CN105451268A - 一种高能效的异构小区接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在保证用户接入服务质量(QoS)前提下，提升异构网络通信能量效率的用户小区接入方法，按如下步骤进行：首先，所有宏基站和小基站都通过导频序列估计得到当前的信道状态信息；然后，根据用户信道信息构建高能效小区接入的等式方程；最后通过标准线性规划方法进行交替迭代优化来求解该等式方程，获得用于异构网络最佳能效传输的宏基站工作模式，并通过方程确定用户在正常时隙和宏基站静态时隙的小区接入方式。本发明方法能够在满足用户QoS要求下获得异构网络宏基站的工作模式选择以及用户的小区接入方式，保证异构网络系统获得最佳的能量效率。

Description

一种高能效的异构小区接入方法

技术领域

本发明涉及一种提升异构网络能效的宏基站工作模式选择以及多用户小区接入方法，属于异构网络能效管理技术领域。

背景技术

为了满足日益增长的通信网络性能要求，由宏基站组成的传统蜂窝网络结构逐渐向在宏基站基础上配备低发射功率节点的网络拓扑转变，这种不规则的网络就被称为异构网络。与传统的蜂窝网络设计相比，由于其自身网络的特有性质，异构网络在提升网络性能方面有其优势的同时也面临着很多设计方面的挑战。

由于小基站较低的发射功率，其负载常常很小，从而可以比满负载的宏基站给用户提供更好的服务，因此为了充分发挥低发射功率设施的内在潜能，应该使得更多的用户跟小基站相连。异构网络中用户的小区接入近年来也已经被公认为是一个非常重要有意义的问题且被广泛研究。不同于传统的基于路径损耗或者接收信号强度的用户接入方法，近年来已经发展出一系列通过提升网络性能来实现异构网络不同层次负载平衡的小区接入方式。同时，基站的波束赋形策略也被考虑进小区接入方法中。然而，普通的负载平衡方法会使得从接入宏基站转移到接入小基站的用户接收到强度更弱的信号，同时更强的干扰。因此在异构网络中，研究宏基站工作模式的选择来避免由于负载平衡使得用户信干噪比损失的方法引起了广泛关注，然而现有的研究都只是针对如何提升频谱效率的。

连同异构网络的兴起一样，能量效率也逐渐被认为是未来蜂窝网络中的一个重要指标。最近的系统级仿真已经展示了在宏基站基础上配备一定量的低发射功率节点，或者切换宏基站工作模式都可以进一步提高能量效率。因此根据以上的研究可以发现，通过同时考虑宏基站工作模式选择以及用户的小区接入方法来提升能量效率是重要且有意义的，同时在异构网络场景下，这个问题现在还没有被很好的研究。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种高能效的异构小区接入方法，在保证用户QoS条件下，联合设计宏基站工作模式以及用户的小区接入方法的高能效优化传输。

技术方案：为了解决上述问题，本发明提出一种异构网络小区接入方法，用于包含N_M个宏基站和N_S个小基站的异构网络，首先，所有宏基站和小基站都通过导频序列估计得到当前的信道状态信息；然后，根据用户信道信息构建高能效小区接入的等式方程；最后通过标准线性规划方法进行交替迭代优化来求解该等式方程，获得用于异构网络最佳能效传输的宏基站工作模式，并通过方程确定用户在正常时隙和宏基站静态时隙的小区接入方式，具体包括如下步骤：

1)确定异构网络所能获得的最佳传输能效η^*的上界η_max和下界：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B_S}{\Σ}{c}_{ij}^{\left(b\right)}}{N_S{P}_S+P_C}\\ {\mathrm{\η}}_{\min }=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，U表示异构网络中所有用户的集合，B表示所有基站的集合，B_S表示所有小基站的集合，P_S表示小基站的发射功率，P_C表示异构网络通信过程中的固定功率消耗，表示正常时隙下基站j到用户i的频谱效率，表示宏基站静态时隙下基站j到用户i的频谱效率，具体为：

$c_{ij}^{\left(n\right)}=log(1+\frac{P_j{h}_{ij}}{\underset{q\∈B,q\≠j}{\Σ}{P}_q{h}_{iq}+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(4\right)$

$c_{ij}^{\left(b\right)}=log(1+\frac{P_j{h}_{ij}}{\underset{q\∈B_S,q\≠j}{\Σ}{P}_q{h}_{iq}+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(5\right)$

