CN104079333A - 能量高效的双层异构网络下行协作传输方法 - Google Patents

Abstract

能量高效的双层异构网络下行协作传输方法，涉及通信技术领域。它是为了解决现有的下行协作传输能量效率低的问题。本发明在使用时，在提高网络频谱效率的同时，对协作传输复杂度所带来的能耗进行控制，因此降低了网络的总能耗，从整体上提高了网络的能量效率，同比提高了15％；当用户所在的位置被多种蜂窝小区重叠覆盖，且网络存在小区间干扰时，旨在降低干扰、增强信号质量的下行协作传输策略都可使用本方法来降低计算复杂度，进而降低网络相关能耗。本发明适用于通信技术领域。

Description

能量高效的双层异构网络下行协作传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域。

背景技术

作为各运营商积极推动和部署的未来无线网络覆盖方式，异构网络(HeterogeneousNetwork，HetNet)通过在宏基站覆盖范围内部署低功率节点，如毫微微蜂窝，来提高频谱利用率。目前应用较为广泛的是宏蜂窝/毫微微蜂窝双层异构网络。然而，由于毫微微蜂窝密集分布，且与宏蜂窝重叠覆盖，系统的小区间干扰严重，限制了系统容量的增长；同时，由于毫微微蜂窝基站天线发射功率与宏蜂窝基站天线发射功率相差较大，小区间干扰管理变得尤其复杂。

协作传输策略通过在基站之间共享用户的所有数据和信道信息，联合处理传输数据，能够有效减小干扰，大幅度提高网络频谱效率；同时，若定义能量效率为系统吞吐量与网络总消耗功率的比值，代表网络每单位能量所能传输的比特数，则可知，由于协作传输通过减小小区间干扰，使天线不必以最大功率发射信号，可提高网络的能量效率。因此，在双层异构网络中，利用协作传输对小区间干扰进行有效管理，是提高网络能量效率，实现“节能减排”以及“绿色通信”的重要手段。

现有的下行协作传输策略，大多数通过预编码实现。其目标是在单根天线最大发射功率的限制下实现网络整体吞吐量的最大化。具体过程是，首先进行信道状态矩阵的求逆，随后针对每根天线，在单天线最大发射功率限制下，为参与协作传输的所有天线逐个分配发射功率。这种旨在最大化网络吞吐量的方法存在的问题是，其并没有考虑预编码的信道状态矩阵求逆以及功率分配过程所带来的计算复杂度，这种计算复杂度一方面会带来处理时延，另一方面则会在基带处理部分产生大量能耗，尤其是当参与协作天线数目较多时，基带处理的能耗将超过网络其它部分的能耗，从而降低系统的能量效率。

发明内容

本发明是为了解决现有的下行协作传输能量效率低的问题，从而提供了一种能量高效的双层异构网络下行协作传输方法。

能量高效的双层异构网络下行协作传输方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将下行协作传输预编码的计算复杂度分为信道状态矩阵求逆以及功率分配两个过程，网络性能按照能量效率进行衡量；

步骤一一、在信道状态矩阵求逆过程中，基于双层异构网络中用户与蜂窝基站的地理分布特性，减少信道状态矩阵中非零元素的个数，将无规则矩阵转换为带状对角阵的形式；

步骤一二、在功率分配过程中，通过对宏基站天线的发射功率及相对应的信道增益进行转换，将逐天线功率分配问题转换为基于注水算法的总功率分配问题；

步骤二、预编码完成，中心基站协调各个基站进行信号传输。

本发明的有益效果是：本发明在使用时，在提高网络频谱效率的同时，对协作传输复杂度所带来的能耗进行控制，因此降低了网络的总能耗，从整体上提高了网络的能量效率，同比提高了15％。

附图说明

图1为能量高效的双层异构网络下行协作传输方法的流程图；

图2为双层异构网络覆盖模型示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的能量高效的双层异构网络下行协作传输方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将下行协作传输预编码的计算复杂度分为信道状态矩阵求逆以及功率分配两个过程，网络性能按照能量效率进行衡量；

