CN109547073B - 基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法及系统 - Google Patents

基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法及系统 Download PDF

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CN109547073B CN201811434061.3A CN201811434061A CN109547073B CN 109547073 B CN109547073 B CN 109547073B CN 201811434061 A CN201811434061 A CN 201811434061A CN 109547073 B CN109547073 B CN 109547073B
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Abstract

本发明提供一种基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法及系统，包括多天线WiFi接入点与多个WiFi负载连接；检测WiFi负载的信道状态；强制断开信道质量较差的WiFi负载对空间流的占用；寻找最佳的异构网络负载进行接入，占用空闲空间资源，包括执行最佳异构网络负载集合
Figure DDA0001883321320000011
搜索过程。本发明基于空间复用技术，保证了在非授权频段上的WiFi设备/用户的性能不受到明显损失甚至有效提高，实现了异构网络的友好共存与共赢。与现有的共存方法相比，本发明提出的异构网络共存方法可有效提高异构网络性能，实现MIMO空间流的公平分配。

Description

基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法及 系统
技术领域
本发明属于移动互联网技术领域，尤其涉及一种基于空间复用技术的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法及系统。
背景技术
随着移动数据流量的爆炸性增长，频谱短缺已成为下一代无线通信的主要瓶颈。作为一种没有独占访问权、几乎可以被任何人和任何机构使用的频段，非授权频段由于其开放、易获取的特点，而被广泛用于WiFi、蓝牙、Zigbee、5GNR(new radio)及卫星通信等多种应用。为提高系统容量与频谱效率，基于空间复用技术的非授权频段异构网络部署成为必然趋势，随之带来的异构网络与WiFi系统友好共存问题受到越来越多的重视。由于非授权频段目前被广泛用于执行IEEE 802.11系列标准的WiFi设备，保证各种异构网络设备与WiFi的友好公平共存是非授权频段异构网络亟需解决的关键问题之一。如何在提高异构网络性能的同时保证已在非授权频段上的WiFi设备性能不受明显损失，实现非授权频段异构网络与WiFi系统资源分配的公平性，成为学者研究的重要方向。
5G NR技术包含LWA(LTE-WLAN aggregation,LTE-WiFi链路聚合)、LTE-U(LTE inunlicensed，非授权频段LTE)、LAA(licensed-assisted access,许可辅助接入)及MulteFire等多种非授权频谱技术。在LTE-U/LTE-LAA系统中，SBSs(small base stations)通过载波聚合技术聚合授权频段和5GHz免授权频段，在提高系统吞吐量的同时，保持无缝移动性、服务质量和良好的室内外覆盖。第三代合作伙伴项目(3rd generationpartnership project,3GPP)在LTE Release 13中首次引入了仅支持下行模式的LAA，并在最近的LTE Release 14中考虑了增强型LAA(enhanced licensed-assisted access,eLAA)，以同时支持上行与下行链路LAA传输。尽管已存在一些LTE-U与WiFi的公平共存机制，如先听后说(listen-before-talk,LBT)与占空比(duty-cycle muting,DCM)等，但是，目前仍缺乏WiFi与蓝牙、5G NR技术、卫星网络等异构网络的统一公平共存方案。为最大限度地提高异构网络吞吐量，统一共存方案需要考虑异构网络及WiFi系统中不同用户的服务质量(Quality of Service，QoS)需求与信道状态信息(channel state information,CSI)，实现最优的用户关联。此外，802.11n/ac/ax标准提供了对多用户多输入多输出(multi-user multiple input multiple output,MU-MIMO)的支持，在调度多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)传输时提供了更大的灵活性，因此，新的统一方案需要进一步基于空间复用技术优化MIMO空间流分配以平衡系统间的公平性并提高性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明从空间信道状态反馈和用户需求出发，提出了一种基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法和装置，在保证多天线WiFiAP设备/用户性能不受明显损失甚至有效提高的同时，最大限度提高异构网络的性能。
本发明所采用的技术方案提供一种基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法，包括以下步骤，
步骤1，多天线WiFi接入点与多个WiFi负载连接；
步骤2，检测WiFi负载的信道状态；
