專利名稱：針對宏蜂窩—飛蜂窩雙重網(wǎng)絡(luò)的基于定價(jià)的功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對宏蜂窩一飛蜂窩雙重網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法。
背景技術(shù)：
低成本的飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Femtocell)能夠?yàn)槭覂?nèi)終端提供可靠的短距傳輸，加強(qiáng)覆蓋率；但是同時(shí)也增加了干擾和宏蜂窩一飛蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟淮_定性。傳統(tǒng)的集中化功率控制方案要求較大的信令開銷，不再適于該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。雖然非合作博弈也可用來描述飛蜂窩基站(Femtocell Base Station, FBS)的行為，但是在此模型中，每個(gè)FBS都是獨(dú)立的，并自私地優(yōu)化自身性能而不顧及博弈中其他參與者以及系統(tǒng)的整體性能，形成博弈論里的納什均衡(Nash Equilibrium, NE)。這會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)干擾，降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是在保證飛蜂窩基站傳輸服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)的條件下，降低飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率和飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的干擾，從而提高整體網(wǎng)絡(luò)的單位能量利用率和網(wǎng)絡(luò)的公平性。本發(fā)明針對飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)的功率控制問題，基于博弈理論，將傳統(tǒng)的集中化規(guī)劃和分布式優(yōu)化策略相結(jié)合，提出了一種基于Stackelberg博弈(Stackelberg Game, SG),對飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定價(jià)的功率控制方法。其中，網(wǎng)絡(luò)干擾管理者(Network InterferenceController,NIC)扮演SG的唯一領(lǐng)導(dǎo)者，與其關(guān)聯(lián)的#個(gè)飛蜂窩基站扮演SG中的跟隨者。領(lǐng)導(dǎo)者通過給跟隨者的功率消耗定價(jià)來盡力減小由它們產(chǎn)生的總干擾。根據(jù)這個(gè)定價(jià)，每個(gè)飛蜂窩基站以非合作博弈方式最大化它們的效用。此博弈存在唯一的Stackelberg均衡，本發(fā)明進(jìn)一步提出了一種能收斂的分布式定價(jià)和功率更新算法。NIC的作用是最小化(即優(yōu)化)由FBS對宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶(Macro UserEquipment, MUE)產(chǎn)生的干擾。在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)，該最小化算法通過迭代更新，收斂到Stackelberg均衡，過程如下在每次迭代中，NIC根據(jù)FBS的回復(fù)，向FBS廣播的新單位功率定價(jià)；基于此廣播的定價(jià)，各FBS計(jì)算出它最優(yōu)的傳輸功率
I 該最優(yōu)的傳輸功率巧滿足飛蜂窩的用戶(Femtocell User Equipment, FUE)的服務(wù)質(zhì)量要求，根據(jù)ρΓ計(jì)算并向NIC回復(fù)更新的定價(jià)；多次迭代后，定價(jià)最終收斂至最優(yōu)定價(jià)；假設(shè)在一個(gè)宏蜂窩-飛蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，有#個(gè)飛蜂窩基站隨機(jī)分布，定義A是在時(shí)隙t中，NIC向FBS索要的功率消耗定價(jià)，Pi表示第丨個(gè)FBS的發(fā)送功率，則第丨個(gè)FBS的優(yōu)化問題可表述為max U1 {Pi 5 pi，λ) = R1 (p}, P1) — Api S t. 0<p}< y
其中，P*表示FBS i的均衡功率，Pli = {Κ,Λν-Λ-Ι^-Λ }表示除了 FBS i之外的#-1個(gè)FBS的均衡功率集合。&max是編號為丨的FBS的最大傳輸功率，即P;不會(huì)超過
max。求解上式可知，P* = ^1- !--pj!!-士-^-1是編號力的FBS的最優(yōu)傳
I Λ ^ J s
輸功率。其中()+表示π 0κ{χ5θ} , Wi是分配給FBS 的帶寬，表示FBS j·對FUE i的
下行信道增益， ,·是FUE i受到的噪聲，Ri是FBS i的傳輸速率。 另一方面，對于給定的功率定價(jià)/Lnic需要保證每個(gè)fbs的傳輸速率不能小于其相應(yīng)FUE的服務(wù)質(zhì)量要求片；設(shè)r為NIC在時(shí)隙t內(nèi)為最小化FBS對MUE產(chǎn)生的總干擾，而找到的最優(yōu)定價(jià)，則NIC的優(yōu)化問題可以表述成
