超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，采用了上行功率控制的方式，通过综合考虑超密集网络中小基站用户的等级、用户的信道增益等因素，实时调节终端的上行传输功率，达到了最大化终端的上行链路能量效率加权之和的目标，具有既保障终端上行链路的高能量效率，又保障不同终端之间能量效率相对公平的优势。
【专利说明】
超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于移动通信领域，涉及移动通信网络中的终端功率控制，具体涉及一种 可以保障移动终端上行链路的能量效率公平的小基站功率控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动通信技术的爆发式发展，以智能手机为代表的移动终端不断普及，各种 移动应用层出不穷，无论是网络整体的移动数据流量还是单个用户的移动数据流量都呈现 出快速增长的态势。为了应对海量流量的挑战，运营商都开始密集部署小基站组成异构双 层网络来增强网络的容量。同时，过去用户更多的是从网络获取数据，上传数据量相对较 少，因此从基站到终端的下行链路的数据流量往往高于从终端到基站的上行链路。然而，近 年来随着移动社交网络、网络游戏、云计算等应用的流行，移动用户上传的数据量越来越 大，并且越来频繁。
[0003] 另一方面，对于终端来说，移动数据的传输和处理都会带来严重的能量消耗。由于 电池技术的限制，近年来移动终端的电池的容量增长相对缓慢，移动终端续航时间短已成 为消费者的一大痛点。由于跟数据收发相关的射频端能量消耗占移动终端整体能量消耗的 比重很高，通过优化上行链路的功率控制的方式来实现移动终端的节能潜力巨大。
[0004] 同时，对于移动网络上行传输来说，用户所处环境、业务需求等各方面的差异会对 移动终端的上行传输效率造成巨大影响。传输相同的数据流量，对于链路条件差的用户来 说，其能量消耗相对较大，能量效率相对较低，而链路条件好、干扰较小的用户，其能量消耗 相对较小，能量效率较高。然而，对于移动网络来说，让用户以相对公平的方式享受移动服 务是必要的。考虑到当下能量效率指标对于移动终端的巨大意义，保障移动终端以相对公 平的能量效率来传输数据也是合理且必要的。
[0005] 现行的移动通信标准中上行链路的功率控制以保障接收信干噪比为目的，并未考 虑对于能量效率的优化。同时，现有的一些新方法大多以保障移动用户的数据速率的公平 性为目标，以优化能量效率的公平性的方案较少。特别的，移动网络终端上行链路的能量效 率公平性保障方法还存在空白。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种超密集网络中保障用户公平性的功 率控制方法，本发明采用了上行功率控制的方式，通过综合考虑超密集网络中小基站用户 的等级、用户的信道增益等因素，实时调节终端的上行传输功率，达到了最大化终端的上行 链路能量效率加权之和的目标，具有既保障终端上行链路的高能量效率，又保障不同终端 之间能量效率相对公平的优势。
[0007] 本发明超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，分以下步骤：
[0008] 步骤1:小基站对每个用户被分配的上行信道进行信道估计，获取信道增益；
[0009] 设小基站的子信道集合为方* = {1,……，购，N表示子信道数目；用户集合为 尤'二…，i〇，K表示用户的数目；用户k被分配的信道集合为 Nk表示分配给用户k的子信道的数目；用户k在上行链路子信道n上的信道增益为< ;
[0010] 步骤2:小基站设置两个KX 1维向量人⑴= |>i(t)，???，Ak(t)，???，Mt)]T、y (t) = [yKt)，…，yk(t)，…，yK(t)]T作为计算最佳发射功率的辅助变量，其中t是迭代次数记 数变量，用来标识向量A(t)和Y(t)的迭代次数，心(〇、4(〇、知(〇分别表示向量A(t)的第 1、第k和第K个元素 ，yi(t)、以⑴、yk⑴分别表示向量y⑴的第1、第k和第K个元素；引 入两个K = 1维向量0(s) = [0i(s)，…，0k(s)，…，&(s) ]T和y(s) = [yi(s)，…，iik(s)，…，M (s)]T作为计算最佳发射功率的辅助变量，其中，s是迭代次数记数变量，用来标识Ks)和y (s)的迭代次数，如（ 8)、&(8)、&(8)分别表示向量0(s)的第1、第k和第K个元素， yi(S)、iik (s)、M(s)分别表示向量y(s)的第1、第k和第K个元素;将迭代次数记数变量t的值初始化为 1，将向量人(1：)与丫（1：)的每个元素在七=1时的值设为0，即人(1)=丫（1) = [0，"_，0，~，0]1;
