CN107425885A - 基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，主要解决现有技术在CoMP系统分簇方案中实现复杂度较高，性能提升有限等问题。其主要步骤为：划分多点协作传输CoMP用户、构建预协作簇、生成偏好列表、上报相关信息、建立稳定联盟、形成协作簇。本发明基于联盟博弈，提出混合动态分簇方法，实现静态分簇技术和动态分簇技术中的增益和复杂度的折中，有效提高了用户吞吐量和资源利用率，低复杂度改善了网络性能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线网络技术领域中的一种基于联盟博弈的多点协作传输CoMP(Coordinated Multiple Points Transmission/Reception)下混合动态分簇方法。本发明根据用户侧收集的邻近基站的发射功率、信道增益、偏好列表和基站侧的重叠度等，基于联盟博弈理论，实现混合动态分簇方法，有效提高用户吞吐量和资源利用率，改善了网络性能。
背景技术
随着移动无线网络的迅猛发展，稀缺的频谱资源与极致的数据业务需求矛盾日益严重。为满足未来无线网络的需求，密集部署异构小基站(Small Base Station,SBS)并采用同频组网结构成为实现5G千倍网络容量的关键技术之一。然而，密集的同频组网和用户位置差异导致更严重的小区间干扰，特别是边缘用户。多点协同传输技术作为一种解决单小区资源调度限制，引入多小区联合调度提升网络整体性能的关键技术，3GPP组织已将其纳入LTE-Advanced标准并在36.819系列中修订完善。
CoMP技术通过小区间的协调或联合调度，进而规避或者利用干扰实现网络性能的提升。目前，下行CoMP技术主要可分为联合传输(Joint Processing)和协作调度或者波束成形(Coordinated Scheduling/Beamforming,CS/CB)。JP技术通过传输节点间交互以共享用户下行数据和信道状态信息，实现原部分强干扰信号的利用；而CS/CB技术通过节点间交互共享信道状态信息，实现小区间时间、频率和空间上资源的协调。
CoMP系统中基站间的协作需要精确的同步、附加的导频开销和复杂的调度和预编码，因此需要高带宽的反馈链路以交互用户数据和CSI信息。随协作基站个数的增加，协作所需要的信令和反馈开销急剧增加，资源分配和预编码实现复杂的也激增，但协作带来的增益却逐步减小。因此，合适规模的协作簇成为性能增益和协作开销折中的关键。CoMP分簇技术主要可以分成三类：静态分簇、半动态分簇和动态分簇。其中动态分簇可以进一步分为网络中心分簇、用户中心成簇和混合动态成簇。尤其是混合动态成簇较好的兼顾网络中心分簇和用户中心成簇的特征，实现了复杂度和性能增益间的折中，并具有自适应性和灵活性。
北京邮电大学在其申请的专利文献“CoMP协作簇、CoMP用户划分方法及频谱资源分配方法”(申请号201310241772.X，申请公开号CN103338519A)中公开一种CoMP协作簇、CoMP用户划分方法及频谱资源分配方法。该方法的具体步骤是：首先，CoMP用户估计在非CoMP和第一协作簇的CoMP通信模式下的信干噪比。其次，CoMP用户判断其信干噪比是否符合第一协作簇或者第二协作簇。最后，用户将划分结果返回给基站，执行协作通信。该方法存在的不足之处是：首先，该方法依据于信干噪比划分CoMP用户，未考虑邻近基站对CoMP用户的协作增益和协作开销的影响。其次，协作簇的规模固定，难以适应网络和信道的变化，尤其当基站间距离较远时，该方法不利于通信量吞吐量的提升和资源的最优调配。
东南大学在其申请的专利文献“一种基于多小区动态成簇的协作通信方法”(申请号201310216139.5，申请公开号CN 103281702A)中公开一种基于多小区动态成簇的协作通信方法。该方法的具体步骤是：第一步，建立基站列表和测量小区间相互干扰的矩阵。第二步，选择当前簇的引导基站；更新候选基站列表和已选基站列表。第三步，选择一个对当前簇的引导基站干扰最大的小区基站加入当前簇，更新候选基站列表和已选基站列表。第四步，返回第三步，直至当前簇中的基站数目等于所设定的簇大小。第五步，进行下一个簇的基站选择，直至最近一次更新后的候选基站列表为空集。第六步，系统内所有基站按照第五步建立的所有簇的已选基站列表，进行协作通信。