CN105722101B - 一种节能的带状覆盖中继站部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能的带状覆盖中继站部署方法，该方法首先分析带状封闭区域长度和宽度，考虑采用分而盖之的部署方法对带状区域进行完全覆盖，进而建立中继站间的干扰权值矩阵，构建能保证中继站间干扰权值矩阵为零矩阵以及保证频谱效率的同时最大化能量效率的基本模型，据此采用穷举搜索方法寻找最优中继站间距离，最终确定中继站的位置和数量。本发明能应用于蜂窝中继网络，可以在薄弱带状区域直接部署中继站，降低通信系统的总能耗，同时保证系统频谱效率和用户服务质量。本发明还可以扩展到蜂窝网其它薄弱区域的部署，比如机场跑道、高铁等。

Description

一种节能的带状覆盖中继站部署方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种节能的带状覆盖中继站部署方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展以及移动用户数量的迅猛增长，人们对于无线网络信号覆盖要求也在不断上升，人们期待无论何时、无论何地都能与任何人及时交换信息。在LTE-A系统中，中继技术被认为是一项关键性的技术，可以提高群移动性、提升小区边缘吞吐量、扩大小区覆盖面积以及应用于临时网络部署等。目前3GPP己完成了对无线中继的前期标准化工作，Type I中继作为基本的中继类型将部署于LTE-A系统中。

信号是随着距离的增大而衰减的，基站的覆盖范围也是有限的，当用户距离基站比较远时，即当用户处于小区边缘地带时，用户将得不到很好的服务。此外，建筑物对无线信号有很强的屏蔽作用，使得移动终端无法正常接入网络，形成了移动通信的盲区。特别是在高速移动的列车上，由于多普勒效应的影响，导致用户的掉话率增大。无线网络覆盖问题是一个值得研究的问题，因此，需要对这些薄弱区域部署一些中继站设备来提高用户的性能。

现有的中继站部署大多考虑环形覆盖对称部署，即中继站部署在基站周围，但这种部署方式存在对特定的薄弱区域无法进行较好覆盖、部署不灵活、扩展性差、能耗大和无法达到频谱效率和能量效率目标等缺点，也就是说现有的中继站部署方案无法满足网络的需求。因此有必要重新考虑中继站的部署方式。在蜂窝网络中继站部署研究中，许多学者还忽视了大范围区域与长带区域在拓扑上的不同，针对长带区域覆盖问题还很少人研究。

发明内容

针对上述部署方法的不足，本发明的目的是提供了一种节能的带状覆盖中继站部署方法，该方法能实现带状覆盖的中继站确定性部署，能够对薄弱区域进行较好覆盖，部署灵活，扩展性好，在保证覆盖以及干扰抑制的条件下，达到频谱效率和能量效率的动态平衡。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种节能的带状覆盖中继站部署方法，根据带状封闭区域长度D和宽度H，考虑部署中继站对带状区域进行完全覆盖，包括如下步骤：

首先对带状区域的宽度H进行分析，若是0＜H≤2r，则只需要部署一个(d,r)-圆盘串即可对带状区域进行覆盖，其中d是两个相邻的中继站覆盖圆盘的圆心距离，r是中继站的覆盖半径；若是H＞2r，则采用分而盖之的中继站部署方法对长带状区域提供覆盖；

所述方法还包括：采用穷举搜索方法调整中继站间的距离d，在保证中继站间干扰权值矩阵W为零矩阵的条件下，判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，从而找到中继站的最优间距d^*。

所述干扰权值矩阵为其中i和i^*表示任意两个中继站，和表示任意中继站i与中继站i^*间是否存在干扰的判断值，若存在干扰，则若不存在干扰或者干扰可容忍，则

所述判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，依据以下原则：

max η_EE

其中，蜂窝中继网络的频谱效率为能量效率为τ是系统频谱效率的期望值；i和i^*表示任意两个中继站；表示任意两个中继站i与中继站i^*间的距离；d_T2与d_T1是预定义的干扰距离阀值。

所述的穷举搜索方法寻找最优间距d^*，依据以下原则：

(1)设定中继站的间距范围d∈[r,D)，穷举搜索的步长为Δd，搜索次数为定义j＝0,1,2,…,t，第j次的搜索距离为d(j)＝r+jΔd；

(2)根据预定义的干扰距离阀值计算中继站间的干扰，得到干扰权值矩阵元素 和当则当则当则

(3)在每一次搜索中，可能会导致有些用户未被中继站所覆盖，对于在带状区域内又没被中继站覆盖的用户，可以根据信噪比最大原则接入相应的中继站或者基站；

(4)根据以下公式计算每一次搜索所得到的与每个中继站相连的用户数、吞吐量，与基站相连的用户数、吞吐量；

设系统所用的带宽为W，则第i个中继站的吞吐量为：

①

式中，N_i表示与第i个中继站相连的用户数，P_R是中继站的发射功率，h_i,l代表与第i个中继站相连的第l个用户的信道系数，I_i,l为与第i个中继站相连的第l个用户受到其它中继站的总干扰功率，σ²为噪声功率；

