤E中所述功率更新因子通过以下公式获得：

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤F具体包括：

所述链路候选集合中的各个链路l的接收机计算：当所述已选链路集合S_k中各链路l满足各自SINR目标的前提下，链路候选集合中的各个链路l和已选链路集合S_k的所有链路同时并发传输时，各个链路l可达到的最大SINR值

当该最大可实现SINR的值不小于对应链路l的SINR最低要求时，计算该对应链路l的功率更新因子并通过通信系统的专用信道向其他链路广播所计算得到的该功率更新因子。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，

根据以下公式计算所述最大可达到的SINR值

其中，

根据以下公式计算所述功率更新因子

其中，G_ll表示从链路l的发射机到链路l的接收机之间的信道增益。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤G具体包括：

G1.各条链路的接收机分别根据是否接收到对应所述链路候选集合中的各个链路l的功率更新因子同时更新所述链路候选集合当没有收到该的信息时从所述链路候选集合中删除相对应的链路l；

G2.各条链路的接收机分别根据以下公式计算针对所述链路候选集合中各个链路l的功率更新因子

G3.通过以下公式寻找最优链路l_k+1，使得该最优链路l_k+1与所述已选链路集合S_k中的链路并发传输所组成网络的功率总和为最小：

13.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤I中，所述链路l所设定的功率值为其中所述链路l满足以下公式l∈S_k∪l_k+1。