一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法
【专利摘要】本发明提供一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，利用微微基站及小区范围扩展技术的特点，基于均衡基站间负载的目的，提出一种变步长的动态偏置值切换算法，且该方法的优化目标为网络中最差用户的性能，该方法主要利用降指数函数及符号函数特性，动态改变偏置值的变化速率，主要步骤如下：首先，设定动态偏置值算法及其初始值；其次，根据小区选择机制，对用户进行判断划分，得到不同时刻最差用户的性能，并进行前后时刻性能对比，利用符号函数对偏置值进行修正，使最差用户性能函数最终趋于最大值，本发明在基站间负载均衡的基础上，利用变步长的偏置值算法，提升系统中最差用户的性能，使基站资源得到充分利用。
【专利说明】一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，涉及异构网络的小区边缘扩大技术，尤其涉及一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，可用于宏基站和微微基站构成的异构网络中的小区边缘模糊化处理。
【背景技术】
[0002]随着无线通信技术的不断发展和人们对通信需求的不断提高，传统网络在面对高速率、高流量、高宽带需求的用户群时，其性能显得有所欠缺，同时也出现了许多直接影响用户体验的问题。如:靠近宏基站的用户可以获得很好的性能，但靠近基站边缘的用户由于路径损耗和来自附近其它基站的干扰，其性能很差。又如:在热点地区或用户密集的地区，宏基站的资源对用户而言显得捉襟见肘，宏基站负载过重也使得用户性能有所下降。
[0003]为了有效解决传统网络中存在的诸多问题引入了异构网络的概念。异构网络作为一种具有新拓扑结构的网络，包含了宏基站和各种不同的低功率节点(low power nodes,LPNs)，如:微微基站(picocell)，毫微微基站(femtocell)等。与宏基站相比，低功率节点具有功率较小，可以灵活部署等诸多优点。因此，作为异构网络中的重要组成部分，低功率节点的应用得到了学术界和产业界的广泛关注。
[0004]微微基站作为低功率节点的一种类型，具有自己独特的优势。首先，微微基站与宏基站大体相类似，不同之处在于它的功率较小，资源消耗小；其次，微微基站可以自由部署，可用于室内或室外，目前主要应用于室外。基于以上优点，在宏基站的覆盖区域内部署若干微微基站所构成的异构网络得到广泛研究和应用，它可以有效解决传统网络中存在的诸多问题，同时能够改善网络的性能，如网络的总体吞吐量及最差用户的性能等。
[0005]在宏基站和微微基站构成的异构网络环境中，由于微微基站的功率远小于宏基站功率，微微基站很小的覆盖范围内可能只包含为数不多的用户，若不进行任何处理会使得接入到微微基站的用户数远小于接入到宏基站的用户数，造成基站间负载失衡。宏基站和微微基站的负载不均衡使得宏基站的资源无法很好的服务所有用户，而微微基站的资源却不能得到充分利用。对于网络中边缘用户和性能较差的用户，其性能也无法得到改善。
[0006]为了有效解决宏基站和微微基站构成的异构网络中存在的上述问题，提出了增加偏置值的小区边缘扩大技术(cell range expansion, CRE)。
[0007]小区边缘扩大技术是通过对小型基站增加一定的偏置值，使得小型基站的覆盖范围增大，进而使得小型基站边缘及附近的部分用户可以从宏基站切换到小型基站中。对于切换到小型基站的用户而言，虽然功率变小，信干噪比值(SINR)变小，但其获得的带宽变大，因而其吞吐量有所提高，对于部分性能较差的用户其整体性能也能够得到提升。对于整个网络而言，宏基站的用户卸载到小型基站中，一方面节省了宏基站的资源，也充分利用了小型基站的资源；另一方面，对于切换到小型基站的用户也能够得到比原来更好的网络性能，而处于宏基站的用户数减少，资源增大，其获得的网络性能也得到提升。因此，小区边缘扩大技术可以有效利用宏基站和小型基站的资源，同时改善网络中用户的性能，并提升网络的整体性能。
[0008]在宏基站和微微基站构成的网络中，小区边缘扩大技术通过对微微基站增加一定的偏置值，使得微微基站的覆盖范围增大，进而吸收更多的用户进行服务。也就是将宏基站的用户卸载到微微基站，利用微微基站进行服务。该技术在减少宏基站用户数的同时也节省了宏基站的资源，并使得微微基站的资源也得到了充分利用。
