CN106792893A - 基于最大接收功率的异构蜂窝网络接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最大接收功率的异构蜂窝网络接入方法，其主要步骤为：先比较终端从各个基站接收到的信号功率，依据接收到的最大值判断终端是否为基站型；终端若是基站型，则直接接入基站；终端若不是，系统需依据剩余带宽、信号与干扰噪声比继续判断，判定终端是小蜂窝接入还是协作接入；若出现多个终端请求接入，系统会按照终端请求接入时间、用户等级和数据速率建立排队模型，确立终端接入的优先级。本发明在系统资源不变的情况下，能够最大化小区内终端总吞吐量；改进方案有助于提升系统吞吐量，对系统资源的使用更加充分。

Description

基于最大接收功率的异构蜂窝网络接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信中异构网络接入领域，特别涉及一种基于最大接收功率的异构蜂窝网络接入方法。

背景技术

异构网络作为下一代无线系统发展的大趋势，其接入选择问题自然是当前的一个研究热点。最早关于异构网络接入选择方法的研究可追溯到Wei Song等在2006年至2007年发表的文献，其第一次将无线蜂窝网络与无线局域网络(Wireless Local Area Networks,WLAN)的融合场景作为系统模型，解决在此场景下的终端接入问题。具体是将终端按照业务类型分为语音部分和数据部分，针对小区重叠区域，语音部分终端首选蜂窝网络接入，数据部分终端首选WLAN接入。同时，为保证用户服务质量(Quality of Service,QoS)，在两个网络中对两种业务设置不一样的接入门限。该方法可以提高系统吞吐量并减小业务时延。

目前，国内外关于异构网络接入选择方法的研究已经不少，对比分析可知按照接入选择参考因素的不同，可分为基于信号强度、终端移动速度、负载均衡、效用函数、策略驱动、业务类型(网络类型)等。

例如，基于信号强度的异构网络接入方法主要是终端得到系统中各候选子网的信号强度，比较大小后，选择接入到信号最强的子网。该法是一种提高传输可靠性的简便算法，能够有效的降低耗电量与误码率。信号强度大，通常表明信道条件不错，噪声干扰较低，通信传输错误率较低，终端自然会接入该网络。基于终端移动速度的异构网络接入方法主要是通过建立符合终端移动状态的数学模型，依据该模型对终端运动的位置及路线进行较为准确的预测，最后根据预测值完成终端对网络的选择。基于负载均衡的异构网络接入方法主要是对系统中各候选子网的资源进行共同管理。在每次接入之前，系统先分析各子网的负载状况，再将终端接入负载较轻的子网络。基于效用函数的异构网络接入方法主要是将经济学中的效用概念引入到网络接入选择算法中。经济学中效用函数是用来度量顾客从消费特定商品组合中所获取的满意度。它可以表明顾客在消费过程中所获取的效用和所花费的商品组合之间数量的函数关系。针对网络接入而构造的效用函数，与业务的QoS正相关，与业务的通信花销反相关。

因此，现有异构网络的接入选择方法虽然能实现终端接入网络的目标，但还有许多需要讨论或优化的环节。比如大多数接入选择方法都是考虑单基站接入，如何利用多个基站共同完成终端的网络接入，这是一个改进方向。现有的接入选择方法大多没有考虑到终端等级或业务等级，但实际生活中会存在优先级不同的终端或业务，如何建立相应的数学模型，以解决不同等级终端的接入问题，这又一个改进方向。此外，还存在一些因素，对接入后终端的通信性能有比较重要的影响，如何对网络进行筛选，减少后续不必要的切换，保证一定的通信质量，这也是一个改进方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于最大接收功率的异构蜂窝网络接入方法，能提升系统吞吐量，对系统资源的使用更加充分。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于最大接收功率的异构蜂窝网络接入方法，具体为：

将协作接入添加到传统异构网络接入系统中，所述传统异构网络接入系统为：传统异构网络面对终端业务请求时，基站与终端之间的通信链路存在两种：分别为宏基站和Small Cell传输，终端接入方式有两种：基站型和Small Cell型，系统会按照相应的选网标准来决定终端是接入宏基站还是Small Cell来完成通信；

