專利名稱：：適用于移動組播系統(tǒng)的多小區(qū)干擾協(xié)調功率分配方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種適用于移動組播系統(tǒng)的多小區(qū)干擾協(xié)調功率分配方法，屬于移動通信中的無線資源管理領域。
背景技術：
：隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，特別是多媒體應用需求的增加，采用正交頻分復用(OFDM)技術的移動組播系統(tǒng)能夠更好地緩解未來通信系統(tǒng)所要求的高數(shù)據(jù)速率和日益緊張的無線資源之間的矛盾，在現(xiàn)代通信中發(fā)揮越來越重要的作用。在OFDM組播系統(tǒng)中，由于小區(qū)間同頻干擾的存在，不同小區(qū)使用相同子信道傳輸?shù)臉I(yè)務之間的功率分配相互影響，如何協(xié)調分配各種業(yè)務的傳輸功率對系統(tǒng)的總體性能有很大的影響。目前，通信系統(tǒng)中的功率分配問題得到國內(nèi)外學者的極大關注。參考文獻"CheongYuiWong，ChengRS,LataiefKB，MurchRD.MultiuserOFDMwithadaptivesubcarrier,bit,andpowerallocation[J].正EEJSAC.1999,17(10):1747-1758,，研究多用戶OFDM系統(tǒng)中的資源分配，包括子信道分配，比特加載和功率分配，其優(yōu)化過程是分步進行的，先讓信道狀況最好的用戶選擇子信道，然后基于發(fā)送功率最小化原則分配功率；參考文獻"SaraydarCU,MandayamNB，GoodmanDJ.Efficientpowercontrolviapricinginwirelessdatanetworks[J].IEEETransonCommunication.2002，50(2):291-303，，和"MingboXiao,NessBShroff,EdwinKPChong.Autility-basedpower-controlschemeinwirelesscellularsystems[J].IEEE/ACMTransonNetworking.2003,11(2):210-221"從效用函數(shù)的角度在不同的用戶之間實現(xiàn)分布式功率分配；參考文獻"IanCWong，ZukangShen,BrianLEvans，JeffreyGAndrews.AlowcomplexityalgorithmforproportionalresourceallocationinOFDMAsystems[J].正EEWorkshoponSPS.2004:1-6"基于比例公平提出一種低復雜度的OFDM系統(tǒng)資源分配算法，該算法以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標，使用具有線性時間復雜度的求根方法，克服了迭代算法復雜度高的缺陷；參考文獻"張?zhí)炜久?，張穎瑩.基于博弈論的OFDMA系統(tǒng)多小區(qū)功率協(xié)調分配算法[J].通信學報，2008,29(1):22~29"利用非合作博弈論實現(xiàn)OFDMA系統(tǒng)小區(qū)間功率協(xié)調分配，取得較好的效果。以上的研究都是針對單播(Unkast)傳輸系統(tǒng)的，針對組播系統(tǒng)的功率分配問題，相關的研究較少。參考文獻"JuYeopKim，TaesooKwon,Dong-HoCho.OFDMresourceallocationschemeforminimizingpowerconsumptioninmulticastsystems[C].VTC2006.64thIEEE.2006:l-5"研究OFDM組播系統(tǒng)中的資源分配，其目標是總功率消耗最少，資源分配采用功率最省的策略；提出一種次優(yōu)算法，這種算法以略微損失系統(tǒng)吞吐量系性能換取計算復雜度的大幅度降低。參考文獻"QingheDu，XiZhang.Adaptivepowerandrateallocationformobilemulticastthroughputoptimizationoverfadingchannelsinwirelessnetworks[C].ICCCN2006.15thIC.2006:261-266"在組播系統(tǒng)中采用特殊的疊合編碼和重傳機制提高系統(tǒng)吞吐量。以上的研究要么沒有考慮小區(qū)間干擾，要么直接將同頻干擾視為噪聲，沒有實現(xiàn)功率協(xié)調分配。技術問題針對移動組播系統(tǒng)中的自適應傳輸問題，本發(fā)明提出一種基于非合作博弈論的多小區(qū)干擾協(xié)調功率分配方法，移動組播系統(tǒng)使用該方法進行功率分配可有效協(xié)調小區(qū)間同頻干擾，提高系統(tǒng)吞吐量，節(jié)省基站的發(fā)送功率。技術方案本發(fā)明提出一種適用于移動組播系統(tǒng)的多小區(qū)干擾協(xié)調功率分配方法，該方法的具體實現(xiàn)步驟為第一步令迭代次數(shù)標記^=0，令功率分配矢量P'二(if^，if"，…，/7"1)，初始化各業(yè)務的定價因子^，^,…，^V，初始化算法迭代精度0，其中iV表示使用某個同頻子信道的小區(qū)數(shù)，設第7i個小區(qū)中使用該子信道組播的業(yè)務為&，訂閱業(yè)務&的移動用戶數(shù)為ii;，功率分配矢量^=^=(《，《，.,」《)，《表示第力次迭代業(yè)務&分配的功率，p;^表示業(yè)務&所能分配到的最大發(fā)送功率；第二步令力=力+1，對所有的n^l，2，…，iV)計算其中，5為子信道帶寬，r=-ln(5c^)/1.5為AWGN信道中在一定誤碼率c^要求下
