一种高密集无线网络中基于博弈的下行动态干扰协调方法

摘要

一种高密集无线网络中基于博弈的下行动态干扰协调方法，将各个远端射频单元建模为下行传输资源博弈中的参与者，各参与者在参与博弈与竞争过程中，部分远端射频单元选择相互合作来提升其在系统中的地位；各个远端射频单元之间因其采用不同的博弈竞争策略，使得所有参与者划分为不同的联盟，联盟内成员采用包括时分多址、干扰对齐和波束赋形的特定技术合作方式，并消除联盟内干扰；但不同联盟之间并不合作，故其他联盟的远端射频单元仍对非联盟内的远端射频单元造成干扰，即该联盟模型是划分形式的联盟博弈。本发明方法极大简化各参与者的信息交互，且保证用户服务质量不受影响，消除联盟内其他成员的干扰，进而提高系统频谱效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线通信新技术，确切地说，涉及一种用于云无线接入网 的高密集无线网络中基于博弈的下行动态干扰协调方法，属于无线异构通信和 无线网络的技术领域。

背景技术

近年来，移动互联网的流量呈爆发式增长，不管是对网络覆盖、还是对频 谱效率，都提出了新的增长需求。通过改变传统蜂窝状的网络拓扑，在宏小区 覆盖范围内部署小覆盖、低功耗的异构热点基站（如微微小区、家庭基站、小 小区等），都能够有效提升系统的频谱效率、改善小区覆盖，进而满足热点场 景下的用户高速业务需求，因此形成了分层异构无线网络。

然而随着热点基站的大量部署，形成高密集无线网络，运营商又面临着新 的挑战：其一，大量部署的异构站点，使得各个站点间的互干扰成为限制谱效 进一步提升的瓶颈；其二，数目繁多的基站导致运营商的建设、运维和升级的 成本急剧增加；其三，流量需求的潮汐效应，导致大部分基站的处理能力没有 得到充分利用，造成资源的浪费。上述原因导致运营商收入增长缓慢。为了保 持持续的盈利能力和长期的业务增长，运营商亟需一种低成本、绿色的无线服 务提供方式，因此，一种基于云无线接入网的网络系统架构已经受到越来越多 的科技人员的关注。

参见图1，介绍典型的云无线接入网C-RAN（cloud radio access network） 的三个组成部分：位于云端的基带处理池BBU（baseband unit）、部署在远端 的远端射频单元RRH（remote radio head）和位于中间的光传送网。基带处理池 由高性能处理器构成，通过实时虚拟技术和强大的处理能力集中处理无线接入 端的数据信息，并对系统资源进行集中管理。远端射频单元用于提供有效覆盖， 但其仅用于收发无线接入端的无线信号，并不做处理，因此能够有效降低资产 支出CAPEX（Capital Expenditure）和运营成本OPEX（Operating Expense）。 光传送网负责以大容量、低时延链路连接远端射频单元和基带处理池。云端的 基带处理池负责对控制信号执行集中处理和划分系统资源，还采用实时虚拟技 术进行基于负载的自适应资源分配，保证了对处理资源的高效利用。

另一方面，联盟博弈是一种研究参与者之间合作问题的有效工具，各参与 者通过形成联盟的方式增强在系统中的地位，联盟内的用户通过合作可以获得 比各用户单独行动时的更大收益。因此利用联盟博弈建模无线通信网络中的合 作问题是一种合理的选择。

为有效管理高密集无线网络中的干扰、提升频谱效率，研究人员已经做了 大量研究，并提出了多个干扰协调方案。但是，现有的高密集无线网络干扰协 调方案普遍采用分布式实施方法，节点之间不能进行有效和及时的信息共享， 信息的交互时延和处理时延成为限制这些方案实用化的重要瓶颈。另一方面， 针对无线网络的多点协作CoMP（Coordinated Multi-Point）技术研究还非常不 足，如何在高密集无线网络站点间进行有效的合作以及确定怎样的合作机制都 有待深入研究。

