一种超密集异构网络能量有效资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超密集异构网络能量有效资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 为了提升无线通信网络的数据速率，满足用户爆炸式的的数据速率需求，3GPP LTE-A提出一种在传统蜂窝宏站覆盖范围内密集部署同频微微站、毫微微站和中继等低功 率小站的超密集异构网络架构 [1]。通过超密集部署小站可以提升整个网络数据容量和覆盖 范围，但是对于网络的能量消耗和网络中基站之间的互干扰也大幅提升，限制了网络性能 的进一步提升。十二五以来，我国越来越注重环境保护以及二氧化碳的排放，节能减排，降 低网络能量消耗，绿色通信成为了通信行业的主旋律。因此，通信行业内专家们认为如何克 服网络性能的提升与网络中能量消耗和干扰的提升之间的冲突，提升网络能量效率将成为 下一阶段通信行业研究的重点。目前，国际上两大合作项目MVCE和EARTH也都投入了大量的 人力和物力进行有关能量效率的研究 [2'3]。
[0003] 现有的关于能量效率的技术方案中，一部分仅考虑同类基站之间的资源分配以达 到抑制同层干扰或跨层干扰的问题。另一部分虽然考虑了干扰的不同情况，但是这些方案 却导致了频谱效率利用率低和子载波分配自由度低的问题，这些在实际系统中很难被应 用。在文献[4]中，作者提出一种在异构网络中基于改进粒子群算法的微微站发射功率和小 区边缘扩展偏执的优化算法。该算法将各个微微站的发射功率和小区边缘扩展偏执建模成 一个优化问题，约束条件包括微微站的功率小于最大值和小区边缘扩展偏执小于最大值， 采用改进粒子群算法对该问题进行求解，进而达到最优化微微站能量效率的目的。
[0004] 文献[4]的算法具体步骤如下：
[0005] 网络模型和系统参数:假设异构网络中有0个宏站、P个微微站和U个用户，网络中 总的站点集合记为C= {Cm，Cp}。其中，宏站集合记为Cm= {mi，m2，"_，me}，宏站发射功率均为 Pm。微微站集合记为CP= {Pl，p2,…，pP}，微微站的发射功率可调，最大的发射功率记为。 微微站的小区边缘扩展偏执可调，最大的小区边缘扩展偏执记为sr5 ,迭代次数和重新初 始化次数分别记为t、s，最大迭代次数和最大重新初始化次数分别为tlter、tre5S，初始化迭代 次数t = 0和重新初始化次数s = 0。
[0006] 第一步:初始每个微微站候选发射功率集合，小区边缘扩展偏执集合，微微站的功 率调整尺度集合和小区边缘扩展偏执调整尺度集合。随机初始化N个微微站候选发射功率 集合庐(〇(/ = 1,2，~，]\〇和小区边缘扩展偏执集合汉(〇(/ = 1,:2>"。况），以及相应的功率调整 尺度集合夕(〇(，? = U,…，#)和小区边缘扩展偏执调整尺度集合(/ = I,2,…TV)。其中， 每个候选发射功率和小区边缘扩展偏执集合、发射功率和小区边缘扩展偏执调整尺度集合 均包含P个微微站的候选发射功率和小区边缘扩展偏执、功率和小区边缘扩展偏执调整尺 度，即 #(，)={以 汉(，)=K(，)，〇)，…O)}， 以(，)={&(，)，&⑷，…，&⑷}和 = 7； (〇,???,〇)卜微微站的候选发射功率，候选小区边缘扩展偏执，功率调 整尺度和小区边缘扩展偏执需满足g 4〇，fx]，^ ep,5^x]^ 和 r；；e[-5；a\5；-],jep
[0007]第二步：计算各候选功率集合和候选小区边缘扩展偏执集合对应的系统能量效 率。用户u(ueu)计算其接收到的来自各个站点的参考信号接收功率RSRPu>c；(ueU，CeC)和 相应的小区边缘扩展偏执B。，用户选择最大RSRP U,C+BC的作为其服务小区记为Cu，并将相关 信息反馈给服务小区，各个服务小区计算用户在每个候选功率集合和候选小区边缘扩展偏 执集合下的可达速率^十）。然后，微微站计算每个候选功率和候选小区边缘扩展偏执集合 对应的吞吐量T(PUt))，如公式1所示，并反馈给宏站。最后，宏站统计其覆盖范围下的微微 站的总吞吐量和相应的功率消耗，计算系统中微微站的能量效率，如公式2所示。
[0010] 其中，T为微微站的吞吐量，即为微微站内用户的速率之和； < 为小区i内的第u个 用户的速率;Wu为第i个粒子中用户u所分配的带宽； < 第i个粒子中u的服务小区Cu所对应 的发射功率;PP为网络微微站所消耗的功率总和;L为负载因子，当微微站内有用户时该值 为1，否则为〇; At为微微站的发射功率功放乘子；#为微微站处于空闲状态时功率消耗； P/为微微站处于休眠状态时功率消耗。
