一种Femtocell上行链路的分布式功率控制方法

摘要

一种Femtocell上行链路的分布式功率控制方法，基于博弈论，对毫微微蜂窝基站Fetomcell和宏蜂窝基站，通过限制Fetomcell用户的最大发射功率来保证宏蜂窝基站的宏用户达到其预设的信干噪比，在此基础上通过博弈迭代使得更多Femtocell用户达到其自身预设的信干噪比。本发明在保证系统容量性能的前提下，通过调整Femtocell用户发射功率上限值，由博弈的方式进行Femtocell用户的功率控制，考虑了不同Femtocell用户的不同信干噪比要求，使得各Femtocell用户尽可能达到其自身预设信干噪比，相比现有方法具有更好的性能。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及毫微微蜂窝基站Femtocell技术以及博弈方法， 为一种Femtocell上行链路的分布式功率控制方法。

背景技术

毫微微蜂窝基站Femtocell技术是一种扩展移动通信室内覆盖的解决方案，根据近 年来3G发展和宽带移动化趋势而推出，它工作在授权频段，通过宽带接入，如DSL、 有线电缆、光纤等连接到运营商的网络，其主要作用是为家庭室内或者小型商业机构提 供更好的信号覆盖和服务质量。互干扰问题一直是Femtocell要解决的重要问题。由于 频率资源限制，Femtocell与宏蜂窝基站采用同频部署时，带来了严重的干扰问题。

博弈方法元素包括博弈方、策略集、效用函数等。目前博弈式Femtocell功率控制方 法中，更侧重于从效用函数角度来减小层间干扰，并且目前的功率控制方法更侧重网络 整体的容量性能，忽视了每个Femtocell用户的信干噪比SINR要求可能不同的情况，使网 络中可能存在较多Femtocell用户未达到其预设SINR值。在文献《Power control in two-tier  Femtocell networks.》(V.Chandrasekhar，J.G.Andrews，etc.IEEE trans.Wireless Commun.， Aug.2009，vol.8，no.8，pp.4316-4328.)中提出的方法，我们称为原始算法(Original  Algorithm)，简写为OA方法，是现有的一种基于博弈论的Femtocell功率控制方法，但是 其没有对Femtocell用户最大发射功率进行限制，使各用户有可能对宏用户产生较大干 扰，其链路保护方法是通过降低Femtocell用户预设SINR值来减小Femtocell用户对宏用户 干扰的，并且这种链路保护方法对较大干扰的识别不够精准，其限制方式死板，网络中 未达到自身预设SINR值的Femtocell用户较多，Femtocell用户的通信效果不理想。

发明内容

本发明要解决的问题是：Femtocell技术中存在互干扰问题，现有的功率控制方法 忽视了每个Femtocell用户的信干噪比要求，通过降低Femtocell用户预设SINR值来减 小Femtocell用户对宏用户干扰，并且网络中未达到自身预设SINR值的Femtocell用户 较多，Femtocell用户的通信效果不理想。

本发明的技术方案为：一种Femtocell上行链路的分布式功率控制方法，基于博弈 论，对毫微微蜂窝基站Fetomcell和宏蜂窝基站，通过限制Fetomcell用户的最大发射功 率来保证宏蜂窝基站的宏用户达到其预设的信干噪比SINR_h，在此基础上通过博弈迭代 使得更多Femtocell用户达到自身预设的信干噪比SINR_f，具体为：根据宏蜂窝基站覆盖 边缘位置处宏用户的信噪比计算宏蜂窝内噪声σ²，设宏用户的信干噪比为SINR_h， Femtocell用户总数为M，所有Fetomcell用户对该宏用户的干扰之和的最大值为I_max， 有其中p_max为宏用户的最大发射功率，g_0，0为宏用户到宏蜂窝基站 的信道增益，则每个Femtocell用户对宏用户所产生的最大干扰不超过平均干扰值： 设第i个Femtocell用户对宏用户的干扰为I_i＝p_ig_0，i，其中g_0，i为第i个 Femtocell用户到宏蜂窝基站的信道增益，则有I_i≤I_mean，即p_ig_0，i≤I_mean， 得到Femtocell用户的发射功率策略为p_i＝[0，p_{i_max}]，即发射功率 在[0，p_{i_max}]内，各Femtocell用户按照自己对应的发射功率策略参与博弈迭代，得出均 衡时的发射功率进行上行链路传输：

$p_0^{(k+1)}=\min \{\frac{p_0^{\left(k\right)}}{{\gamma }_0^{\left(k\right)}}{\Gamma }_0,p_{\max }\}$

$p_i^{(k+1)}=\min \{\frac{p_i^{\left(k\right)}}{{\gamma }_i^{\left(k\right)}}{[{\Gamma }_i+\ln \left(\frac{a_i{g}_{i,i}}{b_i{g}_{0,i}}\right)]}^{+},p_{i\_\max }\},$$\forall i>0$

