CN103731900A - 一种蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝异构网络下用户接入模式选择方法，属于通信领域。本发明的异构网络下的待接入用户可以选择三种接入模式，分别为宏蜂窝接入模式、小蜂窝接入模式和D2D中继接入模式。D2D中继接入模式可以使小蜂窝覆盖范围外的待接入用户在满足一定的条件下通过与小蜂窝用户建立D2D直连通信的方式，由该小蜂窝用户作为中继接入到小基站，从而提升小基站的服务范围，提高用户体验。同时，本发明也提供了一种接入模式选择方法以及D2D中继接入模式下的中继选择、信道与功率分配方法，可以有效解决接入模式选择、中继选择、信道与功率分配问题，提高异构网络的能量效率。

Description

一种蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法。

背景技术

随着无线通信系统的迅猛发展，已有的单一网络系统已经无法满足高速率、大容量、高服务质量的通信要求，下一代无线通信技术正朝着多种无线网络异构融合的方向发展。异构网络是指在宏基站覆盖的范围内，引入其他通信方式，有针对性地加强特定区域的覆盖，形成多层覆盖的一种网络结构，具有网络建网灵活，维护成本低廉，因而受到了广泛的关注。

在单一的宏蜂窝网络中引入小蜂窝形成蜂窝异构网络是目前使用较为广泛的异构网络，小蜂窝分布于宏蜂窝内，每个小蜂窝都有独立的小基站（small cellbase station，SBS）。小蜂窝是指覆盖范围相对宏蜂窝覆盖较小的蜂窝网络。每个小蜂窝小基站可以由蜂窝网络运营商或者消费者部署。通过引入小蜂窝能够有效地减轻宏蜂窝负载量，提高用户通信质量。由于小蜂窝的覆盖范围较小，不同小蜂窝之间可以复用同样的无线频谱资源从而提高频谱利用率。相对于接入宏基站，用户通过接入到距离更近的小基站可以获得更好的服务同时节约功耗。其次，由于小蜂窝的覆盖范围有限，因此小蜂窝在一定程度上可以复用频率资源，有助于提升频谱利用率。

宏蜂窝与小蜂窝异构网络中的用户可以选择2种接入模式：宏蜂窝接入模式和小蜂窝接入模式，宏蜂窝接入模式是指待接入用户直接接入宏基站；小蜂窝接入模式是指待接入用户直接接入小基站。一般在小蜂窝覆盖范围内的用户选择小蜂窝模式，减轻了宏蜂窝的负载，然而，由于小蜂窝的覆盖范围有限，在小蜂窝覆盖范围外的用户，通常无法接入小基站，而选用宏蜂窝模式。因此，为了在宏蜂窝网络中实现小蜂窝的全覆盖需要相当数量的小基站，而在蜂窝网络中小蜂窝的高密度布局会使得小蜂窝之间的同频干扰更加严重，且功耗大，成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法。

一种蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，所述的蜂窝异构网络下用户具有3种接入模式，分别为小蜂窝接入模式、宏蜂窝接入模式和D2D中继接入模式，待接入用户通过以下步骤选择接入模式：

（1）待接入用户感知来自所有小基站的信号强度，并根据信号强度获取待接入用户的位置；

（2）待接入用户根据自身的位置选择接入模式：

（2-1）若待接入用户处于小蜂窝覆盖范围内，则待接入用户采用小蜂窝接入模式；

（2-2）若待接入用户处于小蜂窝覆盖范围外，则判断待接入用户是否存在邻近小基站，

若不存在邻近小基站，则待接入用户采用宏蜂窝接入模式；

若存在邻近小基站，则进入步骤（3）；

（3）判断待接入用户是否存在最终中继，

（3-1）若存在，则待接入用户采用D2D中继接入模式；

（3-2）若不存在，则待接入用户采用宏蜂窝接入模式；

D2D中继接入模式为待接入用户通过最终中继接入到相应的小基站。

本发明中待接入用户不在小蜂窝覆盖范围内，应理解为待接入用户不在所有的小蜂窝覆盖范围内。本发明中比较待接入用户接收到的来自所有小基站的信号强度：

若最强的小基站信号强度小于预设下限，则判断待接入用户处于小蜂窝覆盖范围外；

否在，判断待接入用户处于小基站覆盖范围内，并且待接入用户接收到的该小基站的信号强度最强。

本发明中待接入用户具有3种可供选择的接入模式，除了传统的小蜂窝接入模式和宏蜂窝接入模式，还具有D2D中继接入模式，D2D（Device-to-Device）技术是蜂窝网络实现终端直接通信的重要技术手段。采用D2D作为中继技术可以使得小蜂窝覆盖范围外的用户接入到小基站，采用D2D中继帮助小蜂窝覆盖范围外的用户接入到小基站，可以在不增加小基站数目条件下扩大小蜂窝的服务范围，有利于用户体验。