其中，P_j表示基站j的发射功率，h_ij表示基站j到用户i之间的信道增益，σ²表示噪声功率，log(·)表示以2为底的对数函数。

2)初始化预期的网络能效η为步骤1中确定的上界η_max和下界η_min的平均值，即 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\min }+{\mathrm{\η}}_{max}}{2};$

3)根据当前的网络能效值η，利用标准的线性规划方法求解式(1)中的优化问题，得到正常时隙用户的小区接入矩阵X＝[x_ij]、宏基站静态时隙用户的小区接入矩阵Y＝[y_ij]和宏基站工作模式参数z，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{X,Y,z}{\max }\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}G\left(\mathrm{\η}\right)\\ s.t.\underset{i\∈U}{\Σ}{x}_{ij}=1-z,\∀j,\underset{i\∈U}{\Σ}{y}_{ij}=z,\∀j,\\ x_{ij},y_{ij},z\∈\[0,1\],\\ \underset{j\∈B}{\Σ}{x}_{ij}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+y_{ij}{c}_{ij}^{\left(b\right)}\≥Q_i,\∀i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，X＝[x_ij]是N_U×(N_S+N_M)维矩阵，元素x_ij表示正常时隙用户i向基站j的小区接入参数，Y＝[y_ij]是N_U×N_S维矩阵，元素y_ij表示宏基站静态时隙i向基站j的小区接入参数，N_U表示用户数目，z即宏基站处于静态不发数据的时间百分比，Q_i表示用户i的QoS要求，G(η)表示等价能效函数，具体为：

$G\left(\mathrm{\η}\right)=\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}(x_{ij}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+y_{ij}{c}_{ij}^{\left(b\right)})-\mathrm{\η}\[(1-z)N_M{P}_M+N_S{P}_S+P_C\]---\left(2\right)$

其中，P_M表示宏基站的发射功率；

4)判断当前的等价能效函数值G(η)是否大于0，若是，则更新网络的能效下界为η_min＝η；否则，更新能效上界为η_max＝η；

5)重复步骤3-4，直到找到最佳传输能效η^*使得等价能效函数值G(η^*)＝0，此时得到最佳的正常时隙用户的小区接入矩阵、宏基站静态时隙用户的小区接入矩阵和宏基站工作模式参数；

6)宏基站根据步骤5得到的最佳宏基站工作模式参数z，在z比例时间保持沉默，即不发送数据；基站j根据步骤5得到的最佳正常时隙用户的小区接入参数x_ij，在正常时隙中给用户i分配其的资源，即当时，用户i接入到基站j；基站j根据步骤5得到的最佳宏基站静态时隙用户的小区接入参数y_ij，在宏基站静态时隙中给用户i分配其的资源，即当时，用户i接入到基站j。

有益效果：本发明采用如上技术方案，具有以下优点：

1)由于将用户QoS保证这个因素考虑进去，这与实际通信系统中的情况相吻合，使得本发明的设计更加鲁棒。通过二分法迭代得到最佳的宏基站工作模式以及小区接入方式，与现有的小区接入方式相比，本发明方法得到的小区接入参数在实际中有更高的能量效率。

2)本发明方法还将原本复杂的分式形式的能量效率问题转化为标准的低复杂度线性规划问题，并利用标准优化工具设计传输方法，将问题简化，提高运算速度。

3)本发明方法考虑了宏基站工作模式选择，可以在平衡宏基站和小基站负载的基础上最大化异构网络的能量效率。

附图说明

图1是本发明的宏基站工作模式选择模型；

图2是本发明的方法步骤流程图；

图3是本发明提出的宏基站工作模式选择以及小区接入方式示意图；图中圆形表示宏基站，三角形表示小基站，点表示用户，实线表示正常时隙用户的小区接入，虚线表示宏基站静态时隙用户的小区接入；

图4是本发明与传统方法的能量效率的对比曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等效变换均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实施例中仿真参数配置如表1所示：

表1仿真参数表

用户在正常时隙和宏基站静态时隙的小区接入方式，具体包括如下步骤：

1)确定异构网络所能获得的最佳传输能效η^*的上界η_max和下界：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{max}=\frac{\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B_S}{\Σ}{c}_{ij}^{\left(b\right)}}{N_S{P}_S+p_C}\\ {\mathrm{\η}}_{\min }=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，U表示异构网络中所有用户的集合，B表示所有基站的集合，B_S表示所有小基站的集合，P_S表示小基站的发射功率，P_C表示异构网络通信过程中的固定功率消耗，表示正常时隙下基站j到用户i的频谱效率，表示宏基站静态时隙下基站j到用户i的频谱效率，具体为：

