CN105792367A - 一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，目标模型构建为所有用户速率的对数累加和并将目标模型所要解决的问题拆分为三个子问题依次求解：首先，初始化其他的参数，求解当前情况下的用户连接及频率资源分配；第二，当用户连接及频率资源分配情况确定以后，求解当前最优的ABS比率配置；第三，求解每个Macro基站在ABS时隙的发射功率；设置终止条件，循环执行步骤一到步骤三，当满足终止条件时停止循环。该方法可以提高***的总用户速率并且保证了用户之间的公平性。

Description

一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其是一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，该方法是在两层非均匀拓扑结构异构网络接入层中，在保证用户公平性的条件下最大化***的总吞吐量，完成***的功率及资源分配。

背景技术

如今移动通信发展迅速，移动智能终端的普及和各种实时媒体业务的广泛应用，宽带无线网络中通信量以指数速率增长，从而对于更高覆盖率、更快数据速率业务的需求也更强。由于频谱资源是有限的，所以有效的方法是提高频谱利用率，LTE-Advanced提出一些尺寸更小的基站，这种基站一般功率比较低，而且布置于用户密度比较大的热点区域用于拉近用户与基站间的距离，从而提高用户吞吐量。这种在宏蜂窝网络中叠加低功率节点的网络构架被称为异构网络(HeterogneousNetworks，HetNets)。低功率基站的应用带来了新的机遇，同样也带来了新的难题。低功率基站的部署会造成小区间交叠区域增加，由于为了最大化频谱利用率采用同频组网方式，区域交叠意味着小区间的干扰加剧。为了应对小区间的干扰，增强型小区间干扰协调(enhancedInter-CellInterferenceCoordination，eICIC)是LTE-A中引入的一种干扰协调技术，通过时域上的资源分配，配合用户连接技术，可以将部分用户分流到小站上改善资源分配，并且改善小站用户的信道条件，从而提高***的整体性能。时域资源分配即Macro基站在一些ABS(AlmostBlankSubframe)子帧低功率通信，因此低功率的基站可以使用干扰较小的ABS子帧通信，达到了干扰协调的目的。

因此，在LTE-A作为下一代移动通信***的主要研究背景下，怎样协调干扰做功率和资源分配提高***总吞吐量，具有很高的研究价值和意义。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，该方法可以提高***的总用户速率并且保证了用户之间的公平性。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，包括：

步骤1：以保证用户速率公平性为前提，建立***用户总速率最大化问题模型，将目标问题转换为拆分为三个子问题，分别为P1：用户连接和频谱资源分配，P2：时域资源分配，P3：Macro基站在ABS时隙的发送功率设置；

步骤2：依次对三个子问题进行求解，求解步骤包括：

(1)将两层非均匀拓扑结构异构网络中的Macro基站在ABS时隙的功率及ABS比率初始化为恒定的参数；并求出在ABS时隙的功率及ABS比率初始化的情况下，两层非均匀拓扑结构异构网络中用户的连接状态和基站频域资源分配；

(2)在用户连接及基站频域资源分配情况确定以后，求解当前网络中最优的ABS比率配置；

(3)在ABS比率确定的情况下，计算所有Macro基站在ABS时隙的发射功率；

(4)循环执行步骤(1)至(3)，并根据用户需求设置终止条件，当满足终止条件时停止循环。

具体的，所述步骤(1)中对子问题P1的求解步骤包括：

2-1将两层非均匀拓扑结构异构网络中的Macro基站在ABS时隙的功率及ABS比率初始化为0；

2-2将两层非均匀拓扑结构异构网络中的每个Macro基站和Pico基站分别等价为两个独立的虚拟基站；定义B_ABS和B_nABS分别表示ABS时隙调度的基站和非ABS时隙调度的基站；定义ABS比率为连接ABS时隙调度的基站的用户个数与两层非均匀拓扑结构异构网络中总用户个数的比值；两层非均匀拓扑结构异构网络中每个用户获得的频域资源分配如下：

其中，y_ub表示用户u连接基站b时获得的归一化带宽，K_b表示当前连接策略下基站b下的总用户个数，b∈B_nABS，B_ABS表示非ABS和ABS时隙调度的基站，β表示ABS比率；