基站的吞吐量为：

②

式中，N_B表示与基站相连的用户数，P_B是中继站的发射功率，h_j代表与基站相连的第j个用户的信道系数；

(5)根据公式①和②及以下公式计算每一次搜索所得到的系统的吞吐量、总功率消耗、频谱效率以及能量效率；

系统的总吞吐量为：

③

系统的总功率消耗为：

P＝N_r(Δ_RP_R+P_R0)+(Δ_BP_B+P_B0) ④

式中，N_r代表要部署的中继站个数；Δ_B和Δ_R分别代表基站和中继站的功放效率，P_B和P_R分别代表基站和中继站的发射功率，P_B0和P_R0分别代表基站和中继站的静态功耗；

频谱效率为

⑤

能量效率为

⑥

(6)在t次搜索所得到的干扰权值矩阵、频谱效率以及能量效率中，在保证中继站间干扰权值矩阵为零矩阵以及保证频谱效率的同时最大化能量效率，找到中继站的最优间距d^*，其中，矩阵元素是由得到；

(7)当找到中继站的最优间距d^*，则搜索结束。

本发明的优点为：本发明能实现带状覆盖的中继站确定性部署，在保证中继站间干扰权值矩阵为零矩阵以及保证频谱效率的同时最大化能量效率，达到频谱效率和能量效率的动态平衡，此外，该部署方法可以扩展到机场跑道、高铁等。

附图说明

图1为下行链路信号传输帧结构图；

图2为本发明采用的穷举搜索方法流程图；

图3为本发明实施例的中继站部署示意图。

附图中：BS表示每个小区的基站；RS表示每个小区的中继站；MU表示每个小区的用户。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

设蜂窝网中有多个小区，相邻小区使用不同的频带，不相邻的小区可以考虑采用频率复用，这样所述的中继站部署方法可以扩展到多小区的中继站部署。在每个小区中，基站BS配置多根天线，在带状区域内部署多个配置多根天线的中继站RS，中继站的覆盖范围为半径为r的圆形。大量的用户MU随机分布在小区内，用户可以根据需求接入到基站或者中继站。另外，我们只讨论两跳中继的情形，不考虑更多跳的中继转发。

考虑部署中继站覆盖一个长为D，宽为H的带状封闭区域，其中D＞＞H。在确定性部署模式中带状区域的左右边界效应可以忽略。利用(d,r)-圆盘串进行带状区域中继站部署，(d,r)-圆盘串是指一串圆心沿着直线排列，有着相同半径r的圆盘串，其中任意两个相邻的圆盘串的圆盘的圆心距离为d。利用(d,r)-圆盘串进行带状区域中继站部署的方法包括：

对带状区域的宽度H进行分析。若是0＜H≤2r，则只需要部署一个(d,r)-圆盘串即可对带状区域进行覆盖。若是H＞2r，则采用分而盖之的中继站部署方法对长带状区域提供覆盖，分而盖之是指将长带状区域划分成一些子长带状区域，每个子带状区域都平行于原始区域的长边，并且每个子带状区域的宽度都不大于2r，这样使用多个(d,r)-圆盘串即可对带状区域进行覆盖。对长带状区域的划分，可根据需要采用等分或者非等分的方案，等分是指每个子带状区域都有相同的宽度，非等分是指每个子带状区域的宽度可以根据需求自定义宽度。

在初始部署(d,r)-串中继站时，令各个中继站相交并能完全覆盖整个带状区域。

在部署过程中，对于在带状区域内又没被中继站覆盖的用户，可以根据信噪比最大原则接入相应的中继站或者基站。

不失一般性，我们讨论一个小区的蜂窝中继网络下行传输场景。中继站的发送和接收采用时分双工模式，这就要求中继站不能同时从基站接收数据，又向用户发送数据。如图1所示，下行链路的传输分为两个时隙，在第一时隙，基站将信号广播传给和它直接相连的中继站以及用户。在第二时隙，中继站采用解码转发协议解码接收到的信号并转发给和它相连的用户，所有中继站共享一个频带以提高频谱利用率，当中继站同时传输时会引起相互干扰。

