一种异构网络增强型小区间干扰协调的能效优化方法技术

一种异构网络增强型小区间干扰协调的能效优化方法，3GPP提出了增强的小区间干扰协调(eICIC)，旨在通过宏蜂窝在几乎空白的子帧(ABS)中保持静默减少对低功率基站(如微蜂窝，微微蜂窝等)的干扰。能源效率(Energy‑Efficient，EE)对于低功率节点的密集化部署来说非常关键。本发明专利技术中，EE‑eICIC算法来解决几乎空白子帧(ABS)的能效分配和用户设备的能效接入，由于建模的优化问题是一个非平滑和混合整数问题，提出一种次优算法。该次优算法采用广义分数规划理论和凸优化理论，通过迭代和松弛取整算法来求解。仿真结果表明，EE‑eICIC算法在系统和用户的能效方面均具有较好的性能。本发明专利技术可用于实际异构蜂窝网络基于eICIC能效负载分配的实现。

【技术实现步骤摘要】
一种异构网络增强型小区间干扰协调的能效优化方法
本专利技术属于无线通信网络
，主要涉及异构蜂窝网络中基于增强型小区间干扰协调(eICIC)的能效优化问题，具体涉及eICIC的几乎空白子帧(ABS)分配、用户接入和用户时域资源联合分配的实现方法。
技术介绍
为了满足无线数据快速增长的需求，4G长期高级演进(LTE-A)规定了在现有的高功率宏蜂窝网络下部署低功率节点(例如家庭基站或微基站)。由于异构蜂窝网络(HetNets)下行链路中的基站(BS)间发射功率存在较大的差异，尤其宏蜂窝具有比微蜂窝具有更大的覆盖区域。通过将用户分配到微蜂窝的负载均衡可以提高密集异构蜂窝网络(HetNet)的容量。此外，宏基站高功率和密集微蜂窝的干扰将严重限制了5G异构网络部署场景系统的应用。为了减小宏蜂窝的干扰，3GPP标准提出了增强小区间干扰协调(eICIC)的概念，宏蜂窝通过在部分子帧保持下行链路的静默减少对微蜂窝的干扰，被称为几乎空白子帧(almostblanksubframes，ABS)。eICIC中有两个重要的特征：用户接入问题和几乎空白的子帧(ABS)的分配。首先，将用户分配给宏蜂窝或微蜂窝，可以保证微蜂窝欠利用或过度利用。其次，通过宏蜂窝和微蜂窝在时域的干扰协调，减少宏蜂窝的干扰以辅助微蜂窝传输。因此，对于微蜂窝，在ABS子帧上将受到更少的干扰，使得接入微蜂窝的用户获得更高的传输速率。eICIC配置问题与用户接入相结合，即ABS和用户接入决定了基站可用的资源和负载分配。大多数现有研究主要着重于不同的动态ABS配置方案，主要考虑宏蜂窝和微蜂窝之间的负载分配与之对应的动态变化。但主要关注的是系统的容量及吞吐量，忽略了系统的能源效率(EE)。而且仅考虑ABS配置不能满足在微蜂窝数量较大时，微蜂窝之间的同层干扰。有研究指出不同层设置不同的偏置(bias)规则对于负载均衡及节能不是最佳的，基于能效优化的用户接入和基于干扰管理的负载均衡是不相同的。未来的异构蜂窝网络中应共同考虑干扰管理和能耗优化。因此，需要研究如何设置EE-eICIC(energyefficiencyoptimizationenhancedinter-cellinterferencecoordination)的配置参数，联合用户接入和ABS分配的能量优化，这些规范在eICIC标准也尚未给出。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提出了一种异构网络增强型小区间干扰协调的能效优化方法。在提升系统的容量和能源效率的同时，保持宏蜂窝和微微蜂窝之间的负载均衡，首先通过分数规划理论提出了迭代算法，然后通过简化用户接入和ABS分配问题，采用两步的松弛和取整算法来进一步降低计算成本。本专利技术的数值结果验证了该方案的收敛性能，在一定和速率代价选，系统和用户的能量效率可以得到显著的改善。