本发明中待接入用户处于小蜂窝覆盖范围内，则采用小蜂窝接入模式，直接入信号强度最强的小基站。若待接入用户处于小蜂窝覆盖范围之外，则依次判断待接入用户是否存在邻近小基站和最终中继，若某一个判断结果为不存在，则停止继续判断，待接入用户采用宏蜂窝接入模式。

所述的D2D中继接入模式包括以下步骤：

（S1）待接入用户获取中继信道，并计算相应的发射功率；

（S2）待接入用户通过所述的中继信道与最终中继建立D2D链路；

（S3）待接入用户的数据由最终中继转发到小基站，使待接入用户接入到相应的小基站。

所述步骤（S1）中根据以下方法获取中继信道并计算相应的发射功率：

（S1-1）最终中继感知其他宏蜂窝用户使用的宏蜂窝信道，选择干扰最小的宏蜂窝信道；

（S1-2）根据公式：

$P_w=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}(N_0+I_m)}{H_D}$

计算待接入用户复用所述干扰最小的宏蜂窝信道与最终中继进行D2D通信所需的发送功率P_w，I_m为干扰最小的宏蜂窝信道的干扰，H_D为待接入用户与最终中继之间的信道增益，N₀为噪声功率，γ_dth为小蜂窝用户解调信号所需的最低信干噪比门限；

（S1-3）根据公式：

${\mathrm{\γ}}_m=\frac{S_m^M}{P_w{H}_w+N_0}$

计算待接入用户复用干扰最小的宏蜂窝信道时，宏基站接收到的来自于该宏蜂窝信道上的宏蜂窝用户的信号的信干噪比γ_m，

为宏基站接收到的来自该宏蜂窝信道上的宏蜂窝用户的信号的信号强度，H_w为待接入用户与宏基站之间的信道增益；

若γ_m≥γ_cth，则待接入用户复用该宏蜂窝用户，其中γ_cth为宏基站解调信号所需的最低信干噪比门限；

否则，宏基站为待接入用户分配未被其他用户使用的宏蜂窝信道作为专用信道，且根据公式：

$P_w^{\′}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}{N}_0}{H_D}$

计算待接入用户的发射功率P_w′。

所述的邻近小基站为待接入用户接收到的信号强度大于设定的阈值的小基站。根据待接入用户接收到的来自于各个小基站的信号强度判断是否存在邻近小基站：

若待接入用户接收到的来自小基站的信号强度大于设定的阈值，则该小基站为待接入用户的邻近小基站，判断待接入用户存在邻近小基站；

否则，判断待接入用户不存在邻近小基站。

一个待接入用户可以有多个对应的邻近小基站。

所述的最终中继为愿意为待接入用户作为D2D中继，同时使待接入用户的接入功率最小的小蜂窝用户，且该发射功率小于采用宏蜂窝接入模式时待接入用户的发射功率。

最终中继定义为最终确定的1个为待接入用户提供D2D中继服务的小蜂窝用户，本发明保证了待接入用户通过最终中继接入到小蜂窝所消耗的接入功率低于其他备选中继，同时也低于待接入用户直接接入宏基站所消耗功率。

所述步骤（3）通过以下步骤判断是否存在最终中继：

（301）待接入用户向宏基站发送D2D中继接入请求，宏基站接收到所述的D2D中继接入请求后为待接入用户分配临时信道，并设定定时时间；

（302）待接入用户采用所述的临时信道广播D2D中继接入请求；

（303）接收到该D2D中继接入请求的邻近小基站根据自身业务量判断是否响应所述的D2D中继接入请求，在设定的定时时间内响应该D2D中继接入请求的邻近小基站作为可接入小基站，并将确认响应信息反馈给宏基站；

（304）待接入用户采用所述的临时信道广播测试信号；

（305）可接入小基站中的小蜂窝用户感知所述的测试信号的信号强度，并根据当前状态决定是否愿意提供中继服务，其中愿意提供中继服务的小蜂窝用户为志愿中继，并将感知到的测试信号的信号强度及自身的用户信息反馈给相应的可接入小基站；

