CN106604381A - 一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，属于无线通信领域。三级发射功率机制执行如下策略：发射功率分为单倍功率、半功率和零功率，各个基站均设置三级用户接入数目的阈值，当基站的接入用户数小于高阈值大于低阈值时，基站执行半功率；当基站的接入用户数目降到小于低阈值时，基站向邻近合适的基站转移现有用户并执行零功率。基站的接入用户数大于超阈值时，挑选适当基站转入部分用户或唤醒最近休眠基站转移用户，保证通信畅通，网络性能分析的参考量为覆盖概率、传送容量和区域频谱效率，本发明方法建立在基站执行功率控制的基础上，更能反映网络性能的真实情况，同时也进一步实现绿色通信的目标。

Description

一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，更具体地，涉及一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法。

背景技术

随着网络终端数目的增长以及用户对于高清视频和实时视频语音通信的需求越来越大，网络通信数据量呈现几何级的增长，传统的的低数据率、低吞吐量的网络环境已经不能再满足用户的要求了。可以预见，如果不寻求一种高吞吐量、高数据率的网络来进行革新，在不久的将来用户的通信需求和现有网络所能提供的通信能力将会严重不匹配。而在5G无线通信中，高吞吐量、高数据量和高数据率以及良好的服务质量是其基本特点，毫米波由于其独有的衰减性能和宽频性能成为新一代无线通信系统的可用选择之一，因而受到国内外学者的广泛的研究。针对毫米波网络的性能分析是很有必要的。

另一方面，绿色通信理念又要求我们在设计通信系统时要考虑到能耗的问题。我们希望通信网络不仅要能够高效完成通信任务，而且要在工作过程中，减小不必要的能量浪费，同时提高能量利用效率，在单位能量损耗下传播更多信息。而在前期针对毫米波自组织网络的性能分析的工作则鲜有考虑到能耗这一点，更多把重点放在观测相关网络性能参数的表现上面，针对这一特点，在对毫米波网络进行性能分析的时候，引入功率控制策略是十分必要的，只有把能耗问题考虑在内，毫米波网络才能有机会大规模投入实际应用。

发明内容

针对现有的毫米波网络性能分析方法中，对能耗问题考虑不足的问题，本发明提供了一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，其目的在于对毫米波网络引入基站三级发射功率机制，并在这个前提下进行网络性能分析，通过计算毫米波网络的覆盖概率、传送容量和区域频谱效率等衡量网络性能参数的数值来对毫米波网络进行定量分析，由此解决现有性能分析方法中对能耗问题考虑不足的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，该方法包括以下步骤：

(1)基站发射功率控制步骤；为基站接入的用户数量设定超阈值0.95S、高阈值0.8S和低阈值0.2S三个阈值等级，其中S为基站满负荷接入用户数；各个基站根据各自接入用户数量所处阈值等级调整基站发射功率和用户转移策略；

(2)网络性能分析步骤；计算网络的覆盖概率、传送容量和区域频谱效率。

进一步地，所述步骤(1)包括以下子步骤：

(11)基站初始化，基站发射功率调为单倍功率；

(12)判断基站用户数是否小于低阈值，若是则基站发射功率调为半功率，执行步骤(13)；否则执行步骤(14)；

(13)向邻近基站发送转移用户请求，若有邻基站可转移用户，则向该邻基站转移所有用户，原基站发射功率调为零功率，进入休眠模式；若无邻基站可转移用户，则原基站仍执行半功率正常工作；

(14)判断基站用户数是否大于高阈值，若是则基站发射功率仍执行单倍功率，执行步骤(15)；否则调整基站发射功率为半功率正常工作；

(15)判断基站用户数目是否大于超阈值，若是则向邻近基站发送转移用户请求，执行步骤(16)；否则基站正常工作；

(16)判断是否有邻近基站可转移用户，是则向该基站转移用户，直至本基站用户数减少至高阈值，之后本基站正常工作；否则唤醒最近休眠基站，向该邻基站转移用户，直至本基站用户数减少至高阈值，之后本基站正常工作。

进一步地，当基站向邻基站转移用户时，优先挑选用户数目大于低阈值且小于高阈值的邻基站，当有多个邻基站时，挑选离本基站距离近的邻基站；次优先挑选用户数目大于高阈值的邻基站，当有多个邻基站时，挑选离本基站距离近的邻基站；最后挑选用户数目小于低阈值而大于零的邻基站，当有多个邻基站时，挑选离本基站距离近的邻基站。

