CN105898757B - 一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，该方法按以下步骤进行：1)将用户终端分为两组，一组直接接入宏小区基站，称为宏小区用户，另一组接入微小区接入点，称为微小区用户；其中，微小区接入点是通过无线回程链路与宏小区基站相连接；2)宏小区基站和微小区接入点分别为宏小区用户和微小区用户提供通信服务；3)宏小区基站利用统计信道状态信息，计算最优分配系数η^*，并根据η^*值分配频谱资源，其中，无线回程链路占用比例为η^*，剩余的用于无线接入网络。在频谱资源受限的情况下，考虑“系统总速率最大”原则，将频谱资源分配给无线接入网络与无线回程链路，提升系统容量，从而提高频谱效率。

Description

一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法

技术领域

本发明涉及物联网环境中宏小区和微小区混合网络下的频谱资源管理技术领域，特别是一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法。

背景技术

基于网络的智能设备的大量使用，使得物联网能够为教育，医疗，安全，工业等应用提供相关服务。这些智能设备在物联网环境中充当收发实体，构建本地网络，使得基于大规模多天线发送多天线接收(MIMO)技术和高密集小区网络技术的异构网络实现成为可能。大规模MIMO技术和高密集小区网络技术能够有效提高网络的容量，前者通过增加基站天线提高空间自由度，在同一时频资源上同时服务更多的用户；后者通过部署大量的小区接入点使得收发装置更加接近。但是它们当中任何一个都无法单独满足未来网络容量的需求，因此有人提出通过大量的微小区覆盖宏小区形成两层异构网络，宏小区基站覆盖范围广并且采用大规模MIMO技术，为那些快速移动的用户提供服务，微小区接入点覆盖范围小为那些静止或准静止的用户提供服务。该异构网络同时具备上述两种技术的优势。同时利用无线回程链路为微小区接入点提供面向宏小区基站的连接，能够有效的提高频谱效率和能量效率。现有的异构网络频谱资源分配方法大多只考虑将频谱资源在两层无线接入网中进行分配，并没有考虑无线回程链路，或者考虑无线回程链路，但是采用固定分配方式，并没有考虑“系统总速率最大”原则，降低了频谱效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，在频谱资源受限的情况下，考虑“系统总速率最大”原则，将频谱资源分配给无线接入网络与无线回程链路，提升系统容量，从而提高频谱效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，在一个宏小区中部署多个微小区接入点，微小区接入点与宏小区基站通过无线回程链路连接，无线回程链路与无线接入网络共享频谱资源，宏小区基站利用统计信道状态信息设计频谱资源分配方法；具体如下：

步骤一、将用户终端分为两组，一组直接接入宏小区基站，称为宏小区用户，另一组接入微小区接入点，称为微小区用户；其中，微小区接入点是通过无线回程链路与宏小区基站相连接；

步骤二、宏小区基站和微小区接入点分别为宏小区用户和微小区用户提供通信服务；

步骤三、宏小区基站利用统计信道状态信息，计算最优分配系数η^*，并根据η^*值分配频谱资源，其中，无线回程链路占用比例为η^*，剩余的频谱用于无线接入网络。

作为本发明所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法进一步优化方案，步骤一中，用户终端的分组是依据用户终端的移动速度，当用户终端移动速度大于等于设定的临界值时，则直接接入宏小区基站，当用户终端移动速度小于设定的临界值时，则接入微小区接入点，每一个微小区接入点只服务一个离它最近的微小区用户。

作为本发明所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法进一步优化方案，步骤二中，通信服务分为两个阶段，步骤包括：

步骤a)、在第一阶段内，宏小区基站基于线性预编码向宏小区用户发送信号，微小区用户向微小区接入点发送信号，同时在无线回程链路上，宏小区基站利用线性预编码向微小区接入点发送信号；

步骤b)、在第二阶段内，宏小区基站采用线性检测器接收宏小区用户发送的信号，微小区接入点向微小区用户发送信号，同时在无线回程链路上，宏小区基站采用线性检测器接收微小区接入点发送的信号。

作为本发明所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法进一步优化方案，步骤a)中线性预编码的方式为匹配滤波预编码、迫零预编码或规则化的迫零编码，且宏小区基站向宏小区用户发射的线性预编码信号被投影在微小区接入点与宏小区基站之间信道的零空间内。

作为本发明所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法进一步优化方案，步骤b)中线性检测器为最大比合并检测器、迫零检测器或最小均方误差检测器。