$c_{ij}^{\left(n\right)}=log(1+\frac{P_j{h}_{ij}}{\underset{q\∈B,q\≠j}{\Σ}{P}_q{h}_{iq}+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(4\right)$

$c_{ij}^{\left(b\right)}=log(1+\frac{P_j{h}_{ij}}{\underset{q\∈B_S,q\≠j}{\Σ}{P}_q{h}_{iq}+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(5\right)$

其中，P_j表示基站j的发射功率，h_ij表示基站j到用户i之间的信道增益，σ²表示噪声功率，log(·)表示以2为底的对数函数。

2)初始化预期的网络能效η为步骤1中确定的上界η_max和下界η_min的平均值，即 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\min }+{\mathrm{\η}}_{max}}{2};$

3)根据当前的网络能效值η，利用标准的线性规划方法求解式(1)中的优化问题，得到正常时隙用户的小区接入矩阵X＝[x_ij]、宏基站静态时隙用户的小区接入矩阵Y＝[y_ij]和宏基站工作模式参数z，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{X,Y,z}{\max }\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}G\left(\mathrm{\η}\right)\\ s.t.\underset{i\∈U}{\Σ}{x}_{ij}=1-z,\∀j,\underset{i\∈U}{\Σ}{y}_{ij}=z,\∀j,\\ x_{ij},y_{ij},z\∈\[0,1\],\\ \underset{j\∈B}{\Σ}{x}_{ij}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+y_{ij}{c}_{ij}^{\left(b\right)}\≥Q_i,\∀i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，X＝[x_ij]是N_U×(N_S+N_M)维矩阵，元素x_ij表示正常时隙用户i向基站j的小区接入参数，Y＝[y_ij]是N_U×N_S维矩阵，元素y_ij表示宏基站静态时隙i向基站j的小区接入参数，N_U表示用户数目，z即宏基站处于静态不发数据的时间百分比，Q_i表示用户i的QoS要求，G(η)表示等价能效函数，具体为：

$G\left(\mathrm{\η}\right)=\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}(x_{ij}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+y_{ij}{c}_{ij}^{\left(b\right)})-\mathrm{\η}\[(1-z)N_M{P}_M+N_S{P}_S+P_C\]---\left(2\right)$

其中，P_M表示宏基站的发射功率；

4)判断当前的等价能效函数值G(η)是否大于0，若是，则更新网络的能效下界为η_min＝η；否则，更新能效上界为η_max＝η；

5)重复步骤3-4，直到找到最佳传输能效η^*使得等价能效函数值G(η^*)＝0，此时得到最佳的正常时隙用户的小区接入矩阵、宏基站静态时隙用户的小区接入矩阵和宏基站工作模式参数；

6)宏基站根据步骤5得到的最佳宏基站工作模式参数z，在z比例时间保持沉默，即不发送数据；基站j根据步骤5得到的最佳正常时隙用户的小区接入参数x_ij，在正常时隙中给用户i分配其的资源，即当时，用户i接入到基站j；基站j根据步骤5得到的最佳宏基站静态时隙用户的小区接入参数y_ij，在宏基站静态时隙中给用户i分配其的资源，即当时，用户i接入到基站j。

图3是本发明提出的宏基站工作模式选择以及小区接入方式示意图，可以看出，本发明提出的小区接入方式在正常时隙和宏基站静态时隙差异很大，从而尽可能利用了异构网络宏基站工作模式切换的优势，实现了宏基站和小基站的负载平衡。

图4是本发明与传统方法的能量效率的对比曲线，可以看出，本发明的优化小区接入方式相比于传统的小区接入方式，在传输能效方面有了较大的提高。

Claims (4)

1.一种异构网络小区接入方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)确定异构网络所能获得的最佳传输能效η^*的上界η_max和下界η_min；

2)初始化预期的网络能效η为步骤1中确定的上界η_max和下界η_min的平均值；

3)根据当前的网络能效值η，利用标准的线性规划方法求解式(1)中的优化问题，得到正常时隙用户的小区接入矩阵X＝[x_ij]、宏基站静态时隙用户的小区接入矩阵Y＝[y_ij]和宏基站工作模式参数z，具体为：

