CN110337129B - 一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法,包括:建立层次化的异构蜂窝网络模型,将异构蜂窝网络划分为宏基站层、家庭基站层和用户层三层;小区选择过程,每个用户选择最大数据传输率的家庭基站接入,小区选择完成之后每个家庭基站获得需要服务的用户范围;子信道分配过程,依据每个用户的理想业务需求降序排列构建用户索引;功率分配过程,保证通信质量的前提下最小化功率消耗。本发明优化了家庭基站用户的小区选择机制,有效提升了家庭基站用户及系统的吞吐量。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,更具体的说是涉及一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法。
背景技术
随着蜂窝网络的发展和小区分裂的不断推进,无线发射站点越来越密集。尽管如此,越来越多智能终端的使用,以及预测中的各种物联网应用的蓬勃发展,目前的密集站点仍旧不能满足业务的需求。尤其是,大视频等新型的移动宽带业务对容量的需求庞大,在一些特殊场景下,甚至达到Tbps/km2的量级。超密集网络(UDN)下的移动通信研究需求应运而生,该场景下的技术解决方案几乎成为第五代移动通信的最核心的技术需求之一。
超密集异构蜂窝网络即在现有宏基站覆盖区域内,密集部署多种类型的低功率基站,极度复用有限的频带资源,可以极大地提高频谱利用率和扩大网络容量。
同时超密集组网也有效缩短了用户与接入节点间的距离,改善通信服务质量。区别于传统的扁平化的网络结构,超密集组网将带来宏基站、家庭基站及蜂窝用户共存的异构蜂窝网络。在此场景下,用户需求多样化、不同类型的节点共存,导致网络环境更加复杂,传统的接入机制不再适用,资源分配效率较低。
因此,如何提供一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法,优化了家庭基站用户的小区选择机制,有效提升了家庭基站用户及系统的吞吐量。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法,包括:
建立层次化的异构蜂窝网络模型,将异构蜂窝网络划分为宏基站层、家庭基站层和用户层三层;
小区选择过程,每个用户选择最大数据传输率的家庭基站接入,小区选择完成之后每个家庭基站获得需要服务的用户范围;
子信道分配过程,依据每个用户的理想业务需求降序排列构建用户索引;
功率分配过程,保证通信质量的前提下最小化功率消耗。
优选的,一个宏基站覆盖范围内存在多个家庭基站,每个家庭基站区域内存在多个用户,且多个用户服从PPP分布模型,每个用户都可以依据其自身的业务需求占用一个或多个子信道,并且不同用户的子信道之间相互正交。
优选的,所述宏基站与所述家庭基站间设置有中央控制器,所述宏基站和所述家庭基站均通过高速链路接入所述中央处理器。
其中,W是信道宽带,S是信道内所传信号的平均功率,Nnoise是信道内部的高斯噪声功率,B是每个子信道宽带,F是该区域内家庭基站集合,N是子信道集合,代表由家庭基站f提供服务、占用子信道n的用户uf的信干比,是基站f在子信道n上服务的用户uf的发射功率,是在子信道n上由基站f服务的用户uf的信道增益,N0是频谱密度为-174dBm/Hz的零均值加性高斯白噪声。
优选的,子信道分配过程包括基于用户公平性的分配和基于最大化用户需求的分配两部分;基于用户公平性的分配是,按照用户索引顺序将当前待分配子信道集中的最优信道分配给用户;基于最大化用户需求的分配是,在完成基于用户公平性的子信道分配之后,按照用户索引顺序,为用户分配信道直至用户达到理性传输需求或者频带资源。
优选的,完成基于用户公平性的分配过程之后,从理想传输所需子信道数最多的用户开始,按照子信道分配准则为该用户分配信道直至用户达到理性传输需求或者频带资源为止,之后按照索引表开始下一个用户的子信道分配或者完成该基站资源分配过程。
优选的,功率分配过程是构造效用函数求一阶偏导数,当U(uf)一阶偏导数为零时得到的迭代公式,经过一系列迭代之后即可得到最终的功率平衡;其中,是用户uf的总传输速率,是用户uf的发送功率,α是资源分配算法中的数据速率权重因子,β是资源分配算法中的功率权重因子,可以针对不同的通信环境以及业务类型的差异设置α和β,从而实现通信环境多样化前提下资源的合理分配。
本发明的有益效果在于:
本发明优化了家庭基站用户的小区选择机制,有效提升了家庭基站用户及系统的吞吐量;在兼顾不同用户各异的业务需求的基础上优化了频谱分配策略,有效提高了频带利用率;优化了家庭基站用户的功率分配策略,得到了最优发送功率;在降低家庭基站用户功率、提高频带利用率的同时有效提高了家庭基站用户及整个系统的吞吐量,更符合绿色通信的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1,本发明提供了一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法,包括:
建立层次化的异构蜂窝网络模型,将异构蜂窝网络划分为宏基站层、家庭基站层和用户层三层;
小区选择过程,每个用户选择最大数据传输率的家庭基站接入,小区选择完成之后每个家庭基站获得需要服务的用户范围;
子信道分配过程,依据每个用户的理想业务需求降序排列构建用户索引;