该方法存在的不足之处是：该方法未考虑协作对复杂性的影响，当基站服务的协作用户多时，基站参与多个协作簇，导致协作过程复杂，难以管理。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“在CoMP下的小区协作集的选择方法”(申请号201010285429.1，申请公开号CN 101951307A)中公开一种在CoMP下的小区协作集的选择方法。该方法的具体步骤是：第一步，计算小区内所有用户的信干噪比，根据信干噪比门限筛选需要进行CoMP的用户集合。第二步，根据比例公平算法挑选需要被服务的CoMP用户。第三步，根据用户在服务小区内的位置选择候选协作集。第四步，根据用户的参考信号接收功率确定用户的类型。第五步，根据用户的参考类型选择不同的协作集。该方法存在的不足之处是：该方法在用户类型为CoMP-MU时，算法采用贪婪算法选取小区协作簇的计算量大、复杂度高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法。
实现本发明目的的思路是，本发明基于联盟博弈理论，在信道增益和偏好列表的基础上引入基站重叠度，保证复杂性可管理的情况下，有效提高用户的吞吐量和资源利用率，改善了网络性能。
为了实现上述目的，本发明的具体步骤包括如下：
(1)划分多点协作传输CoMP用户：
(1a)利用信干噪比公式，分别计算非多点协作传输CoMP模式下每个蜂窝用户的信干噪比；
(1b)将满足多点协作传输CoMP用户条件时的蜂窝用户，作为多点协作传输CoMP用户；
(2)构建预协作簇：
将满足预协作簇条件的邻近基站，组成多点协作传输CoMP用户的预协作基站集合；
(3)生成偏好列表：
将预协作基站集合按照信道增益递减的顺序生成偏好列表；
(4)上报相关信息：
分别将多点协作传输CoMP用户信干噪比公式中的邻近基站的发射功率、信道增益、偏好列表通过反馈信道上报给多点协作传输CoMP用户的服务基站；
(5)建立稳定联盟：
(5a)将每个基站设定为单个联盟，并将每个基站的重叠度设定为1；
(5b)利用联盟效用公式，计算单个联盟效用；
(5c)每一个基站从偏好列表的顶端开始，依照信道增益由大到小的顺序找出与其对应的预协作基站，组成一个联盟；
(5d)判断联盟内多点协作传输CoMP用户条件中的预设门限值和功率系数是否同时趋近于1，若是，则执行步骤(5e)；否则，执行步骤(5f)；
(5e)利用联盟近似效用公式，计算合并后的联盟效用；
(5f)利用联盟效用公式，计算合并后的联盟效用；
(5g)判断合并后的联盟是否满足协作条件，若是，则执行步骤(5h)；否则，取消合并联盟，执行步骤(5c)；
(5h)将合并后联盟内基站的重叠度值加1后，判断所有合并联盟是否满足终止条件，若是，则执行步骤(6)；否则，执行步骤(5c)；
(6)形成协作簇：
每一个基站通过其X2接口，将其对应最终合并联盟反馈给协作基站，形成为多点协作传输CoMP用户传输的协作簇。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明根据蜂窝用户的信干噪比和接收信号的功率水平，划分多点协作传输用户，克服现有技术未考虑邻近基站对CoMP用户的协作增益和协作开销的影响的不足，使得本发明有效提高用户的传输速率，改善网络性能。
第二，本发明采用相对信道增益的方式，结合联盟博弈理论动态选择协作基站，克服了现有技术中协作簇的规模固定，难以适应网络和信道的变化的不足，使得本发明有效实现协作增益的最大化。
第三，本发明根据多点协作用户反馈的发射功率、信道增益和偏好列表计算的联盟效用，结合基站重叠度，判断联盟是否合并形成稳定联盟，克服了现有技术中未考虑协作对复杂性影响的不足，使得本发明在保证复杂性可管理的情况下，实现最优的分簇方案。
第四，本发明通过等差近似的方式将联盟效用公式简化，以估计合并后的联盟效用，克服了现有技术中采用贪婪算法选取小区协作簇计算量大、复杂度高的不足，使得本发明有效降低了反馈的数据，减少了计算量。
第五，本发明根据用户反馈的信道增益和偏好列表以及基站侧的重叠度等信息，实现混合动态分簇，克服了现有技术中采用贪婪算法选取小区协作簇计算量大、复杂度高的不足，使得本发明实现静态分簇技术和动态分簇技术中的增益和复杂度的折中，有效降低计算复杂度，改善网络性能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例基于LTE-A网络场景示意图；
