CN105873215B - 一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，包括：初始化网络，主节点给每个子节点分配相等的功率，计算所有子节点的接收信噪比；设置信噪比门限值，将信噪比小于门限值的子节点的功率加大到使其信噪比达到门限值；计算加大功率后的子节点的功率；其他子节点按照功率递推关系来计算下一个子节点的功率；将上述中的子节点的功率来计算其信噪比，如果其信噪比小于门限值，则将其功率加大到使其信噪比达到门限值，并重复计算加大功率后的子节点的功率。本发明提供的一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法可有效提升蜂窝式固定节点接入网络场景中的网络总吞吐量。

Description

一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法。

背景技术

随着国家无线计量频段的开放，给无线的抄表系统提供了丰富的频率资源，用无线的方式来实用信息的通信成为一种用户可以接受的主要通信通道，以微蜂窝式固定节点无线数据接入系统CFDA(Cellular Fixed-wireless Digital Access)无线自组织网络为集中器下行通道的低压侧电力数据采集系统，可以快速实时的实现表计和集中器或网关之间的数据通信和采集，在该系统上可以支持低压侧的实时抄表、网络预付费和需求侧需要的各种低压数据采集。CFDA是一种基于MESH网络结构特征的无线数据接入系统，可工作于多种工种模式，由传统上的主从站方式转化成复合站工作方式。同时针对电力行业的应用特点，进行了路由方式的优化，并支持从节点自由入网。

近年来，蜂窝固定节点数据接入网络(CFDA)由于其具有大网络容量，灵活的结构和更高的可靠性的特点而受到较多的关注。此外，CFDA网络中有严格的用户QoS(Qualityof Service，服务质量)要求的分布式媒体应用也逐渐成为主要的应用。因此，在提供QoS保证和改善CFDA网络的资源利用方面，功率分配将发挥重要的作用。

目前，传统的CFDA功率分配方法将难以同时达到频谱效率和能量效率目标，网络总吞吐量小，呈现扩展性和实时性差等问题。

发明内容

针对以上问题，本发明专利目的在于设计了一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，可有效提升蜂窝式固定节点接入网络场景中的网络总吞吐量。

本发明技术方案如下：

一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，包括如下步骤：

步骤S1：初始化网络，主节点给每个子节点分配相等的功率，计算所有子节点的接收信噪比，并按信噪比从小到大排列每个子节点{1,2,3,……,K}；

步骤S2：设置信噪比门限值η，将信噪比小于门限值η的子节点{1,2,3,……,J}的功率加大到使其信噪比达到门限值η；

步骤S3：重新计算步骤S2中的加大功率后的子节点{1,2,3,……,J}的功率；

步骤S4：其他子节点{J+1,J+2,J+3,……,K}按照功率递推关系来计算下一个子节点的功率；

步骤S5：将步骤S4中的子节点的功率来计算其信噪比，如果其信噪比小于门限值η，则将其功率加大到使其信噪比达到门限值η，并重复步骤S3～S5；如果其信噪比大于门限值η，则依次计算出其他节点的功率。

进一步，本发明所述功率递推关系的公式如下：

其中，

P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，N是热噪声功率谱密度，B是预分配给每个子节点的总带宽，H_i为第i个子节点和主节点之间的信道总增益。

进一步，本发明所述功率递推关系的公式进一步表示为：

其中，

P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，N是热噪声功率谱密度，B是预分配给每个子节点的总带宽，H_i为第i个子节点和主节点之间的信道总增益，P_max为主节点的总功率。

进一步，本发明所述主节点处装备有一个有源天线，有源天线的总增益等于天线水平模式增益、垂直模式增益和天线固有增益的总和，计算天线的总增益的具体步骤为：

步骤一，第i个子节点的天线水平模式增益公式如下：

其中，A_m是天线的衰减，

是水平第i个子节点和主节点的连线的延长线和水平线的夹角，

为水平半功率角；

步骤二，第i个子节点的天线垂直模式增益公式为：

其中，SLA_V是天线的旁瓣增益，θ_i是第i个子节点和主节点的连线与竖直线的夹角，θ_etilt是下倾角，θ_3dB为垂直半功率角；

步骤三，第i个子节点的天线的总增益为：

G_i＝-min{-[A_Hi+A_Vi],A_m}+G_ant；

其中，G_ant是天线的固有增益。

进一步，本发明所述每个子节点在进行数据传输时的总吞吐量的计算公式如下：

其中，P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，N是热噪声功率谱密度，B是预分配给每个子节点的总带宽，H_i为第i个子节点和主节点之间的信道总增益，SNR_i是第i个子节点的接受信噪比。

