CN102325331B - 热点覆盖网络小区的热点基站设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,所述小区包括一个中央宏基站和分布在小区内的至少一个热点基站,所述设置方法包括以下步骤:S1、获得包括热点地区的范围和用户密度、宏小区的用户密度、以及用户分别到所述中央宏基站和所述热点基站的各项大尺度衰落参数在内的各项参数;S2、根据宏小区、热点区域、宏基站和热点基站的各项参数,分别得到在所述热点基站与宏基站格局下形成的两个边缘区域的面积函数;S3、根据系统需求,结合步骤S2中所述两个边缘区域的面积以及所述两个边缘区域对应的用户密度,设置所述热点基站。本发明能够有效的平衡热点区域与宏小区的负载,提高网络的边缘频谱利用率,复杂度低,具有较强的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域,尤其涉及一种热点覆盖网络小区的热点基站设置方法。
背景技术
由国际电信联盟无线通信分部(ITU-R)定义的第四代移动通信系统(IMT-A),又被广泛的称为4G。IMT-A系统的承载能力全面超越了第三代移动通信系统(3G,IMT-2000)。根据ITU-R所提出的需求,IMT-A主要具备如下特征:
1)与早期IMT系统和固定网络在业务上的兼容性;
2)与其它无线通信系统交互工作的能力;
3)高质量的无线业务;
4)世界通用的用户终端(UE);
5)网络应用、服务于设备的用户友好性;
6)国际漫游支持;
7)能够支持更先进业务与应用的增强峰值传输速率(高速移动场景支持到100Mbit/s,低速移动场景支持到1Gbit/s)。
为了满足这些新的挑战,第三代合作伙伴计划(3GPP)早已在其标准化范围内,订立了全面超越3G水平的系统目标。3GPP的长期演进系统(LTE)已经能够提供下行(DL)100Mbps与上行(UL)50Mbps的网络性能。但是,这个作为第一版发布的LTE系统,LTE R8版本,仍不足以满足ITU的需求。于是,3GPP继续推出了先进的长期演进(LTE-A)系统。LTE-A是基于LTE R8的进一步演进版本,作为IMT-A的候选技术提案之一,其目标系统性能旨在全面超越IMT-A的系统需求。与此同时,电机及电子学工程师联合会(IEEE)推出了另外一个IMT-A候选提案802.16m,作为其相应的3G标准全球微波接入互操作系统(802.16e,WiMAX)的后续演进。
在标准化进程中,异构部署网络,作为极大提高覆盖与区域系统频谱利用率的手段,将成为未来网络部署的主要方式之一。异构部署网络,是在传统蜂窝宏基站覆盖的基础上,增加新的网络节点。依据3GPP LTE中的定义,可以将异构部署划分为四种类型:中继、分布式系统(也即射频拉远)、热点覆盖与家庭基站。不同部署类型的技术原理与面向的部署场景有所差异。调查研究表明,下一代无线通信业务的发生地将有较强的集聚性,如办公场所等室内热点,或步行街等室外热点。热点地区的高速率数据业务需求,也将有力的推动热点覆盖的增加。
在室外覆盖的选择上,热点覆盖微基站(PeNB)具有独特的优势。其站址选择通常是由运营商来完成的。一些研究工作表明,这种开放式接入的热点覆盖相比限制用户接入的覆盖方式,能够取得更好的系统性能。开放式热点覆盖中产生了一些新的系统特征,主要体现在以下几个方面:
其一,干扰环境复杂。
热点覆盖的部署具有较强的不可预知性。在热点覆盖,PeNB的数量、配置参数(功率、天线高度等)与地理位置,在一定程度上,是由热点地区的性质决定的。通常情况下,这些属性都具有一定的随机性。因此,热点覆盖的干扰情况比传统蜂窝小区更为复杂。
其二,用户分布不均匀。
传统的接入控制算法,大都是通过大尺度增益最大的原则。热点地区用户密度与宏小区密度不同,结合这些用户对服务质量的要求之后,对覆盖方式如选址位置、参数配置等带来挑战。
其三,小区边缘用户的位置发生变化。
