CN107911857B - 一种超密集异构网络中基于上行下行解耦的多接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超密集异构网络中基于上行下行解耦的多接入方法，本发明基于上下行解耦，允许一个用户上行和下行分别接入多个基站，用户和基站代理之间效用值计算由速率确定，根据效用值确定用户和基站代理之间的偏好关系，采用匹配博弈的方法解决这个机制下用户和基站的接入问题，实现用户效用最大化。本发明使用分离多接入的机制解决超密集网络中的用户接入问题，相较于传统的接入方式有着提高用户速率，平衡网络负载，解决小基站回程瓶颈等优点。为超密集异构网络中的用户接入机制设计提供了新的可能性。

Description

一种超密集异构网络中基于上行下行解耦的多接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种超密集异构网络中基于上下行解耦的多接入方法。

背景技术

网络密集化和异构化的趋势为用户接入带来了一些新问题。现有的用户接入机制主要是耦合的接入模式，也就是用户在上行和下行都和同一个基站进行连接。但是在超密集网络中分布着宏基站和各种传输功率不同的小基站，只使用传统的上下行耦合的用户接入机制会导致宏基站和小基站以及上下行之间的流量负载不平衡问题，还有小基站的回程瓶颈问题。现有关于用户接入的研究技术包括双连接，上下行解耦以及多接入等模式。

但是在超密集网络的环境下，如果仅仅采用传统的用户接入机制为用户进行接入选择，会限制网络的性能。

发明内容

发明目的：本发明提出了一种新的用户接入机制，解决超密集异构网络中的用户多接入问题，允许用户在上行和下行分别接入多个基站进行上行和下行传输。

技术方案：

一种超密集异构网络中基于上行下行解耦的多接入方法，包括步骤：

步骤1：每个用户上行根据路径损耗选择距离最近的M个基站生成M_小区作为其上行连接范围，下行选择信号强度最大的N个小区生成N_小区作为其下行连接范围；

步骤2：定义一个上行集合，包含M_小区中所有基站的任意组合；定义一个下行集合，包含N_小区中所有基站的任意组合；将上行集合和下行集合中所有的组合进行组合形成一个基站代理的集合；

步骤3：每个用户在其M_小区中选择距离最近的基站接入，在其N_小区中选择信号强度最大的基站接入；

步骤4：计算用户k和基站l上行或者下行接入的数据速率，根据网络中用户和基站的接入情况计算出用户和基站代理匹配的效用值，所述用户与基站代理的效用值通过计算用户和基站代理中所有基站的上下行的速率之和得到；

步骤5：每个用户根据步骤4计算的用户和基站代理匹配的效用值对基站代理进行排序，建立对其基站代理的偏好列表；

步骤6：判断当前是否存在一个可交换的匹配，所述可交换的匹配为用户相对于当前匹配的基站代理更偏好的基站代理，且用户连接该基站代理满足用户的服务质量需求，提高效用值并且没有被拒绝过；若存在，则用户连接该可交换的匹配；

步骤7：判断用户新接入的基站代理中是否有基站超过可接入的最大用户数；若未超过，则转到步骤9；若超过，则进行超载处理；超载基站根据它对用户的偏好列表找出最差的用户，断开与该用户的连接；然后被断开的用户从自己的偏好列表中删除该代理并将其加入拒绝列表，寻找其偏好列表中最偏好的基站代理连接；

步骤8：重复步骤7，直到最终被断开的用户的基站代理的偏好列表为空；

步骤9：根据交换匹配后网络中用户和基站的接入情况计算用户和基站代理匹配的效用值，并建立用户对其基站代理的偏好列表；重复步骤6至步骤8，直到网络中不存在可交换的匹配达到稳定状态。

