超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中基于用戶連接與干擾管理聯(lián)合優(yōu)化的負載均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中用戶連接的問題，屬于無線通信中的網(wǎng)絡技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在長期演進及其后續(xù)演進(XTE-A,LongTermEvolution-Advanced)系統(tǒng)的異構(gòu) 網(wǎng)絡中，部署高密度的小站成為常見的策略，從而形成超密集異構(gòu)網(wǎng)絡。
[0003] 在超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中，不同類型（比如可W按照發(fā)射功率進行區(qū)分）的基站構(gòu) 成不同層，同一類型的基站處于同一層。比如發(fā)射功率小的基站稱為小站，所有小站構(gòu)成 小站層，發(fā)射功率大的基站稱為宏站，所有宏站構(gòu)成宏站層。由于不同層的基站之間的發(fā) 射功率不同，造成用戶接收的來自不同站的參考信號接收功率巧SRP，ReferenceSignal Received化wer)有很大的差距，如果用戶采用傳統(tǒng)的最大RSRP連接機制，會造成很大一 部分用戶接入到發(fā)射功率較大，信號較好的基站上，從而造成運些基站的擁塞。而其它一些 發(fā)射功率較小，但是有豐富資源的基站處于空閑狀態(tài)。運樣，使得網(wǎng)絡負載分布不均衡，使 得整個網(wǎng)絡資源不能得到充分合理的運用，造成系統(tǒng)資源利用率低，網(wǎng)絡整體性能下降。
[0004] 無線網(wǎng)絡中，可W用基站連接的用戶數(shù)反映基站的負載，所W尋求網(wǎng)絡中各基站 的負載均衡可W看成尋求合適的用戶連接方法。在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡中負載均衡機制就是將 重負載和輕負載區(qū)域內(nèi)的資源合理分配，把重負載網(wǎng)絡中的用戶轉(zhuǎn)移到周圍負載相對較輕 的網(wǎng)絡，達到負載均勻分布的狀態(tài)。運樣使得整個系統(tǒng)的資源利用率得到有效提升。但是 在超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中，由于大小站之間的發(fā)射功率差異較大，從宏站卸載到小站的用戶將 受到來自宏站的強干擾，造成用戶的信號與干擾加噪聲比（SINR，SignaltoInterference plusNoiseRatio)較低。導致用戶從小站獲得的吞吐量下降，無法充分利用小站資源。所 W超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中的負載均衡需要考慮干擾的影響，聯(lián)合干擾管理技術(shù)才能進一步提升 網(wǎng)絡性能。
[0005] 為了促使用戶從擁塞的宏站卸載到小站上，并且減少從宏站卸載到小站的用戶受 到的干擾，進一步達到宏站與小站之間的負載均衡，超密集網(wǎng)絡中引入幾乎空白子帖（ABS， AlmostBlankSub化ame)，也就是宏站在時間域上按照一定的ABS比率留出一些幾乎空白 子帖，在運些子帖期間，小站用戶受到宏站的干擾將下降，提高小站資源的利用率，但是運 是W犧牲宏站用戶的可用資源為代價，所W宏站的ABS比率的選擇需要經(jīng)過優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中基于用戶連接和干擾管理聯(lián)合優(yōu)化 的負載均衡方法，提出了一種用戶連接和ABS比率聯(lián)合優(yōu)化的方法。采用本發(fā)明中的方法， 能夠提高超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中負載的均衡和用戶速率的公平性，W及網(wǎng)絡資源的利用率。
[0007] 本發(fā)明W最大化所有用戶的對數(shù)速率總和為目的，對用戶連接和ABS比例進行聯(lián) 合優(yōu)化，從而實現(xiàn)負載均衡。由于該聯(lián)合優(yōu)化問題復雜度過高，因此，將原問題分解成用戶 連接和ABS比率計算兩個子問題，用一個離散的對偶分解方法求解固定ABS比率情況下的 最優(yōu)用戶連接，給出了給定用戶連接情況下最優(yōu)ABS比率的表達式，然后根據(jù)求得的最優(yōu) ABS比率計算用戶連接，根據(jù)新獲得的用戶連接計算ABS比率，對兩個子問題進行迭代求解 直到收斂獲得原問題的次優(yōu)解。