进一步，本发明所述总吞吐量是整个方案需要优化的量，问题可以描述为：

max T

其中，η是接收信噪比的门限，反映了子节点的QoS要求，P_max是主节点的总发射功率，P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，SNR_i是第i个子节点的接受信噪比。

本发明提供的蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，通过结合QoS的需求和功率分配，实现了蜂窝式固定节点接入网络中的容量优化。本发明与现有技术相比具有以下优势：

1、从场景应用角度。本发明采用了蜂窝式固定节点接入网络CFDA，该网络适用于电力信息采集系统。CFDA网络可以被应用在为集中器下行通道的低压侧电力数据采集系统中，可以快速实时的实现表计和集中器或网关之间的数据通信和采集，在该系统上可以支持低压侧的实时抄表、网络预付费和需求侧需要的各种低压数据采集。但是目前的电力信息采集系统的下行通信中，并没有能够像视频传输等高速率的业务。

2、从资源分配角度，本发明所述的蜂窝式固定节点接入网络中的功率分配方案中，对网络中主节点的功率进行了最优化的分配。该方案旨在提高整个网络中的总吞吐量，仿真显示该功率分配方案对于提高系统吞吐量起到了不小的作用。

3、满足QoS需求。本发明所述的蜂窝式固定节点接入网络中的功率分配方案不仅能够显著提高网络的总吞吐量，更能动态地满足网络中各子节点的QoS的需求，保证各种业务的质量有所保障。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明实施例提供的蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的蜂窝式固定节点接入网络模型图；

图3是本发明实施例提供的有源天线的模型图；

图4是本发明实施例提供的微小区节点数和系统总吞吐量的关系曲线模拟图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，请参阅图1，包括如下步骤：

步骤S1：初始化网络，主节点给每个子节点分配相等的功率，计算所有子节点的接收信噪比，并按信噪比从小到大排列每个子节点{1,2,3,……,K}；

步骤S2：设置信噪比门限值η，将信噪比小于门限值η的子节点{1,2,3,……,J}的功率加大到使其信噪比达到门限值η；

步骤S3：重新计算步骤S2中的加大功率后的子节点{1,2,3,……,J}的功率；

步骤S4：其他子节点{J+1,J+2,J+3,……,K}按照功率递推关系来计算下一个子节点的功率；

步骤S5：将步骤S4中的子节点的功率来计算其信噪比，如果其信噪比小于门限值η，则将其功率加大到使其信噪比达到门限值η，并重复步骤S3～S5；如果其信噪比大于门限值η，则依次计算出其他节点的功率。

如图2所示，本发明为蜂窝式固定节点接入网络的模型。将网络假设为一个覆盖区域为圆形的微蜂窝网络。网络中的节点包含一个主节点和K个子节点。网络中的主节点位于网络的正中心，K个子节点随机均匀分布网络区域，网络中节点不具备移动性，可以直接与主节点通信。

如图3所示，在本发明所述的蜂窝式固定节点接入网络中，主节点装备有有源天线。图3中的天线就是有源天线。图中显示有θ和

两个角。其中

是子节点与天线连线在水平面上的投影和水平线的夹角，称之为方位角。而θ则是子节点与天线连线和竖直线的夹角，称之为仰角。

本发明考虑的是数据下行通信的情况，在一个数据传输周期内，主节点要将总发射功率全部分配给所有子节点，在保证各子节点QoS满足门限的情况下，提升整个网络的吞吐量，以此来改善业务性能。