步骤一一、在信道状态矩阵求逆过程中，基于双层异构网络中用户与蜂窝基站的地理分布特性，减少信道状态矩阵中非零元素的个数，将无规则矩阵转换为带状对角阵的形式；

步骤一二、在功率分配过程中，通过对宏基站天线的发射功率及相对应的信道增益进行转换，将逐天线功率分配问题转换为基于注水算法的总功率分配问题；

步骤二、预编码完成，中心基站协调各个基站进行信号传输。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的能量高效的双层异构网络下行协作传输方法作进一步限定，本实施方式中，步骤一中，网络性能的衡量指标为能量效率η，由网络的吞吐量C与网络的总功耗P_tot得到；其中，P_tot既包括传统的基站发射功率P_t与电路功率P_c，还包括协作传输复杂度的基带处理功率P_b；

$\mathrm{\η}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}C/P_{\mathrm{tot}}=C/(P_c+P_t+P_b).$

其中，N为参与协作传输的微蜂窝基站天线数，为宏蜂窝基站天线的发射功率，为毫微微蜂窝基站天线的发射功率。

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的能量高效的双层异构网络下行协作传输方法作进一步限定，本实施方式中，步骤一一中，将毫微微蜂窝用户与其他建筑物的毫微微蜂窝基站之间的信道增益置零；将宏蜂窝中的用户与相距较远的毫微微蜂窝基站之间的信道增益置零，仅保留K₁个附近的毫微微蜂窝基站；将宏蜂窝基站与距离较远的毫微微蜂窝的用户之间的信道增益置零，仅保留距离宏蜂窝基站较近的K₂个微蜂窝；K₁与K₂的值由毫微微蜂窝的部署密度以及用户与毫微微蜂窝的地理分布特性所决定，信道矩阵变成了带状的对角阵，其非零元素减少。

具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的能量高效的双层异构网络下行协作传输方法作进一步限定，本实施方式中，步骤一二中，将宏蜂窝基站天线发射功率变为与毫微微蜂窝基站天线发射功率相等，并将信道状态矩阵中宏蜂窝基站到所有用户的信道增益乘以系数其中为宏蜂窝基站天线的最大发射功率，为毫微微蜂窝基站天线的最大发射功率；

将逐天线功率分配变为基于注水算法的总功率分配，得到每根天线的实际发射功率，对宏蜂窝基站天线为对第i个毫微微蜂窝基站天线为其中i＝1,...,F，F为毫微微蜂窝的个数；

控制所有天线所实际分配的功率不会超过单根天线的最大发射功率限制，即且 $P_t^F\left(i\right)\≤P_T^F,$ i＝1,..,F；

基于系数e确定分配给宏蜂窝基站天线的最终实际发射功率分配给毫微微蜂窝基站天线的最终实际发射功率其中i＝1,...,F。

上述实施方式中，首先，网络性能的衡量指标为能量效率η，由网络的吞吐量C与网络的总功耗P_tot得到；其中，P_tot既包括传统的发射功率P_t与电路功率P_c，还包括协作传输复杂度的基带处理功率P_b；

$\mathrm{\η}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}C/P_{\mathrm{tot}}=C/(P_c+P_t+P_b).$

其中，N为参与协作传输的微蜂窝基站天线数。

其次，确定网络拓扑后，通过光纤将各蜂窝连接至网络的中心基带处理单元，从而得到各蜂窝基站与其用户的信道状态信息，也即完整的信道状态矩阵

再次，对信道状态矩阵求逆得到由于信道状态矩阵求逆过程运算量大，尤其是当协作天线数目较多时极其复杂，针对实际的覆盖场景，由于毫微微蜂窝位于室内且发射功率小，考虑外墙损耗较大(根据3GPP TR36.814 V9.00中表格A.2.1.1.2-8，典型内墙与外墙损耗分别为5dB与20dB)，将宏蜂窝中的用户与相距较远的毫微微蜂窝基站之间信道增益置零，仅保留K₁个附近的毫微微蜂窝基站；将宏蜂窝基站与距离较远的毫微微蜂窝用户之间的信道增益置零，仅保留距离宏蜂窝基站较近的K₂个微蜂窝。K₁与K₂的值由毫微微蜂窝的部署密度以及用户与毫微微蜂窝的地理分布特性所决定。由此，将信道状态矩阵变成了带状的对角阵，其非零元素减少，求逆复杂度降低；

