CN111615127B - 一种固定卫星服务系统与5g蜂窝网络共存时的协作调度方法 - Google Patents

一种固定卫星服务系统与5g蜂窝网络共存时的协作调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度方法，本发明5G移动通信网将为用户提供更高的数据速率，但是5G系统的大带宽所在的频段为毫米波频段，例如17～30GHz频段；这个频段目前被分配给地面固定卫星服务(FSS，Fixed satellite service)使用和蜂窝网络的回程线路。分析了移动服务和FSS共存情况下的毫米波情况下，研究一种基于博弈理论框架的协作调度算法，提出的方法满足FSS要求的干扰功率、同时具有较好的频谱效率。

Description

一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度方法
技术领域
本发明涉及5G蜂窝网络技术领域，尤其涉及一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度方法。
背景技术
目前，卫星通信与5G网络一体化进程的重要一步时毫米波的应用，毫米波的应用为大规模天线阵列和对抗路径损耗提供了可能。17～30GHz频段是未来无线网络的一个主要备选的频段，目前该频段有些子频段已经被分配给某些地面固定业务和卫星固定业务(FSS，Fixed satellite service)使用，如分配给FSS上行链路(从FSS地面站到卫星)的频段为27.5～30GHz、下行链路(从卫星到FSS地面站)的频段为17.3～21GHz。因此分析地面蜂窝系统和FSS共存时两者之间的相互影响尤为重要，因为共享的频段会严重影响卫星系统性能。
研究了不同参数影响下FSS与地面蜂窝系统共存情况下一种资源调度算法，基站(BS，Base station)兼顾频谱效率和FSS干扰和噪声功率，并采用该算法分配和调度频谱资源。算法包含三个步骤：首先最大化系统吞吐量，然后使FSS干扰最小化，最后两者联合迭代优化。仿真结果显示本算法能够在满足系统干扰功率的前提下获得较大的频谱效率。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括以下步骤：
第一步：最大速率，首先最大化用户UE的速率、考虑平均频谱效率，在第一个可用性函数中考虑到的因素包括：特定用户的接收功率、蜂窝间干扰；定义参与者i采用策略si的可用性函数为
Figure GDA0003682386770000021
其中j为基站i采用策略si时被调度的用户，pji为参与者i发射给用户j的信号功率；上式中右侧有三项：第一项为用户j接收信号的功率，第二次项为对j的蜂窝间的干扰，第三项为基站i发送给其覆盖范围内的第m(m≠j)用户的信号，同时产生的对用户j的干扰；
第二步：最小干涉，目的是最小化FSS的干扰功率；这一步的可用性函数定义为
Figure GDA0003682386770000022
其中，ξ(I/N)是一个描述BS产生的对FSS干扰的函数，它可以定义为
Figure GDA0003682386770000023
其中，Ib为基站BS对FSS的干扰，N为噪声功率；定义ξ(I/N)的目的是惩罚那些对FSS造成严重干扰的BS，而当FSS干扰功率低于门限要求时、为用户提供更加灵活的选择方案，有
Figure GDA0003682386770000024
其中，为了控制FSS的干扰功率，设定(I/N)0＝-10dB为一个固定门限值，
第三步：线性组合，联合考虑用户和FSS地面站的需求，将步骤一和二线性组合起来进行优化；定义可用性函数为
Figure GDA0003682386770000025
其中，β为一个调节系数。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度方法，与现有技术相比，本发明5G移动通信网将为用户提供更高的数据速率，但是5G系统的大带宽所在的频段为毫米波频段，例如17～30GHz频段；这个频段目前被分配给地面固定卫星服务(FSS，Fixed satellite service)使用和蜂窝网络的回程线路。分析了移动服务和FSS共存情况下的毫米波情况下，研究一种基于博弈理论框架的协作调度算法，提出的方法满足FSS要求的干扰功率、同时具有较好的频谱效率。
附图说明
图1是FSS和BS共存场景(三圈BS基站)；
