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)量急劇增長以及數(shù)據(jù)服務需求的加大，現(xiàn)有的資源分配方案無法滿足日益增長的需求。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進和寬帶接入技術(shù)的進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。這種趨勢迫使無線資源管理(Radio Resource Management,RRM)實體越來越靠近終端，從而能更快的，更準確地通過終端感受信道狀況的變化，進而做出相應的有益的調(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，各個節(jié)點均是平等的。接入技術(shù)方面，OFDM技術(shù)在LTE/LTE-A中的應用能對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次優(yōu)解并且此方案中的迭代收斂只能靠經(jīng)驗設(shè)置的參數(shù)來保證。2)用 RNTP(Relative Narrowband Tx Power)來表征每個物理資源塊(PRB)上的功率限制，進而協(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簡單應用，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，達到一個優(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，從而導致只能收斂到最優(yōu)點周圍一個給定區(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，各個家庭基站測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，子集中的各個家庭基站初始化在各個信道上的發(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個家庭基站在第n個信道上第k次發(fā)射功率迭代值；Ih^表示第j個家庭基站到第i個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信道上的發(fā)射功率迭代值，直到內(nèi)圈收斂；步驟四，各個信道均采用內(nèi)圈中自身信道上的發(fā)射功率迭代值的時間平均作為自身信道的真實發(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；當前拉格朗日乘數(shù)因子下內(nèi)圈迭代收斂后，家庭基站進行外圈拉格朗日乘數(shù)因子的迭代，直到收斂；步驟六，重復步驟二至步驟五，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間平均后就是在各個信道上最優(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家庭基站的終端感受到巨大干擾時，終端將干擾信息發(fā)送至家庭基站；所述家庭基站將請求運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，可以修正梯度計算的誤差，并采用內(nèi)圈迭代值的時間平均作為真實的發(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景不意圖；圖2為實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為隨機放直的豕庭基站和終端的場景不意圖；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比結(jié)果示意圖。
具體實施例方式針對架構(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難點。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，同時本發(fā)明所述方法可以擴展到任意分布式多節(jié)點(多代理)無線通信系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中。該方案中各個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。每個家庭基站都和已選擇的幾個對自己干擾影響較大的鄰近家庭基站一起組成自己的子集。同時各個家庭基站都可能在別人的子集里，甚至可能同時在幾個不同鄰近家庭基站的子集里，這樣能保證整個網(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?，每個家庭基站可以通過設(shè)計好的迭代方程來獲得當前拉格朗日乘數(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)，同時那些被多個子集同時包括的家庭基站只需在某一個子集里進行信令交互，那么信令開銷增加的會比較少。下面以圖4中的家庭基站網(wǎng)絡(luò)為例對內(nèi)外圈迭代進行解釋說明，其包括9個家庭基站，每個家庭基站可以用所有的5個信道。整個網(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^表示各個家庭基站在第11個信道上的發(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個信道上的吞吐量，F(xiàn) =Pm T是各個家庭基站最大發(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)的對偶方程可以寫成d(X)= max L(w"，xN，凡)(4)
Xj ,叉2，…夕Xjy對偶問題為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)會有同樣的解。次梯度迭代是一個解決方程(5)中的對偶問題的有效方法。d(A)的一種次梯度方向可以表示為
_ ND = P-^xn(6)
M=I 按照D進行拉格朗日乘數(shù)因子的迭代稱為外圈迭代。將方程(5)進行分解，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，同時將g(Pi，n)稱為內(nèi)圈優(yōu)化目標函數(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
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，每個家庭基站收集鄰居的當前迭代值并取加權(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，這個迭代值是家庭基站i知道的所有節(jié)點在第n個信道上的發(fā)射功率向量。當然家庭基站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收集鄰居的當前迭代值并取加權(quán)平均的結(jié)果。a (k+1)是步長，是家庭基站i在^)處的迭代方向。zf上是的第j個分量。
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，各個家庭基站測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，子集中的各個家庭基站初始化在各個信道上的發(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個家庭基站在第n個信道上第k次發(fā)射功率迭代值；IhjiI表不第j個家庭基站到第i個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信道上的發(fā)射功率迭代值，直到內(nèi)圈收斂； 步驟四，各個信道均采用內(nèi)圈中自身信道上的發(fā)射功率迭代值的時間平均作為自身信道的真實發(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；當前拉格朗日乘數(shù)因子下內(nèi)圈迭代收斂后，家庭基站進行外圈拉格朗日乘數(shù)因子的迭代，直到收斂； 步驟六，重復步驟二至步驟五，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間平均后就是在各個信道上最優(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家庭基站的終端感受到巨大干擾時，終端將干擾信息發(fā)送至家庭基站；所述家庭基站將請求運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，各個家庭基站測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)射功率迭代值的時間平均作為真實發(fā)射功率；步驟五，家庭基站進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；迭代收斂值時間平均后即為各個信道上最優(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H04W72/04GK102752860SQ20111009846
公開日2012年10月24日 申請日期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 申請人:上海無線通信研究中心