户过多，负载过重，采用偏移接收能量最大方法如图3(c)能够在一定程 度上降低宏基站的负载，而接入距离最近基站方法如图3(a)能够进一步减少宏基站服务 的用户数。与运=种方法相比，本发明所提出的方法如图3(d)能够充分利用微基站来分流 宏基站的业务，例如宏基站只服务2个用户，其余6个用户由5个微基站服务，达到了网络 负载均衡的效果。
[0099] 其次，本发明比较了四种方法的总发射功率与可达数据率。在图4中，限定每个用 户只能接入一个基站，其中小区边缘信噪比为0地。从图中可W看出，在达到相同的数据率 需求时，接入信号最强基站方法消耗的发射功率最大。由图3的分析可知，此时大量用户会 选择接入宏基站，导致宏基站负载过重而微基站并未被充分利用。接入距离最近基站方法 能够大幅降低发射功率，但是由于微基站的服务能力受限（即功率和天线资源均受限），因 此只能支持较低的数据率需求。偏移接收能量最大方法能够一定程度上平衡各小区的负 载，因此可W支持较高的数据率需求，且所需的发射功率小于接入信号最强基站方法。与运 =种方法相比，本发明所提出的方法所需的系统总发射功率最低，性能增益明显，并且能够 支持更高的用户数据率需求。运是因为现有的=种用户接入方式只考虑了用户与基站间的 距离、接收信号强度等单一因素，而本发明所提出的方法则综合考虑了用户数据率需求、基 站最大功率限制和空间服务能力，因此可W获得更优的用户接入和功率控制方案。
[0100] 在图5中，每个用户最多可W接入2个基站，小区边缘信噪比为O地。此时，由于 每个用户可W选择两个基站作为服务基站，现有的=种方法所选出的服务基站集合基本相 同，因此其性能相近。相比之下，在给定相同的数据率需求时，本发明所提出的方法仍能够 大幅降低系统的总发射功率。当和数据率需求为6. 4bpsAlz时，本发明所提出的方法可W 节省将近63%的发射功耗。
[0101] 图6和图7给出了宏小区边缘信噪比为10地时的性能比较。比较图4和图6可 W看出，随着宏小区边缘信噪比的增加，四种接入方式都可W支持较高的数据率需求，但四 种方法功率消耗的相对大小关系仍保持不变，相对于=种现有方法，本发明提出的方法具 有更低的功率消耗。当每个用户可W被两个基站服务，边缘信噪比时，如图7所示，本发明 提出的方法同样可W大大节省系统发射功耗，例如当和数据率需求为6. 4bpsAlz时，本发 明所提出的方法可W节省将近70%的发射功耗。
[0102] 最后，比较本发明所提出的方法和遍历捜索方法的复杂度。采用两种算法平均处 理时间作为复杂度评估指标，W每个用户可W被2个基站服务、和数据率需求为0. 4bps/Hz 为例，将两种算法在IntelCore?巧-3470@3. 3細Z8GB-RAM个人计算机的Matl油环境下运 行，并采用Matl油配置的tic/toc命令统计两种算法的处理时间，其中本发明所提出的方 法中的几何规划问题和遍历捜索中设及的线性规划问题均采用通用凸优化工具箱CVX进 行求解。由于此时原问题的遍历捜索空间过大，约为3. 8X10"，在仿真中只随机选取100种 可能的用户接入情况，统计得到单次接入情况下的平均处理时间，然后乘W总捜索空间得 到遍历捜索算法的平均处理时间。结果表明，本发明所提出的算法平均用时29. 95s，而遍历 捜索算法的平均用时为5. 65Xl〇i°s，可见本发明所提出的算法有效地降低了计算复杂度。
[0103] 综上所述，本发明所提出的方法能够大规模降低系统复杂度，有效地平衡网络中 小区负载，大幅降低系统的总发射功率，并且能够支持更高的用户数据率需求。
【主权项】
1. 一种协作异构网络中的用户接入与功率控制联合优化方法，其特征在于，包括以下 步骤： 步骤1 :对每个基站，获取它到所有用户的下行信道信息，计算预编码向量和等效信道 能量，然后通过回传链路共享给中心处理器；基站包括宏基站和微基站； 设某个宏基站的覆盖范围内随机部署B个微基站，共同服务K个用户；宏基站有Nm个 天线，最大发射功率为Pm;微基站有Ns个天线，最大发射功率为Ps，用户端只有一个天线； 设宏基站到用户k的信道向量为微基站b到用户k的信道向量为W 宏基站到用户k的预编码向量为·微基站b到用户k的预编码向量为胃", ;; 所有基站到用户k的预编码向量基站b分配给用户k的发射功率，Vkb为归一化的基站b到用户k的发射预编码向量，b= 0, 