$\left\{\begin{array}{cc}\underset{X,Y,z}{max}& \underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}G\left(\mathrm{\η}\right)\\ s.t.& \underset{i\∈U}{\Σ}{x}_{ij}=1-z,\∀j,\underset{i\∈U}{\Σ}{y}_{ij}=z,\∀j,\\ & x_{ij},y_{ij},z\∈\[0,1\],\\ & \underset{j\∈B}{\mathrm{\Σ}}{x}_{ij}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+y_{ij}{c}_{ij}^{\left(b\right)}\≥Q_i,\∀i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，X＝[x_ij]是N_U×(N_S+N_M)维矩阵，元素x_ij表示正常时隙用户i向基站j的小区接入参数，Y＝[y_ij]是N_U×N_S维矩阵，元素y_ij表示宏基站静态时隙i向基站j的小区接入参数，N_M表示宏基站数目，N_S表示小基站数目，N_U表示用户数目，z即宏基站处于静态不发数据的时间百分比，表示正常时隙下基站j到用户i的频谱效率，表示宏基站静态时隙下基站j到用户i的频谱效率，Q_i表示用户i的QoS要求，U表示异构网络中所有用户的集合，B表示所有基站的集合，G(η)表示等价能效函数，具体为：

$G\left(\mathrm{\η}\right)=\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}(x_{ij}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+y_{ij}{c}_{ij}^{\left(b\right)})-\mathrm{\η}\[(1-z)N_M{P}_M+N_S{P}_S+P_C\]---\left(2\right)$

其中，P_M表示宏基站的发射功率，P_S表示小基站的发射功率，P_C表示异构网络通信过程中的固定功率消耗；

4)判断当前的等价能效函数值G(η)是否大于0，若是，则更新网络的能效界为η_min＝η；否则，更新能效上界为η_max＝η；

5)重复步骤3-4，直到找到最佳传输能效η^*使得等价能效函数值G(η^*)＝0，此时得到最佳的正常时隙用户的小区接入矩阵、宏基站静态时隙用户的小区接入矩阵和宏基站工作模式参数；

6)宏基站根据步骤5得到的最佳宏基站工作模式参数z，在z比例时间保持沉默，即不发送数据；基站j根据步骤5得到的最佳正常时隙用户的小区接入参数x_ij，在正常时隙中给用户i分配其的资源，即当时，用户i接入到基站j；基站j根据步骤5得到的最佳宏基站静态时隙用户的小区接入参数y_ij，在宏基站静态时隙中给用户i分配其的资源，即当时，用户i接入到基站j。

2.如权利要求1所述的异构网络小区接入方法，其特征在于，所述步骤1确定的上界和下界为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{max}=\frac{\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B}{\Σ}{c}_{ij}^{\left(n\right)}+\underset{i\∈U}{\Σ}\underset{j\∈B_S}{\Σ}{c}_{ij}^{\left(b\right)}}{N_S{P}_S+P_C}\\ {\mathrm{\η}}_{min}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，U表示异构网络中所有用户的集合，B表示所有基站的集合，B_S表示所有小基站的集合，P_S表示小基站的发射功率，P_C表示异构网络通信过程中的固定功率消耗，表示正常时隙下基站j到用户i的频谱效率，表示宏基站静态时隙下基站j到用户i的频谱效率。

3.如权利要求1所述的异构网络小区接入方法，其特征在于，所述正常时隙下基站j到用户i的频谱效率为：

$c_{ij}^{\left(n\right)}=log(1+\frac{P_j{h}_{ij}}{\underset{q\∈B,q\≠j}{\Σ}{P}_q{h}_{iq}+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(4\right)$

其中，P_j表示基站j的发射功率，h_ij表示基站j到用户i之间的信道增益，B表示所有基站的集合，σ²表示噪声功率，log(·)表示以2为底的对数函数。

4.如权利要求1所述的异构网络小区接入方法，其特征在于，所述宏基站静态时隙下基站j到用户i的频谱效率：

$c_{ij}^{\left(b\right)}=log(1+\frac{P_j{h}_{ij}}{\underset{q\∈B_S,q\≠j}{\Σ}{P}_q{h}_{iq}+{\mathrm{\σ}}^2})---\left(5\right)$

其中，P_j表示基站j的发射功率，h_ij表示基站j到用户i之间的信道增益，B_S表示所有小基站的集合，σ²表示噪声功率，log(·)表示以2为底的对数函数。