[0011] 第三步:更新自身和全局最优的发射功率和小区边缘扩展偏执集合。若迭代轮数t = 〇，各站点将当前发射功率和小区边缘扩展偏执集合作为自身最优集合，记为g (〇)和玟.(〇)， 其中，F (0) = F (0)和双（0)=汉（0)比较上一步(若t=〇,则就是当前时刻)得到的所有候选 集合对应的各个能量效率，将能量效率最大的集合作为当前全局最优集合，记为巧(〇)和叫0)， 其中，''V川=arg max"丨(7，'（0)，F (〇))和民（0) = arg max VJ{r) ' 得到的各候选集合的能量效率与上一轮自身迭代及全局最优集合的能量效率做比较，若对 V/ e [丨，叫，飞,(P'⑴，汉⑴)> (C (卜-丨)，& (，.-丨》^ 缘扩展偏执集合e (，)=穸(，)和玟(0 =玫(0，否则，V (，) = C (r - 1)和珲(r)=珲(r-1);若 1)及(卜i))，则更新全局最优功率集合巧(0=畔=叫4^ 和最优小区边缘扩展偏执集合 AG)^^-1)。由于和坎⑷以及R⑴和巧⑴是由尹⑷和玫⑴替换得到，因此 如..^'⑴A (0)以及％,..(以0及⑶可由能量效率计算公式⑵得到。
[0012 ] 第四步：更新迭代轮数t = t+l。
[0013] 第五步:更新候选发射功率和小区边缘扩展偏执调整尺度以及候选发射功率和小 区边缘扩展偏执集合。计算新的功率调整尺度集合SHt)和小区边缘扩展偏执调整尺度集 合f (f)以及候选发射功率集合P (f)和候选小区边缘扩展偏执集合F (小如公式3到公式 6所示：
[0014] S ⑴=(，-1) + % (尸'(卜 1) - (，- 1)) + cV.2 (巧(卜 1)-浐(/ - 1)) G )
[0015] P,(/) = 7-7/(/-l) + 5,(〇 (4)
[0016] 厂(./) = .(wF' ( / - 1).+Wi (耳:(f - 1.)-.沒! (/ - 1)).+cy2 (I1 .，1) - -.1)) (5 )
[0017] 5/(〇 = F(^-l) + T/(/) C6)
[0018] 其中，参数ri、r2为在[0，1]区间之内的随机数，为了保证算法迭代过程的收敛性， 限制惯性权重因子《及算法加速因子(^、(3 2的取值范围如式7所示： 0 < (B < 1
[0019] " 0 < c^] +c2r2 < 4 (7) co> -rc-.r.)/2 -1
[0020] 第六步:算法结束条件判断。若t〈tlter，且所有候选发射功率和小区边缘扩展集合 与全局最优发射功率和小区边缘扩展偏执集合间的距离之和大于规定门限值￡，则算法回 到第二步，计算各更新的候选功率和小区边缘扩展偏执集合对应的微微站能量效率并更新 自身及全局最优发射功率和小区边缘扩展偏执集合;否则，算法进行第七步。
[0021 ]第七步:算法中重新初始化结束条件判断。若S〈tras，则设置重新初始化次数为s = s+1。令t = 0,重新初始化N-1种候选发射功率和小区边缘扩展偏执集合，与当前全局最优功 率和小区边缘扩展偏执集合一起作为新的N种候选发射功率和小区边缘扩展偏执集合，并 重新初始化N种发射功率和小区边缘扩展偏执调整尺度，算法返回到第二步;计算各新的候 选集合对应的微微站能量效率并更新自身及全局最优发射功率和小区边缘扩展偏执集合； 否则，进行第八步。
[0022]第八步：停止，按照得到的全局最优发射功率和小区边缘扩展偏执集合设置各微 微站的发射功率和小区边缘扩展偏执。
[0023]上述方法存在如下的缺点：
[0024] 1、忽略宏站资源分配。由于在异构网络中，宏站才是网络中的主要能量消耗源，但 是现有的方案中没有考虑对宏站资源的分配。
[0025] 2、网络优化模型忽略用户速率限制。在进行资源分配的过程中，由于网络的优化 目标是能量效率，网络中的基站将会以节能为首要目标，从而导致网络中的用户速率没有 办法保证。
[0026] 3、网络优化目标只考虑微微站能量效率。现有方案对于网络的建模只是考虑了微 微站的能量效率，而没有考虑全网能量效率。由于在优化发射功率和小区边缘扩展偏执过 程中，用户的服务基站是动态变化的，会发生用户的不断切换，网络的总吞吐量会发生变 化，因此，只考虑微微站的能量效率对于网络的性能评价不够准确。
[0027]缩略语和关键术语定义
[0028] HetNets Heterogeneous Networks 异构网络
[0029] 3GPP the 3rd Generation Partnership Project 第三代合作伙伴项目
[0030] LTE-A Long Term Evolution-Advanced 先进的长期演进
[0031] MVCE Mobile Virtual Centre of Excellence 卓越移动虚拟中心
[0032] EARTH Energy Aware Radio and neTwork tecHnologies 能量有效无线和网络技术
[0033] EE Energy Efficiency 能量效率
[0034] RSRP Reference Signal Receiving Power 参考信号接收功率
[0035] MUE Macrocell User Equipment 宏站用户
[0036] PUE Picocell