CN105407493B - 一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，包括以下步骤：S01，建立宏基站‑微微基站异构网络模型；S02，令k＝1；S03，第k个扇区中的所有用户通过上行链路分别向宏基站及第k个扇区中的微微基站反馈RSRP数据；S04，宏基站与第k个扇区中的微微基站计算每个用户归属于不同基站时的SINR数据；S05，为第k个扇区中的微微基站设定备选偏置值；S06，第k个扇区的每一个用户分别与一个基站建立连接，若k<s，则令k值加1，并返回步骤S03，若k＝s，则所有扇区的基站范围扩展及基站选择完成。与现有技术相比，本发明令用户对基站的选择更灵活，缓解宏基站通信压力，保证用户最低信干噪比，提高了用户平均吞吐量。

Description

一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法
技术领域
本发明涉及一种小区基站范围扩展及基站选择方法，尤其是涉及一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法。
背景技术
传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区构成，每小区的覆盖半径大多为1km～25km。由于覆盖半径较大，所以基站的发射功率较强，一般在10W以上。宏小区是面积很大的区域，基站发射天线通常架设在周围建筑物上方。通常，在收发之间没有直达路径。
由于宏小区边缘用户性能差，通过加入微微基站可提高宏小区边缘用户性能，即将宏小区边缘用户从宏基站卸载到微微基站。然而在宏基站-微微基站异构网络方案下，微微小区布置在宏小区中，半径比较小，覆盖范围有限，微微小区与宏小区重叠的区域会受到宏基站强烈的小区间共信道干扰，且过多添加微微基站会产生大量的干扰。该问题得到广泛讨论，3GPP TSG-RAN#54次会议指出，对于宏基站-微微基站异构网络方案的干扰管理需更长远的研究。
小区范围扩展，是利用低功率基站通过频率复用方式来改善宏小区边缘用户性能，即增加微微基站的覆盖范围。提高微微小区覆盖范围可以在一定程度上解决上述问题。在宏小区与微微小区关联区域，它通过加入非负偏置值到被测得的参考信号接收功率来判断小区扩展范围。然而如果偏置值设置不当，会带来较多的干扰，如何针对微微小区范围扩展偏置值进行设定与选择是提高系统性能与用户服务质量的因素之一，经对现有异构网络小区范围扩展技术的文章进行检索，有以下发现：
Peng Tian等人(Peng Tian,Hui Tian,Jianchi Zhu,Lan Chen,Xiaoming She.Anadaptive bias configuration strategy for range extension in LTE-AdvancedHeterogeneous Network,Communication Technology and Application(ICCTA),2011:336-340)提出一种通过比较某一时间点时微微小区和宏小区的边缘用户吞吐量与平均用户吞吐量比值大小，以及各基站负载情况，判定该时间点微微基站所取偏置值相对于上一时间点偏置值是增加、减少还是不变。实现了自适应的选取偏置值，保证了各基站的负载平衡，但未提出用户对信干噪比的要求，容易出现用户传输速率高，而信号干扰噪声比低的情况。
Basim A Yasir等人(Basim A Yasir,Gang Su,NasseerBachache.RangeExpansion For Pico Cell in Heterogeneous LTE-A Cellular Networks,2012 2ndInternational Conference on Computer Science and Network Technology,2012:1235-1240)利用路径损耗、下行链路参考信号接收功率和不同小区范围扩展偏置值相结合，实现用户对基站的选择，保证了足够用户卸载到微微小区，但无法保证用户通信时对信干噪比的要求。
Katsunori Kikuchi和Hiroyuki Otsuka(Parameter Optimization forAdaptive Control CRE in HetNet,Personal Indoor and Mobile RadioCommunications(PIMRC),2013IEEE 24th International Symposium on,2013:3334-3338)通过针对用户信干噪比累积概率分布曲线上不同点的取值情况，结合控制变量的方法来确定最佳的门限信干噪比，自适应地选择不同的偏置值，提高了中心用户与边缘用户的吞吐量，降低了宏基站的过载情况，但并未对用户最低信干噪比进行约束，产生低信干噪比用户。
