專利名稱：一種用于蜂窩多小區(qū)ofdma系統(tǒng)的資源分配和功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種蜂窩多小區(qū)系統(tǒng)的功率分配方法，尤其是一 種針對用戶具有最低傳輸速率限制的基于MIM0-0FDMA技術(shù)的蜂窩多小區(qū)系統(tǒng)的功率分配 方法。
背景技術(shù)：
多天線0FDMA技術(shù)是包括LTE、ffimax等后3代移動通信的基本物理層技術(shù)，通過 采用更大的帶寬、更高的頻譜效率使得能提供的峰值速率遠大于現(xiàn)在的3G蜂窩移動通信 系統(tǒng)。0FDMA技術(shù)可使得基站能夠在頻域的子載波上調(diào)度用戶的頻域資源和發(fā)送功率、調(diào) 制方式等，相對于3G系統(tǒng)具有更加靈活的特點，并且在小區(qū)內(nèi)能實現(xiàn)用戶間不存在相互干 擾。為了使得載頻資源能夠得到更有效的利用，需要在每用戶分配的子載波上實現(xiàn)功率的 分配，但目前的功率分配算法都集中在單小區(qū)內(nèi)的用戶間資源和功率的分配，而且很少考 慮用戶的QoS要求。另外，因為0FDMA系統(tǒng)在相鄰的小區(qū)會采用頻率復(fù)用的方式，使得0FDMA 對小區(qū)間用戶之間的干擾不能忽視，尤其在小區(qū)邊緣部分會極大的降低用戶的頻譜效率， 甚至系統(tǒng)給小區(qū)邊緣用戶分配了較多的頻域資源，并且功率也不能達到用戶的傳輸速率要 求，降低了小區(qū)內(nèi)的整體頻譜效率。如果要降低小區(qū)之間用戶信號的干擾，實現(xiàn)相鄰小區(qū)多 用戶聯(lián)合的最優(yōu)功率和頻域資源分配，則需要一個能夠?qū)Χ嗷具M行集中式控制的控制設(shè) 備，需要多個相鄰基站都將互干擾信息向上反饋給中心控制器進行集中式處理和分配，但 這與未來LTE、WimaX扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是相矛盾的。并且，由于載波數(shù)較大，要保障用戶的 傳輸速率的功率分配和載波分配聯(lián)合優(yōu)化問題會變得極其復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中基于0FDMA的功率分配方法在后3代的大 規(guī)模布網(wǎng)時抑制小區(qū)間干擾的不足，特別是在未來網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中并不存在集中式的基站功率 控制節(jié)點，提供一種基于MIM0-0FDMA技術(shù)的蜂窩多小區(qū)系統(tǒng)的功率分配方法，該分配方法 僅需基站間存在有限的協(xié)作，通過干擾代價因子在基站間的共享，各基站可獨立確定其發(fā) 送功率，有效的控制小區(qū)間干擾水平，并且優(yōu)化系統(tǒng)系能。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的這種用于蜂窩多小區(qū)0FDMA系統(tǒng)的資源分配和功率分配方法，具體包括以下步 驟1)初始化定義干擾代價因子為當(dāng)前小區(qū)隨鄰小區(qū)子載波的發(fā)射功率增長的邊際代價增長 速率，將移動蜂窩通信系統(tǒng)中的多個基站的發(fā)送載波功率以及干擾代價因子初始化為零， 假定各基站對本小區(qū)內(nèi)的用戶信道衰落系數(shù)已知；2)制定各小區(qū)的帶寬分配方案
考慮當(dāng)前小區(qū)為第m小區(qū)，基站根據(jù)本小區(qū)內(nèi)各用戶的速率要求、子載波信道衰 落系數(shù)、干擾代價因子，采用M-BABS算法確定小區(qū)內(nèi)每個用戶的所需子載波個數(shù)；m為自然 數(shù)；3)確定用戶的子載波分配方案系統(tǒng)中的各小區(qū)根據(jù)步驟2)中的帶寬分配方案，采用M-RCG算法為小區(qū)內(nèi)每個用 戶分配合適的子載波；4)給各小區(qū)分配子載波功率根據(jù)步驟3)本小區(qū)的用戶子載波分配情況，計算每個子載波上的拉格朗日乘子 Am，根據(jù)算得的拉格朗日乘子人 ，計算給本小區(qū)每個用戶分配的子載波功率；其中尸表 