一種基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法。本方法中，小區(qū)內(nèi)用戶工作在正交的頻道上，各小區(qū)在滿足給定干擾門限的基礎(chǔ)上復(fù)用系統(tǒng)資源。該方法以最小小區(qū)用戶的和速率最大化為目標(biāo)將基于干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合資源分配問題建立成一個(gè)max-min優(yōu)化問題，采用拉格朗日乘子法求解。為了進(jìn)一步保證邊緣用戶的性能，在用戶調(diào)度過程中賦予邊緣用戶更高的優(yōu)先級(jí)。該方法可以有效地控制小區(qū)間的干擾功率強(qiáng)度，提高邊緣用戶性能，獲取更為理想的公平性和系統(tǒng)性能。
【專利說明】—種基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法，該方法用于無線通信系統(tǒng)進(jìn)行資源分配，屬于通信技術(shù)中的移動(dòng)通信領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]在下一代通信系統(tǒng)中，無線通信網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進(jìn)。隨著各種智能終端的普及，超高速無線局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)。未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡(luò)成為實(shí)現(xiàn)未來大流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡(luò)能夠改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用。
[0003]未來，面向高頻段大帶寬，將采用更加密集的網(wǎng)絡(luò)方案。愈發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，小區(qū)間干擾已經(jīng)成為制約系統(tǒng)容量增長(zhǎng)的主要因素，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)能效。干擾消除、小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)、密集小區(qū)間協(xié)作、基于終端能力提升的移動(dòng)性增強(qiáng)方案等，都是目前密集網(wǎng)絡(luò)方面的研究熱點(diǎn)。同時(shí)密集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域重疊，會(huì)產(chǎn)生大量小區(qū)邊緣區(qū)域，在小區(qū)邊緣區(qū)域的用戶容易受到相鄰基站的干擾，從而影響上下行鏈路接收信號(hào)的質(zhì)量。由于用戶信道質(zhì)量變差，現(xiàn)有的功率控制算法會(huì)增加基站的下行發(fā)射功率或者指示用戶增加上行發(fā)射功率，有用信號(hào)功率增加的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的干擾功率也會(huì)隨之增加。在其他用戶由于接收信號(hào)質(zhì)量變差也提高發(fā)射功率的情況下，通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功率控制算法最終會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各基站或者用戶以最大功率發(fā)射信號(hào)，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)總干擾功率大幅增加，甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)質(zhì)量大幅下降。
[0004]另一方面，基站的無規(guī)則部署、隨意移動(dòng)和隨意開關(guān)等特點(diǎn)也使得網(wǎng)絡(luò)的可用資源分布不均勻，公平性問題值得進(jìn)一步研究。因此，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化方法不能有效解決資源最優(yōu)分配問題。
[0005]為了解決小區(qū)間的干擾問題，提高公平性和小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量，亟需設(shè)計(jì)新的干擾避免和無線資源分配方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所述的基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法，旨在解決在下一代通信系統(tǒng)中資源公平性分配和保障邊緣用戶通信質(zhì)量的問題。
[0007]本發(fā)明的基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法中，小區(qū)內(nèi)用戶工作在正交的頻道上，各小區(qū)在滿足給定干擾門限的基礎(chǔ)上復(fù)用系統(tǒng)資源。方法以最小小區(qū)用戶和速率的最大化為目標(biāo)將基于干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合資源分配問題建立成一個(gè)max-min優(yōu)化問題，采用拉格朗日乘子法，最優(yōu)的資源分配策略為所得注水解。為了進(jìn)一步保證邊緣用戶的性能，在用戶調(diào)度過程中賦予邊緣用戶更高的優(yōu)先級(jí)。具體方法步驟如下:
[0008]I)根據(jù)用戶與AP的地理位置，標(biāo)記邊緣用戶和中心用戶，結(jié)合反饋的信道信息，建立各用戶與各AP之間的頻道復(fù)用指示參數(shù)矩陣。
[0009]2)建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件，用拉格朗日乘子法求解，迭代得到最優(yōu)的拉格朗日乘子，從而得到最優(yōu)解。
[0010]3)最后根據(jù)解出的頻道分配結(jié)果和發(fā)射功率分配結(jié)果進(jìn)行用戶及資源調(diào)度。
[0011]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果有:本發(fā)明提出了基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法。優(yōu)點(diǎn)是有效地控制小區(qū)間的干擾功率強(qiáng)度，提高邊緣用戶性能，獲取理想的公平性和系統(tǒng)性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的一輪調(diào)度流程圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的最優(yōu)拉格朗日乘子迭代流程。
[0014]圖3是本發(fā)明的正交頻道分配流程。
[0015]圖4是本發(fā)明的頻道復(fù)用流程。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提出的基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法的具體實(shí)施進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0017]圖1是一輪調(diào)度流程圖，主要分為三塊:
[0018]1.初始化:根據(jù)用戶與AP的地理位置，標(biāo)記邊緣用戶和中心用戶，結(jié)合反饋的信道信息，建立各用戶與各AP之間的頻道復(fù)用指示參數(shù)矩陣。具體說明如下:
[0019]考慮多小區(qū)下行通信系統(tǒng)。系統(tǒng)由L個(gè)小區(qū)構(gòu)成，小區(qū)集合記為￡ = {1,...,^，第
I小區(qū)基站記為AP1，其最大功率記為P 小區(qū)中有M1個(gè)用戶，用戶記為m，用戶集合記為
U = I1-M1}，為保證用戶的通信質(zhì)量，每個(gè)用戶m維護(hù)一個(gè)最小速率clm，并且對(duì)任意用戶有分配頻道數(shù)量的上限€.。系統(tǒng)中擁有R個(gè)頻道，資源塊集合記為災(zāi)={I ,R}，每個(gè)頻道寬度為Af。假定系統(tǒng)中的控制中心可以獲取所有鏈路上各個(gè)信道的瞬時(shí)狀態(tài)信息，控制中心根據(jù)各信道信息，集中地進(jìn)行用戶調(diào)度和資源分配I,表示用戶m在資源塊r上所分配到的功率。Mnt表示在資源塊r上用戶m與基站AP1之間的信道衰落。
[0020]各小區(qū)間采用準(zhǔn)正交的頻道分配策略，即當(dāng)給定小區(qū)中某用戶受到來自其他小區(qū)基站的干擾小于預(yù)設(shè)門限時(shí)，該用戶可以復(fù)用其他小區(qū)的頻道資源，反之不能。二元變量
〃指示特定的用戶(小區(qū)I中的用戶Π1)和小區(qū)間I’能否頻譜復(fù)用，當(dāng)小區(qū)I中用戶m受到基站AP1，的干擾小于門限δ時(shí)，設(shè)定<=0，此時(shí)頻道可以復(fù)用，這種情況可能出現(xiàn)的場(chǎng)景之一是用戶m離AP1.足夠遠(yuǎn)，同理當(dāng)用戶m受到基站AP1.的干擾大于門限δ時(shí)，設(shè)定a1 =1，此時(shí)頻道不能復(fù)用。對(duì)于《丨?的取值，綜合考慮信道狀況，提出以下設(shè)定標(biāo)準(zhǔn):
[I P^E{h；:J>S V/,/>
[0021]al = I r.0 otherwise
[0022]其中δ為頻道復(fù)用干擾門限，Ε{}是期望運(yùn)算。特殊的是表示本小區(qū)用戶與本小區(qū)基站的關(guān)系，注意到這里恒有4=1，即表示小區(qū)內(nèi)用戶頻道不能復(fù)用，即小區(qū)內(nèi)用戶分配正交的頻道資源。定義二元變量< 指示頻道分配結(jié)果 =1，表示小區(qū)I中的用戶m使用頻道r，Xrlm = O，表示小區(qū)I中的用戶m不使用頻道r。綜合前述分析，考慮到小區(qū)間的復(fù)用，故有如下不等式:
[0023]

