一種基于有效容量的上行ofdma家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的是在上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)中，通過控制家庭基站用戶的發(fā)射功率來控制宏基站網(wǎng)絡(luò)在上行鏈路中受到的來自家庭基站網(wǎng)絡(luò)的干擾，與此同時，引入有效容量作為優(yōu)化目標(biāo)，來保證一定的統(tǒng)計時延QoS。我們把這樣的控制過程建模為一個斯坦伯格博弈，其中宏基站為leader，而家庭基站用戶為followers，而宏基站在每個子信道上收到的干擾控制為某一個范圍內(nèi)，其上限為Q。宏基站對來自家庭基站用戶的干擾進(jìn)行定價，而所有接入家庭基站用戶在這個干擾價格進(jìn)行非合作博弈。最終的優(yōu)化目標(biāo)是：宏基站獲得盡可能大的收益，從而能更好地控制跨層干擾；而家庭基站用戶各自獲得盡可能大的有效容量，來保證用戶在一定統(tǒng)計時延QoS情況下的恒定達(dá)到速率。
【專利說明】—種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及移動通信【技術(shù)領(lǐng)域】，更特別的，本發(fā)明針對OFDMA家庭基站和宏基站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的雙層網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路，是一種基于有效容量的功率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著手機(jī)上網(wǎng)用戶數(shù)量迅速增長、用戶對移動多媒體等業(yè)務(wù)的高需求，無線網(wǎng)絡(luò)中的高數(shù)據(jù)容量、滿足多種業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量和改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋已經(jīng)成為下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中研究熱點(diǎn)。
[0003]3GPP通過引入LTE技術(shù)來滿足帶寬方面的高數(shù)據(jù)需求和多種業(yè)務(wù)的低時延需求，但是LTE系統(tǒng)的鏈路容量已經(jīng)接近香農(nóng)極限，因此單層網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩網(wǎng)絡(luò))的容量提高和覆蓋增強(qiáng)已經(jīng)沒有太大的提升空間。家庭基站可以解決這方面的問題，它在宏基站覆蓋范圍內(nèi)再進(jìn)行一次頻譜利用，與宏基站共享部分或者全部的頻譜資源，由于使用了相同的頻帶資源，必然會帶來宏基站用戶和家庭基站用戶在相同頻段上的干擾。
[0004]另外，由于無線信道的時變性，嚴(yán)格的時延保證很困難，而且很不現(xiàn)實(shí)。因此在這里，結(jié)合信息論和統(tǒng)計時延保證，我們引入了 “有效容量”的概念:在給定的時變信道條件下，為了保障用戶的統(tǒng)計時延QoS，用戶能發(fā)送的最大恒定達(dá)到速率。
[0005]為了避免在上行鏈路中家庭基站用戶對宏基站網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾，同時保證用戶的統(tǒng)計時延QoS，本發(fā)明提 出了一種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率分配方法，在避免家庭基站用戶對宏基站的跨層干擾的同時，提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在針對上行鏈路中家庭基站用戶對宏基站網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾問題，而提出一種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，更有效地控制家庭基站用戶對宏基站的跨層干擾，以提高家庭基站與宏基站雙層網(wǎng)絡(luò)中上行鏈路的頻譜效率并保證用戶的統(tǒng)計時延QoS。整個功率控制方法，分為兩個部分。第一部分為價格控制算法，宏基站利用這個算法進(jìn)行干擾價格P的調(diào)整，搜尋使得宏基站收益最大的定價；第二個部分為功率分配算法，在干擾價格為μ的情況下，家庭基站用戶通過功率分配算法獲得自己的發(fā)送功率。具體