作为本发明所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法进一步优化方案，步骤三中，统计信道状态信息是指信道的大尺度衰落信息，包括路径损耗，以及阴影衰落效应。

作为本发明所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法进一步优化方案，步骤三中，宏小区基站计算最优分配系数η^*是依据“系统速率最大化”原则，即

η^*＝arg max_0≤η≤1{R(η)}，

η∈{0,η^α,η^β,η^π}；

其中，β₁与β₂为权重系数，满足0≤β₁≤1，0≤β₂≤1，β₁+β₂＝1；

为宏小区基站到第k个宏小区用户的下行速率，k∈{1,2,…,E}， 为第k个宏小区用户到宏小区基站的上行速率，E为宏小区用户数目；

代表第s个微小区接入点到第s个微小区用户的下行速率，s∈{1,2,…,L}，代表回程链路上宏小区基站到第s个微小区接入点的下行速率， 代表第s个微小区用户到第s个微小区接入点的上行速率，代表回程链路上第s个微小区接入点到宏小区基站的上行速率，L为微小区用户数目；

η_s是满足的解；

η′_s是满足的解；

η^π是满足如下关于η方程的解：

其中，η表示无线回程链路占用频谱资源比例， 表示第k个宏小区用户的下行信道信干噪比，表示回程链路上第s个微小区可接入点的下行信道信干噪比，表示第k个宏小区用户的上行信道信干噪比，表示回程链路上第s个微小区可接入点的上行信道信干噪比，且都是利用统计信道状态信息计算得到。

作为本发明所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法进一步优化方案，β₁和β₂均根据网络的需求和服务的特性进行调整。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本方法通过在无线回程链路与无线接入网络分配频谱资源使得系统总速率最大；

(2)本方法基于统计信道状态信息，并能够减少由一维搜索带来的大量重复计算，降低复杂度。

附图说明

图1为一种无线回程链路异构物联网架构图。

图2为无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法的流程图。

图3表明了通信服务的两个阶段。

图4为本发明实施例提供的一种无线回程链路异构物联网频谱资源分配后的系统最大速率。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供的无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，在频谱资源受限的情况下，可以优化资源分配，提高系统总速率，达到高频谱利用率的要求。本例的回程链路异构物联网架构如图1所示，假设异构物联网由L个微小区覆盖一个宏小区构成，微小区可接入点与宏小区基站通过无线回程链路连接，无线回程链路与无线接入网络共享频谱资源。

如图2所示，本发明实施例提供的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤201：依据用户终端的移动速度将所有用户分为两组，当用户终端移动速度大于等于设定的临界值时，则直接接入宏小区基站，称为宏小区用户；当用户终端移动速度小于设定的临界值时，则接入微小区接入点，其中，微小区接入点是通过无线回程链路与宏小区基站相连接，称为微小区用户。每一个微小区接入点只服务一个离它最近的微小区用户。

步骤202：宏小区基站和微小区接入点分别为宏小区用户和微小区用户提供通信服务。如图3所示，用户服务分为两个阶段，在第一阶段内，宏小区基站基于线性预编码向宏小区用户发送信号，且该预编码信号被投影在宏小区基站与微小区接入点之间信道的零空间内，微小区用户向微小区接入点发送信号，同时在无线回程链路上，宏小区基站利用线性预编码向微小区接入点发送信号。在第二阶段内，宏小区基站采用线性检测器接收宏小区用户发送的信号，微小区接入点向微小区用户发送信号，同时在无线回程链路上，宏小区基站采用线性检测器接收微小区接入点发送的信号。

步骤203：宏小区基站计算最优分配系数η^*依据“系统总速率最大化”原则，即

η^*＝arg max_0≤η≤1{R(η)}，

η∈{0,η^α,η^β,η^π}；

其中，β₁与β₂为权重系数，满足0≤β₁≤1，0≤β₂≤1，β₁+β₂＝1；

为宏小区基站到第k个宏小区用户的下行速率，k∈{1,2,…,E}， 为第k个宏小区用户到宏小区基站的上行速率，E为宏小区用户数目；

代表第s个微小区接入点到第s个微小区用户的下行速率，s∈{1,2,…,L}，代表回程链路上宏小区基站到第s个微小区接入点的下行速率， 代表第s个微小区用户到第s个微小区接入点的上行速率，代表回程链路上第s个微小区接入点到宏小区基站的上行速率，L为微小区用户数目；