發(fā)明內(nèi)容<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>M-QAM調制信號與Shannon容量的信干噪比差值，74=^n~一表示第i次迭代中第n個小區(qū)訂閱業(yè)務&的第fc個用戶的接收信干噪比，p"表示第Z個小區(qū)的基站到第n個小區(qū)訂閱業(yè)務^的第A;個用戶的信道增益，表示各移動用戶接收機的加性Gauss白噪聲功率；第三步若P^-Pf的向量范數(shù)不超過0，則結束算法；否則，轉第二步。有益效果與現(xiàn)有技術方案相比，本發(fā)明提出的功率分配方法考慮多個小區(qū)間同頻干擾的影響，利用非合作博弈的方法進行多小區(qū)干擾協(xié)調功率分配；本發(fā)明多提的迭代算法步驟簡單，可以分布式進行；當然，本發(fā)明所提的跨層功率分配方法對于單播系統(tǒng)也是適用的。圖1為多小區(qū)OFDM組播系統(tǒng)框圖。圖2為本發(fā)明所提迭代算法流程圖。具體實施例方式本發(fā)明提出一種適用于移動組播系統(tǒng)的多小區(qū)干擾協(xié)調功率分配方法，該方法的具體實現(xiàn)步驟為第一步令迭代次數(shù)標記《二o，令功率分配矢量pi二(if^if"，…,尸;^)，初始化各業(yè)務的定價因子^，^，…,w^，初始化算法迭代精度0，其中7V表示使用某個同頻子信道的小區(qū)數(shù)，設第n個小區(qū)中使用該子信道組播的業(yè)務為&,訂閱業(yè)務&的移動用戶數(shù)為ii^，功率分配矢量P'二P'=(《,《,.，」《)，《表示第纟次迭代業(yè)務&分配的功率，p;^表示業(yè)務&所能分配到的最大發(fā)送功率；第二步令力=《+1，對所有的ne仏2,…，iV)計算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，S為子信道帶寬，r二一ln(5o;e)/1.5為AWGN信道中在一定誤碼率o;e要求下M-QAM調制信號與Shannon容量的信干噪比差值，7*=y^尸"——表示第力次<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>迭代中第n個小區(qū)訂閱業(yè)務&的第fc個用戶的接收信干噪比，《&表示第/個小區(qū)的基站到第rz個小區(qū)訂閱業(yè)務^的第fc個用戶的信道增益，a2表示各移動用戶接收機的加性Gauss白噪聲功率；第三步若PW-P'的向量范數(shù)不超過0，則結束算法；否則，轉第二步。下面參照附圖，對本發(fā)明的具體實施方案作出更為詳細地說明?？紤]一個支持下行組播業(yè)務傳輸?shù)亩嘈^(qū)蜂窩移動通信系統(tǒng)，如圖1所示。設每個小區(qū)中央放置一個基站，每個基站使用OFDM正交子信道向該小區(qū)內(nèi)有相同業(yè)務需求的用戶組傳輸下行業(yè)務?？紤]正交子信道的復用，不同小區(qū)間使用相同子信道傳輸?shù)挠脩艚M之間存在同頻干擾，設使用同頻子信道的小區(qū)數(shù)為iV，第rz個小區(qū)中使用該子信道組播的業(yè)務為&，則7V個小區(qū)的業(yè)務集合為S二[^，《，…，S^J，設在第n個小區(qū)中，訂閱業(yè)務&的移動用戶數(shù)為ii;。設每種業(yè)務下傳時所使用的子信道具有相互獨立的衰落特性，移動用戶能夠通過信道估計算法測量信道的參數(shù)，并能通過反饋信道將所測量的信道狀態(tài)信息(CSI)反饋給基站。設在一個傳輸時間間隔(TTI)內(nèi)系統(tǒng)的E二《個移動用戶的信道增益保持恒定，p"表示第Z個小區(qū)的基站到第n個小區(qū)訂閱業(yè)務&的第fc個用戶的信道增益，尸表示第n個小區(qū)的基站分配給業(yè)務&的傳輸功率，^表示各移動用戶接收機的加性Gauss白噪聲功率，則第n個小區(qū)訂閱業(yè)務&的第A;個用戶的接收信干噪比(SINR)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>設業(yè)務《，&,…，Sw均為彈性業(yè)務，即移動用戶對于系統(tǒng)提供的QoS的滿意度是通過其接收SINR來衡量的。設業(yè)務&的效用函數(shù)為"(7)，則業(yè)務&的效用為K(P)=￡k(;)(2)其中P4(g，S，…，i^)為功率分配矢量?？紤]的目標是系統(tǒng)效用最大，艮PATmaxY^[/^(P)P么"j(3)s丄0^尸^_Pnmax其中if^為業(yè)務^的最大發(fā)送功率。式(3)即為本發(fā)明功率分配問題的優(yōu)化模型。當在每個小區(qū)內(nèi)子信道分配確定后，同頻子信道上的功率決定了同頻子信道上各業(yè)務的效用值。一般地，由于同頻干擾的存在，很難給出最優(yōu)解求解式(3)，因此本發(fā)明將非合作博弈論引入到OFDM組播系統(tǒng)小區(qū)間功率分配中。在同頻子信道上小區(qū)間不同業(yè)務的功率分配可以看作一個非合作博弈的過程。每種業(yè)務都希望通過增大其發(fā)送功率來提高業(yè)務的效用，這必然對同頻子信道上其它小區(qū)的用戶產(chǎn)生干擾，使其它小區(qū)業(yè)務的效用降低；其它小區(qū)的業(yè)務也通過增大其發(fā)送功率提高效用，博弈的結果是各種業(yè)務的發(fā)送功率平衡在一個較大的值上，得到的解一般不是Pareto最優(yōu)解。考慮到增加一種業(yè)務發(fā)送功率的同時會對其它業(yè)務的效用產(chǎn)生副作用，在非合作博弈中，引入定價機制，為每種業(yè)務定義功率價格，以限制其過度使用發(fā)送功率，設業(yè)務&的功率價格為氣，則業(yè)務&的凈效用為Ws(P)=C/s(P)-wnJPn(4)定義1令C^(xJ二Blog(l+7^/r)表示第ri個小區(qū)訂閱業(yè)務&的第A;個用戶的吞吐量，其中5為子信道帶寬，r全—ln(5g)/1.5為AWGN信道中在一定誤碼率尸e要求下M-QAM調制信號與Shannon容量的SINR差值，則基于吞吐量最大化的OFDM組播系統(tǒng)多小區(qū)非合作功率分配博弈(MTHBPA)模型表示為^=|5，[^},{^[^}]|。