所述用户和基站代理匹配的效用值计算如下：

1)计算信道增益：信道增益确定信号在传输过程中的损耗,节点a和b之间的信道增益公式如下：

G_a,b＝|h_a,b|²d_a,b ^-ξ；

其中，|h_a,b|²代表节点a和b之间由于瑞利衰减和正态阴影造成的复合信道功率增益系数，d_a,b表示节点a和b之间的距离，ξ是路径损耗指数；

2)计算干扰：根据网络中用户和基站的接入情况计算相互之间的干扰；用户k接收到的来自除了l以外的网络中所有其他基站的干扰为：

其中，P_l'代表基站l'的传输功率，G_k,l'表示用户k与基站l'之间的信道增益，

表示用户k与基站l'在下行是否有连接，有则

否则

即

表示当基站l'与用户k在下行有连接时，基站l'不产生干扰；如果基站l'在下行有接入用户，那么W_k',l'＝1，否则W_k',l'＝0；

用户k接收到的来自网络中所有其他用户的干扰为：

其中，P_k'代表用户k'的传输功率，G_k',k表示用户k与k'之间的信道增益；如果用户k'在上行有接入用户，那么X_k',l'＝1，否则X_k',l'＝0；

基站l接收到的来自网络中所有其他基站的干扰为：

其中，G_l,l'表示基站l与l'之间的信道增益；

基站l接收到的来自网络中除k外的所有其他用户的干扰为：

其中，G_k',l表示用户k'与基站l之间的信道增益，

表示当用户k'与基站l在上行有连接时，用户k'不产生干扰；

3)计算数据速率：根据香农公式计算用户k和基站l上行或者下行接入的数据速率，公式如下：

其中，B表示信道带宽，信号干扰噪声比

计算如下：

其中，

表示用户k与基站l在上行的信号干扰噪声比，

表示用户k与基站l在下行的信号干扰噪声比，

代表自干扰取消能力，σ²是噪声功率；

4)根据3)计算的数据速率计算用户和基站代理之间的效用值，用户与基站代理的效用值是计算用户和基站代理中所有基站的上下行的速率之和，公式如下：

其中，t代表基站代理；

分别表示用户k与基站l之间的上下行之间是否存在连接，有则取值为1，否则取值为0；

分别表示用户k和基站l上行和下行接入的数据速率。

有益效果：本发明使用分离多接入的机制解决超密集网络中的用户接入问题，相较于传统的接入方式有着提高用户速率，平衡网络负载，解决小基站回程瓶颈等优点。为超密集网络中的用户机制设计提供了新的可能性。

附图说明

图1为实验环境图；

图2为匹配博弈转换图；

图3为在基站数目不断增加的情况下本发明与其他方法的对比图；

图4为在用户数目不断增加的情况下本发明与其他方法的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

根据匹配理论，因为一个用户可以接入多个基站，一个基站可以接入多个用户，所以要解决的分离多接入问题是一个多对多的匹配博弈问题。由于用户接入多个基站时既包括在上行接入基站也包括在下行接入基站，而上行接入和下行接入之间是相互干扰的。所以单纯考虑用户和基站为多对多的匹配无法解决问题。这里将其转化为多对一的匹配博弈。将一个用户上行接入的基站和下行接入的基站进行组合形成一个基站代理。将用户和多个基站的匹配关系转换成用户和一个基站代理的匹配。这样所有的用户都和基站代理进行匹配，一个用户可以匹配一个基站代理，但是一个基站代理可以匹配多个用户，这就转换成了多对一的匹配。具体描述如附图2。

一个多对一匹配博弈的内容包括匹配双方也就是用户和基站代理，还包括用户和基站代理最多可以匹配的个数以及对彼此的偏好定义。这里对偏好的定义包括：1.定义信道增益；2.计算干扰；3.计算数据速率；4.确定偏好。这里信道增益是根据路径损耗、瑞利衰减和阴影来定义的确定信号在传输过程中的损耗。然后根据网络中用户和基站的接入情况计算相互之间的干扰，再根据干扰情况计算数据速率，用户和基站代理之间效用值计算由速率确定，根据效用值确定用户和基站代理之间的偏好关系。

由于用户和基站代理的匹配受到网络中其他用户和基站代理匹配的影响，这里允许交换匹配。就是一个用户可以和另一个用户交换基站代理，只要这个交换不会降低用户的效用。经过迭代的交换最终网络会达到一个平衡状态。

如附图1所示，本发明基于上下行解耦，允许一个用户上行和下行分别接入多个基站。我们采用匹配博弈的方法解决这个机制下用户和基站的接入问题，实现用户效用最大化。主要实施过程分为两个部分：初始化接入和交换匹配：

1.初始化接入

步骤1.1：生成M_小区和N_小区。首先每个用户上行根据路径损耗选择距离最近的M个基站生成M_小区作为其上行连接范围，下行选择信号强度最大的N个小区生成N_小区作为其下行连接范围。每个用户可以在其M_小区和N_小区中分别选择多个基站进行上行或者下行接入。

步骤1.2：生成代理集合；定义一个上行集合包含M_小区中所有基站的任意组合，定义一个下行集合包含N_小区中所有基站的任意组合，将上行集合和下行集合中所有的组合进行组合形成一个基站代理的集合。一个基站代理描述了用户上行和下行分别接入的基站。基站代理的集合包含用户可以选择的所有基站组合，也就是所有的基站接入可能。

