CN111726813A - 一种空中微基站无线回传方法及无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信网络技术领域，公开了一种空中微基站无线回传方法及无线通信系统。空中微基站作为应急或者扩容基站为局部区域提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式；空中微基站的无线回传链路与接入链路使用相同的频谱资源；空中微基站采用全双工通信方式，同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号。所述空中微基站无线回传系统包括：移动通信服务模块；通信资源管理模块；全双工通信模块。本发明拟利用空中微基站的临近地面微基站来传输无线回传信号，利用空中微基站与地面微基站之间相对较短的空间距离，减少路径损耗，从而提高传输效率，减轻对其它微基站的干扰。本发明避免了空中微基站通过宏基站无线回传所存在的传输效率低，干扰重等缺陷。

Description

一种空中微基站无线回传方法及无线通信系统

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种空中微基站无线回传方法及无线通信系统。

背景技术

目前，随着移动通信技术的不断发展，移动通信网络趋于密集化，通信基站不断小型化，微基站部署成为研究热点。然而，电力中断、自然灾害等特殊条件可能导致微基站突发故障，使故障微基站原来服务用户的通信质量快速下降。为恢复故障区域的移动通信服务，移动通信运营商一般会派出应急通信车恢复故障区域的移动通信服务。然而，这种方式时效性差，部署位置易受场地制约。鉴于此，部分科研人员研究使用无人机作为微基站的载体，即空中微基站(Aerial small cell base station)，来快速恢复故障区域的移动通信服务。

由于空中微基站的高空移动特性，其回传方式一直以来都是制约空中微基站性能的主要瓶颈。借鉴于系留无人机的思想，即将有线回传链路与供电线路结合，空中微基站的回传信号通过有线线路传输到地面控制台。然而，这种系留式的有线回传方式会严重制约空中微基站的活动范围，降低空中微基站的灵活性。因此，空中微基站的回传方式宜采用无线传输的形式。如果为空中微基站的无线回传提供专属的频谱资源，尽管能够规避与其它传输链路之间的干扰，但是会降低频谱资源的利用率，这在频谱资源及其稀缺的当下显然不是最可取的方法。因此，空中微基站的无线回传与接入链路使用相同的频谱资源，构成所谓的接入与回传一体化网络，是解决空中微基站无线回传方法的主要途径。

目前，空中微基站的无线回传主要是通过宏基站来实现，即宏基站向空中微基站传输无线回传信号。这种无线回传方法存在三个主要的缺陷：

(1)空中微基站的无线回传传输需要占用宏小区的通信资源，将会剥夺部分宏小区用户(宏用户)的传输机会，从而降低宏用户的性能。尤其，当网络中空中微基站数目较大时，宏小区网络性能下降更加严重。

(2)随着宏基站到空中微基站之间空间距离的增加，无线回传链路传输的路径损耗也会随之增加。那么，宏基站需要为无线回传链路分配更高的功率以保证空中微基站无线回传链路的传输速率，这将导致网络能效下降。

(3)当无线回传链路与其它微基站的接入链路使用相同的频谱资源，宏基站的无线回传传输会加重对其它基站接入链路的干扰，而且该干扰会随着宏基站与空中微基站之间的空间距离增加而加剧。

解决以上问题及缺陷的难度和意义为：

使用本发明的无线回传方法，能够为空中微基站的无线回传提供全新的解决方法，首先，该方案通过缩短无线回传节点(空中微基站临近的地面微基站) 与空中微基站之间的空间距离，大幅度较小传输路径损耗，能够提高无线回传链路的能效。其次，回传节点与空中微基站之间较小的空间距离能够大幅度的降低无线回传链路对其他微小区干扰的概率。回传节点较小的发射功率也能在很大程度上降低对其他微小区的干扰。再次，地面微基站联合传输无线回传信号能够有效保证空中微基站无线回传信号的传输速率，从而保证其性能。综上，本发明能够有效解决空中微基站的无线回传问题，为空中微基站的部署提供必要的技术支撑。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种空中微基站无线回传方法及无线通信系统。