云无线接入网的特色是集中式处理，尤其在干扰协调技术方面，一方面， 协作式处理技术可以使用空间信道信息来实现多个不同物理位置上的天线协 作，从而对无线资源执行联合调度，有效减少干扰；另一方面，C-RAN中高速 光传送网保证了信息交互和数据处理的低时延，避免影响用户体验。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于云无线接入网C-RAN的高密集 无线网络中基于博弈的下行动态干扰协调方法，该方法中，各远端射频单元的 信息在基带处理池端是共享的，极大地简化了各参与者的信息交互复杂度；同 时，低延迟光传送网能够保证用户服务质量不受影响。集中收集所有远端射频 单元的信息后，基带处理池根据设定的联盟形成条件，可以动态地将远端射频 单元划分为不同的联盟，同一联盟内的射频单元采取设定方式进行协作，消除 联盟内其他成员的干扰，进而提高系统频谱效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高密集无线网络中基于博弈的下行 动态干扰协调方法，其特征在于：将一个基带处理池管理下的各个远端射频单 元建模为下行传输资源博弈中的参与者，各参与者在参与博弈与竞争的过程中， 远端射频单元RRH会选择相互合作来提升其在系统中的地位；且因一个基带处 理池管理下的每个远端射频单元采用不同的博弈竞争策略，使得所有参与者划 分为不同的联盟，联盟内成员采用包括时分多址、干扰对齐和波束赋形的特定 技术合作方式，并消除联盟内干扰；但不同联盟之间并不合作，故任何其他联 盟的远端射频单元仍对非本联盟内的远端射频单元造成干扰，即该联盟模型是 划分形式的联盟博弈。

本发明异构网络中基于博弈的下行动态干扰协调方法的创新优点是：

首次从联盟博弈的角度分析网络中动态下行干扰协调技术，尤其针对于 C-RAN架构网络的干扰协调技术，本发明提供了一种网络节点通过合作结盟的 方式进行干扰协调的技术，该方法将高密度无线网络节点建模为博弈的参与者， 选择谱效作为博弈目标，网络节点通过结盟方式进行合作。本发明还引入联盟 博弈模型，并介绍了一种形成联盟的具体算法流程。

本发明方法的实施例表明：其系统整体性能明显优于传统的非合作情况下 的系统整体性能，而且随着远端射频单元数量的提升，本发明的性能优势逐渐 明显。因此，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明应用场景：C-RAN架构的高密度无线网络下行干扰的示意图。

图2为本发明方法实施例的应用场景：C-RAN架构的高密度无线网络结盟 及干扰消除情况的示意图。

图3为本发明C-RAN架构的高密集无线网络中基于联盟博弈的下行动态 干扰协调方法操作步骤流程图。

图4为本发明方法：C-RAN架构的高密集无线网络中联盟内时隙资源划分 示意图。

图5为本发明C-RAN架构的高密集无线网络中联盟形成算法的操作步骤 流程图。

图6为本发明方法实施例与远端射频单元在非合作方式下的系统总收益对 比图。

图7为本发明方法实施例与远端射频单元在非合作方式下的射频单元平均 收益对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作 进一步的详细描述。

本发明C-RAN架构的高密集无线网络中基于博弈的下行动态干扰协调方 法，用于抑制各远端射频单元间的同频干扰。该方法是将将一个基带处理池管 理下的各个远端射频单元建模为下行传输资源博弈中的参与者，各参与者在参 与博弈与竞争的过程中，远端射频单元会选择相互合作来提升其在系统中的地 位；且因一个基带处理池管理下的每个远端射频单元采用不同的博弈竞争策略， 使得所有参与者划分为不同的联盟，联盟内成员采用包括时分多址、干扰对齐 和波束赋形的特定技术的合作方式来消除联盟内干扰。但是尽管同一联盟内成 员间采用合作方式，因为不同联盟之间并不合作，故任何其他联盟的远端射频 单元仍对非本联盟内的远端射频单元造成干扰。这种外在相关性决定本发明的 联盟模型是划分形式的联盟博弈。即该联盟模型是划分形式的联盟博弈。

本发明方法采用时分多址技术的合作方式消除联盟内干扰时，对每个射频 单元的天线数量和用户的天线数量不作要求，而且在每个时隙联盟内所有成员 的远端射频单元能够同时服务调度用户，通过增加信号副本来增加有用信号， 从而提高接收机的信干扰比SINR。

如果采用干扰对齐或波束赋形技术的合作方式消除联盟内干扰时，则射频 单元应配置多根天线，但接收机的天线数量没有要求。在后面的实施例中，以 时分多址为例来阐述本发明的工作原理。

参见图2，介绍本发明方法一实施例的应用场景：在C-RAN架构的且在同 一个基带处理池管理下的网络中，远端射频单元集合中的 各个远端射频单元都使用相同的资源，式中，自然数下标i为远端射频单元的序 号，其最大数、即远端射频单元总数为N。每个远端射频单元能够同时服务多 个随机分布的远端射频单元RRH的用户，且每个远端射频单元下的每个用户占 用不同子信道，每个子信道在一个远端射频单元下只能同时分配给一个用户使 用。

参见图3，介绍本发明方法的三个具体操作步骤：

步骤1：每个资源分配周期的初始阶段，基带处理池管理下的所有远端射频 单元均为非合作方式，即每个远端射频单元形成只有其自身一个成员的联盟。

步骤2：基带处理池收集其管理下的所有远端射频单元的用户反馈信息，采 取设定的联盟形成算法，将远端射频单元划分为不同的联盟（图2所示为一种可 能的联盟结果）。.