步骤1.3：初始接入。每个用户在其M_小区中选择距离最近的基站接入，在其N_小区中选择信号强度最大的基站接入。

步骤1.4：计算数据速率。根据网络中用户和基站的接入情况计算出用户和基站代理匹配的数据速率。具体步骤如下：

1)计算信道增益：信道增益是根据路径损耗、瑞利衰减和阴影来定义的。信道增益确定信号在传输过程中的损耗,节点a和b之间的信道增益公式如下：

G_a,b＝|h_a,b|²d_a,b ^-ξ；

其中，|h_a,b|²代表节点a和b之间由于瑞利衰减和正态阴影造成的复合信道功率增益系数，d_a,b表示节点a和b之间的距离，ξ是路径损耗指数。

2)计算干扰：根据步骤1.3初始接入的网络中用户和基站的接入情况计算相互之间的干扰。基于分离多接入的网络模型和全双工模式，这里干扰包括基站对用户的干扰、用户对用户的干扰、用户对基站的干扰、基站对基站的干扰。当一个用户k和一个基站l在进行下行传输时，用户k接收到的来自除了l以外的网络中所有其他基站的干扰为：

其中，P_l'代表基站l'的传输功率，G_k,l'表示用户k与基站l'之间的信道增益，

表示用户k与基站l'在下行是否有连接，有则

否则

表示当基站l'与用户k在下行有连接时，基站l'不产生干扰。因为一个用户k可以接入多个基站，当它在下行同时接入基站l和l'时，假定基站l'不会对用户k产生干扰，因为它对用户k来说也是提供的下行传输不算干扰。如果基站l'在下行有接入用户也就是

那么W_k',l'＝1，否则W_k',l'＝0。这里假定只有基站l'有接入用户时才会传输信号产生干扰，如果基站l'没有接入任何用户，那么它将不会产生干扰。

用户k接收到的来自网络中所有其他用户的干扰为：

其中，P_k'代表用户k'的传输功率，G_k',k表示用户k与k'之间的信道增益，如果用户k'在上行有接入用户也就是

那么X_k',l'＝1，否则X_k',l'＝0，理由同上。

基站l接收到的来自网络中所有其他基站的干扰为：

其中，G_l,l'表示基站l与l'之间的信道增益；

基站l接收到的来自网络中除k外的所有其他用户的干扰为：

其中，P_k'代表用户k'的传输功率，G_k',l表示用户k'与基站l之间的信道增益，

表示当用户k'与基站l在上行有连接时，用户k'不产生干扰；

3)计算数据速率：根据香农公式计算用户k和基站l上行或者下行接入的数据速率，公式如下：

其中，B表示信道带宽，信号干扰噪声比

计算如下：

其中，

表示用户k与基站l在上行的信号干扰噪声比，

表示用户k与基站l在下行的信号干扰噪声比，

代表自干扰取消能力，σ²是噪声功率。。

4)根据3)计算的数据速率计算用户和基站代理之间的效用值，用户与基站代理的效用值是计算用户和基站代理中所有基站的上下行的速率之和，公式如下：

其中，t代表基站代理；

分别表示用户k与基站l之间的上下行之间是否存在连接，有则取值为1，否则取值为0；

分别表示用户k和基站l上行和下行接入的数据速率。

步骤1.5：建立偏好列表。每个用户根据与基站代理之间的效用值对基站代理进行排序，建立对其基站代理的偏好列表。

2.交换匹配

在前一部分已经完成了接入的初始化工作，接下来进行交换匹配操作。

步骤2.1：判断当前是否存在一个可以交换的匹配，所述可交换的匹配为用户相对于当前匹配的基站代理更偏好的基站代理，且用户连接该基站代理可以提高用户效用值并且没有被拒绝过；那么用户就连接该可交换的匹配。

步骤2.2：判断用户新接入的基站代理中是否有基站超过可以接入的最大用户数，如果超载，那么进行超载处理；超载的基站代理根据它对用户的偏好列表找出最差的用户，断开与该用户的接入。然后被断开的用户从自己的偏好列表中删除该基站代理并将其加入其拒绝列表，然后寻找其偏好列表中最偏好的基站代理连接；如果没超载，那么跳转到步骤2.4。

步骤2.3：重复步骤2.2，直到最终被断开的用户的基站代理的偏好列表为空。

步骤2.4：根据交换匹配后网络中用户和基站的接入情况计算用户和基站代理匹配的效用值，并建立用户对其基站代理的偏好列表；然后继续寻找可以交换的匹配，重复步骤2.1至步骤2.3，直到网络中不存在可交换的匹配达到稳定状态。

本发明基于最新的用户接入技术的研究提出分离多接入的机制，吸取上下行解耦和多接入的优点，能够解决超密集网络下的用接入问题并且提高网络的性能带来巨大的增益，同时本发明也为未来超密集网络中用户接入机制的设计提供了新的方向。