示將第m個小區(qū)的第s個子載波分配給第k個用戶的功率；所述k和s均為自然數(shù)；所述本 小區(qū)是指系統(tǒng)中的任意一個小區(qū)；5)計算并發(fā)送相鄰小區(qū)的干擾代價因子設(shè)第n小區(qū)與第m小區(qū)是相鄰小區(qū)，根據(jù)拉格朗日乘子/I；和上步求得的子載波功 率，計算第m小區(qū)對第n小區(qū)的干擾代價因子A1’"，并通過小區(qū)間數(shù)據(jù)接口將干擾代價因 子A1’"發(fā)送給第n小區(qū)；所述n為自然數(shù)；6)本小區(qū)更新相鄰小區(qū)發(fā)給本小區(qū)的干擾代價因子，轉(zhuǎn)至步驟2)執(zhí)行下一周期 的帶寬和功率分配，以此循環(huán)重復(fù)步驟2)至步驟6)。進一步，以上步驟4)中拉格朗日乘子的計算公式如下 上式中《為第m小區(qū)分配給第k個用戶的子載波數(shù)；八丨為所有第m小區(qū)的相鄰 小區(qū)對第m小區(qū)在第s個子載波上的干擾代價因子之和 ’K為第m小區(qū)內(nèi)第k個用戶的
最低傳輸速率要求；中間變量仏定義為
其中表示第m小區(qū)的基站和第k個用戶在第s個子載波上的信道衰落系數(shù)；所述r =-In (5BER) /l. 5，是BER用戶業(yè)務(wù)要求的誤碼率；N為OFDM系統(tǒng)的可分配的載波總數(shù)；N。
為白噪聲功率譜密度；B為系統(tǒng)帶寬；
表示第n小區(qū)對第k個用
戶在第S個子載波上的干擾總功率。另外，步驟4)中子載波功率的計算公式如下 上式中[]+符號表示括號內(nèi)的變量大于0則取變量值本身，當(dāng)該變量小于0則取0 值。以上所述本發(fā)明的步驟5)中，第m小區(qū)對第n小區(qū)在第s子載波干擾代價因子的
計算公式為 其中
，p為包含系統(tǒng)所有小區(qū)所有子載波的功率分配矩 陣，為第m個小區(qū)用戶k在子載波s上的接收信干噪比 本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明所采用的基站間共享干擾信息的多小區(qū)分布式聯(lián)合載波分配與功率分配 策略，每基站根據(jù)本小區(qū)用戶情況以及鄰小區(qū)的干擾反饋即可確定載波分配與功率分配， 無需其他基站中心控制器；該方法比傳統(tǒng)單小區(qū)功率分配算法具有更好的收斂性；其即保 障了用戶的最小傳輸速率服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求，又能獲得更小的中斷概率；并且能夠有效 的協(xié)調(diào)相鄰小區(qū)間的干擾，使得多個基站間的平均相互干擾比傳統(tǒng)算法更小。另外，因為每 個基站只用考慮所有相鄰小區(qū)的主要干擾基站的干擾反饋就可以獲得良好的干擾協(xié)調(diào)性 能，不會給基站間的信息傳遞帶來較大的負擔(dān)，因此具有良好的實用性。


圖1為基于干擾補償修正的BABS帶寬分配算法框圖；圖2為基于干擾補償修正的RCG子載波分配算法框圖；圖3為仿真場景示意圖；圖4為不同負載下的系統(tǒng)平均發(fā)射功率；圖5為不同負載下的平均干擾噪聲比；圖6為不同負載下的平均中斷概率。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述本發(fā)明考慮一個子載波數(shù)為N的下行0FDMA系統(tǒng)。設(shè)系統(tǒng)包含M個小區(qū)，其中M 是一個大于1的自然數(shù)，第m小區(qū)是系統(tǒng)的M個小區(qū)中的其中一個小區(qū)(因此m也是自然 數(shù))，且在第m小區(qū)內(nèi)存在Km個激活用戶，用B= {1，2，...，M}和Um= {l，2，...，Kj分別 表示系統(tǒng)中所有小區(qū)集合和第m小區(qū)(也稱為“小區(qū)m”)內(nèi)的用戶集合，用S= {1,2,..., N}表示子載波的集合。假設(shè)系統(tǒng)采用全頻率復(fù)用策略，所有小區(qū)共享帶寬為B的頻譜資源， 頻率復(fù)用使得小區(qū)內(nèi)可用帶寬達到最大，但會導(dǎo)致相鄰小區(qū)間存在同頻干擾。設(shè)Am表示對 小區(qū)m內(nèi)的用戶產(chǎn)生干擾的相鄰小區(qū)集合。