[0009]在小区边缘扩大技术中，用户从宏基站切换到微微基站的过程中采用了基于参考信号接收功率(Reference Signal Receiving Power, RSRP)的小区选择机制，即用户选择接收到功率较大的基站作为服务小区。
[0010]微微基站未加偏置值之前，由于宏基站的功率大于微微基站的功率，绝大多数用户会处于宏基站覆盖范围内，微微基站很小的覆盖范围内可能仅包含极少数用户。对于基站内绝大多数用户而言，其接收到来自宏基站的功率相比微微基站大，基于最大接收功率的小区选择机制，它们会选择宏基站作为服务小区。对于即使是处于微微基站覆盖范围内或者边缘的用户，也有可能接收到宏基站的功率大于微微基站的功率，它们也会选择宏基站作为其服务小区而非微微基站。这样必然会造成基站资源的使用不均，同时引起很严重的干扰问题，使得用户无法得到较好的服务，造成网络及用户性能较差。
[0011]微微基站增加偏置值之后，其覆盖范围增大，原来处于微微基站边缘附近的用户将会吸纳到覆盖范围内，同时部分用户接收到来自微微基站的功率在增加偏置值之后大于其所接收到来自宏基站的功率。这使得靠近微微基站的用户具有更高的几率接入到其中，从而获得一定的卸载率使用户从宏基站卸载至微微基站中，达到负载均衡。
[0012]采用增加偏置值的小区边缘扩大技术，一方面可以使基站间负载得到均衡，在充分利用微微基站资源的同时也释放了宏基站的部分资源，提高了基站资源利用率；另一方面可以提高网络中最差用户的性能及网络整体性能。
[0013]目前，基于宏基站和微微基站的小区边缘扩大技术大多在增加偏置值的时候没有考虑到偏置值动态变化算法设计及最差用户性能的改善，如Moha_ed Al-Rawi等在IEEE ICCS, 2012《A Dynamic Approach for Cell Range Expansion in InterferenceCoordinated LTE-Advanced Heterogeneous Networks)) 一文中，提出利用效用函数前后时刻的对比来动态调整偏置值的大小，此方法中考虑到了偏置值随网络状态的变化，但不足之处在于偏置值的变化幅度设定为固定步长，且效用函数的获得需要网络中部分性能的反馈并进行相对复杂的计算，有可能会增大切换延迟，从而影响用户的体验。固定步长的增大有可能使得前后时刻的效用函数对比跨过了优化目标的峰值，从而无法获得最优解，同时也可能使优化速率变慢。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于提供一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，以优化宏基站和微微基站构成的异构网络中最差用户的性能，实现基站间负载均衡。
[0015]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0016]采用动态的变步长偏置值算法，并根据基于小区边缘扩大技术的小区选择机制对异构网络中的用户进行判断划分，得到不同时刻随偏置值不断变化的宏基站和微微基站用户分布，同时获取所述异构网络中最差用户的性能，根据前后时刻所述异构网络中最差用户的性能对比，所述变步长偏置值算法利用符号函数对偏置值的变化方向和变化速率进行修正，使异构网络中最差用户的性能趋于最大值(最大值即趋于稳定的最差用户性能函数的最优化值)。
[0017]所述异构网络的场景为在宏基站覆盖范围内随机部署一个微微基站，异构网络中随机分布若干用户，用户分为宏基站用户和微微基站用户，宏基站用户由宏基站进行服务，微微基站用户由微微基站进行服务。
[0018]所述小区选择机制为:
[0019]对每个用户比较式I和式2的计算结果:
[0020]式 I = power_p*pathgain_p*bias(t)
[0021]式 2 = power_m*pathgain_m
[0022]若式I的计算结果大于式2的计算结果，则对应用户选择微微基站作为服务小区，反之，则对应用户选择宏基站作为服务小区，power_p表示微微基站的发射功率，pathgain_P表示微微基站到用户的路径增益，bias(t)表示某一时刻t的偏置值函数，powerjii表示宏基站的发射功率，pathgain_m表示宏基站到用户的路径增益。
