基于无偏广播Gossip算法的双层网络功率控制方法与流程

本发明涉及双层网络功率控制方法。

背景技术：

分布式共识：gossip算法在分布式信号处理方面主要是解决分布式共识问题。分布式共识问题就是网络中的所有节点能够通过与邻居节点间本地信息的交换，最终使所有节点的状态值相同。如果此状态值是节点初始值的平均值，则称为平均共识。假设无线传感器网络有n个节点，每个节点采集其所在位置的参数值。t＝0为初始时刻，每个节点的初始值为xi(0),i＝1,2,...,n。xi(t)表示t时刻i节点的参数值。将所有初始值写成向量形式有x(0)＝[x1(0),x2(0),...,xn(0)]^t。假设在t时刻i节点被随机激活，同时选择了某个邻居节点j，二者交换信息，xi(t+1)＝xj(t+1)＝(xi(t)+xj(t))/2。直观地只要网络是连通的，通过有限的迭代次数网络中的每个节点最终一定会收敛于初始值均值，即也就是达到了分布式平均共识的目的。

无偏广播gossip算法：无线通信中，节点之间发射功率的不同常常导致网络拓扑的对称性无法保证。现有的方法可以在无向图网络中控制节点之间发射功率从而达到用户接收信干噪比一致，但在有向图网络中收集基站节点所属用户的信干噪比存在偏差，导致功率控制过程各个基站所属用户无法获取相同信干噪比。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术在有向图网络中收集基站节点所属用户的信干噪比存在偏差，导致功率控制过程各个基站所属用户无法获取相同信干噪比的问题，而提出基于无偏广播gossip算法的双层网络功率控制方法。

基于无偏广播gossip算法的双层网络功率控制方法具体过程为：

步骤一、初始化，设定t＝0时刻各个基站的发射功率为最大发射功率；

各个基站包括1个macrocell基站和n-1个femtocell基站，n为正整数；

设定n-1个femtocell基站和1个macrocell基站的最大发射功率为额定功率；macrocell基站为上层基站，femtocell基站为底层基站；femtocell基站和macrocell基站组成双层网络模型，femtocell基站和macrocell基站采用共享频段，即频率全复用；

步骤二、采集步骤一中各个基站所属用户的sinr信息；

所述sinr为信干噪比；

步骤三、利用无偏广播gossip算法对步骤二得到的sinr信息进行分布式平均共识，得到各个基站t时刻的参考sinr值γref(t)；

步骤四、利用参考sinr值γref(t)调整各个基站的发射功率，直到各个基站所属用户的sinr相同。

本发明的有益效果为：

采用分布式平均共识：利用无偏广播gossip算法收集全网的sinr信息，通过迭代使得各个基站取得平均共识的参考sinr信息γref(t)；采用功率控制：利用参考sinr信息γref(t)调整各个基站的发射功率；解决了现有技术在在有向图网络中收集基站节点所属用户的信干噪比存在偏差，导致功率控制过程各个基站所属用户无法获取相同信干噪比的问题。通过本发明方法能够在不假设目标sinr的情况下自适应的实现网络内的基站调整各自的发射功率，从而达到各基站所属的用户取得相同的sinr，达到获得平等服务的目标。本发明方法与已有的功率控制方法相比在收敛速度上具有一定优势，并且利用全网的共识信息，能够更好的反应出各个用户受到其他用户干扰的情况。

从图2中可以看出m参数的设定影响算法的收敛速度：当m取值越小，收敛速度越快。当m设定为nmax时算法收敛速度最快，此时要求系统已知完整的网络拓扑(各基站已知出度值)；当m取n-1时牺牲了收敛速度但工程上更容易实现；迭代200次时，m取nmax的macrocell基站sinr、m取n-1时的femtocell基站平均sinr、m取0.5*(n+nmax-1)的macrocell基站sinr、m取0.5*(n+nmax-1)的femtocell基站平均sinr、m取n-1的macrocell基站sinr和m取n-1的femtocell基站平均sinr的值相同，都为48db。macrocell基站为上层基站，femtocell基站为底层基站。

附图说明

图1为本发明功率控制结果图；

图2为本发明参数m对收敛速度的影响结果图，femto.为femtocell，femtocell为底层基站，ave为average，average为平均。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于无偏广播gossip算法的双层网络功率控制方法具体工程为：

采用的无偏广播gossip算法，其特点是能够实现有向图网络中的分布式平均共识。

设g＝(ν,ε)代表一个有向图，其中ν＝{1,2,...,n}是节点集合，是有向边的集合。网络中任意两个节点i,j，如果j发送信息i可以收到，则i,j之间边的表示方向为i←j，即网络中存在一条有向边(i,j)∈ε。无向图中，只要i,j之间有边，两节点就可以通信，没有方向的限制；有向图中则只能沿有向边的方向进行通信。在有向图中，设和分别代表节点i的内邻集合和外邻集合。内邻集合表示所有可以向节点i发送信息的节点集合，外邻集合表示所有可以接收到节点i所发送信息的节点集合。节点i的邻居节点的数目之和称为度。与内邻集合相对应的称为入度，记为反之，与外邻集合相对应的称为出度，记为|n|代表集合n的元素个数。

gossip算法中节点具有初始状态值以及伴随值，各节点假设有一个泊松时钟。当节点时钟记满时，被激活的节点将其当前的状态值和伴随值进行全网广播。假设，t+1时刻节点k被激活，那么节点k广播其状态值xk(t)和伴随值yk(t)。所有的节点，接收到节点k广播的信息并进行如下更新：