，uMaW = -YiP^Soi
2>1
s.L r!~ < R1 (p； (i))5 ι = 1,2,..., N Λ>0
其中，表示FBS I對MUE的信道增益。NIC和FBS的優(yōu)化問題構(gòu)成了 SG。其中NIC
是扮演領(lǐng)導(dǎo)者，F(xiàn)BS扮演跟隨者。Stackelberg均衡定義了 SG的最優(yōu)化策略輪廓。在我們的模型中，定義為
一個(gè)策略輪廓(義！，PI )是Stackelberg均衡當(dāng)且僅當(dāng)
Umc {Ase ,Pss ) > Umc (Λ,ρ ,\ Λ > O
達(dá)到SE時(shí)，不管是NIC還是FBS都沒有動(dòng)機(jī)要偏移這個(gè)均衡?？梢宰C明在此SG中存在唯一的Stackelberg均衡，并且根據(jù)本發(fā)明提出的分布式定價(jià)和功率更新算法可以通過迭代達(dá)到Stackelberg均衡。其更新函數(shù)是
詐+ 1)=神
其中々表示算法在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的第々次迭代更新。所述的NIC定價(jià)過程，是通過NIC與FBS的博弈，使NIC收斂到最優(yōu)的功率消耗定價(jià)，從而使得FBS對宏蜂窩用戶的干擾最??；該博弈的收斂過程步驟如下
步驟I :由NIC初始化參數(shù)，起始設(shè)定I = O ,設(shè)定初始化功率消耗定價(jià)Λ (O),及比較因子Δ (Δ的數(shù)值可根據(jù)實(shí)際收斂的準(zhǔn)確度需要靈活調(diào)整)；
步驟2 :在第A次迭代中，NIC將A次更新后的功率消耗定價(jià)炎衫廣播給各FBS ；
步驟3 =NIC收集FBS回復(fù)的更新定價(jià)又(^ + I ),并找出
^(憊十 I) 二 min A1 (Λγ +1)；
步驟4 :進(jìn)行計(jì)算比較，如果||.l(t + l)-i.(ir)|| > AA(k)，則設(shè)定第左+1次迭代時(shí)NIC的廣播定價(jià)Λ (.t+l)=i(A+i),并重復(fù)步驟2 ;否則進(jìn)入步驟5 ；；
步驟5 向FBS廣播Ass - ,I (Ir + I),即達(dá)到Stackelberg均衡的功率消耗定價(jià)。
FBS回復(fù)更新定價(jià)Xi (Ir + 1)的過程，在于FBS之間沒有信息交互，各FBS根據(jù)自
身接收到的功率定價(jià)，以及受到的干擾和噪聲總功率獨(dú)立的計(jì)算最佳發(fā)送功率j : ;FBS i
的計(jì)算過程步驟如下
步驟I :FBS i傾聽來自NIC的廣播第々次定價(jià)灰Ar)；
步驟2 :當(dāng)接收到;,FBS i根據(jù)以下公式計(jì)算出第A次迭代后納什均衡功率K (幻，并以此功率進(jìn)行傳輸，，
p^(k) = Ν_ P^gij+ηΛ
1 Vλ^j
同時(shí)，F(xiàn)BS i根據(jù)更新公式
.
)— Συ 捧))0
計(jì)算更新定價(jià)為(.1 + 1),并將其回復(fù)給NIC。此算法能夠快速的收斂于SE，在收斂過程中不需要FBS之間交換信息。并且，NIC廣播的定價(jià)和FBS回復(fù)的定價(jià)產(chǎn)生的信令開銷可以通過有線主干連接傳輸，避免在空中產(chǎn)生額外的干擾。本發(fā)明提出的分布式算法節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)的信號開銷，相比于非合作的納什均衡，對宏蜂窩單元的干擾降低了近20dBm，提高了功率效率和飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)的公平性。


圖I為分布式定價(jià)和功率更新算法中，網(wǎng)絡(luò)干擾管理者(NIC)程序流程圖示。
圖2為分布式定價(jià)和功率更新算法中，飛蜂窩基站(Femtocell Base Station,FBS)程序流程圖示。圖3為本發(fā)明提出的功率控制算法對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中干擾降低的性能比較。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。實(shí)施例比較采用本功率控制方法以后宏蜂窩-飛蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的干擾性能 考慮一個(gè)半徑1000米的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，有N個(gè)同頻率信道的FBS隨機(jī)的分布在此區(qū)域
內(nèi)。用4表示FBS i到MUE的距離。它是一個(gè)均勻分布在600米到1000米范圍中的隨機(jī)變量。用&表示FBS i到FUE J的距離，它也是一個(gè)均勻分布在100米到300米范圍中的
隨機(jī)變量。由對稱性可知，Ciji 二 d屯Vz & 0，i其/。此外，假設(shè)室外信道的大尺度路徑損
耗參數(shù)為3. 5，穿透損耗為13dB。FBS i至FUE i的室內(nèi)傳輸距離J設(shè)置為10米u(yù)的路
徑損耗參數(shù)為3，經(jīng)歷以方差& = 5 dB的log-normal陰影衰落。此外，if""設(shè)置為IOdBm,