异构部署导致传统意义上的小区边缘用户的分布发生改变。由于热点小区的产生,介于热点小区与宏小区边缘的用户群体成为了新的小区边缘用户。传统服务小区边缘用户的方式将要发生改变。
因此,在选址PeNB时,不仅要考虑PeNB发送功率的大小、所处的干扰环境,也要考虑用户分布不均匀对系统性能造成的影响。
综上所述,针对热点覆盖网络,设计一个合理的覆盖热点用户群的选址方法,充分考虑以上因素,平衡中央宏基站(MeNB)与PeNB、小区中心与小区边缘的性能,充分挖掘网络的性能潜力,提高资源的有效利用率,增加用户满意度,已成为亟待解决的一个重要问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:提供一种热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,以平衡热点区域与宏小区的负载,提高网络的边缘频谱利用率。
(二)技术方案
为解决上述问题,本发明提供了一种热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,所述小区包括一个中央宏基站和分布在小区内的至少一个热点基站,所述设置方法包括以下步骤:
S1、获得包括热点地区的范围和用户密度、非热点区域的用户密度、以及用户分别到所述中央宏基站和所述热点基站的包括各项大尺度衰落参数在内的各项参数;
S2、根据非热点区域、热点区域、宏基站和热点基站的各项参数,分别得到在所述热点基站与宏基站格局下形成的两个边缘区域的面积函数,所述两个边缘区域分别为:热点区域中不存在宏基站干扰时应该接入所述热点基站、存在宏基站干扰时应该接入所述宏基站的热点边缘区域;以及非热点区域中不存在热点基站干扰时应该接入所述宏基站、存在热点基站干扰时应该接入所述热点基站的非热点边缘区域;
S3、根据系统需求,结合步骤S2中所述两个边缘区域的面积以及所述两个边缘区域对应的用户密度,设置所述热点基站。
优选地,所述步骤S2中得到在热点基站与宏基站格局下形成的两个边缘区域的面积函数包括以下步骤:
S21、设置所述热点基站服务用户信干比的门限,作为衡量用户是否接入热点基站的判决门限;
S22、以所述待设置热点基站的选址位置、发送功率、以及所述信干比门限为变量,在所述宏基站干扰存在的前提下,得到所述热点基站的设置结果与所述热点基站实际覆盖区域之间的关系函数;
S23、根据步骤S22得到的关系函数,得到所述两个边缘区域的面积函数,所述面积函数以所述热点基站的选址位置、发送功率以及所述热点基站服务用户的信干比门限为自变量。
优选地,所述步骤S3包括:
S31、根据所述两个边缘区域的面积函数和相应边缘区域的用户密度,计算所述两个边缘区域的用户数,所述两个边缘区域的用户数是以所述热点基站的选址位置、发送功率以及所述热点基站服务用户的信干比门限为自变量的函数;
S32、根据系统需求,得到所述两个边缘区域用户数的约束条件,通过调节上述函数的自变量来满足所述约束条件,进而获得所述热点基站的设置结果。
优选地,在所述宏小区覆盖范围内,以所述热点基站服务用户的信干比为门限,所述热点基站的实际覆盖范围以圆形区域表示。
优选地,所述两个边缘区域用户数的约束条件包括:所述热点边缘区域的用户数小于或等于所述非热点边缘区域的用户数。
优选地,所述两个边缘区域用户数函数的自变量调节方式为:固定所述热点基站的发送功率和所述热点基站服务用户的信干比门限,在所述约束条件的约束下,获得所述热点基站的选址位置。
优选地,所述热点基站为微基站、中继站或射频拉远的天线端口。
优选地,所述热点基站采用全向天线,所述宏基站采用扇区天线或全向天线。
(三)有益效果
