CN111447628B - 一种毫米波异构网络用户关联方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波异构网络用户关联方法，属于无线通信技术领域，包括以下步骤：S1：建立毫米波异构网络系统模型，采用一个LOS信道参考距离d_L，将毫米波链路中d＞d_L的链路近似等效于NLOS链路；S2：根据信道模型建立异构网络用户的信噪比、系统吞吐量；S3：给出系统吞吐量优化目标函数以及限制条件；S4：构建二部图G＝(V_BS,V_UE,E)S5：将基站点集按其最大负载重量进行拓展，通过增加虚拟用户的做法将用户点集进行拓展；S6：计算用户i与基站j的数率R_i,j代表e_i,j的边权值，构建吞吐量权值矩阵W_i,j；S7：将吞吐量权值矩阵作为KM算法权值矩阵进行求解得到全局最优匹配。本发明所提出的方法相较于一些启发式匹配算法能够获得全局最优匹配。

Description

一种毫米波异构网络用户关联方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种毫米波异构网络用户关联方法。

背景技术

第五代无线通信技术以进一步提高频谱效率，高网络覆盖率，低时延，显著提升系统容量，适应不断迅猛增长的用户数量和数据业务量，为用户提供更好的服务质量为目标。在过去，由于毫米波具有较高的穿透损耗，因此并不被认为是一种可行的无线通信技术。然而，近年来的研究表明可以通过使用高定向天线和波束成形来克服这个问题。因此毫米波异构网络得到了广泛研究。毫米波技术将使用28-300GHZ的高频段工作，能够获得超过200倍于3Ghz频段的频率资源，但是毫米波高路径损耗的特性带来了更多的挑战。合理的将用户设备关联到相应的基站以避免过多用户接入非视距可见链路(NLOS)显得尤为重要。为了充分利用毫米波资源提升系统吞吐量，本发明提出了一种毫米波异构网络用户关联方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种毫米波异构网络用户关联方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种毫米波异构网络用户关联方法，包括以下步骤：

S1：建立毫米波异构网络系统模型，采用一个LOS信道参考距离d_L，将毫米波链路中d＞d_L的链路近似等效于NLOS链路；

S2：根据信道模型建立异构网络用户的信噪比SNR，系统吞吐量R_sum；

S3：给出系统吞吐量优化目标函数

以及限制条件；

S4：构建一个二部图G＝(V_BS,V_UE,E)，其中V_BS,V_UE两个顶点集合分别代表基站和用户集合，边集E代表用户与基站的关联关系；

S5：将基站点集V_BS按其最大负载重量L_max进行拓展为V′_BS，通过增加虚拟用户的做法将用户点集V_UE进行拓展到V′_UE使得|V′_BS|＝|V′_UE|；

S6：计算用户i与基站j的数率R_i,j代表e_i,j的边权值，构建吞吐量权值矩阵W_i,j；

S7：将吞吐量权值矩阵作为KM算法权值矩阵进行求解得到全局最优匹配。

进一步，步骤S1中所述毫米波链路路径损失函数为：

其中，其中d₀为参考距离；f_c为载波频率；α_m为路损指数，表示为

ξ为阴影指数。

进一步，步骤S2中所述用户信噪比SINR_i,j和系统吞吐量R_sum表示为：

其中P_i,j表示第j个基站为第i个用户分配的功率，H_i,j表示子信道增益，σ²表示高斯白噪声功率。

进一步，步骤S3中所述目标函数及限制条件表示为：

其中限制条件C1表示所有用户仅可以关联到一个基站上面，C2表示基站负载不能超过上限L_max，C3表示用户关联变量取值为非0即1的二进制变量。

本发明的有益效果在于：解决了用户关联这个多对一匹配问题无法用传统的KM算法解决的局限，提供了一种通过添加虚拟基站和用户从而构建一对一完美匹配的方法；与启发式用户关联方法相比，本发明能够获得全局的最优匹配，得到更高的系统吞吐量；本方法同样适用于其他通信系统用户关联场景。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述毫米波异构网络用户关联方法对应的系统模型图；

图2为本发明所述的毫米波异构网络用户关联方法流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1、图2所示，本发明提供一种毫米波异构网络用户关联方法，包含以下内容：

考虑由一个宏基站，若干微基站组成的两层密集毫米波异构网络中下行链路。所有基站和用户均服从泊松点分布。用K表示所有基站的集合K∈{1,2,3...n}，所有用户集合为U∈{1,2,3,...n}。所有传输均基于OFDMA，系统总的负载量能保证每一个用户能够且只允许接入一个基站。

本发明选取毫米波链路的路径损失函数为：

其中d₀为参考距离，f_c为载波频率，α_m为路损指数，ξ为阴影指数。

用户的信噪比为：

其中P_i,j表示第j个基站为第i个用户分配的功率，H_i,j表示子信道增益，σ²表示高斯白噪声功率，相应的系统吞吐量为：

根据上述模型分析，建立以下目标函数：

其中限制条件C1表示所有用户仅可以关联到一个基站上面，C2表示基站负载不能超过上限L_max，C3表示用户关联变量取值为非0即1的二进制变量。

对于这种多对一的用户关联问题，本发明将其构建为一个二部图匹配问题。首先构建一个二部图G＝(V_BS,V_UE,E)。V_BS,V_UE两个顶点集合分别代表基站和用户集合，边集E代表用户与基站的关联关系。我们用用户i与基站j的数率R_i,j代表e_i,j的边权值。其权值矩阵用W_i,j表示。然后将基站点集V_BS按其最大负载L_max进行拓展为V′_BS，将用户点集进行拓展到V′_UE使得|V′_BS|＝|V′_UE|，并将权值矩阵中虚拟用户所在位置全部置0。这样我们就将用户关联问题转化为标准的求取最优匹配问题，通过传统KM算法我们将得到一个系统最大吞吐量R，以及一个最优匹配集合E^*。边e_i,j∈E^*代表着对应的用户关联变量X_i,j＝1。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种毫米波异构网络用户关联方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：建立毫米波异构网络系统模型，采用一个LOS信道参考距离d_L，将毫米波链路中d＞d_L的链路近似等效于NLOS链路；

S2：根据信道模型建立异构网络用户的信噪比SNR，系统吞吐量R_sum；所述用户信噪比SINR_i,j和系统吞吐量R_sum表示为：

其中P_i,j表示第j个基站为第i个用户分配的功率，H_i,j表示子信道增益，σ²表示高斯白噪声功率；

S3：给出系统吞吐量优化目标函数

以及限制条件；所述目标函数及限制条件表示为：

其中限制条件C1表示所有用户仅能关联到一个基站上面，C2表示基站负载不能超过上限L_max，C3表示用户关联变量取值为非0即1的二进制变量；

S4：构建一个二部图G＝(V_BS,V_UE,E)，其中V_BS,V_UE两个顶点集合分别代表基站和用户集合，边集E代表用户与基站的关联关系；

S5：将基站点集V_BS按其最大负载重量L_max进行拓展为V′_BS，通过增加虚拟用户的做法将用户点集V_UE进行拓展到V′_UE使得|V′_BS|＝|V′_UE|；

S6：计算用户i与基站j的数率R_i,j代表e_i,j的边权值，构建吞吐量权值矩阵W_i,j；

S7：将吞吐量权值矩阵作为KM算法权值矩阵进行求解得到全局最优匹配。

2.根据权利要求1所述的毫米波异构网络用户关联方法，其特征在于：步骤S1中所述毫米波链路路径损失函数为：

其中，其中d₀为参考距离；f_c为载波频率；α_m为路损指数，表示为

ξ为阴影指数。

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