专利名称：一种异构网络中基于博弈论的高效功控方法
技术领域：
本发明涉及一种用于异构网络中的功率控制方法，确切地说，涉及一种基于博弈论的高效功控方法，属于无线通信技术领域。
背景技术：
随着数据业务的不断增长，通过简单的小区分裂或LTE R8/R9中的小区间干扰协调ICIC (Inter-celIInterferenceCoordination)技术已经难以提高数据容量和小区边缘频谱效率。所以通过改变网络的拓扑结构以显著提高网络容量的技术应用而生，在现有的宏小区中覆盖低功率节点成为一种必然选择，这就形成了异构网络。异构网络就是在现存宏小区中部署低功率节点，比如微小区(Picocell)、家庭小区(Femtocell)和中继(RelayNode)的网络(参见图1所示)。然而在这种网络部署结构下，传统宏基站和低功率传输节点之间存在共信道干扰，而缓解共信道干扰的一种有效的方法就是功率控制。本专利中，异构网络模型以宏基站和家庭基站共存的网络为例。在无线蜂窝网络的设计中，功率控制是一个至关重要的自由度，功率控制的意义主要体现在干扰管理、能量管理和连通性管理这几个方面。干扰管理:由于无线通信的广播特性，各个信号之间不可避免的会存在相互干扰。这个问题在干扰受限的系统中尤其严重，例如CDMA系统，在此系统中，难以维持用户之间的完美正交性。而通过功率控制则能够确保有效的频谱重用和满足要求的用户体验。能量管理:由于移动终端、手持设备或者任何具有较小能量的节点的电池容量有限，节能对于这些设备甚至网络的寿命而言，是非常重要的。通过功率控制能够最小化能量的开支。连通性管理:即使没有信号干扰和能量受限的约束，由于无线信道的不确定性和时变性，接收机同样需要维持一个最小的接受信号水平，以便接收机能够保持与发射机的链接和估计信道状态信息。对于一个给定的信号处理方案，功率控制能够维持这种连接性。博弈论是建模自私用户之间的相互作用和预测它们策略选择的一种强大工具，博弈论能够为异构网络中的功率控制提供良好的模型。目前，基于博弈论这一经济模型的功率控制已经逐渐受到学术界和产业界的关注。现有的研究方法一般把功率控制问题建模为一个非协作博弈模型NPG(Non-cooperative PowerControlGame)。其中，效用函数既反映了用户通过使用系统资源所获得的满意度水平，也体现了使用该资源的代价，在博弈中，每个用户都是最大化自己的效用函数，不考虑对其它用户的影响，通过博弈得到纳什均衡解。此外，为了优先保证宏用户的性能，现有的功控方法在纳什均衡以后，进一步使用了宏用户链路质量保护方法。通常情况下，博弈功率控制问题一般是通过纳什均衡来求解，然而纳什均衡解是一个低效率的解，并不一定是最优的。具体到异构网络的博弈功率控制算法，低效率问题主要体现在功率分配结束以后，依然有很多用户尤其是家庭用户不能满足他们的最低通信要求，比如信干燥比，也就是说，均衡以后，有很多用户的功率分配是失败的。
此外，现有的宏用户链路质量保护方法虽然能够优先保证宏用户满足其最低通信要求，但是这种方法是以牺牲家庭用户的性能为代价的，这就导致了更多的家庭用户不能满足他们的最低通信要求。所以针对现有研究方法中这两方面的问题，本发明提出了一种高效的博弈功率控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种在异构网络中利用博弈论进行高效功率控制的方法，即一种异构网络中基于博弈论的高效功率控制方法。本发明方法引入了用户选择和信道重分配方法，通过对功率迭代公式结构的改造，从根本上降低了最后不满足信干噪比目标值的家庭用户的百分比。并且本发明方法还提出了一种新颖的基于家庭用户信干噪比的宏用户链路质量保护方法，该方法在保证宏用户性能的基础上，进一步降低了低于信干噪比目标值的家庭用户的百分比。为了达到上述目的，本发明提供了一种异构网络中基于博弈论的高效功率控制方法，用于下述场景:一个包括一个中心宏小区和多个家庭小区这样的通信系统，在每一个信号时隙每个小区中只有一个活跃用户被调度，宏用户和这些家庭用户共用同一个信道；宏用户和家庭用户分别均匀分布在宏小区和家庭小区中；其特征在于:所述方法包括下列两个操作步骤:(I)用户选择和信道重分配阶段:根据用户的信道增益，提出的方法把所有家庭用户分为两类:合格用户和干扰用户a、合格用户:这部分用户指的是自身通信链路增益大于干扰链路增益的家庭用户，对于这部分家庭用户，如果它们同时满足纳什均衡点的功率低于其允许发射的最大功率的条件，那么这部分用户均衡以后的SINR高于他们各自的SINR目标值。b、干扰用户:即自身通信链路增益小于干扰链路增益的家庭用户，这些用户的干扰链路增益大于其本身的信道增益，他们对使用同一个信道的用户产生了严重的干扰，并且即使这部分用户满足纳什均衡点的功率低于其允许发射的最大功率，他们均衡以后的SINR依然不能满足他们的最小信干噪比的要求。