广播节点k更新为：

xk(t+1)＝xk(t)

yk(t+1)＝0

其他的节点保持状态值不变，即：

xi(t+1)＝xi(t)

yi(t+1)＝yi(t)

参数aj,k,bj,k,和ξ的选择不同，产生的广播gossip算法不同。本专利中参数aj,k,bj,k,按照下面方法选择：

网络模型采用了双层网络模型，即由femtocell和macrocell组成的双层网络，底层的femtocell与上层的macrocell采用共享频段的方式工作。系统包括n-1个femtocell基站部署在1个macrocell基站之下，各自的半径为rf和rm。macrocell放置在小区中央，用户随机分布在基站半径rm内。对于femtocell而言，用户随机地分布于基站的半径rf之内。

步骤一、初始化，设定t＝0时刻各个基站的发射功率为最大发射功率；

各个基站包括1个macrocell基站和n-1个femtocell基站，n为正整数；

设定n-1个femtocell基站和1个macrocell基站的最大发射功率为额定功率；macrocell基站为上层基站，femtocell基站为底层基站；femtocell基站和macrocell基站组成双层网络模型，femtocell基站和macrocell基站采用共享频段，即频率全复用；

步骤二、采集步骤一中各个基站所属用户的sinr信息；

所述sinr为信干噪比；

步骤三、利用无偏广播gossip算法对步骤二得到的sinr信息进行分布式平均共识，得到各个基站t时刻的参考sinr值γref(t)；

步骤四、利用参考sinr值γref(t)调整各个基站的发射功率，直到各个基站所属用户的sinr相同。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中采集步骤一中各个基站所属用户的sinr信息；具体过程为：

假设各个基站在给用户分配下行资源的时候采用正交的方式，即在每一个资源块内只有一个用户处于被服务的状态，这样在考虑单一资源块内的接入时基站与用户一一对应。

令为基站与用户的序号集合；则第i个用户在t时刻的接收信号信干噪比(singaltointerferenceplusnoiseratio,sinr)记为γi(t)，表示为

其中hii为表示第i个基站到第i个用户的信道系数，hji为表示第j个基站到第i个用户的信道系数；σ²表示用户的接收信号的噪声方差；pi(t)为t时刻第i个基站的发射功率率，即表示用户i接收基站i的发射功率；pj(t)为t时刻第j个基站的发射功率，即表示用户j接收基站j的发射功率。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中分布式平均共识：利用无偏广播gossip算法对步骤二得到的sinr信息进行分布式平均共识，得到各个基站t时刻的参考sinr值γref(t)；表示为：

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤四中功率控制：利用参考sinr值γref(t)调整各个基站的发射功率，直到各个基站所属用户的sinr相同；具体过程为：

功率控制算法如下

式中，δpi(t)为t+1时刻第i个基站的发射功率与t时刻第i个基站的发射功率的变化量，bi>0为第i个基站的功率调整步长，用来控制算法的更新速度，pi(t)为t时刻第i个基站的发射功率，pi(t+1)为t+1时刻第i个基站的发射功率，γi(t)为第i个用户在t时刻的接收信号信干噪比，fii为本地权重，fji为第j个基站和第i个基站连接权重，代表第i个基站的外邻集合，是有向边的集合，

当t+1时刻与t时刻所有基站的发射功率的变化量δp(t)＝[δp1(t),…,δpn(t)]为0时，停止调整各个基站的发射功率；当t+1时刻第i个基站的发射功率与t时刻第i个基站的发射功率的变化量δpi(t)不为0时，执行步骤二，用pi(t+1)替换pi(t)，直到各个基站所属用户的sinr相同。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述连接权重在任意时间t下满足下面的条件：

1)任意fii≥0，fji≥0；

2)

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

本发明所提出的基于无偏广播gossip算法的macrocell-femtocell双层网络功率控制方法包含了两层的迭代过程，分别是：第一层，无偏广播gossip算法过程——实现网络内各个用户sinr信息的分布式平均共识；第二层，采用所提出的功率控制算法实现网络内各个基站的功率调整。具体描述如下：

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例基于无偏广播gossip算法的双层网络功率控制方法具体是按照以下步骤制备的：

仿真中网络的连接权重设置如下：

为出度，m为基站个数，其中nmax≤m≤n-1，这里

网络参数设置时考虑的模型为macrocell-femtocell双层网络。首先假设参考距离dref＝1米，路径损耗模型如下：

其中dij表示第j个用户和第i个基站之间的距离，而plij表示第j个用户和第i个基站之间的路径损耗。α和β分别表示信号传播路径损耗指数。具体参数见下表

图1中给出了所提算法的功率调整过程。可以看出尽管macrocell基站最初使用了最大的发射功率却无法保证其用户得到好的信号质量。使用所提算法后，用户将自身所测得的sinr值反馈到所属基站，基站在比较了其他基站收到反馈信息汇总得到的参考sinr后，如果高于这一参考值则会降低其发射功率，如果低于这一参考值，则会在功率约束范围之内提高其自身发射功率，直到系统中各个用户取得相同的sinr值。这一方面由于提升发射功率能够提高所属用户的接收信号功率，另一方面周边高sinr用户所对应的基站降低功率可以降低干扰。这两方面的共同作用才保证了系统内各用户能够取得共识，即各个用户的接收信号sinr相等。

图2给出了参数m对于方法收敛速度的影响。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。