图2是本发明的算法流程图；
图3是I/N随算法迭代次数变化图；
图4是I/N分布函数CDF变化图；
图5是用户UE的频谱效率CDF变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
系统场景如图1所示，其中FSS系统下行链路频率18GHz，蜂窝基站BS分布于FSS地面站四周，BS直接的距离为di、BS与地面站之间的保护距离为dgi。蜂窝用户(UE，Userequipment)随机分布于每一个BS覆盖区内，在每一个时隙基站选择一个用户进行通信服务。假定每个BS和UE包含有Nbs和Nue根天线。定义主要链路为FSS卫星到地面站之间的链路，次要链路为BS到蜂窝用户UE之间的链路，因此存在BS到FSS的干扰链路，见图1。
基站BS对FSS的干扰可以表示为
Ibs＝Pbs+Gbs+Gfss(θ)-L(d) (1)
其中，Pbs为BS发射功率、Gbs为BS天线增益、Gfss(θ)为θ方向上FSS天线增益，其中θ为FSS天线主瓣方向和BS天线主瓣方向之间的夹角、L(d)为FSS和BS之间的路径损耗。对于毫米波设定系统中包含M个三个体，Nbs×Nue信道响应矩阵H表示为
Figure GDA0003682386770000041
其中，αm为第m条路径的增益、
Figure GDA0003682386770000042
和
Figure GDA0003682386770000043
为均匀分布变量——表示第m条路径下个对于UE和BS的到达角和分离角。aue和abs代表UE和BS上的天线阵列，假定其为均匀线阵，有
Figure GDA0003682386770000044
Figure GDA0003682386770000045
其中，D为阵列天线中阵元之间的距离。BS天线增益可表示为
Gbs＝Gomni+Gbf (5)
其中，Gomni为全向天线增益(没有波束成型技术)、Gbf为波束成型天线增益(依赖波束构型)。假定BS能够根据预先设定的波束成型码书(码书基数为Nt和Nr)、选定合理波束构型，能够环绕z轴(本地主瓣方向)方向均匀覆盖整个小区。发射端和接收端的码书由权重向量{v1,...,vNt}和{w1,...,wNr}决定，码书大小为Nbs和Nue。每个向量中的元素可计算为vi＝a(ρi)和
Figure GDA0003682386770000046
其中，ρi和
Figure GDA0003682386770000047
为第i个发射端毫米波波束与z方向夹角、第j个接收端毫米波波束与z方向夹角。在本文的“多入-单出”场景中，FSS天线波束的最大增益为
Figure GDA0003682386770000048
其中vi为BS波束预编码向量、Hfss为BS和FSS之间的信道响应矩阵。设
Figure GDA0003682386770000049
为相对于FSS发射主瓣方向的、BS所在位置的方位角，则BS偏离FSS轴线的角度φ计算为
Figure GDA0003682386770000051
其中，α为FSS的俯仰角、
Figure GDA0003682386770000052
其中hbs和hfss为BS和FSS天线高度、r为有效地球半径8.5×103km。则
Figure GDA0003682386770000053
其中Gmax为FSS天线最大增益。FSS地面站允许的干扰功率一般由ITU(International telecommunication union)给定：①对于短时的干扰，要求是每个月FSS系统误码率(BER，Bit error rate)大于10-4的时间不超过0.03％、或者BER大于10-3的时间不超过0.005％；这些干扰如果利用普通噪声进行衡量，即I/N(Interference to noiseratio)一般为-2.4～0dB。②而对于长时干扰，要求BER＝10-6所对应的干扰值I所在时间段不能超过总时长的20％。
3.协作调度算法