定義矩陣P 表示小區(qū)m的功率分配 矩陣，其中尸表示分配給小區(qū)m內(nèi)用戶k(即第m小區(qū)的第k個用戶，k是自然數(shù))在子載 波s (即第s個子載波，s是自然數(shù))上的發(fā)送功率。此外，定義p = [P1P2. . . pM]表示整個 網(wǎng)絡(luò)的功率分配矩陣，并用Pm= [P1 P2 -Pm-1 Pm+1 ...PM]表示除小區(qū)m外所有其他小區(qū)的功 率分配矩陣，顯然P與(Pm, Pm)具有等價關(guān)系。下文中，對其他變量采用類似的定義。假設(shè)基站已知本小區(qū)所有用戶的理想信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)，用^^表示基站m和用戶k在子載波s的下行信道衰落系數(shù)。此外，假 設(shè)相鄰基站之間可以通過相互間的接口傳遞信息從而實現(xiàn)小區(qū)間的協(xié)同。在給定網(wǎng)絡(luò)功率分配矩陣p時，第m小區(qū)的用戶k在子載波s上的接收信干噪比(SINR)可表示為 式中N0——噪聲功率譜密度。為了表述簡單，定義
)表示相鄰小區(qū)對用戶k在子載波
s上的干擾總功率
示基站m'在子載波s上的總發(fā)射功率。系統(tǒng)采用基于
QAM調(diào)制的自適應(yīng)調(diào)制編碼策略，假設(shè)接收機具有理想的相位檢測，則一個OFDM符號內(nèi)用 戶k在子載波s最多可傳輸?shù)谋忍財?shù)為 其中
。用戶k的傳輸速率(比特/符號)可表示為 假設(shè)基站已知本小區(qū)所有用戶的下行信道狀態(tài)信息，在FDD系統(tǒng)中，這需要用戶 的反饋，在TDD系統(tǒng)中，則可以利用上下信道的對稱性根據(jù)上行信道獲得。此外，假設(shè)基站 之間可以相互傳遞數(shù)據(jù)，例如在LTE標(biāo)準(zhǔn)中，E-NodeB之間就可以通過X2接口相互通信。 本發(fā)明的研究目標(biāo)是尋找最優(yōu)資源分配策略，使其能夠在滿足用戶最低傳輸速率要求的前 提下，使系統(tǒng)總發(fā)送功率最小。該問題可以表述為下面的優(yōu)化模型(以下簡稱全局優(yōu)化問 題)argmin^ Z Y.PL其限制條件為R:^f(Ks\k ^ 式中R:——小區(qū)m內(nèi)用戶k的最低傳輸速率要求；
表示小區(qū)m的可行資源分配策略集合。以上第一個條件對應(yīng)用戶的傳輸速率限制，第二個條件表示功率不能為負。一、問題分解為了求解全局優(yōu)化問題，系統(tǒng)需要在所有可能的功率分配策略、子載波分配策略 中尋找最優(yōu)資源分配策略，因此全局優(yōu)化問題實際上是一個混合整數(shù)規(guī)劃問題，難以直接 求解。因此基于對偶分解得到了一種分布式資源分配策略。首先，給出全局優(yōu)化問題的拉 格朗日函數(shù) 式中A—拉格朗日算子矢量，可表示為
其中人仏“^^是與小 區(qū)m相關(guān)的拉格朗日算子矢量，進一步，<20是與用戶k(k G UJ最低傳輸速率相關(guān)的拉 格朗日算子；( )T表示矩陣轉(zhuǎn)置操作。L(p，入)可以看作是系統(tǒng)為了保證用戶QoS付出的總代價，包括兩個部分第一部 分是系統(tǒng)所消耗的功率，第二部分可以視為對不能滿足用戶QoS需求的懲罰。根據(jù)拉格朗日對偶理論，可以得到如下拉格朗日對偶函數(shù) 式中inf—表示下確界，若目標(biāo)函數(shù)不存在下確界，則取為-⑴。由于對偶函數(shù) 是一系列關(guān)于入的仿射函數(shù)的逐點下確界，因此無論全局優(yōu)化問題是否為凸，其對偶函數(shù)
g(A) 一定是關(guān)于\的凹函數(shù)。給定入，SP^a^m^yPM^gU)可以等價表示 根據(jù)對偶理論，可以得到原全局優(yōu)化問題的對偶問題 限制條件■入m> 0,Vm eB,k G Um由于對偶問題是凸問題，可以直接采用次梯度算法求解，然而由于小區(qū)間干擾的 存在，在給定\時求解仍然具有很高的復(fù)雜度。此外由于的\維度隨用戶數(shù)增長， 進一步增加了問題求解的復(fù)雜度。因此，應(yīng)用對偶分解相關(guān)理論，進一步將對偶問題分解 為多個子問題進行求解。設(shè)對偶問題的最優(yōu)解為入*，對應(yīng)的資源分配策略為P*U*)。當(dāng) N —⑴時，則p*( f)即為原問題的最優(yōu)解。則根據(jù)KKT最優(yōu)條件，則(p* U )，X *)對徹G B 滿足如下等式