【發(fā)明內(nèi)容】
包括以下。
[0007]價格控制算法:
[0008]步驟1:根據(jù)安裝的先后順序，將家庭基站編號為1-Bk號。
[0009]步驟2:每個幀時隙內(nèi)，每個家庭基站網(wǎng)絡(luò)中只有一個家庭基站用戶作為活躍用戶接入到家庭基站網(wǎng)絡(luò)中，接入到家庭基站Bk的用戶為k。
[0010]步驟3:為了保障宏基站網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，將宏基站網(wǎng)絡(luò)在每個子信道上受到的干擾控制在一定范圍內(nèi)，其上限為Q。
[0011]步驟4:基站自適應(yīng)調(diào)整各個用戶的干擾定價μ，家庭用戶在這個價格下利用功率分配算法進(jìn)行功率分配。
[0012]步驟5:計算各個家庭基站用戶帶來的總干擾I，在當(dāng)前定價下計算基站的總收益μ I。返回至步驟4，直至基站的收益到達(dá)最大。
[0013]功率分配算法:
[0014]步驟1:初始化迭代次數(shù)t = I。
[0015]步驟2:從用戶I開始進(jìn)行發(fā)送功率的調(diào)整，后面用戶基于前面用戶的發(fā)射功率進(jìn)行功率調(diào)整，使得自己的有效容量盡可能最大。
[0016]步驟3:迭代次數(shù)自增1，返回到步驟2，直至算法收斂，即達(dá)到納什均衡。
[0017]步驟4:各個家庭基站用戶以達(dá)到納什均衡的功率pk(k = 1:K)進(jìn)行功率發(fā)送。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例中包含的家庭基站與宏基站用戶組成的雙層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例中家庭基站用戶干擾價格控制算法流程圖
[0020]圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例中家庭基站用戶功率控制算法流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明優(yōu)勢描述更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步詳細(xì)闡述，顯然所描述的實(shí)施例只是本發(fā)明的部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不經(jīng)創(chuàng)造性勞動的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下面的描述中，對與本發(fā)明無關(guān)的技術(shù)只做簡要的技術(shù)說明或者直接略過。
[0022]本發(fā)明的主要思想是:在上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，家庭基站和宏基站部署在同一頻段，家庭基站用戶會對宏基站網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生跨層干擾，為了維持宏基站網(wǎng)絡(luò)的性能，我們讓家庭基站用戶對宏基站在某一信道上的干擾控制在Q范圍內(nèi)。為了更好地控制跨層干擾，我們讓宏基站對來自每個家庭基站用戶的干擾進(jìn)行定價。這樣我們就構(gòu)建了一個斯坦伯格博弈模型，其中宏基站是leader,而家庭基站用戶為followers,而宏基站能忍受的干擾作為資源出售給家庭基站用戶。每次，宏基站先進(jìn)行定價，然后，家庭基站用戶在這個價格上對資源進(jìn)行競爭。我們的優(yōu)化目標(biāo)為:宏基站獲得盡可能大的干擾收益，由干擾和價格相乘后得出；而每個家庭基站用戶獲得盡可能大的有效容量，來保證一定的時延QoS下的恒定達(dá)到速率。因此，我們通過兩部分來實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo):第一部分，通過價格控制算法來進(jìn)行價格的調(diào)整，來嘗試制定不同的價格，我們這里采用PSO算法實(shí)現(xiàn)定價搜索；第二部分，通過功率分配算法實(shí)現(xiàn)各個家庭基站用戶在某個價格下的非合作博弈過程。通過這兩部分的配合，我們最終可以實(shí)現(xiàn)宏基站網(wǎng)絡(luò)和家庭基站用戶之間的聯(lián)合最優(yōu)化。
