一种基于多信道启发式分簇的异构蜂窝网络资源分配方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于多信道启发式分簇的异构蜂窝网络资源分配方法。

背景技术：

无线通信系统中频谱资源是有限的，为能够服务尽可能多的用户，基站给许多用户分配相同的频谱资源。这种方法能够充分使用频谱资源，却给使用相同频谱的用户之间引入了干扰。当用户受到的干扰过大时，就会使传输信息产生错误甚至导致通信中断，因此必须通过合理地资源分配以减少用户间的干扰。在分层异构网络中，家庭基站网络和宏小区同时为覆盖范围内的用户提供无线通信服务，为了减少同信道干扰，需要对各个用户使用的信道进行分配和功率控制。

在分层异构网络中，家庭基站网络和宏小区同时为覆盖范围内的用户提供无线通信服务，为了减少同信道干扰，需要对各个用户使用的信道进行分配，其中，基于图论的启发式分簇算法分配信道是实施起来比较简单的一种。该算法通过将家庭基站划分成多个簇并与宏用户联合信道分配完成信道的复用，减少用户间的同层干扰和跨层干扰。但该算法只为家庭基站分配一个信道，不能满足家庭基站多用户的要求，频谱利用率不够高。同时，现有研究中对于家庭基站信道上的功率控制研究也较少，大多是只考虑每个家庭基站一个家庭用户的情况。

因此对于分层异构网络下行场景，本发明对基于图论的分簇算法做出改进，利用多信道启发式分簇算法和博弈论来分析网络中的干扰并加以管理，通过合理的资源分配达到保证用户性能、提高频谱利用率的目的。本发明利用多信道启发式分簇算法使家庭基站加入多个簇中，通过对宏用户和家庭用户的联合信道分配使家庭基站能够使用多个信道，之后建立非合作博弈模型对家庭基站各信道的发射功率进行博弈，控制家庭基站造成的干扰，保障用户的通信性能。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是给出一种分层异构网络中能够充分利用频谱资源，减少同层干扰和跨层干扰，保证所有用户通信质量的基于多信道启发式分簇的资源分配方法。

技术方案：本发明的基于多信道启发式分簇的异构蜂窝网络资源分配方法，包括以下步骤：

1)联合信道分配

1.1)定义家庭基站集合{V}＝{v₁,v₂,......,v_F}，{v_i}代表家庭基站i，家庭基站的数目为F，宏用户数与信道数相等，均为M，家庭基站的初始发射功率相同，每个家庭基站发射功率为P_i，家庭基站i分配的信道为T_i个；

1.2)家庭基站i计算受到家庭基站j的干扰权重，公式如下：

其中是家庭基站j对家庭基站i用户干扰信号的信道增益，家庭基站i对本基站用户有用信号的信道增益，δ是权重的门限，小于这个门限可以视为两个家庭基站之间没有干扰，通过公式求出家庭基站i所受干扰权重之和，形成干扰权重集合{W}＝{w₁,w₂,......,w_F}；

1.3)将家庭基站按干扰权重w_i降序排列，形成家庭基站排序后的新集合{V'}；

1.4)根据信道数M将家庭基站划分为簇{C_n}_n∈M：

1.4.1依次从家庭基站集合{V'}中取出一个家庭基站i加入簇C_n，簇C_n会对家庭基站i产生干扰的家庭基站数为{v_i'}为簇C_n中对家庭基站i产生干扰的基站集合，簇C_n增加的权重之和为从所有的簇中选取W_lⁿ最小的前T_i个簇将家庭基站加入，从家庭基站集合{V'}中删去该家庭基站；

1.4.2重复步骤1.4.1直至家庭基站集合{V'}为空，则家庭基站分簇完成；

1.5)家庭基站与宏用户联合信道分配：

1.5.1宏用户数目为M，宏用户集合为{Mu}，将宏用户按照距离宏基站从近到远的顺序排列，得到新宏用户集合{Mu'}，并按照顺序依次为宏用户分配一个信道；

1.5.2按照顺序从宏用户集合{Mu'}中取出一个宏用户m，计算它受到簇C_n的干扰与噪声之和为家庭基站i到宏用户m干扰信号的信道增益，从簇集合{C_n}中选择一个使得IN_n最小的簇C_n'将宏用户m与该簇相匹配，簇内的家庭基站与宏用户使用同一信道，将该家庭基站簇和宏用户从家庭基站簇集合{C_n}和宏用户集合{Mu'}中删去；