（306）可接入小基站根据志愿中继反馈的信号强度和测试信号的发送功率分别计算各个志愿中继对应的D2D中继模式下待接入用户的接入功率，并比较D2D中继模式下的最小接入功率与宏蜂窝模式下待接入用户的接入功率的大小关系：

若D2D中继模式下的最小接入功率大于宏蜂窝模式下的接入功率，则判断不存在最终中继；

否则，判断存在最终中继，并以该最小功率对应的志愿中继为最终中继。

待接入用户为了获取向所述的邻近小基站广播D2D中继接入请求的信道，待接入用户向邻近小基站广播D2D中继接入请求前，先向宏基站发送D2D中继接入请求；宏基站接收到该D2D中继接入请求后为待接入用户分配D2D中继接入临时信道，并设定定时时间，本发明中该定时时间为0～60s，若宏基站超过设定的定时时间后收到邻近小基站的反馈信息（即邻近小基站超过设定的定时时间才响应待接入用户的D2D中继请求），该邻近小基站仍然不作为可接入小基站。

本发明中若邻近小基站接收到待接入用户广播的D2D中继接入请求的信干噪比大于小基站解调信号所需的最低信干噪比门限，则认为该邻近小基站接收到该D2D中继接入请求，为接收到该D2D中继接入请求的邻近小基站。

可接入小基站可为多个，一个小基站中可能有0个或多个志愿中继，每个小基站备选中继最多只有1个，最终中继最多只有1个，志愿中继反馈给相应的小基站的用户信息为小蜂窝用户（即该志愿中继）在整个蜂窝网络中独有的识别号，比如电话号码、设备识别号。

广播测试信号在广播D2D中继接入请求之后，通过D2D中继接入请求确定可接入小基站，通过广播测试信号确定可接入小基站的志愿中继（即各个可接入小基站中愿意提供中继服务的小蜂窝用户），所述的测试信号中包含该测试信号的发送功率信息。为保证小基站邻近小基站接收到该D2D中继接入请求，但是为了防止使距离太远的小基站（不是邻近小基站）也接收到该D2D中继接入请求，本发明中待接入用户广播信息时的发送功率相同，即广播D2D中继接入请求的发送功率与广播所述测试信号的发送功率相同。

所述的接收到该D2D中继接入请求的邻近小基站根据当前通信用户数和被占用信道资源数判断是否响应待接入用户的D2D中继请求，若当前通信用户与总用户数的比值或者用户占用信道数与总可用信道数的比值超过预设上限，则认为业务忙，不响应中继接入请求，否则认为业务闲，响应中继接入请求。

所述步骤（305）中若小蜂窝用户的当前状态为需要与可接入小基站通信或电量低于设定的电量阈值下限，则该小蜂窝用户不作为志愿中继；

否则，该小蜂窝用户作为志愿中继。

所述步骤（306）的接入功率为待接入用户与志愿中继进行D2D通信的发送功率以及志愿中继与小基站通信的发送功率之和。

待接入用户与志愿中继进行D2D通信的发送功率根据公式：

$P_{R_k^j}=\frac{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}}{S_k^j}{P}_b$

计算，其中

为待接入用户与第j个可接入小基站的第k个志愿中继进行D2D通信的发送功率，

为第j个可接入小基站的第k个志愿中继感知到的测试信号的信号强度，P_b为测试信号的发送功率，根据公式：

$P_b=\frac{N_0{P}_S{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sth}}}{\underset{i}{\min }\left(S_{V_i}^S\right)}$

计算，其中P_S为小基站最小下行发送功率，γ_sth为小基站解调信号所需的最低信干噪比门限，

为待接入用户接收到的来自于邻近小基站V_i的信号强度。

待接入用户广播测试信号的发送功率P_b必须保证所有可接入小基站均能收到该测试信号，也就是可接入小基站接收到该测试信号后能够完成解调该测试信号。

宏蜂窝模式下待接入用户所需的接入功率根据公式：

$P_C=\frac{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cth}}}{H_w}$

计算，其中P_C为宏蜂窝模式下待接入用户所需的接入功率，γ_cth为宏基站解调信号所需的最低信干噪比门限，H_w为待接入用户与宏基站之间的信道增益。

D2D技术实现了信道的空间复用，即同一宏蜂窝内两条通信链路由于空间上的分离，使得两条链路使用同一信道引起的相互干扰都在各自可承受的范围内，因此，两条链路可以在保证用户服务质量的前提下复用同一信道，从而提高网络的频谱效率，而若不存在可供复用的信道，则宏基站为D2D中继通信分配未被使用的宏蜂窝信道，该信道为D2D中继通信专用的信道，不存在来自其他用户的干扰。