定義2在MTHBPA模型C中，若對任意n￡{1，2,…，AT)，有iVC^(P"^iVf^(P)成立，則功率分配矢量P'是Nash均衡。定理l在MTHBPA模型G中，Nash均衡pt是Pareto最優(yōu)解。證明不妨設存在功率分配矢量P'，使得對任意rzG"[l，2，…，iVl，有M/s(P，^7V77s(P*)，且至少存在一個"e{l,2,...，iV}，使iVC^(P')〉(PJ，則根據(jù)定義2，F(xiàn)不是Nash均衡，這顯然與條件矛盾，即這樣的P'不存在，故定理l成立?！龆ɡ?MTHBPA模型G的Nash均衡存在且唯一。證明若MTHBPA模型G滿足以下三個條件①^的決策空間是歐氏空間上的凸集；②iVC^(P)是定義域上的連續(xù)函數(shù)；③iVC^(P)在其定義域上是關于A的凹函數(shù)，則G存在Nash均衡。顯然G滿足①和②，下面驗證③。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>MTHBPA模型G的最優(yōu)解為(5)(6)(7)(8)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(9)下面證明MTHBPA模型G的Nash均衡是唯一的。根據(jù)式(8)，Nash均衡P滿足的不動點方程為P二SJP)，其中Se(P)4(S^S)，S:(i^，…，S^igh若SJP)對任意riG"[l,2，…,i^滿足以下三個條件①S:g)〉0;②S:(《)是i^的單調函數(shù)；③對任意￡>1，有eS"i^2S"ed則不動點方程是標準的，標準不動點方程收斂到唯一的不動點。s:尸〉o且s;:尸)是尸的單調增函數(shù)，對任意￡>1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>故P二SJP)是標準不動點方程，G的Nash均衡是唯一的。本發(fā)明給出一種MTHBPA模型的迭代算法，算法的步驟如表l所示c表1MTHBPA模型的迭代算法<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>10)由表l不難看出，該算法的功率分配過程是分布式進行的，每個基站單獨計算本小區(qū)組播業(yè)務的發(fā)送功率，基站之間需要交互每種業(yè)務的發(fā)送功率及用戶的CSI，由定理2的證明過程可知，算法是收斂的。權利要求1.一種適用于移動組播系統(tǒng)的多小區(qū)干擾協(xié)調功率分配方法，其特征在于，該方法的具體實現(xiàn)步驟為第一步令迭代次數(shù)標記t＝0，令功率分配矢量<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msup><mi>P</mi><mi>t</mi></msup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mi>max</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>P</mi><mn>2</mn><mi>max</mi></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>N</mi><mi>max</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100298290002C1.tif"wi="48"he="7"top="44"left="123"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>初始化各業(yè)務的定價因子w1，w2，…，wN，初始化算法迭代精度θ，其中N表示使用某個同頻子信道的小區(qū)數(shù)，設第n個小區(qū)中使用該子信道組播的業(yè)務為Sn，訂閱業(yè)務Sn的移動用戶數(shù)為Kn，功率分配矢量<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msup><mi>P</mi><mi>t</mi></msup><mo>=</mo><msup><mi>P</mi><mi>t</mi></msup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mi>t</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup><mi>P</mi><mn>2</mn><mi>t</mi></msubsup><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>N</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100298290002C2.tif"wi="47"he="7"top="75"left="76"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>Pnt表示第t次迭代業(yè)務Sn分配的功率，Pnmax表示業(yè)務Sn所能分配到的最大發(fā)送功率；第二步令t＝t+1，對所有的n∈{1，2，…，N}計算<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn><mo>,</mo></mtd><mtd><