CN104469849B - 一种小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法，该方法中的小基站网络包含同时配置智能天线和全向天线的小基站，本发明的小基站网络能够根据业务分布利用智能天线进行动态流量分配，起到负载均衡，改善系统性能的作用，从而在满足业务需求的条件下减少所需的基站数目，降低部署成本。对智能天线引入的干扰，本发明在研究了现有的干扰处理方法的基础上，提出了一种改进的干扰处理方法，通过控制重叠频段有效降低干扰。

Description

一种小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法
技术领域
本发明涉及小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法，属于移动通信网络技术领域。
背景技术
近年来，随着移动互联网迅速兴起，移动终端和移动应用大量出现，导致移动数据业务成倍数增长，目前传统宏基站的小区分裂技术已经无法满足业务需求。部署能够在一个较小范围内提供高速数据容量的小基站是一个非常有吸引力的解决方案，可以通过在业务密集区域部署高速小基站来满足高速数据业务需求。
市区人口密集的区域如商场，小区，体育馆，餐厅等地方是常见的业务密集区域，需要部署小基站以满足业务需求。但是这些区域的业务分布存在极大的空间和时间不均匀性。例如：大型商场里面生意火爆的店里数据业务需求会很大，而生意冷清的店里数据业务就相对较小；餐厅在饭点的时候人很多，数据业务需求很高，过了饭点则比较空闲；体育馆在有比赛的时候通信量会超负荷，而比赛结束后则迅速下降到空闲状态。因此，如果按照业务的峰值来部署小基站，例如在体育馆有赛事的时候，那么会导致在空闲的时候存在严重浪费。如果减少小基站数目，那么在业务繁忙的时候又无法满足业务需求。
小基站网络是未来移动通信的一个发展趋势，针对高速率、低能耗这一发展方向，目前已经有一些文献提出了不同的方案。Simsek Meryem和Bennis Mehdi等人提出了一种利用WiFi资源的思想，让小基站同时支持授权频段(3G、4G)和非授权频段(WiFi)，从而增加可用带宽。这种方法的缺点是没有考虑业务的空间不均匀性，小基站之间没有协作，虽然提高了小基站网络的系统吞吐量，一定程度上可以降低所需的小基站数目，但是仍然需要按照业务峰值来部署小基站，网络空闲时存在资源浪费。Ni Wei和Collings Iain B则提出了一种改变拓扑的方法来提高系统吞吐量，通过动态地切换小基站节点和基带处理单元之间的连接来适应业务的变化。这种方法考虑了业务的不均匀性，通过自适应提高了频谱利用率，能够有效降低BBU的能耗，减少资源浪费，但是在部署时无法减少小基站的数目。而本发明能够很好地解决上面的问题。
发明内容
本发明目的在于提出了一种小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法，该方法应用于小基站网络中，能够根据业务分布情况动态分配资源，均衡负载，从而在满足业务需求的条件下减少所需的基站数目，降低部署成本。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提出了一种小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法，该方法首次将智能天线应用到小基站上，在此基础上，提出一种新的基于智能天线的小基站网络架构。本发明使小基站网络可以根据业务分布进行动态自适应，起到负载均衡，改善系统性能的作用。本发明提出了一种干扰处理的改进算法。智能天线的引入使系统中的干扰有所增加，本发明在研究了现有的干扰处理方法的基础上，提出了一种改进的干扰处理方法，通过控制重叠频段来有效降低干扰。