在协作接入添加到传统异构网络接入系统后，部分终端在接入时能够同时选择两种制式，即基站与Small Cell协作接入，此时基站和终端通信划分成三种：直接基站传输，直接Small Cell传输，Small Cell与基站协作传输；

假定第i个Small Cell的发送功率为P_si，其值远低于宏基站的发送功率P_b，终端u从第j个Small Cell中检测到的信号功率表示成P_sj|h_u,j|²，从宏基站检测的到信号功率表示成P_b|h_u,0|²，其中终端u与第j个Small Cell之间的信道增益用h_u,j来表示，终端u与宏基站之间的信道增益用h_u,0来表示；

则具体步骤为：

步骤1：判定终端是否为基站型；若发送功率P_b|h_u,0|²＞P_sj|h_u,j|²成立，终端是基站型，终端直接接入宏基站，若发送功率P_b|h_u,0|²＞P_sj|h_u,j|²不成立，终端进入第二步判断；

步骤2：终端根据{j^*}＝argmax{P_sj|h_u,j|²}找到编号为j^*的最佳Small Cell节点；

步骤3：终端需要依据宏基站的剩余带宽B₀、编号为j的Small Cell的剩余带宽和信号与干扰噪声比SINR继续做抉择；若成立(α为SINR的阀值，可根据业务质量的要求选定)，判定终端u为Small Cell型，终端直接接入Small Cell，；若不成立(α为SINR的阀值，可根据业务质量的要求选定)，判定终端u为协作型，终端就直接选择基站与编号为j^*的Small Cell协作接入；

当不成立，则是两种情况，其一：若P_b|hu_,0|²＜P_sk|h_u,k|²成立，编号为j的SmallCell的剩余带宽和编号为k的Small Cell的剩余带宽B_k充足，终端就直接选择编号为j*和k的Small Cell协作接入；若P_b|h_u,0|²＜P_sk|h_u,k|²不成立，编号为j的Small Cell的剩余带宽和宏基站的剩余带宽B₀充足，终端就直接选择宏基站与编号为j的Small Cell协作接入；

当出现两个Small Cell协作进行通信时，终端u对应的SINR和速率分别是：

其中，

终端等级用λ表示，λ∈{1,2}，λ＝1表示该终端为高级用户，λ＝2表示该终端为普通用户；

宏基站的剩余带宽为B₀，Small Cell的剩余带宽为B_i，1≤i≤N_s，i表示Small Cell的编号；

假定该异构网络总的系统带宽为B，加性高斯白噪声满足n～CN(0,δ²)，采用衰落极为平缓的信道，即慢频率选择性衰落，使其能够在一个发送时隙内维持各子载波信道增益h稳定为常数，则信号与干扰噪声比SINR表达式分别为：

式中u＝1,2,…,N_u；j＝1,2,…,N_s；σ²为噪声功率，SINR_u,0即是基站型的信号与干扰噪声比，SINR_u,j则是Small Cell型的信号与干扰噪声比，SINR_u,0,j则是协作型的信号与干扰噪声比；

基站型、Small Cell型、协作型终端下行通信的信道容量计算公式分别为：

R_u,0＝log(1+SINR_u,0)，R_u,_j＝log(1+SINR_u,j)，R_u,0,j＝log(1+SINR_u,0,j)；

考虑终端发起接入的时间、用户等级和数据速率，建立相应的接入优先级模型D_j，

D_j＝{r_a,r_b,…,r_l}

式中，r_a表示终端a的数据速率，a表示终端序号，j表示候选网络序号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)通过加入协作，部分终端的SINR增大，相应的通信质量也得到了提高。2)通过对终端优先级的考虑，使其有序完成接入，避免冲突，尽量公平的实现接入。3)算法执行复杂度比较低，操作简单，并且综合考虑了用户和网络端两方面因素，较为全面。4)有利于提升系统吞吐量，对系统资源利用方面也存在一定的优势。

附图说明

图1是LTE-A异构网络场景。

图2是协作多点技术传输策略。

图3是CRE小区扩展机制效果示意图。

图4是传统异构网络接入选择流程图。

图5是LTE-A异构网络的三种接入方式。

图6是LTE-A异构网络的协作接入选择流程图。

图7是LTE-A异构网络吞吐量与终端数目之间的关系。

图8是系统吞吐量与Small Cell数量的关系。

图9是单小区终端和Small Cell分布图。

图10是系统吞吐量与Small Cell位置的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。狭义上讲，异构网络是在传统宏基站覆盖范围下设置低功率发射结点，包含有Femtocell、Picocell、Microcell和Metrocell等。这些低功率发射节点形成Small Cell。Small Cell可以帮宏小区分担一些业务流，减轻部分负载。这样有效解决了热点、盲点地区的覆盖问题，增加了网络容量，也满足了终端对带宽的要求。

