专利名称：：适用于移动组播系统的多小区干扰协调功率分配方法
技术领域：
：本发明涉及一种适用于移动组播系统的多小区干扰协调功率分配方法，属于移动通信中的无线资源管理领域。
背景技术：
：随着网络技术的不断发展，特别是多媒体应用需求的增加，采用正交频分复用(OFDM)技术的移动组播系统能够更好地缓解未来通信系统所要求的高数据速率和日益紧张的无线资源之间的矛盾，在现代通信中发挥越来越重要的作用。在OFDM组播系统中，由于小区间同频干扰的存在，不同小区使用相同子信道传输的业务之间的功率分配相互影响，如何协调分配各种业务的传输功率对系统的总体性能有很大的影响。目前，通信系统中的功率分配问题得到国内外学者的极大关注。参考文献"CheongYuiWong，ChengRS,LataiefKB，MurchRD.MultiuserOFDMwithadaptivesubcarrier,bit,andpowerallocation[J].正EEJSAC.1999,17(10):1747-1758,，研究多用户OFDM系统中的资源分配，包括子信道分配，比特加载和功率分配，其优化过程是分步进行的，先让信道状况最好的用户选择子信道，然后基于发送功率最小化原则分配功率；参考文献"SaraydarCU,MandayamNB，GoodmanDJ.Efficientpowercontrolviapricinginwirelessdatanetworks[J].IEEETransonCommunication.2002，50(2):291-303，，和"MingboXiao,NessBShroff,EdwinKPChong.Autility-basedpower-controlschemeinwirelesscellularsystems[J].IEEE/ACMTransonNetworking.2003,11(2):210-221"从效用函数的角度在不同的用户之间实现分布式功率分配；参考文献"IanCWong，ZukangShen,BrianLEvans，JeffreyGAndrews.AlowcomplexityalgorithmforproportionalresourceallocationinOFDMAsystems[J].正EEWorkshoponSPS.2004:1-6"基于比例公平提出一种低复杂度的OFDM系统资源分配算法，该算法以最大化系统吞吐量为目标，使用具有线性时间复杂度的求根方法，克服了迭代算法复杂度高的缺陷；参考文献"张天魁，曾志民，张颖莹.基于博弈论的OFDMA系统多小区功率协调分配算法[J].通信学报，2008,29(1):22~29"利用非合作博弈论实现OFDMA系统小区间功率协调分配，取得较好的效果。以上的研究都是针对单播(Unkast)传输系统的，针对组播系统的功率分配问题，相关的研究较少。参考文献"JuYeopKim，TaesooKwon,Dong-HoCho.OFDMresourceallocationschemeforminimizingpowerconsumptioninmulticastsystems[C].VTC2006.64thIEEE.2006:l-5"研究OFDM组播系统中的资源分配，其目标是总功率消耗最少，资源分配采用功率最省的策略；提出一种次优算法，这种算法以略微损失系统吞吐量系性能换取计算复杂度的大幅度降低。参考文献"QingheDu，XiZhang.Adaptivepowerandrateallocationformobilemulticastthroughputoptimizationoverfadingchannelsinwirelessnetworks[C].ICCCN2006.15thIC.2006:261-266"在组播系统中采用特殊的叠合编码和重传机制提高系统吞吐量。以上的研究要么没有考虑小区间干扰，要么直接将同频干扰视为噪声，没有实现功率协调分配。技术问题针对移动组播系统中的自适应传输问题，本发明提出一种基于非合作博弈论的多小区干扰协调功率分配方法，移动组播系统使用该方法进行功率分配可有效协调小区间同频干扰，提高系统吞吐量，节省基站的发送功率。技术方案本发明提出一种适用于移动组播系统的多小区干扰协调功率分配方法，该方法的具体实现步骤为第一步令迭代次数标记^=0，令功率分配矢量P'二(if^，if"，…，/7"1)，初始化各业务的定价因子^，^,…，^V，初始化算法迭代精度0，其中iV表示使用某个同频子信道的小区数，设第7i个小区中使用该子信道组播的业务为&，订阅业务&的移动用户数为ii;，功率分配矢量^=^=(《，《，.,」《)，《表示第力次迭代业务&分配的功率，p;^表示业务&所能分配到的最大发送功率；第二步令力=力+1，对所有的n^l，2，…，iV)计算其中，5为子信道带宽，r=-ln(5c^)/1.5为AWGN信道中在一定误码率c^要求下
发明内容<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>M-QAM调制信号与Shannon容量的信干噪比差值，74=^n~一表示第i次迭代中第n个小区订阅业务&的第fc个用户的接收信干噪比，p"表示第Z个小区的基站到第n个小区订阅业务^的第A;个用户的信道增益，表示各移动用户接收机的加性Gauss白噪声功率；第三步若P^-Pf的向量范数不超过0，则结束算法；否则，转第二步。有益效果与现有技术方案相比，本发明提出的功率分配方法考虑多个小区间同频干扰的影响，利用非合作博弈的方法进行多小区干扰协调功率分配；本发明多提的迭代算法步骤简单，可以分布式进行；当然，本发明所提的跨层功率分配方法对于单播系统也是适用的。图1为多小区OFDM组播系统框图。图2为本发明所提迭代算法流程图。具体实施例方式本发明提出一种适用于移动组播系统的多小区干扰协调功率分配方法，该方法的具体实现步骤为第一步令迭代次数标记《二o，令功率分配矢量pi二(if^if"，…,尸;^)，初始化各业务的定价因子^，^，…,w^，初始化算法迭代精度0，其中7V表示使用某个同频子信道的小区数，设第n个小区中使用该子信道组播的业务为&,订阅业务&的移动用户数为ii^，功率分配矢量P'二P'=(《,《,.，」《)，《表示第纟次迭代业务&分配的功率，p;^表示业务&所能分配到的最大发送功率；第二步令力=《+1，对所有的ne仏2,…，iV)计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，S为子信道带宽，r二一ln(5o;e)/1.5为AWGN信道中在一定误码率o;e要求下M-QAM调制信号与Shannon容量的信干噪比差值，7*=y^尸"——表示第力次<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>迭代中第n个小区订阅业务&的第fc个用户的接收信干噪比，《&表示第/个小区的基站到第rz个小区订阅业务^的第fc个用户的信道增益，a2表示各移动用户接收机的加性Gauss白噪声功率；第三步若PW-P'的向量范数不超过0，则结束算法；否则，转第二步。