然后，由于矩阵中元素的不均匀性，对其中元素进行功率分配以提高频谱效率。使用流功率分配方案，首先将宏蜂窝基站天线发射功率变为与毫微微蜂窝基站天线发射功率相等，并将信道状态矩阵中宏蜂窝基站到所有用户的信道增益乘以系数其中其次，将逐天线功率分配变为基于注水算法的总功率分配，得到每根天线的实际发射功率，对宏蜂窝基站天线为对第i个微蜂窝基站天线为其中i＝1,...,F，F为毫微微蜂窝的个数；再次，给所有天线的发射功率乘以相同的系数以确保分配的功率不会超过单根天线的最大发射功率限制，即且i＝1,...,F；最后，基于系数e确定分配给宏蜂窝基站天线的最终实际发射功率

最后，预编码完成，中心基带处理单元根据上述信道状态矩阵求逆以及功率分配结果协调各个蜂窝基站进行信号传输。

如图2所示，本发明使用的覆盖场景以宏蜂窝和毫微微蜂窝组成的双层异构网络为例，且包含住宅区与商业区两种业务特性不同的地区。但本发明并不局限于这种网络覆盖场景。当用户所在的位置被多种蜂窝小区重叠覆盖，且网络存在小区间干扰时，旨在降低干扰、增强信号质量的下行协作传输策略都可使用本方法来降低计算复杂度，进而降低网络相关能耗。

Claims (4)

1.能量高效的双层异构网络下行协作传输方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、将下行协作传输预编码的计算复杂度分为信道状态矩阵求逆以及功率分配两个过程，网络性能按照能量效率进行衡量；

步骤一一、在信道状态矩阵求逆过程中，基于双层异构网络中用户与蜂窝基站的地理分布特性，减少信道状态矩阵中非零元素的个数，将无规则矩阵转换为带状对角阵的形式；

步骤一二、在功率分配过程中，通过对宏基站天线的发射功率及相对应的信道增益进行转换，将逐天线功率分配问题转换为基于注水算法的总功率分配问题；

步骤二、预编码完成，中心基站协调各个基站进行信号传输。

2.根据权利要求1所述的能量高效的双层异构网络下行协作传输方法，其特征在于：

步骤一中，网络性能的衡量指标为能量效率η，由网络的吞吐量C与网络的总功耗P_tot得到；其中，P_tot既包括传统的基站发射功率P_t与电路功率P_c，还包括协作传输复杂度的基带处理功率P_b；

$\mathrm{\η}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}C/P_{\mathrm{tot}}=C/(P_c+P_t+P_b).$

其中，N为参与协作传输的微蜂窝基站天线数，为宏蜂窝基站天线的发射功率，为毫微微蜂窝基站天线的发射功率。

3.根据权利要求1所述的能量高效的双层异构网络下行协作传输方法，其特征在于：

步骤一一中，将毫微微蜂窝用户与其他建筑物的毫微微蜂窝基站之间的信道增益置零；将宏蜂窝中的用户与相距较远的毫微微蜂窝基站之间的信道增益置零，仅保留K₁个附近的毫微微蜂窝基站；将宏蜂窝基站与距离较远的毫微微蜂窝的用户之间的信道增益置零，仅保留距离宏蜂窝基站较近的K₂个微蜂窝；K₁与K₂的值由毫微微蜂窝的部署密度以及用户与毫微微蜂窝的地理分布特性所决定，信道矩阵变成了带状的对角阵，其非零元素减少。

4.根据权利要求1所述的能量高效的双层异构网络下行协作传输方法，其特征在于：

步骤一二中，将宏蜂窝基站天线发射功率变为与毫微微蜂窝基站天线发射功率相等，并将信道状态矩阵中宏蜂窝基站到所有用户的信道增益乘以系数其中为宏蜂窝基站天线的最大发射功率，为毫微微蜂窝基站天线的最大发射功率；

将逐天线功率分配变为基于注水算法的总功率分配，得到每根天线的实际发射功率，对宏蜂窝基站天线为对第i个毫微微蜂窝基站天线为其中i＝1,...,F，F为毫微微蜂窝的个数；

控制所有天线所实际分配的功率不会超过单根天线的最大发射功率限制，即且i＝1,...,F；

基于系数e确定分配给宏蜂窝基站天线的最终实际发射功率分配给毫微微蜂窝基站天线的最终实际发射功率其中i＝1,...,F。