显然，如果所有家庭用户都满足自身通信链路增益大于干扰链路增益的条件，那么就可以减少均衡以后低于最小信干噪比要求的家庭用户数量，所以本发明提供的方法首先进行了用户选择，挑选出自身通信链路增益小于干扰链路增益的用户，为他们重新分配信道，重新分配信道以后使它们满足自身通信链路增益大于干扰链路增益的条件，然后，这两组用户在正交的信道上分别进行功率博弈，并且收敛到不同的均衡点。通过将用户选择和信道重分配算法与传统的非协作功率控制博弈结合起来，改造了功率迭代公式的结构，移除了自身通信链路增益小于干扰链路增益的这些用户，从而从根本上降低了最后低于信干噪比目标值的家庭用户的百分比。(2)基于家庭用户信干噪比的宏用户链路质量保护阶段:如果宏用户不能满足最低的信干噪比要求，则执行此步骤，否则不执行。在此方法中，仅仅挑选出具有信干噪比余量的家庭用户，通过减少这些用户的发射功率来保证宏用户的SINR性能，所以不会产生更多的低于它们各自SINR目标值的家庭用户，所提宏用户保护方法的具体步骤如下:
(21)所有家庭用户计算均衡以后的信干噪比余量，即家庭用户纳什均衡点的SINR与其目标SINR的差值，然后挑选出信干噪比余量大于零的家庭用户。(22)将这部分用户按照信干噪比余量的进行降序排序。(23)减少第一个用户的发射功率，使其信干噪比降低到他本身的目标SINR值。(24)重新计算此时宏用户的信干噪比，判断宏用户是否达到了他自身的目标SINR值，如果宏用户满足了自身的目标SINR，则停止算法，如果依然没有达到就返回步骤
(21)，直到宏用户满足了自身的目标SINR。本发明基于博弈论的功控方法是一种基于用户选择和信道重分配的高效功率控制方法，并且在此方法中还提供了一种基于家庭用户信干噪比的宏用户链路质量保护方法。其优点是:在保证宏用户信干噪比的前提下，尽可能的改善了家庭用户的信干噪比性能。本发明方法的创新关键是:在传统的非协作功控方法中引入了用户选择和信道重分配，以及提出的一种新颖的基于家庭用户信干噪比的宏用户链路质量保护算法。本发明能够使尽可能多的用户在功率分配结束后满足它们最小的SINR目标值，保证他们能够正常通信。
图1是异构网络部署结构的示意图。图2是本发明应用场景:家庭小区异构网络的拓扑结构和干扰场景示意图。图3是本发明异构网络中高效功率控制方法的流程图。图4是本发明实施例中，低于SINR目标值的家庭用户的百分比仿真图。
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图5是本发明实施例中，家庭用户的平均SINR仿真图。图6是本发明实施例中，家庭用户SINR低于目标值的平均百分比仿真图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。参见图2,先介绍本发明方法的应用场景:包含一个宏小区Btl和N个家庭小区BiQ e {1,2,...,N})的异构网络，其中，在每一个信号时隙每个小区中只有一个活跃用户被调度，宏用户和这些家庭用户共用同一个信道，即N+1个用户共用同一个信道；宏用户和家庭用户分别均匀分布在宏小区和家庭小区中；考虑上行链路场景，用户i链接到其服务基站Bi, Pi表示用户i的发射功率，σ 2表示在基站Bi处的加性高斯白噪声，gi, i表示用户i到其相应的服务基站Bi的自身通信链路增益，gi,j表示用户j到基站Bi的干扰链路增益，Fi为用户i在基站Bi处最低的能够接受的SINR目标值，Pne为纳什均衡点处的用户功率，
■为纳什均衡点处的用户信干噪比。参见图3，介绍本发明方法的下列两个操作步骤:(I)用户选择和信道重分配阶段:根据用户的信道增益关系，提出的方法把所有家庭用户分为两类:合格用户和干扰用户。该步骤的操作内容为:(11)合格用户:这部分用户指的是满足条件gu > g0ji的家庭用户。(12)干扰用户:即满足条件gu < g0, i的家庭用户。(13)挑选出干扰用户，为这部分用户重新分配信道，重新分配信道以后使他们满足gi,i> gcM，然后，这两组用户在正交的信道上分别进行功率博弈，并且收敛到不同的均衡点。(2)基于家庭用户信干噪比的宏用户链路质量保护阶段:在此方法中，挑选出具有信干噪比余量的家庭用户，通过减少这部分用户的发射功率来保证宏用户的SINR性能，所提宏用户保护方法的具体步骤如下:(21)宏用户计算自己均衡以后的信干噪比Ytl，判断此时Ytl是否达到信干噪比目标值，即Υ^> Γμ如果低于目标值则进行以下步骤，否则不执行。(22)所有家庭用户计算均衡以后的信于噪比余量，即厶SINRi =Y^e -Ti，然后挑选出ASINRi > O的家庭用户 。(23)将这部分用户按照Λ SINRi的降序进行排序。(24)减少第一个用户的发射功率，使其信干噪比降低到他本身的目标SINR值。(25)重新计算此时宏用户的信干噪比，判断宏用户是否达到了他自身的目标SINR值，如果宏用户满足了自身的目标SINR，则停止算法；如果依然没有达到就返回步骤
