用于分布式無線網(wǎng)絡(luò)的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的實(shí)施例提供用于分布式無線網(wǎng)絡(luò)的方法和設(shè)備，其中該方法包括在一個(gè)用戶處接收來自于所述無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他用戶發(fā)送的定制信號，以便獲得所述其他用戶的信道增益，利用所述信道增益來對和速率最大化問題建立模型，以及基于對所述和速率最大化問題的求解來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的或次優(yōu)的信道分配和功率控制。利用本發(fā)明的實(shí)施例的方法和設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)有效的信道分配和功率控制，從而改進(jìn)分布式無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。
【專利說明】用于分布式無線網(wǎng)絡(luò)的方法和設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例一般地涉及通信領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于分布 式無線網(wǎng)絡(luò)的方法和設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、智能移動(dòng)設(shè)備（例如各類智能手機(jī)）和社交網(wǎng)絡(luò)越來越多地受到 用戶的歡迎，無線網(wǎng)絡(luò)正處于網(wǎng)絡(luò)模式轉(zhuǎn)變的過程中。為提升通信的容量，小型小區(qū)（例 如，femtocell和picocell)和D2D(設(shè)備到設(shè)備）通信正在被添加到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中，這將 會(huì)導(dǎo)致在未來的通信中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很可能變得愈發(fā)松散和無序，從而如果對這些網(wǎng)絡(luò)仍然 采用傳統(tǒng)的集中式控制，就會(huì)變得非常復(fù)雜且低效。因此，近年來的通信研究更多的關(guān)注于 分布式無線網(wǎng)絡(luò)。這樣的分布式網(wǎng)絡(luò)顯示出對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)很強(qiáng)的伸縮性、靈活性以及魯棒 性，并且有希望改進(jìn)稀缺的頻譜資源的使用率。然而，由于缺少集中式的控制，設(shè)計(jì)低復(fù)雜 度又能實(shí)現(xiàn)期望的性能的分布式網(wǎng)絡(luò)具有不小的挑戰(zhàn)性。
[0003] 在用于多載波多用戶系統(tǒng)的分布式控制算法的實(shí)際設(shè)計(jì)中存在兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)， 其中之一是如何能夠高效地實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)吞吐量，這已經(jīng)成為熱點(diǎn)研究的一個(gè)課題。理 論上，該課題可以建模為帶有功率約束的和速率最大化問題。由于該問題的非凸特性，其已 經(jīng)被證明是一個(gè)NP-hard問題。因此，即使在集中式的情況下也無法設(shè)計(jì)快速算法來獲得 最優(yōu)的解決方案。
[0004] 為此，許多放松技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于獲得近似的最優(yōu)解決方案。這些技術(shù)可以被劃 分為兩類。一類技術(shù)是求解拉格朗日對偶放松問題來代替于求解原始的和速率最大化問 題。然而，由于該問題的非凸特性，強(qiáng)對偶定理要求的條件通常不能成立。進(jìn)一步，由于要在 用戶之間傳遞大量的消息，相應(yīng)的對偶算法也難以以分布式的方式應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)中。
[0005] 另一類技術(shù)是將問題轉(zhuǎn)換為非合作博弈問題。人們提出了以迭代的注水算法 (IWFA)所代表的一類算法，用來計(jì)算納什均衡。在尋找和證明存在納什均衡解唯一性條件 以及IWFA的收斂的條件等方面，也已經(jīng)做了大量工作。然而，在類技術(shù)中仍然存在著若干 缺陷。首先，為了算法的收斂，IWFA將進(jìn)行若干次迭代（例如，20次迭代）。每次的迭代將 運(yùn)行注水算法來進(jìn)行功率分配。這使得計(jì)算復(fù)雜度變得很高，且在收斂前進(jìn)行功率分配也 都是低效的。其次，算法可能無法收斂到唯一的納什均衡。最后，即使算法收斂到納什均衡 點(diǎn)，也不必然意味著網(wǎng)絡(luò)用戶可以取得較好的吞吐量，因?yàn)榧{什均衡并不能保證全局最優(yōu)， 例如，著名的"囚徒困境"問題。