[0023]圖1所示為家庭基站與宏基站組成的雙層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在某個時隙內(nèi)的上行鏈路，若干個家庭基站網(wǎng)絡(luò)部署在某一個宏基站網(wǎng)絡(luò)中，該時隙內(nèi)，每個家庭基站網(wǎng)絡(luò)中至多一個用戶接入到其所屬的家庭基站。用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)到無線信道之前，先把數(shù)據(jù)緩存在緩存器中。用戶k需要保證一定的時延QoS,用Qk表示。
[0024]圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例中宏基站價格控制算法的流程圖，具體包括:[0025]步驟201:宏基站登記安裝的家庭基站，并進(jìn)行編號B1到Bk。輸入各個家庭基站用戶的時延QoS參數(shù)，以及信道的鏈路增益參數(shù)，通過這些參數(shù)，可以估算最大干擾定價μ _，當(dāng)超過這個定價時，沒有家庭基站用戶支付得起這么昂貴的干擾代價，顯然這個時候基站的收益為O,與我們的目標(biāo)不符合。
[0026]步驟202:初始化粒子群。我們設(shè)置粒子群的大小為Μ，Μ越大，粒子群的搜索越高效，收斂速度越快。每個粒子有初始位置和初始速度，位置在[O, μ max]范圍內(nèi)隨機(jī)分布,而速度為[0，vmax]范圍內(nèi)隨機(jī)分布，每個位置代表一個待測驗(yàn)的干擾價格。
[0027]步驟203:對于每個粒子對應(yīng)的干擾價格，都運(yùn)行一次功率控制算法，每個用戶都得到納什均衡功率分配結(jié)果，此時所有用戶達(dá)到自己各自最大的有效容量。
[0028]步驟204:初始化每個粒子的個體最優(yōu)為當(dāng)前粒子。
[0029]步驟205:計算每個粒子對應(yīng)的宏基站干擾收益，挑出最大的作為該粒子群的初始全局最優(yōu)。
[0030]步驟206:判斷PSO算法是否收斂，如果收斂或者達(dá)到最大迭代次數(shù)，便退出搜索循環(huán)，價格控制結(jié)束，在最優(yōu)價格下輸出各個家庭基站用戶的發(fā)射功率。
[0031]步驟207:利用PSO的更新方法，每個粒子根據(jù)個體最優(yōu)和粒子群的全局最優(yōu)來更新粒子速度，并更新粒子群位置，相當(dāng)于得到一組新的待測試干擾價格。
[0032]步驟208:重復(fù)步驟203。
[0033]步驟209:計算每個粒子下，對應(yīng)的宏基站的收益，與上一次迭代其個體最優(yōu)進(jìn)行對比，如果宏基站收益增加，則將該粒子的當(dāng)前位置更新為該粒子的個體最優(yōu)，否則不更新。這樣便保證每個粒子的個體最優(yōu)里面保存的永遠(yuǎn)是到目前為止該粒子所搜索到最優(yōu)解。
[0034]步驟210:從當(dāng)前粒子群的所有粒子中，挑出使得宏基站收益最大的粒子，并將其與上一代全局最優(yōu)相比較，如果宏基站收益增加，則將該粒子的位置更新為當(dāng)前粒子群的
全局最優(yōu)。
[0035]步驟211:迭代次數(shù)自增1，并跳轉(zhuǎn)到步驟206，進(jìn)行新一代搜索。
[0036]步驟212:輸出最佳干擾價格，以及在該干擾價格下，每個用戶各自的發(fā)送功率。這一輪功率控制結(jié)束。
[0037]圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例中家庭基站用戶功率控制算法的流程圖，具體包括:
[0038]步驟301:獲得干擾價格μ m，初始化每個家庭基站用戶的功率為0，博弈迭代次數(shù)初始化為I。
[0039]步驟302:判斷是否到達(dá)收斂條件，或者達(dá)到最大博弈迭代次數(shù)，如果滿足條件之一，則功率分配結(jié)束，否則進(jìn)行步驟303。
[0040]步驟303:每個用戶在其他用戶功率保持不變的前提下，按照使得自己的有效容量最大的原則進(jìn)行功率分配。
[0041]步驟304:非合作博弈迭代次數(shù)自增1，接下來進(jìn)行新一輪非合作博弈。
[0042]步驟305:輸出博弈結(jié)果，輸出每個用戶最合適的發(fā)送功率。
【權(quán)利要求】
