CN107896375B - 一种全维度天线异构网微基站部署方法 - Google Patents

一种全维度天线异构网微基站部署方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了配置全维度天线异构网基于物理层安全性能的微基站部署方法。该方法首次考虑了全维度天线垂直维度波束成形方法下，物理层安全性能指标的影响因素；并根据影响因素，推导了微基站用户的安全连接概率，最终得到微基站的部署密度。

Description

一种全维度天线异构网微基站部署方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，尤其涉及一种全维度天线异构网微基站部署方法。
背景技术
大规模天线作为第五代移动通信的关键技术，能够有效提高频谱利用率；同时异构网能够提高系统的覆盖范围，并且可以提高整个网络的吞吐量。故异构网络中宏基站和微基站均配置大规模天线，以提高系统的传输速率。大规模天线在部署中，受尺寸限制，一般采用矩形天线阵列，称之为全维度天线阵列；全维度天线阵列除了可以调节水平维度外，还能够调节垂直维度角度，从而消除微蜂窝之间信号的干扰，提高系统的容量。
异构蜂窝网络中部署全维度天线可以动态调整用户信号垂直到达方向(DOAs,Direction of Arrivals)，增加垂直维度的空间自由度，从而有利于波束对准异构网络中的用户。然而，正是增加了垂直维度的空间自由度，也为窃听用户得到合法信息提供了方便，从而影响异构网络的物理层安全性能。若微基站部署密度过大，则会带来更多被窃听的风险，而密度过小，则会导致整个异构网络的吞吐量下降，影响用户的服务质量。因此研究全维度天线异构网络的基站部署问题，以提高整个网络的物理层安全性能是十分必要的。
配置多天线的无线系统中，主要通过波束成形算法、发送人工噪声以及天线选择算法等技术来优化物理层安全性能；配置多天线的异构网采用随机几何的方法，分析异构网络的能效问题以及吞吐量问题，通过基站休眠等手段，提高系统的能效和中断容量；相关研究采用随机几何的分析方法，分析了无线传感器网络的物理层安全性能，通过增加接入点的个数提高系统的平均安全速率。然而在以上的研究中，均未考虑配置全维度天线异构网络的安全性能问题。
发明内容
为了提高配置全维度多天线的异构蜂窝网络物理层安全性能，本发明公开了一种提高微基站用户物理层安全连接概率的微基站部署方法。
本发明实施例提供了如下技术方案：
一种全维度天线异构网络微基站部署方法，包括如下步骤：
步骤A，计算宏基站的分布密度λm，并建模为泊松点过程分布；
步骤B，计算宏基站和微基站的波束成形矩阵；
步骤C，估计窃听者的分布密度λe，并建模为泊松点过程分布；
步骤D，计算微基站合法用户的物理层安全最大互信息；
步骤E，计算微基站合法用户的物理层安全连接概率，并确定微基站分布密度与宏基站分布密度比，最终确定微基站分布。
其中，步骤A具体包括：
A1，异构网规划范围内，统计宏基站的数目，并根据异构网覆盖的面积，计算宏基站的分布密度λm；
A2，根据宏基站的分布密度λm，构建宏基站的分布函数，其符合独立泊松点分布。
其中，步骤B具体包括：
B1，将全维度天线的三维信道分解为
Figure BDA0001489031030000021
其中RV,k和RH,k分别为垂直维度信道和水平维度信道相关矩阵；
B2，对相关矩阵RV,k和RH,k进行分解，得到
Figure BDA0001489031030000031
Figure BDA0001489031030000032
其中
Figure BDA0001489031030000033
和
Figure BDA0001489031030000034
对角元素由奇异值组成，UH,k和UV,k是酉矩阵；
B3，当M＞＞1,N＞＞1，则采用离散傅里叶变换均值近似，则分解为
Figure BDA0001489031030000035
和
Figure BDA0001489031030000036
其中
Figure BDA0001489031030000037
和
Figure BDA0001489031030000038
B4，计算最优波束成形矩阵为
Figure BDA0001489031030000039
其中，步骤C具体包括：
C1，根据历史时间数据，估计异构网的窃听者的分布密度λe；
C2，根据窃听者的分布密度λe，构建宏基站的分布函数，其符合独立泊松点分布。
其中，步骤D具体包括：
D1，计算合法用户的最大互信息
Figure BDA00014890310300000310
D2，计算窃听用户能够接收到的传输信息为
Figure BDA00014890310300000311
D3，计算物理层安全最大互信息
Figure BDA00014890310300000312
