LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法技术方案

本发明专利技术提供一种LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法，先采用软频率复用建立多小区的LTE网络干扰模型，然后基于非合作博弈理论，考虑用户服务质量需求和能量消耗建立了基于价格机制的效用函数，并给出了使效用函数最大化的功率迭代算法，迭代求解即可实现资源分配和干扰抑制。本发明专利技术能够实现多用户多小区多载波的LTE系统联合干扰管理和资源分配，通过ICI抑制和小区间的信干噪比平衡，在节能的同时降低了小区间干扰，能够在没有增加额外功率消耗的情况下有效提高系统中小区边缘用户的吞吐量和网络覆盖率，并且小区间仅需要交换定价信息，这在实际系统中易于分布式实施，因此本发明专利技术具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法
本专利技术属于无线通信领域，涉及无线通信系统的系统级网络仿真，具体涉及一种LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法。
技术介绍
为适应移动用户日益增长的数据速率的需要，3GPPLTE(Longtermevolution)通过全频率复用提高蜂窝容量，在一个多小区的蜂窝通信系统中，这将不可避免的导致严重的小区间干扰(ICI,inter-cellinterference)。特别是处于小区边缘的用户，不仅接受到的信号强度最弱，还受到相邻小区最大程度的同频干扰。因此有效的干扰协调机制十分重要。另一方面，当前电池技术的发展无法满足人们日益增长的多媒体应用需求，能量效率也是无线通信系统设计中的一个重要环节，节能通信也成为当前的热点话题。软频率复用(SFR,SoftFrequencyReuse)是解决LTE系统中ICI问题的一个有效手段。其思想为：将全部的频谱划分为主载波和次载波两部分，小区中所有的用户都可以使用主载波，相邻小区的次载波之间是相互正交的。次载波的发射功率比主载波的小，并且只能被小区中心的用户使用。次载波和主载波的发射功率比称为功率比(powerratio)。在传统的SFR方案中，每个小区中主次载波的分配或者功率比是固定的，这样就无法充分利用无线信道的时变特性以最大化网络的性能。另外，由于不同小区间的独立性，每个用户很难获得其他小区的信道状态信息(CSI,Channelstateinformation)，因此在一个多小区的LTE网络中，他们很难进行有效的协作。即使CSI可以获得，这也会消耗额外的能量并且其计算复杂度也必然很高，特别是网络负载很大的时候。然而，对于某一个用户，它往往只关注自己性能的最大化，而不关注其他用户是否能满足自己的QoS(QualityofService)需求。博弈论作为经济学领域的一个重要分支在解决资源调度问题方面具有独特的优势，近年来在无线通信领域得到了日益广泛应用，在处理两个相互矛盾的目标上有着其独特的优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法，能够实现多用户不同QoS需求和能耗之间的有效折中，节能的同时降低了小区间干扰，有效提高了小区边缘用户吞吐量和网络覆盖率。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法，包括以下步骤：1)对于有M个子载波的LTE网络，其资源分配以物理资源块PRB的方式进行，采用TDD帧结构，建立基于SFR的多小区LTE系统干扰模型；2)在基于SFR的多小区LTE系统干扰模型中，设计效用函数ui(pi)解决服务质量和能耗之间的冲突，ui(pi)＝ui(pi,p-i)＝ai(γi(pi)-γith)2-bipi(5)其中ai和bi是非负的权重因子，pi是用户i的功率，pi是用户i在各子载波上的功率分配矢量，γi(pi)是用户i的信干噪比，p-i是除了用户i外其他所有用户的功率分配矢量，γith是用户i的信干噪比的阈值；3)通过式(8)的迭代算法使效用函数的功率最大化，求解出pi(n)后即完成了LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制，其中pi(n)是第n次迭代中用户i的功率分配，pimax是用户i的最大发射功率，pi(n-1)是第n-1次迭代中用户i的功率分配，γi(n-1)(pi)是第n-1次迭代中用户i的信干噪比。求解的具体步骤为：(1)初始化：输入小区数、用户数、pimax、γith；(2)按式(8)进行功率迭代计算；(3)当发射功率为pi(n)时，计算用户当前的信干燥比值，若满足则停止迭代，输出pi(n)，完成资源分配和干扰抑制，否则执行步骤(4)；其中ε为误差容限，γi为用户当前的信干燥比值；(4)若pi(n)<pimax，则令n＝n+1，返回步骤(2)继续迭代；否则移去当前信干燥比值最低的用户，返回步骤(1)重新开始；直至满足步骤(3)的条件。用户i在第M个子载波上的信干噪比γim(pi)为：其中，Pim是用户i在子载波M上的发射功率，是干扰功率，是用户i的发射端到用户j的接收端在子载波M上的干扰功率增益，是用户i在第M个子载波上的信道增益，n是干扰小区的数目，No是用户的高斯白噪声。用户i受到的干扰矢量Ii为：其中gji为用户i的发射端到用户j的接收端的干扰功率增益，pj是干扰功率，No是用户的高斯白噪声，n是干扰小区的数目。效用函数在满足以下两个条件时存在纳什均衡解：①其策略集合在欧几里得空间为非空，闭的，有界的凸集；②效用函数在其策略集合上连续，且为拟凹或拟凸函数。效用函数在满足式(14)时收敛到唯一的纳什均衡点，其中Ii为用户i受到的干扰，gi为用户i的信道增益，No为用户的高斯白噪声。