CN109982336B - 一种在5g网络中超高频小基站构造虚拟宏基站的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在5G网络中超高频小基站构造虚拟宏基站的方法，利用虚拟宏基站控制器执行备选天线选择算法，筛选注册在天线资源池中的天线，得到备选天线集合，并将备选天线集合注册到虚拟宏基站控制器中；根据得到的备选天线集合，定义虚拟宏基站额定功率值，设计最佳负载选择因子，设计计算虚拟宏基站实际功率值的模型，从备选天线集合中依次选择某根天线计算该模型生成虚拟宏基站的实际功率值和额定功率值进行比较，根据结果得出能够参与构造虚拟宏基站的超高频小基站的天线集合，完成构造虚拟宏基站的过程。本方法能够充分利用现有无线设备统一调配各个超高频小基站的无线资源，提高5G网络中基站资源利用率。

Description

一种在5G网络中超高频小基站构造虚拟宏基站的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及5G乃至下一代移动通信技术，具体是涉及一种在5G网络中超高频小基站构造虚拟宏基站的方法。

背景技术

在5G乃至下一代的无线通信网络环境中，各种网络业务在时间、频率和功率三个方面不断占用着无线网络中大量不可再生的资源。而近年来，移动数据流量呈现爆炸性增长，第五代移动通信系统乃至下一代无线通信系统逐渐成为关注度最高的领域。其中：太赫兹传输，超大规模天线阵列，超密集组网等是下一代无线通信最具有前景的技术。超大规模天线阵列是解决流量爆炸性增长的有效方案之一。然而，随着天线数目的增多，不但为系统带来巨大的干扰，也会导致硬件复杂度的成倍增加。各种网络业务在时间、频率和功率三个方面不断占用着无线网络中大量不可再生的资源。随着无线通信超高频段的使用，网络系统中小基的站数目会非常庞大，如何高效利用海量超高频小基站天线的效率，是未来需要面对的问题。

下一代无线通信中的小基站并不是普通的室内覆盖小基站，它是基于超高频赫兹(如太赫兹等)频段的无线通信基站，由于该基站频率高，无线特性较弱，传输距离近，所以部署数量极多，平均50米的范围就有一个该小基站。所以超高频小基站的设备复杂程度和一般的宏基站几乎没有区别。

由于超高频小基站数量众多，给无线资源管理带来巨大的麻烦，浪费了频谱资源、射频功率资源和时间资源，同时小区边缘的干扰非常严重，使得下一代无线网络不能有效的发挥相应的作用。因此，如何利用现有无线设备统一调配各超高频小基站的无线资源，充分利用现有网络在时间域、频谱域和功率域的资源，成为业内必须考虑的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提出一种在5G网络中超高频小基站构造虚拟宏基站的方法，设计了备选天线选择算法、备选天线集合、最佳负载因子和虚拟宏基站实际功率的计算模型，使得高效利用超高频小基站的各种无线资源成为可能。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种在5G网络中超高频小基站构造虚拟宏基站的方法，其特征在于，将一个区域内功率空闲的某个宏基站控制器作为该区域众多小基站的虚拟宏基站控制器，同时，将该区域所有小基站的天线进行汇总统计，形成超高频小基站天线资源池；则构造虚拟宏基站的方法包括如下步骤：

步骤1，利用虚拟宏基站控制器执行备选天线选择算法，筛选注册在天线资源池中的天线，得到备选天线集合，并将备选天线集合注册到虚拟宏基站控制器中；

步骤2，根据步骤1得到的备选天线集合，定义虚拟宏基站额定功率值，设计最佳负载选择因子，设计计算虚拟宏基站实际功率值的模型，从备选天线集合中依次选择某根天线计算该模型生成虚拟宏基站的实际功率值和额定功率值进行比较，根据结果得出能够参与构造虚拟宏基站的超高频小基站的天线集合，完成构造虚拟宏基站的过程。