具体实施步骤如下：

步骤S1：初始化网络，主节点给每个子节点分配相等的功率，并计算所有节点的接收信噪比，并按信噪比从小到大排列每个子节点{1,2,3,……,K}。具体实施步骤为：

步骤1.1，初始化过程中，所有子节点都分配相等的功率

步骤1.2，计算各节点的信噪比，即

然后按照升序排列，将排序结果存入集合A中：

A＝{SNR₁,SNR₂...SNR_K}；

其中SNR₁≤SNR₂≤…≤SNR_K。P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，N是热噪声功率谱密度，B是预分配给每个子节点的总带宽，H_i为第i个子节点和主节点之间的信道总增益，SNR_i是第i个子节点的接受信噪比。

步骤S2：设置信噪比门限值η，统计所有子节点的信噪比，将信噪比低于某门限值η的节点{1,2,3,……,J}的功率适当加大，以至于使它们的信噪比达到门限值η。具体实施步骤为：

步骤2.1，统计信噪比低于门限的子节点个数。设有J个子节点的信噪比低于门限，则可知A中的前J个值低于信噪比门限值η。

步骤2.2，将A中的前J个值提升至信噪比门限：

SNR₁＝SNR₂＝…＝SNR_J＝η。

步骤S3：重新计算步骤S2中的加大功率后的子节点{1,2,3,……,J}的功率。

步骤S4：其他子节点{J+1,J+2,J+3,……,K}按照功率递推关系来计算下一个子节点的功率。具体实施步骤为：

步骤4.1，前J个信噪比提升至门限的子节点的功率为：

步骤4.2，后K-J个子节点的功率按照递推关系推出：

设

步骤4.3，所有子节点功率相加就是主节点的总功率：

步骤4.4，由以上三步计算出第J+1个子节点的功率：

步骤4.2的具体实施步骤为：：

1)场景假设。考虑只有两个子节点的场景，子节点i和子节点j；

2)给出分配功率的不等式。设

并且x_i＞x_j＞0，当给定足够小的功率Δ＞0时,得到：

log₂(1+(P_i+Δ)*x_i)+log₂(1+P_j*x_j)

≥log₂(1+P_i*x_i)+log₂(1+(P_j+Δ)*x_j)；

步骤三，得到递推关系式：

从上式中可以看出多余的功率应当分配给信道状态更好的子节点，但量不超过

于是可以在满足不等式条件上，递推关系式可以表示为：

其中，P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，

N是热噪声功率谱密度，B是预分配给每个子节点的总带宽，H_i为第i个子节点和主节点之间的信道总增益。

步骤S5：将步骤S4中的子节点的功率来计算其信噪比，如果其信噪比小于门限值η，则将其功率加大到使其信噪比达到门限值η，并重复步骤S3～S5；如果其信噪比大于门限值η，则依次计算出其他节点的功率。具体实施步骤为：

步骤5.1，,步骤S4中计算出了第J+1个子节点的功率P_i，利用

计算出第J+1个子节点的信噪比SNR_i+1。

步骤5.2，若SNR_i+1＜η，则将其信噪比提升至门限，返回步骤S3；若SNR_i+1≥η，则有功率递推关系计算出其他节点的功率：

网络中的主节点装备有一个有源天线，天线的总增益等于天线水平模式增益，垂直模式增益和天线固有增益的总和。计算天线的总增益的具体步骤为：

1)、设

和θ_3dB分别为表示水平半功率角和垂直半功率角，第i个子节点的天线水平模式增益如下：

其中A_m是天线的衰减，

是水平第i个子节点和主节点的连线的延长线和水平线的夹角，称之为方位角。

2)、第i个子节点的天线的垂直模式增益为：

SLA_V是天线的旁瓣增益，θ_i是第i个子节点和主节点的连线与竖直线的夹角，称之为仰角。此外，θ_etilt是下倾角。

3)、第i个子节点的天线的总增益为：

G_i＝-min{-[A_Hi+A_Vi],A_m}+G_ant,

其中G_ant是天线的固有增益。

所述每个子节点在进行数据传输时的吞吐量的计算步骤如下：

步骤一，给定G_i时,第i个子节点和主节点之间的信道总增益可以表示为：

H_i＝G_i*L_i,

其中L_i是第i个子节点和主节点之间的路径损耗；

步骤二，第i个子节点的接受信噪比为:

其中，P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率。N是热噪声功率谱密度，而B是预分配给每个子节点的总带宽；

