能夠保障用戶公平性的mimo異構網絡資源分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無線網絡資源分配方法，具體涉及保障用戶公平性的異構MIM0 蜂窩網絡多用戶情況下的聯合用戶調度、資源分配和功率控制的方法。
【背景技術】
[0002] 如今，隨著人們對無線數據業務需求的增長，為了保證用戶有更好的通信質量和 更高的數據傳輸速度，無線蜂窩網絡（如3G、LTC)基站部署越來越密集。并且，為應對室內 無線信號衰弱快，人員密度大的問題，家庭基站（Femto-cell)已經開始部署到室內。該種 覆蓋范圍小，發射功率低的微型基站的密集部署，能夠為室內人員提供更好的無線網絡服 務質量。宏基站和家庭基站組成異構網絡，宏基站能夠滿足用戶的移動性要求，而家庭基站 能夠增強室內用戶的通信質量和傳輸速度。
[0003] 但是該種小基站與室外的宏基站組成的異構網絡存在資源競爭和相互干擾的問 題，并且通常在一個宏基站的覆蓋范圍下會布置若干家庭基站，增加了競爭和干擾的強 度。如何合理地分配宏基站和該些家庭基站的無線資源，W及如何合理控制基站發射功率， 是需要解決的問題。另外，在MIM0系統中，為了增加空間復用率，我們采用迫零波束成型 狂ero F'orcing beamforming, ZF beamforming)來進行多用戶MIM0通信。基站在給多個用 戶發信息時，需要在傳輸的數據上加上ZF預編碼。ZF預編碼是利用基站與各個用戶間的信 道信息，對基站給各個用戶發送的信息上進行處理。該樣對任何一個用戶，基站傳輸給其他 用戶經過預處理的信息與該用戶到基站間的信道正交。實現ZF波束成型中各用戶間相互 零干擾。能夠通過用戶W實現小區基站可W對多個小區內不同位置的用戶使用相同頻率同 時傳輸信息。但使用ZF預編碼有個前提，同時使用ZF預編碼的總用戶數量要小于基站的 發射天線數量。因此，當用戶數量較多時，需要首先對用戶進行調度。
[0004] 現有的資源分配和能量分配的主要存在兩個問題：
[0005] -、難W保證在多個小區同時工作下，所有小區下所有用戶的公平性。
[0006] 二、在異構MIM0系統中，在用戶數量較多時，難W合理進行用戶選擇、資源分配和 能量控制的統一規劃。
【發明內容】
[0007] 本發明是為了解決在異構MIM0系統中多用戶情況下，難W保障用戶通信質量和 全局用戶公平性雙重優化的問題，從而提供一種能夠保障用戶公平性的MIM0異構網絡資 源分配方法。
[000引能夠保障用戶公平性的MIM0異構網絡資源分配方法，它由W下方式實現；在MIM0 異構網絡下，將若干個相鄰家庭基站鏈接到家庭基站控制中也，將各宏基站和家庭基站控 制中也鏈接到總控制中也；總控制中也用于實現用戶調度、資源分配和功率控制；
[0009] 步驟一、在用戶通信發起階段，各基站通過信令獲取基站下用戶的信道信息；
[0010] 各個宏基站將連接到該宏基站的用戶的信道信息發送到總控制中也；若干個相鄰 家庭基站組成簇，簇內各個家庭基站用戶信道信息匯報到家庭基站分簇控制中也，然后家 庭基站控制中也將各用戶信道信息匯報給總控制中也；
[0011] 步驟二、總控制中也首先進行用戶調度優先級排序，并選取排序前k個用戶；
[0012] 其中；用戶調度優先級排序的原則是：
[0013] 在網絡初始階段，采用用戶的信噪比來對用戶進行排序，信噪比高的優先級高；
[0014] 在開始通信后，在每個時隙開始時W用戶的歷史累計吞吐量來排序，吞吐量低的 優先級高；
[0015] 步驟H、總控制中也通過多目標優化函數對步驟二中選取的k個用戶分配頻率資 源，并對基站發射能量進行分配，使得基站選擇k個用戶時達到最優解，分配后系統總吞吐 量為THk;
[0016] 所述多目標優化函數為：
[0017]
【主權項】
1. 能夠保障用戶公平性的MIMO異構網絡資源分配方法，其特征是：它由以下方式實 現：在MIM0異構網絡下，將若干個相鄰家庭基站鏈接到家庭基站控制中心，將各宏基站和 家庭基站控制中心鏈接到總控制中心；總控制中心用于實現用戶調度、資源分配和功率控 制； 步驟一、在用戶通信發起階段，各基站通過信令獲取基站下用戶的信道信息； 各個宏基站將連接到該宏基站的用戶的信道信息發送到總控制中心；若干個相鄰家庭 基站組成簇，簇內各個家庭基站用戶信道信息匯報到家庭基站分簇控制中心，然后家庭基 站控制中心將各用戶信道信息匯報給總控制中心； 步驟二、總控制中心首先進行用戶調度優先級排序，并選取排序前k個用戶； 其中：用戶調度優先級排序的原則是： 在網絡初始階段，采用用戶的信噪比來對用戶進行排序，信噪比高的優先級高； 在開始通信后，在每個時隙開始時以用戶的歷史累計吞吐量來排序，吞吐量低的優先 級_ ; 步驟三、總控制中心通過多目標優化函數對步驟二中選取的k個用戶分配頻率資源， 并對基站發射能量進行分配，使得基站選擇k個用戶時達到最優解，分配后系統總吞吐量 為THk; 所述多目標優化函數為：
