CN104902556B - 一种无定形小区动态功率控制方法 - Google Patents

一种无定形小区动态功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无定形小区动态功率控制方法,属于无线通信技术领域。本发明方法基于所有节点的信干噪比高于某个阈值的准则,对固定节点加入或者退出次小区时的情形进行功率控制,通过动态的功率控制,可以保证无定形小区中所有节点仍然能同时通信。本方法可用于无定形小区及其他动态变化结构的小区功率分配方案中,有效地解决了无定形节点在移动过程中节点之间的干扰问题。

Description

一种无定形小区动态功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种无定形小区动态功率控制方法,属于无线网络通信技术领域。
背景技术
由于用户日益增长的无线通信需求及用户的移动特性,如工作地点的移动和临时会场的部署,通信热点也会随时间不断改变。在传统蜂窝网中部署固定的小基站可能无法满足时变的热点通信需求,依靠大量部署小基站来覆盖所有可能存在的通信热点也将造成基站资源的浪费,并且会对同频系统带来不必要的干扰。在这种背景下,无定形小区(Amorphous Cell)作为一种具有前景的方案被提出。
无定形小区由固定节点和移动的低功率节点联合组网形成,通过探索低功率节点的应用,与固定节点构成一种时间、形状和位置均可动态变化的服务小区,从而改善覆盖并增强区域容量,以更好地适应未来无线通信业务的需求,并为节能减排起到积极作用,其中动态变化的低功率节点称为无定形节点(Amorphous Node,AN)。无定形节点可以以游牧或者低速移动(≤30km/h)的形式灵活及高密度部署在灯杆、墙壁及公交车等地方固定节点与移动节点之间的不断靠近并远离,使得无定形小区间的干扰环境也在不断变化,需要研究有效的动态小区间的干扰管理与协调方案。现有的低功率节点,包括中继(Relay),微微蜂窝(Picocell)和毫微微蜂窝(Femtocell)等,这些低功率节点的工作频率与传统基站的工作频率相同,大大提高了频谱效率,获得了业界的关注。
对拓扑结构动态变化的无定形小区,目前很少有人研究其中的功率控制问题。目前迫切需要一套切实可行的针对拓扑结构动态变化的无定形小区的功率控制解决方案。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于无定形节点与固定节点同频使用时的动态功率控制方法,避免无定形节点网络中处于低速运行的无定形节点在接入链路下行与宏基站下行之间的干扰,以及无定形节点之间的干扰。但此方案不仅限于无 定形节点,亦可用于其他动态变化结构的小区功率分配方案中。上述场景是传统蜂窝通信中不曾遇到的,因此本发明提出一种动态的功率控制方法来避免无定形小区中的干扰,同时该方案亦可用于小小区增强技术方面。
本发明方法是建立在如下基础上进行设计的:为便于说明,将宏基站(eNB)称为主基站,对应的小区和节点成为主小区和主节点。无定形节点(低功率移动节点)称为次基站,对应的小区和节点称为次小区和次节点。主次基站共用同一频谱,减少了频谱浪费,但同时增加了主次节点间的干扰。如何减少这种干扰,是本专利研究的内容。
为了实现上述发明目的,采用的技术方案如下:
本发明分别考虑固定节点(主节点)同时加入、同时退出、依次加入和依次退出四种情况。当有主节点加入次小区时,次小区中已有的节点需要调节发送功率,使得所有节点的信干噪比都大于阈值(新加入的固定节点不调节发送功率)。当有主节点退出次小区时,次小区中剩下的节点也需要调节发送功率,使得所有节点的信干噪比都大于阈值。四种情况对应的功率值存在的条件不同,使得所有节点的信干噪比高于某个阈值,是为了保证固定节点动态加入或者退出时,次小区中的所有节点仍然能同时正常通信。
一种无定形小区动态功率控制方法,包括以下内容:
情景1,依次加入:K个主节点依次加入次小区(K为大于等于1的自然数),第一个新主节点加入时,为了让所有节点都能正常通信,次小区中已有的节点和新加入次小区的主节点的信干噪比必须同时满足阈值,相应推导出功率值存在的条件。依次类推可求得后续主节点加入时的信干噪比和新的发送功率。
情景2,同时加入:K个主节点同时加入次小区(K为大于等于1的自然数),次小区中已有的节点和新加入次小区的K个主节点的信干噪比必须同时满足阈值,相应推导出功率值存在的条件。
情景3,依次退出:K个主节点依次退出次小区(K为大于等于1的自然数),当有一个主节点退出时,为了让所有节点都能正常通信,次小区中剩余节点的信干噪比必须满足阈值,相应推导出功率值存在的条件。依次类推可求得后续主节点退出时,次小区剩余节点的信干噪比和新的发送功率。
情景4,同时退出:K个主节点同时退出次小区(K为大于等于1的自然数),此时次小区中剩下节点的信干噪比必须满足阈值,相应推导出功率值存在的条件。
有益效果:
本发明根据主节点进入和退出次小区的四种情况,通过动态的功率控制,保证所有节点的信干噪比高于一定的阈值,从而保证了所有节点的正常通信,更加适应动态变化的网络环境。
附图说明
图1为本发明实施例无定形小区动态功率控制方法的流程示意图;
图2为本发明实施例中的无定形小区场景图;
图3为本发明实施例次小区已有节点新的发送功率和信干噪比阈值之间的关系;
图4为本发明实施例次小区剩余节点新的发送功率和信干噪比阈值之间的关系。
具体实施方式:
为使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。本实施例在以发明技术方案为前提进行实施,给出了详细实施方式和具体操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示,本发明考虑无定形小区上行链路传输环境。在实际应用中次小区已经存在N个节点,随着次基站的不断移动,随时有主节点加入或者退出网络,pn为第n个次节点的发送功率(所有功率量的单位都是W),在次基站的覆盖范围内所有节点同时向次基站发送数据时,可能造成相互干扰。次节点通过调节发送功率以降低相互干扰。当第n个节点的信干噪比大于一个阈值,就认为第n个节点能够正常通信,否则该节点无法正常通信。为了方便分析,在本发明中主基站和次基站都配置Nt根天线,主节点和次节点都配置单根天线。次小区中第n个节点信干噪比可以通过下式计算得到
其中hn是次小区中第n个节点的信道增益,σ2是背景噪声,所有节点的背景噪声相同。
为了保证节点的正常通信,次小区中第n个节点的信干噪比需大于或等于某个阈值Γ,即:
γn≥Γ (2)
这里,Γ表示一个预先给定的信干噪比阈值。
情景1,依次加入:本发明中有K个主节点依次加入次小区,第一个新主节点加入时,其发送功率为q1,那么次小区中已有的次节点和新加入次小区的主节点的信干噪比可分别根据以下两式计算
为了让所有节点都能正常通信,信干噪比必须同时满足:
其中g1是第一个新加入的主节点对应的信道增益,hn和hm分别是次小区中已有的节点的信道增益,p'n和p'm是次小区中已有的节点新的发送功率。为了让所有节点都能正常通信,信干噪比必须满足式(2)的约束条件。
次小区中已有的节点各自调整发送功率,计算它们各自新的发送功率很复杂,因此,在实际应用中可以简单的令次小区已有的节点新的发送功率相等,记为
根据信干噪比的约束条件可以推导出
此时存在且满足:
如果上述条件不能够满足,说明不存在。
当第二个主节点加入时,次小区中已有的节点(已经存在的次节点和第一个加入的主节点)和新加入次小区的主节点的信干噪比分别由以下两式计算
其中是次小区中已有的节点新的发送功率(不包括第一个新加入的节点),q1和g1分别是第一个新加入的主节点的发送功率和对应的信道增益,q2和g2分别是第二个新加入的主节点的发送功率和对应的信道增益,依次类推可求得后续主节点加入时的信干噪比和新的发送功率。
情景2,同时加入:本发明中有K个主节点同时加入次小区,其中第k个主节点的发送功率记为pk。此时次小区中已有的节点和新加入次小区的主节点的信干噪比由以下两式计算
这里p'n和p'm是次小区中已有的第n个节点和第m个新的发送功率,pk是新加入的第k个主节点的发射功率,pi是其他主节点新加入次小区的发射功率。hk是新加入的第k个主节点的信道增益,hi是其他主节点新加入次小区的信道增益。为了让所有节点都能正常通信,信干噪比必须同时满足:
在实际应用中次小区中已有节点新的发送功率相等即p′t。由 可推导出
此时pt'存在且满足:
情景3,依次退出:本发明中有K个主节点依次退出次小区,当有一个主节点退出时,次小区中剩余节点的信干噪比由下式计算
这里,hn和hm分别是次小区中剩余节点的信道增益,p'n和p'm是次小区中剩余节点新的发送功率。
在实际应用中次小区剩下的节点新的发送功率相等并记为同样,根据信干噪比约束条件可以推导出时,此时存在且满足
当第二个主节点退出时,次小区中剩余节点的信干噪比由下式计算
其中是次小区中剩下的节点新的发送功率。依次类推,可求得后续主节点退出时,次小区中剩余节点的信干噪比和新的发送功率。
情景4,同时退出:本发明有K个主节点同时退出次小区,此时次小区中剩下的节点的信干噪比由下式计算:
这里,hn和hm分别是次小区中剩余节点的信道增益,p'n和p'm是次小区中剩余节点新的发送功率,为了让所有次小区中的节点都能正常通信,信干噪比必须满足:
在实际应用中次小区剩下节点新的发送功率相等并记为pt',同样,根据信干噪比约束条件可以推导出此时pt'存在且满足
