能夠保障用戶公平性的mimo異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，具體涉及保障用戶公平性的異構(gòu)MIM0 蜂窩網(wǎng)絡(luò)多用戶情況下的聯(lián)合用戶調(diào)度、資源分配和功率控制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今，隨著人們對(duì)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，為了保證用戶有更好的通信質(zhì)量和 更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如3G、LTC)基站部署越來越密集。并且，為應(yīng)對(duì)室內(nèi) 無線信號(hào)衰弱快，人員密度大的問題，家庭基站（Femto-cell)已經(jīng)開始部署到室內(nèi)。該種 覆蓋范圍小，發(fā)射功率低的微型基站的密集部署，能夠?yàn)槭覂?nèi)人員提供更好的無線網(wǎng)絡(luò)服 務(wù)質(zhì)量。宏基站和家庭基站組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，宏基站能夠滿足用戶的移動(dòng)性要求，而家庭基站 能夠增強(qiáng)室內(nèi)用戶的通信質(zhì)量和傳輸速度。
[0003] 但是該種小基站與室外的宏基站組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)存在資源競(jìng)爭(zhēng)和相互干擾的問 題，并且通常在一個(gè)宏基站的覆蓋范圍下會(huì)布置若干家庭基站，增加了競(jìng)爭(zhēng)和干擾的強(qiáng) 度。如何合理地分配宏基站和該些家庭基站的無線資源，W及如何合理控制基站發(fā)射功率， 是需要解決的問題。另外，在MIM0系統(tǒng)中，為了增加空間復(fù)用率，我們采用迫零波束成型 狂ero F'orcing beamforming, ZF beamforming)來進(jìn)行多用戶MIM0通信。基站在給多個(gè)用 戶發(fā)信息時(shí)，需要在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)上加上ZF預(yù)編碼。ZF預(yù)編碼是利用基站與各個(gè)用戶間的信 道信息，對(duì)基站給各個(gè)用戶發(fā)送的信息上進(jìn)行處理。該樣對(duì)任何一個(gè)用戶，基站傳輸給其他 用戶經(jīng)過預(yù)處理的信息與該用戶到基站間的信道正交。實(shí)現(xiàn)ZF波束成型中各用戶間相互 零干擾。能夠通過用戶W實(shí)現(xiàn)小區(qū)基站可W對(duì)多個(gè)小區(qū)內(nèi)不同位置的用戶使用相同頻率同 時(shí)傳輸信息。但使用ZF預(yù)編碼有個(gè)前提，同時(shí)使用ZF預(yù)編碼的總用戶數(shù)量要小于基站的 發(fā)射天線數(shù)量。因此，當(dāng)用戶數(shù)量較多時(shí)，需要首先對(duì)用戶進(jìn)行調(diào)度。
[0004] 現(xiàn)有的資源分配和能量分配的主要存在兩個(gè)問題：
[0005] -、難W保證在多個(gè)小區(qū)同時(shí)工作下，所有小區(qū)下所有用戶的公平性。
[0006] 二、在異構(gòu)MIM0系統(tǒng)中，在用戶數(shù)量較多時(shí)，難W合理進(jìn)行用戶選擇、資源分配和 能量控制的統(tǒng)一規(guī)劃。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是為了解決在異構(gòu)MIM0系統(tǒng)中多用戶情況下，難W保障用戶通信質(zhì)量和 全局用戶公平性雙重優(yōu)化的問題，從而提供一種能夠保障用戶公平性的MIM0異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資 源分配方法。
[000引能夠保障用戶公平性的MIM0異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，它由W下方式實(shí)現(xiàn)；在MIM0 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下，將若干個(gè)相鄰家庭基站鏈接到家庭基站控制中也，將各宏基站和家庭基站控 制中也鏈接到總控制中也；總控制中也用于實(shí)現(xiàn)用戶調(diào)度、資源分配和功率控制；
[0009] 步驟一、在用戶通信發(fā)起階段，各基站通過信令獲取基站下用戶的信道信息；
[0010] 各個(gè)宏基站將連接到該宏基站的用戶的信道信息發(fā)送到總控制中也；若干個(gè)相鄰 家庭基站組成簇，簇內(nèi)各個(gè)家庭基站用戶信道信息匯報(bào)到家庭基站分簇控制中也，然后家 庭基站控制中也將各用戶信道信息匯報(bào)給總控制中也；
[0011] 步驟二、總控制中也首先進(jìn)行用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)排序，并選取排序前k個(gè)用戶；
[0012] 其中；用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)排序的原則是：
