[发明专利]一种基于max-min公平的多小区资源分配方法

权利要求书

1.一种基于max-min公平的多小区资源分配方法，其特征在于：小区内用户工作在正交的频道上，各小区在满足给定干扰门限的基础上复用系统资源；以最小小区用户和速率的最大化为目标将基于干扰协调的联合资源分配问题建立成一个max-min优化问题，采用拉格朗日乘子法求解，最优的功率分配遵循注水定理；并在用户调度过程中赋予边缘用户更高的优先级；

具体方法是：

(1).初始化：根据用户与AP的地理位置，标记边缘用户和中心用户，结合反馈的信道信息，建立各用户与各AP之间的频道复用指示参数矩阵；具体如下：

多小区下行通信系统由L个小区构成，小区集合记为第l小区基站记为AP_l，其最大功率记为P_l^max，l表示小区编号，其取值为1,...,L，小区中有M_l个用户，用户记为m，用户集合记为为保证用户的通信质量，每个用户m维护一个最小速率c_lm，并且对任意用户有分配频道数量的上限系统中拥有R个频道，资源块集合记为每个频道宽度为Δf；系统中的控制中心获取所有链路上各个信道的瞬时状态信息，控制中心根据各信道信息，集中地进行用户调度和资源分配；表示用户m在资源块r上所分配到的功率；表示在资源块r上用户m与基站AP_l之间的信道衰落；

各小区间采用准正交的频道分配策略，即当给定小区中某用户受到来自其他小区基站的干扰小于预设门限时，该用户可以复用其他小区的频道资源，反之不能；二元变量指示特定的用户和小区l'间能否频谱复用，l'表示与l不同的小区编号，当小区l中用户m受到基站AP_l'的干扰小于门限δ时，取此时频道可以复用，这种情况出现的场景之一是用户m离AP_l'足够远，同理当用户m受到基站AP_l'的干扰大于门限δ时，取此时频道不能复用；对于的取值，针对信道状况，提出以下取值标准：

其中δ为频道复用干扰门限，E{}是期望运算；表示本小区用户与本小区基站的关系，恒有即表示小区内用户频道不能复用，即小区内用户分配正交的频道资源；定义二元变量指示频道分配结果，表示小区l中的用户m使用频道r，表示小区l中的用户m不使用频道r；

综合前述分析，对于小区间的复用，有如下不等式：

其中，表示小区l'中用户m和小区l间能否频谱复用；表示频道分配结果，表示小区l'中的用户m使用频道r，表示小区l'中的用户m不使用频道r；

小区内各用户均工作在正交的时频资源块上，在选定的频道复用干扰门限下，小区l中的用户m在各个所分配到的资源块上获得的和速率C_lm表示为：

式中n₀是噪声的单边功率谱密度；定义第l小区用户和速率C_l为第l小区获得的所有用户的和速率：

本方法需要找寻最优的频道分配策略X^*和功率分配策略P^*，基于各小区间的公平性，将基于干扰协调的频谱和功率资源联合分配问题描述为最小小区用户的和速率最大化优化问题；

(2).建立优化目标函数和约束条件，用拉格朗日乘子法求解最优解，并迭代获得最优拉格朗日乘子；

约束条件：

其中式(1)为和速率的优化目标，X和P分别为频道分配矩阵和功率分配矩阵；式(2)表示相互干扰的小区用户间及小区内频率资源都不能复用，不干扰的小区用户间频率资源可以复用；式(3)表示的是用户最小速率约束，c_lm表示用户最小速率；式(4)表示的是用户最大频道数量的限制；式(5)表示的是小区中用户使用的总功率不得超过基站最大功率；

由于边缘用户容易受到相邻基站的严重干扰，为保障边缘用户的性能，定义边缘用户在正交频道上的调度优先级要高于不易受干扰的中心用户；定义变量ω_lm是用户的优先级权重系数，边缘用户对应的ω_lm＞1，中心用户对应的ω_lm＝1，表示边缘用户在资源分配调度中有一定的优先权；具体操作为：在频道分配变量赋值过程中添加这一权重，见式(8)和(11)；

最终注水解形式如下，其中和分别是最优频道分配和功率分配解，l^*、m^*分别表示获得最优解时的小区及对应的用户:

1)当l∈{1,...,L-1}时，

2)当l＝L时，

其中[x]⁺＝max(0,x)；

把最优解代入优化问题中，通过迭代更新η_l,β_lm,μ_l的次梯度的方法求解，η_l,β_lm,μ_l表示系数：

下面是对偶函数的一个次梯度：

其中，表示功率分配解；

迭代求解最优乘子的步骤如下：

1)初始化η_l(0),β_lm(0),μ_l(0),

2)计算的值，

3)正交频带分配：对每个频道r，将此频道分配给使且值最大的第l小区的第m个用户，记录其分配的小区号l，在分配过程中，当第l小区的第m个用户所分配的资源块数量大于上限则选择次大的用户，依次类推；

4)频带复用：对于每个用户m，获取其对应小区所分配到的正交频道集合，找出这些频道中使且值最大的频道r，将r分配给该用户并在集合中删除该频道，如果集合中频道数量仍大于0且该用户所分配的频道数量小于上限再选择使次大的频道进行分配，分配的频道数量最大为分配数量上限；

5)根据式(13)计算次梯度，并且用如下方法更新η_l,β_lm,μ_l：

t是迭代步长，ε_η,ε_β,ε_μ分别是η_l,β_lm,μ_l的步长参数；

6)回到3)直到算法收敛，收敛标准为||C⁽ⁿ⁾-C^(n-1)||₂≤ε，其中C为小区用户和速率向量C＝[C₁,C₂,...,C_L]，其上标(n)、(n-1)分别表示第n次、第n-1次迭代；C₁、C_L分别表示第1、L个用户速率向量，ε为收敛阈值，由此得到最优η_l^*,β_lm^*,μ_l^*，η_l^*,β_lm^*,μ_l^*分别为η_l,β_lm,μ_l的最优值，将其代入(7)-(12)，即得到频道和功率资源的分配策略；

(3).最后根据频道分配结果和发射功率分配结果进行用户及资源调度。