一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，利用微微基站及小區(qū)范圍擴(kuò)展技術(shù)的特點(diǎn)，基于均衡基站間負(fù)載的目的，提出一種變步長的動態(tài)偏置值切換算法，且該方法的優(yōu)化目標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能，該方法主要利用降指數(shù)函數(shù)及符號函數(shù)特性，動態(tài)改變偏置值的變化速率，主要步驟如下：首先，設(shè)定動態(tài)偏置值算法及其初始值；其次，根據(jù)小區(qū)選擇機(jī)制，對用戶進(jìn)行判斷劃分，得到不同時刻最差用戶的性能，并進(jìn)行前后時刻性能對比，利用符號函數(shù)對偏置值進(jìn)行修正，使最差用戶性能函數(shù)最終趨于最大值，本發(fā)明在基站間負(fù)載均衡的基礎(chǔ)上，利用變步長的偏置值算法，提升系統(tǒng)中最差用戶的性能，使基站資源得到充分利用。
【專利說明】一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)，尤其涉及一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，可用于宏基站和微微基站構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)邊緣模糊化處理。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對通信需求的不斷提高，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在面對高速率、高流量、高寬帶需求的用戶群時，其性能顯得有所欠缺，同時也出現(xiàn)了許多直接影響用戶體驗的問題。如:靠近宏基站的用戶可以獲得很好的性能，但靠近基站邊緣的用戶由于路徑損耗和來自附近其它基站的干擾，其性能很差。又如:在熱點(diǎn)地區(qū)或用戶密集的地區(qū)，宏基站的資源對用戶而言顯得捉襟見肘，宏基站負(fù)載過重也使得用戶性能有所下降。
[0003]為了有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中存在的諸多問題引入了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的概念。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)作為一種具有新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，包含了宏基站和各種不同的低功率節(jié)點(diǎn)(low power nodes,LPNs)，如:微微基站(picocell)，毫微微基站(femtocell)等。與宏基站相比，低功率節(jié)點(diǎn)具有功率較小，可以靈活部署等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，低功率節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
[0004]微微基站作為低功率節(jié)點(diǎn)的一種類型，具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，微微基站與宏基站大體相類似，不同之處在于它的功率較小，資源消耗??；其次，微微基站可以自由部署，可用于室內(nèi)或室外，目前主要應(yīng)用于室外?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，在宏基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)部署若干微微基站所構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)得到廣泛研究和應(yīng)用，它可以有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中存在的諸多問題，同時能夠改善網(wǎng)絡(luò)的性能，如網(wǎng)絡(luò)的總體吞吐量及最差用戶的性能等。
[0005]在宏基站和微微基站構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于微微基站的功率遠(yuǎn)小于宏基站功率，微微基站很小的覆蓋范圍內(nèi)可能只包含為數(shù)不多的用戶，若不進(jìn)行任何處理會使得接入到微微基站的用戶數(shù)遠(yuǎn)小于接入到宏基站的用戶數(shù)，造成基站間負(fù)載失衡。宏基站和微微基站的負(fù)載不均衡使得宏基站的資源無法很好的服務(wù)所有用戶，而微微基站的資源卻不能得到充分利用。對于網(wǎng)絡(luò)中邊緣用戶和性能較差的用戶，其性能也無法得到改善。
[0006]為了有效解決宏基站和微微基站構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在的上述問題，提出了增加偏置值的小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)(cell range expansion, CRE)。
[0007]小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)是通過對小型基站增加一定的偏置值，使得小型基站的覆蓋范圍增大，進(jìn)而使得小型基站邊緣及附近的部分用戶可以從宏基站切換到小型基站中。對于切換到小型基站的用戶而言，雖然功率變小，信干噪比值(SINR)變小，但其獲得的帶寬變大，因而其吞吐量有所提高，對于部分性能較差的用戶其整體性能也能夠得到提升。對于整個網(wǎng)絡(luò)而言，宏基站的用戶卸載到小型基站中，一方面節(jié)省了宏基站的資源，也充分利用了小型基站的資源；另一方面，對于切換到小型基站的用戶也能夠得到比原來更好的網(wǎng)絡(luò)性能，而處于宏基站的用戶數(shù)減少，資源增大，其獲得的網(wǎng)絡(luò)性能也得到提升。因此，小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)可以有效利用宏基站和小型基站的資源，同時改善網(wǎng)絡(luò)中用戶的性能，并提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