LTE-A系统通过引入载波聚合技术(Carrier Aggregation,CA)、多点协作传输(Coordinated Multiple Points Transmission/Reception,CoMP)、多天线增强技术以及中继(Relay)传输等，以此实现系统带宽更大，峰值速率和频谱利用效率更高的目标，同时使用扁平化网络提升了整个系统的组网效率。其异构网络又通过用户移动性管理、用户调度、Small Cell范围扩展、干扰管理机制、无线资源管理以及自组织网络等六项关键技术，不断完善系统性能。

(1)多点协作传输

CoMP是LTE-A系统的核心技术之一，主要是为了扩充空域。简单来说，CoMP是指在地理位置上离散的多个传送点，它们可以相互配合完成对单个终端的信息传输，也能够联合处理单个终端发送过来的信息，是一种有效提升边缘终端通信性能的技术。它主要利用信道快速衰落的变化，信息通过多天线阵元来发送与接收，从而使系统整体的吞吐量增加。CoMP的协作模式主要分为联合处理与协作调度/波束赋形两种。它们适用于不同的应用场景，且它们之间是不能够完全代替的。在基站拥有4天线配置的前提下，CoMP是唯一能够满足不同环境要求的技术，并且能够显著改善系统性能。图2就展示了这两种协作模式。

(2)中继传输

Relay是两个节点间的一条传输通路。对于无法直接通信的两个节点，此时就需要Relay节点来转发，实现信息的交互。Relay为LTE-A系统的低功耗基站，它通过缩短终端和基础设施之间的距离，使数据速率得到优化。此外，在网络覆盖的薄弱区域，系统增设Relay节点能大幅度的增强信号质量。Relay根据频谱的占用状况可以划分成带内和带外两大类。带内Relay共享频谱，其接入和回程使用同一个无线端口。这样会产生频域干扰现象，必须通过特定的方法才能避免。带外Relay的不同之处在于接入和回程通路工作在不同频谱范围，它在频域内加入固定的频带间隔，避免两者之间的频域干扰。

(3)小区扩展机制

Small Cell范围扩展技术主要是为了合理分流宏基站下的终端。这是因为LTE-A异构网络出现了双层结构，宏基站与Small Cell的发射功率有不小的差距，如果采用传统同构网络中的接入技术，会使宏基站下的终端过多，达不到理想负载均衡的效果。针对这一现象，依据相应扩展原则发展而来的范围扩展技术可以增大Small Cell覆盖，使其能接入更多的终端。常用的就是小区扩展技术(Cell Range Extension，CRE)。

LTE-A异构网络内基站有多种类型，不同类型基站的发射功率差别比较大。为了让更多的终端可以选择低功率的Small Cell通信，减缓小区内负载不均衡的现象，系统引入了CRE小区扩展机制。这里以Picocell和宏蜂窝为例，其公式表示为(1)。

式中，当终端接收到宏蜂窝基站发射过来的信号时，bias_i＝0；当终端接收到Picocell基站发射过来的信号时，bias_i＞0。该方法能够降低接入Small Cell的门槛，使得Small Cell覆盖范围变大，将其周边更多终端纳入到自己的覆盖范围之内，如图3所示。

图3中Small Cell虚线与实线之间的区域就是添加bias而扩大的覆盖区域，即CRE区域。此机制再与增强小区间干扰协调(Inter Cell Interference Coordination,ICIC)技术相配合，就可以达到降低系统干扰，提高系统性能的目的。

LTE-A异构网络是一个多载波通信系统，假设系统内有M个独立且相互平行的高斯信道，系统噪声功率依次是由香农信道容量公式可以求得M个信道的总容量用公式(2)表示：

式中，p_i表示第i个信道的信号功率。

如果系统总的发射信号功率受限，即使用拉格朗日乘子法使系统容量可以得到最大值，由此得出：

p_i＝(λ-N_i)⁺ (3)

