[发明专利]针对宏蜂窝—飞蜂窝双重网络的基于定价的功率控制方法

说明书

技术领域

本发明属于网络传输技术领域，具体涉及一种针对宏蜂窝—飞蜂窝双重网络的功率控制方法。

背景技术

低成本的飞蜂窝网络（Femtocell）能够为室内终端提供可靠的短距传输，加强覆盖率；但是同时也增加了干扰和宏蜂窝—飞蜂窝异构网络拓扑的不确定性。传统的集中化功率控制方案要求较大的信令开销，不再适于该异构网络。虽然非合作博弈也可用来描述飞蜂窝基站（Femtocell Base Station, FBS）的行为，但是在此模型中，每个FBS都是独立的，并自私地优化自身性能而不顾及博弈中其他参与者以及系统的整体性能，形成博弈论里的纳什均衡（Nash Equilibrium, NE）。这会增加网络干扰, 降低网络吞吐量。

发明内容

本发明要解决的问题是在保证飞蜂窝基站传输服务质量(Quality of Service, QoS)的条件下，降低飞蜂窝网络的传输功率和飞蜂窝网络产生的干扰，从而提高整体网络的单位能量利用率和网络的公平性。

本发明针对飞蜂窝网络的功率控制问题，基于博弈理论，将传统的集中化规划和分布式优化策略相结合，提出了一种基于Stackelberg博弈(Stackelberg Game, SG)，对飞蜂窝网络进行定价的功率控制方法。其中，网络干扰管理者（Network Interference Controller，NIC）扮演SG的唯一领导者，与其关联的N个飞蜂窝基站扮演SG中的跟随者。领导者通过给跟随者的功率消耗定价来尽力减小由它们产生的总干扰。根据这个定价，每个飞蜂窝基站以非合作博弈方式最大化它们的效用。此博弈存在唯一的Stackelberg均衡，本发明进一步提出了一种能收敛的分布式定价和功率更新算法。

NIC的作用是最小化（即优化）由FBS对宏蜂窝网络用户（Macro User Equipment，MUE）产生的干扰。在每个时隙内，该最小化算法通过迭代更新，收敛到Stackelberg均衡，过程如下：在每次迭代中，NIC根据FBS的回复，向FBS广播的新单位功率定价；基于此广播的定价，各FBS计算出它最优的传输功率                                                ，该最优的传输功率满足飞蜂窝的用户（Femtocell User Equipment, FUE）的服务质量要求，根据计算并向NIC回复更新的定价；多次迭代后，定价最终收敛至最优定价；假设在一个宏蜂窝-飞蜂窝异构网络中，有N个飞蜂窝基站随机分布，定义是在时隙t中，NIC向FBS索要的功率消耗定价，表示第个FBS的发送功率，则第个FBS的优化问题可表述为：    

 

其中，表示FBS i的均衡功率，表示除了FBS i之外的N-1个FBS的均衡功率集合。是编号为的FBS的最大传输功率，即不会超过。求解上式可知，是编号为的FBS的最优传输功率。其中表示，是分配给FBS i的带宽，表示FBS j对FUE i的下行信道增益，是FUE i受到的噪声，是FBS i的传输速率。

另一方面，对于给定的功率定价，NIC需要保证每个FBS的传输速率不能小于其相应FUE的服务质量要求；设为NIC在时隙t内为最小化FBS对MUE产生的总干扰，而找到的最优定价，则NIC的优化问题可以表述成：

其中，表示FBS i对MUE的信道增益。NIC和FBS的优化问题构成了SG。其中NIC是扮演领导者，FBS扮演跟随者。Stackelberg均衡定义了SG的最优化策略轮廓。在我们的模型中，定义为：

一个策略轮廓是Stackelberg均衡当且仅当：  

达到SE时，不管是NIC还是FBS都没有动机要偏移这个均衡。

可以证明在此SG中存在唯一的Stackelberg均衡，并且根据本发明提出的分布式定价和功率更新算法可以通过迭代达到Stackelberg均衡。其更新函数是：

其中k表示算法在一个时隙内的第k次迭代更新。

 所述的NIC定价过程，是通过NIC与FBS的博弈，使NIC收敛到最优的功率消耗定价，从而使得FBS对宏蜂窝用户的干扰最小；该博弈的收敛过程步骤如下：