Archana Kamal和Vineetha Mathai(A Novel Cell Selection method for LTEHetNet,Communications and Signal Processing(ICCSP),2014 InternationalConference on,2014:738-742)提出一种网络协同小区选择方案，使用户初始化选择微微小区后，根据该小区基站的用户连接情况进一步判断是否与该小区相连接，该方法解决了由于微微小区过载而使部分用户无法通信的问题，但文中并未针对小区边缘用户进行管理，不能保证小区边缘用户的传输速率。
从现有技术来看，研究微微基站与宏基站共存的异构网络下的小区扩展与小区选择仍然具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种缓解宏基站通信压力、提高用户平均吞吐量、保证用户通信最低信干噪比的基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法。
该方法提出了一种新的用户对小区的选择机制，并实现小区范围扩展，根据异构网络特性，以及用户对通信网络服务质量的需求，将用户服务质量中SINR(信号干扰噪声比，Signal to Interference and Noise Ratio)因素考虑到小区选择当中，与RSRP(参考信号接收功率，Reference Signal Received Power)联合参与偏置值的设定，实现小区范围的扩展，并将各用户划分到所归属的小区中。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01，建立宏基站-微微基站异构网络模型，该网络模型中，宏基站天线的扇区个数为s，s≥1；
S02，令k＝1，k为扇区编号；
S03，第k个扇区中的所有用户通过上行链路分别向宏基站及第k个扇区中的微微基站反馈RSRP(参考信号接收功率，Reference Signal Received Power)数据，其中，用户u向基站i反馈的数据为RSRPi u，第k个扇区中微微基站个数为M，用户个数为N，i为基站编号，宏基站编号为1，1≤i≤M+1，1≤u≤N；
S04，宏基站与第k个扇区中的微微基站根据所有用户反馈的RSRP数据，计算每个用户归属于不同基站时的SINR(信号干扰噪声比，Signal to Interference and NoiseRatio)数据：
其中为第u个用户归属于基站i时的SINR，N0为热噪声；
S05，为第k个扇区中的微微基站设定备选偏置值，包括较大偏置值bmax和较小偏置值bmin，0dB<bmin<bmax≤20dB；
S06，第k个扇区中的用户u通过比较来自宏基站的信号来自微微基站的最大值，以及在基站内部设置的SINR门限值SINRth的大小，选择备选偏置值中的一个添加至来自各微微基站的RSRPi u，然后与一个基站建立连接；
第k个扇区中所有用户选择基站以后，若k<s，则令k值加1，并返回步骤S03，进行下一个扇区的基站范围扩展及基站选择，若k＝s，则所有扇区的基站范围扩展及基站选择完成。
所述的宏基站采用3扇区或6扇区天线模型。
所述的步骤S03中，第u个用户向第i个基站反馈的数据RSRPi u计算式为：
RSRPi u＝Pi+Gsector-Lpath-Lpene-Lhuman-Lcable-Lshadow-Gterminal
其中，Pi为基站i的信号发射功率，Gsector为扇区天线增益，Lpath为传播损耗，Lpene为建筑物穿透损耗，Lhuman为人体损耗，Lcable为线缆损失，Lshadow为阴影衰落，Gterminal为终端天线增益。
所述的较大偏置值bmax满足6dB≤bmax≤20dB，较小偏置值bmin满足0dB≤bmin<6dB。
所述的较大偏置值bmax和较小偏置值bmin的选值包括以下步骤：
S0501，分别为bmax、bmin设定备选值集合S1、S2，其中S1＝{6dB+Δbias，6dB+2Δbias，…，20dB}，S2＝{0dB，0dB+Δbias，…，6dB-Δbias}，Δbias为偏置值变化间隔，单位为dB；
S0502，令bmax＝m，bmin＝n，m∈S1，n∈S2，利用下式计算bmax、bmin在所有取值排列组合下的用户平均吞吐量提高百分比Peravg(m，n)和边缘用户吞吐量提高百分比Peredge(m，n)的计算值：
其中，为bmax取m、bmin取n时的平均用户吞吐量，
Avgbias＝6dB为偏置值取bias＝6时的平均用户吞吐量，
为bmax取m、bmin取n时的边缘用户吞吐量，
Edgebias＝6dB为偏置值取bias＝6时的边缘用户吞吐量；
S0503，根据步骤S0502得到的所有Peravg(m，n)和Peredge(m，n)计算值，利用下式确定最佳bmax、bmin取值组合{m，n}：