式中表示宏用户的第k次迭代后的发射功率，表示第i个Femtocell用户 的经过第k次迭代后的发射功率，表示宏用户的第k次迭代后的信干噪比，表 示第i个Femtocell用户的经过第k次迭代后的信干噪比，Γ₀为表示宏用户预设的SINR_h值，Γ_i为第i个Femtocell用户预设的SINR_f值，g_i，i为第i个Femtocell用户到对应的 Femtocell基站的信道增益，a_i表示第i个Femtocell用户增加自己的发射功率后所获得 的收益的权重，b_i表示第i个Femtocell用户增加自己的发射功率后所付出代价的权重；

在保证宏用户的信干噪比SINR_h的前提下，各Femtocell用户通过参与博弈的方式 尽可能达到自身预设信干噪比SINR_f。

各个Femtocell基站检测其服务的Femtocell用户是否达到其预设的信干噪比SINR_f， 并通过IP网络向宏基站汇报，宏蜂窝基站检测到宏用户未达到其预设的信干噪比 SINR_h，或覆盖范围内未达到自身预设信干噪比SINR_f的Femtocell用户数目增多，则广 播抑制信号，各Femtocell用户接收到宏蜂窝基站的抑制信号后，更新自身的p_{i_max}： p_{i_max}＝p_{i_max}-Δp，Δp为调整量，根据实际需求设置大小，再次进行博弈迭代，求出发 射功率均衡点进行上行链路传输。

进一步的，在宏用户达到其预设的信干噪比SINR_h的情况下，未达到自身预设信干 噪比SINR_f的Femtocell用户通过其Femtocell基站向宏蜂窝基站汇报其当前信干噪比 SINR_fn与预设信干噪比SINR_f的差量值Δγ_i，宏蜂窝基站通知其中差量值Δγ_i最小的 Femtocell用户按设定的调整量Δp增加发射功率上限再次参与博弈迭代，通过博弈迭代 使所述差量值Δγ_i越来越小，直到这个Femtocell用户达到其自身预设信干噪比SINR_f。

本发明在保证系统容量性能的前提下，通过调整Femtocell用户发射功率上限值， 由博弈的方式进行Femtocell用户的功率控制，使更多的Femtocell用户达到自身预设 SINR_f值。本发明考虑了不同Femtocell用户的不同信干噪比要求，首先控制对宏用户的 干扰之和的最大值I_max，保证宏用户达到其预设的信干噪比SINR_h，然后由博弈的方式 使得各Femtocell用户增大其发射功率，尽可能达到其自身预设信干噪比SINR_f。与现有 技术相比，本发明在保证系统容量性能的前提下，使更多的Femtocell用户达到自身预 设SINR值，如图3和图4所示，本发明方法相比现有方法具有更好的性能。

附图说明

图1是本发明方法的整体流程图。

图2是宏基站和Femtocell接入点FAP(Femtocell Access Point)及其各自用户分布示意 图。

图3是在保证宏用户性能前提下，本发明方法与现有方法OA的Femtocell用户SINR 性能比较图。

图4是本发明方法与现有方法在使用中，Femtocell用户未达到预设信干噪比百分比性 能的比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明方法基于博弈论，对毫微微蜂窝基站Fetomcell和宏蜂窝基站，通过限制 Fetomcell用户的最大发射功率来保证宏蜂窝基站的宏用户达到其预设的信干噪比 SINR_h，在此基础上通过博弈迭代使得更多Femtocell用户达到自身预设的信干噪比 SINR_f。如图1所示，设宏蜂窝覆盖边缘位置处宏用户的信噪比(SNR：Signal to Noise  Ratio)应达到20dB，由此可计算出蜂窝内的噪声σ²。设宏用户的信干噪比SINR_h＝10dB， Femtocell用户总数为M，所有Fetomcell用户对该宏用户的干扰之和的最大值为I_max， 干扰高于这个值时，此宏用户信干噪比会低于10dB，即有 其中p_max为宏用户的最大发射功率，g_0，0为宏用户到宏蜂窝基站的 信道增益。考虑公平性，每个Femtocell用户对宏用户所产生的最大干扰不能超过平均 干扰值：设第i个Femtocell用户对宏用户的干扰为I_i＝p_ig_0，i，其中p_i为 g_0，i为第i个Femtocell用户的发射功率，第i个Femtocell用户到宏蜂窝基站的信道增 益，则有I_i≤I_mean，即p_ig_0，i≤I_mean，保证宏用户的SINR情况下， Femtocell用户的发射功率策略为p_i＝[0，p_{i_max}]，即发射功率在[0，p_{i_max}]内，各 Femtocell用户按照自己对应的发射功率策略参与博弈迭代，得出均衡时的发射功率进 行上行链路传输：

$p_0^{(k+1)}=\min \{\frac{p_0^{\left(k\right)}}{{\gamma }_0^{\left(k\right)}}{\Gamma }_0,p_{\max }\}$

