CN112616180A - 一种协调5g超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，属于通信技术领域。该方法包括：基于距离进行小区用户划分；根据所述小区用户划分，确定信道分配方案，减少用户接收到的干扰；根据所述信道分配方案，确定功率调整方案，保证通信质量的前提下最小化功率消耗，本发明的小区用户根据其到目标基站的距离与受约束的预定义距离常数之间的大小关系进行划分；基于已划分好的用户类型，联合减少用户的小区间同频干扰并节约能耗以实现合理的分布式信道分配和功率调整方案。

Description

一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法。

背景技术

为了解决无线网络容量需求的不断增长，给5G用户提供更快的下载速度和更好的网络质量体验，超密集网络(Ultra-dense Network,UDN)技术是一项很有前途的技术。UND技术的基本思想是在宏蜂窝覆盖范围内部署大量低发射功率的小基站以减小用户与基站之间的距离来提高网络的容量，增加用户接入网络的速率。

UDN技术提高了网络的整体性能，但小基站的超密集部署减小了基站的覆盖范围使得相邻小区重叠覆盖，让处于多个小区重叠覆盖区域的大量用户受到严重的小区间同频干扰(Inter-cell interference coordination,ICIC)。现有研究中有两种常用的技术被用来减少用户的小区间干扰问题，即增强型小区间干扰协调技术(Enhanced Inter-cellinterference coordination,eICIC)，后续升级为进一步增强型小区间干扰协调(Furtherenhanced inter-cell interference coordination,FeICIC)和协作多点传输技术(Coordinated multipoint,CoMP)。eICIC技术的核心思想是：通过使用几乎空白子帧(Almost blank subframes,ABS)来进行小区范围扩展(Cell range expansion,CRE)，从而协调ICIC。CoMP的核心思想是：通过多个基站协作为同一用户服务来减少小区间干扰。小区间干扰问题会继续随着无线用户的增加而变得更加复杂和难以消除，目前仍然是无线通信领域的研究难点和热点之一。而且，小基站不能预先进行部署和网络规划，其发射功率虽然较低，但随着部署数量的持续增多，其能量消耗问题不容忽视。因此，研究超密集网络的小区间干扰技术和功率调整方案很有必要。通过有效地设计基站的功率调整方案并减少用户的同频干扰，不仅能提高整个网络的性能，还可以降低收发信号的能耗。

然而，传统的集中功率控制方法没有考虑到基站之间的相互独立性，且在超密集网络中，当用户通信量很大时，集中控制可能会由于拥塞而影响用户体验，同时也会带来很大的信令开销。现有大部分研究中，将基站和用户位置建模为泊松点过程(Poisson pointprocess,PPP)，基于用户选择最近基站接入的基站选择策略，且不考虑噪声的影响，在研究如何减少用户的小区间干扰时，没有考虑到由于基站的密集化，用户受到的干扰主要来自其第二近基站，而是考虑如何减少除了目标基站外的其他所有基站对用户的干扰。从空间统计平均的角度进行分析，距离用户第二近的基站是用户的主要干扰源，而其他基站距离用户相较于第二近基站较远，对用户的干扰也不是那么强烈。如果能够减少或消除用户的第二近基站带来的干扰，则能够大幅度地提高用户接收信号的信号干扰比值(Signal-to-interference ratio,SIR)。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：基于距离进行小区用户划分；

S2：根据小区用户划分，确定信道分配方案，减少用户接收到的干扰；

S3：根据信道分配方案，确定功率调整方案，保证通信质量的前提下最小化功率消耗。

可选的，所述S1具体为：处于相邻小区交叉位置的用户接入最近基站进行DL通信时，受到第二近基站的干扰，用户和基站分别服从空间密度为λ_u和λ_s的泊松点过程分布，所有基站复用相同的频谱资源，每个基站提供N_c个在频域正交的子信道；

根据目标基站到所述请求通信用户u的距离R与预定义距离常数D之间的大小关系，将所述请求通信的用户划分为内部用户或边缘用户；

所述预定义距离常数D的约束条件为小区边缘用户数＜N_c/2，引入任意一个子信道处于活动状态的概率后求解D的约束表达式，其中目标基站是距离用户最近的基站，距离用户最近为欧式距离。

可选的，所述预定义距离常数D的约束条件为：小区边缘用户数＜N_c/2，引入任意一个子信道处于活动状态的概率后求解D的约束表达式，具体包括：所述预定义距离常数D的约束条件为

通过引入任意一个子信道处于活动状态的概率

考虑网络处于满载和部分负载，也就是p_a≤1的情况，得到预定义距离常数D的约束表达式为：

其中

表示小区内的平均用户数，λ_uπD²表示小区的内部用户数。

可选的，所述根据目标基站到所述请求通信用户u的距离R与预定义距离常数D之间的大小关系，将所述请求通信的用户划分为内部用户或边缘用户具体为：当R＜D时，请求通信的用户u为内部用户；否则，请求通信的用户u为边缘用户。