2-3设用户u连接基站b时获得传输速率为：

R_ub＝y_ubBlog(1+SINR_ub)(2)

其中，B表示两层非均匀拓扑结构异构网络***的总带宽，SINR_ub表示用户u连接基站b时的信噪比。

2-4定义变量x_ub表示用户连接问题，当x_ub＝1时表示用户u连接基站b，当x_ub＝0时表示没有接入基站b；采用分布式算法求解用户连接问题，算法分别在用户端和基站端执行，包括步骤：

1)计算K_b，并将K_b广播给两层非均匀拓扑结构异构网络中的所有基站；

2)根据用户返回的传输速率R_ub及K_b，计算x_ub：

在用户端和基站端重复执行以上步骤，当用户连接变量集合{x_ub}不再变化时停止迭代。

具体的，所述步骤(2)中对子问题P2的求解步骤包括：在用户连接及基站频域资源分配情况确定以后，计算ABS比率β为：

其中，N表示***的总用户数，即ABS比率表示连接ABS基站的用户个数与***总用户个数的比值。

具体的，所述步骤(3)中对子问题P3的求解步骤包括：将求解所有Macro基站在ABS时隙的发送功率转化为求解两层非均匀拓扑结构异构网络下用户获得的传输速率的对数和：

其中，P表示所求的Macro基站在ABS时隙的发送功率向量，0＜P_b＜P^M表示Macro基站b的发送功率限制，R_ub是关于P的方程，使用凸优化中的梯度下降法对表达式(4)进行求解，得到子问题P3的优化结果。

具体的，所述步骤(4)中的终止条件设置为：

5-1根据信道特征设定最长迭代周期次数，当发现迭代次数大于设定的门限值时结束迭代过程；或

5-2将用户传输速率的前一次对数和与当前对数和相减得到用户传输速率对数和差，根据用户传输速率对数和差设置阈值区间[l₁，l₂]，当用户传输速率对数和差落入阈值区间[l₁，l₂]时，终止迭代过程；l₁表示阈值区间下限，l₂表示阈值区间上限。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1本发明是基于非均匀分布的两层异构网络模型，并且允许不同的Macro基站在ABS时隙使用不同的发射功率，这样能够更加适应非均匀的基站分布。

2本发明采用联合优化功率及资源分配的算法，一定程度上消除了Macro基站对Pico基站下用户的干扰，提高***总吞吐量并且保证了用户之间的公平性。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的原理流程图；

图2为本发明实施例中的异构网络结构示意图，*表示eNB，×表示Pico基站，●表示用户。

图3为ZP-ABS连接策略、LP-ABS连接策略、no-eICIC连接策略及本发明提出的连接策略在相同网络布局下的用户速率CDF图；

图4为不同连接策略下基站边缘用户速率以及用户中位速率对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明提出的技术方案，下面将结合实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例：本实施例以两层非均匀异构网络为例，该两层异构网络结构示意图如图2所示：非均匀异构网络中有21个Macro基站，分别用编号1至21表示，其中7个Macro基站中各有5个Pico基站随机分布，剩下的14个Macro基站则不包含Pico基站。每个基站中都设置10个用户随机分布。Macro基站与Pico基站工作于2GHz载波并有10MHz带宽，Macro基站与Pico基站的发送功率分别为46dBm与30dBm。在本实施例中，接收模型只考虑路损与阴影衰落而不考虑快衰落。

引入Pico基站是为了替Macro基站分流部分用户，现在Macro基站与Pico基站的覆盖范围重叠，所以管理计算用户的连接问题，是连接Macro基站还是Pico基站。又因为需要减轻Macro基站对Pico基站下用户的干扰，所以Macro基站在一段时间(ABS时隙)内以低功率通信，并且不同的Macro基站可以采用不同的功率。使用多少比例的ABS比率也是我们的工作之一。最后，由于Macro基站在ABS时隙的功率是以低功率通信的，那么应该采用多少功率通信则需要计算。