Σ Σ aVnXrm ^ I 5V/, Vr



/'eX
[0024]小區(qū)內(nèi)各用戶均工作在正交的時(shí)頻資源塊上，本方法提出的資源分配策略，在合適的頻道復(fù)用干擾門限下，小區(qū)I中的用戶m在各個(gè)所分配到的資源塊上獲得的和速率可以近似表示為:
[0025]
re-R^oA/
[0026]式中Iltl是噪聲的單邊功率譜密度。定義第I小區(qū)用戶和速率C1為第I小區(qū)獲得的所有用戶的和速率:
[0027]
? = Σ O?
TnerUi
[0028]本方法需要找尋最優(yōu)的頻道分配策略X*和功率分配策略Ρ%考慮到各小區(qū)間的公平性，將基于干擾協(xié)調(diào)的頻譜和功率資源聯(lián)合分配問題描述為最小小區(qū)用戶的和速率最大化優(yōu)化問題。
[0029]2.建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件，用拉格朗日乘子法求解最優(yōu)解，并迭代獲得最優(yōu)拉格朗日乘子。
[0030](Pl)產(chǎn)大丨七:巧丨C(I)
Pb,,eP''
[0031]約束條件:ΣΣ aVmxVm - 1 ,V/，Vr(2)


l'&￡ !HE1U1.
[0032]Clm > Clm ,VZ5Vm(3)
[0033]
^ ,V/, Vm(4)

r^R
[0034]
ΣΣ<Λ^ρΓ，▽/(5)