步骤3，强制断开信道质量较差的WiFi负载对空间流的占用，包括设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure BDA0001883321300000021
计算
Figure BDA0001883321300000022
中各WiFi负载m的数据速率
Figure BDA0001883321300000023
根据数据速率阈值RT选择断开空间流；
步骤4，寻找最佳的异构网络负载进行接入，占用空闲空间资源，包括执行最佳异构网络负载集合
Figure BDA0001883321300000024
搜索过程如下，
步骤4.1，设异构网络负载集合为
Figure BDA0001883321300000025
最佳异构网络负载总数为L，则WiFi接入点最终关联的负载集合为
Figure BDA0001883321300000026
且关联负载总数(M+L)不超过天线数I，
初始化
Figure BDA0001883321300000027
根据步骤3所得各WiFi负载m的数据速率
Figure BDA0001883321300000028
得到初始系统总速率
Figure BDA0001883321300000029
对WiFi接入点关联的负载
Figure BDA00018833213000000210
设有效信道向量为vs，有效信道增益为γs，未关联的异构网络负载
Figure BDA00018833213000000211
其中\表示集合求差集，设相应信道向量正交分量为gk；
步骤4.2，搜索异构网络负载集合
Figure BDA00018833213000000212
寻找最佳异构网络负载d，使得加入异构网络负载d后，系统总数据速率
Figure BDA00018833213000000213
达到最大；
步骤4.3，若加入(2)中求得的最优负载d后，总速率增量
Figure BDA00018833213000000214
Figure BDA00018833213000000215
则更新
Figure BDA00018833213000000216
将负载d加入最佳异构网络负载集合；其后，对关联的负载s更新vs、γs，并重新计算未关联异构网络负载k的信道向量正交分量gk：
若ΔR+d>0且M+L<I，返回重复执行步骤4.2，反之，则搜索结束。
而且，步骤3中，计算各WiFi负载m的数据速率
Figure BDA0001883321300000031
实现如下，
(1)设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure BDA0001883321300000032
关联负载总数为M，
Figure BDA0001883321300000033
采用线性多用户预编码技术计算负载的波束成形权重向量
Figure BDA0001883321300000034
其中
Figure BDA0001883321300000035
表示I行1列的复矩阵集合，WiFi接入点配置的天线集合为
Figure BDA0001883321300000036
总天线数为I；
(2)设负载m的有效信道增益为
Figure BDA0001883321300000037
WiFi接入点的总传输功率为P0，则
Figure BDA0001883321300000038
为分配给负载m的传输功率，其中传输功率放缩系数pm由注水功率分配算法计算：
pm=max{u0γm-1,0}
式中u0为水位，由下式直接计算，
Figure BDA0001883321300000039
(3)计算原始关联WiFi负载m的速率
Figure BDA00018833213000000310
Figure BDA00018833213000000311
而且，步骤4.1中，初始化vs、γs、gk如下，
Figure BDA00018833213000000312
Figure BDA00018833213000000313
Figure BDA00018833213000000314
其中，II为I×I单位矩阵，
Figure BDA00018833213000000315
分别为负载集合
Figure BDA00018833213000000316
对应的瑞利信道衰落矩阵，
Figure BDA00018833213000000317
分别为相应的共轭转置矩阵，hs为负载s的信道向量，hk为负载k的信道向量。
而且，步骤4.2中，搜索异构网络负载集合
Figure BDA00018833213000000318
实现如下，
①假设加入负载k，则WiFi接入点连接的负载集合表示为
Figure BDA00018833213000000319
计算负载k的有效信道向量记为
Figure BDA00018833213000000320
有效信道增益
Figure BDA00018833213000000321
更新已关联负载
Figure BDA00018833213000000322
的有效信道向量
Figure BDA00018833213000000323
有效信道增益
Figure BDA00018833213000000324
如下所示：
Figure BDA00018833213000000325
Figure BDA0001883321300000041
Figure BDA0001883321300000042
Figure BDA00018833213000000411
其中，符号(·)+k表示加入负载k后的更新值。
②设P1为异构网络设备的总传输功率，加入负载k后，水位u、WiFi接入点的总数据速率
Figure BDA0001883321300000043
为，
Figure BDA0001883321300000044
Figure BDA0001883321300000045
其中，
Figure BDA0001883321300000046