$p_i^{(k+1)}=\min \{\frac{p_i^{\left(k\right)}}{{\gamma }_i^{\left(k\right)}}{[{\Gamma }_i+\ln \left(\frac{a_i{g}_{i,i}}{b_i{g}_{0,i}}\right)]}^{+},p_{i\_\max }\},$$\forall i>0$

式中表示宏用户的第k次迭代后的发射功率，表示第i个Femtocell用户 的经过第k次迭代后的发射功率，表示宏用户的第k次迭代后的信干噪比，表 示第i个Femtocell用户的经过第k次迭代后的信干噪比，Γ₀为表示宏用户预设的SINR_h 值，Γ_i为第i个Femtocell用户预设的SINR_f值，g_i，i为第i个Femtocell用户到对应的 Femtocell基站的信道增益，a_i和b_i都是Femtocell用户参加博弈的效用函数中的固定参 数，a_i表示第i个Femtocell用户增加自己的发射功率后所获得的收益的权重，b_i表示 第i个Femtocell用户增加自己的发射功率后所付出代价的权重；关于博弈的效用函数 的详细说明可参看文献《Power control in two-tier Femtocell networks.》(V.Chandrasekhar， J.G.Andrews，etc.IEEE trans.Wireless Commun.，Aug.2009，vol.8，no.8，pp.4316-4328.)；

在保证宏用户的信干噪比SINR_h的前提下，各Femtocell用户通过参与博弈的方式 尽可能达到自身预设信干噪比SINR_f。

各个Femtocell基站检测其服务的Femtocell用户是否达到其预设的信干噪比SINR_f， 并通过IP网络向宏基站汇报，为进一步保证整个网络的性能，若宏蜂窝基站检测到宏 用户未达到其预设的信干噪比SINR_h，或覆盖范围内未达到自身预设信干噪比SINR_f的 Femtocell用户数目增多，则广播抑制信号，各Femtocell用户接收到宏蜂窝基站的抑制 信号后，更新自身的p_{i_max}：p_{i_max}＝p_{i_max}-Δp，再次进行博弈迭代，求出发射功率均 衡点进行上行链路传输。其中Δp为调整量，根据实际需求设置大小，Δp的大小对应对 Femtocell用户最大发射功率限制时的调整幅度，Δp越小则对Femtocell用户最大发射功 率的限制调整越精细。

在这基础上，为了进一步降低未达到预设信干噪比值的Femtocell用户数量，在宏 用户达到其预设的信干噪比SINR_h的情况下，Femtocell接入设备判断其服务的Femtocell 用户是否达到预设SINR_f，然后通过IP网向宏蜂窝基站汇报未达到自身预设信干噪比 SINR_f的Femtocell用户的当前信干噪比SINR_fn与预设信干噪比SINR_f的差量值Δγ_i，宏 蜂窝基站收到各个未达到预设信干噪比的差量Δγ_i，并通过IP网络广播最小的差量值； Femtocell接入设备判断宏基站广播的信干噪比差量是否是自己汇报的差量值，如果是， 则通知对应Femtocell用户按一定的步长Δp提高发射功率上限，再次参与博弈迭代，通 过博弈迭代使所述差量值Δγ_i越来越小，直到这个Femtocell用户达到其自身预设信干 噪比SINR_f。Δp的大小对应对Femtocell用户最大发射功率的调整幅度，与前述限制过 程中的Δp一致。上述过程中，逐个选择未达到预设信干噪比的Femtocell用户，增加其 发射功率上限。若在此过程中宏蜂窝基站检测到宏用户SINR_h降低或者未达到自身预设 信干噪比SINR_f的Femtocell用户数量变多，则宏蜂窝基站广播抑制信号，上一状态更 新过的Femtocell用户的最大发射功率p_{i_max}退回到上一状态，即p_{i_max}＝p_{i_max}-Δp，再 次博弈迭代求出的均衡值做为发射功率并结束整个过程。

本发明提出方法是在如图2所示的环境下进行仿真的，仿真中D表示宏蜂窝基站 与宏用户之间的距离；D_F表示宏蜂窝基站与Femtocell所在矩形区域中心点的距离；D 和DF都经归一化处理；SUE指Femtocell用户，PUE指宏用户。

图3是在保证宏用户性能前提下，本发明方法与现有方法OA的Femtocell用户信 干噪比SINR性能比较图，其中LP-LTPSA指本发明方法，本发明提出的方法LP-LTPSA 在达到均衡时，Femtocell用户的SINR性能优于现有方法OA，虽然在D＝0.9，DF＝0.1 的分布情况下，Femtocell用户数为64时，本发明提出方法SINR性能比已有方法OA 略低，但是却换取到更多的Femtocell用户达到自身预设SINR值，如图4所示，可以 看出本发明提出的方法LP-LTPSA在达到均衡时未达到Femtocell用户百分比性能均优 于现有方法OA。