= 為了表述簡單，定義如下參數(shù)A；=^^ 丨2 r-l這里，A〗’m表示小區(qū)n的總代價隨小區(qū)m中子載波s上的發(fā)射功率增加的邊際代價 增長速率。A〗’m是小區(qū)n和小區(qū)m的耦合項，這一耦合項正是源于小區(qū)間同頻干擾的存在。 由于小區(qū)間干擾的存在，當(dāng)增加小區(qū)m中的發(fā)送功率時，小區(qū)n為了保證相應(yīng)受到干擾的用 戶的QoS，就需要提高發(fā)送功率，或者因傳輸速率不能滿足而受到懲罰，從而導(dǎo)致總代價的提升。A=’m描述了小區(qū)n的傳輸對這一小區(qū)間干擾的敏感度，因此稱之為干擾代價因子，這 正是本發(fā)明的核心內(nèi)容，通過基站間干擾代價因子的共享可以實現(xiàn)分布式的功率分配。下面將拉格朗日函數(shù)L(p，A)等價記為
通過這一記法以強調(diào)小 區(qū)m的資源分配問題與全局優(yōu)化問題的關(guān)系。為了進一步分析，定義如下函數(shù) 考慮到小區(qū)間干擾通常是多個干擾的力卩和，不妨設(shè) Ar(pm,pmA )-Ar(pmA ) (▽^^^。假設(shè)口^和^固定不變，則八^入訶以記為常容易驗證，Lffl(pffl, AJ恰好是如下優(yōu)化問題的拉格朗日對偶函數(shù)(VmeB ): 限制條件 觀察上述問題，當(dāng)口 和:^固定時，其目標(biāo)函數(shù)包括兩個部分第一部分表示小區(qū)m 內(nèi)的總發(fā)射功率，是基站m保證本小區(qū)內(nèi)用戶的QoS要求而付出的必要代價；第二部分表 示由于本小區(qū)干擾而造成的所有鄰小區(qū)代價的增加，是基站m對鄰小區(qū)代價提升的補償。 因此，上述問題實際是一個具有干擾補償?shù)膯涡^(qū)功率分配問題(以下簡稱本地優(yōu)化問 題)。通過對該問題進行優(yōu)化，系統(tǒng)不僅需要降低本小區(qū)為了保證用戶QoS所需的發(fā)射功 率，同時要盡量控制該小區(qū)傳輸對相鄰小區(qū)性能的惡化。那么，在假設(shè)干擾代價因子Ar已 知的條件下，本地優(yōu)化問題即可獨立求解。因此，將多小區(qū)資源分配問題建模為一個功率 分配博弈，參與者之間將共享干擾代價因子并嚴(yán)格按照干擾代價因子對干擾進行補償，稱 其為有限合作博弈模型(Limited-Cooperative Game, LCG)，基于該博弈模型，可給出一種 分布式迭代功率分配算法(LCG based Distributed Iterative Resource Allocation, LCG-DIRA)，在每次迭代中，各基站在給定干擾代價因子的條件下求解本地優(yōu)化問題，尋找 本地最優(yōu)資源分配策略，然后更新干擾代價因子，以此循環(huán)往復(fù)。二、本地資源分配策略考慮在給定干擾代價因子下，第m個小區(qū)的本地優(yōu)化子問題的求解。給定A: (VnGAm,SGS )，對本地功率分配問題可證明定理設(shè)pm!>為小區(qū)m的本地功率分配問題的最優(yōu)解，對應(yīng)的對偶問題的最優(yōu)解為 X；，則滿足對任意s e S和ks e Um，若C > 0，則對任意k e Um且k乒ks，有戍=0。其 中ks選擇為
上述定理表明，在最優(yōu)的子載波分配策略中，本地的子載波分配必須滿足正交性 要求，即同一個子載波上不允許兩個或以上用戶同時傳輸。若P: > 0，則子載波s分配給 用戶k e Um，否則/C=0。此時，小區(qū)內(nèi)干擾為0，因此用戶k在子載波8上的接收信干噪比 (SINR)可重新表示為
功率為
則KKT條件可簡化為
根據(jù)上式，可以進一步得到如下結(jié)論