[0023]所述偏置值的变化速率采用降指数形式，某一时刻t偏置值的变化速率采用以下函数表示:
[0024]Vbias (t) = a*ewt [0025]其中，a以及b为影响速率变化幅度及快慢的两个参数，a取正实数，b取负实数。
[0026]所述利用符号函数对偏置值的变化方向和变化速率进行修正具体包括以下步骤:若后一时刻最差用户的性能大于前一时刻最差用户的性能，则偏置值按照原来的规律继续增大；若后一时刻最差用户的性能小于等于前一时刻最差用户的性能，则改变偏置值的变化方向，使偏置值减小，符号函数表示为:
【权利要求】
1.一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，其特征在于:包括以下步骤: 采用动态的变步长偏置值算法，并根据小区选择机制对异构网络中的用户进行判断划分，得到随偏置值变化的宏基站和微微基站用户分布，同时获取所述异构网络中最差用户的性能，根据前后时刻所述异构网络中最差用户的性能对比，所述变步长偏置值算法利用符号函数对偏置值的变化方向和变化速率进行修正，使异构网络中最差用户的性能趋于最大值。
2.根据权利要求1所述一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，其特征在于:所述异构网络的场景为在宏基站覆盖范围内随机部署一个微微基站，异构网络中随机分布若干用户，用户分为宏基站用户和微微基站用户，宏基站用户由宏基站进行服务，微微基站用户由微微基站进行服务。
3.根据权利要求1所述一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，其特征在于:所述小区选择机制为: 对每个用户比较式I和式2的计算结果:
式 I = power_p*pathgain_p*bias(t)
式 2 = power_m*pathgain_m 若式I的计算结果大于式2的计算结果，则对应用户选择微微基站作为服务小区，反之，则对应用户选择宏基站作为服务小区，power_p表示微微基站的发射功率，pathgain_p表示微微基站到用户的路径增益，bias(t)表示某一时刻t的偏置值函数，powerjii表示宏基站的发射功率，pathgain_m表示宏基站到用户的路径增益。
4.根据权利要求1所述一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，其特征在于:所述偏置值的变化速率采用降指数形式，某一时刻t偏置值的变化速率采用以下函数表不:
Vbias ⑴=a*ewt 其中，a以及b为影响速率变化幅度及快慢的两个参数，a取正实数，b取负实数。
5.根据权利要求1所述一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，其特征在于:所述利用符号函数对偏置值的变化方向和变化速率进行修正具体包括以下步骤:若后一时刻最差用户的性能大于前一时刻最差用户的性能，则偏置值按照原来的规律继续增大；若后一时刻最差用户的性能小于等于前一时刻最差用户的性能，则改变偏置值的变化方向，使偏置值减小，符号函数表示为:./、 minperformance(/-l) - minperibrmance(/ - 2)
* I mi nperforman ce(/ -1) — minperformance(/ - 2)| 其中，minperformance表示最差用户的性能，t表示时刻。
6.根据权利要求1所述一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，其特征在于:所述变步长偏置值算法具体包括以下步骤: 当t = 1，2时
bias(t) = Vbias (t) 当t≥3时
bias (t) = bias (t_l) +sign (t) *Vbias (t)
7.根据权利要求1所述一种基于优化最差用户性能的变步长偏置切换方法，其特征在于:通过比较某一时刻t所有用户的性能得到最差用户的性能:
【文档编号】H04W28/08GK103957561SQ201410175152
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】曲桦, 赵季红, 邱颖, 栾智荣 申请人:西安交通大学