上行链路中部分信道状态信息下的干扰管理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别设及正交频分多址接入OFDMA系统中部分信 道状态信息下联合关联控制和资源分配的干扰管理方法，可用于宏基站与家庭基站共存的 异构无线网络上行链路。
【背景技术】
[0002] 研究发现，大约50%的语音业务和70%数据业务都发生在室内。为了满足用户日 益增长的数据传输需求，运营商在传统的宏基站下构建了大量的家庭基站，运就形成了宏 基站和家庭基站共存的异构无线网络。
[0003] 在异构无线网络下行链路中，由于家庭基站的发射功率很小，宏用户无法感知距 离它较远的家庭基站的信道状态信息，使得宏用户只能感知部分信道状态信息。然而在上 行链路中，宏用户会对距离它较远的家庭基站产生干扰。同时在异构无线网络中，用户可W 通过选择接入家庭基站还是宏基站，来进行干扰转移，提高网络吞吐量。所W在上行链路中 部分信道状态信息下，如何对用户进行关联控制和资源分配，来进行干扰转移和抑制跨层 干扰，从而提高网络性能成为了一个重要的研究问题。
[0004] 目前，关于异构无线网络关联控制联合资源分配技术的研究大多只关注下行正交 频分多址接入OFDMA系统，对于上行正交频分多址接入OFDMA系统却少有研究。如Qiaoyang Ye等在IEEE Transactions On Wireless Communications，2013《User Association for Load Balancing in Heterogeneous Cellular Networks))一文中研究了一种异构网络下 行链路中的联合资源分配和关联控制方法，该篇文章中作者采用次梯度的方法求解关联控 审IJ，提高了系统吞吐量。但是该方法关注的是下行，并且文中的次梯度下降法使得关联控制 的收敛速度慢。I Wayan Mustika等在Asia-Pacific Conference on Communications， 2013《A Game-Theoretic Frame-work for Joint Base Station and Resource Selection in LTE Heterogeneous Networks))一文中研究了一种异构网络下基于博弈的 联合基站关联和资源分配方法，该方法减少了跨层干扰，卸载了宏基站的负载，提高了系统 吞吐量。但是该篇文章使用了用户测量到的全部信道状态信息，增加了测量和信息交互开 销。
【发明内容】
[000引本发明针对现有技术的不足，提出一种上行链路中部分信道状态信息下的干扰管 理方法，利用关联控制和资源分配分别进行干扰转移和干扰抑制，W减少跨层干扰和测量 与信息交互开销，提高系统吞吐量和关联控制的收敛速度。
[0006]本发明的技术方案是:通过联合考虑关联控制和资源分配W最大化用户速率的对 数和为目标函数，得到数学优化问题，W减少异构网络上行链路的干扰;再将该数学优化问 题分解成关联控制和资源分配两个子问题，采用拉格朗日对偶分解方法对关联控制问题进 行数学建模，并采用历史次梯度下降法进行关联控制的求解，通过关联控制完成干扰转移。 然后使用参考基站和关联基站的信道状态信息进行资源分配。其实现步骤包括如下：
[0007] (1)系统初始化：
[0008] 假设系统中的基站集合为A ={1，2, . . .，k. . .，M}，其中k表示任意基站，当k = M 时，表示宏基站，当k辛M时，表示家庭基站，基站k的子信道集合为A k= U，2, .. .nk, ...， Nk}，ke A，其中nk表示基站k的任意子信道，Nk表示基站k的子信道数目，系统中的用户集合 为4={1，2,...，u，... Q }，其中U表示任意一个用户，Q表示系统中总的用户数目。
[0009] 初始化迭代次数t = 0,第0次迭代的拉格朗日因子集合MO) = Ui(O)，...，Ak (0)，...，Am(O) }，其中，每个基站的拉格朗日因子MO) =0;
[0010] (2)宏基站M为所有用户进行关联巧制：
[0011] (2a)用户U统计可检测到参考信号的基站集合，记为关联基站集合BSu,并计算关 联基站集合BSu中任意一个基站k在每个子信道上获得的无干扰平均速率，并将运些平 均速率上报给宏基站；
[0012] (2b)宏基站M计算第t次迭代时每个用户的关联基站情况，并统计关联到每个基站 的用户数目：
[0013] (化1)第t次迭代时，宏基站M构造用户U与关联基站集合BSu中任意一个基站k的效 用函数为：乂(0 = in(C[")-為(/');