由于需要保证用户速率公平性的条件下最大化***用户总速率，所以目标模型构建为所有用户速率的对数累加和。将目标模型所要解决的问题拆分为三个子问题依次求解：

首先，初始化其他的参数，求解当前情况下的用户连接及频率资源分配；第二，当用户连接及频率资源分配情况确定以后，求解当前最优的ABS比率配置；最后，求解每个Macro基站在ABS时隙的发射功率。由于目标函数相对于以上变量为凸函数，循环以上三个步骤最终会收敛于一个最优的功率及资源配置策略。

如图1所示为实施例的原理流程图，包括以下步骤：

步骤1：将所有Macro基站在ABS时隙功率初始化为0，即表示Macro在ABS时隙不通信。ABS比率也初始化为0即表示不采用干扰协调。

步骤2：用户连接及频谱资源分配策略如下：

因为每个基站都有ABS时隙通信和非ABS时隙通信两种状态，而每个用户只能连接一个基站，而且用户要么只在ABS时隙或非ABS时隙通信。所以本文将每个Macro基站和Pico基站都等价于两个虚拟基站，其中B_ABS(B_nABS)分别表示ABS(非ABS)通信的基站。所以用户获得的频域资源如下：

其中，y_ub表示用户u连接基站b时获得的归一化带宽，K_b表示当前连接策略下基站b下的总用户个数，b∈B_nABS，B_ABS表示非ABS和ABS时隙调度的基站，β表示ABS比率。由于将Macro基站和Pico基站等价成两个基站，并且用户只能单独在ABS时隙或非ABS时隙通信。用户u连接基站b时获得速率为R_ub如下：

R_ub＝y_ubBlog(1+SINR_ub)(2)

其中，B表示基站的总带宽。SINR_ub表示用户u连接基站b时的信噪比，注意连接B_ABS采用的是Macro基站在ABS时隙的发送功率。

用变量x_ub表示用户连接问题，即x_ub＝1表示用户u连接基站b，而x_ub＝0则表示没有接入基站b。采用分布式算法求解用户连接问题，算法分别在用户端和基站端执行，所有用户执行下列步骤：

1)对于所有用户根据公式(2)计算连接各个基站时的传输速率R_ub。

所有基站执行下列步骤：

2)计算K_b，并将值广播给所有基站。

3)根据用户返回的传输速率R_ub及K_b，再根据下列公式计算x_ub：

在用户端和基站端重复执行以上步骤，直到用户连接变量集合{x_ub}不再变化停止迭代。

步骤3：计算ABS比率为：

其中，N表示***的总用户数，即ABS比率表示连接ABS基站的用户个数与***总用户个数的比值。

步骤4：将求解所有Macro基站在ABS时隙的发送功率等价于求表达式(4)的优化问题，

其中，P表示所求的功率向量，0＜P_b＜P^M表示Macro基站的发送功率限制，R_ub是关于P的方程，使用凸优化中的梯度下降法对表达式(4)进行求解。

步骤5：设置终止条件，重复步骤2到步骤4，直到达到终止条件。所求的功率及资源配置方案即我们需要的。

所述终止条件包括：

1、可以根据信道特征设定最长迭代周期次数，当发现周期大于设定的门限值时结束迭代过程；或

2、当网络用户对数速率和趋于稳定时结束迭代过程，即针对非均匀拓扑结构异构网络下用户获得的速率的对数和设置变化区间，当用户速率的对数和落入该区间，结束迭代过程。例如：将用户传输速率的前一次对数和与当前对数和相减得到用户传输速率对数和差，根据用户传输速率对数和差设置阈值区间[l₁，l₂]，当用户传输速率对数和差落入阈值区间[l₁，l₂]时，终止迭代过程；l₁表示阈值区间下限，l₂表示阈值区间上限。

图3为ZP-ABS连接策略、LP-ABS连接策略、no-eICIC连接策略及本实施例提出的连接策略在相同网络布局下的用户速率CDF图；图4为不同连接策略下基站边缘用户速率以及用户中位速率对比图。由图可知，本发明一定程度上消除了Macro基站对Pico基站下用户的干扰，提高***总吞吐量并且保证了用户之间的公平性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，适用于两层异构网络，其特征在于包括：

