分布式无线网络中基于目标SINR的资源分配方法

摘要

一种无线分布式网络中的资源分配方法。第一步，用户根据自身的通信需求定义自身目标信干噪比。继而对无线环境中的干扰功率进行检测和估计，同时获得相应的信道增益。通过这些量，我们将信道的质量进行量化。第二步，根据信道质量量化结果，选择信道条件最好的信道，将其信道质量和预定义的阈值进行比较，看信道条件是否适合传输。若信道条件太差，则放弃本次数据传输；否则按照最优功率的闭式解计算最优的发射功率，在信道上进行数据的传输。本发明的实现复杂度比较低，而且能够有效地控制网络中的干扰，在降低用户平均发射功率的条件下，更有效的保障用户的QoS需求，同时达到更好的公平性。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及分布式无线网络中基于目标SINR 的资源分配方法。

背景技术

无线技术的快速发展使得分布式无线网络成为一种常见的组网方式。在 分布式无线网络中，资源分配机制会显著影响着网络的性能。由于缺少中心 节点的控制和引导，难以获取全局信息，全局优化常常难以实现。另一方面， 由于每个用户只关心自己在网络中获得的性能，因此，用户常常倾向于盲目 地增大自身的发射功率以期获得更高的吞吐量和更短的时延，以更好地保障 自身的服务质量。显然，如果所有用户都盲目增大自身发射功率的情况下， 网络的干扰会显著增大，最终导致整个网络的性能变得无法接受。因此，通 过高效的资源分配机制引导用户选择信道和控制发射功率，可以有效抑制共 道干扰(Co-Channel Interference)，保障用户的QoS(Quality of Service)需求， 提升网络性能。

常见的资源分配方法多基于优化理论进行设计。这些方法通常具有比较 高的复杂度。而且在分布式无线网络中执行这些算法具有额外的困难：这些 方法的执行一般都需要获得网络中其他用户的运行状态(发射功率，占用信 道等情况)信息，而在分布式网络中，由于缺少中心节点的协助，准确获得 这些信息，是很困难的。在实际中，为了执行这些算法，需要设计额外的交 互机制，在准确可靠的网络信息的基础上，才能进一步执行资源分配算法。

综上所述，针对分布式无线网络，设计一种易于部署实现的、高效的资 源分配方法，是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式无线网络中基于目标SINR的资源分 配方法，该分配方法简单高效、易于实现。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括，包括以下步骤：

第一步，对当前无线帧的系统参数进行初始化，初始化的方法为：每个 用户定义自身的目标信干噪比用户偏离目标SINR对应代价的权重系数θ_n， 用户偏离目标SINR以及付出功率的总代价的权重系数λ；同时初始化每个用 户在各个信道上的功率为零；且表示用户对的集合，n表 示第n个用户对，总共有N个用户对；

第二步，对当前的无线网络环境进行能量检测，获得当前无线网络中用 户的信道增益以及用户在各个信道上的受到的干扰功率；

第三步，根据用户的信道增益以及干扰功率对信道质量进行量化，然后 用户根据量化结果选择信道条件最好的信道作为传输信道k^*；

第四步，将传输信道对应的指标和预定义的阈值进行比较，若 则放弃本次数据的传输，结束当前的资源分配，返回步骤1)开始 下一无线帧的用户资源分配；

若则利用初始化后的系统参数确定信道条件最好的信道k^*上的 发射功率

若传输信道k^*上的发射功率大于等于用户的最大发射功率则在 传输信道k^*上以用户的最大发射功率进行传输，完成用户的资源分配，返 回步骤1)开始下一无线帧的用户资源分配；若传输信道k^*上的发射功率小 于用户的最大发射功率则在传输信道k^*上以传输信道k^*上的发射功率 进行传输，完成用户的资源分配，返回步骤1)开始下一无线帧的用户资 源分配。

第一步中，根据用户当前的发射功率得到用户实际达到的信干噪比 将用户实际达到的信干噪比与目标信干噪比进行比较，若用户实际 达到的信干噪比大于等于目标信干噪比则保持用户当前的发射功率进行传输，完成资源分配，然后返回步骤1)开始下一帧的用户资源分配；若 用户实际达到的信干噪比小于目标信干噪比则转入第二步；其中，k 为第k条信道，且为信道的集合，共包含K条信道。

所述的第三步中，根据用户的信道增益以及用户在各个信道上受到的干 扰功率对各个信道质量进行量化的方法为：

${\beta }_n^{\left(k\right)}=\frac{I_n^{\left(k\right)}+N_0}{g_{\mathrm{nn}}^{\left(k\right)}}$