分别为加入负载k后与WiFi接入点关联的异构网络负载l、原始关联的WiFi负载m的有效信道增益，P0为WiFi接入点的总传输功率。
而且，所述多天线WiFi接入点与多个WiFi负载连接，采用随机接入方法或基于竞争的接入方法或负载特征触发的接入方法。
而且，断开空间流和最佳的异构网络负载接入，采用CTS-to-Self机制或基于网络分配向量NAV的方式实现。
本发明还提供一种基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存系统，包括以下模块，
第一模块，用于多天线WiFi接入点与多个WiFi负载连接；
第二模块，用于检测WiFi负载的信道状态；
第三模块，用于强制断开信道质量较差的WiFi负载对空间流的占用，包括设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure BDA0001883321300000047
计算
Figure BDA0001883321300000048
中各WiFi负载m的数据速率
Figure BDA0001883321300000049
根据数据速率阈值RT选择断开空间流；
第四模块，用于寻找最佳的异构网络负载进行接入，占用空闲空间资源，包括执行最佳异构网络负载集合
Figure BDA00018833213000000410
搜索过程如下，
步骤4.1，设异构网络负载集合为
Figure BDA0001883321300000051
最佳异构网络负载总数为L，则WiFi接入点最终关联的负载集合为
Figure BDA0001883321300000052
且关联负载总数(M+L)不超过天线数I，
初始化
Figure BDA0001883321300000053
根据步骤3所得各WiFi负载m的数据速率
Figure BDA0001883321300000054
得到初始系统总速率
Figure BDA0001883321300000055
对WiFi接入点关联的负载
Figure BDA0001883321300000056
设有效信道向量为vs，有效信道增益为γs，未关联的异构网络负载
Figure BDA0001883321300000057
其中\表示集合求差集，设相应信道向量正交分量为gk；
步骤4.2，搜索异构网络负载集合
Figure BDA0001883321300000058
寻找最佳异构网络负载d，使得加入异构网络负载d后，系统总数据速率
Figure BDA0001883321300000059
达到最大；
步骤4.3，若加入(2)中求得的最优负载d后，总速率增量
Figure BDA00018833213000000510
Figure BDA00018833213000000511
则更新
Figure BDA00018833213000000512
将负载d加入最佳异构网络负载集合；其后，对关联的负载s更新vs、γs，并重新计算未关联异构网络负载k的信道向量正交分量gk：
若ΔR+d>0且M+L<L，返回重复执行步骤4.2，反之，则搜索结束。
而且，第三模块中，计算各WiFi负载m的数据速率
Figure BDA00018833213000000513
实现如下，
(1)设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure BDA00018833213000000514
关联负载总数为M，
Figure BDA00018833213000000515
采用线性多用户预编码技术计算负载的波束成形权重向量
Figure BDA00018833213000000516
其中
Figure BDA00018833213000000517
表示I行1列的复矩阵集合，WiFi接入点配置的天线集合为
Figure BDA00018833213000000518
总天线数为I；
(2)设负载m的有效信道增益为
Figure BDA00018833213000000519
WiFi接入点的总传输功率为P0，则
Figure BDA00018833213000000520
为分配给负载m的传输功率，其中传输功率放缩系数pm由注水功率分配算法计算：
pm=max{u0γm-1,0}
式中u0为水位，由下式直接计算，
Figure BDA00018833213000000521
(3)计算原始关联WiFi负载m的速率
Figure BDA00018833213000000522
Figure BDA00018833213000000523
而且，步骤4.1中，初始化vs、γs、gk如下，
Figure BDA0001883321300000061
Figure BDA0001883321300000062
Figure BDA0001883321300000063
其中，II为I×I单位矩阵，
Figure BDA0001883321300000064
分别为负载集合
Figure BDA0001883321300000065
对应的瑞利信道衰落矩阵，
Figure BDA0001883321300000066
分别为相应的共轭转置矩阵，hs为负载s的信道向量，hk为负载k的信道向量。
而且，步骤4.2中，搜索异构网络负载集合
Figure BDA0001883321300000067
实现如下，
①假设加入负载k，则WiFi接入点连接的负载集合表示为
Figure BDA0001883321300000068
计算负载k的有效信道向量记为
Figure BDA0001883321300000069
有效信道增益
Figure BDA00018833213000000610
更新已关联负载
Figure BDA00018833213000000611
的有效信道向量
Figure BDA00018833213000000612
有效信道增益
Figure BDA00018833213000000613
如下所示：
Figure BDA00018833213000000614