附图说明

图1本实施例中待接入用户的三种接入模式示意图；

图2为本发明的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法的流程图；

图3为本发明的确定最终中继的流程图；

图4为本发明提供的D2D中继信道分配流程图；

图5为待接入用户接入功率累积分布函数。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本实施例的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法的技术场景如下：宏蜂窝小区半径R_MB＝500m；一个宏蜂窝内部署有15个正在通信的宏蜂窝用户，6个不重叠的小蜂窝，每个小蜂窝各有10个小蜂窝用户，其中6个为空闲小蜂窝用户，1个待接入用户；则该蜂窝异构网络中小基站总数为N＝6；蜂窝通信链路的路径损失为128.1+37.6log10(d[km])，阴影衰落的均值为0、方差为10dB；

本实施例的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法中用户具有3种接入模式，如图1所示，分别为小蜂窝接入模式、宏蜂窝接入模式和D2D中继接入模式，如图2所示，待接入用户通过以下步骤选择接入模式：

（1）待接入用户感知来自所有小基站的信号强度，并根据信号强度获取待接入用户的位置，其中，来自每个小基站的信号强度记为

n为小基站编号，n＝1…N，本实施例中N=6。具体如下：

若

则待接入用户不在小蜂窝覆盖范围内；

若则待接入用户处在某一小蜂窝覆盖范围内；

其中，为系统预设的小蜂窝接入信号强度阈值（本实施例中

），

为待接入用户接收到的来自于小基站的最大信号强度。记相应小蜂窝中的小基站编号为n₀，

表示最大的取值对应的n的取值。

（2）待接入用户根据自身的位置选择接入模式：

（2-1）若待接入用户处于小蜂窝覆盖范围内，则待接入用户采用小蜂窝接入模式；

（2-2）若待接入用户处于小蜂窝覆盖范围外，则判断待接入用户是否存在邻近小基站；

（3）若所述步骤（2-2）中判定结果为存在邻近小基站，则继续判断待接入用户是否存在最终中继，

（3-1）若存在，则待接入用户采用D2D中继接入模式；

（3-2）若不存在，则待接入用户采用宏蜂窝接入模式；

D2D中继接入模式为待接入用户以最终中继为中继接入到相应的小基站。

邻近小基站为待接入用户接收到的信号强度大于设定的信号强度阈值的小基站，本实施中信号阈值强度记为

（本实施中

）。

最终中继为使待接入用户所需的接入功率最小的邻近小基站的小蜂窝用户，且该最小接入功率小于采用宏蜂窝接入模式时待接入用户的发射功率。

本实施例中步骤（1）得到待接入用户不在小蜂窝覆盖范围内，因此继续判断待接入用户是否存在邻近小基站。

若待接入用户接收到的来自于小基站n的信号强度

则小基站n为待接入用户的邻近小基站；

否则，小基站n不是待接入用户的邻近小基站。

本实施例中步骤（2-2）判断结果为待接入用户存在邻近小基站，记邻近小基站编号为V_i，V_i∈{1…N}，i∈{1…M₁}，M₁≤N，M₁为邻近小基站总数；则如图3所示，通过以下步骤判断待接入用户是否存在最终中继：

（301）待接入用户向宏基站发送D2D中继接入请求，宏基站接收到D2D中继接入请求后为待接入用户分配临时信道，并设定定时时间；

（302）待接入用户采用所述的临时信道广播D2D中继接入请求；

（303）接收到该D2D中继接入请求的邻近小基站根据自身业务量判断是否响应所述的D2D中继接入请求，在设定的定时时间内响应该D2D中继接入请求的邻近小基站作为可接入小基站，并将确认响应信息反馈给宏基站；

（304）待接入用户采用所述的临时信道广播测试信号（本实施例中该测试信号中包含有测试信号的发送功率信息）；

（305）可接入小基站中的小蜂窝用户感知所述的测试信号的信号强度，并根据当前状态决定是否愿意提供中继服务，其中愿意提供中继服务的小蜂窝用户为志愿中继，并将感知到的测试信号的信号强度及自身的用户信息反馈给相应的可接入小基站；