本算法的目的是提升BS-FSS共存能力、在满足FSS系统要求的前提下降低dgi参数。算法主要思想是协调BS发射功率、降低FSS基站所受干扰，同时优化多个BS的平均频谱效率。BS之间的功率协调利用博弈论实现，将本文中的场景建模为一个潜在博弈问题，该问题的求解可以依赖纳什均衡实现。这个潜在博弈问题有一个特性，就是对于每一个参与者来说，任何单方面的可用性函数U(si,s-i)的改变，都对该潜在博弈的一次差分运算F(s)。本文场景首先建模为一个通用的博弈问题Γ＝{B,(Si)i∈B,(Ui)i∈B}，其中B为参与者的集合、参与者即为BS，其大小为基站BS的数量；Si＝{1,2,…,K}为参与者i的可做的决策集合；考虑到K个用户UE分布于参与者i所覆盖的范围内，参与者i所能采取的策略包括选择K个用户中的某一个用户。对于Γ中的参与者i来说，可用性函数Ui是参与者i所选策略si、以及其他参与者所选策略(记为s-i)的一个函数。
算法中我们假定每一次迭代过程随机选定一个参与者，迭代过程结束就达到一个稳定的调度状态。假定每个一BS了解整个网络参数设置情况、并用以优化可用性函数，各个信道的状态在算法运行过程中保持稳定。根据不同的可用性函数，我们设计了一个三步骤的混合方法：首先最大化用户速率、然后最小化FSS干扰、最后将两者线性组合，以达到前文所述的干扰功率和频谱效率联合优化目的。
第一步：MaxRate(Maximal rate)，首先最大化用户UE的速率、考虑平均频谱效率，在第一个可用性函数中考虑到的因素包括：特定用户的接收功率、蜂窝间干扰。定义参与者i采用策略si的可用性函数为
Figure GDA0003682386770000061
其中j为基站(参与者)i采用策略si时被调度的用户，pji为参与者i发射给用户j的信号功率。上式中右侧有三项：第一项为用户j接收信号的功率，第二次项为对j的蜂窝间(如蜂窝b，b≠i)的干扰，第三项为基站i发送给其覆盖范围内的第m(m≠j)用户的信号，同时产生的对用户j的干扰。
第二步：MinInt(Minimal interference)，目的是最小化FSS的干扰功率。这一步的可用性函数定义为
Figure GDA0003682386770000062
其中，ξ(I/N)是一个描述BS产生的对FSS干扰的函数，它可以定义为
Figure GDA0003682386770000063
其中，Ib的定义见公式(1)，N为噪声功率。定义ξ(I/N)的目的是惩罚那些对FSS造成严重干扰的BS，而当FSS干扰功率低于门限要求时、为用户提供更加灵活的选择方案，有
Figure GDA0003682386770000071
其中，为了控制FSS的干扰功率，设定(I/N)0＝-10dB为一个固定门限值，
第三步：LinComb(Linear combination)，联合考虑用户和FSS地面站的需求，将步骤一和二线性组合起来进行优化。定义可用性函数为
Figure GDA0003682386770000072
其中，β为一个调节系数。算法流程图如图2所示。
4.性能分析
仿真参数中设定下行链路带宽500MHz，BS分配的频谱资源在此范围之内。系统噪声温度T＝300K，单边噪声功率谱密度kbT＝-143.82dBW/MHz，其中kb为玻尔兹曼常数。我们假定FSS周围分布了三层的BS、如图1所示，每一个BS覆盖范围内有10个用户，两个BS之间间距di＝500m；其他参数见表1。
表1参数设置
参数 数值
载波频率 18GHz
下行链路带宽 500MHz
基站发射功率 30dBm
基站高度 20m
基站全向天线增益 6dBi
基站间距 500m
基站上天线间距 λ/2
基站波束码书基数 16
基站天线数量 16
FSS地面站天线主瓣增益 42.1dBi
FSS天线直径 2.4m
FSS天线高度 2m
仰角 10°
路径损耗模型 61.39+10*2.47log(d)
散射体数量 3
噪声温度 300K
每个基站的用户数 10
推荐(I/N)<sub>0</sub>功率电平 -10dB
图3表明随着迭代次数的增加，干扰功率I/N的变化情况。从图2总可以看出，如果仅仅考虑系统用户UE速率最大化，干扰功率I/N值将维持在比较高的水平(蓝色线)；而如果仅仅考虑用户UE对FSS基站的干扰最小化，干扰功率I/N值将维持在较低的水平(红色线)；而二者的线性组合优化将使干扰功率I/N值维持在适中的位置(黑色线)。同时，线性组合优化将使I/N值稳定在-10dB左右，符合表1中的推荐I/N功率电平值。
图4绘制了FSS基站侧干扰功率I/N分布函数(CDF，Cumulative DistributionFunction)，数值是1000次蒙特卡罗仿真平均后的结果。因为没有任何限制，第一步MaxRate将使得干扰功率快速超过限制功率电平；而第二步MinInt将使干扰电平维持低位；第三步LinComb使得在不超过的-10dB的限定干扰功率下，约56％的用户得以接入系统。