%對所有的FBS均設(shè)為IOkHz。在所有FUEs接收端，噪聲功率都是_90dBm。假設(shè)宏蜂窩基站恒定的傳輸功率為40dBm。最終的仿真的結(jié)果均根據(jù)1000次獨(dú)立循環(huán)的仿真結(jié)果做出平均。圖3給出了以dBm為量度的MUE在不同均衡下所受到FBS的干擾總和。在不同的
QoS速率 <下，MUE受到FBS的干擾均隨著網(wǎng)絡(luò)中FBS的數(shù)目#增長。與非合作博弈均衡
NE相比，本發(fā)明的算法達(dá)到的SE能顯著降低的FBS對MUE的干擾總和。例如，當(dāng)# =10，
對=2bits/s/Hz時(shí),減小的干擾總和高達(dá)近20dBm。這是由于減少FBS的發(fā)射功率的緣故。
同樣也可以觀察到，當(dāng)FBS的QoS需求增高時(shí)，它們需要更多的發(fā)送功率以支持更高的傳輸率，因此會(huì)產(chǎn)生較高的干擾。
權(quán)利要求
1.一種針對宏蜂窩一飛蜂窩雙重網(wǎng)絡(luò)的基于定價(jià)的功率控制方法，是一種基于Stackelberg博弈(SG)，對飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定價(jià)的功率控制方法；其中，網(wǎng)絡(luò)干擾管理者(NIC)扮演SG的唯一領(lǐng)導(dǎo)者，與其關(guān)聯(lián)的#個(gè)飛蜂窩基站扮演SG中的跟隨者；領(lǐng)導(dǎo)者通過給跟隨者的功率消耗定價(jià)來盡力減小由它們產(chǎn)生的總干擾，根據(jù)這個(gè)定價(jià)，每個(gè)飛蜂窩基站以非合作博弈方式最大化它們的效用；此博弈存在唯一的Stackelberg均衡； NIC的作用是最小化由飛蜂窩基站(FBS)對宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶(MUE)產(chǎn)生的干擾；在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，該最小化算法通過迭代更新，收斂到Stackelberg均衡，過程如下在每次迭代中，NIC根據(jù)FBS的回復(fù)，向FBS廣播的新單位功率定價(jià)；基于此廣播的定價(jià)，各FBS計(jì)算出它最優(yōu)的傳輸功率并根據(jù)計(jì)算并向NIC回復(fù)更新的定價(jià)；多次迭代后，定價(jià)最終收斂至最優(yōu)定價(jià)；假設(shè)在一個(gè)宏蜂窩-飛蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，有#個(gè)飛蜂窩基站隨機(jī)分布，定義4是在某時(shí)隙中，NIC向FBS索要的功率消耗定價(jià)，則第i個(gè)FBS的優(yōu)化問題表述為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率控制方法，其特征在于所述NIC的優(yōu)化程序如下 步驟I :由NIC初始化參數(shù)，起始設(shè)定& = O ,設(shè)定初始化功率消耗定價(jià)Λ (O),及比較因子Δ ； 步驟2 :在第A次迭代中，NIC將A次更新后的功率消耗定價(jià)火Α)廣播給各FBS ； 步驟3 :NIC收集FBS的回復(fù)定價(jià)為(λ + I)，并找出
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率控制方法，其特征在于所述FBS的優(yōu)化程序如下 步驟I :FBS i傾聽來自NIC的廣播第々次定價(jià)·^(Ar)； 步驟2 :當(dāng)接收到A(A) ,FBS i根據(jù)以下公式計(jì)算出第A次迭代后納什均衡功率K，并以此功率進(jìn)行傳輸，
全文摘要
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對宏蜂窩—飛蜂窩雙重網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法。本發(fā)明結(jié)合博弈論的分布式優(yōu)化和傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的集中化管理方式，利用Stackelberg博弈模型，將網(wǎng)絡(luò)干擾管理者設(shè)定為博弈的領(lǐng)導(dǎo)者，相關(guān)的飛蜂窩基站為博弈的跟隨者。領(lǐng)導(dǎo)者通過給跟隨者的功率消耗定價(jià)來盡力減小由飛蜂窩基站產(chǎn)生的總干擾。根據(jù)這個(gè)定價(jià)，每個(gè)飛蜂窩基站以非合作博弈方式最大化它們的效用。此博弈存在一個(gè)唯一的Stackelberg均衡。本發(fā)明提出了一種分布式定價(jià)方式和相應(yīng)功率更新算法，該算法能保證博弈收斂到唯一的SE。本發(fā)明方法能降低飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率和飛蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的干擾，并且能提高整體網(wǎng)絡(luò)的單位能量利用率，并保證網(wǎng)絡(luò)使用用戶的公平性。
文檔編號H04W52/24GK102833839SQ20121030353
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者李鵬, 朱宇 申請人:復(fù)旦大學(xué)