1.5.3重复步骤1.5.2直至家庭基站簇集合{C_n}和宏用户集合{Mu'}都为空，联合信道分配完成；

2)分配家庭基站各信道发射功率

2.1)初始化：设ε＝10^-5，time＝0，家庭基站各信道的发射功率为{P_i,t}^(time)＝{P max/T_i}，其中P max为家庭基站最大发射功率，T_i为家庭基站i使用的信道数；

2.2)计算家庭基站各信道发射功率，公式如下：

其中B为信道带宽，k是惩罚项的系数，为家庭基站i对宏用户m干扰信号的信道增益，为家庭基站i对其他使用信道t的家庭用户的干扰信号信道增益之和，是家庭基站i在信道t上的信干噪比，计算公式为C_n是使用信道t的家庭基站簇，为簇C_n中其他家庭基站在信道t上对家庭基站i用户的干扰之和，P_m是宏基站总发射功率，M为宏用户数，为宏基站到家庭基站i的用户的干扰信号信道增益，是宏基站造成的干扰，N0是系统的噪声功率谱密度，B为信道带宽，N0*B是信道上的噪声。每个信道上发射功率有限制，为0＜P_i,t≤Pmax/T_i，Pmax是家庭基站最大的发射功率，每个信道上的最大功率为家庭基站总发射功率与用户数(即信道数)之商。

2.3)执行步骤2.2后，检查各家庭基站每个信道上的功率与上一次的功率是否满足ε为迭代门限，如果不满足，令time＝time+1，算法跳到步骤2.2继续执行；如果满足，则博弈结束；最终获得家庭基站各信道发射功率集合家庭基站据此调整发射功率。

本发明基于分层异构网络中家庭基站网络和蜂窝网络的两层场景，对无线网络中的功率资源、信道资源做出合理的分配。对基于图论的启发式分簇算法做出改进，首先建立有向干扰图并计算每个家庭基站的干扰权重，将家庭基站加入多个簇中，通过与宏用户联合信道分配使家庭基站能够使用多个信道，提高了系统的频谱利用率。

本发明方法利用博弈论原理建非合作博弈模型，博弈既考虑了每个家庭用户的吞吐量，也考虑了家庭基站发射功率在该信道上对宏用户以及其他家庭用户的干扰，既提高了家庭用户的吞吐量，又保障了其他用户性能。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、不同于一般的启发式分簇算法的情况，本发明对该算法做出了改进，使得家庭基站能够通过使用该算法以及联合信道分配获得多个信道。

2、提出的功率博弈算法针对家庭基站的每个信道，单独对每个信道的功率进行调整；效用函数给家庭基站发射功率对不同用户造成的干扰设定了惩罚，对宏用户的干扰的惩罚大于对家庭用户的，着重保护宏用户的性能。

3、采用图论对家庭基站和宏用户联合信道分配，同时考虑到跨层干扰和同层干扰，使得信道划分更加合理，减少了使用同一信道的家庭基站簇和宏用户的干扰，保证了宏用户的性能，对家庭用户的性能也有一定的改善作用。

附图说明

图1为两层网络下行模型图。

图2为本发明方法的流程示意图。

图3、图4、图5，图6为两层网络中用户的中断概率和网络吞吐量的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实例和说明书附图1、2对发明的技术方案进行详细说明：