可选的，所述根据小区用户划分，确定信道分配方案，减少用户接收到的干扰包括：若请求通信的用户u是内部用户，目标基站根据内部用户的信道分配策略进行信道分配；否则，目标基站根据边缘用户的信道分配策略进行信道分配。

可选的，所述信道分配策略包括：同一时刻，每个子信道最多服务一个用户且每个用户最多被一个子信道服务，子信道的分配遵循随机分配原则；用N_i,a表示第i个小基站当前剩余的有效子信道数量，用C_i,j表示第i个小基站的第j个子信道的占用标记，用CF_se,j∈{CF_i,j}表示用户第二近小基站的第j个子信道的占用标记；用CF_se,j＝0表示子信道空闲；用CF_se,j＝1表示子信道空闲，只分配给内部用户；用CF_se,j＝2表示子信道已经分配给内部用户；用CF_se,j＝3表示子信道已经分配给边缘用户。

可选的，所述目标基站根据内部用户的信道分配策略进行信道分配满足CF_i,j＝{0,1}，分配给边缘用户的子信道满足CF_i,j＝0。

可选的，所述若请求通信的用户u是内部用户，目标基站根据内部用户的信道分配策略进行信道分配；否则，目标基站根据边缘用户的信道分配策略进行信道分配具体为：

若请求通信的用户是内部用户，则目标基站随机选择一个满足CF_i,j＝{0,1}的空闲子信道B_j分配给内部用户，并标记子信道B_j已经被内部用户占用；若请求通信的用户是边缘用户且目标基站选择的空闲子信道为B_j，也就是满足CF_i,j＝0的子信道B_j，则对于该边缘用户的第二近基站的同一子信道B_j，需要尽可能地分配给内部用户；也就是当边缘用户的第二近基站的子信道B_j空闲时，标记该子信道B_j只能分配给内部用户，即CF_se,j＝1，且目标基站将子信道B_j分配给边缘用户；若边缘用户第二近基站的子信道B_j已经分配给了边缘用户，即CF_se,j＝3时，则目标基站需要重新选择其他空闲子信道即CF_i,j＝0的子信道，并尽可能避免边缘用户选择的子信道和其第二近基站边缘用户选择的子信道冲突，除非目标基站已经没有其他空闲子信道可分配给边缘用户，即N_i,a＝1且CF_se,j＝3时，才考虑把子信道B_j分配给边缘用户；当目标基站为小区内所有请求通信的用户分配完成子信道后，将没有用户需要服务的子信道关闭。

可选的，所述根据信道分配方案，确定功率调整方案，保证通信质量的前提下最小化功率消耗具体为：当任意目标基站i的随机空闲信道B_j，即满足CF_i,j＝{0,1}分配给内部用户时，目标基站i在信道B_j上的发射功率为

否则，当B_j分配给边缘用户，即满足CF_i,j＝0或N_i,a＝1且CF_se,j＝3时，目标基站i在信道B_j上的发射功率为

其中，η表示功率调整因子，0＜η＜1，T_s表示基站在整个有效带宽上的最大发射功率。

本发明的有益效果在于：本发明通过对用户进行划分，尽可能避免边缘用户选择的子信道和其第二近基站边缘用户选择的子信道冲突，并调整基站对内部用户的发射功率，且将没有用户需要服务的子信道关闭可以减少超密集网络干扰和节约能耗。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明是基于如图1所示的基于功率控制的分布式联合资源分配模型实现的，为了便于描述，假设附图是从超密集网络中随机选取的部分场景，基站和用户分别服从空间密度为λ_s和λ_u的PPP分布，所有基站复用相同的频谱资源，每个基站提供N_c个在频域正交的子信道，其中s₀和s₁表示基站，u₀和u_t表示小区用户；红色实线表示有用信号，红色虚线表示干扰信号。

本发明的一种协调5G超密集网络干扰的具有功率调整的分布式联合资源分配方法，包括：

S1、基于距离进行小区用户划分；

S2、根据所述小区用户划分，确定信道分配方案，减少用户接收到的干扰；

S3、根据所述信道分配方案，确定功率调整方案，保证通信质量的前提下最小化功率消耗。

进一步的，所述基于距离进行小区用户划分具体包括：由于基站的密集性，请求通信的用户，特别是处于相邻小区交叉位置的用户接入最近基站进行DL通信时，主要受到其第二近基站的干扰；根据目标基站到所述请求通信用户的距离R与预定义距离常数D之间的大小关系，将所述请求通信的用户划分为内部用户或边缘用户；所述预定义距离常数D的约束条件为小区边缘用户数＜N_c/2，引入任意一个子信道处于活动状态的概率后求解D的约束表达式，其中目标基站是距离用户最近(欧式距离)的基站；用户u₀的目标基站是s_o，用户u_t的目标基站是s₂。