对于中继站间的干扰，定义如下准则：设d_T2与d_T1是预定义的上下干扰距离阀值，并且d_T1＜d_T2，当两个中继站间的距离小于预定的距离阈值d_T1，则认为这两个中继站间存在干扰；当两个中继站间的距离大于预定的距离阈值d_T2，则认为这两个中继站间不存在干扰；而当两个中继站间的距离在[d_T1,d_T2]之间，则认为这两个中继站间的干扰是可容许的，这就要求干扰中继站对用户的干扰使得用户接收到的信干噪比不小于预定义的信干噪比门限值。

其中，预定的干扰距离阈值的具体数值可以由中继站和用户根据需要或经验值进行合适的设置，在此不对其具体数值进行限定。

设任意(d,r)-圆盘串中继站间的距离是一致的，所以采用k等分(d,r)-圆盘串部署方法所部属的中继站个数为：此外，频谱效率定义为吞吐量与带宽之比，能量效率定义为吞吐量与功率消耗之比，系统所用的带宽为W。则第i个中继站的吞吐量为：

式中，N_i表示与第i个中继站相连的用户数。P_R是中继站的发射功率，h_i,l代表与第i个中继站相连的第l个用户的信道系数。I_i,l为与第i个中继站相连的第l个用户受到其它中继站的总干扰功率，σ²为噪声功率。基站的吞吐量为：

式中，N_B表示与基站相连的用户数。P_B是中继站的发射功率，h_j代表与基站相连的第j个用户的信道系数。系统的总吞吐量为：

系统的总功率消耗为：

P＝N_r(Δ_RP_R+P_R0)+(Δ_BP_B+P_B0)

式中，N_r代表要部署的中继站个数；Δ_B和Δ_R分别代表基站和中继站的功放效率，P_B和P_R分别代表基站和中继站的发射功率，P_B0和P_R0分别代表基站和中继站的静态功耗。

蜂窝中继网络的频谱效率为能量效率为在保证中继站间无干扰或者干扰可容忍以及保证频谱效率的同时最大化能量效率，该优化问题用数学语言描述如下：

max η_EE

式中，τ是系统频谱效率的期望值。i和i^*表示任意两个中继站，表示任意两个中继站i与中继站i^*间的距离，d_T2与d_T1是预定义的上下干扰距离阀值。

针对以上优化目标，采用穷举搜索的方法找到优化问题的最优解，即采用穷举搜索方法调整中继站间的距离d，在保证中继站间干扰权值矩阵为零矩阵的条件下，判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，从而找到中继站的最优间距d^*。其中i和i^*表示任意两个中继站，和表示任意中继站i与中继站i^*间是否存在干扰的判断值，若存在干扰，则若不存在干扰或者干扰可容忍，则

穷举搜索的方法步骤包括：

步骤S101，设定中继站的间距范围d∈[r,D)，穷举搜索的步长为Δd，搜索次数为定义j＝0,1,2,…,t，第j次的搜索距离为d(j)＝r+jΔd；

步骤S102，根据预定义的干扰距离阀值计算中继站间的干扰，得到干扰权值矩阵 元素和当则当则当则

步骤S103，在每一次搜索中，可能会导致有些用户未被中继站所覆盖，对于在带状区域内又没被中继站覆盖的用户，可以根据信噪比最大原则接入相应的中继站或者基站；

步骤S104，计算每一次搜索所得到的与每个中继站相连的用户数、吞吐量，与基站相连的用户数、吞吐量；

步骤S105，计算每一次搜索所得到的系统的吞吐量、总功率消耗、频谱效率以及能量效率；

步骤S106，在t次搜索所得到的干扰权值矩阵、频谱效率以及能量效率中，在保证中继站间干扰权值矩阵为零矩阵以及保证频谱效率的同时最大化能量效率，找到中继站的最优间距d^*；

步骤S107，当找到中继站的最优间距d^*，则搜索结束。

如图3所示，根据带状区域宽度H和长度D，使用5个中继站对带状区域进行完全覆盖，分别为RS₁、RS₂、RS₃、RS₄、RS₅。10个用户随机分布在带状区域内，分别用MU₁、MU₂、MU₃、MU₄、MU₅、MU₆、MU₇、MU₈、MU₉、MU₁₀表示。在初始状态，MU₁、MU₂由中继站RS₁服务，MU₃由中继站RS₂服务，MU₄、MU₅、MU₆由中继站RS₃服务，MU₇由中继站RS₄服务，MU₈、MU₉、MU₁₀由中继站RS₅服务，使用穷举搜索方法调整间距d，在满足中继站间无干扰或者干扰可容忍以及保证频谱效率的同时最大化能量效率，找到最优的中继站间距d^*后，中继站个数确定为4个，不在中继站覆盖范围内的用户则根据信噪比最大原则接入相应的中继站或者基站。所以，最后这样的部署下，中继站RS₅被移除，用户MU₁、MU₂由中继站RS₁服务，MU₃、MU₄由中继站RS₂服务，MU₅、MU₆由中继站RS₃服务，MU₇、MU₈、MU₉、MU₁₀由中继站RS₄服务。