图3为本发明建立稳定联盟步骤的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
参照附图1，对本发明的具体步骤描述如下：
本发明的应用场景为LTE-A网络，网络中主要考虑多小区多用户MIMO的下行信号传输，基站间的频率复用因子为1。LTE-A网络的场景示意图参照附图2。图2包含十个基站和十个用户，图中的实线是基站发射到其对应的蜂窝用户的有用信号，图中的虚线是邻近基站发射到蜂窝用户的干扰信号，例如用户1接收到邻近的基站2、基站3和基站4发射的严重干扰信号，用户2、用户3和用户4也分别接收到其邻近的基站严重干扰信号，因此，基站1、基站2、基站3和基站4在满足条件的情况下，可以协作进行传输避免干扰，基站5、基站6和基站7以及基站9和基站10与其对应的用户的情形类似。需要说明的是本发明不局限于当前示意图中的LTE-A网络和基站以及用户的数量，随基站数量的增加，图2中的用户接收的干扰亦会随之严重。
步骤1，划分多点协作传输CoMP用户。
利用下式，分别计算非多点协作传输CoMP模式下每个蜂窝用户的信干噪比：
其中，表示第i个蜂窝用户在非多点协作传输CoMP模式下的信干噪比，i∈ΩI，∈表示属于符号，ΩI表示所有蜂窝用户的集合，Pm表示第m个基站发射的信号功率，m表示第i个蜂窝用户的服务基站，gim表示第m个基站到第i个蜂窝用户的信道增益，∑表示求和操作，n∈M\m表示属于基站集合M但不属于基站m的其它基站，\表示差集符号，M表示所有基站的集合，Pn表示第n个基站发射的信号功率，gin表示第n个基站到第i个蜂窝用户的信道增益，σ2表示高斯白噪声；
将满足下式的蜂窝用户，作为多点协作传输CoMP用户：
且Pngin≥βPmgim
其中，γth表示依据接收机解码要求设置的信干噪比阈值，β表示依据于基站间协作开销设置的接收功率系数，β∈[0,1]。
步骤2，构建预协作簇。
将满足下式的所有基站，组成多点协作传输CoMP用户的预协作基站集合：
其中，gkm表示第n个基站到第k个多点协作传输CoMP用户的信道增益，k∈K，K表示所有多点协作传输CoMP用户的集合，max表示取最大值操作，gkn'表示第n'个基站到第k个多点协作传输CoMP用户的信道增益，α表示依据多点协作传输CoMP用户的服务质量需求而设置的门限值，α∈[0,1]。
步骤3，生成偏好列表。
将预协作基站集合按照信道增益递减的顺序生成偏好列表；
步骤4，上报相关信息。
分别将多点协作传输CoMP用户信干噪比公式中的邻近基站的发射功率、信道增益、偏好列表通过反馈信道上报给多点协作传输CoMP用户的服务基站；
步骤5，建立稳定联盟。
参照附图3，本步骤具体实施过程如下：
第1步，将每个基站设定为单个联盟，并将每个基站的重叠度设定为1。
第2步，利用下式，计算单个联盟效用：
其中，u(Ck)表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟Ck的效用值，表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟Ck内的多点协作传输CoMP用户集合，ωk表示第k个多点协作传输CoMP依据于用户业务类型的服务质量需求设置用户的优先权重，Bk表示第k个多点协作传输CoMP用户的用户带宽，log2表示以2为底的指数操作，表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟的协作基站集合，表示属于基站集合M但不属于协作基站集合中基站的其它基站。
第3步，每一个基站从偏好列表的顶端开始，依照信道增益由大到小的顺序找出与其对应的预协作基站，组成一个联盟。
第4步，判断联盟内多点协作传输CoMP用户条件中的预设门限值和功率系数是否同时趋近于1，若是，则执行第5步；否则，执行第6步。
第5步，利用下式，计算合并后的联盟效用：
其中，表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟Ck的效用近似值，表示第k个多点协作传输用户的最大信道增益，|Ck|表示第k个多点协作传输用户所在联盟内的基站数量。
第6步，利用下式，计算合并后的联盟效用：