进一步地，所述毫米波网络基站分布服从泊松点过程，天线发射信号的波束方向在[0,2π]上均匀分布，通信链路模型为视距链路或非视距链路，信道衰落服从Nakagami衰落，接收信号功率分布服从Gamma分布。

其中，通信链路以概率取视距链路，而以概率取非视距链路，其中β是描述通信链路中建筑物密度的参数，而d_i是通信链路长度；视距链路的路径损耗指数为α_L，非视距链路的路径损耗指数为α_N。

进一步地，所述步骤(2)中网络的覆盖概率具体的计算公式为：

P_c＝P[SINR>T]

其中，T是选取的SINR阈值；SINR为信干噪比；

其中，P是服务基站的发射功率，M₀是典型链路的天线增益，h₀是典型链路的功率衰落，r是典型链路的长度，α₀是典型链路的路径损耗指数，其中N₀是噪声功率，Φ是干扰域，P_i是干扰域中第i个基站的发射功率，M_i是干扰域第i个基站的天线增益，h_i是干扰域中第i条信道的功率衰落，d_i是干扰域中第条链路的长度，α_i是干扰域中第i条链路的路径损耗指数；这里干扰域是指当典型用户接入某一基站通信时，认为其他基站与其用户进行通信的电磁信号均为干扰，这些干扰所组成的集合称为干扰域。

覆盖概率公式可化简为：

其中，λ是通信节点的密度；N是Nakagami衰落的参数；Θ(·)＝Σ_kb_k[P(r，T)+Q(r，T)]，其中，b_k是随机变量天线增益的概率分布，值域为θ为天线毫米波波束宽度，

其中，β是描述通信链路中建筑物密度的参数，r是典型链路的长度，α_k是归一化天线增益，值域为M为主瓣增益，m为旁瓣增益，η＝N(N！)^-1/N，M₀是典型链路的天线增益，α₀为典型链路的路径损耗因子，Γ(·)是伽玛函数，当n是正整数时有Γ(n)＝(n-1)！，G(·|·)是梅耶尔G函数，定义如下：

在这里，m,n,p,q均取正整数，并且有m≤q，n≤p的约束。

进一步地，传送容量的定义为在给定SINR阈值T，和网络的中断概率ε后，网络所能承载的最大用户密度，根据定义不难得出，P_c+ε＝1，则根据式反解出λ的值中的正数解即为传送容量λ_ε；

进一步地，区域频谱效率的计算公式为：

ASE＝λ_εlog₂(1+T)(1-ε)。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：

(1)本发明在对毫米波网络进行性能分析时，引入了基站三级发射功率控制机制，能够根据实际用户接入数量动态调整基站发射功率，更加符合毫米波通信网络的实际情况，因此所得的分析结果有比较大的参考价值；

(2)本发明依据接入基站的用户数目对基站的发射功率进行动态控制，在满足正常通信的功耗需求的前提下，降低不必要的能量浪费，向绿色通信的目标更靠近一步。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明方法执行三级发射功率策略的流程图；

图3(a)是本发明实施列采用三级发射功率机制前的示意图；

图3(b)是本发明实施列采用三级发射功率机制后的示意图；

图4是本发明方法毫米波网络的覆盖概率仿真图；

图5是本发明方法毫米波网络的传送容量仿真图；

图6是本发明方法毫米波网络的区域频谱效率仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明方法分为以下步骤：

(1)基站发射功率控制步骤；为基站接入的用户数量设定超阈值0.95S、高阈值0.8S和低阈值0.2S三个阈值等级，其中S为基站满负荷接入用户数；各个基站根据各自接入用户数量所处阈值等级调整基站发射功率和用户转移策略；

(2)网络性能分析步骤；计算网络的覆盖概率、传送容量和区域频谱效率。

如图2所示，步骤(1)包括以下子步骤：

(11)基站初始化，基站发射功率调为单倍功率；

(12)判断基站用户数是否小于低阈值，若是则基站发射功率调为半功率，执行步骤(13)；否则执行步骤(14)；

(13)向邻近基站发送转移用户请求，若有邻基站可转移用户，则向该邻基站转移所有用户，原基站发射功率调为零功率，进入休眠模式；若无邻基站可转移用户，则原基站仍执行半功率正常工作；