方法流程：
步骤1：架构中有小基站同时配置智能天线和全向天线；
基于智能天线的小基站网络包含两种小基站，一种是既有一个全向天线又配备了一个位于覆盖区域中心的智能天线(360度范围的二维或二维波束成形天线)的小基站，称为A类基站，另一种是普通的采用全向天线的小基站，称为B类基站。相邻的每3个小基站中有一个A类小基站，每个A类小基站周围为6个B类小基站。智能天线参与自适应时处于打开(使用)状态，不参与自适应时处于关闭(不使用)状态。
步骤2：小基站利用智能天线根据业务动态分配流量，均衡网络负载。
小基站每隔一段时间对网络业务负荷量进行估计，以确定A类小基站是否需要使用智能天线分流以及分流方向。小基站根据当前要接入用户的SINR值估算所需要的总带宽，与自身的实际可用带宽比较，并将结果上报给宏基站或控制服务器。宏基站或控制服务器根据小基站上报的结果进行计算，确定各A类小基站的智能天线的指向，并将自适应指令返回给小基站。
本发明利用智能天线根据业务动态自适应的方法为：
情况1：A类小基站业务不繁忙，有空闲带宽资源可用，则根据周边小基站的业务量情况确定是否利用智能天线为其分流以及分流方向。如果周边小基站均不繁忙，则无需分流；如果周边小基站繁忙，则将A类小基站的智能天线指向周边6个B类小基站中最繁忙的小基站方向，用自身的空闲带宽为其分流。
情况2：A类小基站业务非常繁忙，超过网络设计容量峰值，则利用智能天线以空分复用方式为自己分流。此时将A类小基站的覆盖范围划分成6个区域，在小基站本身业务繁忙的时候，统计各个区域的繁忙程度，确定业务最繁忙的一块区域，将智能天线指向该区域方向，复用全向天线的频段以增加系统吞吐量。
其他情况(A类小基站本身业务繁忙但没有超过网络设计容量峰值)：不使用智能天线。
步骤3：用户选择可用天线信号接入，小基站通过部分重叠智能天线和全向天线使用的频段，降低干扰。
同时处于智能天线和全向天线覆盖中的用户，既可以接入智能天线，也可以接入全向天线，本发明中用户根据信干噪比大小选择接入。若SINRd＞k·SINRo，那么接入智能天线，否则接入全向天线，所述SINRd表示接入智能天线时的信干噪比，SINRo表示接入全向天线时的信干噪比，k是一个0～1之间的常数。
选择好基站天线，进行接入时，如果被接入基站有可用带宽，并且接入信噪比大于接入门限，则可以接入；否则接入失败。
A类小基站的智能天线和全向天线使用一部分重叠的频段，综合提高频带利用率和降低同频干扰的影响，对智能天线和全向天线用户所使用的频带比例进行优化，优化的目标是在保证A类小基站的全向天线用户速率的前提下使得A类小基站的智能天线用户的总吞吐量最大，表示为：
其中，I为智能天线用户数，αi为第i个用户获得的带宽比例，J为全向天线用户数，βj为第j个用户获得的带宽比例。Rdi为第i个智能天线用户的速率，Roj为第j个全向天线用户的速率，ri是第i个智能天线用户的速率需求，rj是第j个全向天线用户的速率需求，
Rdi＝αiB[βlog2(1+SINRdci)+(1-β)log2(1+SINRdni)] (2)
Roj＝βjB[αlog2(1+SINRocj)+(1-α)log2(1+SINRonj)] (3)
其中SINRdci是第i个用户使用重叠频段时的信噪比，SINRdni第i个用户使用不重叠频段时的信噪比，SINRocj是第j个用户使用重叠频段时的信噪比，SINRdnj第j个用户使用不重叠频段时的信噪比。
优化时将A类小基站的智能天线和全向天线没有使用重叠的频段时给用户分配的带宽比例作为优化算法的初始值，进行迭代。
附图说明
图1为本发明基于智能天线的小基站网络架构示意图。
图2为本发明动态流量分配和干扰处理优化方法的流程图。
图3为本发明与现有技术在用户接入成功率性能的仿真实验对比，仿真实验比较了不同用户数目下的用户接入成功率示意图。