图3、图4为本发明与其他方法的对比图。其中，不分离的接入是一种传统的接入模式，即用户在上行和下行接入同一个基站，根据最大接收信号强度进行基站选择。分离的的接入是用户在上行和下行分别接入不同的基站，上行根据路径损耗，下行根据最大接收信号强度进行基站选择。不分离的双连接是用户在上行和下行接入相同的基站，但是可以同时接入两个基站，根据最大接收信号强度进行基站选择。分离多接入即本发明的接入方法，是用户在上行和下行可以分别接入不同的多个基站，上行根据路径损耗，下行根据最大接收信号强度分别建立M小区和N小区然后在小区中进行基站选择。从图3、图4可以看到，随基站数目或用户数目的增加，所有用户的总速率增加，而采用本发明方法的分离多接入的用户速率最高。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (1)

1.一种超密集异构网络中基于上行下行解耦的多接入方法，其特征在于：包括步骤：

步骤1：每个用户上行根据路径损耗选择距离最近的M个基站生成M_小区作为其上行连接范围，下行选择信号强度最大的N个基站生成N_小区作为其下行连接范围；

步骤2：定义一个上行集合，包含M_小区中所有基站的任意组合；定义一个下行集合，包含N_小区中所有基站的任意组合；将上行集合和下行集合中所有的组合进行组合形成一个基站代理的集合；

步骤3：每个用户在其M_小区中选择距离最近的基站接入，在其N_小区中选择信号强度最大的基站接入；

步骤4：计算用户k和基站l上行或者下行接入的数据速率，根据网络中用户和基站的接入情况计算出用户和基站代理匹配的效用值，所述用户与基站代理的效用值通过计算用户和基站代理中所有基站的上下行的速率之和得到；

所述用户和基站代理匹配的效用值计算如下：

1)计算信道增益：信道增益确定信号在传输过程中的损耗,节点a和b之间的信道增益公式如下：

G_a,b＝|h_a,b|²d_a,b ^-ξ；

其中，|h_a,b|²代表节点a和b之间由于瑞利衰减和正态阴影造成的复合信道功率增益系数，d_a,b表示节点a和b之间的距离，ξ是路径损耗指数；

2)计算干扰：根据网络中用户和基站的接入情况计算相互之间的干扰；用户k接收到的来自除了l以外的网络中所有其他基站的干扰为：

其中，P_l'代表基站l'的传输功率，G_k,l'表示用户k与基站l'之间的信道增益，

表示用户k与基站l'在下行是否有连接，有则

否则

即

表示当基站l'与用户k在下行有连接时，基站l'不产生干扰；如果基站l'在下行有接入用户，那么W_k',l'＝1，否则W_k',l'＝0；

用户k接收到的来自网络中所有其他用户的干扰为：

其中，P_k'代表用户k'的传输功率，G_k',k表示用户k与k'之间的信道增益；如果用户k'在上行有接入用户，那么X_k',l'＝1，否则X_k',l'＝0；

基站l接收到的来自网络中所有其他基站的干扰为：

其中，G_l,l'表示基站l与l'之间的信道增益；

基站l接收到的来自网络中除k外的所有其他用户的干扰为：

其中，G_k',l表示用户k'与基站l之间的信道增益，

表示当用户k'与基站l在上行有连接时，用户k'不产生干扰；

3)计算数据速率：根据香农公式计算用户k和基站l上行或者下行接入的数据速率，公式如下：

其中，B表示信道带宽，信号干扰噪声比

计算如下：

其中，

表示用户k与基站l在上行的信号干扰噪声比，

表示用户k与基站l在下行的信号干扰噪声比，

代表自干扰取消能力，σ²是噪声功率；

4)根据3)计算的数据速率计算用户和基站代理之间的效用值，用户与基站代理的效用值是计算用户和基站代理中所有基站的上下行的速率之和，公式如下：

其中，t代表基站代理；

分别表示用户k与基站l之间的上下行之间是否存在连接，有则取值为1，否则取值为0；

分别表示用户k和基站l上行和下行接入的数据速率；

步骤5：每个用户根据步骤4计算的用户和基站代理匹配的效用值对基站代理进行排序，建立对其基站代理的偏好列表；

步骤6：判断当前是否存在一个可交换的匹配，所述可交换的匹配为用户相对于当前匹配的基站代理更偏好的基站代理，且用户连接该基站代理满足用户的服务质量需求，提高效用值并且没有被拒绝过；若存在，则用户连接该可交换的匹配；

步骤7：判断用户新接入的基站代理中是否有基站超过可接入的最大用户数；若未超过，则转到步骤9；若超过，则进行超载处理；超载基站根据它对用户的偏好列表找出最差的用户，断开与该用户的连接；然后被断开的用户从自己的偏好列表中删除该代理并将其加入拒绝列表，寻找其偏好列表中最偏好的基站代理连接；

步骤8：重复步骤7，直到最终被断开的用户的基站代理的偏好列表为空；

步骤9：根据交换匹配后网络中用户和基站的接入情况计算出用户和基站代理匹配的效用值，并建立用户对其基站代理的偏好列表；重复步骤6至步骤8，直到网络中不存在可交换的匹配达到稳定状态。

Images