專利名稱：無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法。
背景技術(shù)：
隨著無線網(wǎng)絡(luò)里數(shù)據(jù)終端(UE)的數(shù)量急劇增長(zhǎng)以及數(shù)據(jù)服務(wù)需求的加大，現(xiàn)有的資源分配方案無法滿足日益增長(zhǎng)的需求。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)和寬帶接入技術(shù)的進(jìn)步有益于無線資源的有效利用。在3GPP LTE及LTE-A中，日益扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有及未來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演化的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)迫使無線資源管理(Radio Resource Management,RRM)實(shí)體越來越靠近終端，從而能更快的，更準(zhǔn)確地通過終端感受信道狀況的變化，進(jìn)而做出相應(yīng)的有益的調(diào)整來優(yōu)化資源分配。此扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中沒有集中式的控制節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)均是平等的。接入技術(shù)方面，OFDM技術(shù)在LTE/LTE-A中的應(yīng)用能對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾并取得較高的頻譜效率。但是小區(qū)間干擾(Inter-cell Interference)依然是OFDM·應(yīng)用所必須解決的一大難題。物理層資源(Physical Layer Resource Allocation)(如頻譜資源、功率資源等)的優(yōu)化分配能夠有效降低小區(qū)間干擾，提高無線資源利用效率。但基于扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)作分布式的資源分配方案是LTE/LTE-A家庭基站網(wǎng)絡(luò)所迫切需要的。針對(duì)頻譜資源的分配或功率資源的分配提出的優(yōu)化方案有I) 一種分布式聯(lián)合信道功率分配方法，該方法只能得到一個(gè)次優(yōu)解并且此方案中的迭代收斂只能靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)來保證。2)用 RNTP(Relative Narrowband Tx Power)來表征每個(gè)物理資源塊(PRB)上的功率限制，進(jìn)而協(xié)調(diào)相鄰小區(qū)的資源調(diào)度從而降低小區(qū)間干擾。但此方案只是3GPP物理層資源分配一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，方案的最優(yōu)性無法證明。3) 一種優(yōu)化分布式方法，該方法中家庭基站與周圍幾個(gè)鄰居小區(qū)交互彼此在同一信道上的發(fā)射功率，通過兩層的梯度迭代，達(dá)到一個(gè)優(yōu)化的頻譜和功率分配。但此方法的內(nèi)圈迭代的梯度方向有誤差，從而導(dǎo)致只能收斂到最優(yōu)點(diǎn)周圍一個(gè)給定區(qū)域內(nèi)(此區(qū)域的半徑稱為收斂半徑)，而且只能獲得優(yōu)化系統(tǒng)效用函數(shù)(網(wǎng)絡(luò)吞吐量)的下確界值，無法達(dá)到最優(yōu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法，。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法，包括以下步驟步驟一，各個(gè)家庭基站測(cè)量來自鄰近家庭基站的干擾，從而選擇干擾影響較大的鄰居家庭基站組成自己的子集，子集中的各個(gè)家庭基站初始化在各個(gè)信道上的發(fā)射功率和拉格朗日乘數(shù)因子；步驟二，拉格朗日乘數(shù)因子下的迭代稱為內(nèi)圈迭代；內(nèi)圈中每次迭代后，每個(gè)家庭基站向所屬子集中的鄰居家庭基站廣播自身定義的特殊信息；所述特殊信息包括兩組信息和It^l ;其中，CO “,k表示第i個(gè)家庭基站在第n個(gè)信道上第k次發(fā)射功率迭代值；Ih^表示第j個(gè)家庭基站到第i個(gè)家庭基站的所有終端的路損的平均值；所述內(nèi)圈迭代采用協(xié)作分布式內(nèi)圈次梯度迭代方法。 