进一步的，步骤1的具体实现方法包括如下步骤：

1)根据信道反馈获得信道状态信息矩阵M；

2)根据发射天线的数目、功率放大器的功率、AD/DA转换器、混频器、滤波器、信号合成器、低噪放大器、中频放大器的功率消耗信道状态信息，建立能效模型，得到能量效率与天线数目的关系，能效模型的表达式如下：

其中，l为小基站发射天线数，R_t为t时刻能量效率最大时基站端的发射天线数目，W_t为t时刻基站中的AD/DA转换器、混频器、滤波器、信号合成器、低噪放大器、中频放大器传输功率消耗的总和，τ为功率放大器的功率因子，是一个常数；

3)根据上述表达式，得到发射天线取值l从1取到R_t时的能量效率，并且得到使能量效率达到最大值时天线的数目R_vol，表达式为：

4)将所得到信道状态信息矩阵M，按每列算出每个信道的状态信息，其中S_i代表第i根天线的信道状态信息；

5)根据计算得到的每根天线的信道状态信息，分别得到||S_i||²，取前R_vol根天线作为所选天线，它们是：

其中||·||表示欧几里得范数；

6)得到备选天线集合为：

其中i代表某根天线的编号，并将该集合注册到虚拟宏基站控制器中。

进一步的，步骤2的具体实现方法包括如下步骤：

1)定义虚拟宏基站额定功率值为P_pr，当虚拟宏基站实际功率大于等于额定功率时，停止虚拟化构造过程，形成一个虚拟宏基站；

2)设计一个容量和功率最佳负载选择因子，用来增大网络系统的有效容量，最佳负载选择因子如下：

其中，c_t是最佳负载选择因子，

是非负拉格朗日因子，h为小基站覆盖区域的信道增益，μ为QoS指数，RFI为区域内除当前正在参与构造过程的小基站以外的其他超高频小基站的干扰总和；

3)根据设计的最优功率模型和虚拟宏基站的天线功率，当最优功率模型计算的实际功率小于额定功率时，即

虚拟宏基站构造过程继续；虚拟基站实际功率计算方法如下：

其中，

代表天线发射的最优实际功率，h′为虚拟宏基站的覆盖区域的信道增益，

为t时刻备选天线集合

中某根天线的最大功率，P_rfi为该天线射频干扰的功率，D代表与距离相关的路径损耗，α表示路径衰落参数，C′_t为第2)步得到的最佳选择因子实例；

4)从备选天线集合

中选择一根天线加入后，计算一次

的累加，并判断

＜P_pr是否成立，如成立则继续从备选天线集合

中选择一根没有参与计算的天线用同样的办法进行计算

的累加；

5)构造虚拟宏基站的过程结束的标志：如果当

的时候，构造过程结束，从而将备选天线集合

中目前所有参与计算的天线构造成整个区域虚拟宏基站的网络；或者备选天线集合中的天线如果全部被选，则构造过程结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出了一个在5G网络中如何利用超高频小基站构建虚拟宏基站的方法，使得高效利用超高频小基站的各种无线资源成为可能。本方法能够充分利用现有无线设备统一调配各个超高频小基站的无线资源，能够充分利用现有网络在时间域、频谱域和功率域的资源，是提高5G网络中基站资源利用率的一种有效解决方案。

附图说明

图1是本发明虚拟宏基站构造示意图。

图2是本发明备选天线生成步骤流程图。

图3是本发明构造虚拟宏基站步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

将一个区域内功率空闲的某个宏基站控制器作为该区域众多小基站的虚拟宏基站控制器。同时，将该区域所有小基站的天线进行汇总统计，形成超高频小基站天线资源池，天线资源池的天线信息将注册到虚拟基站控制器中。虚拟基站控制器运行本发明的天线选择算法，筛选注册在天线资源池中的天线，形成虚拟天线集合，并将选择后的天线集合注册到虚拟基站控制器中。然后，虚拟基站控制器利用本发明的最佳选择因子和总功率效率模型计算得出该虚拟宏基站所需的功率和天线信息，完成构造虚拟宏基站的过程(如图1所示)。