1，2,…，B; 表示NmX1维复向量空间，表示NsX1维复向量空间，表示 (NM+BNS)X1维复向量空间；k= 1，2,…，K; 每个基站获得它到所有用户之间的信道信息，采用基于信漏噪比最大化准则的发射预 编码，则基站b根据已知的信道信息得到Vkb为：hlb为微基站b到用户i的信道向量； 用户k收到来自基站b的期望信号等效信道能量表示为=| 丨2，由基站b发送给 用户i的干扰信号等效信道能量表示为丨2;vlb为归一化的微基站b到用户i的 发射预编码向量； 采用功率控制变量Pkb来表示用户到基站的接入情况，当用户k未接入微基站b时，pkb =〇,否则Pkb>〇;定义用户k的接入基站集合为S1二別/心）0,./)= (),1,...,次； 步骤2 :中心处理器收集用户数据率需求、各基站的最大功率、发射天线数，以及基站 端通过回传链路共享的等效信道能量，然后对所有协作宏、微基站的功率控制和所有用户 的接入方式进行优化，具体包括： 步骤2. 1，在满足用户数据率要求、单基站功率约束以及给定每个用户最多接入基站个 数的限制下，以最小化系统总发射功率为准则，得到用户接入和功率控制联合优化模型； 所述的用户接入和功率控制联合优化模型表示为：其中，（2.1)是用户k的最小信干噪比约束，yk是用户k要求的最小信干噪比，（2.2) 和（2. 3)分别表示宏基站和微基站的最大发射功率约束，（2.4)限制用户k最多只能接入Lk个协作基站，丨％|表示集合％中的元素个数； 步骤2. 2,将步骤2. 1中的非凸优化问题转化为凸优化问题，再进行求解，获得用户接 入结果和各基站的功率控制结果；其中t-O是一个极小值；利用函数f(pkb)对约束（2.4)进行 连续化表示，表示为进而将公式（2)表示为：利用单项式近似的方法将约束（3. 1)和（3.4)中不等式左侧的分母部分由现在的多项 式转变为关于变量Pkb的单项式，将优化问题转变为标准的几何规划问题，同时，引入一组 松弛变量i3k，k= 1，···，!(，将得到的几何规划问题进一步松弛为：其中，表示第1次迭代得到的功率值，是利用单项式近似方法得 到的中间变量；目标函数里的λ是一个常数； 步骤3 :中心处理器将各基站的功率控制结果和用户接入结果通过回传链路通知每个 基站，每个基站根据用户接入情况从核心网请求用户数据，并根据收到的功率控制结果和 步骤1中设计的预编码来发送接入的用户的数据。2.根据权利要求1所述的一种协作异构网络中的用户接入与功率控制联合优化方法， 其特征在于，所述的步骤2. 2中，求解公式（4)所示的目标函数的具体步骤如下： 步骤（1)初始化：设定功率控制初始值，，设1 = 〇 ;1为 迭代次数； 步骤⑵迭代： a) 求解几何规划问题（4)，得到{pkb，i3k}; b) 更新 1 一 1+1，k= 1，· · ·，K，b= 0, · ··，B; c)则迭代停止，其中S是预设的迭代收敛门限值；若 Pk=l，k= 1，...，K，则给定的用户数据速率可行，输出用户接入结果％;若存在某个用户 的1，说明该数据速率不可行； 步骤（3)更新功率控制：根据步骤（2)中的结果，如果数据率可行，则确定％，将问题中 的约束（2.4)更换为凡,=aVhS,(彳=K…，I然后求解所得到的线性规划问题来最小化 系统总发射功率，最终得到各基站的功率控制结果。
【专利摘要】本发明公开了一种协作异构网络中的用户接入与功率控制联合优化方法，属于无线通信技术领域。本方法首先获取各基站到所有用户的下行信道信息，计算预编码向量和等效信道能量，然后通过回传链路共享给中心处理器；然后中心处理器收集用户数据率需求、各基站的最大功率、发射天线数，以及基站端通过回传链路共享的等效信道能量，将所涉及的用户接入和功率控制联合优化问题，转化为一个凸优化问题进行求解；中心处理器将求解得到的各基站的功率控制结果和用户接入结果通过回传链路通知每个基站。本发明能够有效地平衡网络中各小区的业务负载，能够大幅降低系统的总发射功率，并能够支持更高的用户数据率需求，用户可任意接入多个基站。
【IPC分类】H04W28/08, H04W52/02
【公开号】CN105392161
【申请号】CN201510671784
【发明人】赵景, 韩圣千, 杨晨阳
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年10月15日