其中，u(Ck)表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟Ck的效用值，表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟Ck内的多点协作传输CoMP用户集合，ωk表示第k个多点协作传输CoMP依据于用户业务类型的服务质量需求设置用户的优先权重，Bk表示第k个多点协作传输CoMP用户的用户带宽，log2表示以2为底的指数操作，表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟的协作基站集合，表示属于基站集合M但不属于协作基站集合中基站的其它基站。
第7步，判断合并后的联盟是否同时满足如下条件，若是，则执行第8步；否则，取消合并联盟，执行第3步。
条件1，合并后的联盟效用大于合并联盟内基站所在联盟效用之和。
条件2，联盟内基站重叠度加1的值小于依据基站协作开销设置重叠度阈值。
第8步，将合并后联盟内基站的重叠度值加1后，判断所有合并联盟是否满足如下条件之一，若是，则执行步骤6；否则，执行第3步。
条件1，所有联盟都无法继续合并增加联盟效用值。
条件2，将合并联盟内基站重叠度的值加1后，全部基站的重叠度大于重叠度阈值。
步骤6，形成协作簇。
全部协作基站通过X2接口将形成联盟反馈给协作的基站，形成协作簇，实施协作传输。
Claims (9)
1.一种基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，包括如下步骤：
(1)划分多点协作传输CoMP用户：
(1a)利用信干噪比公式，分别计算非多点协作传输CoMP模式下每个蜂窝用户的信干噪比；
(1b)将满足多点协作传输CoMP用户条件时的蜂窝用户，作为多点协作传输CoMP用户；
(2)构建预协作簇：
将满足预协作簇条件的邻近基站，组成多点协作传输CoMP用户的预协作基站集合；
(3)生成偏好列表：
将预协作基站集合按照信道增益递减的顺序生成偏好列表；
(4)上报相关信息：
分别将多点协作传输CoMP用户信干噪比公式中的邻近基站的发射功率、信道增益、偏好列表通过反馈信道上报给多点协作传输CoMP用户的服务基站；
(5)建立稳定联盟：
(5a)将每个基站设定为单个联盟，并将每个基站的重叠度设定为1；
(5b)利用联盟效用公式，计算单个联盟效用；
(5c)每一个基站从偏好列表的顶端开始，依照信道增益由大到小的顺序找出与其对应的预协作基站，组成一个联盟；
(5d)判断联盟内多点协作传输CoMP用户条件中的预设门限值和功率系数是否同时趋近于1，若是，则执行步骤(5e)；否则，执行步骤(5f)；
(5e)利用联盟近似效用公式，计算合并后的联盟效用；
(5f)利用联盟效用公式，计算合并后的联盟效用；
(5g)判断合并后的联盟是否满足协作条件，若是，则执行步骤(5h)；否则，取消合并联盟，执行步骤(5c)；
(5h)将合并后联盟内基站的重叠度值加1后，判断所有合并联盟是否满足终止条件，若是，则执行步骤(6)；否则，执行步骤(5c)；
(6)形成协作簇：
每一个基站通过其X2接口，将其对应最终合并联盟反馈给协作基站，形成为多点协作传输CoMP用户传输的协作簇。
2.根据权利要求1所述的基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，其特征在于，步骤(1a)中所述的信干噪比公式如下：
<mrow>
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<mi>&gamma;</mi>
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</mrow>
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</mrow>
其中，表示第i个蜂窝用户在非多点协作传输CoMP模式下的信干噪比，i∈ΩI，∈表示属于符号，ΩI表示所有蜂窝用户的集合，Pm表示第m个基站发射的信号功率，m表示第i个蜂窝用户的服务基站，gim表示第m个基站到第i个蜂窝用户的信道增益，∑表示求和操作，n∈M\m表示属于基站集合M但不属于基站m的其它基站，\表示差集符号，M表示所有基站的集合，Pn表示第n个基站发射的信号功率，gin表示第n个基站到第i个蜂窝用户的信道增益，σ2表示高斯白噪声。
3.根据权利要求1所述的基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，其特征在于，步骤(1b)中所述的多点协作传输CoMP用户条件如下：