本发明通过综合考虑热点基站的选址位置、发送功率、热点基站服务用户的信干比门限、以及用户密度等因素,对热点基站进行合理的设置,使得热点基站更有效的覆盖热点用户区域,减少由于热点基站与宏基站相互干扰造成的边缘用户损失;能够有效的提高边缘用户的数据速率,使得网络负载更加均衡,且运算复杂度低,具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明实施例在宏基站(MeNB)干扰下微基站(PeNB)的覆盖缺陷示意图;
图2为本发明实施例PeNB发送功率与信干比(SIR)门限值对PeNB实际覆盖影响的SIR等值线示意图;
图3为本发明实施例PeNB的位置对PeNB实际覆盖影响的SIR等值线示意图;
图4为本发明实施例PeNB边缘用户区域示意图;
图5为本发明实施例的仿真场景示意图;
图6为本发明实施例的仿真评估结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。
假设一个小区中心有一个配备了全向天线的宏基站(MeNB),其位置坐标为(0,0)。一个微基站(PeNB)的位置坐标为(d,0),d>0满足MeNB与PeNB部署的最小间距要求。设不存在MeNB干扰时,此PeNB的覆盖半径为rd,在仅考虑大尺度衰落的前提下,对于小区内任意一个用户,其接收到送往MeNB与PeNB导频信号功率分别表示为:
Pr,m=Pm-am-bmlogdm, (1)
Pr,p=Pp-ap-bplogdp, (2)
其中,对于MeNB,Pm表示发送功率,bm表示用户到MeNB的路径损耗因子,am表示用户到MeNB的其它大尺度衰落参数(如阴影衰落与其它常数),dm表示用户到MeNB的距离。类似的,对于PeNB,bp表示用户到PeNB的路径损耗因子,ap表示用户到PeNB的其它大尺度衰落参数(如阴影衰落与其它常数),dp表示用户到PeNB的距离,其发送功率大小为Pp。
设定所述用户接入PeNB的信干比SIR门限值为λth,在仅考虑路径损耗的情况下,所述用户接入PeNB的SIR满足不小于门限λth的条件表示为:
Pr,p-Pr,m≥λth, (3)
其中Pr,p,Pr,m分别为用户接收到的PeNB和MeNB的信号强度(单位dB)。参考3GPP LTE规范中的PeNB部署模型,进一步假设路损因子bm=bp=b。则(3)式可转化为:
设 考虑所述MeNB与PeNB的坐标分别为(0,0)与(d,0),(4)式可表示为:
经过变型,(5)式可转化为圆的标准形式:
其中,圆心(x0,y0)与半径r0分别为:
这里的圆心(x0,y0)与半径r0即为在宏基站干扰下,所述微基站实际覆盖区域的圆心和半径。结合图1可以看出,当将所述PeNB设于所述热点区域的中心,覆盖热点区域时,在所述PeNB与MeNB格局下形成有两个区域,即:
热点边缘区域A:属于热点用户群所处区域,为所述PeNB选址前,期望所述PeNB覆盖到该部分;在所述PeNB选址后,由于所述MeNB对所述PeNB的干扰,使得该部分区域用户按照接入准则判决为接入所述MeNB;
非热点边缘区域B:属于非热点用户群所处区域,即属于宏小区的其它区域;为所述PeNB选址前,不期望所述PeNB覆盖到该部分;在所述PeNB选址后,由于所述PeNB对所述MeNB的干扰,使得该部分区域用户按照接入准则判决为接入所述PeNB。
通常情况下,热点区域的用户密度远大于宏小区非热点区域用户密度,因此热点边缘区域的面积虽然较小,但是其密度很高,所以其用户数量较多;非热点边缘区域的面积虽然较大,但是由于其用户密度比热点边缘区域的用户群密度低很多,所以其用户数量较少。
直观上,这种覆盖办法减少了PeNB覆盖范围内待服务的用户数,会略微提高PeNB覆盖区域内的性能。但是,由于MeNB增加了小区边缘用户数量,且这部分增加用户所处的区域是靠近PeNB覆盖的边缘位置,这必将使得热点用户群的小区边缘吞吐量大幅下降,进而使得整个区域的性能下降。因此,简单的将PeNB选址在热点区域的中心,会造成资源的浪费、性能的损失。
因此本实施例中约束PeNB设置的方法为:合理调整PeNB的发送功率Pp、位置(d,0)和SIR门限λth,使得热点基站在不存在宏基站干扰时覆盖的用户数量小于等于热点基站存在宏基站干扰时实际覆盖的用户数量。