步骤1：以保证用户速率公平性为前提，建立***用户总速率最大化问题模型，将目标问题转换为拆分为三个子问题，分别为P1：用户连接和频谱资源分配，P2：时域资源分配，P3：Macro基站在ABS时隙的发送功率设置；

步骤2：依次对三个子问题进行求解，求解步骤包括：

(1)将两层非均匀拓扑结构异构网络中的Macro基站在ABS时隙的功率及ABS比率初始化为恒定的参数；并求出在ABS时隙的功率及ABS比率初始化的情况下，两层非均匀拓扑结构异构网络中用户的连接状态和基站频域资源分配；

(2)在用户连接及基站频域资源分配情况确定以后，求解当前网络中最优的ABS比率配置；

(3)在ABS比率确定的情况下，计算所有Macro基站在ABS时隙的发射功率；

(4)循环执行步骤(1)至(3)，并根据用户需求设置终止条件，当满足终止条件时停止循环。

2.根据权利要求1所述的一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，其特征在于，所述步骤(1)中对子问题P1的求解步骤包括：

2-1将两层非均匀拓扑结构异构网络中的Macro基站在ABS时隙的功率及ABS比率初始化为0；

2-2将两层非均匀拓扑结构异构网络中的每个Macro基站和Pico基站分别等价为两个独立的虚拟基站；定义B_ABs和B_nABs分别表示ABS时隙调度的基站和非ABS时隙调度的基站；定义ABS比率为连接ABS时隙调度的基站的用户个数与两层非均匀拓扑结构异构网络中总用户个数的比值；两层非均匀拓扑结构异构网络中每个用户获得的频域资源分配如下：

其中，y_ub表示用户u连接基站b时获得的归一化带宽，K_b表示当前连接策略下基站b下的总用户个数，b∈B_nABS，B_ABS表示非ABS和ABS时隙调度的基站，β表示ABS比率；

2-3设用户u连接基站b时获得传输速率为：

R_ub＝y_ubBlog(1+SINR_ub)(2)

其中，B表示两层非均匀拓扑结构异构网络***的总带宽，SINR_ub表示用户u连接基站b时的信噪比。

2-4定义变量x_ub表示用户连接问题，当x_ub＝1时表示用户u连接基站b，当x_ub＝0时表示没有接入基站b；采用分布式算法求解用户连接问题，算法分别在用户端和基站端执行，包括步骤：

1)计算K_b，并将K_b广播给两层非均匀拓扑结构异构网络中的所有基站；

2)根据用户返回的传输速率R_ub及K_b，计算x_ub：

在用户端和基站端重复执行以上步骤，当用户连接变量集合{x_ub}不再变化时停止迭代。

3.根据权利要求1所述的一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，其特征在于，所述步骤(2)中对子问题P2的求解步骤包括：在用户连接及基站频域资源分配情况确定以后，计算ABS比率β为：

其中，N表示***的总用户数，即ABS比率表示连接ABS基站的用户个数与***总用户个数的比值。

4.根据权利要求1所述的一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，其特征在于，所述步骤(3)中对子问题P3的求解步骤包括：将求解所有Macro基站在ABS时隙的发送功率转化为求解两层非均匀拓扑结构异构网络下用户获得的传输速率的对数和：

其中，P表示所求的Macro基站在ABS时隙的发送功率向量，0＜P_b＜P^M表示Macro基站b的发送功率限制，R_ub是关于P的方程，使用凸优化中的梯度下降法对表达式(4)进行求解，得到子问题P3的优化结果。

5.根据权利要求1所述的一种两层非均匀拓扑结构异构网络下的网络资源分配方法，其特征在于，所述步骤(4)中的终止条件设置为：

5-1根据信道特征设定最长迭代周期次数，当发现迭代次数大于设定的门限值时结束迭代过程；或

5-2将用户传输速率的前一次对数和与当前对数和相减得到用户传输速率对数和差，根据用户传输速率对数和差设置阈值区间[l₁，l₂]，当用户传输速率对数和差落入阈值区间[l₁，l₂]时，终止迭代过程；l₁表示阈值区间下限，l₂表示阈值区间上限。