正交频分多址接入网络中的分布式小区间干扰消除方法技术

一种正交频分多址接入网络中的分布式小区间干扰消除方法。其核心思想在于采用频率复用技术，使得相邻小区之间的干扰信号源距离尽可能远，并采用功率控制技术抑制相邻小区的干扰，达到改善传输质量、提高小区及其边缘用户吞吐量的效果。鉴于集中式的算法需要大量的信息交互开销和算法复杂度，本发明专利技术采用分布式的方法来研究小区间协调的最优功率分配和用户调度（频率复用）方案。各个基站通过与其邻居基站合作实现系统和速率最大化，各个基站的效用值定义为其自身通信速率与邻小区速率的和。各个协调基站计算其当前效用值和基于试测策略的新效用值，根据Boltzmann概率更新规则和最优响应策略更新规则，以迭代调整的方式进行干扰协调策略的更新。

【技术实现步骤摘要】
正交频分多址接入网络中的分布式小区间干扰消除方法
本专利技术涉及的是一种最大化系统传输速率的分布式的联合功率分配和用户调度方法，具体是一种适用于基于正交频分多址接入(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)网络中的分布式小区间干扰消除方法。
技术介绍
随着通信技术的飞速发展，为满足移动用户对高速业务的需求，下一代无线网络中频率复用因子达到1，也就是说每个单独的小区基站可以使用整个系统频带资源。OFDMA作为下一代蜂窝移动通信系统的多址接入技术，它将整体可用的系统频带划分成多个窄的并且相互正交的频带。因此，在同一个小区内的多个用户间不存在符号间干扰与小区内同频干扰。然而，移动网络实际的部署都是多小区环境，在这种场景下，小区间的干扰(Inter-cellInterference，ICI)就始终存在，极大地降低了边缘用户的性能。更加准确地讲，当同样的频率资源被相邻的小区复用时，基于OFDMA技术的多小区蜂窝系统就会产生ICI，导致网络通信质量下降，尤其导致是小区边缘用户服务质量较差、吞吐量较低。因此消除ICI、提高小区边缘用户的吞吐量、平衡小区边缘区域和中心区域的通信质量差异，成为下一代蜂窝移动通信系统亟待解决的关键问题。为了解决OFDMA网络ICI问题，小区间干扰协调技术通过对无线资源进行合理有效管理，从而将小区之间的干扰水平保持在可控的状态下。其核心思想在于采用频率复用技术，使得相邻小区之间的干扰信号源的距离尽可能远，并采用功率控制技术抑制相邻小区的干扰，达到改善传输质量、提高小区及其边缘用户吞吐量的效果。小区间干扰协调技术本质上是实现多个小区无线资源管理功能，通过管理无线资源(主要是时频资源块和发射功率)来控制ICI，它需要同时考虑来自多个小区的如下信息：资源使用状态、业务负荷状况与用户数等。由于各个用户距离基站的距离不同，所以在不同的子信道上各个用户的信道条件也不相同。而且，随着时间和空间的不断变化，各个用户的信道条件也在不断的发生变化，这种信道条件的多样性，是进行自适应无线资源管理与分配的基础。下一代通信系统中的无线资源分配针对多用户情况设计，主要包括时频资源块、发射功率的联合优化分配。这一分配方案的总体目标是根据用户的瞬时衰落特性、小区间的干扰情况及当前用户的服务等级和质量要求，采用优化算法或者静/动态调整方法，确定对于每个用户分配哪些子信道以及在这些子信道上分配发射功率值的大小，从而减轻甚至消除ICI，提高边缘用户的吞吐量以及系统性能。同时，多小区蜂窝网络中各个小区对于网络全局信息的了解非常有限，因此集中式的算法难以实施。虽然通过回程链路给各个蜂窝提供足够的信息是有可能的，但是这样会造成回程链路的拥塞。此外，集中式的算法会带来非常大的计算复杂度，尤其是在小区数目很多的情况下。