图4为本发明与现有技术在系统吞吐量性能的仿真实验对比，仿真实验比较了不同用户数目下的用户接入成功率示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出一种小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法，该方法可以根据业务分布情况动态分配资源，均衡负载，从而在满足业务需求的条件下减少所需的基站数目，降低部署成本。基于智能天线的小基站网络包含两种小基站，一种是既有一个全向天线又配备了一个位于覆盖区域中心的智能天线(360度范围的二维或二维波束成形天线)的小基站，称为A类基站，另一种是普通的采用全向天线的小基站，称为B类基站。相邻的每3个小基站中有一个A类小基站，每个A类小基站周围为6个B类小基站。智能天线参与自适应时处于打开(使用)状态，不参与自适应时处于关闭(不使用)状态。本发明中使用的智能天线为球冠模型智能天线。
在本发明中，小基站利用智能天线根据业务动态自适应，均衡网络负载。小基站每隔一段时间对网络业务负荷量进行估计，以确定A类小基站是否需要使用智能天线分流以及分流方向。小基站根据当前要接入用户的SINR值估算所需要的总带宽，与自身的实际可用带宽比较，并将结果上报给宏基站或控制服务器。宏基站或控制服务器根据小基站上报的结果进行计算，确定各A类小基站的智能天线的指向，并将自适应指令返回给小基站。
小基站利用智能天线根据业务动态自适应的方法为：
情况1：A类小基站业务不繁忙，有空闲带宽资源可用，则根据周边小基站的业务量情况确定是否利用智能天线为其分流以及分流方向。如果周边小基站均不繁忙，则无需分流；如果周边小基站繁忙，则将A类小基站的智能天线指向周边6个B类小基站中最繁忙的小基站方向，用自身的空闲带宽为其分流。
情况2：A类小基站业务非常繁忙，超过网络设计容量峰值，则利用智能天线以空分复用方式为自己分流。此时将A类小基站的覆盖范围划分成6个区域，在小基站本身业务繁忙的时候，统计各个区域的繁忙程度，确定业务最繁忙的一块区域，将智能天线指向该区域方向，复用全向天线的频段以增加系统吞吐量。
其他情况(A类小基站本身业务繁忙但没有超过网络设计容量峰值)：不使用智能天线。
小基站根据业务情况调整智能天线的指向和发射功率，小基站网络中的用户则根据实际接收到的信号进行接入。如果用户接收到智能天线的信号，并且该信号的接入SINR大于k倍的全向天线接入SINR，则选择接入智能天线，否则接入全向天线。k是一个0～1之间的常数，推荐值为0.8，引导用户接入智能天线，充分利用智能天线的资源。选择好基站天线，进行接入时，如果被接入基站有可用带宽，并且接入信噪比大于接入门限，则可以成功接入；否则接入失败。如图2所示。
智能天线的引入使系统中的干扰有所增加，本发明在研究了现有的干扰处理方法的基础上，提出了一种改进的干扰处理方法，通过控制重叠频段来有效降低干扰。
A类小基站的智能天线和全向天线使用一部分重叠的频段，综合提高频带利用率和降低同频干扰的影响，对智能天线和全向天线用户所使用的频带比例进行优化，优化的目标是在保证A类小基站的全向天线用户速率的前提下使得A类小基站的智能天线用户的总吞吐量最大，用公式(1)进行优化。
其中，I为智能天线用户数，J为全向天线用户数，Rdi为第i个智能天线用户的速率，用公式(2)计算，Roj为第j个全向天线用户的速率，用公式(3)计算，ri是第i个智能天线用户的速率需求，rj是第j个全向天线用户的速率需求，公式(1)、(2)中SINRdci是第i个用户使用重叠频段时的信噪比，SINRdni第i个用户使用不重叠频段时的信噪比，SINRocj是第j个用户使用重叠频段时的信噪比，SINRdnj第j个用户使用不重叠频段时的信噪比。