其中，为信道对应的指标，是用户检测到自身在信道k上的干扰功 率，N₀为无线网络系统中的噪声功率，为第n个用户对从发端到对应收端 的信道增益；

用户根据量化结果选择信道条件最好的信道k^*的方法为：选择信道对应 的指标最小的信道作为传输信道k^*。

所述的预定义的阈值采用如下方法获得：

确定信道条件最好的信道k^*上的发射功率的方法为

$p_n^{\left(k^{*}\right)}=\frac{{\beta }_n^{\left(k^{*}\right)}}{{4\theta }_n}[{2\theta }_n({\bar{\gamma }}_n-1)-{\beta }_n^{\left(k^{*}\right)}+\sqrt{{({\beta }_n^{\left(k^{*}\right)}-2{\theta }_n({\bar{\gamma }}_n+1))}^2+{8\theta }_n\frac{B_0}{\lambda \ln 2}}].$

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明利用非协作博弈的方法对分布式网络进行了建模，每个用户能够 独立地根据自身获得的外界环境信息进行资源分配而无需外界的指导和干预 达到无需中心控制的目的，实现的复杂度比较低；而且能够通过对实际信道 条件的判断确定是否传输和确定发射最优的发射功率，避免了分布式网络中 节点盲目增大自身发射功率的情况，保证了在不同干扰条件下，网络都有着 良好的性能。而且本发明无需节点间的协作，易于实现，同时有效地控制了 共道干扰，提升了网络性能和用户体验。另外，本发明中的资源分配是以用 户自身目标信干噪比为导向的，能够很好的控制网络中的干扰，在降低用户 平均发射功率的条件下，最大限度的保证用户实际的QoS需求。同时，根据 实际信道条件选择发射功率，有效的控制了网络中的共道干扰，利用较低的 功率实现了更高的频谱效率。

附图说明

图1是本发明的执行流程；

图2是无线网络中用户系统保障用户目标SINR的概率随着用户数目变化 的曲线；

图3是无线网络中用户平均发射功率随着用户数目变化的曲线；

图4是无线网络中用户公平性指数随着用户数目变化的曲线；

图5是无线网络中系统吞吐量随着用户数目变化的曲线；

图2-5中，a是本发明方案，b是目标SINR追踪的方案，c是机会功率控 制方案，d是基于功率定价的资源分配方案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明是基于非协作博弈进行建模，建立了一种无线分布式网 络的资源分配方法，在该方法下所有的用户均要进行本发明的资源分配，直 到所有用户的资源分配达到稳定的状态。

本发明的提出的分布式无线网络中基于目标SINR的资源分配方法所适 用的无线网络的基本网络场景假设如下：

在无线环境中，具有N个用户对，是其编号，表示用 户对的集合；同样地，具有K条不向重叠的信道，编号为为信道的集合，每个信道的带宽为B₀。表示第n个用户对在第k条信道上 的发射功率，显然，若非零，则其说明其使用第k条信道，否则不使用该 信道，每个用户都有自己的一个最大发射功率同时，信道增益描述 了第n个用户对从发端到对应收端的信道增益，该值可以在用户对的通信过程 中通过测量导频信号功率的方式得到。类似地，描述了第m个用户对的发 射机，到第n个用户对的接收机的干扰信号的信道增益。无线网络系统中的噪 声功率记作N₀。无线网络中的每个用户对根据自己的通信需求，设置一个目 标信干噪比，在该信干噪比条件下，其能比很好地满足自身的通信需求，该 目标信干噪比记作用户实际获得的信干噪比记作同时，用户付出的 功率和达到的信干噪比和目标的差值平方的加权和定义为用户付出的代价的 权重系数，记为θ_n，另一方面，速率与代价的加权和定义为用户效用的权重 系数，记作λ。

本发明的基本思路是，每一个无线帧内按照如下方式进行资源的分配， 分配以迭代的形式进行，直至收敛。每一次资源分配中，一个用户对每次至 多只利用一条信道进行传输。假设当前无线帧时间为t时进行资源分配。每个 用户独立地执行如下步骤：

第一步，对当前无线帧的系统参数进行初始化，用户根据自己的通信需求 确定自己的目标信干噪比以及根据自身的目标确定加权系数，进一步对当前 的无线环境做能量检测，获得当前无线环境中的干扰功率和信道增益。第二 步，根据自身的通信目标和获得的信道条件选择信道和确定发射功率。

第一步，对当前无线帧的系统参数进行初始化：

每个用户定义自身的目标信干噪比用户偏离目标SINR对应代价的权 重系数θ_n以及用户偏离目标SINR以及付出功率的总代价的权重系数λ，据此 确定自身的效用函数定义为其中，是 用户达到的速率，是用户实际达到的信干噪比。实际上，根据效用函数， 建立以下优化目标

上述优化问题是信道选择和功率分配的联合优化问题。但是为了可操作 性，将其做顺序实现，即先进行信道选择，然后确定功率。可以证明，在给 出的效用函数的定义条件下，这样顺序操作得到的结果同样是最优的。