[0006] 另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何設(shè)計(jì)出一個(gè)簡單且有效的消息傳遞機(jī)制，這是實(shí)際實(shí)現(xiàn)分布式 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)。由于用戶共享公共的頻譜，為了分布式的實(shí)現(xiàn)合理資源分配，網(wǎng)絡(luò) 中的用戶必須要向其他的用戶傳送各自的信息（例如，信道增益和干擾水平）。消息的頻繁 傳送會(huì)造成巨大的系統(tǒng)開銷，這里就存在著一個(gè)系統(tǒng)性能和開銷的權(quán)衡問題。一方面，如果 缺少足夠的消息傳送，用戶設(shè)備之間就難以達(dá)到良好的協(xié)作，從而差的系統(tǒng)性能就不可避 免。IWFA就是一個(gè)由于毫無消息傳送而導(dǎo)致差的系統(tǒng)性能就是極端例子。然而另一方面， 大量消息頻繁傳遞，其造成的系統(tǒng)開銷很可能抵消甚至超出其為系統(tǒng)帶來的性能增益。另 夕卜，眾多的消息傳遞在實(shí)際的系統(tǒng)中也難于實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上面提到的問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種簡單且有效的信令傳輸機(jī) 制，基于此可以進(jìn)行有效的信道分配和功率控制，從而在分布式無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)良好的系 統(tǒng)性能，獲得最佳的系統(tǒng)吞吐量。
[0008] 本發(fā)明的實(shí)施例提供一種用于分布式無線網(wǎng)絡(luò)的方法，該方法包括在一個(gè)用戶處 接收來自于所述無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他用戶發(fā)送的定制信號，以便獲得所述其他用戶的信道增 益。該方法還包括利用所述信道增益來對和速率最大化問題建立模型。該方法進(jìn)一步包括 基于對所述和速率最大化問題的求解來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的或次優(yōu)的信道分配和功率控制。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中接收其他用戶發(fā)送的定制信號包括接收其他用戶 中的每個(gè)用戶以一個(gè)傳輸功率在每個(gè)信道中發(fā)送的信號，接收所述每個(gè)用戶以所述一個(gè)傳 輸功率與以所述信道增益為參數(shù)的函數(shù)相乘的積作為另一個(gè)傳輸功率在每個(gè)信道中發(fā)送 的信號，以及基于所述一個(gè)傳輸功率和所述另一個(gè)傳輸功率來求解所述信道增益。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另外實(shí)施例，其中所述和速率最大化問題模型表達(dá)為下式：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于分布式無線網(wǎng)絡(luò)的方法，包括： 在一個(gè)用戶處接收來自于所述無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他用戶發(fā)送的定制信號，以便獲得所述其 他用戶的信道增益； 利用所述信道增益來對和速率最大化問題建立模型；以及 基于對所述和速率最大化問題的求解來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的或次優(yōu)的信道分配和功率控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中接收其他用戶發(fā)送的定制信號包括： 接收其他用戶中的每個(gè)用戶以一個(gè)傳輸功率在每個(gè)信道中發(fā)送的信號； 接收所述每個(gè)用戶以所述一個(gè)傳輸功率與以所述信道增益為參數(shù)的函數(shù)相乘的積作 為另一個(gè)傳輸功率在每個(gè)信道中發(fā)送的信號；以及 基于所述一個(gè)傳輸功率和所述另一個(gè)傳輸功率來求解所述信道增益。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述信道增益通過下式求解：
其中