[0008]在宏基站和微微基站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)通過對微微基站增加一定的偏置值，使得微微基站的覆蓋范圍增大，進(jìn)而吸收更多的用戶進(jìn)行服務(wù)。也就是將宏基站的用戶卸載到微微基站，利用微微基站進(jìn)行服務(wù)。該技術(shù)在減少宏基站用戶數(shù)的同時也節(jié)省了宏基站的資源，并使得微微基站的資源也得到了充分利用。
[0009]在小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)中，用戶從宏基站切換到微微基站的過程中采用了基于參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power, RSRP)的小區(qū)選擇機(jī)制，即用戶選擇接收到功率較大的基站作為服務(wù)小區(qū)。
[0010]微微基站未加偏置值之前，由于宏基站的功率大于微微基站的功率，絕大多數(shù)用戶會處于宏基站覆蓋范圍內(nèi)，微微基站很小的覆蓋范圍內(nèi)可能僅包含極少數(shù)用戶。對于基站內(nèi)絕大多數(shù)用戶而言，其接收到來自宏基站的功率相比微微基站大，基于最大接收功率的小區(qū)選擇機(jī)制，它們會選擇宏基站作為服務(wù)小區(qū)。對于即使是處于微微基站覆蓋范圍內(nèi)或者邊緣的用戶，也有可能接收到宏基站的功率大于微微基站的功率，它們也會選擇宏基站作為其服務(wù)小區(qū)而非微微基站。這樣必然會造成基站資源的使用不均，同時引起很嚴(yán)重的干擾問題，使得用戶無法得到較好的服務(wù)，造成網(wǎng)絡(luò)及用戶性能較差。
[0011]微微基站增加偏置值之后，其覆蓋范圍增大，原來處于微微基站邊緣附近的用戶將會吸納到覆蓋范圍內(nèi)，同時部分用戶接收到來自微微基站的功率在增加偏置值之后大于其所接收到來自宏基站的功率。這使得靠近微微基站的用戶具有更高的幾率接入到其中，從而獲得一定的卸載率使用戶從宏基站卸載至微微基站中，達(dá)到負(fù)載均衡。
[0012]采用增加偏置值的小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)，一方面可以使基站間負(fù)載得到均衡，在充分利用微微基站資源的同時也釋放了宏基站的部分資源，提高了基站資源利用率；另一方面可以提高網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能及網(wǎng)絡(luò)整體性能。
[0013]目前，基于宏基站和微微基站的小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)大多在增加偏置值的時候沒有考慮到偏置值動態(tài)變化算法設(shè)計及最差用戶性能的改善，如Moha_ed Al-Rawi等在IEEE ICCS, 2012《A Dynamic Approach for Cell Range Expansion in InterferenceCoordinated LTE-Advanced Heterogeneous Networks)) 一文中，提出利用效用函數(shù)前后時刻的對比來動態(tài)調(diào)整偏置值的大小，此方法中考慮到了偏置值隨網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但不足之處在于偏置值的變化幅度設(shè)定為固定步長，且效用函數(shù)的獲得需要網(wǎng)絡(luò)中部分性能的反饋并進(jìn)行相對復(fù)雜的計算，有可能會增大切換延遲，從而影響用戶的體驗。固定步長的增大有可能使得前后時刻的效用函數(shù)對比跨過了優(yōu)化目標(biāo)的峰值，從而無法獲得最優(yōu)解，同時也可能使優(yōu)化速率變慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于提供一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，以優(yōu)化宏基站和微微基站構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能，實現(xiàn)基站間負(fù)載均衡。
[0015]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0016]采用動態(tài)的變步長偏置值算法，并根據(jù)基于小區(qū)邊緣擴(kuò)大技術(shù)的小區(qū)選擇機(jī)制對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶進(jìn)行判斷劃分，得到不同時刻隨偏置值不斷變化的宏基站和微微基站用戶分布，同時獲取所述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能，根據(jù)前后時刻所述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能對比，所述變步長偏置值算法利用符號函數(shù)對偏置值的變化方向和變化速率進(jìn)行修正，使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能趨于最大值(最大值即趨于穩(wěn)定的最差用戶性能函數(shù)的最優(yōu)化值)。
[0017]所述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的場景為在宏基站覆蓋范圍內(nèi)隨機(jī)部署一個微微基站，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)分布若干用戶，用戶分為宏基站用戶和微微基站用戶，宏基站用戶由宏基站進(jìn)行服務(wù)，微微基站用戶由微微基站進(jìn)行服務(wù)。