（306）可接入小基站根据志愿中继反馈的信号强度和测试信号的发送功率分别计算各个志愿中继对应的D2D中继模式下待接入用户的接入功率，并比较D2D中继模式下的最小接入功率与宏蜂窝模式下待接入用户的接入功率的大小关系：

若D2D中继模式下的最小接入功率大于宏蜂窝模式下的接入功率，则判断不存在最终中继；

否则，判断存在最终中继，并以该最小功率对应的志愿中继为最终中继。

步骤（303）中，邻近小基站接收到该D2D中继接入请求，根据自身业务量确定是否响应该D2D中继接入请求，小基站自身业务量包括当前通信用户数、用户占用信道资源数，若当前通信用户数与用户总数的比值或者用户占用信道资源数与总可用信道数的比值超过预设上限C_sth在本实施例中C_sth＝0.6，则认为业务忙，不响应中继接入请求，否则认为业务闲，响应中继接入请求。

响应D2D中继接入请求的邻近小基站定义为可接入小基站，记为A_j，A_j∈{1…N}，j∈{1…M₂}，M₂≤M₁，M₂为可接入小基站总数，可接入小基站向宏基站反馈响应确认信息，同时向所服务的小蜂窝用户广播信息，通知小蜂窝用户感知临时信道。

步骤（305）中若小蜂窝用户的当前状态为需要与可接入小基站通信或电量低于设定的电量阈值下限B_th(本实施例中B_th＝50%），则该小蜂窝用户不作为志愿中继；

否则，该小蜂窝用户作为志愿中继。

在本实施例中，所有小蜂窝用户的当前状态都不需要与可接入小基站通信，且电量均超过上述阈值，即可接入小基站中所有的小蜂窝用户均作为志愿中继。本实施例中得到的志愿中继的编号用

表示，即记j∈{1…M₂}，k∈{1…K_j}，其中K_j为小基站A_j所服务的志愿中继总数，志愿中继与小基站A_j通信的发送功率为

所述步骤（306）的接入功率为待接入用户与志愿中继进行D2D通信的发送功率以及志愿中继与小基站通信的发送功率之和。

待接入用户与志愿中继进行D2D通信的发送功率根据公式：

$P_{R_k^j}=\frac{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}}{S_k^j}{P}_b$

计算，其中

为待接入用户与第j个可接入小基站的第k个志愿中继进行D2D通信的发送功率，N₀为噪声功率（本实施例中N₀＝-114dBm），

为第j个可接入小基站的第k个志愿中继感知到的测试信号的信号强度，γ_dth为小蜂窝用户解调信号所需的最低信干噪比门限（本实施例中γ_dth＝10dB），P_b为测试信号的

发送功率，根据公式： $P_b=\frac{N_0{P}_S{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sth}}}{\underset{i}{\min }\left(S_{V_i}^S\right)}$

计算，其中P_S为小基站最小下行发送功率（本实施例中P_S＝0dBm），γ_sth为小基站解调信号所需的最低信干噪比门限（本实施例中γ_sth＝10dB），

为待接入用户接收到的来自于邻近小基站V_i的信号强度。

则待接入用户通过志愿中继

接入小基站A_j时所需的接入功率

为：

$P_{R_k^j}^{\′}=\frac{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}}{S_k^j}{P}_b+P_k^j,$

为志愿中继

与小基站A_j通信的发送功率。

宏蜂窝模式下待接入用户所需的接入功率根据公式：

$P_C=\frac{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cth}}}{H_w}$

计算，其中P_C为宏蜂窝模式下待接入用户所需的接入功率，γ_cth为宏基站解调信号所需的最低信干噪比门限，H_w为待接入用户与宏基站之间的信道增益，由待接入用户反馈给宏基站。

本实施例中，为减少数据处理量，可接入小基站收到志愿中继的反馈后根据各志愿中继对应的接入功率的大小，每个可接入小基站选择接入功率最小的志愿中继作为备选中继，可接入基站A_j的备选中继的编号根据公式：

$C_j=\underset{k}{\arg \min }(\frac{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}}{S_k^j}{P}_b+P_k^j)$

确定，

表示取最小的接入功率对应的志愿中继

的k值。

进一步比较各个备选中继C_j的接入功率P_j（其中j＝1…M₂），确定最小的接入功率P_min（P_min＝min(P_j),j＝1…M₂），并与宏蜂窝接入模式下的接入功率P_C比较，