Figure BDA00018833213000000615
Figure BDA00018833213000000616
Figure BDA00018833213000000617
其中，符号(·)+k表示加入负载k后的更新值。
②设P1为异构网络设备的总传输功率，加入负载k后，水位u、WiFi接入点的总数据速率
Figure BDA00018833213000000618
为，
Figure BDA00018833213000000619
Figure BDA00018833213000000620
其中，
Figure BDA00018833213000000621
分别为加入负载k后与WiFi接入点关联的异构网络负载l、原始关联的WiFi负载m的有效信道增益，P0为WiFi接入点的总传输功率。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明针对现有非授权频段异构网络友好共存方法尚未充分考虑MIMO空间流分配优化的特点，基于空间信道状态反馈与用户需求，提出了一种基于空间复用技术的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法和系统。与现有的共存方法相比，本发明提出的异构网络共存方法可有效提高异构网络性能，实现MIMO空间流的公平分配。本发明提供的方法强制断开信道质量较差的WiFi负载对空间流的占用；寻找最佳的异构网络负载，并设置占用空闲空间资源。本发明基于空间复用技术，保证了在非授权频段上的WiFi设备/用户的性能不受到明显损失甚至有效提高，实现了异构网络的友好共存与共赢。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例的基于CTS-to-Self机制接入异构网络设备的流程图。
图3是本发明实施例的基于NAV设置方法接入异构网络设备的流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。请见图1，本发明提供的一种基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法，将LAA等异构网络技术嵌入至WiFi协议中，使异构网络设备可以占用WiFi系统天线发送数据。实施例提供的方法包括以下步骤：
步骤1：将多天线WiFi接入点(access point,AP)与多个WiFi负载连接；
具体实施时，可以采用以下三种多WiFi负载与多天线WiFi AP连接的方法中任一种实现连接，包括：
(1)随机接入方法：WiFi负载随机与WiFi AP连接；
(2)基于竞争的接入方法：利用IEEE 802.11系列协议中的CSMA/CA机制，使负载通过竞争获得接入机会；
(3)负载特征触发的接入方法：根据负载的优先级或需求情况，获得接入机会。
根据天线数不同，可接入的负载连接数量有所不同：802.11n/ac下，一个WiFiAP最多支持4个负载连接/MIMO空间流；802.11ax下，可支持最大8个负载连接/MIMO空间流。
步骤2：检测WiFi负载的对应空间信道状态，具体步骤如下：
步骤2.1：WiFiAP发出前导检测信号；
步骤2.2：负载接收信号；
步骤2.3：反馈空间信道状态信息；
信道的检测包括空间流位置、衰弱、干扰等。根据不同WiFi协议，在802.11n/ac下，采用RTS(request-to-send，请求发送)检查；在802.11ax下，可用MU-RTS(multi userrequest-to-end，多用户请求发送)检查。
步骤3：强制断开信道质量较差的WiFi负载对空间流的占用；
为保证已在非授权频段上的WiFi设备/用户的性能不受到明显的损失甚至有效提高，拟强制断开信道条件差的WiFi用户/设备的连接。
实施例的步骤3包括以下子步骤，
步骤3.1：计算各WiFi负载m的数据速率
Figure BDA0001883321300000081
根据数据速率阈值RT选择拟断开的空间流。
具体实施时，可根据用户/设备的QoS需求，预先设置数据速率阈值RT。具体实现过程如下：
(1)迫零波束成形：设WiFi AP关联的负载集合为
Figure BDA0001883321300000082
关联负载总数为M。
Figure BDA0001883321300000083
为在WiFiAP与负载间形成正交信道，消除负载间干扰，采用线性多用户预编码技术ZFBF(zero-forcing beamforming，迫零波束成形)计算负载的波束成形权重向量
Figure BDA0001883321300000084
其中
Figure BDA0001883321300000085
表示i行j列的复矩阵集合(下同)，即
Figure BDA0001883321300000086
表示I行1列的复矩阵集合。WiFiAP配置的天线集合为
Figure BDA0001883321300000087
总天线数为I。
设hm＝[hm，1，hm，2，...，hm，I]为负载m的信道向量，其中hm，i表示从天线i到负载m的复信道增益。
Figure BDA0001883321300000088
为负载的瑞利信道衰落矩阵，
Figure BDA0001883321300000089
为表示M行I列的复矩阵集合，符号(·)*表示共轭转置运算(下同)。波束成形矩阵W＝[w1，w2，w3，...，wM]为矩阵H的伪逆矩阵，即
W＝H*(HH*)-1。 (1)
(2)注水功率分配：设负载m的有效信道增益为
Figure BDA00018833213000000810
WiFi AP的总传输功率为P0，则
Figure BDA00018833213000000811
为分配给负载m的传输功率，其中传输功率放缩系数pm由注水功率分配算法计算：
pm＝max{μ0γm-1，0}。 (2)
式(2)中μ0为水位，可由下式直接计算