本发明的实施例是以时分多址方式为例阐述联盟形成算法。但是，本发明 中的远端射频单元结盟的思想不仅仅局限于时分多址方式，可以使用任何已有 的或即将出现的干扰消除技术。图4展示了在时隙上进行资源划分的示意图。

为适应远端射频单元用户的移动性，远端射频单元间的联盟划分方式是周 期变化的、即联盟结构是周期性改变的。因此，该步骤2中，基带处理池动态、 周期地执行下述操作内容：

（21）远端射频单元用户为其服务的射频单元反馈该用户的服务射频单元 当前信道信息和当前对该用户造成干扰的其他射频单元的信息：其中，该用户 的服务射频单元当前信道信息包括：该服务射频单元在不同资源上的信道增益、 用户在不同资源上的信干噪比SINR（signal to interference and noise ratio）和该 服务射频单元在不同资源上的发射功率等。当前对该用户造成干扰的其他射频 单元的信息包括：在不同资源上其他射频单元与该用户的信道增益、其他射频 单元在不同资源上的干扰强度、对当前用户造成干扰的其他射频单元的ID集合 等。

（22）基带处理池集中收集其控制范围内所有用户反馈信息：远端射频单 元用户的反馈信息经由低时延光传送网传输至基带处理池，各个远端射频单元 对应的虚拟处理器共享这些信道信息，以供这些远端射频单元之间便于进行协 商合作。

（23）因远端射频单元没有处理功能或处理功能有限，故由基带处理池独 自集中完成联盟形成算法，不需各射频单元通过传统基站接口彼此交互，减少 处理时延和交换信息的功耗。基带处理池利用共享信息并根据设定准则（本发 明实施例是defection ordre准则）将远端射频单元划分为不同的联盟。此外，要 说明的是，部分所受干扰强度较低的远端射频单元因其不满足形成联盟的准则 而不参加任何其他联盟，仍然维持只有自身单一成员的联盟；也就是形成联盟 不能为某个或某些远端射频单元带来额外收益时，这些远端射频单元就选择不 与其他任何远端射频单元合作。

本发明方法实施例采用defection order判断准则是将各个远端射频单元划 分于不同联盟时，要使轮询到的远端射频单元加入新联盟后满足下述三个条件：

轮询到的用户收益大于其在旧联盟中的用户收益，

新联盟所有用户总收益大于该联盟中所有成员在非合作时的用户收益之和，

新联盟的平均成员收益大于该新联盟在接受该远端射频单元前的平均成员 收益。其中，联盟的所有用户总收益为所有联盟成员结盟后的用户收益之和， 联盟的平均成员收益为联盟的所有用户总收益除以联盟成员数之商。

该步骤中，基带处理池执行时分多址方式的联盟形成算法包括下列操作内容：

（a）基带处理池遍历轮询其管理下的每个远端射频单元A_i，式中，自然数 下标i为远端射频单元序号。

（b）基带处理池为当前轮询到的远端射频单元A_i检测包括已有的联盟架 构其中的每个联盟S_k和该联盟S_k中的各个成员信息，其 中，为联盟的集合，自然数k为联盟序号，其最大值、即当前联盟的总个数 为K；所述联盟中各个成员信息包括：联盟各个成员及其在非合作时的各自收 益、联盟的平均成员收益、各成员到当前轮询到的远端射频单元下的用户信道 的增益。

（c）基带处理池查看当前轮询的联盟是否在当前轮询的远端射频单元的历 史记录变量H(i)中，H(i)为记录第i个远端射频单元已经加入遍历过的联盟的集 合。

如果当前轮询的联盟已存在于当前轮询的远端射频单元的历史记录H(i) 中，则不作任何处理，直接开始轮询下一个联盟S_k+1，即返回执行骤（c）；

如果当前轮询的联盟不存在当前轮询的远端射频单元的历史记录H(i)中， 则再检测和判断当前轮询的远端射频单元是否满足加入到当前轮询的联盟的条 件，即是否满足defection order准则。