設(shè)在最優(yōu)資源分配策略中子載波S分配給用戶k，則用戶k在子載波S上最佳發(fā)送 若某子載波上的干擾代價因子A1較大，分配給該子載波的發(fā)送功率也會相對較 小，從而降低對鄰小區(qū)的干擾。為了表述簡單，下文中令 上述結(jié)論給出了固定pm和^時，本地優(yōu)化問題的最優(yōu)資源分配條件。然而子載波 分配與功率分配相互影響，互為因果。觀察本地優(yōu)化問題，這是一個功率加權(quán)和最小化問 題，通過修正兩步式分配算法(Modified-BABS-RCG，M-BABS-RCG)設(shè)計子載波分配算法，該 算法分為兩步第一步假設(shè)用戶各子載波上的信道衰落和干擾代價因子相同，確定用戶所需的 帶寬，即子載波個數(shù)。算法流程如圖1所示，以小區(qū)m為例，帶寬分配算法描述如下Step 1 初始化，假設(shè)分配給小區(qū)m中每個用戶k的子載波個數(shù)57=1，并且假設(shè)用
戶在每個子載波上的信道增益為
。繼續(xù)St印2。Step 2 判斷$是否成立。若不成立，則表示子載波個數(shù)分配完畢，算法結(jié) 束。否則，繼續(xù)Step 3。 Step 3:尋找=argmax
，表示小區(qū)m中通過增加一個子載波可以最大降低功率的用戶；繼續(xù)Step 4。Step 4 令實=S +1，即將分配給用戶ks的子載波個數(shù)增加1 ；回到St印2。第二步根據(jù)帶寬分配方案，為每個用戶選擇合適的子載波。以小區(qū)m為例，算法 流程如圖2所示，該算法流程具體如下Step 1 初始化，令分配給每個用戶k的子載波集合為空，即令Sf =0 ；計算用戶k 的平均信道增益冗=去和平均干擾代價，=去IX ；令A(yù) = S，u = Um。繼續(xù)St印 Step 2:估計所有用戶的拉格朗日算子《=^U_m )mZ ；估計用戶在每個子
g"
載波上可傳輸?shù)谋忍財?shù)rG =1嘩2(趕禮;)。繼續(xù)St印3。Step 3 從子載波集合A中取出任意子載波s，尋找在子載波s可以傳輸最多比特
數(shù)的用戶< =artZaXrk s ’并將子載波s分配給用戶ks，即令《=《+{5}。繼續(xù)St印4。Step 4 從子載波集合A中移除子載波s，即A = A-{s}。判斷集合A是否為空，若 為空，則繼續(xù)Step 5;否則，回到St印3。Step 5 從用戶集合U中取出任意用戶k，繼續(xù)St印6。Step 6 判斷實際分配給用戶k的子載波個數(shù)與預(yù)定分配給該用戶的子載
波個數(shù)^丨之間的關(guān)系，若> ，則需要將多余的子載波分配給尚未滿足的用戶，即執(zhí)行 Step 7 ；否則，執(zhí)行St印8。Step 7 在分配給用戶k的子載波集合穹中選取一個子載波s*，并在子載波個數(shù) 尚未滿足用戶中選取一個用戶的廣使(/!>，/) = ^|§^^( ；"_<);將子載波？重新分配給 用戶 1*，即令穹=^-{/}S； = S;+{/}?；氐?step 6。Step 8:從集合。中移除用戶1^，即。=化僅}；若U=小，則算法結(jié)束。否則，回 至lj Step 5。上述兩步算法給出了本地優(yōu)化問題的子載波分配策略。設(shè)分配給用戶k的子載波
集合為宏，《中子載波的個數(shù)為V，可以得到礦的估計值 A =2^ U-1^ ln2。
、謂 Sk,s J聯(lián)合i；和的計算式，可以直接得到小區(qū)m對鄰小區(qū)產(chǎn)生的干擾代價因子 A，"( /sGS, GAm)?？偨Y(jié)以上分析，基于有限合作博弈的多小區(qū)分布式迭代資源分配策略(LCG-DIRA) 是一種分布式的資源分配方法，各基站僅需相互傳遞干擾代價因子。在該算法中，每個小區(qū) 均獨立執(zhí)行前述的本地資源分配策略，并更新干擾代價因子發(fā)送給其相鄰小區(qū)。因此，本發(fā) 明提出的用于蜂窩多小區(qū)0FDMA系統(tǒng)的資源分配和功率分配方法具體可以歸結(jié)為以下幾 個步驟
第一步初始化；定義干擾代價因子為當(dāng)前小區(qū)隨鄰小區(qū)子載波的發(fā)射功率增長的邊際代價增 長速率，將移動蜂窩通信系統(tǒng)中的多個基站的發(fā)送載波功率以及干擾代價因子初始化為 零，假定各基站對本小區(qū)內(nèi)的用戶信道衰落系數(shù)已知，即令Pm = 0，A: = A1’" = 0，V% S, n e Am；第二步制定各小區(qū)的帶寬分配方案；考慮當(dāng)前小區(qū)為第m小區(qū)，基站根據(jù)本小區(qū)內(nèi)各用戶的速率要求、子載波信道衰 落系數(shù)、干擾代價因子，采用M-BABS算法確定小區(qū)內(nèi)每個用戶的所需子載波個數(shù)；m為自然 數(shù)；第三步確定用戶的子載波分配方案；系統(tǒng)中的各小區(qū)根據(jù)第二步中的帶寬分配方案，采用M-RCG算法為小區(qū)內(nèi)每個用 戶分配合適的子載波；第四步給各小區(qū)分配子載波功率；根據(jù)第三步中本小區(qū)的用戶子載波分配情況，計算每個子載波上的拉格朗日乘子