Figure BDA0001883321300000091
(3)计算原始关联WiFi负载m的速率
Figure BDA0001883321300000092
即
Figure BDA0001883321300000093
(4)根据设置阈值，选择数据速率
Figure BDA0001883321300000094
小于预设的阈值RT的原始WiFi负载为拟断开空间流的负载。WiFi负载断开之后，可根据需要与附近其他能提供较好信道条件的接入点进行连接通信。
步骤3.2：断开步骤3.1中选择的空间流连接，两种具体实现方法包括：
(1)基于CTS-to-Self(Clear-to-send-to-Self，自身清除发送)机制的方法：利用802.11协议中自带的CTS-to-Self机制，在WiFi负载传输之前，强制提前占用空间资源；
(2)基于NAV(Network allocation vector，网络分配向量)设置的方法：WiFiAP对对应空间流设置强制的NAV占用/退避。
步骤3.3：对于仍保持连接的WiFi负载集合
Figure BDA00018833213000000915
根据步骤3.1中(1)～(4)式重新计算更新WiFi负载的速率
Figure BDA0001883321300000095
步骤4：寻找最佳的异构网络负载进行接入，占用空闲空间资源。包括以下子步骤，
步骤4.1：根据干扰、信道衰弱、用户需求等，寻找最佳的异构网络负载(用户/设备)，以最大化总数据速率增量。实施例具体实现如下：
设异构网络负载集合为
Figure BDA00018833213000000916
所选择的最佳异构网络负载集合记为最佳异构网络负载集
Figure BDA0001883321300000096
最佳异构网络负载总数为L，则WiFiAP最终关联的负载集合为
Figure BDA0001883321300000097
且关联负载总数(M+L)不超过天线数I。
最佳异构网络负载集合
Figure BDA0001883321300000098
搜索过程如下：
(1)初始化
Figure BDA0001883321300000099
则初始系统总速率为
Figure BDA00018833213000000910
其中
Figure BDA00018833213000000914
由采用步骤3.3计算后的结果。对WiFiAP关联的负载
Figure BDA00018833213000000912
设其ECV(effective channelvector，有效信道向量)为vs，有效信道增益为γs。未关联的异构网络负载
Figure BDA00018833213000000913
其中\表示集合求差集，设其信道向量正交分量为gk。初始化vs、γs、gk如下：
Figure BDA0001883321300000101
Figure BDA0001883321300000102
Figure BDA0001883321300000103
其中，II为I×I单位矩阵，
Figure BDA0001883321300000104
分别为负载集合
Figure BDA0001883321300000105
对应的瑞利信道衰落矩阵，
Figure BDA0001883321300000106
分别为其共轭转置矩阵，hs为负载s的信道向量，hk为负载k的信道向量。
(2)搜索异构网络负载集合
Figure BDA0001883321300000107
寻找最佳异构网络负载d，使得加入异构网络负载d后，系统总数据速率
Figure BDA0001883321300000108
达到最大，即
Figure BDA0001883321300000109
其中，
Figure BDA00018833213000001010
计算过程如下：
①若加入负载k，则WiFi AP连接的负载集合可表示为
Figure BDA00018833213000001011
按式(9)～(10)计算负载k的ECV记为
Figure BDA00018833213000001012
有效信道增益
Figure BDA00018833213000001013
按式(11)～(12)更新已关联负载
Figure BDA00018833213000001014
的
Figure BDA00018833213000001015
有效信道增益
Figure BDA00018833213000001016
如下所示：
Figure BDA00018833213000001017
Figure BDA00018833213000001018
Figure BDA00018833213000001019
Figure BDA00018833213000001020
其中，符号(·)+k表示加入负载k后的更新值。
②设P1为异构网络设备的总传输功率，由注水功率分配算法可知，加入负载k后，水位u、WiFi AP的总数据速率
Figure BDA00018833213000001021
为：
Figure BDA00018833213000001022
Figure BDA00018833213000001023
其中，
Figure BDA00018833213000001024
分别为加入负载k后与WiFi AP关联的异构网络负载l、原始关联的WiFi负载m的有效信道增益，
Figure BDA0001883321300000111
由式(10)、(12)计算。
(3)若加入(2)中求得的最优负载d后，总速率增量
Figure BDA0001883321300000112
Figure BDA0001883321300000113
则更新
Figure BDA0001883321300000114
将负载d加入最佳异构网络负载集合，如式(15)所示；其后，对关联负载s更新vs、γs，如式(16)所示，并按式(17)重新计算未关联异构网络负载k的信道向量正交分量gk：
Figure BDA0001883321300000115