(14)判断基站用户数是否大于高阈值，若是则基站发射功率仍执行单倍功率，执行步骤(15)；否则调整基站发射功率为半功率正常工作；

(15)判断基站用户数目是否大于超阈值，若是则向邻近基站发送转移用户请求，执行步骤(16)；否则基站正常工作；

(16)判断是否有邻近基站可转移用户，是则向该基站转移用户，直至本基站用户数减少至高阈值，之后本基站正常工作；否则唤醒最近休眠基站，向该邻基站转移用户，直至本基站用户数减少至高阈值，之后本基站正常工作。

图3(a)和图3(b)所示是执行基站三级发射功率机制前后的网络示意图，网络每隔一个固定的时间间隔会检查各个基站的接入用户情况，并根据基站三级发射功率机制来调整基站发射功率，图3(a)是检查基站用户接入情况后，还未执行基站三级发射功率机制前的网络示意图。在图3(a)中每个基站暂时都执行单倍发射功率，而我们看到基站D接入的用户比较少，则向邻近的基站C发出转移接入用户的请求，在图3(b)中，我们可以看出，原先基站D的接入用户已经成功转移到基站C接入，此时，基站D没有服务用户，并进入休眠状态；我们再来看基站B，在图3(a)中，基站B接入用户较少，向周围邻近的基站A和基站C发出转移用户请求，结果，因为基站A本身接入用户较多，而基站C因为已经接受基站D的转移用户，本身也服务较多用户，无力再接收更多地用户，因此基站B无法在周围找到合适的基站来转移自己的用户，因此基站B只能继续服务，而在图3(b)中我们可以看出，基站B执行了半功率策略，而基站A和基站C由于服务的用户数目已经超过高阈值，因此只能继续执行单倍发射功率策略。至此达到了如下目的，当基站接入用户数目小于低阈值时，基站向周围近邻基站寻求转移自身服务用户，若转移成功，则自身执行零功率，进入休眠状态，以达到节约能耗的目的，若周围近邻基站也无力承载这部分用户，则该基站只能继续工作，但是同时执行半功率策略，尽量达到节约能耗的目的。需要指明的是，图中的接入用户的个数只为示意各个基站相对接入用户数目的大小，并不表示实际的接入用户数目。

仿真测试：在本仿真网络中，我们假设用户分布服从泊松点过程，因此各个基站的接入用户数目在大时间尺度上有着相同的特征，关注本仿真网络内某一条通信链路，统计该基站的平均发射功率，作为本仿真网络所有基站的发射功率进行仿真计算，仿真所用的参数见表1：

表1

统计一天中发射功率的执行情况，分别给出一天中执行单倍功率、半功率和零功率的时间及其占比见表2：

表2

计算发射功率时，单倍功率、半功率和零功率的占比分别为η，η_h，η₀则，发射功率的计算公式为：P_t＝Pη+P_hη_h+P₀η₀,因此平均发射功率为0.569W。

图4是网络中覆盖概率的仿真结果。从图中曲线走向可以看出在SINR低阈值区域，整个网络被全部覆盖；而随着SINR阈值的增加，即对网络性能要求的提高，部分用户因为SINR值达不到阈值要求而不能被覆盖，覆盖概率下降。

图5是中断概率取0.1，链路长度取25m时网络的传送容量随SINR阈值的变化曲线。显然，随着SINR阈值的增加，即网络性能要求的提高，能够被覆盖的用户数目在逐渐减少,为了能够达到新的网络性能的要求，必须要减少网络的用户数目，即整个网络能够承载的用户密度降低。

图6是频谱效率随SINR阈值的变化曲线。曲线先经过一个先上升再下降的过程。我们从公式可以看出，频谱效率与当下网络的传输速率和传送容量都成正比。当SINR阈值上升时，网络的传输速率提高，但是从图5中可以看出网络的传送容量在降低，因此存在一个SINR阈值点，在这个点处的网络频谱效率达到最大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)基站发射功率控制步骤；为基站接入的用户数量设定超阈值、高阈值和低阈值三个阈值等级，各个基站根据各自接入用户数量所处阈值等级调整基站发射功率和用户转移策略；

(2)网络性能分析步骤；计算网络的覆盖概率、传送容量和区域频谱效率。

2.根据权利要求1所述的一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下子步骤：

(11)基站初始化，基站发射功率调为单倍功率；

(12)判断基站用户数是否小于低阈值，若是则基站发射功率调为半功率，执行步骤(13)；否则执行步骤(14)；

(13)向邻近基站发送转移用户请求，若有邻基站可转移用户，则向该邻基站转移所有用户，原基站发射功率调为零功率，进入休眠模式；若无邻基站可转移用户，则原基站仍执行半功率正常工作；