不失一般性,设置背景噪声σ2=0.01,次小区中已经存在10个次节点,即N=10。它们的发送功率随机产生,数值依次是p=[0.995,0.9231,0.9607,0.9486,0.9891,0.9762,0.9456,0.9019,0.9821,0.9445]信道增益从均匀分布随机产生,依次是h=[0.0579,0.3529,0.8132,0.0099,0.1389,0.2028,0.1987,0.6038,0.2722,0.1988],有5个主节点同时加入次小区,即K=5。它们的发送功率随机产生。依次是q=[0.4615,0.4792,0.4922,0.4738,0.4176]。它们的信道增益也从均匀分布随机产生。依次是g=[0.4057,0.9355,0.9169,0.4103,0.8936]。本发明得到次小区中已有节点新的发送功率和信干噪比的阈值之间的关系如图3所示。在这个实例中,当信干噪比的阈值升高时,新的发送功率必须升高才能满足所有节点的信干噪比高于阈值的要求。新的发送功率值的确定受到次小区中新加入的主节点发送功率以及已有次节点和新加入主节点对应信道增益的影响。
随机抽选第1,3,5,7,9个节点同时退出次小区,即K=5。本发明得到剩余节点新的发送功率和信干噪比的阈值之间的关系如图4所示。在这个实例中,当信干噪比的阈值升高时,新的发送功率必须升高才能满足所有传感器端的信干噪比高于阈值的要求,新的发送功率值的确定受到次小区中剩余节点对应的信道增益的影响。从图3和图4中可以看到在信干噪比阈值的取值范围内新的发送功率都存在,因而提出的动态功率控制方法是有效的。进一步可以验证结果的正确性。
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无定形小区动态功率控制方法,包括以下内容:
情景1,依次加入:K个主节点依次加入次小区,其中K为大于等于1的自然数,第一个新主节点加入时,为了让所有节点都能正常通信,次小区中已有的节点和新加入次小区的主节点的信干噪比必须同时满足阈值,相应推导出功率值存在的条件;依次类推可求得后续主节点加入时的信干噪比和新的发送功率;
情景2,同时加入:K个主节点同时加入次小区,次小区中已有的节点和新加入次小区的K个主节点的信干噪比必须同时满足阈值,相应推导出功率值存在的条件;
情景3,依次退出:K个主节点依次退出次小区,当有一个主节点退出时,为了让所有节点都能正常通信,次小区中剩余节点的信干噪比必须满足阈值,相应推导出功率值存在的条件;依次类推可求得后续主节点退出时,次小区中剩余节点的信干噪比和新的发送功率;
情景4,同时退出:K个主节点同时退出次小区,此时次小区中剩下节点的信干噪比必须满足阈值,相应推导出功率值存在的条件;
所述情景1中当第一个新主节点加入时,其功率应满足下述条件:
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其中,表示次小区已有的节点新的发送功率,hn是第n个次节点的信道增益,σ2是背景噪声,N表示次小区已经存在的节点个数,Γ表示一个预先给定的信干噪比阈值,q1和g1分别表示第一个新加入的主节点的发送功率和对应的信道增益;
所述情景2中当K个主节点同时加入时,其功率应满足下述条件:
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其中,pk是新加入的第k个主节点的发射功率,pi是除了其他主节点新加入次小区的发射功率,hk是新加入的第k个主节点的信道增益,hi是其他主节点新加入次小区的信道增益;
所述情景3中当有一个主节点退出时,其功率应满足下述条件:
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其中,pt'表示次小区剩余节点新的发送功率,hm是第m个次节点的信道增益;
所述情景4中当K个主节点同时退出时,其功率应满足下述条件:
<mrow> <msubsup> <mi>p</mi> <mi>t</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>&amp;Gamma;&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>n</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mi>&amp;Gamma;</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>m</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>n</mi> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mi>K</mi> </mrow> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>m</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
所述主节点是宏基站eNB对应的节点,所述次节点是无定形节点对应的节点,所述次小区是无定形节点对应的小区。
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