因此构造虚拟宏基站有两个步骤，一是选择优化所需的天线信息，注册到宏基站控制器中，二是宏基站控制器将天线资源池进行筛选，留下符合当前通信信道特性的天线，形成虚拟宏基站。

利用超高频小基站构建虚拟宏基站的步骤如下：

一、备选天线选择算法和步骤

首先，选择符合要求的超高频小基站的天线，本发明提出一种备选天线选择算法。该算法能够在不降低系统频谱效率的条件下，减少所需天线数目，从而降低系统的功率消耗。如图2所示，天线选择算法的步骤如下：

1.根据信道反馈获得信道状态信息矩阵M。

2.根据发射天线的数目、功率放大器的功率、AD/DA转换器、混频器、滤波器、信号合成器、低噪放大器等功率消耗信道状态信息，建立能效模型，得到能量效率与天线数目的关系，能效模型的表达式如下：

其中，l为小基站发射天线数，R_t为t时刻能量效率最大时基站端的发射天线数目,W_t为t时刻基站中的AD/DA转换器、混频器、滤波器、信号合成器、低噪放大器、中频放大器等传输功率消耗的总和，τ为功率放大器的功率因子，它是一个常数。

3.根据上述表达式，得到发射天线取值l从1取到R_t时的能量效率，并且可以得到使能量效率达到最大值时天线的数目R_vol，表达式为：

4.将所得到信道状态信息矩阵M，按每列算出每个信道的状态信息，其中S_i代表第i根天线的信道状态信息。

5.根据计算得到的每根天线的信道状态信息，分别得到||S_i||²，取前R_vol根天线作为所选天线。它们是：

其中||·||表示欧几里得范数。

6.得到备选天线集合为：

其中i代表某根天线的编号。并将该集合注册到虚拟宏基站控制器中。

根据上述步骤的备选天线集合，用来确定哪些天线能够形成能量最优的虚拟宏基站的天线。

二、利用备选天线的信息构造虚拟宏基站的步骤：

如图3所示，构造虚拟宏基站的步骤如下：

1.定义虚拟宏基站额定功率值为P_pr，当虚拟宏基站实际功率大于等于额定功率时，停止虚拟化构造过程，形成一个虚拟宏基站。如果需要，还可以继续进行下一个虚拟宏基站的构造过程。

2.设计一个容量和功率最佳负载选择因子，用来增大网络系统的有效容量，对于当前负载小基站来说，应该拒绝靠近负载基站但处于其周围的边缘用户接入，通过调节其选择因子来实现，而接入不到当前负载小基站的用户接入到周围的其它小基站中去。最佳负载选择因子如下：

其中C_t是本发明设计的最佳选择因子，

是非负拉格朗日因子，h为小基站覆盖区域的信道增益，μ为QoS指数，RFI为区域内除当前正在参与构造过程的小基站以外的其他超高频小基站的干扰总和。

3.根据本发明设计的最优功率模型和虚拟宏基站的天线功率，当模型计算的实际功率小于额定功率

时，虚拟宏基站构造过程继续。虚拟基站实际功率计算方法如下：

其中

代表天线发射的最优实际功率，h′为虚拟宏基站的覆盖区域的信道增益，

为t时刻备选天线集合

中某根天线的最大功率，P_rfi为该天线射频干扰的功率，D代表与距离相关的路径损耗，α表示路径衰落参数，C′_t为第二步得到的最佳选择因子实例。

4.从备选天线集合

中选择一根天线加入后，计算一次

的累加，并判断

＜P_pr是否成立，如成立则继续从备选天线集合

中选择一根没有参与计算的天线用同样的办法进行计算

的累加。

5.构造虚拟宏基站的过程结束的标志：如果当

的时候，构造过程结束，从而将备选天线集合

中目前所有参与计算的天线构造成整个区域虚拟宏基站的网络；或者备选集合中的天线如果全部被选，则构造过程结束。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种在5G网络中超高频小基站构造虚拟宏基站的方法，其特征在于，将一个区域内功率空闲的某个宏基站控制器作为该区域众多小基站的虚拟宏基站控制器，同时，将该区域所有小基站的天线进行汇总统计，形成超高频小基站天线资源池；则构造虚拟宏基站的方法包括如下步骤：