所以，分布式算法对于多小区OFDMA系统的小区间干扰协调来说是非常重要的。现已有多种理论应用于无线通信系统的分布式资源管理。而博弈论作为一种广泛用以解决现实世界中利害冲突的理论的严谨数学模型，已成为解决分布式最优化问题的重要方法。博弈论亦称“对策论”，是研究各个决策主体的行为相互影响时的决策以及其均衡问题的一种重要数学工具。它能有效解决理性的决策者之间相互冲突与合作的问题。博弈包含两大分支，即非合作博弈和合作博弈，本专利技术主要涉及前者。非合作博弈强调的是个人行为，分析每个理性而自私的参与者会做出怎样的决策，以及博弈最可能出现的结果是什么。其目前已广泛应用到无线通信领域，为分布式资源分配问题中刻画及研究“自私”的参与者之间具的利益冲突和竞争提供了完备的理论工具。具体来说，其通过设计不同的效用函数和代价机制，其后进行最优化求解使得每个用户“自动”地达到系统所期望的性能，即一种相对稳定的平衡态“纳什均衡”。
技术实现思路
针对现有干扰管理技术在系统传输速率、算法复杂度、控制信息交互开销等性能方面的不足，本专利技术提供一种系统和速率最优的低复杂度的正交频分多址接入网络中的分布式小区间下行干扰消除方法。实现本专利技术目的的技术解决方案如下：一种正交频分多址接入网络中的分布式小区间干扰消除方法，设：迭代时隙t＝1,2,...,T(T为最大迭代次数)，采用和分别表示基站i在t迭代时隙的传输功率和用户调度策略，i∈N，N＝{1,2,...,N}表示基站集合，N为基站总数，步骤1，初始化设置：令迭代时隙t等于1，各个基站初始化其用户调度策略，各基站分别将子载波随机分配给其服务的任意一个通信用户，然后，各个基站随机初始化各自的发送功率。对每个基站随机设定一个不同的调整优先级λi，λi表示基站i的调整优先级，步骤2，按照干扰指标从大到小的顺序，取前B个对基站i干扰影响最大的基站为基站j对基站i干扰影响的干扰指标，j∈N\\{i}，N\\{i}表示集合N与集合{i}的差集，Bi为基站i的干扰邻居集合，干扰指标的计算公式为其中Ci表示基站i服务的通信用户集合，|Ci|表示通信用户集合Ci中的元素个数，n∈Ci且n为基站i服务的任意一个通信用户的序号，gj,n为从基站j到通信用户n的信道功率增益，gi,n为从基站i到通信用户n的信道功率增益，步骤3，分别将各个基站的优先级与各个基站的干扰邻居集合中各基站的优先级进行比较，如果基站的优先级高于基站的干扰邻居集合中各基站的优先级，则将所述基站归为协调基站k，k∈Lt，Lt表示协调基站k的集合，进行干扰协调处理；否则，不进行干扰协调操作，步骤4，各个基站i∈N采用香农公式计算其在迭代时隙t的信息传输速率其中W表示信道带宽，表示第t个迭代时隙时的基站i的信干噪比，N0为噪声功率，n∈Ci为基站i所服务的用户，再计算各个协调基站k∈Lt的效用值且协调基站k∈Lt的干扰邻居基站l∈Bk的信息传输速率并由其报告给协调基站k，Bk为基站k的干扰邻居集合，步骤5，功率电平试测及相应的效用值计算：步骤5.1，在t≤T/2中，各个协调基站k∈Lt以1/M的概率等概的随机选择一个试测功率电平这里Pk,max为基站k的最大传输功率，M为功率电平的数目，η1＝0，ηM＝1，并且η1<η2<...<ηM，各个基站i∈N计算基于试测功率电平的最优的用户调度策略并将子载波分给信息传输速率最高的服务用户，表示基站i∈N所服务的用户n的基于试测功率电平的信息传输速率，再计算各个协调基站k∈Lt的试测功率电平对应的效用值并进入步骤6.1，步骤5.2，在t>T/2中，各个协调基站k∈Lt依次试测所有的功率电平这里Pk,max为基站k的最大传输功率，M为功率电平的数目，η1＝0，ηM＝1，并且η1<η2<...