η_s是满足的解；

η′_s是满足的解；

η^π是满足如下关于η方程的解：

其中，η表示无线回程链路占用频谱资源比例， 表示第k个宏小区用户的下行信道信干噪比，表示回程链路上第s个微小区可接入点的下行信道信干噪比，表示第k个宏小区用户的上行信道信干噪比，表示回程链路上第s个微小区可接入点的上行信道信干噪比，且都是利用统计信道状态信息计算得到；

表示y关于x的导数。

宏小区基站根据η^*值分配频谱资源，其中无线回程链路占用比例为η^*，剩余的频谱用于无线接入网络。

如图4所示，本发明实施例提供的一种异构物联网模型的实例。该实例作为本发明实施例的一种特殊情况，可推广到其他类似情形，图中给出了本方法所得到的系统总速率最大值，传统方法是指将频谱资源平均分配给无线回程链路与无线接入网络时所得到的系统总速率最大值。具体参数设置如下：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，其特征在于，在一个宏小区中部署多个微小区接入点，微小区接入点与宏小区基站通过无线回程链路连接，无线回程链路与无线接入网络共享频谱资源，宏小区基站利用统计信道状态信息设计频谱资源分配方法；具体如下：

步骤一、将用户终端分为两组，一组直接接入宏小区基站，称为宏小区用户，另一组接入微小区接入点，称为微小区用户；其中，微小区接入点是通过无线回程链路与宏小区基站相连接；

步骤二、宏小区基站和微小区接入点分别为宏小区用户和微小区用户提供通信服务；

步骤三、宏小区基站利用统计信道状态信息，计算最优分配系数η^*，并根据η^*值分配频谱资源，其中，无线回程链路占用比例为η^*，剩余的频谱用于无线接入网络；

步骤三中，宏小区基站计算最优分配系数η^*是依据“系统速率最大化”原则，即

η^*＝arg max_0≤η≤1{R(η)}，

η∈{0,η^α,η^β,η^π}；

其中，β₁与β₂为权重系数，满足0≤β₁≤1，0≤β₂≤1，β₁+β₂＝1；

为宏小区基站到第k个宏小区用户的下行速率，k∈{1,2,…,E}， 为第k个宏小区用户到宏小区基站的上行速率，E为宏小区用户数目；

代表第s个微小区接入点到第s个微小区用户的下行速率，s∈{1,2,…,L}，代表回程链路上宏小区基站到第s个微小区接入点的下行速率， 代表第s个微小区用户到第s个微小区接入点的上行速率，代表回程链路上第s个微小区接入点到宏小区基站的上行速率，L为微小区用户数目；

η_s是满足的解；

η′_s是满足的解；

η^π是满足如下关于η方程的解：

其中，η表示无线回程链路占用频谱资源比例， 表示第k个宏小区用户的下行信道信干噪比，表示回程链路上第s个微小区可接入点的下行信道信干噪比，表示第k个宏小区用户的上行信道信干噪比，表示回程链路上第s个微小区可接入点的上行信道信干噪比，且都是利用统计信道状态信息计算得到。

2.根据权利要求1所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，其特征在于，步骤一中，用户终端的分组是依据用户终端的移动速度，当用户终端移动速度大于等于设定的临界值时，则直接接入宏小区基站，当用户终端移动速度小于设定的临界值时，则接入微小区接入点，每一个微小区接入点只服务一个离它最近的微小区用户。

3.根据权利要求1所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，其特征在于，步骤二中，通信服务分为两个阶段，步骤包括：

步骤a)、在第一阶段内，宏小区基站基于线性预编码向宏小区用户发送信号，微小区用户向微小区接入点发送信号，同时在无线回程链路上，宏小区基站利用线性预编码向微小区接入点发送信号；

步骤b)、在第二阶段内，宏小区基站采用线性检测器接收宏小区用户发送的信号，微小区接入点向微小区用户发送信号，同时在无线回程链路上，宏小区基站采用线性检测器接收微小区接入点发送的信号。

4.根据权利要求3所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，其特征在于，步骤a)中线性预编码的方式为匹配滤波预编码、迫零预编码或规则化的迫零编码，且宏小区基站向宏小区用户发射的线性预编码信号被投影在微小区接入点与宏小区基站之间信道的零空间内。

5.根据权利要求3所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，其特征在于，步骤b)中线性检测器为最大比合并检测器、迫零检测器或最小均方误差检测器。

6.根据权利要求1所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，其特征在于，步骤三中，统计信道状态信息是指信道的大尺度衰落信息，包括路径损耗，以及阴影衰落效应。

7.根据权利要求1所述的一种无线回程链路异构物联网中的频谱资源分配方法，其特征在于，β₁和β₂均根据网络的需求和服务的特性进行调整。