其中，步骤E具体包括：
E1，定义用户物理层安全连接概率，其为Pr(Rs＞δ)＝Ρ{Rm-Re＞δ}，其中安全传输速率门限值为δ(δ≥0)；
E2，计算Re的均值，其计算方法为
Figure BDA0001489031030000041
其中α为信道衰减系数；
E3，计算Ρr{SINRm＞β}，
Figure BDA0001489031030000042
其中
Figure BDA0001489031030000043
Figure BDA0001489031030000044
E4，计算用户物理层安全连接概率为
Figure BDA0001489031030000045
E5，根据物理层安全连接概率，可以得到最优的微基站分布密度。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明利用了随机几何和随机矩阵等分析工具，分析了配置全维度天线的蜂窝异构网微基站用户的物理层安全连接概率，并且根据此安全连接概率，能够找到能够使得微基站用户安全连接概率最大的微基站和宏基站的分布密度比，从而找到微基站的分布密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例所提供的一种全维度天线异构网络微基站部署方法的流程示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，如何提高立体异构网络中物理层安全性为本领域人员亟待解决的问题。
本发明的核心思想在于，利用了随机几何和随机矩阵等分析工具，分析了配置全维度天线的蜂窝异构网微基站用户的物理层安全连接概率，并且根据此安全连接概率，能够找到能够使得微基站用户安全连接概率最大的微基站和宏基站的分布密度比，从而找到微基站的分布密度。
参见图1，本发明实施例提供一种全维度天线异构网络微基站部署方法，所述方法包括：
步骤A，计算宏基站的分布密度λm，并建模为泊松点过程分布；
步骤B，计算宏基站和微基站的波束成形矩阵；
步骤C，估计窃听者的分布密度λe，并建模为泊松点过程分布；
步骤D，计算微基站合法用户的物理层安全最大互信息；
步骤E，计算微基站合法用户的物理层安全连接概率，并确定微基站分布密度与宏基站分布密度比，最终确定微基站分布。
其中，步骤A具体包括：
A1，异构网规划范围内，统计宏基站的数目，并根据异构网覆盖的面积，计算宏基站的分布密度λm；
A2，根据宏基站的分布密度λm，构建宏基站的分布函数，其符合独立泊松点分布。
其中，步骤B具体包括：
B1，将全维度天线的三维信道分解为
Figure BDA0001489031030000061
其中RV,k和RH,k分别为垂直维度信道和水平维度信道相关矩阵，Hw,k是一个M×N的零均值和单位方差独立同分布的随机复杂高斯矩阵；
B2，对相关矩阵RV,k和RH,k进行分解，得到
Figure BDA0001489031030000062
Figure BDA0001489031030000063
其中
Figure BDA0001489031030000064
和
Figure BDA0001489031030000065
对角元素由奇异值组成，UH,k和UV,k是酉矩阵；
B3，当M＞＞1,N＞＞1，则采用离散傅里叶变换均值近似，则分解为
Figure BDA0001489031030000066
和
Figure BDA0001489031030000067
其中
Figure BDA0001489031030000068
和
Figure BDA0001489031030000069
B4，计算最优波束成形矩阵为
Figure BDA00014890310300000610
其中，步骤C具体包括：
C1，根据历史时间数据，估计异构网的窃听者的分布密度λe；
C2，根据窃听者的分布密度λe，构建宏基站的分布函数，其符合独立泊松点分布。
其中，步骤D具体包括：
D1，计算合法用户的最大互信息
Figure BDA00014890310300000611
其中h1代表有用信号的信道，hi为干扰用户的信道，hm为窃听用户的信道，l和d分别代表有用信号用户和干扰用户到微基站的距离，D为窃听用户到微基站的距离，ρ为微基站发送时在窃听用户方向上发送的功率，ρ'为微基站给服务用户发送的功率；
D2，计算窃听用户能够接收到的传输信息为
Figure BDA0001489031030000071
G为目标窃听用户到窃听微基站的距离；
D3，计算物理层安全最大互信息
Figure BDA0001489031030000072
其中，步骤E具体包括：
E1，定义用户物理层安全连接概率，其为Pr(Rs＞δ)＝Ρ{Rm-Re＞δ}，其中安全传输速率门限值为δ(δ≥0)；
E2，计算Re的均值，其计算方法为