Figure BDA0001883321300000116
Figure BDA0001883321300000117
其中，符号“:”表示以右式的值对左式进行赋值，gd为最优负载d的信道向量正交分量，
Figure BDA0001883321300000118
为其共轭转置。
若ΔR+d>0且M+L<I，返回重复执行步骤(2)，此时集合
Figure BDA0001883321300000119
已关联负载的ECVvs、未关联异构网络负载的信道向量正交分量gk已按(15)～(17)更新；反之，则搜索结束。
步骤4.2：对步骤4.1中选择的异构网络负载进行接入，可接入的异构网络负载包括LTE-U、LAA、蓝牙等各类异构网络设备及WiFi本身的负载。两种接入方法包括：
(1)通过CTS-to-Self占用后接入；
(2)空出NAV资源后，异构网络负载接入WiFi AP。
步骤4.3：根据用户需求，在信标(beacon)中设置NAV时间，指定接入负载对空闲空间资源的占用时间。
为便于实施参考起见，提供两种接入方法介绍如下：
附图2为通过CTS-to-Self机制接入异构网络设备的流程示意图。首先，WiFi AP发送前导检测信号，通过RTS/MU-RTS检查用户信道状态，进行信道估计；然后，其他异构网络获取信息并发送CTS-to-Self帧，强制占用部分连接质量较差的WiFi设备对应的空间流，这些WiFi设备读取CTS-to-Self帧并退避，即相应WiFi负载连接失败，空出空间资源，由异构网络设备在指定的时间内占用空间流传输数据。
附图3为通过NAV设置接入异构网络设备的流程示意图。WiFi AP首先通过RTS/MU-RTS检查用户信道状态，进行信道估计，然后，通过在对应空间流上设置NAV值，断开部分质量较差的负载，空出空间资源，即相应WiFi负载退避；最后，被选择的异构网络设备向AP发送请求接入信号，在接收到允许接入信号后，在指定的时间内占用空间流传输数据。
具体实施时，以上流程可采用软件方式实现自动运行，也可采用系统方式实现。
本发明实施例提供一种基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存系统，包括以下模块，
第一模块，用于多天线WiFi接入点与多个WiFi负载连接；
第二模块，用于检测WiFi负载的信道状态；
第三模块，用于强制断开信道质量较差的WiFi负载对空间流的占用，包括设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure BDA0001883321300000121
计算
Figure BDA0001883321300000122
中各WiFi负载m的数据速率
Figure BDA0001883321300000123
根据数据速率阈值RT选择断开空间流；
第四模块，用于寻找最佳的异构网络负载进行接入，占用空闲空间资源，包括执行最佳异构网络负载集合
Figure BDA0001883321300000124
搜索过程。
各模块具体实现参见相应步骤，不予赘述。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，多天线WiFi接入点与多个WiFi负载连接；
步骤2，检测WiFi负载的信道状态；
步骤3，强制断开信道质量较差的WiFi负载对空间流的占用，包括设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure FDA00029244220500000114
计算
Figure FDA00029244220500000115
中各WiFi负载m的数据速率
Figure FDA0002924422050000011
根据数据速率阈值RT，选择数据速率
Figure FDA0002924422050000012
小于RT的WiFi负载作为信道质量较差的WiFi负载断开空间流；
步骤4，寻找最佳的异构网络负载进行接入，占用空闲空间资源，包括执行最佳异构网络负载集合
Figure FDA00029244220500000116
搜索过程如下，
步骤4.1，设异构网络负载集合为
Figure FDA00029244220500000119
最佳异构网络负载总数为L，则WiFi接入点最终关联的负载集合为
Figure FDA00029244220500000120
且关联负载总数(M+L)不超过天线数I，
初始化
Figure FDA0002924422050000013
根据步骤3所得各WiFi负载m的数据速率
Figure FDA0002924422050000014
得到初始系统总速率
Figure FDA00029244220500000121
对WiFi接入点关联的负载
Figure FDA0002924422050000015
设有效信道向量为vs，有效信道增益为γs，未关联的异构网络负载
Figure FDA0002924422050000016
其中\表示集合求差集，设未关联的异构网络负载k相应信道向量正交分量为gk；
步骤4.2，搜索异构网络负载集合
Figure FDA0002924422050000017
寻找最佳异构网络负载d，使得加入最佳异构网络负载d后，系统总数据速率
Figure FDA0002924422050000018
达到最大；系统总数据速率的计算方式如下，
设加入负载k后水位为μ、WiFi接入点的总数据速率
Figure FDA00029244220500000113
为，
Figure FDA0002924422050000019
其中，
Figure FDA00029244220500000110
分别为加入负载k后与WiFi接入点关联的异构网络负载l、原始关联的WiFi负载m的有效信道增益；
步骤4.3，若加入步骤4.2中求得的最佳异构网络负载d后，总速率增量
Figure FDA00029244220500000111