1.一種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征在于該方法包括以下兩個部分: 第一部分為價格控制算法，宏基站通過這個算法對來自不同家庭基站用戶的干擾進(jìn)行統(tǒng)一定價: 步驟1:根據(jù)安裝的先后順序，將家庭基站編號為1-Bk號； 步驟2:每個幀時隙內(nèi)，每個家庭基站網(wǎng)絡(luò)中只有一個家庭基站用戶作為活躍用戶接入到家庭基站網(wǎng)絡(luò)中，接入到家庭基站Bk的用戶為k ; 步驟3:為了保障宏基站網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，將宏基站網(wǎng)絡(luò)在每個子信道上受到的干擾控制在一定范圍內(nèi)，其上限為Q ； 步驟4:基站自適應(yīng)調(diào)整各個用戶的干擾定價μ，家庭用戶在這個價格下利用功率分配算法進(jìn)行功率分配； 步驟5:計算各個家庭基站用戶帶來的總干擾I，在當(dāng)前定價下計算基站的總收益μ I。返回至步驟4，直至基站的收益到達(dá)最大； 第二部分為功率分配算法，基于宏基站給出的干擾價格μ，每個活躍用戶以非合作博弈的方式進(jìn)行功率調(diào)整，直至達(dá)到納什均衡: 步驟1:初始化迭代次數(shù)t = I ; 步驟2:從用戶I開始進(jìn)行發(fā)送功率的調(diào)整，后面用戶基于前面用戶的發(fā)射功率進(jìn)行功率調(diào)整，使得自己的有效容量盡可能最大； 步驟3:迭代次數(shù)自增1，返回到步驟2，直至算法收斂，即達(dá)到納什均衡； 步驟4:各個家庭基站用戶以達(dá)到納什均衡的功率pk(k = 1:K)進(jìn)行功率發(fā)送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征在于: 整個功率控制方法，分為兩個部分:第一部分為價格控制算法，宏基站利用這個算法進(jìn)行干擾價格μ的調(diào)整，搜尋使得宏基站收益最大的定價；第二個部分為功率分配算法，在干擾價格為μ的情況下，家庭基站用戶通過功率分配算法獲得自己的發(fā)送功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征還在于: 所述功率控制算法中，是對于每個子信道都執(zhí)行這樣的功率控制，各子信道之間的算法執(zhí)行是獨(dú)立的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征還在于: 所述基站側(cè)價格控制算法步驟2中，一個家庭基站網(wǎng)絡(luò)中的多個用戶通過時分復(fù)用方式進(jìn)行接入，每個幀時隙內(nèi)，只有一個用戶接入到網(wǎng)絡(luò)中，其他用戶分別在其他時隙接入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征還在于: 所述基站側(cè)價格控制算法步驟3中，基站按照粒子群優(yōu)化運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行價格的調(diào)整；用粒子群優(yōu)化時干擾價格μ同時以多個粒子的形式在其活動空間[0，UfflaJ進(jìn)行運(yùn)動，每次運(yùn)動都會得到一組新的位置；每個粒子會保留至今為止最佳的位置，成為個體最優(yōu)解；而整個粒子群保留其到目前為止的全局最優(yōu)解；每個粒子根據(jù)代表個體經(jīng)驗(yàn)的個體最優(yōu)解以及代表群體經(jīng)驗(yàn)的全局最優(yōu)解來更新自己的位置；解的優(yōu)良性根據(jù)效用函數(shù)的大小來判斷；最終，干擾價格將收斂于某最優(yōu)價格，這個價格使得宏基站的收益達(dá)到最大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于有效容量的上行OFDMA家庭基站雙層網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法，其特征還在于: 所述家庭基站用戶功率分配算法步驟2中，參與博弈的用戶根據(jù)其他用戶的功率策略來進(jìn)行自己的功率調(diào)整，調(diào)整的原則是使自己的有效容量最大；最終達(dá)到納什均衡，即所有用戶不能單方面改變功率而使得自己的有效容量達(dá)到更大；有效容量是指，在給定的信道條件下，滿足統(tǒng)計時延QoS質(zhì)量Θ的情況下，該用戶最大的到達(dá)速率；這個使得有效容量最大的最佳功率可以可以根據(jù)以下公式給出:
【文檔編號】H04W52/14GK104023381SQ201410232367
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】何盛華, 溫向明, 路兆銘, 孫勇, 張志才, 景文鵬, 李正富, 扶奉超 申請人:北京郵電大學(xué)