步骤三，蜂窝式固定节点接入网络的总吞吐量为：

网络总吞吐量是整个方案需要优化的量，优化问题可以描述为：

max T

其中，η是接收信噪比的门限值，它反映了子节点的QoS要求；而P_max是主节点的总发射功率。

下面结合仿真对本发明的应用效果做进一步的说明：

1、仿真条件：

本发明的仿真中参数的配置如下表所示：

2、仿真内容与仿真结果：

考虑不同的总功率，对均分功率算法和本发明所述的最优化功率分配算法进行了比较，结果如下：

图4为本发明实施例提供的不同总发射功率条件下均分功率算法和本发明所述的最优功率分配算法比较。当总的发射功率一定时，明显可以看出来随着小区内子节点的个数增多，系统的总吞吐量也随之上升。但当小区子节点数足够多时，系统的吞吐量的增长速度减缓并且趋于一个上限。这是因为总功率受限于一个定值，则系统容量也会受限，不会无限制地增长。从图4中可以明显看出，本发明所述的算法明显优于平均功率分配算法，原因在与，不同的子节点距离主节点的距离不一样，为了达到信噪比门限需要的功率也就不一样。因此均分功率只会让不同子节点的信噪比差异较大，这样，网络容量反而较低。当提升总发射功率的时候，很显然，系统的吞吐量也会变大。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：初始化网络，主节点给每个子节点分配相等的功率，计算所有子节点的接收信噪比，并按信噪比从小到大排列每个子节点{1,2,3,……,K}；

步骤S2：设置信噪比门限值η，将信噪比小于门限值η的子节点{1,2,3,……,J}的功率加大到使其信噪比达到门限值η；

步骤S3：重新计算步骤S2中的加大功率后的子节点{1,2,3,……,J}的功率；

步骤S4：其他子节点{J+1,J+2,J+3,……,K}按照功率递推关系来计算子节点的功率；

步骤S5：将步骤S4中的子节点的功率来计算其信噪比，如果其信噪比小于门限值η，则将其功率加大到使其信噪比达到门限值η，并重复步骤S3～S5；如果其信噪比大于门限值η，则依次计算出其他节点的功率；

所述功率递推关系的公式如下：

其中，

P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，N是热噪声功率谱密度，B是预分配给每个子节点的总带宽，H_i为第i个子节点和主节点之间的信道总增益。

2.根据权利要求1所述的蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，其特征在于，所述功率递推关系的公式进一步表示为：

其中，

P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，N是热噪声功率谱密度，B是预分配给每个子节点的总带宽，H_i为第i个子节点和主节点之间的信道总增益，P_max为主节点的总功率，k为子节点个数。

3.根据权利要求1所述的蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，其特征在于，所述主节点处装备有一个有源天线，有源天线的总增益等于天线水平模式增益、垂直模式增益和天线固有增益的总和，计算天线的总增益的具体步骤为：

步骤一，第i个子节点的天线水平模式增益公式如下：

其中，A_m是天线的衰减，

是水平第i个子节点和主节点的连线的延长线和水平线的夹角，

为水平半功率角；

步骤二，第i个子节点的天线垂直模式增益公式为：

其中，SLA_V是天线的旁瓣增益，θ_i是第i个子节点和主节点的连线与竖直线的夹角，θ_etilt是下倾角，θ_3dB为垂直半功率角；

步骤三，第i个子节点的天线的总增益为：

G_i＝-min{-[A_Hi+A_Vi],A_m}+G_ant；

其中，G_ant是天线的固有增益。

4.根据权利要求1所述的蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，其特征在于，所述每个子节点在进行数据传输时的总吞吐量的计算公式如下：

其中，P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，N是热噪声功率谱密度，B是预分配给每个子节点的总带宽，H_i为第i个子节点和主节点之间的信道总增益，SNR_i是第i个子节点的接收信噪比。

5.根据权利要求4所述的蜂窝式固定节点接入网络的功率分配方法，其特征在于，所述总吞吐量是整个方案需要优化的量，问题可以描述为：

max T

其中，η是接收信噪比的门限，反映了子节点的QoS要求，P_max是主节点的总发射功率，P_i是主节点分配给第i个子节点的发射功率，由最优化问题得到，SNR_i是第i个子节点的接收信噪比。

Images