则更新
Figure FDA00029244220500000112
将最佳优异构网络负载d加入最佳异构网络负载集合；其后，对关联负载s更新vs、γs，并重新计算未关联异构网络负载k的信道向量正交分量gk：
若ΔR+d＞0且M+L＜I，返回重复执行步骤4.2，反之，则搜索结束。
2.根据权利要求1所述基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法，其特征在于：步骤3中，计算各WiFi负载m的数据速率
Figure FDA0002924422050000021
实现如下，
(1)设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure FDA00029244220500000223
关联负载总数为M，
Figure FDA0002924422050000022
采用线性多用户预编码技术计算负载的波束成形权重向量
Figure FDA0002924422050000023
其中
Figure FDA00029244220500000221
表示I行1列的复矩阵集合，WiFi接入点配置的天线集合为Ⅱ，总天线数为I；
(2)设负载m的有效信道增益为
Figure FDA0002924422050000025
则
Figure FDA0002924422050000026
为分配给负载m的传输功率，其中传输功率放缩系数pm由注水功率分配算法计算：
pm＝max{μ0γm-1，0}
式中μ0为水位，由下式直接计算，
Figure FDA0002924422050000027
其中，WiFi接入点的总传输功率为P0；
(3)计算原始关联WiFi负载m的速率
Figure FDA0002924422050000028
Figure FDA0002924422050000029
3.根据权利要求1所述基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法，其特征在于：步骤4.1中，初始化vs、γs、gk如下，
Figure FDA00029244220500000210
γs＝||vs||2，
Figure FDA00029244220500000211
Figure FDA00029244220500000212
其中，II为I×I单位矩阵，
Figure FDA00029244220500000213
分别为负载集合
Figure FDA00029244220500000214
对应的瑞利信道衰落矩阵，
Figure FDA00029244220500000215
分别为相应的共轭转置矩阵，hs为负载s的信道向量，hk为负载k的信道向量。
4.根据权利要求3所述基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法，其特征在于：步骤4.2，搜索异构网络负载集合
Figure FDA00029244220500000216
实现如下，
①假设加入负载k，则WiFi接入点连接的负载集合表示为
Figure FDA00029244220500000217
计算负载k的有效信道向量记为
Figure FDA00029244220500000218
有效信道增益
Figure FDA00029244220500000219
更新已关联负载
Figure FDA00029244220500000222
的有效信道向量
Figure FDA0002924422050000031
有效信道增益
Figure FDA0002924422050000032
如下所示：
Figure FDA0002924422050000033
Figure FDA0002924422050000034
Figure FDA0002924422050000035
Figure FDA0002924422050000036
其中，符号(·)+k表示加入负载k后的更新值；
②设P1为异构网络设备的总传输功率，加入负载k后水位μ为，
Figure FDA0002924422050000037
其中，P0为WiFi接入点的总传输功率。
5.根据权利要求1或2或3或4所述基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法，其特征在于：所述多天线WiFi接入点与多个WiFi负载连接，采用随机接入方法或基于竞争的接入方法或负载特征触发的接入方法。
6.根据权利要求1或2或3或4所述基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存方法，其特征在于：断开空间流和最佳的异构网络负载接入，采用自身清除发送机制或基于网络分配向量的方式实现。
7.一种基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存系统，其特征在于：包括以下模块，
第一模块，用于多天线WiFi接入点与多个WiFi负载连接；
第二模块，用于检测WiFi负载的信道状态；
第三模块，用于强制断开信道质量较差的WiFi负载对空间流的占用，包括设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure FDA00029244220500000313
计算
Figure FDA0002924422050000038
中各WiFi负载m的数据速率
Figure FDA00029244220500000312
根据数据速率阈值RT，选择数据速率
Figure FDA00029244220500000310
小于RT的WiFi负载作为信道质量较差的WiFi负载断开空间流；
第四模块，用于寻找最佳的异构网络负载进行接入，占用空闲空间资源，包括执行最佳异构网络负载集合
Figure FDA00029244220500000314
搜索过程的如下单元，
第一单元，用于设异构网络负载集合为