功率分配过程,保证通信质量的前提下最小化功率消耗。
建立层次化的异构蜂窝网络模型中,一个宏基站覆盖范围内存在F个家庭基站,在宏基站与家庭基站之间存在一个中央控制器,基站通过高速链路接入中央控制器。宏基站与家庭基站占用不同的频带资源,宏基站与家庭基站间的干扰微弱,每个家庭基站有n个子信道,每个子信道带宽为B。该区域内存在L个用户,服从PPP分布模型,每个用户都可以依据其自身的业务需求占用一个或多个子信道,并且不同用户的子信道之间相互正交。
在另一种实施例中,设定以一500m×500m的方形为建模区域,宏基站部署在该区域中心,100个家庭基站随即部署在该区域内,家庭基站覆盖半径为50m。每个家庭基站有40个子信道,每个子信道带宽为180KHz。该区域内用户数由100增加到300,服从PPP分布模型,每个用户都可以依据其自身的业务需求占用一个或多个子信道,并且不同用户的子信道之间相互正交。
其中,W是信道宽带,S是信道内所传信号的平均功率,Nnoise是信道内部的高斯噪声功率,B是每个子信道宽带,F是该区域内家庭基站集合,N是子信道集合,代表由家庭基站f提供服务、占用子信道n的用户uf的信干比,是基站f在子信道n上服务的用户uf的发射功率,是在子信道n上由基站f服务的用户uf的信道增益,N0是频谱密度为-174dBm/Hz的零均值加性高斯白噪声。
子信道分配过程包括基于用户公平性的分配和基于最大化用户需求的分配两部分;基于用户公平性的分配是,按照用户索引顺序将当前待分配子信道集中的最优信道分配给用户;基于最大化用户需求的分配是,在完成基于用户公平性的子信道分配之后,按照用户索引顺序,为用户分配信道直至用户达到理性传输需求或者频带资源。
子信道分配过程是在考虑满足用户不同业务需求的基础上最大化频带利用率的频谱资源分配过程。完成小区选择之后,每个家庭基站提供服务的用户集Φf也随之确定,依据用户uf的理想传输速率降序排列构建用户索引,并计算每个用户达到理想传输所需子信道数表达式如下:
在另一种实施例中,基于用户公平性的分配
基于用户公平性的分配即为每一个用户分配一个子信道。用户索引建立之后,依据索引顺序遍历用户集,将当前待分配子信道集中的最优子信道分配给索引指向的用户,并将已分配的信道从待分配子信道集中移除。子信道选择遵循如下准则:
其中,Ψ是当前待分配子信道集,m1表示当前子信道集中的最优子信道。
在另一种实施例中,基于最大化用户需求的分配
基于最大化用户需求的分配即在子信道分配过程中尽可能的满足用户的理想传输需求。在完成基于用户公平性的分配过程之后,从理想传输需求最高的用户开始(即从索引表起始指向的用户开始),按照子信道分配准则(公式(5))为该用户分配信道直至达到用户理想传输时所需子信道数或者频带资源告罄,之后按照索引表开始下一个用户的子信道分配或者完成该基站频谱资源分配过程。
功率分配过程即在保证通信质量的前提下最小化功率消耗。构造的功率分配效用函数表达式如下:
结合子信道分配情况可以得到更具体的效用函数表达式为:
依据子信道分配过程完成频谱资源分配之后,即可进入求解功率最优分配部分,确定初始资源占用状态并设定最大迭代次数,根据上述迭代表达式,完成一系列迭代之后,即可得到最优发送功率。
本发明优化了家庭基站用户的小区选择机制,有效提升了家庭基站用户及系统的吞吐量;在兼顾不同用户各异的业务需求的基础上优化了频谱分配策略,有效提高了频带利用率;优化了家庭基站用户的功率分配策略,得到了最优发送功率;在降低家庭基站用户功率、提高频带利用率的同时有效提高了家庭基站用户及整个系统的吞吐量,更符合绿色通信的要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法,其特征在于,包括:
建立层次化的异构蜂窝网络模型,将异构蜂窝网络划分为宏基站层、家庭基站层和用户层三层;
小区选择过程,每个用户选择最大数据传输率的家庭基站接入,小区选择完成之后每个家庭基站获得需要服务的用户范围;
子信道分配过程,依据每个用户的理想业务需求降序排列构建用户索引;
功率分配过程,保证通信质量的前提下最小化功率消耗;
子信道分配过程包括基于用户公平性的分配和基于最大化用户需求的分配两部分;基于用户公平性的分配是,按照用户索引顺序将当前待分配子信道集中的最优信道分配给用户;基于最大化用户需求的分配是,在完成基于用户公平性的子信道分配之后,按照用户索引顺序,为用户分配信道直至达到用户理想传输时所需子信道数或者直到频带资源告罄;
完成基于用户公平性的分配过程之后,从理想传输所需子信道数最多的用户开始,按照子信道分配准则为该用户分配信道直至达到用户理想传输时所需子信道数或者直到频带资源告罄,之后按照索引表开始下一个用户的子信道分配或者完成该基站资源分配过程。
2.根据权利要求1所述的一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法,其特征在于,一个宏基站覆盖范围内存在多个家庭基站,每个家庭基站区域内存在多个用户,且多个用户服从PPP分布模型,每个用户都可以依据其自身的业务需求占用一个或多个子信道,并且不同用户的子信道之间相互正交。
3.根据权利要求2所述的一种异构蜂窝网络中的分层资源分配方法,其特征在于,所述宏基站与所述家庭基站间设置有中央控制器,所述宏基站和所述家庭基站均通过高速链路接入所述中央处理器。
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