若P_C≤P_min，则宏基站判断不存在最终中继；

否则，判断存在最终中继，其编号记为

其中j₀根据公式：

$j_0=\underset{j}{\arg \min }\left(P_j\right)$

计算，

表示取最小接入功率对应的备选中继编号C_j的j值。

D2D中继接入模式包括以下步骤：

（S1）待接入用户获取中继信道，并计算相应的发射功率；

（S2）待接入用户以中继信道为信道，与相应的最终中继建立D2D链路；

（S3）待接入用户的数据由最终中继转发到小基站，使待接入用户接入到相应的小基站。

其中，如图4所示，步骤（S1）通过以下步骤完成：

（S1-1）最终中继

感知被宏蜂窝用户使用的宏蜂窝信道，并选择干扰最小的宏蜂窝信道m，该最小干扰记为I_m，使用信道m的宏蜂窝用户记为宏蜂窝用户m；

（S1-2）宏基站根据公式：

$P_w=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}(N_0+I_m)}{H_D}$

计算待接入用户复用信道m与最终中继

进行D2D通信所需的发送功率，其中，P_w为待接入用户复用信道m与最终中继

进行D2D通信所需的发送功率，H_D为待接入用户与最终中继之间的信道增益，根据公式：

$H_D=\frac{S_{C_{j_0}}^{j_0}}{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}}$

计算，

为最终中继

感知到的测试信号的信号强度；

（S1-3）宏基站获取来自宏蜂窝用户m的信号强度

计算信道m被复用时宏基站接收到的来自宏蜂窝用户m信号的信干噪比γ_m，并根据公式：

${\mathrm{\γ}}_m=\frac{S_m^M}{P_w{H}_w+N_0}$

计算，

若γ_m≥γ_cth，则判断信道可被复用，即待接入用户复用信道m与最终中继

进行D2D通信；

否则，判断信道m不可被复用，由宏基站为待接入用户分配空闲信道，待接入用户采用空闲信道与最终中继

进行D2D通信。

图5为待接入用户接入功率累积分布函数（本实施例中10000次仿真结果），1为采用本实施例的接入方法接入时的接入功率累积分布函数，2为仅考虑现有两种模式（小蜂窝接入模式和宏蜂窝接入模式）接入时接入功率累积分布函数。可以看出，本发明引入的D2D中继接入模式及其中继、信道与功率分配方法可以有效降低待接入用户所消耗的接入功率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，所述的蜂窝异构网络下用户具有3种接入模式，分别为小蜂窝接入模式、宏蜂窝接入模式和D2D中继接入模式，待接入用户通过以下步骤选择接入模式：

（1）待接入用户感知来自所有小基站的信号强度，并根据信号强度获取待接入用户的位置；

（2）待接入用户根据自身的位置选择接入模式：

（2-1）若待接入用户处于小蜂窝覆盖范围内，则待接入用户采用小蜂窝接入模式；

（2-2）若待接入用户处于小蜂窝覆盖范围外，则判断待接入用户是否存在邻近小基站，

若不存在邻近小基站，则待接入用户采用宏蜂窝接入模式；

若存在邻近小基站，则进入步骤（3）；

（3）判断待接入用户是否存在最终中继，

（3-1）若存在，则待接入用户采用D2D中继接入模式；

（3-2）若不存在，则待接入用户采用宏蜂窝接入模式；

D2D中继接入模式为待接入用户通过最终中继接入到相应的小基站。

2.如权利要求1所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，所述的D2D中继接入模式包括以下步骤：

（S1）待接入用户获取中继信道，并计算相应的发射功率；

（S2）待接入用户通过所述的中继信道与最终中继建立D2D链路；

（S3）待接入用户的数据由最终中继转发到小基站，使待接入用户接入到相应的小基站。

3.如权利要求2所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，所述步骤（S1）中根据以下方法获取中继信道并计算相应的发射功率：

（S1-1）最终中继感知其他宏蜂窝用户使用的宏蜂窝信道，选择干扰最小的宏蜂窝信道；

（S1-2）根据公式：

$P_w=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}(N_0+I_m)}{H_D}$

计算待接入用户复用所述干扰最小的宏蜂窝信道与最终中继进行D2D通信所需的发送功率P_w，I_m为干扰最小的宏蜂窝信道的干扰，H_D为待接入用户与最终中继之间的信道增益，N₀为噪声功率，γ_dth为小蜂窝用户解调信号所需的最低信干噪比门限；