t示從用戶i發(fā)送設(shè)備到用戶j接收設(shè)備在信道k上的信道增益，乂 表示噪聲方差
表示用戶i的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備在信道k上的歸一化的信道增益
表不所述函數(shù)，P〇表不所述一個(gè)傳輸功率，
I不所述另一個(gè)傳輸功率，Si表不以傳 輸功率匕發(fā)送的信號，s2表示以傳輸功_
發(fā)送的信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述函數(shù)是由所述無線網(wǎng)絡(luò)預(yù)先設(shè)定的單調(diào)增函 數(shù)并且對于所述無線網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)用戶是預(yù)先已知的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述和速率最大化問題模型表達(dá)為下式：
(1) 其中Θ i表示用戶i的預(yù)設(shè)權(quán)重，ri表示用戶i的傳輸速率，并i
其中
I示用戶i在信道k上的傳輸功率，ri(l表示用戶i的最小傳輸速率，P i(l表示用戶i 的最大可支持的傳輸功率，I表示所述無線網(wǎng)絡(luò)中的用戶集合，其中1= {1，2, ···〗}，以及 K表示信道集合，其中K={1，2，…K}。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的信道分配和功率控制中，所述方法 包括將式（1)的所述和速率最大化問題模型轉(zhuǎn)化為下式（2)表達(dá)的模型：

其中變量
「表示將信道k分配給用戶i的時(shí)間百分比，并且：
通過將與式（8)、（9)和（10)關(guān)聯(lián)的拉格朗日乘子表示為Pi、\1和yk，得到拉格朗 日量的算式：
由此，式⑵的對偶函數(shù)由下式給出
對于給定的Ρ，μ，λ，通過一階導(dǎo)數(shù)條件來最大化拉格朗日量算式k(P，μ，λ ;p， T)，得到用戶i在信道k上的最優(yōu)功率p%即下式
其中符號
， 將式（13)帶入到式（11)，得到下式
其中
通過最大化L(P，μ，λ ;P%T)，得到用戶i在信道k上的最優(yōu)
，即
將最優(yōu)值壙帶入到式（14)，則得到如下對偶函數(shù)：
由此將式（2)的求解轉(zhuǎn)化為對下式的求解：
對于給定的P和λ，在μ上最小化對偶函數(shù)，從而μ的最優(yōu)解由下式給出
將集洽
]最大元素表示為
，并且將式（19)帶入式（18)，得到下式
最小化式（20)得到式（18)的解，其中使用基于次梯度算法，根據(jù)下式搜索和更新Ρ 和λ直到其收斂：

其中t表示迭代的次數(shù)，a (t)表示λ i的步長，β (t)表示P i的步長
復(fù)示指 示函數(shù)，?
則所述函數(shù)值為1，否則所述函數(shù)值為〇。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中在實(shí)現(xiàn)次優(yōu)的信道分配和功率控制中，所述方法 包括： 基于所述無線網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)用戶的信道增益來對信道進(jìn)行排序； 迭代地執(zhí)行以下的步驟直到分配完所有的信道： 針對每個(gè)未被分配的信道，計(jì)算所述信道分配給各個(gè)用戶將獲得的邊際速率，所述邊 際速率通過下式計(jì)算：
其中Marginal-Ratei表示用戶i的邊際速率、ACSi表示已經(jīng)分配給用戶i的信道的集 合，CTAi表示每次迭代執(zhí)行中向用戶i分配的信道集合； 通過計(jì)算每個(gè)用戶的所述邊際速率來確定具有最大邊際速率的用戶，以便向所述用戶 分配所述未被分配的信道。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括： 對分配信道后的每個(gè)用戶的各個(gè)信道平均分配傳輸功率。
9. 一種用于分布式無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，包括： 接收單元，配置用于在一個(gè)用戶處接收來自于所述無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他用戶發(fā)送的定制信 號，以便獲得所述其他用戶的信道增益； 建模單元，配置用于利用所述信道增益來對和速率最大化問題建立模型；以及 實(shí)現(xiàn)單元，配置用于基于對所述和速率最大化問題的求解來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的或次優(yōu)的信道 分配和功率控制。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中用于接收其他用戶發(fā)送的定制信號的單元配置 用于： 接收其他用戶中的每個(gè)用戶以一個(gè)傳輸功率在每個(gè)信道中發(fā)送的信號； 接收所述每個(gè)用戶以所述一個(gè)傳輸功率與以所述信道增益為參數(shù)的函數(shù)相乘的積作 為另一個(gè)傳輸功率在每個(gè)信道中發(fā)送的信號；以及 基于所述一個(gè)傳輸功率和所述另一個(gè)傳輸功率來求解所述信道增益。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述信道增益通過下式求解：