[0011] 将迭代次数记数变量S的值初始化为1，将e(s)与ii(s)的每个元素在s = l时的值设 为1，即0(l)=]i(l) = [l，，"，l…，1]T;
[0012] 步骤3:小基站依次计算每个终端在被分配的每个子信道上的最佳上行发射功率 值；
[0013]如果计算所得的发射功率小于零，则终端在该子信道上的最佳发射功率设为0;否 贝1J，终端在该子信道上的最佳发射功率即为计算所得的发射功率；
[0014] 步骤4:小基站将迭代次数计数变量t的值加1，更新参数向量A(t)、y (t)的每个元 素，并判断参数向量X(t)、y (t)是否已经收敛，如果参数向量A(t)、y (t)没有收敛，则跳转 到步骤3,如果参数向量A(t)、y (t)已经收敛，则跳转到步骤5;
[0015] 步骤5:小基站将迭代次数计数变量s的值加1，小基站更新参数向量s)、y(s)的 每个元素，并判断参数向量0(8)、11(8)是否已经收敛，如果参数向量0(8)、11(8)已经收敛，则 跳转到步骤6，否则，跳转到步骤3;
[0016] 步骤6:小基站将每个终端的上行最佳发射功率值下发给各个用户终端，然后等待 下一次功率控制。
[0017] 所属步骤3中，小基站在每个子信道上的发射功率值为：
[0019]其中，P丨表示小基站中占用子信道n的用户k在子信道n上的最佳发射功率，B表示 单个子信道的带宽，〇2表示小基站在每个子信道上的噪声功率;<表示用户k到小基站在子 信道n上的信道增益，概表示用户k上行链路的能量效率相对其他用户的权重，y k(S)为KX1 维向量y(s)的第k个元素A(s)为KX1维向量0(s)的第k个元素，A k⑴为KX1维向量A(T)的 第k个元素，yk(t)为KX1维向量y (T)的第k个元素。wk表示用户k上行链路的能量效率相对 其他用户的权重，wk可以由运营商根据自己的需要来确定，只要确保即可。例如， ki]/V 运营商可以根据为用户提供的服务等级来确定，假如运营商可以为用户提供c种服务等级， 则不同的服务等级可以依据经验确定一个不同的f，，越大，表示该类等级的用户的能量效 率权重越高，则对该类等级的用户的能量效率进行优化的优先级越高，否则，则权重低，该 类等级的用户的能量效率优化的优先级就低。具体地说，每个用户k根据服务等级确定一个 4后，同一个基站下的用户再进行一次归一化处理，即可获得
[0020]所属步骤4中，小基站基于以下公式更新自己的参数向量A中的每个元素
[0022] 其中，r k(t)表示向量Mt)的每个元素在第t次迭代的步长，并且满足 v rA (/) = ：)〇,limrf(/)< 〇〇, m表示用户k请求的最低数据速率。
[0023] 小基站基于以下公式更新自己的参数向量y (t)中的每个元素
[0024] 、⑴=、（卜 I) - (K'' - Z 厂;:)?
[0025] 其中，"（t)表示向量G(t)的每个元素在第t次迭代的步长，并满足 〇〇 ⑴=oc，lim<(〇< _'?，V7f，/;广表示终端1^在各个子信道上的发射功率之和的上限。 2=1
[0026]各个小基站判断参数向量A、y是否已经收敛基于以下依据，g卩是否满足Ak(t)=入k (1：-1)和7^(1:)=丫1{(1：-1)，如果人(1：)、7(1:)的每个元素都满足以上条件，则表示人(1：)、7 (t)已经收敛，否则，则表示A( t)、y (t)没有收敛。
[0027]所属步骤5中，小基站更新自己的参数向量0(s)和ii(s)基于以下规则
[。_ 丨111 會 /心） fi(s - 1) XI维向量?，(/%)，外))关于2KX1向量的雅克比矩阵，K为终端k的固定电路功率消 耗。
[0033]判断e(s)、y(s)是否已经收敛基于以下条件，S叩(s)、y(s)的每个元素是否都满足 0k(s) =&(s-l)和yk(s) =iik(s-l)。。如果满足，贝ij表示ly已经收敛，否则，贝ij表示0(s)、y (s)没有收敛。
[0034]本发明的优点在于：
[0035] (1)本发明为不同终端的上行传输的能量效率赋予了不同的权重值，并对所有用 户的上行传输的能量效率进行了优化，从而可以保障用户的上行链路传输的能量效率的高 效和公平，使不同用户以相对公平而且较高的能量效率实现数据的上行传输;（2); (3);
【附图说明】