Ine1Ui
[0035]Xrlm e [OJj- > phn > O(6)
[0036]其中⑴式為和速率的優(yōu)化目標(biāo)，X和P分別為頻道分配矩陣和功率分配矩陣。(2)式表示相互干擾的小區(qū)用戶間及小區(qū)內(nèi)頻率資源都不能復(fù)用，不干擾的小區(qū)用戶間頻率資源可以復(fù)用。(3)式表示的是用戶最小速率約束。(4)式表示的是用戶最大頻道數(shù)量的限制。(5)式表示的是小區(qū)中用戶使用的總功率不得超過基站最大功率。
[0037]由于邊緣用戶容易受到相鄰基站的嚴(yán)重干擾，為保障邊緣用戶的性能，定義邊緣用戶在正交頻道上的調(diào)度優(yōu)先級(jí)要高于不易受干擾的中心用戶。定義變量ω1π是用戶的優(yōu)先級(jí)權(quán)重系數(shù)，邊緣用戶對(duì)應(yīng)的ω1π> 1，中心用戶對(duì)應(yīng)的ω1π= 1，表示邊緣用戶在資源分配調(diào)度中有一定的優(yōu)先權(quán)。具體操作為:在頻道分配變量\?賦值過程中添加這一權(quán)重，見式(8)和(11)。
[0038]綜上所述，最終注水解形式如下，其中X,和C分別是最優(yōu)頻道分配和功率分配解:
[0039]I)當(dāng) I e時(shí)，
[0040]Φ1=(η, +Aj[A/log2((^+^)j(7)
L a?o4/ 」 L a K, _
[0041]
" = I1 (廣，W*) = arg max, (ω1ηι Φ:)
X/ffl ?ο 其他(8)
\η,+β?η ?0A/J+ r*=l
[0042]pi* μ, ln2 Wlm 」 Im(9)
0X:: =G
[0043]2)當(dāng) I = L 時(shí)，
1-1(1 — Σ"/ + β?>η、Κη 1 - Σ"/ + 兒 η Δ/.1η2
K-Σ",+D AHog2(————-) —μ ——---—
[0044]I=Iμ,η0Α/μ,hIm





(10)
[0045]
*= ?1 (/'所*) = argmax, ￡--；,α (^,.,Φ；?,)
Mo其他⑴)
1-?"/+α, Af
I=I__hOlaJ \= l
[0046]pr1: = μ, In2Iil""(\2)
οχ；；=ο
[0047]其中[x]+ = max(0, x)。把最優(yōu)解代入優(yōu)化問題中，通過迭代更新H1, β 1π，μ x的次梯度的方法求解。下面是對(duì)偶函數(shù)的一個(gè)次梯度:
[0048]Vn1 = C1-Cl,
[0049]V β1ω = Clm-Clm, (13)
[0050]
νμΓΡΓ~ΣΣΡ?