进一步，本发明预定义距离常数D的约束条件为

用

表示小区内的平均用户数，用λ_uπD²表示小区的内部用户数，用

表示任意一个子信道处于活动状态的概率。

进一步，预定义距离常数D为：

进一步的，将请求通信的用户划分为内部用户或边缘用户包括：当R＜D时，请求通信的用户为内部用户；否则，请求通信的用户为边缘用户；由于用户u₀到目标基站s_o的距离R满足R＞D，用户u₀是边缘用户，而用户u_t到目标基站s₂的距离R_t满足R_t＜D，用户u_t是内部用户。

优选地，本发明对每个需要通信的用户都要进行用户划分，分为边缘用户和内部用户两个集合。

进一步，根据小区用户的划分，确定信道分配方案，减少用户接收到的干扰的方法包括：若请求通信的用户是内部用户，目标基站根据内部用户的信道分配策略进行信道分配；否则，目标基站根据边缘用户的信道分配策略进行信道分配；基站s_o按照边缘用户信道分配方案给边缘用户u₀分配信道，而基站s₂根据内部用户信道分配方案给内部用户u_t分配信道，以减少用户通信时受到小区间同频干扰。

进一步的，信道分配策略包括：同一时刻，每个子信道最多服务一个用户且每个用户最多被一个子信道服务，子信道的分配遵循随机分配原则；用N_i,a表示第i个小基站当前剩余的有效子信道数量，用C_i,j表示第i个小基站的第j个子信道的占用标记，特别地，用CF_se,j∈{CF_i,j}表示用户第二近小基站的第j个子信道的占用标记；用CF_se,j＝0表示子信道空闲；用CF_se,j＝1表示子信道空闲，但只能分配给内部用户；用CF_se,j＝2表示子信道已经分配给内部用户；用CF_se,j＝3表示子信道已经分配给边缘用户。

本发明的目标基站分配给内部用户的子信道满足CF_i,j＝{0,1}，分配给边缘用户的子信道满足CF_i,j＝0。

进一步，不同用户类型的信道分配策略包括：目标基站s₂随机选择一个满足CF_i,j＝{0,1}的空闲子信道B_j分配给内部用户u_t，并标记子信道B_j已经被内部用户占用，即CF_i,j＝1；目标基站s_o随机选择一个满足CF_i,j＝0的空闲子信道B_j，接着判断边缘用户u₀的第二近基站的同一子信道B_j的分配情况，若第二近基站的同一子信道B_j空闲，即CF_i,j＝{0,1}，则标记子信道B_j只能分配给内部用户，即CF_se,j＝1，同时目标基站s_o将子信道B_j分配给请求通信的边缘用户u₀；若第二近基站的同一子信道B_j已经被边缘用户占用，即CF_se,j＝3时，目标基站s_o需要重新选择其他满足CF_i,j＝0的空闲子信道，并尽可能避免边缘用户u₀选择的子信道和其第二近基站边缘用户选择的子信道冲突；除非目标基站s_o已经没有其他空闲的子信道可分配边给缘用户u₀，也就是当目标基站s_o只剩一个有效子信道B_j，且边缘用户u₀的第二近基站的子信道B_j已经分配给了边缘用户，即N_i,a＝1且CF_se,j＝3时，目标基站s_o才把子信道B_j分配给边缘用户u₀。

本发明当目标基站为小区内所有请求通信的用户分配完成子信道后，将没有用户需要服务的子信道关闭以节省能耗。

进一步，通过不同用户的信道分配策略为请求通信的用户分配好子信道后，需要对基站的发射功率进行控制，当任意目标基站i的随机空闲信道B_j(满足CF_i,j＝{0,1})分配给内部用户时，目标基站i在信道B_j上的发射功率为

否则，当B_j分配给边缘用户(满足CF_i,j＝0或N_i,a＝1且CF_se,j＝3)时，目标基站i在信道B_j上的发射功率为

其中，η表示功率调整因子，0＜η＜1，T_s表示基站在整个有效带宽上的最大发射功率；目标基站s₂对内部用户u_t的发射功率调整为

目标基站s_o对边缘用户的发射功率为

本发明是联合小区用户划分、信道分配和功率调整来缓解用户的小区间同频干扰，进行信道分配之前对用户进行划分，达到的目的：为了减少或消除第二近小基站对小区边缘用户的干扰，以及合理的分配信道和功率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