[0036] 图1为本发明超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法的整理步骤流程图；
【具体实施方式】
[0037] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0038] 本发明提供一种可以保障移动终端上行链路的能量效率公平的小基站功率控制 方法，采用了上行功率控制的方式，通过综合考虑超密集网络中小基站用户的等级、用户的 信道增益等因素，实时调节终端的上行传输功率，达到最大化终端的上行链路能量效率加 权之和的效果，具有既保障终端上行链路高的能量效率，又保障不同终端之间能量效率相 对公平的优势。
[0039] 本发明的一种超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，流程如图1所示，包 括以下几个步骤：
[0040] 步骤1:小基站对每个用户被分配的上行信道进行信道估计，获取信道增益。
[0041] 如果小基站可使用的子信道集合表示为/i"二….~丨，用户集合表示为 尤'二{1，…丄…,iT[，用户k被分配的信道集合表示为<={1，…，，…，iVj，则用户k在上行 链路子信道n上的信道增益表示为
[0042] 步骤2:小基站设置两个KX 1 维向量，???，Xk(t)，???，XK(t)]T、y (t) = [yKt)，…，yk(t)，…，yK(t)]T作为计算最佳发射功率的辅助变量，其中t是迭代次数记 数变量，用来标识向量A(t)和Y(t)的迭代次数，心(〇、4(〇、知(〇分别表示向量A(t)的第 1、第k和第K个元素， yi(t)、以⑴、yk⑴分别表示向量y⑴的第1、第k和第K个元素；引 入两个K X 1维向量0(s) = [0i(s)，…，0k(s)，…，&(s) ]T和y(s) = [yi(s)，…，iik(s)，…，M (s)]T作为计算最佳发射功率的辅助变量，其中，s是迭代次数记数变量，用来标识Ks)和y (s)的迭代次数，如（ 8)、&(8)、&(8)分别表示向量0(s)的第1、第k和第K个元素， yi(S)、iik (s)、M(s)分别表示向量y(s)的第1、第k和第K个元素;将迭代次数记数变量t的值初始化为 1，将向量人(1：)与丫（1：)的每个元素在七=1时的值设为0，即人(1)=丫（1) = [0，"_，0，~，0]1;
[0043] 将迭代次数记数变量s的值初始化为1，将0(s)与y(S)的每个元素在s = l时的值设 为1，即0(l)=]i(l) = [l，'"，l'"，l]T。
[0044]步骤3:小基站依次计算在每个终端在它被分配的每个子信道上的最佳上行发射 功率值。
[0045]如果计算所得的发射功率小于零，则终端在该子信道上的最佳发射功率为0;否 贝1J，终端在该子信道上的发射功率即为计算所得的发射功率。
[0046]本发明适用于宏基站和小基站使用不同的频段，同时，小基站之间也有有效的干 扰避免机制的环境。因此，相邻小基站之间的干扰也处在可以忽略的水平。用< 表示小基站 中占用子信道n的用户k在子信道n上的上行发射功率，B表示单个子信道的带宽，〇2表示小 基站在每个子信道上的噪声功率，A〔.表示分配给用户k的子信道集合，$表示终端k的固定 电路消耗，％^表示终端k的最低数据速率限制，式^表示终端k在所有子信道上发射功率 总和的上限，则上行最佳发射功率的获得基于求解以下问题P1:
[0050] 问题P1是一个有最低数据速率QoS保障的用户上行传输能量效率加权和最大化问 题，其中，wk表示用户k上行传输的能量效率的权重，w k可以由运营商根据自己的需要来确 定，只要保证即可。例如，运营商可以根据为用户提供的服务等级来确定，假如运 营商可以为用户提供C种服务等级，则不同的服务等级可以依据经验确定一个不同的 越大，表示该等级的用户的能量效率权重高，则对该等级的用户的能量效率进行优化的优 先级就高，否则，则权重低，该类等级的用户的能量效率优化的优先级就低。每个用户k根据 服务等级被赋予一个 <后，同一个基站下的用户再进行一次归一化处理，即可得到
[0051] 问题P1是一个非凸优化问题，为了相对高效的求解以上非凸优化问题，引入两组 辅助变量向量0(S) = [01(S)，???，0k(s)，???，&(s)]T和y(s) = [iii(s)，???，iik(s)，???，iiK(s)]T， 二者都是K X 1维的向量。可以证明，有且仅存在一组J⑷=[.:((s)，(s),(s)f和 //⑷=⑷，…，/'⑷产，使得问题P1的最优解綠 问题P2的最优解相等