本发明利用图论和博弈论对分层异构网络中的功率资源、信道资源做出合理的分配：对基于图论的启发式分簇算法做出改进，先利用图论为家庭基站网络建立有向干扰图模型，计算出每个家庭基站加入簇后受到的干扰权重，并根据干扰权重将家庭基站加入多个簇中，每个宏用户分配信道后根据在簇上受到的干扰大小选择合适的簇配对，簇中的家庭基站能使用配对的宏用户的信道，家庭基站因此可以获得多个信道；利用博弈论为家庭基站各信道发射功率建立非合作博弈模型，博弈考虑了家庭用户的吞吐量以及造成的干扰，经过多次博弈后得出最佳的发射功率集合。

本发明研究的异构蜂窝网络下行场景如图1所示，基于多信道启发式分簇的异构蜂窝网络资源分配方法的总体流程图见附图2。

本发明的一种基于多信道启发式分簇的异构蜂窝网络资源分配方法，包括以下步骤：

1)联合信道分配

1.1)定义家庭基站集合{V}＝{v₁,v₂,......,v_F}，{v_i}代表家庭基站i，家庭基站的数目为F，宏用户数与信道数相等，均为M，家庭基站i的发射功率为P_i，所有家庭基站初始发射功率相同，为P^f，家庭基站i分配的信道为T_i个。

从基站发射到用户接收的信号会经过一段距离，产生衰落，衰落的大小与两者之间的距离d有关。本方法中采用的衰落模型的衰落公式如下：

(1)宏基站到宏用户的衰落：

PL(dB)＝30+40*log10(d)+10 (1)

(2)家庭基站到家庭用户、家庭基站到宏用户、宏基站到家庭用户的衰落

当d＞15时，

PL(dB)＝60+25*log10(15)+40*log10(d-15)+10 (2)

当d≤15时，

PL(dB)＝40+25*log10(d)+10 (3)

由信道衰落可以获得用户的信道增益。宏基站到宏用户m的信道增益为家庭基站i到宏用户m的信道增益为家庭基站i到家庭用户j的信道增益为宏用户的范围是m∈{1,2,...,M}，家庭基站的范围是i∈{1,2,...,F}。

家庭用户i受到家庭基站j的干扰，表示形式如下：

1.2)家庭用户设备检测到自己受到的干扰Ig_i,j,计算来自家庭基站j的干扰权重。由于假设家庭基站初始发射功率相等均为P^f，则家庭基站i受到家庭基站j的干扰权重计算公式是：

其中δ是干扰权重的门限，小于门限则认为家庭基站之间没有干扰。通过公式求出家庭基站i所受干扰权重之和，形成干扰权重集合{W}＝{w₁,w₂,......,w_F}。

1.3)将家庭基站按干扰权重降序排列，形成家庭基新集合{V'}；

1.4)根据信道数M将家庭基站划分为簇{C_n}_n∈M。

1.4.1依次从家庭基站集合{V'}中取出一个家庭基站i加入簇C_n，簇C_n会对家庭基站i产生干扰的家庭基站数为其中{v_i'}是簇C_n中会对家庭基站i产生干扰的家庭基站的集合。W_lⁿ是加入簇n后簇干扰权重的增长，计算该家庭基站加入簇后增加的权重之和，公式如下。

对所有簇都计算W_lⁿ后形成增加权重的集合{W_lⁿ}_n∈M，从集合中选取W_lⁿ最小的前T_i个家庭基站簇C_n'将家庭基站i加入，从家庭基站集合{V'}中删去该家庭基站。

1.4.2重复1.4.1步骤直至家庭基站集合{V'}为空，则家庭基站分簇完成。

1.5)家庭基站与宏用户联合信道分配。

1.5.1宏用户数目为M，宏用户集合为{Mu}，将宏用户按照距离宏基站从近到远的顺序排列，得到新宏用户集合{Mu'}，并按照顺序依次为宏用户分配一个信道；

1.5.2按照顺序从宏用户集合{Mu'}中取出一个宏用户m，计算它受到簇C_n的干扰与噪声之和为家庭基站i到宏用户m干扰信号的信道增益，从簇集合{C_n}中选择一个使得IN_n最小的簇C_n'将宏用户m与该簇相匹配，簇内的家庭基站与宏用户使用同一信道，将该家庭基站簇和宏用户从家庭基站簇集合{C_n}和宏用户集合{Mu'}中删去；