《，其中拉格朗日乘子的計算公式如下 上式中《為第m小區(qū)分配給第k個用戶的子載波數(shù)；A1為所有第m小區(qū)的相鄰小 區(qū)對第m小區(qū)在第s個子載波上的干擾代價因子之和 ’K為第m小區(qū)內(nèi)第k個用戶的最低 傳輸速率要求；中間變量容定義為 其中巧；表示第m小區(qū)的基站和第k個用戶在第s個子載波上的信道衰落系數(shù)；所 述
，是BER用戶業(yè)務(wù)要求的誤碼率；N為OFDM系統(tǒng)的可分配的載波總
數(shù)；隊為白噪聲功率譜密度；B為系統(tǒng)帶寬；1:(P—J= Z K^f(K)表示第n小區(qū)對第k
個用戶在第S個子載波上的干擾總功率。根據(jù)以上算得的拉格朗日乘子|，計算給本小區(qū)每個用戶分配的子載波功率 其中尸表示將第m個小區(qū)的第s個子載波分配給第k個用戶的功率；所述本小區(qū)是指系統(tǒng) 中的任意一個小區(qū)。其中子載波功率的計算公式如下 上式中[]+符號表示括號內(nèi)的變量大于0則取變量值本身，當(dāng)該變量小于0則取0 值。第五步計算并發(fā)送相鄰小區(qū)的干擾代價因子設(shè)第n小區(qū)與第m小區(qū)是相鄰小區(qū)，根據(jù)拉格朗日乘子/I；和上步求得的子載波功 率，計算第m小區(qū)對第n小區(qū)的干擾代價因子A1’"，并通過小區(qū)間數(shù)據(jù)接口將干擾代價因 子A1’"發(fā)送給第n小區(qū)；所述n為自然數(shù)。第m小區(qū)對第n小區(qū)在第s子載波干擾代價因子的計算公式為如下 其中
，p為包含系統(tǒng)所有小區(qū)所有子載波的功率分配矩
陣，為第m個小區(qū)用戶k在子載波s上的接收信干噪比 更新鄰小區(qū)發(fā)送給本小區(qū)的干擾代價因子Am}。第六步循環(huán)本小區(qū)更新相鄰小區(qū)發(fā)給本小區(qū)的干擾代價因子后轉(zhuǎn)至第二步執(zhí)行下一周期的 帶寬和功率分配，以此循環(huán)重復(fù)第二步至第六步。仿真結(jié)果本發(fā)明通過計算機仿真展示了 LCG-DIRA算法的性能，并與不考慮干擾影響的迭 代灌水(IWF)算法進行了比較。仿真場景如圖3所示，仿真系統(tǒng)由37個配置全向天線的基 站構(gòu)成，每個小區(qū)包含10個用戶，隨機均勻分布在基站的周圍，且所有用戶的最低傳輸速 率要求相同。每個用戶僅考慮最近的A個基站帶來的干擾，而忽略其他小區(qū)干擾的影響。為 了平衡反饋負荷與系統(tǒng)性能，仿真并比較了 A = 1，2，3，4不同值時的系統(tǒng)性能。為了消除 邊界效應(yīng)，僅統(tǒng)計中心7個小區(qū)的性能，仿真結(jié)果是100次隨機獨立仿真結(jié)果的平均。其他 仿真參數(shù)見表1表表1其他相關(guān)仿真參數(shù) 圖4給出了當(dāng)用戶業(yè)務(wù)要求的最低傳輸速率變化時，系統(tǒng)的平均發(fā)射功率?？梢?看出，當(dāng)系統(tǒng)負載較低時，兩種算法的平均發(fā)射功率基本相同。但是，隨著負載逐漸增大， 本節(jié)所提算法可以顯著降低系統(tǒng)發(fā)射功率。但是當(dāng)用戶速率要求較高時，算法會因為不能 滿足用戶的需求而無法收斂。從圖中可以看出，當(dāng)用戶的傳輸速率要求民 大于0. 5兆比 特每秒(Mbps)時，迭代灌水算法不能再收斂，即采用無窮大的功率也無法使用戶的服務(wù)質(zhì) 量要求得到滿足，而本節(jié)提出的LCG-DIRA功率分配方法可以在A > 2時繼續(xù)收斂，直到 」《=0.8Mbps (當(dāng)A = 4時)，這表明LCG-DIRA算法比迭代灌水具有更廣的收斂域。圖5展示了平均每個子載波上的干擾噪聲比(Interference over Thermal, IoT) 隨系統(tǒng)負載的變化情況。這里IoT定義為平均每個子載波上受到的小區(qū)間干擾功率與熱噪 聲功率的比值，它反映了系統(tǒng)中小區(qū)間干擾的水平。