[0055]并且满足以下公式
[0058]因此，小基站求解每个终端在它被分配的每个子信道上的最佳上行发射功率值可 以通过两层循环迭代来解决。内层循环时，0(S) = [01(S)，???，0k(s)，'"，ft((s)]T和y(s) = [iii (s)，…，yk(s)，…，yK(s)]T已经给定，将e( s)，y(s)取代问题P2中的矿(s)，f(s)，则问题P2变 成一个典型的凸优化问题，引入两组朗格朗日乘子\(〇 =[心(0,…，Ak(t)，…，AK(t)]T、Y (0 = [^(0,…，yk(t)，…，YK(t)]T，可以通过凸优化中经典的拉格朗日对偶松弛的思 路，通过次梯度法不断更新Mt) Y (t)直到二者收敛，从而简单快速的得到最优解
[0060]得到内层循环$的最优解后，外层循环可以对…，&]，y=[m，y2,…， yK]两组向量进行迭代更新收敛。具体的说，基于等式
和
?可以构造下式：
[0061 ] /i(s)) = [J^(,a(^), /<(?)), ? ?}j(s)), ? ^K(0(s), fi(s))}T
[0064] 可以证明，当且仅当0(s)=矿(s) ,u(s) = u*(s)时，= 〇_2irxl。因此，可以通 过拟牛顿法来迭代获得矿(s)，f (s)。
[0065] 步骤4:小基站将迭代次数计数器t的值加1。基于次梯度法，小基站用以下公式更 新的朗格朗日乘子Mt)中的每个元素A⑴其中， .沉...V: a 1^(0表示向量人(0的每个元素在第七次迭代的步长，并且满足;1;「，)='，「><1'^， i?厂1表示用户k请求的最低数据速率；
[0066]小基站基于以下公式更新参数向量y (t)中的每个元素 [0067] = ~>'k(^-1)-Ca(^)(Pt^
[0068] 其中，"（t)表示向量G(t)的每个元素在第t次迭代的步长，并满足 <⑴<_X\VA /;r表示终端k在各个子信道上的发射功率之和的上限。 M ,：
[0069] 各个小基站基于以下依据判拉格朗日乘子A(t)、y (t)是否已经收敛。如果A(t)、 Y (t)的每个元素都满足Ak(t)=Ak(t_l)和y k(t) = y k(t-l)，则表示A(t)、y (t)已经收 敛，否则，则表示Mt)、y (t)没有收敛。
[0070] 如果拉格朗日乘子Mt)、Y (t)没有收敛，则跳转到步骤3;否则，则跳转到步骤5。
[0071] 步骤5:小基站将迭代次数计数器s的值加1。基于拟牛顿法，小基站用以下公式更 新0(s)和y(s)， ^(s) J 0(s ~ 1),、
[0072] ,、= , ^ +qis), "(叫 j^(.s -1)
[0073] 其中，q⑷=一[，'(/办),/心))] 4^(风4，^))是KX 1维辅助向量，，'(风斗/心))表 - 示2KX1维向量，(/?(s'),/办))关于2KX1向量的雅克比矩阵。。
【主权项】
1. 超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，包括以下几个步骤： 步骤1:小基站对每个用户被分配的上行信道进行信道估计，获取信道增益； 设小基站的子信道集合为^1/ = {1，一#，一，1}4表示子信道数目；用户集合为 /Γ二{L…A…，iQ，K表示用户的数目；用户k被分配的信道集合为二α··_.·"···_.Λ·,}， Nk表示分配给用户k的子信道的数目；用户k在上行链路子信道η上的信道增益为乂； 步骤2:小基站设置两个ΚΧ 1维向量λ(?) = [λΚι：)，…，Xk(t)，…，λκ(?)]τ、γ (t) = [ γ 1 (t)，…，γ k(t)，…，γ K(t)]T作为计算最佳发射功率的辅助变量，其中t是迭代次数记数变 量，用来标识向量λ(〇和y(t)的迭代次数，分别表示向量A(t)的第1、第 k和第Κ个元素，yi(t)、yk(t)、γκ⑴分别表示向量y(t)的第1、第k和第Κ个元素；引入两 个KX 1 维向量P(s) = [Ms)，···，Pk(s)，···，&(s)]T和y(s) = |>i(s)，···，yk(s)，···，yK(s)]T作 为计算最佳发射功率的辅助变量，其中，s是迭代次数记数变量，用来标识iHs)和y(s)的迭 代次数，0 1(8)、&(8)、&(8)分别表示向量扒8)的第1、第1^和第1(个元素^ 1(8)1(8)心(8) 分别表示向量μ(8)的第1、第k和第κ个元素;将迭代次数记数变量t的值初始化为1，将向量λ (t)与γ (t)的每个元素在t = l时的值设为0,即λ(1)= γ (1) = [〇，···，〇,…，〇]τ; 将迭代次数记数变量S的值初始化为1，将β( s)与μ( s)的每个元素在s = 1时的值设为1， 即β(1)=μ(1) = [1，···，1···，1]τ; 步骤3:小基站依次计算每个终端在被分配的每个子信道上的最佳上行发射功率值； 如果计算所得的发射功率小于零，则终端在该子信道上的最佳发射功率设为〇 ;否则， 终端在该子信道上的最佳发射功率即为计算所得的发射功率； 步骤4:小基站将迭代次数计数变量t的值加1，更新参数向量λ(?)