且Pngin≥βPmgim
其中，γth表示依据接收机解码要求设置的信干噪比阈值，β表示依据于基站间协作开销设置的接收功率系数，β∈[0,1]。
4.根据权利要求1所述的基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，其特征在于，步骤(2)中所述的预协作簇条件如下：
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<mi>g</mi>
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</mrow>
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<mo>&GreaterEqual;</mo>
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</mrow>
其中，gkm表示第n个基站到第k个多点协作传输CoMP用户的信道增益，k∈K，K表示所有多点协作传输CoMP用户的集合，max表示取最大值操作，gkn'表示第n'个基站到第k个多点协作传输CoMP用户的信道增益，α表示依据多点协作传输CoMP用户的服务质量需求而设置的门限值，α∈[0,1]。
5.根据权利要求1所述的基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，其特征在于，步骤(5a)中所述的基站的重叠度是指协作基站参与联盟的数量。
6.根据权利要求1所述的基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，其特征在于，步骤(5b)、步骤(5f)中所述的联盟效用公式如下：
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<mi>u</mi>
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</mrow>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，u(Ck)表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟Ck的效用值，表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟Ck内的多点协作传输CoMP用户集合，ωk表示第k个多点协作传输CoMP依据于用户业务类型的服务质量需求设置用户的优先权重，Bk表示第k个多点协作传输CoMP用户的用户带宽，log2表示以2为底的指数操作，表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟的协作基站集合，表示属于基站集合M但不属于协作基站集合中基站的其它基站。
7.根据权利要求1所述的基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，其特征在于，步骤(5e)中所述的联盟效用近似公式如下：
<mrow>
<mover>
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其中，表示第k个多点协作传输CoMP用户所在联盟Ck的效用近似值，表示第k个多点协作传输用户的最大信道增益，|Ck|表示第k个多点协作传输用户所在联盟内的基站数量。
8.根据权利要求1所述的基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，其特征在于，步骤(5g)中所述的协作条件是指同时满足下述条件的情形：
条件1，合并后的联盟效用大于合并联盟内基站所在联盟的效用之和；
条件2，联盟内基站重叠度加1后的值小于依据基站协作开销设置重叠度阈值。
9.根据权利要求1所述的基于联盟博弈的CoMP下混合动态分簇方法，其特征在于，步骤(5h)中所述的终止条件是指满足下述条件之一的情形：
条件1，所有联盟都无法继续合并；
条件2，全部基站的重叠度大于或等于重叠度阈值。
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