步骤1，利用虚拟宏基站控制器执行备选天线选择算法，筛选注册在天线资源池中的天线，得到备选天线集合，并将备选天线集合注册到虚拟宏基站控制器中；

步骤2，根据步骤1得到的备选天线集合，定义虚拟宏基站额定功率值，设计最佳负载选择因子，设计计算虚拟宏基站实际功率值的模型，从备选天线集合中依次选择某根天线计算该模型生成虚拟宏基站的实际功率值和额定功率值进行比较，根据结果得出能够参与构造虚拟宏基站的超高频小基站的天线集合，完成构造虚拟宏基站的过程；

步骤1的具体实现方法包括如下步骤：

1.1)根据信道反馈获得信道状态信息矩阵M；

1.2)根据发射天线的数目、功率放大器的功率、AD/DA转换器、混频器、滤波器、信号合成器、低噪放大器、中频放大器的功率消耗信道状态信息，建立能效模型，得到能量效率与天线数目的关系，能效模型的表达式如下：

其中，l为小基站发射天线数，R_t为t时刻能量效率最大时基站端的发射天线数目，W_t为t时刻基站中的AD/DA转换器、混频器、滤波器、信号合成器、低噪放大器、中频放大器传输功率消耗的总和；τ为功率放大器的功率因子，是一个常数；

1.3)根据上述表达式，得到发射天线取值l从1取到R_t时的能量效率，并且得到使能量效率达到最大值时天线的数目R_vol，表达式为：

1.4)将所得到信道状态信息矩阵M，按每列算出每个信道的状态信息，其中S_i代表第i根天线的信道状态信息；

1.5)根据计算得到的每根天线的信道状态信息，分别得到‖S₎‖²，取前R_vol根天线作为所选天线，它们是：

其中||·||表示欧几里得范数；

1.6)得到备选天线集合为：

其中i代表某根天线的编号，并将该集合注册到虚拟宏基站控制器中；

步骤2的具体实现方法包括如下步骤：

2.1)定义虚拟宏基站额定功率值为P_pr，当虚拟宏基站实际功率大于等于额定功率时，停止虚拟化构造过程，形成一个虚拟宏基站；

2.2)设计一个容量和功率最佳负载选择因子，用来增大网络系统的有效容量，最佳负载选择因子如下：

其中，C_t是最佳负载选择因子，

是非负拉格朗日因子，h为小基站覆盖区域的信道增益，μ为QoS指数，RFI为区域内除当前正在参与构造过程的小基站以外的其他超高频小基站的干扰总和；

2.3)根据设计的最优功率模型和虚拟宏基站的天线功率，当最优功率模型计算的实际功率小于额定功率时，即

虚拟宏基站构造过程继续；虚拟基站实际功率计算方法如下：

其中，

代表天线发射的最优实际功率，h′为虚拟宏基站的覆盖区域的信道增益，

为t时刻备选天线

集合中某根天线的最大功率，P_rfi为该天线射频干扰的功率，D代表与距离相关的路径损耗，α表示路径衰落参数，C′_t为第2.2)步得到的最佳选择因子实例；

2.4)从备选天线集合

中选择一根天线加入后，计算一次

的累加，并判断

是否成立，如成立则继续从备选天线集合

中选择一根没有参与计算的天线用同样的办法进行计算

的累加；

2.5)构造虚拟宏基站的过程结束的标志：如果当

的时候，构造过程结束，从而将备选天线集合

中目前所有参与计算的天线构造成整个区域虚拟宏基站的网络；或者备选天线集合中的天线如果全部被选，则构造过程结束。

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