步驟三，子集中的各個(gè)家庭基站收到鄰居家庭基站發(fā)來的特殊信息后更新自己在每個(gè)信道上的發(fā)射功率迭代值，直到內(nèi)圈收斂；步驟四，各個(gè)信道均采用內(nèi)圈中自身信道上的發(fā)射功率迭代值的時(shí)間平均作為自身信道的真實(shí)發(fā)射功率；步驟五，拉格朗日乘數(shù)因子的迭代稱為外圈迭代；當(dāng)前拉格朗日乘數(shù)因子下內(nèi)圈迭代收斂后，家庭基站進(jìn)行外圈拉格朗日乘數(shù)因子的迭代，直到收斂；步驟六，重復(fù)步驟二至步驟五，內(nèi)外圈交互，直到外圈迭代收斂后內(nèi)圈迭代也收斂；將最后迭代收斂值時(shí)間平均后就是在各個(gè)信道上最優(yōu)的功率分配值。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，還包括在所述步驟一前的步驟零家庭基站每隔固定時(shí)間間隔執(zhí)行一次步驟一。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，還包括在所述步驟一前的步驟零當(dāng)家庭基站的終端感受到巨大干擾時(shí)，終端將干擾信息發(fā)送至家庭基站；所述家庭基站將請(qǐng)求運(yùn)行資源分配方法的命令發(fā)送到鄰居家庭基站；所述鄰居家庭基站將同意的命令反饋到家庭基站。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明所述方法通過定義并交互鄰居家庭基站到本小區(qū)終端之間的路損信息I h,, I，可以修正梯度計(jì)算的誤差，并采用內(nèi)圈迭代值的時(shí)間平均作為真實(shí)的發(fā)射功率，能得到系統(tǒng)效用函數(shù)的全局最優(yōu)值而非最優(yōu)值的下確界，從而使資源分配更加合理，提高了頻譜效率。


圖I為家庭基站的鄰居子集的場(chǎng)景不意圖；圖2為實(shí)施例一所述的由上層配置觸發(fā)的協(xié)作分布式資源分配方法的流程圖；圖3為實(shí)施例二所述的由事件觸發(fā)的協(xié)作分布式資源分配方法的流程圖；圖4為隨機(jī)放直的豕庭基站和終端的場(chǎng)景不意圖；圖5為本發(fā)明所述方法的內(nèi)圈次梯度方向能收斂至0的仿真結(jié)果示意圖；圖6為本發(fā)明所述方法的內(nèi)外圈迭代后，發(fā)射功率能夠收斂的仿真結(jié)果示意圖；圖7為本發(fā)明所述方法與背景技術(shù)中的優(yōu)化分布式方法的功能對(duì)比結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式針對(duì)架構(gòu)日益扁平化的無線通信系統(tǒng)和有限的無線資源，用分布式資源分配方法來提高系統(tǒng)的無線資源利用效率是一個(gè)難點(diǎn)。本發(fā)明以LTE系統(tǒng)中的家庭基站(HeNB)網(wǎng)絡(luò)為例，提出一種協(xié)作分布式最優(yōu)化資源分配方法，同時(shí)本發(fā)明所述方法可以擴(kuò)展到任意分布式多節(jié)點(diǎn)(多代理)無線通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中。該方案中各個(gè)家庭基站與其所在的子集(subset)里的鄰近家庭基站相互交互各個(gè)信道上的發(fā)射功率和鄰居基站到本基站終端的路損信息，利用內(nèi)外層次梯度迭代算法，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化資源分配，從而最大化網(wǎng)絡(luò)的效用函數(shù)。效用函數(shù)可以定義為網(wǎng)絡(luò)吞吐量，公平性，能量消耗等。家庭基站網(wǎng)絡(luò)由大量家庭基站組成。每個(gè)家庭基站都和已選擇的幾個(gè)對(duì)自己干擾影響較大的鄰近家庭基站一起組成自己的子集。