Figure FDA00029244220500000311
最佳异构网络负载总数为L，则WiFi接入点最终关联的负载集合为
Figure FDA0002924422050000041
且关联负载总数(M+L)不超过天线数I，
初始化
Figure FDA0002924422050000042
根据步骤3所得各WiFi负载m的数据速率
Figure FDA00029244220500000421
得到初始系统总速率
Figure FDA0002924422050000044
对WiFi接入点关联的负载
Figure FDA0002924422050000045
设有效信道向量为vs，有效信道增益为γs，未关联的异构网络负载
Figure FDA0002924422050000046
其中\表示集合求差集，设未关联的异构网络负载k相应信道向量正交分量为gk；
第二单元，用于搜索异构网络负载集合
Figure FDA0002924422050000047
寻找最佳异构网络负载d，使得加入最佳异构网络负载d后，系统总数据速率
Figure FDA0002924422050000048
达到最大；系统总数据速率的计算方式如下，
设加入负载k后水位为μ、WiFi接入点的总数据速率
Figure FDA00029244220500000422
为，
Figure FDA00029244220500000410
其中，
Figure FDA00029244220500000411
分别为加入负载k后与WiFi接入点关联的异构网络负载l、原始关联的WiFi负载m的有效信道增益；
第三单元，用于若加入第二单元中求得的最佳异构网络负载d后，总速率增量
Figure FDA00029244220500000412
则更新
Figure FDA00029244220500000413
将最佳异构网络负载d加入最佳异构网络负载集合；其后，对关联负载s更新vs、γs，并重新计算未关联异构网络负载k的信道向量正交分量gk：
若ΔR+d＞0且M+L＜I，返回重复执行步骤4.2，反之，则搜索结束。
8.根据权利要求7所述基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存系统，其特征在于：第三模块中，计算各WiFi负载m的数据速率
Figure FDA00029244220500000414
实现如下，
(1)设WiFi接入点关联的负载集合为
Figure FDA00029244220500000415
关联负载总数为M，
Figure FDA00029244220500000416
采用线性多用户预编码技术计算负载的波束成形权重向量
Figure FDA00029244220500000417
其中
Figure FDA00029244220500000418
表示I行1列的复矩阵集合，WiFi接入点配置的天线集合为Ⅱ，总天线数为I；
(2)设负载m的有效信道增益为
Figure FDA00029244220500000419
则
Figure FDA00029244220500000420
为分配给负载m的传输功率，其中传输功率放缩系数pm由注水功率分配算法计算：
pm＝max{μ0γm-1，0}
式中μ0为水位，由下式直接计算，
Figure FDA0002924422050000051
其中，WiFi接入点的总传输功率为P0；
(3)计算原始关联WiFi负载m的速率
Figure FDA0002924422050000052
Figure FDA0002924422050000053
9.根据权利要求7所述基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存系统，其特征在于：第一单元中，初始化vs、γs、gk如下，
Figure FDA0002924422050000054
γs＝||vs||2，
Figure FDA0002924422050000055
Figure FDA0002924422050000056
其中，II为I×I单位矩阵，
Figure FDA0002924422050000057
分别为负载集合
Figure FDA0002924422050000058
对应的瑞利信道衰落矩阵，
Figure FDA0002924422050000059
分别为相应的共轭转置矩阵，hs为负载s的信道向量，hk为负载k的信道向量。
10.根据权利要求9所述基于空间复用的非授权频段异构网络嵌入式友好共存系统，其特征在于：第二单元中，搜索异构网络负载集合
Figure FDA00029244220500000510
实现如下，
①假设加入负载k，则WiFi接入点连接的负载集合表示为
Figure FDA00029244220500000511
计算负载k的有效信道向量记为
Figure FDA00029244220500000512
有效信道增益
Figure FDA00029244220500000513
更新已关联负载
Figure FDA00029244220500000514
的有效信道向量
Figure FDA00029244220500000515
有效信道增益
Figure FDA00029244220500000516
如下所示：
Figure FDA00029244220500000517
Figure FDA00029244220500000518
Figure FDA00029244220500000519
Figure FDA00029244220500000520
其中，符号(·)+k表示加入负载k后的更新值；
②设P1为异构网络设备的总传输功率，加入负载k后，水位μ为，
Figure FDA00029244220500000521
其中，P0为WiFi接入点的总传输功率。
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