(14)判断基站用户数是否大于高阈值，若是则基站发射功率仍执行单倍功率，执行步骤(15)；否则调整基站发射功率为半功率正常工作；

(15)判断基站用户数目是否大于超阈值，若是则向邻近基站发送转移用户请求，执行步骤(16)；否则基站正常工作；

(16)判断是否有邻近基站可转移用户，是则向该基站转移用户，直至本基站用户数减少至高阈值，之后本基站正常工作；否则唤醒最近休眠基站，向该邻基站转移用户，直至本基站用户数减少至高阈值，之后本基站正常工作。

3.根据权利要求2所述的一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，其特征在于，当基站向邻基站转移用户时，优先挑选用户数目大于低阈值且小于高阈值的邻基站，当有多个邻基站时，挑选离本基站距离近的邻基站；次优先挑选用户数目大于高阈值的邻基站，当有多个邻基站时，挑选离本基站距离近的邻基站；最后挑选用户数目小于低阈值而大于零的邻基站，当有多个邻基站时，挑选离本基站距离近的邻基站。

4.根据权利要求1所述的一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，其特征在于，所述毫米波网络基站分布服从泊松点过程，天线发射信号的波束方向在[0,2π]上均匀分布，通信链路模型为视距链路或非视距链路，信道衰落服从Nakagami衰落，接收信号功率分布服从Gamma分布。

5.根据权利要求1所述的一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中网络的覆盖概率为

$P_c\≈{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{(-1)}^{n+1}\left(\begin{array}{c}N\\ n\end{array}\right)(1-2\mathrm{\π}\mathrm{\λ}\mathrm{\Θ}(\·)+2{\mathrm{\π\λ}}^2{\mathrm{\Θ}}^2(\·\left)\right),$

其中，λ是通信节点的密度；N是Nakagami衰落的参数；Θ(·)＝∑_kb_k[P(r，T)+Q(r，T)]，其中，b_k是随机变量天线增益的概率分布，值域为θ为天线毫米波波束宽度，

$P(r,T)=\frac{1}{{\mathrm{\β}}^2}+\frac{{\mathrm{\α}}_k{\mathrm{nKTG}}_{1,3}^{3,1}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_k{\mathrm{nKT\β}}^2}{4N}{|}_{-1,0,1/2}^{-N}\right)}{2\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{\Γ}(1+N)},$

$Q(r,T)=\frac{\sqrt{{\mathrm{N\α}}_{k}nKT\mathrm{\π}}\mathrm{\Γ}(\frac{1}{2}+N)}{2\mathrm{\Γ}(1+N)}-\frac{1}{{\mathrm{\β}}^2}+\frac{\sqrt{{\mathrm{\α}}_{k}nKT/N}{G}_{1,5}^{5,1}\left(\frac{{\mathrm{\α}}_k{\mathrm{nKT\β}}^4}{256N}{|}_{-1/2,0,1/4,1/2,3/4}^{1/2-N}\right)}{4\sqrt{2{\mathrm{\π}}^3}\mathrm{\Γ}\left(N\right)},$

其中，β是描述通信链路中建筑物密度的参数，T是选取的信干噪比SINR阈值，r是典型链路的长度，α_k是归一化天线增益，值域为M为主瓣增益，m为旁瓣增益，η＝N(N！)^-1/N，M₀是典型链路的天线增益，α₀为典型链路的路径损耗因子，Γ(·)是伽玛函数，G(·|·)是梅耶尔G函数。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中网络的传送容量求解过程为：

根据

P_c+ε＝1，

$P_c\≈\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{(-1)}^{n+1}\left(\begin{array}{c}N\\ n\end{array}\right)(1-2\mathrm{\π}\mathrm{\λ}\mathrm{\Θ}(\·)+2{\mathrm{\π\λ}}^2{\mathrm{\Θ}}^2(\·\left)\right)$

反解出λ的值中的正数解，即为传送容量λ_ε；其中，ε为中断概率。

7.根据权利要求1或5所述的一种基于三级发射功率机制的毫米波网络性能分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中网络的区域频谱效率为

ASE＝λ_εlog₂(1+T)(1-ε)，

其中，ε为网络的中断概率；λ_ε为网络的传输容量。