1.5.3重复步骤1.5.2直至家庭基站簇集合{C_n}和宏用户集合{Mu'}都为空，联合信道分配完成。

2)分配家庭基站各信道发射功率

2.1)根据所述步骤1)中得到的家庭基站和宏用户的信道分配情况，同时采集各基站的信息，对家庭基站各信道的发射功率采用非合作模型进行博弈，并设计效用函数。

本发明对家庭基站发射功率采用非合作博弈，各家庭基站中的用户数随机但小于总信道数，每个家庭用户使用一个信道，家庭基站博弈每个信道上的发射功率，博弈设置如下：

其中I为家庭基站集合，每个用户使用一个信道，为家庭基站各信道发射功率的集合，T_i为家庭基站i使用的信道，为家庭基站的效用函数集合。

效用函数既考虑家庭用户的吞吐量，又考虑对其他用户的干扰，定义为：

其中第一项是家庭基站i在信道t上的吞吐量，是家庭基站i在信道t上的信干噪比，计算公式为：

C_n是使用信道t的家庭基站簇，为簇C_n中其他家庭基站在信道t上对家庭基站i用户的干扰之和，P_m是宏基站总发射功率，M为宏用户数，为宏基站到家庭基站i的用户的干扰信号信道增益，是宏基站造成的干扰，N0是系统的噪声功率谱密度，B为信道带宽，N0*B是信道上的噪声。第二项是家庭基站i在信道t上对使用信道t的宏用户和家庭用户造成干扰的惩罚，k是惩罚项的系数。每个信道上发射功率有限制，为：0＜P_i,t≤Pmax/T_i，Pmax是家庭基站最大的发射功率，每个信道上的最大功率为家庭基站总发射功率与用户数(即信道数)之商。

当博弈出的家庭基站功率不再变化时，博弈就到达了纳什均衡。到达纳什均衡时，任何一个博弈者都不能依靠单独改变自己的策略以获得更好的效益，即可以表示为：

此时就是功率博弈的纳什均衡解。

2.2)初始化：设ε＝10^-5，time＝0，家庭基站各信道的发射功率为{P_i,t}^(time)＝{Pmax/T_i}，其中Pmax为家庭基站最大发射功率，T_i为家庭基站i使用的信道数；

2.3)家庭基站根据公式调整各信道发射功率，公式如下：

其中B为信道带宽，k是惩罚项的系数，为家庭基站i对宏用户m干扰信号的信道增益，为家庭基站i对其他使用信道t的家庭用户的干扰信号信道增益之和，是家庭基站i在信道t上的信干噪比。

同时，各信道发射功率受限，还需带入公式：

各家庭基站根据公式(11)和(12)求出家庭基站的发射功率，获得家庭基站发射功率集合集合。

2.4)执行步骤2.3后，检查各家庭基站每个信道上的功率与上一次的功率是否满足ε为迭代门限，如果不满足，令time＝time+1，算法跳到步骤2.3继续执行；如果满足，则博弈结束；最终获得家庭基站各信道发射功率集合家庭基站据此调整发射功率。

综上所述，本发明在分层异构网络下行场景采用图论思想为家庭基站网络构建有向干扰图模型，根据干扰权重计算公式算出家庭基站干扰情况，并基于改进的启发式分簇算法将家庭基站分入多个簇，与宏用户进行联合信道分配。此后，对家庭基站的在所占用信道上的发射功率采用非合作博弈模型，通过迭代到达均衡获得家庭基站的最佳发射功率集合。

如附图3和图4所示，基于多信道启发式分簇的异构蜂窝网络资源分配方法在家庭用户中断概率与分簇但未功率控制算法相似，且比无分簇和功率控制的低，在宏用户中断概率上要低于另外两种算法；附图5和附图6中基于多信道启发式分簇的异构蜂窝网络资源分配方法由于减少了对其他用户的干扰，家庭基站总吞吐量与分簇但未功率控制算法的相近，但要大于无分簇和功率控制算法，而宏基站的吞吐量要优于另两种算法。