S1：基于距离进行小区用户划分；

S2：根据小区用户划分，确定信道分配方案，减少用户接收到的干扰；

S3：根据信道分配方案，确定功率调整方案，保证通信质量的前提下最小化功率消耗。

2.根据权利要求1所述的一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：所述S1具体为：处于相邻小区交叉位置的用户接入最近基站进行DL通信时，受到第二近基站的干扰，用户和基站分别服从空间密度为λ_u和λ_s的泊松点过程分布，所有基站复用相同的频谱资源，每个基站提供N_c个在频域正交的子信道；

根据目标基站到所述请求通信用户u的距离R与预定义距离常数D之间的大小关系，将所述请求通信的用户划分为内部用户或边缘用户；

所述预定义距离常数D的约束条件为小区边缘用户数＜N_c/2，引入任意一个子信道处于活动状态的概率后求解D的约束表达式，其中目标基站是距离用户最近的基站，距离用户最近为欧式距离。

3.根据权利要求2所述的一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：所述预定义距离常数D的约束条件为：小区边缘用户数＜N_c/2，引入任意一个子信道处于活动状态的概率后求解D的约束表达式，具体包括：所述预定义距离常数D的约束条件为

通过引入任意一个子信道处于活动状态的概率

考虑网络处于满载和部分负载，也就是p_a≤1的情况，得到预定义距离常数D的约束表达式为：

其中

表示小区内的平均用户数，λ_uπD²表示小区的内部用户数。

4.根据权利要求2所述的一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：所述根据目标基站到所述请求通信用户u的距离R与预定义距离常数D之间的大小关系，将所述请求通信的用户划分为内部用户或边缘用户具体为：当R＜D时，请求通信的用户u为内部用户；否则，请求通信的用户u为边缘用户。

5.根据权利要求1所述的一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：所述根据小区用户划分，确定信道分配方案，减少用户接收到的干扰包括：若请求通信的用户u是内部用户，目标基站根据内部用户的信道分配策略进行信道分配；否则，目标基站根据边缘用户的信道分配策略进行信道分配。

6.根据权利要求5所述的一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：所述信道分配策略包括：同一时刻，每个子信道最多服务一个用户且每个用户最多被一个子信道服务，子信道的分配遵循随机分配原则；用N_i,a表示第i个小基站当前剩余的有效子信道数量，用C_i,j表示第i个小基站的第j个子信道的占用标记，用CF_se,j∈{CF_i,j}表示用户第二近小基站的第j个子信道的占用标记；用CF_se,j＝0表示子信道空闲；用CF_se,j＝1表示子信道空闲，只分配给内部用户；用CF_se,j＝2表示子信道已经分配给内部用户；用CF_se,j＝3表示子信道已经分配给边缘用户。

7.根据权利要求6所述的一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：所述目标基站根据内部用户的信道分配策略进行信道分配满足CF_i,j＝{0,1}，分配给边缘用户的子信道满足CF_i,j＝0。

8.根据权利要求5所述的一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：所述若请求通信的用户u是内部用户，目标基站根据内部用户的信道分配策略进行信道分配；否则，目标基站根据边缘用户的信道分配策略进行信道分配具体为：

若请求通信的用户是内部用户，则目标基站随机选择一个满足CF_i,j＝{0,1}的空闲子信道B_j分配给内部用户，并标记子信道B_j已经被内部用户占用；若请求通信的用户是边缘用户且目标基站选择的空闲子信道为B_j，也就是满足CF_i,j＝0的子信道B_j，则对于该边缘用户的第二近基站的同一子信道B_j，需要尽可能地分配给内部用户；也就是当边缘用户的第二近基站的子信道B_j空闲时，标记该子信道B_j只能分配给内部用户，即CF_se,j＝1，且目标基站将子信道B_j分配给边缘用户；若边缘用户第二近基站的子信道B_j已经分配给了边缘用户，即CF_se,j＝3时，则目标基站需要重新选择其他空闲子信道即CF_i,j＝0的子信道，并尽可能避免边缘用户选择的子信道和其第二近基站边缘用户选择的子信道冲突，除非目标基站已经没有其他空闲子信道可分配给边缘用户，即N_i,a＝1且CF_se,j＝3时，才考虑把子信道B_j分配给边缘用户；当目标基站为小区内所有请求通信的用户分配完成子信道后，将没有用户需要服务的子信道关闭。

9.根据权利要求1所述的一种协调5G超密集网络干扰的分布式联合资源分配方法，其特征在于：所述根据信道分配方案，确定功率调整方案，保证通信质量的前提下最小化功率消耗具体为：当任意目标基站i的随机空闲信道B_j，即满足CF_i,j＝{0,1}分配给内部用户时，目标基站i在信道B_j上的发射功率为

否则，当B_j分配给边缘用户，即满足CF_i,j＝0或N_i,a＝1且CF_se,j＝3时，目标基站i在信道B_j上的发射功率为

其中，η表示功率调整因子，0＜η＜1，T_s表示基站在整个有效带宽上的最大发射功率。

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