其中，i代表第i個用戶，j代表第j個宏基站，1代表第1個家庭基站，n代表子信道； 和是信道分配知識信息，如果宏基站j下，用戶i使用了子信道n，那么= 1，如 果沒用子信道n，那么廠",.=0 ; < (〃)為宏基站j下第i個用戶在子信道n中的最大傳輸速 度； <(〃）為家庭基站f?下第i個用戶在子信道n中的最大傳輸速度；P是能量分配；r是 頻率分配； 擊驟四、hk鈁總某站救<k<總用戶數的所有情況下，THk的大小，選擇：
作為用戶選擇結果，進行頻率資源和能量的分配；以后的每一時刻再重新進行步驟二 到步驟三作為實時的功率分配和頻率分配的方法。
2. 根據權利要求1所述的能夠保障用戶公平性的MIM0異構網絡資源分配方法，設計目 標函數和7個約束條件，S卩：C1至C7 ;其特征在于該目標函數用于兼顧公平性和吞吐量優 化；具體為：
Cl和C2分別是宏基站和家庭基站的功率限制，所有子信道下的發射功率的和要小于 總發射功率限制；其中，=2^是基站j是否使用了子信道n; |%m(n) |宏基站j第m i J, 根天線的預編碼向量的模Iwf，m(n) |家庭基站j第m根天線的預編碼向量的模，采用ZF預編 碼實現；Pj，>)為宏基站j第m根天線的發射功率，Pf，>)為家庭基站f?第m根天線的發 射功率；PTM是宏基站發射功率上限，PTF是家庭基站發射功率上限；是宏基站天線數， 是家庭基站發射天線數； C3和C4是在一個宏基站或一個家庭基站，在一個子信道n下，ZF波束成形同時的傳輸 的用戶數要小于基站的天線數； C5是限制發射功率瓦數大于零； C6代表每個用戶只能同時使用一個信道； C7代表在簇內的用戶不能使用相同子信道，即簇內用戶無干擾；clustered指任意家 庭基站族。
3.根據權利要求2所述的能夠保障用戶公平性的MIMO異構網絡資源分配方法，其特征 在于步驟三中總控制中心通過多目標優化函數對步驟三中選取的k個用戶分配頻率資源， 并對基站發射能量進行分配，使得基站選擇k個用戶時達到最優解是通過目標遺傳算法實 現的，具體為： 步驟A、建立個體編碼，將每個用戶的子信道使用狀態和能量發送狀態建模成染色體， 隨機選擇N個樣本作為初始樣本，S卩：N個1代父樣本；用X表示樣本； 步驟B、將N個t代父樣本，通過交叉和變異運算產生N個子樣本，t代父樣本和子樣本 共組成2N個樣本；通過兩個目標函數將樣本按照優劣分成若干等級；分等級的方法如下： 首先，建立約束條件目標函數：設共有m個約束條件，其中，有q個是g(x)〈0 ;有m-q個 是h(x) = 0,則將約束條件建模成：
由于可以令O1!/在〇、1之中選擇，因此約束條件C6不需要加入到約束條件目標函 數中；將約束條件Cl、C2、C3、C4、C5、C7帶到上面的公式中得到： Cj (X) =max(0,Cj(X)),j= 1, 2, 3, 4, 5, 7得到兩個目標函數分別為： v^
/ 然后根據上面兩個目標函數，我們的分等級的方法如下：如果有兩個樣本&、X2
步驟C、在同一等級內通過樣本周圍的擁擠程度內部排序：
其中，m為目標函數編號，即：目標函數l、2;Ui)為本樣本m目標函數值；Im(i-1)和Im(i+1)為與此樣本m函數值最相近的兩個樣本的目標m函數值；(max(m)-min(m))為此等 級中，m函數值中最大值和最小值的差；（Im(i+l)-Im(i-l))/(max(m)-min(m))用于將m目 標函數的距離歸一化，防止兩個目標函數的數量級差距太大，數量級大的目標函數距離差 將數量級小的目標函數距離差淹沒；I(i)distanM；是兩個目標函數的距離差歸一化后的和； 步驟D、選前N個組成t+1代父樣本，并重復步驟B至D直到迭代收斂。
【專利摘要】能夠保障用戶公平性的MIMO異構網絡資源分配方法，涉及一種無線網絡資源分配方法，它是為了解決在異構MIMO系統中多用戶情況下，難以保障用戶通信質量和全局用戶公平性雙重優化的問題。其方法：進行家庭基站分簇，并保證簇內無相互干擾；在用戶通信發起階段，各基站通過信令獲取基站下用戶的信道信息；總控制中心首先根據用戶的信道條件和歷史通信吞吐量進行用戶調度優先級排序，并選取排序前k個用戶；總控制中心通過本發明改進的多目標遺傳算法對選取的k個用戶最優化分配頻率資源，并對基站發射能量最優化進行設置，分配后系統總吞吐量為THk；比較選取用戶數k在總基站數≤k≤總用戶數的所有情況下THk的大小，選取最優的k，進而實現頻率資源和能量的分配。
【IPC分類】H04B7-04, H04W72-04, H04W72-12
【公開號】CN104619028
【申請號】CN201510003075
【發明人】徐玉濱, 陳亮, 馬琳, 崔揚, 劉寧慶
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月5日