meU/ relR
[0051]迭代求解最優(yōu)乘子的步驟如附圖2所示:
[0052]I)初始化 η ! (O)，β lm (O)，μ I (O)，V/, m ；
[0053]2)計(jì)算 Φ; C，K* 的值，V/，r;
[0054]3)正交頻帶分配。如圖3所示:對(duì)每個(gè)頻道r，將此頻道分配給使?>0且值最大的第I小區(qū)的第m個(gè)用戶，記錄其分配的小區(qū)號(hào)1，在分配過程中，如果第I小區(qū)的第m個(gè)用戶所分配的資源塊數(shù)量大于上限ST，則選擇吟,1? > O次大的用戶，依次類推；
[0055]4)頻帶復(fù)用。如圖4所示:對(duì)于每個(gè)用戶m，獲取其a,= = O對(duì)應(yīng)小區(qū)所分配到的正交頻道集合，找出這些頻道中使> O且值最大的頻道r，將r分配給該用戶并在集合中刪除該頻道，如果集合中頻道數(shù)量仍大于O且該用戶所分配的頻道數(shù)量小于上限F=，可再選擇使崎,，)》, > O次大的頻道進(jìn)行分配，分配的頻道數(shù)量最大可以達(dá)到分配數(shù)量上限；
[0056]5)根據(jù)(13)計(jì)算次梯度，并且用如下方法更新I，β1π，U1:
[0057]7/ G + 1) = ["/ H n i OV η,⑴]丨,
[0058]β,,,, (/ + I) = [β,Μ ⑴ ~(ε_(tái)β / t)Vp,m (0]',
[0059]μ, (? + I) = [//, (O - (ε_(tái) μ / tWμ,⑴]1,
[0060]t是迭代步長(zhǎng)，ε_(tái)η, ε _β , ε_(tái)μ分別是H1, β lm, μ ι的步長(zhǎng)參數(shù)；
[0061]6)回到3)直到算法收斂，收斂標(biāo)準(zhǔn)為I|2彡ε，其中C為小區(qū)用戶和速率向量C= [C1, C2，…，CJ，由此得到最優(yōu)ι?Λ β1ω*, μΛ將其代入(7)-(12)，即得到頻道和功率資源的分配策略。
[0062]3.最后根據(jù)頻道分配結(jié)果和發(fā)射功率分配結(jié)果進(jìn)行用戶及資源調(diào)度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法，其特征在于:小區(qū)內(nèi)用戶工作在正交的頻道上，各小區(qū)在滿足給定干擾門限的基礎(chǔ)上復(fù)用系統(tǒng)資源；以最小小區(qū)用戶和速率的最大化為目標(biāo)將基于干擾協(xié)調(diào)的聯(lián)合資源分配問題建立成一個(gè)max-min優(yōu)化問題，采用拉格朗日乘子法求解，最優(yōu)的功率分配遵循注水定理；并在用戶調(diào)度過程中賦予邊緣用戶更高的優(yōu)先級(jí)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法，其特征在于:該方法中小區(qū)內(nèi)用戶工作在正交的頻道上，各小區(qū)在滿足給定干擾門限的基礎(chǔ)上復(fù)用系統(tǒng)資源，；用以下標(biāo)準(zhǔn)確定頻道復(fù)用指示參數(shù)取值:

'l /Tx _;:J M
a1 = <Γ
O 其他 二元變量〃指示特定的用戶和小區(qū)I’間能否頻譜復(fù)用，即頻道復(fù)用指示參數(shù)，所述用戶即小區(qū)I中的用戶m。當(dāng)小區(qū)I中用戶m受到相鄰小區(qū)I’的基站AP1，的干擾小于門限δ時(shí)，設(shè)定α =0，此時(shí)頻率可以復(fù)用，同理當(dāng)用戶m受到基站AP1.的干擾大于門限δ時(shí)，設(shè)定《!1=1，此時(shí)頻率不能復(fù)用，其中，/Tx為第I’小區(qū)基站的最大功率，&?為在頻道r上用戶m與基站AP1.之間的信道衰落，δ為頻譜復(fù)用干擾門限，Ε{}是期望運(yùn)算，合適的δ值既能簡(jiǎn)化干擾關(guān)系也保證一定程度上的小區(qū)間頻道復(fù)用，提高頻譜利用率。
3.如權(quán)利要求1所述的基于max-min公平的多小區(qū)資源分配方法，其特征在于:所述在用戶調(diào)度過程中賦予邊緣用戶更高的優(yōu)先級(jí)具體包括:定義邊緣用戶在正交頻道上的調(diào)度優(yōu)先級(jí)要高于不易受干擾的中心用戶；定義變量ω1π為小區(qū)I中的用戶m的優(yōu)先級(jí)權(quán)重系數(shù)，邊緣用戶對(duì)應(yīng)的ω1π> 1，中心用戶對(duì)應(yīng)的ω1π= 1，表示邊緣用戶在資源分配調(diào)度中有一定的優(yōu)先權(quán)；定義二元變量\指示頻道分配結(jié)果，=1，表示小區(qū)I中的用戶m使用頻道r，xH表示小區(qū)I中的用戶m不使用頻道r，在頻道分配變量'I,賦值過程中添加此優(yōu)先級(jí)權(quán)重。
【文檔編號(hào)】H04W72/04GK104185184SQ201410441592
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】沈連豐, 吳華月, 李俊超, 夏瑋瑋 申請(qǐng)人:東南大學(xué)