從圖中可以看出，隨著負載的增加，系 統(tǒng)中的小區(qū)間干擾也逐漸加重。但與迭代灌水算法相比，甚至只對一個主要干擾源進行干 擾協(xié)調(diào)(即A= 1的情況)，LCG-DIRA也可以顯著的降低干擾水平。產(chǎn)生這一增益的原因包 括兩個總發(fā)送功率的降低和小區(qū)間干擾的協(xié)調(diào)。根據(jù)圖4，采用LCG-DIRA算法時，系統(tǒng)的 總發(fā)射功率降低并不明顯，因此，干擾的降低主要源于小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)。此外，LCG-DIRA 算法對干擾降低的幅度隨著系統(tǒng)負載的增加而逐漸增大，進一步驗證了這一點。因為隨著 系統(tǒng)負載的增加，小區(qū)間干擾也逐漸加重，此時干擾協(xié)調(diào)對性能的改善也就越發(fā)明顯。圖6進一步給出了系統(tǒng)的平均中斷概率。在仿真中，若一個時隙內(nèi)，一個用戶的傳 輸速率低于其最低傳輸速率要求的90%，則記做一次中斷。其中前30個時隙用于算法的啟 動，因此不參與性能統(tǒng)計。由圖可知，與迭代灌水算法相比，LCG-DIRA算法可以明顯的降低 系統(tǒng)中斷概率。此外，迭代灌水算法的中斷概率隨著系統(tǒng)負載的增加而增高，而LCG-DIRA 算法的中斷概率基本保持不變(當(dāng)& >G+2Mbps時)。這與上面的分析一致，因為當(dāng)系統(tǒng)負 載增加時，小區(qū)間子載波發(fā)生“碰撞”的概率加大，若不能對這一情況進行處理，用戶的最低 傳輸速率將很難得到保證。而LCG-DIRA算法通過在本小區(qū)的資源分配中引入干擾補償，從 而控制了本小區(qū)對相鄰小區(qū)的干擾水平，因而更加穩(wěn)定?？梢钥闯觯景l(fā)明所采用的基站間共享干擾信息的多小區(qū)分布式聯(lián)合載波分配與 功率分配策略，每基站根據(jù)本小區(qū)用戶情況以及鄰小區(qū)的干擾反饋即可確定載波分配與功 率分配，無需其他基站中心控制器；該方法具有比傳統(tǒng)單小區(qū)功率分配算法更好的收斂性； 該方法保障了用戶的最小傳輸速率服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求，能獲得更小的中斷概率；并且能 夠有效的協(xié)調(diào)相鄰小區(qū)間的干擾，使得多個基站間的平均相互干擾比傳統(tǒng)算法更小。另外， 因為每個基站只用考慮所有相鄰小區(qū)的主要干擾基站的干擾反饋就可以獲得良好的干擾協(xié)調(diào)性能，不會給基站間的信息傳遞帶來較大的負擔(dān)，因此具有良好的實用性。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。
權(quán)利要求
一種用于蜂窩多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的資源分配和功率分配方法，其特征在于，包括以下步驟1)初始化定義干擾代價因子為當(dāng)前小區(qū)隨鄰小區(qū)子載波的發(fā)射功率增長的邊際代價增長速率，將移動蜂窩通信系統(tǒng)中的多個基站的發(fā)送載波功率以及干擾代價因子初始化為零，假定各基站對本小區(qū)內(nèi)的用戶信道衰落系數(shù)已知；2)制定各小區(qū)的帶寬分配方案考慮當(dāng)前小區(qū)為第m小區(qū)，基站根據(jù)本小區(qū)內(nèi)各用戶的速率要求、子載波信道衰落系數(shù)、干擾代價因子，采用M-BABS算法確定小區(qū)內(nèi)每個用戶的所需子載波個數(shù)；m為自然數(shù)；3)確定用戶的子載波分配方案系統(tǒng)中的各小區(qū)根據(jù)步驟2)中的帶寬分配方案，采用M-RCG算法為小區(qū)內(nèi)每個用戶分配合適的子載波；4)給各小區(qū)分配子載波功率根據(jù)步驟3)本小區(qū)的用戶子載波分配情況，計算每個子載波上的拉格朗日乘子根據(jù)算得的拉格朗日乘子計算給本小區(qū)每個用戶分配的子載波功率其中表示將第m個小區(qū)的第s個子載波分配給第k個用戶的功率；所述k和s均為自然數(shù)；所述本小區(qū)是指系統(tǒng)中的任意一個小區(qū)；5)計算并發(fā)送相鄰小區(qū)的干擾代價因子設(shè)第n小區(qū)與第m小區(qū)是相鄰小區(qū)，根據(jù)拉格朗日乘子和上步求得的子載波功率計算第m小區(qū)對第n小區(qū)的干擾代價因子并通過小區(qū)間數(shù)據(jù)接口將干擾代價因子發(fā)送給第n小區(qū)；所述n為自然數(shù)；6)循環(huán)本小區(qū)更新相鄰小區(qū)發(fā)給本小區(qū)的干擾代價因子，轉(zhuǎn)至步驟2)執(zhí)行下一周期的帶寬和功率分配，以此循環(huán)重復(fù)步驟2)至步驟6)。