同時(shí)各個(gè)家庭基站都可能在別人的子集里，甚至可能同時(shí)在幾個(gè)不同鄰近家庭基站的子集里，這樣能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是全連通的。家庭基站之間可以相互交互信息?；谙嗷ソ换サ男畔?，每個(gè)家庭基站可以通過設(shè)計(jì)好的迭代方程來獲得當(dāng)前拉格朗日乘數(shù)因子下所有家庭基站在同一信道上的全局最優(yōu)功率分配。這個(gè)迭代被稱為內(nèi)圈迭代。拉格朗日乘數(shù)因子的迭代稱為外圈迭代。每個(gè)家庭基站外圈拉格朗日乘數(shù)因子迭代的方向依據(jù)其在所有信道上內(nèi)圈迭代的功率分配結(jié)果來計(jì)算。本發(fā)明所述的方案中信令開銷與子集里的家庭基站個(gè)數(shù)成正比。如果子集里的家庭基站總數(shù)控制在適中水平(5-6個(gè))，同時(shí)那些被多個(gè)子集同時(shí)包括的家庭基站只需在某一個(gè)子集里進(jìn)行信令交互，那么信令開銷增加的會(huì)比較少。下面以圖4中的家庭基站網(wǎng)絡(luò)為例對(duì)內(nèi)外圈迭代進(jìn)行解釋說明，其包括9個(gè)家庭基站，每個(gè)家庭基站可以用所有的5個(gè)信道。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量及其限制條件可以表示為
Nmaximize(x ) (I)
n=\
N_subj ect to ^ - P < 0
n=\其中\(zhòng)=(^，/^，...，八0)€9^表示各個(gè)家庭基站在第11個(gè)信道上的發(fā)射功率向
f ^
量，且1是上的凹函數(shù)J (x ) = fx =f>g2 1 + ^——表示所有家庭基
站在第n個(gè)信道上的吞吐量，F(xiàn) =Pm T是各個(gè)家庭基站最大發(fā)射功率的向量。為
了保證Tn(Xn)在沢〃 空間上是凸函數(shù)，Tn(Xn)近似為
f \
..ILp I h I2r (x ) = ^X =^>g2 ^——(2)
!=1 !=1 <+!>;’為 I2
VJ方程⑴是限制條件下的優(yōu)化，其可釆用拉格朗日對(duì)偶方法求解。
Nf _ N 、L(\v\2,..., Xn,
Xn(3)
n=\ =1 J其中，A = [A1, AJ是各家庭基站的拉格朗日乘數(shù)因子的向量。方程(I)的對(duì)偶方程可以寫成d(X)= max L(w"，xN，凡)(4)
Xj ,叉2，…夕Xjy對(duì)偶問題為minimize d(入)(5)
subject to 入 > 0.由于Tn(Xn)是凸函數(shù)，\是凹函數(shù)，那么方程⑴和方程(5)會(huì)有同樣的解。次梯度迭代是一個(gè)解決方程(5)中的對(duì)偶問題的有效方法。d(A)的一種次梯度方向可以表示為
_ ND = P-^xn(6)
M=I 按照D進(jìn)行拉格朗日乘數(shù)因子的迭代稱為外圈迭代。將方程(5)進(jìn)行分解，分解成基于信道數(shù)目N的子問題，^(A) = max|^r (x ) + vlr/p-^x U
x" L =iV =i JJ(7)
NM _=刀max g(phn)+
n=l Pi’n’Pl’n …PM’n; =1其中，g(/0= f；(為, (凡 )-/U., )。這樣需要解決子問題為分布式求解g(Pi,n)
1=1
的最優(yōu)解，同時(shí)將g(Pi，n)稱為內(nèi)圈優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。本發(fā)明釆用協(xié)作分布式內(nèi)圈次梯度迭代方法(cooperative distributed innercirclesubgradient method，(DICSM)來求解 g (Pi, n)，具體方法如下先變化一下形式，定義一個(gè)
M_min ^ (x ) = max(^(z) (pi n) + A1P1 / N)
i=l (x ) = - (Ri n (x ) - A1Xi n + A1 Pi / N、
MFn (x ) = 'Tjfr.n (X )，F(xiàn): = mm Fn= {xn g X.. Fn (x ) = F*n}以圖I為例，在子集內(nèi)家庭基站之間可以相互交互信息。在⑶ICSM里，每個(gè)家庭基站收集鄰居的當(dāng)前迭代值并取加權(quán)平均作為自己的下一次次梯度迭代的初始值。yf +1) = Px 卜i) -a_Vfhn (z )](8)式(8)中，yf )是家庭基站i在第k次的迭代值，這個(gè)迭代值是家庭基站i知道的所有節(jié)點(diǎn)在第n個(gè)信道上的發(fā)射功率向量。當(dāng)然家庭基站i的發(fā)射功率值是知道的，別人的可以假定一個(gè)值即可。