本发明是这样实现的，一种空中微基站无线回传方法，所述空中微基站无线回传方法包括：

第一步，空中微基站作为应急或者扩容基站为局部区域提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式；

第二步，中微基站的无线回传链路与接入链路使用相同的频谱资源；

第三步，空中微基站采用全双工通信方式，同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号。

进一步，所述空中微基站无线回传方法计算空中微基站接入链路的传输速率R_a：

按照优先级顺序，计算每个地面微基站作为回传节点时无线回传链路的速率R_b,j：

进一步，所述R_a表示接入链路的传输速率，首先求出接入链路的传输速率：

其中P_i||h_iw_i||²表示接收信号强度，P_i，h_i和w_i分别表示空中微基站下行传输功率，接入链路的信道和预编码向量，

表示地面微基站接入链路对空中微基站接入链路的干扰，δ²表示热噪声；

同理，求出空中微基站通过地面微基站j无线回传链路的信干噪比为：

其中P_j,i||h_b,j,iw_j,i||²表示无线回传信号强度，P_j,i，h_b,j,i和w_j,i分别表示无线回传节点的发射功率，无线回传链路信道和无线回传节点的预编码向量；

表示地面微基站接入链路对无线回传链路的干扰，I_IS表示空中微基站的自干扰，δ²表示噪声。

进一步，所述空中微基站无线回传方法计算每个地面微基站为作为回传节点时，空中微基站的实际传输速率R_A：

R_A＝max(R_b,j,R_a)；

步骤四：根据搜索算法，选择满足算法要求的地面微基站作为无线回传节点：

b^*表示选取的用于无线回传的地面微基站，Β表示地面微基站集合，R_A表示空中微基站的传输速率，R_A＝max(R_b,j,R_a)，其中R_b,j表示空中微基站通过地面微基站j无线回传链路的传输速率，R_a表示空中微基站接入链路的传输速率， U(·)表示空中微基站的网络效用函数。

进一步，所述空中微基站无线回传方法空中微基站通过选取的临近地面微基站b^*向其传输回传信号，传输速率为：

本发明的另一目的在于提供一种实施所述空中微基站无线回传方法的空中微基站无线回传系统，所述空中微基站无线回传系统包括：

移动通信服务模块，用于实现空中微基站作为应急或者扩容基站为局部区域提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式；

通信资源管理模块，用于实现空中微基站无线回传链路与接入链路的可用通信资源管理；

全双工通信模块，用于采用全双工通信方式，可同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述空中微基站无线回传系统的空中微基站用户补偿网络，所述空中微基站用户补偿网络由若干地面固定微基站和一个空中微基站共同组成，空中微基站用户补偿网络中故障的微基站或者为网络扩容，地面微基站通过光纤等有线媒介传输回传信息，传输容量远大于地面微基站的数据传输速率。

本发明的另一目的在于提供一种无线通信系统，所述无线通信系统搭载所述空中微基站无线回传系统。

本发明的另一目的在于提供一种空中微基站，所述空中微基站搭载所述空中微基站无线回传系统。

本发明的另一目的在于提供一种移动通信终端，所述移动通信终端搭载所述空中微基站无线回传系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：为避免空中微基站通过宏基站回传的缺陷，本发明拟利用空中微基站的临近地面微基站来传输无线回传信号，利用空中微基站与地面微基站之间相对较短的空间距离，减少路径损耗，从而提高传输效率，减轻对其它微基站的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的空中微基站无线回传方法流程图。

图2是本发明实施例提供的空中微基站无线回传系统的结构示意图；

图中：1、移动通信服务模块；2、通信资源管理模块；3、全双工通信模块。

图3是本发明实施例提供的网络模型及应用场景示意图。

图4是本发明实施例提供空中微基站无线回传系统在三维空间中回传链路的选择实例图。

图5是本发明实施例提供的空中微基站无线回传方法的能效对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种空中微基站无线回传方法及无线通信系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的空中微基站无线回传方法包括以下步骤：

S101：空中微基站作为应急或者扩容基站为局部区域提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式。