Figure BDA0001489031030000073
其中α为信道衰减系数；
E3，计算Ρr{SINRm＞β}，
Figure BDA0001489031030000074
其中
Figure BDA0001489031030000075
Figure BDA0001489031030000076
E4，计算用户物理层安全连接概率为
Figure BDA0001489031030000077
E5，根据物理层安全连接概率，可以得到最优的微基站分布密度。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明利用了随机几何和随机矩阵等分析工具，分析了配置全维度天线的蜂窝异构网微基站用户的物理层安全连接概率，并且根据此安全连接概率，能够找到能够使得微基站用户安全连接概率最大的微基站和宏基站的分布密度比，从而找到微基站的分布密度。即，本发明在基于微基站用户物理层安全连接概率来部署微基站。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.全维度天线异构网络微基站部署方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，计算宏基站的分布密度λm，并建模为泊松点过程分布；
步骤B，计算宏基站和微基站的波束成形矩阵；
步骤C，估计窃听者的分布密度λe，并建模为泊松点过程分布；
步骤D，计算微基站合法用户的物理层安全最大互信息；
步骤E，计算微基站合法用户的物理层安全连接概率，并确定微基站分布密度与宏基站分布密度比，最终确定微基站分布；
其中，步骤A具体包括：
A1，异构网规划范围内，统计宏基站的数目，并根据异构网覆盖的面积，计算宏基站的分布密度λm；
A2，根据宏基站的分布密度λm，构建宏基站的分布函数，其符合独立泊松点分布；
其中，步骤B具体包括：
B1，将全维度天线的三维信道分解为
Figure FDA0002864112050000011
其中RV,k和RH,k分别为垂直维度信道和水平维度信道相关矩阵，Hw,k是一个M×N的零均值和单位方差独立同分布的随机复杂高斯矩阵；
B2，对相关矩阵RV,k和RH,k进行分解，得到
Figure FDA0002864112050000012
Figure FDA0002864112050000013
其中
Figure FDA0002864112050000014
和
Figure FDA0002864112050000015
对角元素由奇异值组成，UH,k和UV,k是酉矩阵；
B3，当M＞＞1,N＞＞1，则采用离散傅里叶变换均值近似，则分解为
Figure FDA0002864112050000016
和
Figure FDA0002864112050000017
其中
Figure FDA0002864112050000018
和
Figure FDA0002864112050000019
B4，计算最优波束成形矩阵为
Figure FDA00028641120500000110
其中，步骤C具体包括：
C1，根据历史时间数据，估计异构网的窃听者的分布密度λe；
C2，根据窃听者的分布密度λe，构建宏基站的分布函数，其符合独立泊松点分布；
其中，步骤D具体包括：
D1，计算合法用户的最大互信息
Figure FDA0002864112050000021
其中，h1代表有用信号的信道，hi为干扰用户的信道，hm为窃听用户的信道，l和d分别代表有用信号用户和干扰用户到微基站的距离，D为窃听用户到微基站的距离，ρ为微基站发送时在窃听用户方向上发送的功率，ρ'为微基站给服务用户发送的功率；
D2，计算窃听用户能够接收到的传输信息为
Figure FDA0002864112050000022
其中，G为目标窃听用户到窃听微基站的距离；
D3，计算物理层安全最大互信息
Figure FDA0002864112050000023
其中，步骤E具体包括：
E1，定义用户物理层安全连接概率，其为Pr(Rs＞δ)＝P{Rm-Re＞δ}，其中安全传输速率门限值为δ(δ≥0)；
E2，计算Re的均值，其计算方法为
Figure FDA0002864112050000031
其中α为信道衰减系数；
E3，计算Pr{SINRm＞β}，
Figure FDA0002864112050000032
其中
Figure FDA0002864112050000033
Figure FDA0002864112050000034
E4，计算用户物理层安全连接概率为
Figure FDA0002864112050000035
E5，根据物理层安全连接概率，可以得到最优的微基站分布密度。
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