[0013] 在網(wǎng)絡(luò)初始階段，采用用戶的信噪比來對(duì)用戶進(jìn)行排序，信噪比高的優(yōu)先級(jí)高；
[0014] 在開始通信后，在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)W用戶的歷史累計(jì)吞吐量來排序，吞吐量低的 優(yōu)先級(jí)高；
[0015] 步驟H、總控制中也通過多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)對(duì)步驟二中選取的k個(gè)用戶分配頻率資 源，并對(duì)基站發(fā)射能量進(jìn)行分配，使得基站選擇k個(gè)用戶時(shí)達(dá)到最優(yōu)解，分配后系統(tǒng)總吞吐 量為THk;
[0016] 所述多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為：
[0017]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 能夠保障用戶公平性的MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，其特征是：它由以下方式實(shí) 現(xiàn)：在MIM0異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下，將若干個(gè)相鄰家庭基站鏈接到家庭基站控制中心，將各宏基站和 家庭基站控制中心鏈接到總控制中心；總控制中心用于實(shí)現(xiàn)用戶調(diào)度、資源分配和功率控 制； 步驟一、在用戶通信發(fā)起階段，各基站通過信令獲取基站下用戶的信道信息； 各個(gè)宏基站將連接到該宏基站的用戶的信道信息發(fā)送到總控制中心；若干個(gè)相鄰家庭 基站組成簇，簇內(nèi)各個(gè)家庭基站用戶信道信息匯報(bào)到家庭基站分簇控制中心，然后家庭基 站控制中心將各用戶信道信息匯報(bào)給總控制中心； 步驟二、總控制中心首先進(jìn)行用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)排序，并選取排序前k個(gè)用戶； 其中：用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)排序的原則是： 在網(wǎng)絡(luò)初始階段，采用用戶的信噪比來對(duì)用戶進(jìn)行排序，信噪比高的優(yōu)先級(jí)高； 在開始通信后，在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)以用戶的歷史累計(jì)吞吐量來排序，吞吐量低的優(yōu)先 級(jí)_ ; 步驟三、總控制中心通過多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)對(duì)步驟二中選取的k個(gè)用戶分配頻率資源， 并對(duì)基站發(fā)射能量進(jìn)行分配，使得基站選擇k個(gè)用戶時(shí)達(dá)到最優(yōu)解，分配后系統(tǒng)總吞吐量 為THk; 所述多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為：
其中，i代表第i個(gè)用戶，j代表第j個(gè)宏基站，1代表第1個(gè)家庭基站，n代表子信道； 和是信道分配知識(shí)信息，如果宏基站j下，用戶i使用了子信道n，那么= 1，如 果沒用子信道n，那么廠",.=0 ; < (〃)為宏基站j下第i個(gè)用戶在子信道n中的最大傳輸速 度； <(〃）為家庭基站f?下第i個(gè)用戶在子信道n中的最大傳輸速度；P是能量分配；r是 頻率分配； 擊驟四、hk鈁總某站救<k<總用戶數(shù)的所有情況下，THk的大小，選擇：
作為用戶選擇結(jié)果，進(jìn)行頻率資源和能量的分配；以后的每一時(shí)刻再重新進(jìn)行步驟二 到步驟三作為實(shí)時(shí)的功率分配和頻率分配的方法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能夠保障用戶公平性的MIM0異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，設(shè)計(jì)目 標(biāo)函數(shù)和7個(gè)約束條件，S卩：C1至C7 ;其特征在于該目標(biāo)函數(shù)用于兼顧公平性和吞吐量?jī)?yōu) 化；具體為：
Cl和C2分別是宏基站和家庭基站的功率限制，所有子信道下的發(fā)射功率的和要小于 總發(fā)射功率限制；其中，=2^是基站j是否使用了子信道n; |%m(n) |宏基站j第m i J, 根天線的預(yù)編碼向量的模Iwf，m(n) |家庭基站j第m根天線的預(yù)編碼向量的模，采用ZF預(yù)編 碼實(shí)現(xiàn)；Pj，>)為宏基站j第m根天線的發(fā)射功率，Pf，>)為家庭基站f?第m根天線的發(fā) 射功率；PTM是宏基站發(fā)射功率上限，PTF是家庭基站發(fā)射功率上限；是宏基站天線數(shù)， 是家庭基站發(fā)射天線數(shù)； C3和C4是在一個(gè)宏基站或一個(gè)家庭基站，在一個(gè)子信道n下，ZF波束成形同時(shí)的傳輸 的用戶數(shù)要小于基站的天線數(shù)； C5是限制發(fā)射功率瓦數(shù)大于零； C6代表每個(gè)用戶只能同時(shí)使用一個(gè)信道； C7代表在簇內(nèi)的用戶不能使用相同子信道，即簇內(nèi)用戶無干擾；clustered指任意家 庭基站族。