式中λ为不定乘子，要满足：

由此得到M个信道的总容量用公式(5)表示：

LTE-A异构网络是一个多用户通信系统，为使其明确具体是哪一个终端发送的信号，该系统采用的多址技术是正交频分多址(Orthogonal Frequency Multiple Access,OFDMA)技术。该技术将正交频分复用和频分多址两种技术相结合，把传输带宽划分成为相互之间没有叠加并且正交的一系列子载波集，给各终端分配不一样的子载波集，以此实现终端多址。终端通过该技术可以实现共享频带资源，达到优化使用无线资源的目的。

在LTE-A异构网络中，有一个中心宏蜂窝小区，覆盖范围是半径为r的圆形小区。在此区域内布置有N_s个同信道的Small Cell和N_u个用户。U_n代表第n个小区的用户集合，其中0≤n≤N_s。系统总带宽B可以分为M个子信道。该系统总的发射功率可以表示成由N_s+1个小区域构成。第n个小区的发射功率可以表示成式中表示子信道m的发送功率。

如果该系统总的发射功率受限，在第n个小区的用户k占用第m个子信道时接收SINR表示为：

式中，σ²为噪声功率，是在第n个小区中用户k在第m个子信道上的信道增益。

那么，在第n个小区中用户k在第m个子信道上的速率可以表示为：

式中，Γ＝-ln(5BER)/1.5是满足特定BER之下的折算比例。

子信道的分配情况可以用矩阵Aⁿ表示，式中表示为用户k分配了第m个子信道，表示没有为用户k分配子信道。已知子载波功率分配和信道分配情况，可以利用公式(8)求得第k用户的总的数据速率。

如果以单因素作为判决准则的话，经典的异构网络接入选择方法有最小路径损耗与最大接收功率两种。前一种方法就是终端从所有候选方法里挑选出路径损耗最小的基站接入。后一种方法则是终端从两个或两个以上地位相等的候选方法中挑选出接收功率最高的基站。本发明选择终端接收信号功率作为网络接入的判决属性。

原则上来说，系统中Relay只是起中转交换的作用，它需要通过特定无线接口接入到网络中。虽然其本质还是基站，但在实现上与真正的还是不太一样。本发明将Relay通过无线宽带接入技术与核心网络实现连接，使其能够独立为终端提供各种业务服务。所以，Relay在这里也是Small Cell中一个低功率节点。本发明中的Small Cell均采用开放模式，且仅含有一个低功率基站。小区也不再进行扇区的划分，所以小区与基站的概念是允许替换的。

本发明主要是对下行链路单小区多Small Cell多终端的LTE-A异构网络展开的。假定N_u个终端散落在小区内，在区域盲点处添加N_s个Small Cell。

假定第i个Small Cell的发送功率为P_si，其值远低于宏基站的P_b。终端u从第j个Small Cell中检测到信号功率可以表示成P_sj|h_u,j|²，从宏基站检测到信号功率表示成P_b|h_u,0|²。其中终端u与第j个Small Cell之间的信道增益用h_u,j来表示，终端u与宏基站之间的信道增益用h_u,0来表示。

(1)两种接入选择方式

传统异构网络面对终端业务请求时，基站与终端之间的通信链路通常只存在两种，分别为宏基站和Small Cell传输，因此终端接入方式也只有两种：基站型和Small Cell型。系统会按照相应的选网标准来决定终端是接入宏基站还是Small Cell来完成通信。

(2)传统异构网络接入选择过程

传统异构网络接入选择的判定步骤如图4所示。

第一步，判定是否为基站型终端。此时需要遍历区域内全部基站，比较终端从各基站接收信号功率值的大小。若对于每一个编号为j的Small Cell，都存在不等式(9)。此时，终端u只会接入宏基站完成通信业务，不会接入Small Cell。

P_b|h_u,0|²＞P_sj|h_u,j|² (9)

式(9)表示终端u从宏基站接收到信号功率高于从任何一个Small Cell中得到的。

第二步，如果在遍历基站的过程中，出现不等式(9)不成立，这说明该区域内部至少存在一个Small Cell节点满足不等式(10)。此时，仍要比较剩余Small Cell，找到满足等式(11)，编号为j^*的Small Cell。

P_b|h_u,0|²＜P_sj|h_u,j|² (10)