Claims (3)

1.一种节能的带状覆盖中继站部署方法，其特征在于，根据带状封闭区域长度D和宽度H，考虑部署中继站对带状区域进行完全覆盖，包括如下步骤：

(1)首先对带状区域的宽度H进行分析，若是0＜H≤2r，则只需要部署一个(d,r)-圆盘串即可对带状区域进行覆盖，其中d是两个相邻的中继站覆盖圆盘的圆心距离，r是中继站的覆盖半径；若是H＞2r，则采用分而盖之的中继站部署方法对长带状区域提供覆盖；

所述分而盖之具体为将长带状区域划分成一些子长带状区域，每个子带状区域都平行于原始区域的长边，并且每个子带状区域的宽度都不大于2r，这样使用多个(d,r)-圆盘串即可对带状区域进行覆盖；

(2)采用穷举搜索方法调整中继站间的距离d，在保证中继站间干扰权值矩阵为零矩阵的条件下，判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，从而找到中继站的最优间距d^*；

所述穷举搜索方法寻找最优间距d^*，包括如下步骤：

(2.1)设定中继站的间距范围d∈[r,D)，穷举搜索的步长为Δd，搜索次数为定义j＝0,1,2,…,t，第j次的搜索距离为d(j)＝r+jΔd；

(2.2)根据预定义的干扰距离阀值计算中继站间的干扰，得到干扰权值矩阵元素和当则当则当则d_T2与d_T1是预定义的上下干扰距离阀值；i和i^*表示任意两个中继站；表示任意两个中继站i与中继站i^*间的距离；

(2.3)在每一次搜索中，可能会导致有些用户未被中继站所覆盖，对于在带状区域内又没被中继站覆盖的用户，可以根据信噪比最大原则接入相应的中继站或者基站；

(2.4)根据以下公式计算每一次搜索所得到的与每个中继站相连的用户数、吞吐量，与基站相连的用户数、吞吐量；

设系统所用的带宽为W，则第i个中继站的吞吐量为：

式中，N_i表示与第i个中继站相连的用户数，P_R是中继站的发射功率，h_i,l代表与第i个中继站相连的第l个用户的信道系数，I_i,l为与第i个中继站相连的第l个用户受到其它中继站的总干扰功率，σ²为噪声功率；

基站的吞吐量为：

式中，N_B表示与基站相连的用户数，P_B是中继站的发射功率，h_j代表与基站相连的第j个用户的信道系数；

(2.5)根据公式①和②以及以下公式计算每一次搜索所得到的系统的吞吐量、总功率消耗、频谱效率以及能量效率；

系统的吞吐量为：

系统的总功率消耗为：

P＝N_r(Δ_RP_R+P_R0)+(Δ_BP_B+P_B0) ④

式中，N_r代表要部署的中继站个数；Δ_B和Δ_R分别代表基站和中继站的功放效率，P_B和P_R分别代表基站和中继站的发射功率，P_B0和P_R0分别代表基站和中继站的静态功耗；

频谱效率为

能量效率为

(2.6)在t次搜索所得到的干扰权值矩阵、频谱效率以及能量效率中，在保证中继站间干扰权值矩阵为零矩阵以及保证频谱效率的同时最大化能量效率，找到中继站的最优间距d^*；

(2.7)当找到中继站的最优间距d^*，则搜索结束。

2.根据权利要求1所述的节能的带状覆盖中继站部署方法，其特征在于，步骤(2)所述干扰权值矩阵为其中i和i^*表示任意两个中继站，和表示任意中继站i与中继站i^*间是否存在干扰的判断值，若存在干扰，则若不存在干扰或者干扰可容忍，则

3.根据权利要求1所述的节能的带状覆盖中继站部署方法，其特征在于，步骤(2)所述判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，依据以下原则：

max η_EE

其中，蜂窝中继网络的频谱效率为能量效率为(b/(s.Hz))；τ是系统频谱效率的期望值；i和i^*表示任意两个中继站；表示任意两个中继站i与中继站i^*间的距离；d_T2与d_T1是预定义的上下干扰距离阀值。