由上面的式子得到了PeNB实际覆盖区域的圆心、半径与PeNB的位置、SIR门限、发送功率的函数关系。根据这个函数关系,由PeNB实际覆盖区域的圆心(x0,y0)、半径r0、门限λth,可以反推出PeNB的相关参数:
同时还可以得到PeNB覆盖圆边缘与MeNB圆心沿着x轴的距离的两个临界点:
其中,α1表示PeNB靠近MeNB圆心的临界点,α2表示PeNB远离MeNB圆心的临界点。
由式(8)可以看出,已知热点基站实际覆盖区域的圆心、半径和SIR门限,就可以得到热点基站的选址位置和发送功率。
通过调整PeNB参数,考察PeNB覆盖变化的趋势,得到与PeNB实际覆盖区域的圆心、半径有关的自变量参数是SIR门限λth、PeNB位置(d,0)和PeNB发送功率Pp,即:
(1)固定SIR门限λth和PeNB位置(d,0),如果PeNB的发送功率Pp增大,则PeNB实际覆盖圆的圆心右移、半径增大,且半径增幅大于圆心移动的距离。α1靠近MeNB移动,α2增大较大,如图2所示。
(2)固定PeNB位置(d,0)和PeNB的发送功率Pp,若SIR门限λth减小,则实际情况类似(1)。
(3)固定SIR门限λth和PeNB的发送功率Pp,若d增大,则圆心右移,半径增加,圆心移动量超过半径增加量。α1远离MeNB移动,α2增大,如图3所示。
一般来说,一旦为PeNB选定位置,其覆盖能力与范围的大体情况就确定了。虽然通过对其发送功率和服务SIR门限的调节能对覆盖情况做出微调,但是选址是首要的具有决定作用的步骤。
图4为本发明实施例PeNB边缘用户区域示意图。如图4所示,热点地区为规则的圆形区域,用rh、(dh,0)分别表示其半径和圆心,并且热点地区用户群的密度为ρp;宏小区覆盖非热点区域的用户密度为ρm;PeNB的选址位置为(d,0),在没有宏基站干扰时,其覆盖半径为rd;在存在宏基站干扰时,所述PeNB的实际覆盖区域的圆心为(x0,0),半径为r0。由图4可以得到,所述热点边缘区域的面积为Sα;所述非热点边缘区域的面积为Sβ。其中Sα区域的用户密度为ρp;Sβ区域的用户密度为ρm。
因此,在图4所示的实施例中,设置热点基站的约束条件即为:
Sα*ρp≤Sβ*ρm (10)
如图4所示,为了求出Sα、Sβ,我们需要分别求出以(x0,0)为圆心、r0为半径、2θ为圆心角的扇形面积S1;以(dh,0)为圆心、rh为半径、为圆心角的扇形面积S2;和以代表PeNB实际覆盖区域的圆和代表热点区域的圆的一个交点、(x0,0)、(dh,0)为顶点的三角形面积SΔ。其中θ、定义为地理位置上的夹角,如图4所示。得到:
Sα=S2-(S1-2SΔ), (11)
将式(11)-(15),结合式(4)和(7),可以求得Sα、Sβ的面积。
通常情况,在待部署PeNB的发送功率、用户SIR门限λth已定的前提下,可通过式(10)获得PeNB选址位置(d,0)的约束条件。约束条件的计算可借助计算机软件(如Matlab)。
一个特殊的情况为,设置所述热点基站,使得所述热点基站的实际覆盖区域与所述热点用户群的区域重合。即将所述热点用户群的区域的圆心和半径代入到所述式(8)中,获得所述热点基站的选址位置、发送功率以及用户SIR门限参数。
下面根据一个具体的资源分配实施例来验证本发明在覆盖室外热点用户群的微基站设置方法上的优越性。
在本发明实施例中,使用3GPP场景1作为评估场景,小区站间距500m,系统带宽10MHz,用户移动速度3kmph;采用六边形规则小区部署,共部署7个小区,每小区采用全向天线。仿真区域如图5所示。
仅考察在中心小区放置PeNB的情况;中心小区MeNB坐标为(0,0);待覆盖热点用户群坐标为(180,0),半径40m。