所述的偏置值变化间隔Δbias按下式取值：
其中，Th0dB、Th6dB、Th20dB分别为偏置值为0dB、6dB、20dB时平均用户吞吐量，min(Th0dB,Th6dB)为Th0dB与Th6dB的较小值，min(Th6dB,Th20dB)为Th6dB与Th20dB的较小值。
所述的步骤S06中，用户u选择基站的过程具体包括以下步骤：
S0601，比较来自宏基站的和来自微微基站的SINR信号最大值若则将来自各微微基站的RSRPi u添加较大偏置值bmax后，与来自宏基站的比较，找出最大值，用户u与拥有最大值的基站相连接；若则进入步骤S0602；
S0602，比较与SINR门限值SINRth，若则将来自各微微基站的RSRPi u添加较小偏置值bmin后，与来自宏基站的RSRP1 u比较，找出最大值，用户u与拥有最大值的基站建立连接；否则用户u与宏基站建立连接。
所述的SINR门限值SINRth计算方法为：
SINRth＝Max(Max(SINRu)5％,PDCCH SINR)
其中，用户u来自宏基站与来自微微基站的信干噪比最大值为Max(SINRu)5％为以各用户处信干噪比最大值为横坐标做出的累积概率分布曲线中，对应累积概率最接近5％的
PDCCH SINR(Physical Downlink Control Channel SINR)为物理下行控制信道信干噪比，3GPP 36.101中定义PDCCH信道解调门限为PDCCH SINR>-1.6dB。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提出了一种新的用户对小区基站的选择机制，根据异构网络特性，以及用户对通信网络服务质量的需求，将用户服务质量中信号干扰噪声比SINR因素考虑到小区基站选择当中，与参考信号接收功率RSRP联合参与偏置值的设定，根据来自宏基站和微微基站的SINR比较结果，引入较大偏置值与较小偏置值，扩大微微基站的范围，使用户对基站的选择更具灵活性，更大程度缓解宏基站通信压力。
(2)信干噪比门限值作为其中小区基站选择过程中的一个判决值，保证了用户最低信干噪比。
(3)较大偏置值与较小偏置值的选值，考虑了边缘用户吞吐量低与部分用户吞吐量高、信干噪比低的问题，与传统的标准偏置值相比，提高了用户平均吞吐量。
(4)宏基站天线扇区采用多扇区结构，采用多方向定向天线的多扇区结构相对于使用全向天线可增强覆盖范围与增加业务量，尤其适用于业务量较大的城区。
(5)本发明小区基站扩展与基站选择方法为下一代无线通信实现更灵活的卸载宏基站通信压力、更高的用户平均吞吐量、更高的下行链路用户信干噪比，提供了坚实的技术基础。
附图说明
图1为本实施例异构网络中某扇区中微微小区分布示意图；
图2为本实施例方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示为宏基站-微微基站异构网络模型，宏基站为3扇区天线结构，考虑到宏小区边缘用户特性，根据3GPP Release 11将微微基站设置于距离宏基站0.6倍宏小区半径处，用户随机地均匀分布于扇区内。以一个扇区为一个区域，分区域进行小区范围扩展和用户连接的基站选择。本实施例中，所考虑的扇区微微基站数量M＝4，用户数量N＝10。使用3扇区天线，可以在水平面上形成360度的全覆盖，满足很好的覆盖与话务吸收，同时对扇区的重叠和覆盖控制达到最理想，并且方便以后根据实际网络需求实施小区分裂增加扇区。
也可使用6扇区天线规划，通过增加扇区的方式，消除扇区夹角区域覆盖较弱的问题，但是6扇区每副定向天线覆盖的60°扇形区域实际覆盖时方向角会略大，扇区间形成重叠区域，由此所产生干扰比较多。
如图2所示，一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01，建立宏基站-微微基站异构网络模型，该网络模型中，宏基站天线的扇区个数为3。
S02，初始化k值，令k＝1，即准备进行第1个扇区的范围扩展及基站选择。
S03，第k个扇区中的所有用户通过上行链路分别向宏基站及第k个扇区中的微微基站反馈RSRP(参考信号接收功率，Reference Signal Received Power)数据，其中，用户u向基站i反馈的数据为RSRPi u，第k个扇区中微微基站个数为M，用户个数为N，i为基站编号，宏基站编号为1，1≤i≤M+1，1≤u≤N。
S04，宏基站与第k个扇区中的微微基站根据所有用户反馈的RSRP数据，计算每个用户归属于不同基站时的SINR(信号干扰噪声比，Signal to Interference and NoiseRatio)数据：
RSRPi u＝Pi+Gsector-Lpath-Lpene-Lhuman-Lcable-Lshadow-Gterminal