{j^*}＝argmax{P_sj|h_u,j|²} (11)

第三步，终端u会接入编号为j^*的Small Cell。此时，终端被归为Small Cell型。

(3)传统异构网络接入选择方法的不足

第一，该方法容易造成系统资源使用不充分。例如，终端根据式(10)判定为SmallCell型，但此时Small Cell不能够为终端提供足够的资源保证，而宏基站资源丰富。按照该方法，终端无法选择资源充足的宏基站协作完成接入，造成系统资源的浪费。

第二，该方法对用户或是业务没有区分。例如，高级用户发起接入或是区域内出现紧急业务，该方法都没有应对措施。

第三，针对LTE-A异构网络来说，系统采用的是OFDMA多址接入技术，可以将小区内终端的业务分配给互相正交的子载波。这样做虽然抑制了小区内终端的多址干扰，但限制了某些用户的SINR，通信质量不能保证。

针对传统方法出现的三点不足，本发明提出一种加入协作的改进方法。

(1)三种接入选择方式

本发明将协作接入添加到系统中，部分终端在接入时能够同时选择两种制式，即基站与Small Cell协作接入。此时基站和终端通信划分成三种：直接基站传输，直接SmallCell传输，Small Cell与基站协作传输，如图5所示。协作传输可能更多发生在Small Cell扩展范围内，因终端从Small Cell中得到的SINR不够大，未能达到终端要求的速率甚至基本呼叫标准，这时就需要两种制式的网络协作完成接入。这一改进不仅可以将干扰信号转变成有用信号，还有利于保证终端通信质量，提升系统性能。为了满足相应的业务需求，系统会依据相应的判决准则为终端选择最佳的方式接入。

(2)协作接入方法中涉及到的参数

1)终端等级

终端等级用λ表示，λ∈{1,2}，λ＝1表示该终端为高级用户，λ＝2表示该终端为普通用户。

2)剩余带宽

宏基站的剩余带宽用B₀，Small Cell的剩余带宽为B_i，1≤i≤N_s。其中i表示SmallCell的编号。

3)SINR

LTE-A系统可以采用一系列抗干扰技术，将系统内的噪声处理为白噪声，如干扰随机化技术。假定该异构网络总的系统带宽为B，加性高斯白噪声满足n～CN(0,δ²)。系统中采用的是衰落极为平缓的信道，即慢频率选择性衰落，使其能够在一个发送时隙(Transmission Time Interval,TTI)内维持各子载波信道增益h稳定为常数。在此情况下，下行链路中基站型会受到跨层干扰，而Small Cell型以及协作型终端都会受到同层干扰和跨层干扰，由此得到SINR表达式分别为(12)、(13)和(14)。

式中u＝1,2,…,N_u；j＝1,2,…,N_s。σ²为噪声功率，SINR_u,0即是基站型的信号与干扰噪声比，SINR_u,j则是Small Cell型的信号与干扰噪声比，SINR_u,0,j则是协作型的信号与干扰噪声比。

为满足终端基本通信的需求，在这里设定SINR的阀值大小为α，α可以根据业务质量的要求选定，不宜过大或过小。如果该值取得过大，那么更多的用户由Small Cell型变成协作型。协作传输带来的增益小于基站和Small Cell同时工作所需的能耗和带来的干扰，系统吞吐量因此会降低。如果该值取得过小，即使用户SINR比较小，也不会选择协作，这时为了保障低SINR的用户体验，需要消耗额外的Small Cell的无线资源，此时系统吞吐量也会减小。

4)下行通信的信道容量

为了与传统LTE-A系统的容量相区分，将终端容量依照三种选择类型单独计算，结合已经计算出的SINR值，利用香农容量公式就可以得到各终端在单位带宽上能实现的速率。基站型、Small Cell型、协作型终端下行通信的信道容量计算公式分别为(15)、(16)和(17)。

R_u,0＝log(1+SINR_u,0) (15)

R_u,j＝log(1+SINR_u,j) (16)

R_u,0,j＝log(1+SINR_u,0,j) (17)

5)接入优先级模型

对于总带宽受限的系统，当出现终端数目过多或是在一定区域内终端较为密集，此时各终端发起请求时不可能一次性全部且同步接入。因此，需要考虑终端发起接入的时间、用户等级和数据速率，建立相应的接入优先级模型D_j。