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：本专利技术从博弈论的角度寻求多用户不同服务质量(QoS)满意度和能耗之间的有效折中，将非合作博弈的思想引入到LTE系统的干扰管理和节能资源分配问题上，在SFR的干扰模型基础上，通过软频率复用和非合作博弈理论的结合，提出了LTE系统中基于非合作博弈的适用于资源分配和干扰抑制方法NGPA(Non-cooperativegametheoreticalpowerallocation)。该方法首先采用软频率复用(SFR)建立多小区的LTE网络干扰模型，然后基于非合作博弈理论，考虑用户服务质量(QoS)需求和能量消耗建立了基于价格机制的效用函数，并给出了使效用函数最大化的功率迭代算法，迭代求解即可实现资源分配和干扰抑制。本专利技术能够实现多用户多小区多载波的LTE系统联合干扰管理和资源分配，通过ICI抑制和小区间的信干噪比(SINR,Signaltonoiseplusinterferenceratio)平衡，在节能的同时降低了小区间干扰，有效提高了系统中小区边缘用户的吞吐量和网络覆盖率。仿真结果表明该方法能够在没有增加额外功率消耗的情况下提高小区的吞吐量和覆盖率性能，并且小区间仅需要交换定价信息，这在实际系统中易于分布式实施，因此本专利技术具有良好的应用前景。附图说明图1为TDD帧结构下的LTE系统资源分配；图2为基于SFR的19小区LTE系统干扰模型；图3为小区边缘吞吐量对比；其中方案1为无软频率复用(SFR)的全频率复用(频率复用因子为1)的方案；方案2为考虑软频率复用的方案；方案3为使用本专利技术方法的方案；图4为小区中心吞吐量对比；其中方案1为无软频率复用(SFR)的全频率复用(频率复用因子为1)的方案；方案2为考虑软频率复用的方案；方案3为使用本专利技术方法的方案；图5为小区总吞吐量对比；其中方案1为无软频率复用(SFR)的全频率复用(频率复用因子为1)的方案；方案2为考虑软频率复用的方案；方案3为使用本专利技术方法的方案；图6为小区覆盖率对比，其中a～j分别表示功率比为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1；方案1为无软频率复用(SFR)的全频率复用(频率复用因子为1)的方案；方案2为考虑软频率复用的方案；方案3为使用本专利技术方法的方案；。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术提供的LTE系统中基于非合作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对于有M个子载波的LTE网络，其资源分配以物理资源块PRB的方式进行，采用TDD帧结构，建立基于SFR的多小区LTE系统干扰模型；2)在基于SFR的多小区LTE系统干扰模型中，设计效用函数ui(pi)解决服务质量和能耗之间的冲突，ui(pi)＝ui(pi,p‑i)＝ai(γi(pi)‑γith)2‑bipi   (5)其中ai和bi是非负的权重因子，pi是用户i的功率，pi是用户i在各子载波上的功率分配矢量，γi(pi)是用户i的信干噪比，p‑i是除了用户i外其他所有用户的功率分配矢量，γith是信干噪比的阈值；3)通过式(8)的迭代算法使效用函数的功率最大化，求解出pi(n)后即完成了LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制，pi(n)=pimax,pi(n-1)≥pimaxpi(n-1)γi(n-1)(pi)γith+bi2ai(pi(n-1)γi(n-1)(pi))2,pi(n-1)<pimax---(8)]]>其中pi(n)是第n次迭代中用户i的功率分配，pimax是用户i的最大发射功率，pi(n‑1)是第n‑1次迭代中用户i的功率分配，γi(n‑1)(pi)是第n‑1次迭代中用户i的信干噪比。...

【技术特征摘要】
1.一种LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对于有M个子载波的LTE网络，其资源分配以物理资源块PRB的方式进行，采用TDD帧结构，建立基于软频率复用SFR的多小区LTE系统干扰模型；2)在基于软频率复用SFR的多小区LTE系统干扰模型中，设计效用函数ui(pi)解决服务质量和能耗之间的冲突，ui(pi)＝ui(pi,p-i)＝ai(γi(pi)-γith)2-bipi(5)其中ai和bi是非负的权重因子，pi是用户i的功率，pi是用户i在各子载波上的功率分配矢量，γi(pi)是用户i的信干噪比，p-i是除了用户i外其他所有用户的功率分配矢量，γith是信干噪比的阈值；效用函数ui(pi)在多载波LTE系统中存在唯一的纳什均衡点3)通过式(8)的迭代算法使效用函数的功率最大化，求解出pi(n)后即完成了LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制，其中pi(n)是第n次迭代中用户i的功率分配，pimax是用户i的最大发射功率，pi(n-1)是第n-1次迭代中用户i的功率分配，γi(n-1)(pi)是第n-1次迭代中用户i的信干噪比。2.根据权利要求1所述的LTE系统中基于非合作博弈的资源分配和干扰抑制方法，其特征在于，求解的具体步骤为：(1)初始化：输入小区数、用户数、pimax、γith；(2)按式(8)进行功率迭代计算；(3)当发射功率为pi(n)时，计算用户当前的信干燥比值，若满足则停止迭代，输出pi(n)，完成...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霞，王元双，石军，陈新桥，王鑫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61