其中，RSRPi u为第u个用户向第i个基站反馈的数据，Pi为基站i发射信号的功率，Gsector为扇区天线增益，Lpath为传播损耗，Lpene为建筑物穿透损耗，Lhuman为人体损耗，Lcable为线缆损失，Lshadow为阴影衰落，Gterminal为终端天线增益。为第u个用户归属于基站i时的SINR，N0为环境噪声。
S05，为第k个扇区中的微微基站设定备选偏置值，包括较大偏置值bmax和较小偏置值bmin，0dB<bmin<bmax≤20dB，较大偏置值bmax满足6dB≤bmax≤20dB，较小偏置值bmin满足0dB≤bmin<6dB。较大偏置值与较小偏置值的选值，考虑了小区边缘用户吞吐量低与部分用户吞吐量高、信干噪比低的问题，与传统的标准偏置值相比，提高了用户平均吞吐量。
本步骤中，较大偏置值bmax和较小偏置值bmin的选值包括以下步骤：
S0501，分别为bmax、bmin设定备选值集合S1、S2，其中S1＝{6dB+Δbias，6dB+2Δbias，…，20dB}，S2＝{0dB，0dB+Δbias，…，6dB-Δbias}，Δbias为偏置值变化间隔，单位为dB；
其中，偏置值变化间隔Δbias按下式取值：
其中，Th0dB、Th6dB、Th20dB分别为偏置值为0dB、6dB、20dB时平均用户吞吐量，min(Th0dB,Th6dB)为Th0dB与Th6dB的较小值，min(Th6dB,Th20dB)为Th6dB与Th20dB的较小值；
S0502，令bmax＝m，bmin＝n，m∈S1，n∈S2，利用下式计算bmax、bmin在所有取值排列组合下的用户平均吞吐量提高百分比Peravg(m，n)和边缘用户吞吐量提高百分比Peredge(m，n)的计算值：
其中，为bmax取m、bmin取n时的平均用户吞吐量，
Avgbias＝6dB为偏置值取bias＝6时的平均用户吞吐量，
为bmax取m、bmin取n时的边缘用户吞吐量，
Edgebias＝6dB为偏置值取bias＝6时的边缘用户吞吐量；
Avgbias＝6dB、Edgebias＝6dB的大小均通过信号收发实验获得。
S0503，根据步骤S0502得到的所有Peravg(m，n)和Peredge(m，n)计算值，利用下式确定最佳bmax、bmin取值组合{m，n}：
S06，第k个扇区中的用户u通过比较来自宏基站的信号来自微微基站的最大值，以及在基站内部设置的SINR门限值SINRth的大小，选择备选偏置值中的一个添加至来自各微微基站的RSRPi u，然后与一个基站建立连接；
第k个扇区中所有用户选择基站以后，若k<n，则令k值加1，并返回步骤S03，进行下一个扇区的基站范围扩展及基站选择，若k＝n，则所有扇区的基站范围扩展及基站选择完成。
本步骤中，用户u选择基站的过程具体包括以下步骤：
S0601，比较来自宏基站的和来自微微基站的SINR信号最大值若则将来自各微微基站的RSRPi u添加较大偏置值bmax后，与来自宏基站的比较，找出最大值，用户u与拥有最大值的基站相连接；若则进入步骤S0602；
S0602，比较与SINR门限值SINRth，若则将来自各微微基站的RSRPi u添加较小偏置值bmin后，与来自宏基站的比较，找出最大值，用户u与拥有最大值的基站建立连接；否则用户u与宏基站建立连接。
其中，SINR门限值SINRth计算方法为：
SINRth＝Max(Max(SINRu)5％,PDCCH SINR)
其中，用户u来自宏基站与来自微微基站的信干噪比最大值为Max(SINRu)5％为以各用户处信干噪比最大值为横坐标做出的累积概率分布曲线中，对应累积概率最接近5％的
PDCCH SINR(Physical Downlink Control Channel SINR)为物理下行控制信道信干噪比，3GPP 36.101中定义PDCCH信道解调门限为PDCCH SINR>-1.6dB。
信干噪比门限值作为其中小区基站选择过程中的一个判决值，保证了用户最低信干噪比。
与现有技术相比，本实施例提出了一种新的用户对小区基站的选择机制，并实现小区基站范围扩展，根据异构网络特性，以及用户对通信网络服务质量的需求，将用户服务质量中信号干扰噪声比(SINR)因素考虑到小区基站选择当中，与参考信号接收功率(RSRP)联合参与偏置值的设定，实现小区基站范围的扩展，并将各用户划分到所归属的小区基站中。小区基站扩展与基站选择方法为下一代无线通信实现更灵活的卸载宏基站通信压力、更高的用户平均吞吐量、更高的下行链路用户信干噪比，提供了坚实的技术基础。

Claims (6)

1.一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01，建立宏基站-微微基站异构网络模型，该网络模型中，宏基站的天线扇区个数为s，s≥1；
S02，令k＝1，k为扇区编号；
S03，第k个扇区中的所有用户通过上行链路分别向宏基站及第k个扇区中的微微基站反馈RSRP数据，其中，用户u向基站i反馈的数据为RSRPi u，第k个扇区中微微基站个数为M，用户个数为N，i为基站编号，宏基站编号为1，1≤i≤M+1，1≤u≤N；