其4
g示從用戶i發(fā)送設(shè)備到用戶j接收設(shè)備在信道k上的信道增益，隊(duì) 表示噪聲方差
表示用戶i的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備在信道k上的歸一化的信道增益，
表不所述函數(shù)，Pci表不所述一個(gè)傳輸功率，
羑不所述另一個(gè)傳輸功率，Si表不以傳 輸功率h發(fā)送的信號，&表示以傳輸功率
發(fā)送的信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述函數(shù)是由所述無線網(wǎng)絡(luò)預(yù)先設(shè)定的單調(diào)增 函數(shù)并且對于所述無線網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)用戶是預(yù)先已知的。 Π .枏掘叔剎要龍12所述的設(shè)備，其中所述和速率最大化問題模型表達(dá)為下式：
(1) 其中θ i表示用戶i的預(yù)設(shè)權(quán)重，ri表示用戶i的傳輸速率，并且
其=
:表示用戶i在信道k上的傳輸功率，r i(l表示用戶i的最小傳輸速率，Pi(l表示用戶i 的最大可支持的傳輸功率，I表示所述無線網(wǎng)絡(luò)中的用戶集合，其中1= {1，2, ···〗}，以及 K表示信道集合，其中K={1，2，…K}。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的信道分配和功率控制中，所述實(shí) 現(xiàn)單元配置用于將式（1)的所述和速率最大化問題模型轉(zhuǎn)化為下式（2)表達(dá)的模型：
其中變』
*表示將信道k分配給用戶i的時(shí)間百分比，并?
通過將與式（8)、（9)和（10)關(guān)聯(lián)的拉格朗日乘子表示為Pi、\1和yk，得到拉格朗 日量的算式：
由此，式（2)的對偶函數(shù)由下式給出
對于給定的P，μ，λ，通過一階導(dǎo)數(shù)條件來最大化拉格朗日量算式L(P，μ，λ ;p， T)，得到用戶i在信道k上的最優(yōu)功率p%即下式
其中符，
將式π3)帶入剎式（m,得剎下式
其中 (15) 通過最大化L(P，μ，λ ;P%T)，得到用戶i在信道k上的最優(yōu)值?Γ，即
將最優(yōu)值f帶入到式（14)，則得到如下對偶函數(shù)：
U7) 由此將式（2)
的求解轉(zhuǎn)化為對下式的求解： 對于給定的P和λ，在μ上最小化對偶函數(shù)，從而μ的最優(yōu)解由下式給出
將集合丨
的最大元素表示^
許且將式（19)帶入式（18)，得到下式
最小化式（20)得到式（18)的解，其中使用基于次梯度算法，根據(jù)下式搜索和更新Ρ 和λ直到其收斂：
其中t表示迭代的次數(shù)，a (t)表示λ i的步長，β (t)表示P i的步長
表示指 示函數(shù)，老
則所述函數(shù)值為1，否則所述函數(shù)值為〇。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中在實(shí)現(xiàn)次優(yōu)的信道分配和功率控制中，所述實(shí) 現(xiàn)單元配置用于： 基于所述無線網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)用戶的信道增益來對信道進(jìn)行排序； 迭代地執(zhí)行以下的步驟直到分配完所有的信道： 針對每個(gè)未被分配的信道，計(jì)算所述信道分配給各 個(gè)用戶將獲得的邊際速率，所述邊際速率通過下式計(jì)算：
其中 示用戶i的邊際速率、ACSi表示已經(jīng)分配給用戶i的信道的集合，0^表 示每次迭代執(zhí)行中向用戶i分配的信道集合； 通過計(jì)算每個(gè)用戶的所述邊際速率來確定具有最大邊際速率的用戶，以便向所述用戶 分配所述未被分配的信道。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括： 平均單元，配置用于對分配信道后的每個(gè)用戶的各個(gè)信道平均分配傳輸功率。
【文檔編號】H04W72/04GK104066098SQ201310087568
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月18日
【發(fā)明者】李殊勤, 郭海友, 蔡立羽 申請人:上海貝爾股份有限公司