Jk) - V w(t+1)vW(c,-)z!, - Iu wI,] yI,nC9)式⑶中，zg是家庭基站i收集鄰居的當(dāng)前迭代值并取加權(quán)平均的結(jié)果。a (k+1)是步長(zhǎng)，是家庭基站i在^)處的迭代方向。zf上是的第j個(gè)分量。
權(quán)利要求
1.一種無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，各個(gè)家庭基站測(cè)量來自鄰近家庭基站的干擾，從而選擇干擾影響較大的鄰居家庭基站組成自己的子集，子集中的各個(gè)家庭基站初始化在各個(gè)信道上的發(fā)射功率和拉格朗日乘數(shù)因子； 步驟二，拉格朗日乘數(shù)因子下的迭代稱為內(nèi)圈迭代；內(nèi)圈中每次迭代后，每個(gè)家庭基站向所屬子集中的鄰居家庭基站廣播自身定義的特殊信息；所述特殊信息包括兩組信息和Ih^ ;其中，OiIk表示第i個(gè)家庭基站在第n個(gè)信道上第k次發(fā)射功率迭代值；IhjiI表不第j個(gè)家庭基站到第i個(gè)家庭基站的所有終端的路損的平均值； 步驟三，子集中的各個(gè)家庭基站收到鄰居家庭基站發(fā)來的特殊信息后更新自己在每個(gè)信道上的發(fā)射功率迭代值，直到內(nèi)圈收斂； 步驟四，各個(gè)信道均采用內(nèi)圈中自身信道上的發(fā)射功率迭代值的時(shí)間平均作為自身信道的真實(shí)發(fā)射功率； 步驟五，拉格朗日乘數(shù)因子的迭代稱為外圈迭代；當(dāng)前拉格朗日乘數(shù)因子下內(nèi)圈迭代收斂后，家庭基站進(jìn)行外圈拉格朗日乘數(shù)因子的迭代，直到收斂； 步驟六，重復(fù)步驟二至步驟五，內(nèi)外圈交互，直到外圈迭代收斂后內(nèi)圈迭代也收斂；將最后迭代收斂值時(shí)間平均后就是在各個(gè)信道上最優(yōu)的功率分配值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法，其特征在于還包括在所述步驟一前的步驟零家庭基站每隔固定時(shí)間間隔執(zhí)行一次步驟一。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法，其特征在于，還包括在所述步驟一前的步驟零當(dāng)家庭基站的終端感受到巨大干擾時(shí)，終端將干擾信息發(fā)送至家庭基站；所述家庭基站將請(qǐng)求運(yùn)行資源分配方法的命令發(fā)送到鄰居家庭基站；所述鄰居家庭基站將同意的命令反饋到家庭基站。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法，其特征在于，所述內(nèi)圈迭代采用協(xié)作分布式內(nèi)圈次梯度迭代方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作分布式資源分配方法，包括步驟一，各個(gè)家庭基站測(cè)量來自鄰近家庭基站的干擾，選擇干擾較大的鄰居家庭基站組成子集，初始化在各個(gè)信道上的發(fā)射功率和拉格朗日乘數(shù)因子；步驟二，內(nèi)圈中每次迭代后，每個(gè)家庭基站向子集中的鄰居家庭基站廣播自身定義的特殊信息；步驟三，各個(gè)家庭基站更新自己在信道上的發(fā)射功率迭代值，直到內(nèi)圈收斂；步驟四，內(nèi)圈中收斂的發(fā)射功率迭代值的時(shí)間平均作為真實(shí)發(fā)射功率；步驟五，家庭基站進(jìn)行外圈拉格朗日乘數(shù)因子的迭代，直到收斂；步驟六，內(nèi)外圈交互直至內(nèi)外圈迭代均收斂；迭代收斂值時(shí)間平均后即為各個(gè)信道上最優(yōu)的功率分配值。本發(fā)明可以得到系統(tǒng)效用函數(shù)的全局最優(yōu)值。
文檔編號(hào)H04W72/04GK102752860SQ20111009846
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者劉立剛, 徐景, 楊旸 申請(qǐng)人:上海無線通信研究中心