下面参照附图，对本发明的具体实施方案作出更为详细地说明。考虑一个支持下行组播业务传输的多小区蜂窝移动通信系统，如图1所示。设每个小区中央放置一个基站，每个基站使用OFDM正交子信道向该小区内有相同业务需求的用户组传输下行业务。考虑正交子信道的复用，不同小区间使用相同子信道传输的用户组之间存在同频干扰，设使用同频子信道的小区数为iV，第rz个小区中使用该子信道组播的业务为&，则7V个小区的业务集合为S二[^，《，…，S^J，设在第n个小区中，订阅业务&的移动用户数为ii;。设每种业务下传时所使用的子信道具有相互独立的衰落特性，移动用户能够通过信道估计算法测量信道的参数，并能通过反馈信道将所测量的信道状态信息(CSI)反馈给基站。设在一个传输时间间隔(TTI)内系统的E二《个移动用户的信道增益保持恒定，p"表示第Z个小区的基站到第n个小区订阅业务&的第fc个用户的信道增益，尸表示第n个小区的基站分配给业务&的传输功率，^表示各移动用户接收机的加性Gauss白噪声功率，则第n个小区订阅业务&的第A;个用户的接收信干噪比(SINR)为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>设业务《，&,…，Sw均为弹性业务，即移动用户对于系统提供的QoS的满意度是通过其接收SINR来衡量的。设业务&的效用函数为"(7)，则业务&的效用为K(P)=￡k(;)(2)其中P4(g，S，…，i^)为功率分配矢量。考虑的目标是系统效用最大，艮PATmaxY^[/^(P)P么"j(3)s丄0^尸^_Pnmax其中if^为业务^的最大发送功率。式(3)即为本发明功率分配问题的优化模型。当在每个小区内子信道分配确定后，同频子信道上的功率决定了同频子信道上各业务的效用值。一般地，由于同频干扰的存在，很难给出最优解求解式(3)，因此本发明将非合作博弈论引入到OFDM组播系统小区间功率分配中。在同频子信道上小区间不同业务的功率分配可以看作一个非合作博弈的过程。每种业务都希望通过增大其发送功率来提高业务的效用，这必然对同频子信道上其它小区的用户产生干扰，使其它小区业务的效用降低；其它小区的业务也通过增大其发送功率提高效用，博弈的结果是各种业务的发送功率平衡在一个较大的值上，得到的解一般不是Pareto最优解。考虑到增加一种业务发送功率的同时会对其它业务的效用产生副作用，在非合作博弈中，引入定价机制，为每种业务定义功率价格，以限制其过度使用发送功率，设业务&的功率价格为气，则业务&的净效用为Ws(P)=C/s(P)-wnJPn(4)定义1令C^(xJ二Blog(l+7^/r)表示第ri个小区订阅业务&的第A;个用户的吞吐量，其中5为子信道带宽，r全—ln(5g)/1.5为AWGN信道中在一定误码率尸e要求下M-QAM调制信号与Shannon容量的SINR差值，则基于吞吐量最大化的OFDM组播系统多小区非合作功率分配博弈(MTHBPA)模型表示为^=|5，[^},{^[^}]|。定义2在MTHBPA模型C中，若对任意n￡{1，2,…，AT)，有iVC^(P"^iVf^(P)成立，则功率分配矢量P'是Nash均衡。定理l在MTHBPA模型G中，Nash均衡pt是Pareto最优解。证明不妨设存在功率分配矢量P'，使得对任意rzG"[l，2，…，iVl，有M/s(P，^7V77s(P*)，且至少存在一个"e{l,2,...，iV}，使iVC^(P')〉(PJ，则根据定义2，F不是Nash均衡，这显然与条件矛盾，即这样的P'不存在，故定理l成立。■定理2MTHBPA模型G的Nash均衡存在且唯一。证明若MTHBPA模型G满足以下三个条件①^的决策空间是欧氏空间上的凸集；②iVC^(P)是定义域上的连续函数；③iVC^(P)在其定义域上是关于A的凹函数，则G存在Nash均衡。显然G满足①和②，下面验证③。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>MTHBPA模型G的最优解为(5)(6)(7)(8)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(9)下面证明MTHBPA模型G的Nash均衡是唯一的。根据式(8)，Nash均衡P满足的不动点方程为P二SJP)，其中Se(P)4(S^S)，S:(i^，…，S^igh若SJP)对任意riG"[l,2，…,i^满足以下三个条件①S:g)〉0;②S:(《)是i^的单调函数；③对任意￡>1，有eS"i^2S"ed则不动点方程是标准的，标准不动点方程收敛到唯一的不动点。s:尸〉o且s;:尸)是尸的单调增函数，对任意￡>1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>故P二SJP)是标准不动点方程，G的Nash均衡是唯一的。本发明给出一种MTHBPA模型的迭代算法，算法的步骤如表l所示c表1MTHBPA模型的迭代算法<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>10)由表l不难看出，该算法的功率分配过程是分布式进行的，每个基站单独计算本小区组播业务的发送功率，基站之间需要交互每种业务的发送功率及用户的CSI，由定理2的证明过程可知，算法是收敛的。权利要求1.一种适用于移动组播系统的多小区干扰协调功率分配方法，其特征在于，该方法的具体实现步骤为第一步令迭代次数标记t＝0，令功率分配矢量<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msup><mi>P</mi><mi>t</mi></msup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mi>max</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>P</mi><mn>2</mn><mi>max</mi></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>N</mi><mi>max</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100298290002C1.tif"wi="48"he="7"top="44"left="123"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>初始化各业务的定价因子w1，w2，…，wN，初始化算法迭代精度θ，其中N表示使用某个同频子信道的小区数，设第n个小区中使用该子信道组播的业务为Sn，订阅业务Sn的移动用户数为Kn，功率分配矢量<