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能夠保障用戶公平性的MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，其特征 在于步驟三中總控制中心通過多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)對(duì)步驟三中選取的k個(gè)用戶分配頻率資源， 并對(duì)基站發(fā)射能量進(jìn)行分配，使得基站選擇k個(gè)用戶時(shí)達(dá)到最優(yōu)解是通過目標(biāo)遺傳算法實(shí) 現(xiàn)的，具體為： 步驟A、建立個(gè)體編碼，將每個(gè)用戶的子信道使用狀態(tài)和能量發(fā)送狀態(tài)建模成染色體， 隨機(jī)選擇N個(gè)樣本作為初始樣本，S卩：N個(gè)1代父樣本；用X表示樣本； 步驟B、將N個(gè)t代父樣本，通過交叉和變異運(yùn)算產(chǎn)生N個(gè)子樣本，t代父樣本和子樣本 共組成2N個(gè)樣本；通過兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)將樣本按照優(yōu)劣分成若干等級(jí)；分等級(jí)的方法如下： 首先，建立約束條件目標(biāo)函數(shù)：設(shè)共有m個(gè)約束條件，其中，有q個(gè)是g(x)〈0 ;有m-q個(gè) 是h(x) = 0,則將約束條件建模成：
由于可以令O1!/在〇、1之中選擇，因此約束條件C6不需要加入到約束條件目標(biāo)函 數(shù)中；將約束條件Cl、C2、C3、C4、C5、C7帶到上面的公式中得到： Cj (X) =max(0,Cj(X)),j= 1, 2, 3, 4, 5, 7得到兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)分別為： v^
/ 然后根據(jù)上面兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，我們的分等級(jí)的方法如下：如果有兩個(gè)樣本&、X2
步驟C、在同一等級(jí)內(nèi)通過樣本周圍的擁擠程度內(nèi)部排序：
其中，m為目標(biāo)函數(shù)編號(hào)，即：目標(biāo)函數(shù)l、2;Ui)為本樣本m目標(biāo)函數(shù)值；Im(i-1)和Im(i+1)為與此樣本m函數(shù)值最相近的兩個(gè)樣本的目標(biāo)m函數(shù)值；(max(m)-min(m))為此等 級(jí)中，m函數(shù)值中最大值和最小值的差；（Im(i+l)-Im(i-l))/(max(m)-min(m))用于將m目 標(biāo)函數(shù)的距離歸一化，防止兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量級(jí)差距太大，數(shù)量級(jí)大的目標(biāo)函數(shù)距離差 將數(shù)量級(jí)小的目標(biāo)函數(shù)距離差淹沒；I(i)distanM；是兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的距離差歸一化后的和； 步驟D、選前N個(gè)組成t+1代父樣本，并重復(fù)步驟B至D直到迭代收斂。
【專利摘要】能夠保障用戶公平性的MIMO異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)資源分配方法，它是為了解決在異構(gòu)MIMO系統(tǒng)中多用戶情況下，難以保障用戶通信質(zhì)量和全局用戶公平性雙重優(yōu)化的問題。其方法：進(jìn)行家庭基站分簇，并保證簇內(nèi)無相互干擾；在用戶通信發(fā)起階段，各基站通過信令獲取基站下用戶的信道信息；總控制中心首先根據(jù)用戶的信道條件和歷史通信吞吐量進(jìn)行用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)排序，并選取排序前k個(gè)用戶；總控制中心通過本發(fā)明改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法對(duì)選取的k個(gè)用戶最優(yōu)化分配頻率資源，并對(duì)基站發(fā)射能量最優(yōu)化進(jìn)行設(shè)置，分配后系統(tǒng)總吞吐量為THk；比較選取用戶數(shù)k在總基站數(shù)≤k≤總用戶數(shù)的所有情況下THk的大小，選取最優(yōu)的k，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻率資源和能量的分配。
【IPC分類】H04B7-04, H04W72-04, H04W72-12
【公開號(hào)】CN104619028
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510003075
【發(fā)明人】徐玉濱, 陳亮, 馬琳, 崔揚(yáng), 劉寧慶
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月5日