S04，宏基站与第k个扇区中的微微基站根据所有用户反馈的RSRP数据，计算每个用户归属于不同基站时的SINR数据：
其中为第u个用户归属于基站i时的SINR，N0为环境噪声；
S05，为第k个扇区中的微微基站设定备选偏置值，包括较大偏置值bmax和较小偏置值bmin，所述的较大偏置值bmax满足6dB≤bmax≤20dB，较小偏置值bmin满足0dB≤bmin<6dB，所述的较大偏置值bmax和较小偏置值bmin的选值包括以下步骤：
S0501，分别为bmax、bmin设定备选值集合S1、S2，其中S1＝{6dB+Δbias，6dB+2Δbias，…，20dB}，S2＝{0dB，0dB+Δbias，…，6dB-Δbias}，Δbias为偏置值变化间隔，单位为dB；
S0502，令bmax＝m，bmin＝n，m∈S1，n∈S2，利用下式计算bmax、bmin在所有取值排列组合下的用户平均吞吐量提高百分比Peravg(m，n)和边缘用户吞吐量提高百分比Peredge(m，n)的计算值：
其中，为bmax取m、bmin取n时的平均用户吞吐量，
Avgbias＝6dB为偏置值取bias＝6时的平均用户吞吐量，
为bmax取m、bmin取n时的边缘用户吞吐量，
Edgebias＝6dB为偏置值取bias＝6时的边缘用户吞吐量；
S0503，根据步骤S0502得到的所有Peravg(m，n)和Peredge(m，n)计算值，利用下式确定最佳bmax、bmin取值组合{m，n}：
为满足条件*的取值组合{m，n}；
S06，第k个扇区中的用户u通过比较来自宏基站的信号来自微微基站的最大值，以及在基站内部设置的SINR门限值SINRth的大小，选择备选偏置值中的一个添加至来自各微微基站的RSRPi u，然后与一个基站建立连接；
第k个扇区中所有用户选择基站以后，若k<s，则令k值加1，并返回步骤S03，进行下一个扇区的基站范围扩展及基站选择，若k＝s，则所有扇区的基站范围扩展及基站选择完成。
2.根据权利要求1所述的一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，其特征在于，所述的宏基站采用3扇区或6扇区天线模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，其特征在于，所述的步骤S03中，第u个用户向第i个基站反馈的数据RSRPi u计算式为：
RSRPi u＝Pi+Gsector-Lpath-Lpene-Lhuman-Lcable-Lshadow-Gterminal
其中，Pi为基站i的信号发射功率，Gsector为扇区天线增益，Lpath为传播损耗，Lpene为建筑物穿透损耗，Lhuman为人体损耗，Lcable为线缆损失，Lshadow为阴影衰落，Gterminal为终端天线增益。
4.根据权利要求1所述的一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，其特征在于，所述的偏置值变化间隔Δbias按下式取值：
其中，Th0dB、Th6dB、Th20dB分别为偏置值为0dB、6dB、20dB时平均用户吞吐量，min(Th0dB,Th6dB)为Th0dB与Th6dB的较小值，min(Th6dB,Th20dB)为Th6dB与Th20dB的较小值。
5.根据权利要求1～4中任一所述的一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，其特征在于，所述的步骤S06中，用户u选择基站的过程具体包括以下步骤：
S0601，比较来自宏基站的和来自微微基站的SINR信号最大值若则将来自各微微基站的RSRPi u添加较大偏置值bmax后，与来自宏基站的比较，找出最大值，用户u与拥有最大值的基站相连接；若则进入步骤S0602；
S0602，比较与SINR门限值SINRth，若则将来自各微微基站的RSRPi u添加较小偏置值bmin后，与来自宏基站的比较，找出最大值，用户u与拥有最大值的基站建立连接；否则用户u与宏基站建立连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于信干噪比的小区基站范围扩展及基站选择方法，其特征在于，所述的SINR门限值SINRth计算方法为：
SINRth＝Max(Max(SINRu)5％,PDCCH SINR)
其中，用户u来自宏基站与来自微微基站的信干噪比最大值为Max(SINRu)5％为以各用户处信干噪比最大值为横坐标做出的累积概率分布曲线中，对应累计概率最接近5％的PDCCH SINR为物理下行控制信道信干噪比，PDCCH SINR>-1.6dB。
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