、γ (t)的每个元素， 并判断参数向量λ(?)、γ (t)是否已经收敛，如果参数向量λ(?)、γ (t)没有收敛，则跳转到 步骤3,如果参数向量A(t)、γ (t)已经收敛，则跳转到步骤5; 步骤5 :小基站将迭代次数计数变量s的值加1，小基站更新参数向量β(s)、μ(s)的每个 元素，并判断参数向量0(8)、以(8)是否已经收敛，如果参数向量扒8)、以(8)已经收敛，则跳转 到步骤6，否则，跳转到步骤3; 步骤6:小基站将每个终端的上行最佳发射功率值下发给各个用户终端，然后等待下一 次功率控制。2. 根据权利要求1所述的超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，所述的步骤3 中，小基站在每个子信道上的最佳上行发射功率值为：其中，€表示小基站中占用子信道η的用户k在子信道η上的最佳发射功率，Β表示单个子 信道的带宽，σ2表示小基站在每个子信道上的噪声功率;< 表示用户k到小基站在子信道η 上的信道增益，wk表示用户k上行链路的能量效率相对其他用户的权重，yk(s)为ΚΧ1维向量 y(s)的第k个元素，Ms)为KX1维向量i3(s)的第k个元素，Ak(t)为KX1维向量λ(Τ)的第k个 元素，Yk(t)为KX1维向量γ (T)的第k个元素。3. 根据权利要求2所述的超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，所述的概由运 营商确定，Σ"ν=1°4. 根据权利要求1所述的超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，所述的步骤4 中，小基站基于以下公式更新参数向量A(t)中的每个元素其中，r k(t)表示向量λ(〇的每个元素在第t次迭代的步长，并且满足表示用户k请求的最低数据速率； 小基站基于以下公式更新参数向量γ (t)中的每个元素其中，Gk(t)表示向量ζ(?)的每个元素在第t次迭代的步长，并满足表示终端k在各个子信道上的发射功率之和的上限。5. 根据权利要求1所述的超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，所述的步骤4 中，当λα)、γ (t)的每个元素都满足以下两个式子，则λα)、γ (t)收敛： λ"?) =λ"?-1) Yk(t)= Yk(t-l)〇6. 根据权利要求1所述的超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，所述的步骤5 中，小基站更新向量β(s)和μ(s)的方法为：其中^I由i3(s)和y(s)组合成 的2K XI维向量）f是 由β (s-Ι)和μ (s-Ι)组合成的 2K X 1 维向量，q(s) = (/?(<§)，/.心))]-1 巧卢⑷，/i(s))是K X 1维 辅助向量，巧风s)，/心)）二[巧/办)，μ(必，…，外s), /心))，…， 辅助向量，4咖)，/心))、心))、^A-(/元s)，/心)）分别表不2 K X 1维向量 的第1、第K和第2K维元素；n('：Ak nf：Aku 当ke [Κ+1，2Κ]时，t示2ΚΧ1 ,3(s) 维向量，(^6·)，/φ〇)关于2KX1向量 的雅克比矩阵，P!为终端k的固定电路功率消耗。7. 根据权利要求1所述的超密集网络中保障用户公平性的功率控制方法，所述的步骤5 中，当β(8)、μ(8)的每个元素都满足以下两个式子，则β(8)、μ( 8)收敛： 0k(s) =Pk(s_l) Uk(s) =Uk(s-l) 〇
【文档编号】H04W52/34GK105960005SQ201610445603
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】景文鹏, 路兆铭, 温向明, 陈昆, 陈志强, 丁无穷
【申请人】北京邮电大学