宏小区用户数为30,均匀分布;热点用户群用户数为5或10,均匀分布;PeNB与用户终端(UE)之间最小间距10m,MeNB与UE之间最小间距35m;PeNB选址过程中,落在PeNB周围10m以内的用户在统计中不予考虑。热点用户群的SIR门限是1dB。
MeNB总发送功率为46dBm,PeNB总发送功率为24dBm;UE到MeNB路径损耗L=128.1+37.6log10(dm),UE到PeNB路径损耗L=140.7+36.7log10(dp),其中dm和dp以km为单位;MeNB到UE的阴影衰落标准差为8dB,PeNB到UE的阴影衰落标准差为10dB;ITU-UMi小尺度衰落,天线策略为2x2单用户MIMO,无天线极化;使用比例公平调度器;频选PMI/CQI,5ms反馈周期,6ms反馈时延,理想信道估计;HARQ采用追加合并,至多3次重传;MMSE接收机;穿透损耗20dB,MeNB/PeNB天线增益14/5dBi,UE天线增益0dBi。
仿真两种场景:热点用户群用户数为5(场景一)或10(场景二)。场景一下,计算得到PeNB的选址位置(d,0)中,d的约束条件为166≤d≤174;场景二下,根据上面的式子,计算得到d的约束条件为164≤d≤171。
图6显示了本发明实施例的小区边缘评估结果。由图可见,按照本发明所得到的选址约束条件进行布站,使得小区边缘频谱效率得到明显提高。其中场景一下,小区边缘频谱效率提高约3%到15%,场景二下提高26%到37%。由此可见,热点用户群密度越高,对PeNB选址的约束就越有效果。
需要指出的是,虽然上面实施例的评估是针对一套特定的热点覆盖网络构架与系统参数实施的,但是由于本发明方案具有很强的普遍性(具体表现在:一方面对热点覆盖新增基站的形式(PeNB,Relay等)没有限制;另一方面,对热点用户群区域形状(规则的圆形、方形区域,或者不规则形状的区域)、SIR要求、系统其它配置上也没有限制),因此,当本发明的方法应用于具有不同网络架构的热点覆盖网络与系统参数中时,本发明方案仍能体现出优越性。
由以上实施例可以看出,本发明的覆盖室外热点用户群的热点基站设置方法,通过综合考虑热点基站位置、功率、用户密度等因素,设计合理的选址位置,使得热点基站有效的覆盖热点用户区域,减少由于热点基站与MeNB相互干扰造成的边缘用户损失。该方案能够有效的提高边缘用户的数据速率,使得网络负载更加均衡,且运算复杂度低,具有较强的实用性。
以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (6)
1.一种热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,所述小区包括一个中央宏基站和分布在小区内的至少一个热点基站,其特征在于,所述设置方法包括以下步骤:
S1、获得包括热点地区的范围和用户密度、非热点区域的用户密度、以及用户分别到所述中央宏基站和所述热点基站的距离、大尺度衰落因子、路径损耗与阴影衰落参数;
S2、根据非热点区域、热点区域、宏基站和热点基站的地理位置与发送功率、接收端到各基站的路径损耗因子、阴影衰落与其它路径损耗常数参数,
分别得到在所述热点基站与宏基站格局下形成的两个边缘区域的面积函数,所述两个边缘区域分别为:热点区域中不存在宏基站干扰时应该接入所述热点基站、存在宏基站干扰时应该接入所述宏基站的热点边缘区域;以及非热点区域中不存在热点基站干扰时应该接入所述宏基站、存在热点基站干扰时应该接入所述热点基站的非热点边缘区域;
其中,所述步骤S2中得到在热点基站与宏基站格局下形成的两个边缘区域的面积函数包括以下步骤:
S21、设置所述热点基站服务用户信干比的门限,作为衡量用户是否接入热点基站的判决门限;
S22、以待设置热点基站的选址位置、发送功率、以及信干比门限为变量,在所述宏基站干扰存在的前提下,得到所述热点基站的设置结果与所述热点基站实际覆盖区域之间的关系函数;
S23、根据步骤S22得到的关系函数,得到所述两个边缘区域的面积函数,所述面积函数以所述热点基站的选址位置、发送功率以及所述热点基站服务用户的信干比门限为自变量;