[0008] 本發(fā)明W最大化超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中所有用戶的對數(shù)速率總和為目標建立用戶連 接和ABS比例聯(lián)合優(yōu)化的負載均衡模型。該模型在W下方面提升網(wǎng)絡的公平性，首先，W提 升用戶的速率為目標會促使用戶連接到相對空閑能夠分配到更多資源的小站上，從而提高 大小站之間負載的均衡性，其次，對數(shù)函數(shù)是一個增益遞減的函數(shù)，可提高用戶速率的公平 性。通過該模型確定的用戶連接還可W提升整體網(wǎng)絡吞吐量性能。
[0009] 假設(shè)在超密集異構(gòu)網(wǎng)絡中，所有的大站都采用同步的ABS比率0《a《1，每個大 站占有1-a的時間資源，小站既可W工作在ABS期間，也可W工作在非ABS期間，所W將每 個小站看成兩個邏輯基站，一個ABS小站，占有a的時間資源；一個非ABS小站，占有I-Q 的時間資源。用戶可W選擇連接到大站，ABS小站或者非ABS小站。 陽010] 所有的大站用集合M表示，大小為Nm,所有的ABS小站由集合pABs表示，大小為Np, 所有的非ABS小站由集合P"ABs表示，大小為NP，所有的用戶由集合U表示，大小為N。。 陽0川用戶i從大站或非ABS小站j接收的SINR值：
山 陽01引用戶i從ABS小站j接收的SINR值：
口J
[0015] 其中，P,定義為標號為j的基站的發(fā)射功率，h1,表示的是從基站j到用戶i的信 道增益，包含路徑損耗，陰影衰落和天線增益，O2表示噪聲功率。
[0016] 用戶i從基站j得到的信道容量Cl,由下式計算得到：
[0017] Cij=Wlog(1+SINRij)閒
[0018] 其中W表示基站的帶寬。通常可認為所有的基站使用相同的帶寬。
[0019] 本發(fā)明提出的優(yōu)化問題如下式所示。
[4a]
[0021] 約束條件： 陽022] !>" =LWgU [側(cè) 捉反 陽02；3] ZX= ' 巧G公 [4 句
[0024] !>.='、， 闕 臣孩
[00巧]兩趴皆e盛 [4到
[0026] 0《a《I[4f]其中，Xi,是一個二進制變量，當用戶i連接到基站j上的時 候，Xi,= 1，否則為0.k,定義為第j個基站上連接的用戶數(shù)，X表示所有X1,的集合，K表示 所有k，的集合，a表示ABS比率。約束條件[4b]用W限制每個用戶只連接到一個基站上， 約束條件[4d]用W確保所有的用戶都得到連接。Ri, (a，k,)表示用戶i從基站j獲得的速 率，它由下式計算：
間
[0028] 由于該聯(lián)合問題的禪合性，是一個非凸問題，求解困難，所W本發(fā)明尋求一個該問 題的次優(yōu)解。
[0029] 將最優(yōu)化變量分成兩塊找，K}和{a}，分別對應于兩個子問題，即用戶連接和ABS 比率計算，迭代求解兩個子問題直至收斂。每一次迭代中，固定某塊中的變量的取值，對另 一塊中的變量進行最優(yōu)化。也就是固定ABS比率最優(yōu)化用戶連接，W及固定用戶連接最優(yōu) 化ABS比率，然后通過迭代得到全局次優(yōu)解。
[0030] 具體過程如下：
[00川 1給定用戶連接計算最優(yōu)的ABS比率
[0032] 給定用戶連接，即變量找，時固定，將表達式[3]和[引代入[4a]中，得到：
閱
[0034] 該式對a進行求導取零，可W得到最優(yōu)ABS比率的表達式：
陰
[0036] 由該表達式可W看出，當用戶連接給定時，最優(yōu)的ABS比率為所有連接到ABS小站 上的用戶數(shù)與總用戶數(shù)之比。
[0037] 2給定ABS比率計算最優(yōu)用戶連接
[0038] 此時，變量a是固定的，此時最優(yōu)用戶連接可W通過離散的對偶分解方法得到。 為此，引入對偶變量y用于限制[4c]和對偶變量V用于限制[4d]，從而拉格朗日函數(shù)表 達式：
腳
[0040] W及對偶函數(shù)表達式：
例
[0042] 拉格朗日對偶理論表明通過最小化對偶函數(shù)g(y，V)來更新各個對偶變量，運 樣對偶問題就可W由下式表示：
[10]：
[11]
[12]
[0046] 當給定最優(yōu)的對偶變量y*和V*，問題[11]和問題[12]就可W分別在用戶端和 基站端進行求解獲得最優(yōu)的用戶連接。
[0047] 在用戶端求解問題[11],由表達式可W直接觀察到用戶i將通過下式選擇服務基 站j* :
[13]
[0050] 在基站端求解問題[12]，對kj進行求導取零，可W得到每個基站理論計算應該連接的用戶數(shù)由下式獲得：
[14]
[巧
[0054]給定y，將對偶函數(shù)對對偶變量V求導取零，得到V的最優(yōu)解：
[I對
[0056] 式中的迭代次數(shù)t表示對偶變量的更新需要按順序進行，先更新對偶變量y，再 更