优化时将A类小基站的智能天线和全向天线没有使用重叠的频段时给用户分配的带宽比例作为优化算法的初始值，进行迭代。
本发明的仿真结果：
本发明的仿真实验在Matlab平台上完成，采用3GPP LTE系统架构，每个小基站的带宽资源为20MHz，有1200个子载波，采用正交频分多址接入(OFDMA)。用户流量具有不均匀特性，服从重尾分布。路径损耗采用3Gpp LTE中TS36942标准中的市区路径损耗模型，考虑对数正态阴影衰落。采用蒙特卡洛方法随机产生多个网络状态进行仿真比较现有技术(不采用自适应)和本发明方法，所有结果数据均为仿真50后取平均值。
仿真实验比较不同用户数目(业务负荷量)下，本发明方法和现有技术的用户接入成功率和系统吞吐量性能，用户数目从1000个增加到2000个。
仿真实验的结果如图3、4所示。可以看到，本发明方法在不同用户数目情况下均可以显著提高用户接入成功率和系统吞吐量，较现有方法有明显优势。因此本发明在保证系统吞吐量和接入成功率基本不变的情况下，可以减少小基站的数目，显著降低建站成本。显然，本发明方法能更好地利用空闲资源，降低建站成本。

Claims (2)

1.小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：架构中有小基站同时配置智能天线和全向天线；
基于智能天线的小基站网络包含两种小基站，一种是既有一个全向天线又配备了一个位于覆盖区域中心的智能天线的小基站，称为A类基站，所述智能天线是有360度范围的二维或二维波束成形天线，另一种是普通的采用全向天线的小基站，称为B类基站；相邻的每3个小基站中有一个A类小基站，每个A类小基站周围为6个B类小基站；智能天线参与自适应时处于打开，即：使用的状态，不参与自适应时处于关闭，即：不使用的状态；
步骤2：小基站利用智能天线根据业务动态分配流量，均衡网络负载；
小基站每隔一段时间对网络业务负荷量进行估计，以确定A类小基站是否需要使用智能天线分流以及分流方向；小基站根据当前要接入用户的SINR值估算所需要的总带宽，与自身的实际可用带宽比较，并将结果上报给宏基站或控制服务器；宏基站或控制服务器根据小基站上报的结果进行计算，确定各A类小基站的智能天线的指向，并将自适应指令返回给小基站；
步骤3：用户选择可用天线信号接入，小基站通过部分重叠智能天线和全向天线使用的频段，降低干扰；
同时处于智能天线和全向天线覆盖中的用户，既可以接入智能天线，也可以接入全向天线，本发明中用户根据信干噪比大小选择接入；若SINRd＞k·SINRo，那么接入智能天线，否则接入全向天线；所述SINRd表示接入智能天线时的信干噪比，SINRo表示接入全向天线时的信干噪比，k是一个0～1之间的常数；
选择好基站天线，进行接入时，如果被接入基站有可用带宽，并且接入信噪比大于接入门限，则可以接入；否则接入失败。
2.根据权利要求1所述的小基站网络中基于智能天线的动态流量分配方法，其特征在于，上述步骤2中利用智能天线根据业务动态分配流量包括：
A类小基站业务不繁忙:有空闲带宽资源可用，则根据周边小基站的业务量情况确定是否利用智能天线为其分流以及分流方向；如果周边小基站均不繁忙，则无需分流；如果周边小基站繁忙，则将A类小基站的智能天线指向周边6个B类小基站中最繁忙的小基站方向，用自身的空闲带宽为其分流；
A类小基站业务非常繁忙:超过网络设计容量峰值，则利用智能天线以空分复用方式为自己分流；此时将A类小基站的覆盖范围划分成6个区域，在小基站本身业务繁忙的时候，统计各个区域的繁忙程度，确定业务最繁忙的一块区域，将智能天线指向该区域方向，复用全向天线的频段以增加系统吞吐量；
A类小基站本身业务繁忙但没有超过网络设计容量峰值:不使用智能天线。
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