图5表明用户频谱效率ν的变化情况。如图4所示，算法第二步MinInt使得用户频率效率大幅度下降，而第三步LinComb使得UE频谱效率基本恢复到第一步MaxRate的水平。图2～4表明算法能够在用户频谱效率和FSS基站干扰功率之间做一个很好的折中，参数(I/N)0和β的设置将能够满足蜂窝网络和FSS系统的共存需求、减小保护距离dgi、增大毫米波网络的覆盖范围。
假定FSS地面站周围有Nt-bs圈蜂窝基站，每一个基站使用天线数量为Na_bs，有不同情形下的用户吞吐量的概率分布函数(CDF，Cumulative distributed function)。表2给出了Nt-bs＝4、di＝400m、dgi＝500m、α＝5°。比较了BS采用全向天线、以及Na_bs＝8、16和32的吞吐量情况。仿真中需要设定波束成型码书大小等于BS天线数量，仿真结果表明BS采用波束成形天线的性能优于采用全向天线，进一步BS天线数量的增加、意味着每个波束变得更窄，性能也更优。
表2 CDF随着BS天线数量和用户吞吐量变化
Figure GDA0003682386770000081
Figure GDA0003682386770000091
表3表明BS之间距离的增大、即每一圈BS半径的增大，这有利于抑制BS对FSS地面站的干扰。同时表4表明，保护距离的增大、即FSS地面站周围不受BS覆盖区域的增大，有利于对FSS地面站的干扰抑制。但当用户的吞吐量比较大时，CDF都趋近于1。表5表明，FSS地面站俯仰角越高，收到地面站辐射干扰越小。
表3 CDF随着蜂窝基站BS距离和用户吞吐量变化
Figure GDA0003682386770000092
表4 CDF随着保护距离和用户吞吐量变化
Figure GDA0003682386770000093
表5 CDF随着FSS仰角和用户吞吐量变化
Figure GDA0003682386770000094
5.结论
基于潜在博弈算法迭代运算，提出了一种兼顾蜂窝网络用户接入数量和频谱效率，以及与固定卫星服务兼容的协作调度算法。采用本算法，共用毫米波频段的蜂窝基站和FSS地面站可以共存，地面站受到的干扰功率能够稳定在限定值以下，并能获得较好的蜂窝UE频谱效率。仿真分析表明本算法下，保护距离增大和基站间距增大有利于减小对FSS地面站的干扰，而地面站波束成形天线数量的增加和地面站天线仰角的增大也有利于干扰的消除。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种固定卫星服务系统与5G蜂窝网络共存时的协作调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：最大速率，首先最大化用户UE的速率、考虑平均频谱效率，在第一个可用性函数中考虑到的因素包括：特定用户的接收功率、蜂窝间干扰；定义参与者i采用策略si的可用性函数为
Figure FDA0003696378070000011
其中j为基站i采用策略si时被调度的用户，pji为参与者i发射给用户j的信号功率；上式中右侧有三项：第一项为用户j接收信号的功率，第二次项为对j的蜂窝间的干扰，第三项为基站i发送给其覆盖范围内的第m(m≠j)用户的信号，同时产生的对用户j的干扰；
第二步：最小干涉，目的是最小化FSS的干扰功率；这一步的可用性函数定义为
Figure FDA0003696378070000012
其中，ξ(I/N)是一个描述BS产生的对FSS干扰的函数，它可以定义为
Figure FDA0003696378070000013
其中，Ib为基站BS对FSS的干扰，N为噪声功率；定义ξ(I/N)的目的是惩罚那些对FSS造成严重干扰的BS，而当FSS干扰功率低于门限要求时、为用户提供更加灵活的选择方案，有
Figure FDA0003696378070000014
其中，为了控制FSS的干扰功率，设定(I/N)0＝-10dB为一个固定门限值，
第三步：线性组合，联合考虑用户和FSS地面站的需求，将步骤一和二线性组合起来进行优化；定义可用性函数为
Figure FDA0003696378070000021
其中，β为一个调节系数，计算可用性函数Ui是否稳定，若否，则调节β后继续计算可用性函数Ui的稳定性，若是，则结束。
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