此时，若该轮询的远端射频单元不满足defection order准则，则不作任何处 理，直接开始轮询下一个联盟S_k+1，即返回执行骤（c）。

若该轮询的远端射频单元满足defection order准则，则将轮询的联盟及其为 当前轮询的远端射频单元带来的新收益都存储于当前轮询的远端射频单元的备 选切换集Θ；式中，Θ为当前轮询的远端射频单元所有可能加入的联盟的集合。

在执行步骤（c）时，某个远端射频单元A_i在某次轮询时选择加入到一个联 盟后，可能会因后续轮询时加入其他远端射频单元，使得该联盟不再给A_i带来 最佳性能时，就选择离开该联盟，从而造成联盟系统结构出现周期震荡而不稳 定。为此，为每个远端射频单元分配一个历史记录变量，用于保证不会发生联 盟结构的周期性震荡：每次远端射频单元选择加入某个已有联盟后，就将该联 盟的成员信息都加入到该远端射频单元的历史记录变量中；当该远端射频单元 继续轮询其他已有联盟时，先检查该轮询的联盟是否归属其历史记录：对于归 属于历史记录的联盟，说明该远端射频单元以前加入过该联盟、但后来退出了， 则直接跳过该联盟，轮询下一个联盟；藉此保证每次周期执行时能够达到一个 稳定的联盟结构。

（d）判断当前轮询的远端射频单元是否还没有遍历完已有联盟结构，若是， 则继续遍历下一个联盟，即返回执行步骤（c），直至当前轮询远端射频单元已 经遍历完成已有的联盟结构中所有联盟；

（e）检测和判断当前轮询的远端射频单元的备选切换集Θ是否为空，若是， 则已有联盟结构不作改变，返回执行步骤（b），开始轮询下一个远端射频单元； 若否，则基带处理池将当前轮询的远端射频单元加入到备选切换集Θ中给其带 来用户收益和联盟平均用户收益两者都最大的联盟中，同时基带处理池更新已 有的联盟结构为并将该远端射频单元选择加入的两种收益都最大的联盟 信息也添加到当前轮询的远端射频单元的历史记录H(i)中。

（f）判断是否已经遍历轮询了全部远端射频单元，若否，则轮询下一个远 端射频单元A_i+1，返回执行步骤（b）；若是，则执行后续步骤（g）。

（g）基带处理池检查此次完成遍历轮询全部射频单元后，当前已有的联盟 结构相对于开始遍历轮询前的联盟结构是否发生变化，若是，则说明联盟的划 分并未稳定，继续重新遍历轮询所有远端射频单元，即返回执行步骤（a）；若 否，则说明联盟划分已经达到稳定，该算法执行完毕。图2展示了一种可能的 联盟结果。

步骤3：在基带处理池控制下，每个联盟内成员采取包括时分多址、干扰对 齐和波束赋形的方式消除联盟内干扰，进行数据传输。

虽然远端射频单元结盟方法能够使用多种干扰消除技术，但因联盟内不同 的干扰消除方式决定联盟成员收益的不同计算方式，进而影响远端射频单元是 否加入联盟；也就是联盟形成算法所形成的联盟结构取决于步骤3在联盟内采 用的干扰消除方式。

最后，基带处理池周期性地执行上述各个步骤，以适应远端射频单元下用 户的移动性。

本发明已经进行了多次实施例的仿真实施试验，以验证本发明方法的优越 性，并将本发明的仿真准则结果与传统非合作的系统性能进行了对比。图6是 本发明方法与传统非合作方法在系统整体性能上的对比；图7是本发明和传统 非合作方法在射频单元平均收益上的对比。

参见图6所示，使用本发明方法后，系统整体性能明显优于传统非合作情 况下的系统整体性能，而且随着远端射频单元数量的提升，本发明所体现出来 的性能优势逐渐明显。同时，随着远端射频单元数的增加，系统干扰受限，不 管是本发明方法还是传统非合作方法，系统整体性能增长趋势缓慢，但是本发 明始终明显优于传统非合作方法。

参见图7所示，本发明的射频单元平均性能优于传统非合作方法。虽然射 频单元数量增多导致干扰增加和平均性能降低，但是本发明始终优于传统非合 作方法，并且随着射频单元数量的增加，本发明的性能优势更加明显。