S102：空中微基站的无线回传链路与接入链路使用相同的频谱资源。

S103：空中微基站采用全双工通信方式，可同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号。

本发明提供的空中微基站无线回传方法具体包括以下步骤：

步骤一：计算空中微基站接入链路的传输速率R_a：

步骤二：按照一定优先级顺序，计算每个地面微基站作为回传节点时无线回传链路的速率R_b,j：

步骤三：计算每个地面微基站为作为回传节点时，空中微基站的实际传输速率R_A：

R_A＝max(R_b,j,R_a)。

步骤四：根据搜索算法，选择满足算法要求的地面微基站作为无线回传节点：

b^*即为选取的用于无线回传的地面微基站。

步骤五：空中微基站通过选取的临近地面微基站b^*向其传输回传信号，传输速率为：

如图2所示，本发明提供的空中微基站无线回传系统包括：

移动通信服务模块1，用于实现空中微基站作为应急或者扩容基站为局部区域提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式。

通信资源管理模块2，通信资源管理模块，用于实现空中微基站无线回传链路与接入链路的可用通信资源管理。

全双工通信模块3，用于采用全双工通信方式，可同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，网络由若干地面固定微基站和一个空中微基站共同组成，空中微基站用户补偿网络中故障的微基站或者为网络扩容。地面微基站通过光纤等有线媒介传输回传信息，其传输容量远大于地面微基站的数据传输速率。

空中微基站从邻近的地面微基站中按照一定的选择算法，选取其中之一作为无线回传节点，即通过选择的地面微基站向空中微基站传输无线回传信号。

选择算法定义为：

其中b^*表示选取的用于无线回传的地面微基站，B表示地面微基站集合，R_A表示空中微基站的传输速率。R_A＝max(R_b,j,R_a)，其中R_b,j表示空中微基站通过地面微基站j无线回传链路的传输速率，R_a表示空中微基站接入链路的传输速率。 U(·)表示空中微基站的网络效用函数，例如当U(R_A)＝R_A表示空中微基站传输速率最大化。

R_a和R_b,j的计算方法

R_a表示接入链路的传输速率，需要首先求出接入链路的传输速率：

其中P_i||h_iw_i||²表示接收信号强度，P_i，h_i和w_i分别表示空中微基站下行传输功率，接入链路的信道和预编码向量。

表示地面微基站接入链路对空中微基站接入链路的干扰，δ²表示噪声。

同理，可求出空中微基站通过地面微基站j无线回传链路的信干噪比为：

其中P_j,i||h_j,iw_j,i||²表示无线回传信号强度，P_j,i，h_j,i和w_j,i分别表示无线回传节点的发射功率，无线回传链路信道和无线回传节点的预编码向量。

表示地面微基站揭露链路对无线回传链路的干扰，I_IS表示空中微基站的自干扰，δ²表示噪声。

最终，通过搜索算法即可求出作为无线回传的地面微基站b^*。

下面，我们通过仿真来说明本发明的可行性和有效性。以图3作为仿真的网络原型，假设网络由5个微基站组成，其中包含4个地面微基站和1个空中微基站，空中微基站用来替换故障地面微基站。微基站位置服从泊松点过程，每个微基站在每个调度周期服务一个用户，每个用户仅关联一个微基站。地面微基站包含4个发射天线，发射功率为20dBm，空中微基站包含4个发射天线和1个接收天线，发射天线的发射功率为20dBm。微小区的覆盖半径为40m，网络的工作频率为2.6GHz，传输带宽为5MHz，调度周期为10ms，白噪声功率为-174dBm/Hz。地面微基站的信道依据3GPP的传输模型建模，空中微基站的传输模型使用目前主流的视距与非视距混合传输模型。

图4所示在三维空间中，空中微基站无线回传链路的选择实例，其中三角形表示地面微基站的位置，正方形表示空中微基站的位置，三角形与正方形之间的连线表示空中微基站无线回传路径，即空中微基站通过连线起始端的地面微基站传输无线回传信号。