<ηM，基于试测功率电平各个基站i∈N执行最优的用户调度策略并将子载波分给信息传输速率最快的服务用户，表示基站i∈N所服务的用户n信息传输速率，再计算各个协调基站k∈Lt的试测功率电平对应的效用值并进入步骤6.2，步骤6，传输功率和用户调度策略更新：步骤6.1，随机生成一个[0,1]之间均匀分布的随机数θ，若则下一时隙功率电平更新为试测功率电平否则，若则下一时隙功率电平保持不变即其中β为一系数且β>0，为协调基站k∈Lt的试测功率电平对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正交频分多址接入网络中的分布式小区间干扰消除方法，其特征在于，设：迭代时隙t＝1,2,...,T(T为最大迭代次数)，采用和分别表示基站i在t迭代时隙的传输功率和用户调度策略，i∈N，N＝{1,2,...,N}表示基站集合，N为基站总数，步骤1，初始化设置：令迭代时隙t等于1，各个基站初始化其用户调度策略，各基站分别将子载波随机分配给其服务的任意一个通信用户，然后，各个基站随机初始化各自的发送功率。对每个基站随机设定一个不同的调整优先级λi，λi表示基站i的调整优先级，步骤2，按照干扰指标从大到小的顺序，取前B个对基站i干扰影响最大的基站为基站j对基站i干扰影响的干扰指标，j∈N\\{i}，N\\{i}表示集合N与集合{i}的差集，Bi为基站i的干扰邻居集合，干扰指标的计算公式为其中Ci表示基站i服务的通信用户集合，|Ci|表示通信用户集合Ci中的元素个数，n∈Ci且n为基站i服务的任意一个通信用户的序号，gj,n为从基站j到通信用户n的信道功率增益，gi,n为从基站i到通信用户n的信道功率增益，步骤3，分别将各个基站的优先级与各个基站的干扰邻居集合中各基站的优先级进行比较，如果基站的优先级高于基站的干扰邻居集合中各基站的优先级，则将所述基站归为协调基站k，k∈Lt，Lt表示协调基站k的集合，进行干扰协调处理；否则，不进行干扰协调操作，步骤4，各个基站i∈N采用香农公式计算其在迭代时隙t的信息传输速率Rit=Wlog2(1+γit),]]>其中W表示信道带宽，γit=pitgi,nΣj∈N\\{i}pjtgj,n+N0,γit]]>表示第t个迭代时隙时的基站i的信干噪比，N0为噪声功率，n∈Ci为基站i所服务的用户，再计算各个协调基站k∈Lt的效用值且协调基站k∈Lt的干扰邻居基站l∈Bk的信息传输速率并由其报告给协调基站k，Bk为基站k的干扰邻居集合，步骤5，功率电平试测及相应的效用值计算：步骤5.1，在t≤T/2中，各个协调基站k∈Lt以1/M的概率等概的随机选择一个试测功率电平这里Pk,max为基站k的最大传输功率，M为功率电平的数目，η1＝0，ηM＝1，并且η1<η2<...<ηM，各个基站i∈N计算基于试测功率电平的最优的用户调度策略并将子载波分给信息传输速率最高的服务用户，表示基站i∈N所服务的用户n的基于试测功率电平的信息传输速率，再计算各个协调基站k∈Lt的试测功率电平对应的效用值并进入步骤6.1，步骤5.2，在t>T/2中，各个协调基站k∈Lt依次试测所有的功率电平这里Pk,max为基站k的最大传输功率，M为功率电平的数目，η1＝0，ηM＝1，并且η1<η2<...