FDA0000022869700000011.tif,FDA0000022869700000012.tif,FDA0000022869700000013.tif,FDA0000022869700000014.tif,FDA0000022869700000015.tif,FDA0000022869700000016.tif,FDA0000022869700000017.tif,FDA0000022869700000018.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于蜂窩多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的資源分配和功率分配方法，其 特征在于，步驟4)中拉格朗日乘子的計算公式如下 上式中^1為第m小區(qū)分配給第k個用戶的子載波數(shù)；ΔΓ為所有第m小區(qū)的相鄰小區(qū)對 第m小區(qū)在第s個子載波上的干擾代價因子之和為第m小區(qū)內(nèi)第k個用戶的最低傳輸速率要求沖間變量 義為紀(jì) 其中巧表示第m小區(qū)的基站和第k個用戶在第S個子載波上的信道衰落系數(shù)；所述Γ =-ln(5BER)/1.5, 是BER用戶業(yè)務(wù)要求的誤碼率；N為OFDM系統(tǒng)的可分配的載波總數(shù)；Ntl為白噪聲功率譜密度；β為系統(tǒng)帶寬； (ΣO表示第η小區(qū)對第k個用戶在第s個子載波上的干擾總功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于蜂窩多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的資源分配和功率分配方法，其特征在于，步驟4)中子載波功率的計算公式如下 上式中[]+符號表示括號內(nèi)的變量大于O則取變量值本身，當(dāng)該變量小于O則取O值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于蜂窩多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的資源分配和功率分配方 法，其特征在于，步驟5)中其中第m小區(qū)對第η小區(qū)在第s子載波干擾代價因子的計算公 其中/(Am5(P)) = +，P為包含系統(tǒng)所有小區(qū)所有子載波的功率分配矩陣，Ks為第m個小區(qū)用戶k在子載波S上的接收信干噪比
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于蜂窩多小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的資源分配和功率分配方法，其特征在于，其包括步驟有初始化基站、制定各小區(qū)的帶寬分配方案、確定用戶的子載波分配方案、給各小區(qū)分配子載波功率、計算并發(fā)送相鄰小區(qū)的干擾代價因子，最后更新相鄰小區(qū)發(fā)給本小區(qū)的干擾代價因子，執(zhí)行下一周期的帶寬和功率分配，以此循環(huán)重復(fù)。本發(fā)明的該分配方法僅需基站間存在有限的協(xié)作，通過干擾代價因子在基站間的共享，各基站可獨立確定其發(fā)送功率，有效的控制小區(qū)間干擾水平，并且優(yōu)化系統(tǒng)系能。并且本發(fā)明不會給基站間的信息傳遞帶來較大的負擔(dān)，因此具有良好的實用性。
文檔編號H04W72/08GK101854725SQ20101021389
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者任品毅, 呂剛明, 廖學(xué)文, 朱世華 申請人:西安交通大學(xué)