D_j＝{r_a,r_b,…,r_l} (18)

式中，r_a表示终端a的数据速率，a表示终端序号，j表示候选网络序号。

D_j的长度由τ来决定。τ要小于信道相干时间。每个终端在进入D_j后就会开启相应的计时器，用t_i表示第i个终端在D_j中的等待时间。若t_i＞τ，该候选网络会拒绝第i个终端的接入请求。若t_i≤τ，该终端会继续等待。因为λ＝1表示该终端为高级用户，λ＝2表示该终端为普通用户，D_j采用先进先出的队列模式，对于同一时间发起接入请求的终端先按照λ的级别判断，再按照r_i的大小先后进入D_j。在系统总的发射功率受到限制的情况下，这样也可以提高系统的吞吐量。所以第j个候选网络会选择D_j中的队首元素进行接入，直到队列为空或是该网络资源分配完毕。

(3)协作接入方法的判决过程

单个终端发起接入请求时，协作接入方法的判决过程，如图6所示。

第一步，终端需要判定是否为基站型。若式(9)成立，终端是基站型，终端直接接入宏基站。若公式(9)不成立，终端进入第二步判断。

第二步，终端需要根据公式(11)找到编号为j^*的最佳Small Cell节点。

第三步，终端需要依据B₀、和SINR继续做抉择。若式(19)成立。此时判定终端u为Small Cell型，终端直接接入Small Cell。若式(19)不成立。此时判定终端u为协作型，终端就直接选择基站与编号为j^*的Small Cell协作接入。

当然，各个终端实际接收到的功率只有满足最低接收功率值，才能真正接入到目标网络中，实现有效的通信，完成相应的业务。

当引入多个Small Cell相互协作为终端接入服务时，这种场景主要出现在SmallCell较为密集的小区。单个终端发起接入请求时，具体步骤如下。

第一步，终端需要判定是否为基站型。

第二步，终端需要根据公式(10)判定是否为Small Cell型，再使用公式(11)找到编号为j^*的最佳Small Cell节点，在此过程中建立以接收功率大小排序的队列

第三步，终端需要依据依据B₀、B_k和SINR继续做抉择。若式(19)成立。

此时判定终端u为Small Cell型，终端直接接入Small Cell。若式(19)不成立，会出现两种情况。

P_b|h_u,0|²＜P_sk|h_u,k|² (20)

若式(20)成立，和B_k充足，终端就直接选择编号为j*和k的Small Cell协作接入。若式(20)不成立，和B₀充足，终端就直接选择基站与Small Cell协作接入。

当出现两个Small Cell协作进行通信时，终端u对应的SINR和速率分别是

R_u,j,k＝log(1+SINR_u,j,k) (22)

为进一步验证本发明效果，本发明通过MATLAB软件对改进方法进行相关性能的仿真和分析。

改进方法的优势主要体现在各基站之间协作完成终端的接入。这里仅考虑基站和Small Cell协作接入这一种情况。仿真场景为单小区多Small Cell多终端的下行链路，其中每个Small Cell中只包含一个Microcell。LTE-A异构通信系统采用TD-LTE模式，宏基站位于半径为r＝2000m圆形小区的圆心，工作在F频段(1880M—1920M)，发射功率为46dBm。假定每个低功率Microcell工作的载波频率和发射功率都相同，它们分别为2.4GHz和30dBm，且全部分布在小区信号覆盖薄弱的边缘区域。宏基站阴影衰落是8dB，Small Cell阴影衰落是6dB。终端与宏基站之间的大尺度衰落模型为128.1+37.6log10(x)，终端与Small Cell对应的大尺度衰落模型为140.7+36.7log10(x)，表达式中x代表终端与对应基站的距离长短，单位为km。系统带宽为10MHz，子载波共有600个，它们的间隔为15KHz，平均分配给各个终端。高斯白噪声功率为σ²＝-174dBm/Hz，接收机的灵敏度为-100dBm。通信系统总功率受到限制，采用最佳的功率分配方式。

假定10个Small Cell均匀散落在以宏基站为圆心半径为0.75r的圆周上，终端随机且均匀散落在圆形区域内，λ＝2。不断增加终端数目，得到改进方法和传统无协作方法的仿真图3-7。