据此计算一组常数，分别为${\lambda }_0=\frac{B_0}{\lambda \ln 2},c_1=2{\theta }_n({\bar{\gamma }}_n-1),c_2={2\theta }_n({\bar{\gamma }}_n+1)$和 c₃＝8θ_nλ₀，以方便后续计算使用，同时初始化用户的在各个信道上的功率为零。

如果当前信道上的发射功率已经满足了目标信干噪比要求，则留驻当前 信道，并保持当前的发射功率进行传输，资源分配结束；否则进入第二步。 具体的，当前信道上的发射功率已经满足了目标信干噪比要求的判断方法是：

根据用户当前的发射功率得到用户实际达到的信干噪比将用户 实际达到的信干噪比与目标信干噪比进行比较，若用户实际达到的信干 噪比大于等于目标信干噪比则当前信道上的发射功率已经满足了目标 信干噪比要求，然后返回步骤1)开始下一帧的用户资源分配；若用户实际达 到的信干噪比小于目标信干噪比则当前信道上的发射功率不能满足了 目标信干噪比要求。

第二步，对当前的无线网络环境进行能量检测，获得当前无线网络中用 户的信道增益以及用户在各个信道上受到的干扰功率；干扰功率可以通过对 信道进行能量检测得到而信道增益可以通过测量导频信号 接收功率的方式计算得到；

其中，为第m个用户对第k条信道上的发射功率；

第三步，根据用户的信道增益以及用户在各个信道上受到的干扰功率对 各个信道质量进行量化，然后根据质量量化结果用户选择信道条件最好的信 道k^*，具体方法如下：

首先，利用用户的信道增益以及用户在信道上的干扰功率计算获得信道 质量的量化指标，计算公式如下

${\beta }_n^{\left(k\right)}=\frac{I_n^{\left(k\right)}+N_0}{g_{\mathrm{nn}}^{\left(k\right)}};$

其中，为信道对应的指标，是用户检测到自身在信道k上的干扰功 率，N₀为无线网络系统中的噪声功率，为第n个用户对从发端到对应收端 的信道增益。

其次，对所有信道执行量化过程，用户根据量化结果选择信道条件最好 的信道作为传输信道k^*，即选择各个信道中对应的指标最小的信道作为传 输信道k^*，则

第四步，将传输信道k^*对应的指标和预定义的阈值进行比较，若 则说明当前传输信道k^*无法满足传输的需求，放弃本次数据的传输， 即置发射功率为零，结束当前的资源分配，返回步骤1)开始下一无 线帧的用户资源分配；其中，是用来考察信道条件是否在可接受 的范围内。

若则说明当前传输信道k^*的信道条件是可以接受的，利用初始 化后的系统参数确定传输信道k^*上的发射功率确定公式如下：

$p_n^{\left(k^{*}\right)}=\frac{{\beta }_n^{\left(k^{*}\right)}}{{4\theta }_n}[{2\theta }_n({\bar{\gamma }}_n-1)-{\beta }_n^{\left(k^{*}\right)}+\sqrt{{({\beta }_n^{\left(k^{*}\right)}-2{\theta }_n({\bar{\gamma }}_n+1))}^2+{8\theta }_n\frac{B_0}{\lambda \ln 2}}].$

同时，还要考察用户当前无线帧的最大功率限制，若传输信道k^*上的发 射功率大于等于用户的最大发射功率则在传输信道k^*上以用户的最 大发射功率进行传输，完成用户的资源分配，返回步骤1)开始下一无线 帧的用户资源分配；若传输信道k^*上的发射功率小于用户的最大发射功率 则在传输信道k^*上以传输信道k^*上的发射功率进行传输，完成用户 的资源分配，返回步骤1)开始下一无线帧的用户资源分配。

为了证明本发明得到的方法确实是可行和有效的，通过仿真给出了本发 明提出的资源分配方案和传统的方法相比较的情况。

图2a-图2d对比了相关方案下用户目标SINR保障的情况。本发明的方案 相比其他传统的方法，可以明显提升满足用户的目标SINR的概率。由于在实 际场景中，目标SINR很大程度上反映了用户的服务质量，因此，可以说，本 发明方案将会为用户提供更好的、更可靠的服务质量。

图3a-图3d对比了相关方案下用户的平均发射功率。结合图2可以看出， 本发明的方案在更好的保证用户目标SINR的前提下，需要的发射功率相比其 他方案更低。因此，本发明的方案是一种非常高效的功率控制方案。

图4a-图4d对比了相关方案下网络中用户速率的公平性。在分布式网络 环境中，保障公平性有助于防止某些自私的用户为了过度追求自身速率的最 大化而对其他用户造成严重干扰的情况，从而提升整个网络的用户体验。从 仿真结果来看，本发明方案相比传统方案，提供了明显更好的网络公平性。

图5a-图5d对比了相关方案下整个网络的吞吐量。结合图2-4的结果，本 发明的方案，通过更高效的资源分配方法为用户提供了更为有效的服务质量 保障和公平性，与此同时，本发明方案可以达到较好的系统吞吐量。