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></msubsup><mo><</mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mi>B</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>ln</mi><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow><msub><mi>w</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>K</mi><mi>n</mi></msub></munderover><mfrac><msubsup><mi>γ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>t</mi></msubsup><mrow><mi>Γ</mi><mo>+</mo><msubsup><mi>γ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>t</mi></msubsup></mrow></mfrac><mo>,</mo></mtd><mtd><mn>0</mn><mo>≤</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></msubsup><mo><</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>max</mi></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>max</mi></msubsup><mo>,</mo></mtd><mtd><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>≥</mo><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>max</mi></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>]]></math></maths>其中，B為子信道帶寬，Γ＝-ln(5αe)/1.5為AWGN信道中在一定誤碼率αe要求下M-QAM調制信號與Shannon容量的信干噪比差值，<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>γ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>t</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>g</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup><msubsup><mi>P</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></msubsup></mrow><mrow><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>l</mi><mo>≠</mo><mi>n</mi></mrow><mi>N</mi></munderover><msubsup><mi>g</mi><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow><mi>l</mi></msubsup><msubsup><mi>P</mi><mi>l</mi><mi>t</mi></msubsup><mo>+</mo><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0004"file="A2009100298290002C4.tif"wi="41"he="17"top="153"left="121"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>表示第t次迭代中第n個小區(qū)訂閱業(yè)務Sn的第k個用戶的接收信干噪比，gn，kl表示第l個小區(qū)的基站到第n個小區(qū)訂閱業(yè)務Sn的第k個用戶的信道增益，σ2表示各移動用戶接收機的加性Gauss白噪聲功率；第三步若Pt+1-Pt的向量范數(shù)不超過迭代精度θ，則結束算法；否則，轉第二步。全文摘要適用于移動組播系統(tǒng)的多小區(qū)干擾協(xié)調功率分配方法涉及一種適用于多小區(qū)移動組播系統(tǒng)多業(yè)務之間的功率分配方法。在移動組播系統(tǒng)的每個調度周期，需要為每種業(yè)務分配適當?shù)墓β室酝瓿牲c到多點的業(yè)務傳輸，本發(fā)明將非合作博弈引入組播系統(tǒng)多小區(qū)功率分配中。以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標建立多小區(qū)組播系統(tǒng)功率分配模型，證明該模型的Nash均衡解是Pareto最優(yōu)的，討論Nash均衡的存在性與唯一性，給出一種簡單的分布式迭代算法。在不減少系統(tǒng)吞吐量的前提下，本發(fā)明所提功率分配方法各業(yè)務的發(fā)送功率隨定價因子的增加而降低；本發(fā)明所提功率分配方法可以有效協(xié)調小區(qū)間同頻干擾，提高系統(tǒng)吞吐量，節(jié)省基站的發(fā)送功率。文檔編號H04W16/00GK101516065SQ200910029829公開日2009年8月26日申請日期2009年3月18日優(yōu)先權日2009年3月18日發(fā)明者唐蘇文,明陳申請人:東南大學