[0018]所述小區(qū)選擇機(jī)制為:
[0019]對每個用戶比較式I和式2的計算結(jié)果:
[0020]式 I = power_p*pathgain_p*bias(t)
[0021]式 2 = power_m*pathgain_m
[0022]若式I的計算結(jié)果大于式2的計算結(jié)果，則對應(yīng)用戶選擇微微基站作為服務(wù)小區(qū)，反之，則對應(yīng)用戶選擇宏基站作為服務(wù)小區(qū)，power_p表示微微基站的發(fā)射功率，pathgain_P表示微微基站到用戶的路徑增益，bias(t)表示某一時刻t的偏置值函數(shù)，powerjii表示宏基站的發(fā)射功率，pathgain_m表示宏基站到用戶的路徑增益。
[0023]所述偏置值的變化速率采用降指數(shù)形式，某一時刻t偏置值的變化速率采用以下函數(shù)表示:
[0024]Vbias (t) = a*ewt [0025]其中，a以及b為影響速率變化幅度及快慢的兩個參數(shù)，a取正實數(shù)，b取負(fù)實數(shù)。
[0026]所述利用符號函數(shù)對偏置值的變化方向和變化速率進(jìn)行修正具體包括以下步驟:若后一時刻最差用戶的性能大于前一時刻最差用戶的性能，則偏置值按照原來的規(guī)律繼續(xù)增大；若后一時刻最差用戶的性能小于等于前一時刻最差用戶的性能，則改變偏置值的變化方向，使偏置值減小，符號函數(shù)表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，其特征在于:包括以下步驟: 采用動態(tài)的變步長偏置值算法，并根據(jù)小區(qū)選擇機(jī)制對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶進(jìn)行判斷劃分，得到隨偏置值變化的宏基站和微微基站用戶分布，同時獲取所述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能，根據(jù)前后時刻所述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能對比，所述變步長偏置值算法利用符號函數(shù)對偏置值的變化方向和變化速率進(jìn)行修正，使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中最差用戶的性能趨于最大值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，其特征在于:所述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的場景為在宏基站覆蓋范圍內(nèi)隨機(jī)部署一個微微基站，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)分布若干用戶，用戶分為宏基站用戶和微微基站用戶，宏基站用戶由宏基站進(jìn)行服務(wù)，微微基站用戶由微微基站進(jìn)行服務(wù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，其特征在于:所述小區(qū)選擇機(jī)制為: 對每個用戶比較式I和式2的計算結(jié)果:
式 I = power_p*pathgain_p*bias(t)
式 2 = power_m*pathgain_m 若式I的計算結(jié)果大于式2的計算結(jié)果，則對應(yīng)用戶選擇微微基站作為服務(wù)小區(qū)，反之，則對應(yīng)用戶選擇宏基站作為服務(wù)小區(qū)，power_p表示微微基站的發(fā)射功率，pathgain_p表示微微基站到用戶的路徑增益，bias(t)表示某一時刻t的偏置值函數(shù)，powerjii表示宏基站的發(fā)射功率，pathgain_m表示宏基站到用戶的路徑增益。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，其特征在于:所述偏置值的變化速率采用降指數(shù)形式，某一時刻t偏置值的變化速率采用以下函數(shù)表不:
Vbias ⑴=a*ewt 其中，a以及b為影響速率變化幅度及快慢的兩個參數(shù)，a取正實數(shù)，b取負(fù)實數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，其特征在于:所述利用符號函數(shù)對偏置值的變化方向和變化速率進(jìn)行修正具體包括以下步驟:若后一時刻最差用戶的性能大于前一時刻最差用戶的性能，則偏置值按照原來的規(guī)律繼續(xù)增大；若后一時刻最差用戶的性能小于等于前一時刻最差用戶的性能，則改變偏置值的變化方向，使偏置值減小，符號函數(shù)表示為:./、 minperformance(/-l) - minperibrmance(/ - 2)
* I mi nperforman ce(/ -1) — minperformance(/ - 2)| 其中，minperformance表示最差用戶的性能，t表示時刻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，其特征在于:所述變步長偏置值算法具體包括以下步驟: 當(dāng)t = 1，2時
bias(t) = Vbias (t) 當(dāng)t≥3時
bias (t) = bias (t_l) +sign (t) *Vbias (t)
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于優(yōu)化最差用戶性能的變步長偏置切換方法，其特征在于:通過比較某一時刻t所有用戶的性能得到最差用戶的性能:
【文檔編號】H04W28/08GK103957561SQ201410175152
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】曲樺, 趙季紅, 邱穎, 欒智榮 申請人:西安交通大學(xué)