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种异构网络增强型小区间干扰协调的能效优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建一个由宏蜂窝和微蜂窝构成的双层TDD-LTE异构蜂窝网络系统，其中用户仅可以选择接入一个基站：宏基站或者微基站；2)对于每一个宏基站覆盖的区域内，在该区域内的微基站和用户测量信道状态和干扰状态，将其发送给宏基站，宏基站计算后进行统一的资源调度；3)用户根据整个带宽接收到的下行信号强度，选择一个宏蜂窝和一个微蜂窝作为候选集合，再通过能效优化的迭代、松弛转化为凸规划问题、取整为原问题的可行解(迭代-松弛-取整算法)，进而选择接入哪个基站；4)首先进行能效优化迭代算法的初始化，选择误差ε＞0和最大的迭代次数Kmax，设置EE中和迭代次数k＝0；5)执行能效优化迭代算法，当k≤Kmax和convergence＝false，对于一个给定的求解问题OP2，得到EE-eICIC子帧的分配策略如果则convergence＝true，返回最优的EE-eICIC的子帧分配策略和最大的否则设置和令k＝k+1；式中参变量在步骤5进行了统一的描述。6)配置所述的EE-ABS子帧协议，根据所述的迭代-松弛-取整算法，计算得到宏基站可以提供给受其干扰的微基站使用的EE-ABS子帧数目；7)根据所述的松弛-取整算法，分配下行的传输时间资源，并且得到用户下行平均传输时间，确定用户的传输速率和能耗，计算出用户和系统能效；8)计算结束后，将资源管理和调度的结果通知给各个微基站和用户，从而各个用户进行基于能效的接入和数据传输。所述的步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤7)中所使用的迭代-松弛-取整算法前期准备及其过程如下：A、建立SINR模型，同一个基站使用时分复用，小区内只存在三类干扰：宏基站与宏基站、宏基站与微基站和微基站与微基站之间的干扰，根据干扰和ABS协议，得到SINR模型；B、根据SINR模型，采用香农容量公式或者LTE中SINR与速率的对应表可以得到用户的平均传输速率ru；C、建立基于eICIC的能效优化模型；进而建立优化问题(OP1，OptimizationProblem1)：OP1:xu(yu,A+yu,nA)＝0(4)xu≥0,yu,A≥0,yu,nA≥0(9)式中，N+表示非负整数的集合，参变量在步骤5进行了统一的描述。D、由于约束式(4)和式(10)，OP1是一个混合整数规划问题，然而，即使消除约束式(4)并松弛式(10)到非负实数R+，但由于目标函数的非凸性，OP1仍然不是凸问题，首先利用分数规划，对OP1的优化问题重新转化为优化问题OP2；s.t.(2)-(10)E、通过算法1所述的EE-eICIC的迭代算法求解的转化后的优化问题OP2，包括以下步骤：①选择误差ε＞0和最大的迭代次数Kmax；②设置EE中和迭代次数k＝0；③当k≤Kmax和convergence＝false；对于一个给定的求解问题OP2，得到EE-eICIC子帧的分配策略如果则convergence＝true，返回最优的EE-eICIC的子帧分配策略和最大的否则设置和令k＝k+1，继续运行步骤3；F、松弛-取整算法求解OP2；首先，整数变量可以松弛为非负实数，从而得到凸规划问题，便于求解，然后，通过取整操作得到OP3的可行解，详细说明如下。3)松弛：将OP2松弛为OP3进行求解；通过忽略约束式(4)和松弛约束式(10)中Nm和Ap上的可行空间，得到OP3，放松约束式(10)后，Nm和Ap可以取非负实数，去除约束式(6)对优化问题OP1的影响主要在于用户在下行链路传输中同时从宏蜂窝和微蜂窝接收无线资源，对于优化变量OP3建模为：S.t.(2)-(3)和(5)-(9)其中R+是非负实数的集合，参变量在步骤5进行了统一的描述。4)取整：在第二步中，对第一步求解的结果，适当地舍入，进行取整操作，得到OP2的可行解。所述的步骤F中的取整操作详细步骤如下：①取整Nm和Ap：将Nm和Ap由正实数变为整数采用如下操作：其中N'm和A'p为算法1的输出。②计算用户从宏基站可以得到的下行传输速率和能耗：和③计算用户从微基站可以得到的下行传输速率和能耗：和其中和为算法1的输出。④计算用户的能效和比较用户从宏基站和微基站的能效，若则用户的接入宏基站，否则用户接入微基站。⑤计算每一个宏基站和微基站，计算其下行的利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异构网络增强型小区间干扰协调的能效优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建一个由宏蜂窝和微蜂窝构成的双层异构蜂窝网络系统，其中用户仅可以选择接入一个基站：宏基站或者微基站；2)对于每一个宏基站覆盖的区域内，在该区域内的微基站和用户测量信道状态和干扰状态，将其发送给宏基站，宏基站中计算后进行统一的资源调度；3)用户根据整个带宽接收到的下行信号强度，选择一个宏蜂窝和一个微蜂窝作为候选集合，再根据迭代‑松弛‑取整算法选择接入哪个基站；4)EE‑eICIC迭代算法的初始化，选择误差ε＞0和最大迭代次数Kmax，设置初始能效