图5所示为空中微基站通过宏基站回传方法和本发明设计的通过微基站回传方法的能效对比，其中空中微基站与宏小区的距离从50m增加到500m。由图可见，当空中微基站与宏基站之间的距离较小时(50m至240m)，使用宏基站回传的能效更高，这是由于此时无线回传链路的路径损耗较小，宏基站的传输功率较大。当空中微基站与宏基站之间的距离大于240m时，传统的通过宏基站无线回传方法的路径损耗快速增加，其能效也快速下降。此时，本发明所设计的方法的能效明显优于传统方法，而且本发明的无线回传方法的能效变化与空中微基站和宏基站之间的距离变化无关。在实际微小区的部署中，越远离宏基站的区域将会被部署更多的微基站，因此，本发明更适合于实际的网络环境。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空中微基站无线回传方法，其特征在于，所述空中微基站无线回传方法包括：

第一步，空中微基站作为应急或者扩容基站为局部区域提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式；

第二步，空中微基站的无线回传链路与接入链路使用相同的频谱资源；

第三步，空中微基站采用全双工通信方式，同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号。

2.如权利要求1所述的空中微基站无线回传方法，其特征在于，所述空中微基站无线回传方法计算空中微基站接入链路的传输速率R_a：

按照优先级顺序，计算每个地面微基站作为回传节点时无线回传链路的传输速率R_b,j：

3.如权利要求2所述的空中微基站无线回传方法，其特征在于，所述R_a表示接入链路的传输速率，首先求出接入链路的传输速率：

其中P_i||h_iw_i||²表示接收信号强度，P_i，h_i和w_i分别表示空中微基站下行传输功率，接入链路的信道和预编码向量，

表示地面微基站接入链路对空中微基站接入链路的干扰，δ²表示热噪声；

同理，求出空中微基站通过地面微基站j无线回传链路的信干噪比为：

其中P_j,i||h_j,iw_j,i||²表示无线回传信号强度，P_j,i，h_j,i和w_j,i分别表示无线回传节点的发射功率，无线回传链路信道和无线回传节点的预编码向量；

表示地面微基站揭露链路对无线回传链路的干扰，I_IS表示空中微基站的自干扰，δ²表示热噪声。

4.如权利要求1所述的空中微基站无线回传方法，其特征在于，所述空中微基站无线回传方法计算每个地面微基站为作为回传节点时，空中微基站的实际传输速率R_A：

R_A＝max(R_b,j,R_a)；

步骤四：根据搜索算法，选择满足算法要求的地面微基站作为无线回传节点：

b^*表示选取的用于无线回传的地面微基站，Β表示地面微基站集合，R_A表示空中微基站的传输速率，R_A＝max(R_b,j,R_a)，其中R_b,j表示空中微基站通过地面微基站j无线回传链路的传输速率，R_a表示空中微基站接入链路的传输速率，U(·)表示空中微基站的网络效用函数。

5.如权利要求1所述的空中微基站无线回传方法，其特征在于，所述空中微基站无线回传方法空中微基站通过选取的临近地面微基站b^*向其传输回传信号，传输速率为：

6.一种实施权利要求1～5任意一项所述空中微基站无线回传方法的空中微基站无线回传系统，其特征在于，所述空中微基站无线回传系统包括：

移动通信服务模块，用于实现空中微基站作为应急或者扩容基站为局部区域提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式；

通信资源管理模块，用于实现空中微基站无线回传链路与接入链路的可用通信资源管理；

全双工通信模块，用于采用全双工通信方式，可同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号。

7.一种搭载权利要求6所述空中微基站无线回传系统的空中微基站用户补偿网络，其特征在于，所述空中微基站用户补偿网络由若干地面固定微基站和一个空中微基站共同组成，空中微基站用户补偿网络中故障的微基站或者为网络扩容，地面微基站通过光纤等有线媒介传输回传信息，传输容量远大于地面微基站的数据传输速率。

8.一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统搭载权利要求6所述空中微基站无线回传系统。

9.一种空中微基站，其特征在于，所述空中微基站搭载权利要求6所述空中微基站无线回传系统。

10.一种移动通信终端，其特征在于，所述移动通信终端搭载权利要求6所述空中微基站无线回传系统。

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