(22)，直到宏用户满足了自身的目标SINR，全部流程结束。为了展示本发明方法的实用性能，申请人进行了多次仿真实施试验。试验系统中的的网络配置模型为图2所示的应用场景。仿真试验的结果如图4至图6所示，分别从低于SINR目标值的家庭用户的百分比，家庭用户的平均SINR和家庭用户SINR低于目标值平均百分比三个角度进行了仿真。为了直观地体现出本发明方法的优越性，将本方法的仿真结果与传统非协作功控方法进行了对比。由图4可以看出，本发明方法明显地降低了低于SINR目标值的家庭用户的百分t匕，也就是说提出的方法能够使更多的家庭用户的SINR达到他们的目标值。图5表明，本发明方法获得的家庭用户信干噪比是高于传统博弈功控算法的。即使从偏离信干噪比目标值的平均程度来看，本发明方法能够使家庭用户的信干噪比更加接近他们的目标值，如图6所示，这就为后续家庭用户信干噪比改善的方法降低了难度，这也说明本发明方法具有尽可能地提高家庭用户的信干噪比性能的趋势。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种异构网络中的高效功控方法，用于下述场景:一个包括一个中心宏小区和多个家庭小区这样的通信系统，在每一个信号时隙每个小区中只有一个活跃用户被调度，宏用户和这些家庭用户共用同一个信道；宏用户和家庭用户分别均匀分布在宏小区和家庭小区中；其特征在于:所述方法包括下列两个操作步骤: (1)用户选择和信道重分配阶段:根据用户自身通信链路和干扰链路增益的关系，提出的方法把所有家庭用户分为两类:合格用户和干扰用户，并且从中挑选出干扰用户，为这部分用户重新分配信道，使其成为合格用户； (2)基于家庭用户信干噪比(SINR)的宏用户链路质量保护阶段:在此方法中，为了保证宏用户能够满足最低的信干噪比要求，挑选出具有信干噪比余量的家庭用户，通过减少这部分用户的发射功率来保证宏用户的信干噪比性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述步骤(I)中，用户选择和信道重分配进一步包括下列操作内容: (11)合格用户:这部分用户指的是自身通信链路增益大于干扰链路增益的家庭用户。
(12)干扰用户:即自身通信链路增益小于干扰链路增益的家庭用户。
(13)挑选出干扰用户，为他们重新分配信道，重新分配信道以后使它们的自身通信链路增益大于干扰链路增益，然后，这两组用户在正交的信道上分别进行功率博弈，并且收敛到不同的均衡点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述步骤(2)进一步包括下列操作内容: (21)宏用户计算自己均衡以后的信干噪比Ytl，判断此时YC1是否达到信干噪比目标值 ，即Υ(ι> Γ0Ο如果没有达到目标值则进行以下步骤，否则不执行。
(22)所有家庭用户计算均衡以后的`信干噪比余量，即家庭用户纳什均衡点的SINR与其目标SINR的差值，然后挑选出信干噪比余量大于零的家庭用户。
(23)将这些用户按照信干噪比余量的进行降序排序。
(24)减少第一个用户的发射功率，使其信干噪比降低到它本身的目标信干噪比值。
(25)重新计算此时宏用户的信干噪比，判断宏用户是否达到了它自身的目标SINR值，如果宏用户满足了自身的目标SINR，则停止算法，如果依然没有达到目标SINR，就返回步骤(22)，直到宏用户满足了自身的目标SINR。
全文摘要
一种异构网络中的高效功控方法，操作步骤如下(1)用户选择和信道重分配阶段根据用户自身通信链路增益和干扰链路增益的关系，所提方法把所有家庭用户分为两类合格用户和干扰用户，并从中挑选出干扰用户，为这些用户重新分配信道，使其成为合格用户。(2)基于家庭用户信干噪比(SINR)的宏用户链路质量保护阶段此方法为了保证宏用户满足最低的SINR要求，挑选有SINR余量的家庭用户，通过减少这些用户的功率来保证宏用户的SINR。本发明将用户选择和信道重分配引入到传统的非协作博弈功控方法中，并且提供了一种基于家庭用户SINR的宏用户链路质量保护方法，本发明方法能够在保证宏用户SINR的前提下，尽可能改善家庭用户的SINR性能。
文档编号H04W52/04GK103167593SQ20131000362
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者吕铁军, 马彦辉 申请人:北京邮电大学