【技术特征摘要】
1.一种异构网络增强型小区间干扰协调的能效优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建一个由宏蜂窝和微蜂窝构成的双层异构蜂窝网络系统，其中用户仅可以选择接入一个基站：宏基站或者微基站；2)对于每一个宏基站覆盖的区域内，在该区域内的微基站和用户测量信道状态和干扰状态，将其发送给宏基站，宏基站中计算后进行统一的资源调度；3)用户根据整个带宽接收到的下行信号强度，选择一个宏蜂窝和一个微蜂窝作为候选集合，再根据迭代-松弛-取整算法选择接入哪个基站；4)EE-eICIC迭代算法的初始化，选择误差ε＞0和最大迭代次数Kmax，设置初始能效和迭代次数k＝0；5)EE-eICIC迭代算法，当k≤Kmax，对于一个给定的能效求解优化问题2(OP2)，得到几乎空白子帧(ABS)的分配策略如果则收敛到最优值，返回最优的ABS子帧分配策略和最大的否则设置和令k＝k+1；式中，Ru表示用户u的传输速率，pu表示用户u的功耗，ε收敛允许的最大误差；6)配置所述能效的ABS子帧协议，根据所述的迭代-松弛-取整算法，计算得到宏基站可以提供给受其干扰的微基站使用能效的ABS子帧数目；7)根据所述的松弛-取整算法，分配下行的传输时间资源，并且得到用户下行平均传输时间，确定用户的传输速率和能耗，计算出用户和系统能效；8)计算结束后，将资源管理和调度的结果通知给各个微基站和用户，从而各个用户进行基于能效的接入和数据传输。2.根据权利要求1所述的一种异构网络增强型小区间干扰协调的能效优化方法，其特征在于，所述的步骤3)中所使用的迭代-松弛-取整算法前期准备及其过程如下：A、建立信干噪比(SINR)模型，同一个基站使用时分复用，小区内只存在三类干扰：宏基站与宏基站、宏基站与微基站和微基站与微基站之间的干扰，根据干扰和ABS协议，得到SINR模型；B、根据SINR模型，采用香农容量公式或者LTE中SINR与速率的对应表可以得到用户的平均传输速率ru；C、建立基于eICIC的能效优化模型；进而建立优化问题(OP1，OptimizationProblem1)：OP1:xu(yu,A+yu,nA)＝0(4)xu≥0,yu,A≥0,yu,nA≥0(9)式中，N+表示非负整数的集合，其它的参变量在步骤5进行了统一描述；D、由于约束式(4)和式(10)，OP1是一个混合整数规划问题，然而，即使消除约束式(4)并松弛式(10)到非负实数R+，但由于目标函数的非凸性，OP1仍然不是凸问题，首先利用分数规划，对OP1的优化问题重新转化为优化问题OP2；s.t.(2)-(10)E、通过算法1所述的EE-eICIC的迭代算法求解的转化后的优化问题OP2，包括以下步骤：①选择误差ε＞0和最大的迭代次数Kmax；②设置EE中和迭代次数k＝0；③当k≤Kmax和convergence＝false(表示不收敛)；对于一个给定的求解问题OP2，得到EE-eICIC子帧的分配策略如果则convergence＝true(表示收敛)，返回最优的EE-eICIC的子帧分配策略和最大的否则设置和令k＝k+1，继续运行步骤3；F、松弛-取整算法求解OP2；首先，整数变量可以松弛为非负实数，从而得到凸规划问题，便于求解，然后，通过取整操作得到OP3的可行解，详细说明如下：1)松弛：将OP2松弛为OP3进行求解；通过忽略约束式(4)和松弛约束式(10)中Nm和Ap上的可行空间，得到OP3，放松约束式(10)后，Nm和Ap可以取非负实数，去除约束式(6)对优化问题OP1的影响主要在于用户在下行链路传输中同时从宏蜂窝和微蜂窝接收无线资源，对于优化变量OP3建模为：S.t.(2)-...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑杰，高岭，王海，杨旭东，张晓，任杰，高全力，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61