[0014] (化2)宏基站M将用户U关联到效用函数最大的基站，得到用户U的关联基站ku^3: =啤，并统计关联到每个基站的用户数目，记为Uk(t);
[0015] (2c)宏基站M计算第t次迭代时的对偶函数值为：
[OOW /W'(/)) = IX'"(0 + X(卢 化 " k
[0017] 其中，^."(0为第t次迭代时用户U与关联基站心嘴效用函数；
[0018] (2d)宏基站M判断关联控制是否结束，当迭代次数t>0,且对偶函数值的改变量满 足
时，关联控制结束，执行步骤(3)，否则执行步骤(2e)，其中S表 示关联控制的收敛口限；
[0019] (2e)宏基站M计算下一次迭代的拉格朗日因子集合：
[0020] (2el)宏基站M计算第t次迭代的次梯度方向而为：.而二(.V|(/)，...，.、、;(〇，....V,,(O)， 其中^货'二6山(心+义'…-1_码飼;
[0021] (2e2)宏基站M计算第t次迭代的历史次梯度方向：如果t = 0,则t次迭代的历史次梯 度方向巧巧=而巧；如果t>0，则先计算t次迭代的权重
再计算第t次迭代的历史次梯度方向;
[0022] (2e3)宏基站M计算下一次迭代的拉格朗日因子集合:令*'=*+1，* = *'，则拉格朗 日因子集合为A(t) = {Ai(t)，. . .，Ak(t)，. . .，AM(t)}，其中Ak(t)=Ak(t-l)-adk(t-l)，a表示 迭代步长，返回步骤(2b);
[0023] (3)家庭基站和宏基站分别为关联到它的每个用户进行资源分配：
[0024] (3a)所有家庭基站为关联到它的每个用户进行子信道分配：
[0025] (3al)家庭基站k统计关联到它的家庭用户集合为Xk,并构造家庭用户集合Xk中任 意一个用户n在子信道nk上的效用函数为：
，其中gtwi和各分别表示家庭 用户n在子信道nk上到家庭基站和宏基站的路径增益，ke A，k辛M;
[0026] (3a2)家庭基站k对家庭用户集合Xk中的用户W均分方法进行子信道分配；
[0027] (3b)宏基站M为关联到它的宏用户进行子信道分配：
[0028] (3bl)宏基站M计算宏用户e在子信道nM上的参考家庭基站为 各心6.。,,，该参考家庭基站为宏用户e接收到信号强度最强的家庭基站，其中 各;为宏用户e在子信道m上到家庭基站k的路径增益；
[0029] (3b2)宏基站M统计关联到它的宏用户集合为XM，并构造宏用户集合XM中任意一个 用户e在子信道m上的效用函数为：
[0031 ]其中，pM表示宏基站下用户的发射功率，pp表示家庭基站下用户的发射功率， 雜E抽和施分别表示宏用户e在子信道riM上到宏基站M和参考家庭基站心,V的路径增 益，表示参考家庭基站r￡%。下使用子信道m的用户到该家庭基站的路径增益，每枯相 表示宏用户e在子信道m上受到的来自同频邻居家庭基站的干扰；
[0032] (3b3)宏基站M对宏用户集合XM中的用户W均分方法进行子信道分配。
[0033] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0034] 1)本发明在上行链路的部分信道状态信息下，通过定义参考基站，仅使用参考基 站和关联基站的信道状态信息进行资源分配，不仅抑制了跨层干扰，提高了系统吞吐量，同 时减少了系统的测量和信息交互开销。
[0035] 2)本发明采用历史次梯度下降法求解关联控制问题，不仅实现了干扰转移，提高 了系统吞吐量，同时提高了关联控制的收敛速率。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明的应用场景图；
[0037] 图2为本发明的实施流程图；
[0038] 图3为本发明的仿真场景图；
[0039] 图4是本发明与现有资源分配算法关于每个子信道上速率的累积分布比较图；
[0040] 图5是本发明与现有联合关联控制和资源分配方法随用户数目变化的吞吐量对比 图；
[0041 ]图6是本发明与现有关联控制算法收敛速度的比较图。
【具体实施方式】
[0042] W下参照附图，对本发明的技术方案和效果做进一步描述：
[0043] 参照图1，本发明的应用系统包括一个宏基站M、E个家庭基站和Q个用户，且Q个 用户随机分布在宏基站的覆盖范围内。每个用户只能够连接一个基站，基站下的每个子信 道只能分配给一个用户。为了提高资源利用率，家庭基站与宏基站采用共道的部署方法，家 庭基站的频谱分配可W根据现有的图论方法进行分配:相邻的家庭基站之间使用正交的频 谱，距离较远的家庭基站之间使用相同的频谱。
[0044] 参照图2，本发明的实现步骤如下：
[004引步骤1:系统初始化。
[0046] 设系统中的基站集合为A