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msup><mi>P</mi><mi>t</mi></msup><mo>=</mo><msup><mi>P</mi><mi>t</mi></msup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mi>t</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>P</mi><mn>2</mn><mi>t</mi></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>N</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100298290002C2.tif"wi="47"he="7"top="75"left="76"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>Pnt表示第t次迭代业务Sn分配的功率，Pnmax表示业务Sn所能分配到的最大发送功率；第二步令t＝t+1，对所有的n∈{1，2，…，N}计算<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn><mo>,</mo></mtd><mtd><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></msubsup><mo><</mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mi>B</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>ln</mi><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow><msub><mi>w</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>K</mi><mi>n</mi></msub></munderover><mfrac><msubsup><mi>γ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>t</mi></msubsup><mrow><mi>Γ</mi><mo>+</mo><msubsup><mi>γ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>t</mi></msubsup></mrow></mfrac><mo>,</mo></mtd><mtd><mn>0</mn><mo>≤</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></msubsup><mo><</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>max</mi></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>max</mi></msubsup><mo>,</mo></mtd><mtd><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>≥</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>max</mi></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>]]></math></maths>其中，B为子信道带宽，Γ＝-ln(5αe)/1.5为AWGN信道中在一定误码率αe要求下M-QAM调制信号与Shannon容量的信干噪比差值，<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>γ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>t</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>g</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></msubsup></mrow><mrow><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>l</mi><mo>≠</mo><mi>n</mi></mrow><mi>N</mi></munderover><msubsup><mi>g</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>l</mi></msubsup><msubsup><mi>P</mi><mi>l</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>+</mo><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0004"file="A2009100298290002C4.tif"wi="41"he="17"top="153"left="121"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>表示第t次迭代中第n个小区订阅业务Sn的第k个用户的接收信干噪比，gn，kl表示第l个小区的基站到第n个小区订阅业务Sn的第k个用户的信道增益，σ2表示各移动用户接收机的加性Gauss白噪声功率；第三步若Pt+1-Pt的向量范数不超过迭代精度θ，则结束算法；否则，转第二步。全文摘要适用于移动组播系统的多小区干扰协调功率分配方法涉及一种适用于多小区移动组播系统多业务之间的功率分配方法。在移动组播系统的每个调度周期，需要为每种业务分配适当的功率以完成点到多点的业务传输，本发明将非合作博弈引入组播系统多小区功率分配中。以最大化系统吞吐量为目标建立多小区组播系统功率分配模型，证明该模型的Nash均衡解是Pareto最优的，讨论Nash均衡的存在性与唯一性，给出一种简单的分布式迭代算法。在不减少系统吞吐量的前提下，本发明所提功率分配方法各业务的发送功率随定价因子的增加而降低；本发明所提功率分配方法可以有效协调小区间同频干扰，提高系统吞吐量，节省基站的发送功率。文档编号H04W16/00GK101516065SQ200910029829公开日2009年8月26日申请日期2009年3月18日优先权日2009年3月18日发明者唐苏文,明陈申请人:东南大学