<ηM，基于试测功率电平各个基站i∈N执行最优的用户调度策略并将子载波分给信息传输速率最快的服务用户，其中表示基站i∈N所服务的用户n信息传输速率，再计算各个协调基站k∈Lt的试测功率电平对应的效用值并进入步骤6.2，步骤6，传输功率和用户调度策略更新：步骤6.1，随机生成一个[0,1]之间均匀分布的随机数θ，若则下一时隙功率电平更新为试测功率电平否则，若则下一时隙功率电平保持不变即其中β为一系数且β>0，为协调基站k∈Lt的试测功率电平对应的效用值，更新完成后，将所有协调基站k∈Lt的优先级降低1级，不进行干扰协调操作的基站w∈N\Lt的优先级保持不变，同时将新的优先级报告给相邻基站；然后，各个基站i∈N计算基于更新后的功率电平的下一时隙最好用户调度方案并将子载波分给信息传输速率最高的服务用户，其中表示基站i∈N所服务的用户n的基于更新后的功率电平的下一时隙信息传输速率，转入步骤7，步骤6.2，各个协调基站k∈Lt比较所有试测功率电平{η1Pk,max,η2Pk,max,...,ηMPk,max}对应的效用值大小，选取最高效用值所对应的功率电平作为下一时隙的传输功率，更新完成后，将所有协调基站k∈Lt的优先级降低1级，不进行干扰协调操作的基站w∈N\Lt的优先级保持不变，同时将新的优先级报告给相邻基站；然后，各个基站i∈N计算基于更新后的功率电平的下一时隙最好用户调度方案并将子载波分给信息传输速率最高的服务用户，其中表示基站i∈N所服务的用户n的基于更新后的功率电平的下一时隙信息传输速率，转入步骤7，步骤7，算法终止条件判定：若算法执行达到最大迭代次数T，算法终止；否则，令t＝t+1并转步骤3。...

【技术特征摘要】
1.一种正交频分多址接入网络中的分布式小区间干扰消除方法，其特征在于，设：迭代时隙t＝1,2,...,T，T为最大迭代次数，采用和分别表示基站i在t迭代时隙的传输功率和用户调度策略，表示基站集合，N为基站总数，步骤1，初始化设置：令迭代时隙t等于1，各个基站初始化其用户调度策略，各基站分别将子载波随机分配给其服务的任意一个通信用户，然后，各个基站随机初始化各自的发送功率，对每个基站随机设定一个不同的调整优先级λi，λi表示基站i的调整优先级，步骤2，按照干扰指标从大到小的顺序，取前B个对基站i干扰影响最大的基站为基站j对基站i干扰影响的干扰指标，表示集合与集合{i}的差集，为基站i的干扰邻居集合，干扰指标的计算公式为其中表示基站i服务的通信用户集合，表示通信用户集合中的元素个数，且n为基站i服务的任意一个通信用户的序号，gj,n为从基站j到通信用户n的信道功率增益，gi,n为从基站i到通信用户n的信道功率增益，步骤3，分别将各个基站的优先级与各个基站的干扰邻居集合中各基站的优先级进行比较，如果基站的优先级高于基站的干扰邻居集合中各基站的优先级，则将所述基站归为协调基站k，表示协调基站k的集合，进行干扰协调处理；否则，不进行干扰协调操作，步骤4，各个基站采用香农公式计算其在迭代时隙t的信息传输速率其中W表示信道带宽，表示第t个迭代时隙时的基站i的信干噪比，N0为噪声功率，为基站i所服务的用户，再计算各个协调基站的效用值且协调基站的干扰邻居基站的信息传输速率并由其报告给协调基站k，为基站k的干扰邻居集合，步骤5，功率电平试测及相应的效用值计算：步骤5.1，在t≤T2中，各个协调基站以1M的概率等概的随机选择一个试测功率电平这里Pk,max为基站k的最大传输功率，M为功率电平的数目，η1＝0，ηM＝1，并且η1＜η2＜...＜ηM，各个基站计算基于试测功率电平的最优的用户调度策略并将子载波分给信息传...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡跃明，郑建超，吴丹，杨文东，曲君跃，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32