由图7可知，改进方法的系统吞吐量高于传统无协作方法，特别是在终端数目不断增多的情况下，这种增长趋势更加明显。这主要是因为在Small Cell中受到干扰较为严重的终端，它们可以通过和宏基站的协作完成接入，增加了有效的终端数目，所以改进方法优于传统。Small Cell的出现使得处于原小区盲点范围内的终端可以接入，随着终端数目不断增多，其有效终端也在增多，两种方法的系统吞吐量曲线都是单调递增的。当终端数目小于10时，终端数目不多，所以两种方法的系统吞吐量都不是很大。但随着终端数目不断增加，两种方法系统吞吐量都开始急剧增长。但当终端数目大约超过100之后，两曲线的增长态势都趋于缓慢。这主要是因为小区内系统资源有限，而过多的终端占用了大部分资源，又或是这一时刻请求接入的终端数目较多，使得部分终端进入排队模型D_j，处于等待状态，不能一次性将它们全部接入到相应的网络中。改进方法有利于增强小区边缘盲点终端或是受到干扰较为严重终端的接入，这主要是通过提升接收信号功率实现的。

假定终端数目固定，值为100，λ＝2。Small Cell仍均匀散落在以宏基站为圆心且半径0.75r的圆周上，不断改变其数目，得到改进方法和传统无协作方法的仿真图3-8。

由图8可知，改进方法的系统吞吐量高于传统无协作方法，特别是在Small Cell数目不断增多的情况下，这种增长趋势更加明显。两种方法的增长均属于阶梯型增长。在Small Cell数目较少的时候，两者系统吞吐量的差别不大且值都很小。这主要是因为SmallCell没有将小区信号较弱的区域全部覆盖，导致很多处于边缘的终端因其信号接收功率都比较低，被系统拒绝接入，所以其值小。另外，大多数终端在此时会选择直接接入宏基站，或是直接接入Small Cell中，因此协作终端较少，故两者曲线的差别不大。但随着Small Cell数目不断增多，处于边缘的终端获得了足够的接收功率，协作终端也在不断增多，因此有效的终端通信跟着增多，两者的吞吐量就会增长且改进方法优于传统无协作方法。所以不考虑小区自身干扰、小区之间干扰、基站建设费用的前提下，增加区域内Small Cell的数目，就有利于系统性能的提升和网络吞吐量的增长。

假定小区内终端随机且均匀散落，数目固定为100，λ＝2。Small Cell的数目固定为10，不断改变其位置，将其均匀置于以宏基站为圆心，半径分别为0.75r、0.80r、0.85r和0.90r的圆周上，其位置分布图如图9所示。依次改变Small Cell的位置，仿真改进方法和传统无协作的方法得到图10。

由图10可知，Small Cell在同一位置时，改进方法的系统吞吐量略大于传统无协作的方法，这主要是因为协作接入的出现，增加了部分终端的有效接入。Small Cell位于0.75r的圆周时，系统吞吐量最大，因为此时各基站内有效终端数目较多。随着Small Cell的位置不断向小区边际移动，系统的吞吐量出现了先减少再增加又减少的情况。这主要是与终端的分布有关，使得Small Cell区域内接入的Small Cell型终端和协作型终端的数目不同，会在一定程度上影响系统吞吐量。就当前的终端分布来说，Small Cell布置在以宏基站为圆心，半径0.75r的圆周上更加合适。

因此，单小区内的终端数目、Small Cell数目及它们各自的位置都会对系统性能产生影响，在实际场景中只有明确该小区内各种网络和其他环境信息之后，才能够分配适当数目的基站，并合理布置基站的位置，实现最大化利用小区内部系统资源的目标。

Claims (1)

1.一种基于最大接收功率的异构蜂窝网络接入方法，其特征在于：

将协作接入添加到传统异构网络接入系统中，所述传统异构网络接入系统为：传统异构网络面对终端业务请求时，基站与终端之间的通信链路存在两种：分别为宏基站和SmallCell传输，终端接入方式有两种：基站型和Small Cell型，系统会按照相应的选网标准来决定终端是接入宏基站还是Small Cell来完成通信；

在协作接入添加到传统异构网络接入系统后，部分终端在接入时能够同时选择两种制式，即基站与Small Cell协作接入，此时基站和终端通信划分成三种：直接基站传输，直接SmallCell传输，Small Cell与基站协作传输；