按照接收端接收信干比门限,计算得出热点基站在宏基站干扰下的实际覆盖范围,该范围近似为一个圆形,表示为:
其中,
d表示待设置热点基站的选址位置;
Pm表示宏基站发送功率;
bm表示用户到宏基站的路径损耗因子;
am表示用户到宏基站的其它大尺度衰落参数;
Pp表示热点基站发送功率;
bp表示用户到热点基站的路径损耗因子;
ap表示用户到热点基站的其它大尺度衰落参数;
λth表示用户接入热点基站的信干比门限值;
S3、根据系统需求,结合步骤S2中所述两个边缘区域的面积以及所述两个边缘区域对应的用户密度,设置所述热点基站;
其中,所述步骤S3包括:
S31、根据所述两个边缘区域的面积函数和相应边缘区域的用户密度,计算所述两个边缘区域的用户数,所述两个边缘区域的用户数是以所述热点基站的选址位置、发送功率以及所述热点基站服务用户的信干比门限为自变量的函数;
S32、根据系统需求,得到所述两个边缘区域用户数的约束条件,通过调节上述函数的自变量来满足所述约束条件,进而获得所述热点基站的设置结果;
其中,设置热电基站的约束条件为:
Sαρp≤Sβρm
其中,Sα,Sβ分别为热点边缘区域的面积和非热点边缘区域的面积;
ρp,ρm分别为热点缘边区域和非热点边缘区域的用户密度。
2.如权利要求1所述的热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,其特征在于,在所述宏基站覆盖范围内,以所述热点基站服务用户的信干比为门限,所述热点基站的实际覆盖范围以圆形区域表示。
3.如权利要求2所述的热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,其特征在于,所述两个边缘区域用户数的约束条件包括:
所述热点边缘区域的用户数小于或等于所述非热点边缘区域的用户数。
4.如权利要求3所述的热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,其特征在于,所述两个边缘区域用户数函数的自变量调节方式为:固定所述热点基站的发送功率和所述热点基站服务用户的信干比门限,在所述约束条件的约束下,获得所述热点基站的选址位置。
5.如权利要求1所述的热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,其特征在于,所述热点基站为微基站、中继站或射频拉远的天线端口。
6.如权利要求1所述的热点覆盖网络小区的热点基站设置方法,其特征在于,所述热点基站采用全向天线,所述宏基站采用扇区天线或全向天线。
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- 2011-07-20 CN CN201110204201.XA patent/CN102325331B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
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Title |
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一种覆盖室外热点用户区域的微基站选址算法;王坦;《2011全国无线及移动通信学术大会论文集》;20110831;全文 * |
王坦.一种覆盖室外热点用户区域的微基站选址算法.《2011全国无线及移动通信学术大会论文集》.2011, * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN102325331A (zh) | 2012-01-18 |
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