（S1-3）根据公式：

${\mathrm{\γ}}_m=\frac{S_m^M}{P_w{H}_w+N_0}$

计算待接入用户复用干扰最小的宏蜂窝信道时，宏基站接收到的来自于该宏蜂窝信道上的宏蜂窝用户的信号的信干噪比γ_m，

为宏基站接收到的来自该宏蜂窝信道上的宏蜂窝用户的信号的信号强度，H_w为待接入用户与宏基站之间的信道增益；

若γ_m≥γ_cth，则待接入用户复用该宏蜂窝用户，其中γ_cth为宏基站解调信号所需的最低信干噪比门限；

否则，宏基站为待接入用户分配未被其他用户使用的宏蜂窝信道作为专用信道，且根据公式：

$P_w^{\′}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}{N}_0}{H_D}$

计算待接入用户的发射功率P_w′。

4.如权利要求3所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，所述的邻近小基站为待接入用户接收到的信号强度大于设定的阈值的小基站。

5.如权利要求4所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，所述的最终中继为愿意为待接入用户作为D2D中继，同时使待接入用户的接入功率最小的小蜂窝用户，且该发射功率小于采用宏蜂窝接入模式时待接入用户的发射功率。

6.如权利要求5所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，所述步骤（3）通过以下步骤判断是否存在最终中继：

（301）待接入用户向宏基站发送D2D中继接入请求，宏基站接收到所述的D2D中继接入请求后为待接入用户分配临时信道，并设定定时时间；

（302）待接入用户采用所述的临时信道广播D2D中继接入请求；

（303）接收到该D2D中继接入请求的邻近小基站根据自身业务量判断是否响应所述的D2D中继接入请求，在设定的定时时间内响应该D2D中继接入请求的邻近小基站作为可接入小基站，并将确认响应信息反馈给宏基站；

（304）待接入用户采用所述的临时信道广播测试信号；

（305）可接入小基站中的小蜂窝用户感知所述的测试信号的信号强度，并根据当前状态决定是否愿意提供中继服务，其中愿意提供中继服务的小蜂窝用户为志愿中继，并将感知到的测试信号的信号强度及自身的用户信息反馈给相应的可接入小基站；

（306）可接入小基站根据志愿中继反馈的信号强度和测试信号的发送功率分别计算各个志愿中继对应的D2D中继模式下待接入用户的接入功率，并比较D2D中继模式下的最小接入功率与宏蜂窝模式下待接入用户的接入功率的大小关系：

若D2D中继模式下的最小接入功率大于宏蜂窝模式下的接入功率，则判断不存在最终中继；

否则，判断存在最终中继，并以该最小功率对应的志愿中继为最终中继。

7.如权利要求6所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，所述步骤（305）中若小蜂窝用户的当前状态为需要与可接入小基站通信或电量低于设定的电量阈值下限，则该小蜂窝用户不作为志愿中继；

否则，该小蜂窝用户作为志愿中继。

8.如权利要求7所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，所述步骤（306）的接入功率为待接入用户与志愿中继进行D2D通信的发送功率以及志愿中继与小基站通信的发送功率之和。

9.如权利要求8所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，待接入用户与志愿中继进行D2D通信的发送功率根据公式：

$P_{R_k^j}=\frac{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{dth}}}{S_k^j}{P}_b$

计算，其中

为待接入用户与第j个可接入小基站的第k个志愿中继进行D2D通信的发送功率，

为第j个可接入小基站的第k个志愿中继感知到的测试信号的信号强度，P_b为测试信号的发送功率，根据公式：

$P_b=\frac{N_0{P}_S{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sth}}}{\underset{i}{\min }\left(S_{V_i}^S\right)}$

计算，其中P_S为小基站最小下行发送功率，γ_sth为小基站解调信号所需的最低信干噪比门限，为待接入用户接收到的来自于邻近小基站V_i的信号强度。

10.如权利要求9所述的蜂窝异构网络下的用户接入模式选择方法，其特征在于，宏蜂窝模式下待接入用户所需的接入功率根据公式：

$P_C=\frac{N_0{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cth}}}{H_w}$

计算，其中P_C为宏蜂窝模式下待接入用户所需的接入功率，γ_cth为宏基站解调信号所需的最低信干噪比门限，H_w为待接入用户与宏基站之间的信道增益。

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