假定第i个Small Cell的发送功率为P_si，其值远低于宏基站的发送功率P_b，终端u从第j个Small Cell中检测到的信号功率表示成P_sj|h_u,j|²，从宏基站检测的到信号功率表示成P_b|h_u,0|²，其中终端u与第j个Small Cell之间的信道增益用h_u,j来表示，终端u与宏基站之间的信道增益用h_u,0来表示；

则具体步骤为：

步骤1：判定终端是否为基站型；若发送功率P_b|h_u,0|²＞P_sj|h_u,j|²成立，终端是基站型，终端直接接入宏基站，若发送功率P_b|h_u,0|²＞P_sj|h_u,j|²不成立，终端进入第二步判断；

步骤2：终端根据{j^*}＝argmax{P_sj|h_u,j|²}找到编号为j^*的最佳Small Cell节点；

步骤3：终端需要依据宏基站的剩余带宽B₀、编号为j的Small Cell的剩余带宽和信号与干扰噪声比SINR继续做抉择；若成立，α为SINR的阀值，判定终端u为SmallCell型，终端直接接入Small Cell，；若不成立，α为SINR的阀值，判定终端u为协作型，终端就直接选择基站与编号为j^*的Small Cell协作接入；

当不成立，则是两种情况，其一：若P_b|h_u,0|²＜P_sk|h_u,k|²成立，编号为j的SmallCell的剩余带宽和编号为k的Small Cell的剩余带宽B_k充足，终端就直接选择编号为j*和k的Small Cell协作接入；若P_b|h_u,0|²＜P_sk|h_u,k|²不成立，编号为j的Small Cell的剩余带宽和宏基站的剩余带宽B₀充足，终端就直接选择宏基站与编号为j的Small Cell协作接入；

当出现两个Small Cell协作进行通信时，终端u对应的SINR和速率分别是：

R_u,j,k＝log(1+SINR_u,j,k)；

其中，

终端等级用λ表示，λ∈{1,2}，λ＝1表示该终端为高级用户，λ＝2表示该终端为普通用户；

宏基站的剩余带宽为B₀，Small Cell的剩余带宽为B_i，1≤i≤N_s，i表示Small Cell的编号；

假定该异构网络总的系统带宽为B，加性高斯白噪声满足n～CN(0,δ²)，采用衰落极为平缓的信道，即慢频率选择性衰落，使其能够在一个发送时隙内维持各子载波信道增益h稳定为常数，则信号与干扰噪声比SINR表达式分别为：

${\mathrm{SINR}}_{u,0}\frac{P_b|h_{u,0}{|}^2}{\underset{j=1}{\overset{N_s}{\Σ}}{P}_{sj}|h_{u,j}{|}^2+{\mathrm{\δ}}^2},{\mathrm{SINR}}_{u,j}\frac{P_{sj}|h_{u,j}{|}^2}{P_b|h_{u,0}{|}^2+\underset{i=1,i\≠j}{\overset{N_s}{\Σ}}{P}_{si}|h_{u,i}{|}^2+{\mathrm{\δ}}^2},{\mathrm{SINR}}_{u,\mathrm{0,}j}\frac{P_b\left|h_{b,0}{|}^2+P_{sj}\right|h_{u,j}{|}^2}{\underset{i=1,i\≠j}{\overset{N_s}{\Σ}}{P}_s|h_{u,i}{|}^2+{\mathrm{\δ}}^2};$

式中u＝1,2,…,N_u；j＝1,2,…,N_s；σ²为噪声功率，SINR_u,0即是基站型的信号与干扰噪声比，SINR_u,j则是Small Cell型的信号与干扰噪声比，SINR_u,0,j则是协作型的信号与干扰噪声比；

基站型、Small Cell型、协作型终端下行通信的信道容量计算公式分别为：

R_u,0＝log(1+SINR_u,0)，R_u,j＝log(1+SINR_u,j)，R_u,0,j＝log(1+SINR_u,0,j)；

考虑终端发起接入的时间、用户等级和数据速率，建立相应的接入优先级模型D_j，

D_j＝{r_a,r_b,…,r_l}

式中，r_a表示终端a的数据速率，a表示终端序号，j表示候选网络序号。