CN111770502A - 一种毫米波两跳蜂窝网络性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于毫米波通信技术领域，具体涉及一种毫米波两跳蜂窝网络性能评估方法。本发明的技术方案，是在现有的基于泊松点过程以及由易阻塞面积计算覆盖率的思路的基础上，增加了两跳链路之间的夹角作为新的系统变量，基于夹角的不同取值修正了4种情况下第二跳链路的易阻塞面积，得到了优化后的系统覆盖率估值，并且表现出了与实际仿真结果更为贴近覆盖率曲线，证明了本发明的优越性。

Description

一种毫米波两跳蜂窝网络性能评估方法

技术领域

本发明属于毫米波通信技术领域，具体涉及一种以覆盖率为指标，对含D2D中继辅助的毫米波两跳蜂窝网络性能进行评估的方法。

背景技术

含D2D中继辅助的毫米波蜂窝网络传输如图1所示。图中为毫米波D2D中继辅助网络中一个蜂窝小区内，一个基站、多个中继和多个用户的传输情况。毫米波频段有传输损耗严重和信号穿透能力弱这两个问题，在毫米波无线网络中，中继技术不仅可以有效的增加传输距离，而且可以通过多跳传输绕开障碍物的遮挡，是解决上述问题的重要手段。终端直通D2D 技术的发展，也为毫米波网络提供了更多潜在的中继和传输路径。怎样在毫米波背景下部署和建模网络，考虑基站缓存，选择最佳站点密度、有限存储容量等是一个重要的课题，毫米波网络的建模、性能分析也显得尤其重要。

近年来，一种随机几何的分析方法出现，通过将基站、用户和阻塞均建模成相互独立的服从泊松分布的点过程，也就是均服从PPP分布，由此，对复杂的蜂窝网络的性能研究变得可行。在确定了研究方法和系统模型的基础上，目前已有的大多是对毫米波与微波混合的网络传输的覆盖率的研究。实际上，微波网络的覆盖率比毫米波有明显的优势，但是由于频谱资源的紧缺，毫米波传输是未来通信的重点。由此，现在的研究结合两者的优劣势，将两者结合起来研究总体覆盖率，但未来对单纯的毫米波网络的覆盖率研究也是必不可少的。

在现有技术中，在讨论了毫米波D2D中继辅助网络的覆盖率问题时，为了简化分析，忽略了两跳链路相互之间的影响。实际上，由于基站、用户和阻塞都处于同一网络系统中，那么存在两跳链路被同一阻塞遮挡的情况。由于忽略了该影响，导致最后的分析结果与实际的覆盖率情况产生差异，这是研究毫米波中继网络覆盖率的难点问题。

发明内容

本发明的目的是，针对上述问题，提出一种修正易阻塞面积以得到修正后的网络覆盖率的方法，并且基于覆盖率对该毫米波网络进行性能评估。

本发明的技术方案为：一种毫米波两跳蜂窝网络性能评估方法，所述毫米波两跳蜂窝网络包括基站、中继用户和目的用户，其中中继用户用于信号发送与接收，基站发送信号，目的用户接收信号；具体包括以下步骤：

S1、获得基站到中继用户的链路覆盖率：

其中τ为作为覆盖率公式自变量的信干噪比阈值，

表示基站到中继用户的距离的 pdf函数：

其中d₁代表基站到中继用户的距离，λ_b为基站密度，c₁,β₁均为参数，表达式为：

β₁＝2λ₀₁E[R₁ ²]。其中R₁为阻塞半径,E[.]表期望，λ₀₁为该链路中阻塞密度。

根据d₁的取值有四种情况：

情况一：d₁<D₁(d₁,τ)

情况二：D₁(d₁,τ)<d₁<D₃(d₁,τ)

情况三：D₃(d₁,τ)<d₁<D₂(d₁,τ)

情况四：d₁>D₂(d₁,τ)(d₁<D₄(d₁,τ)永远成立)

类似地，

根据d₁的取值有四种情况：

情况一：d₁<D₁(d₁,τ)

情况二：D₁(d₁,τ)<d₁<D₃(d₁,τ)

情况三：D₃(d₁,τ)<d₁<D₂(d₁,τ)

情况四：d₁>D₂(d₁,τ)(d₁<D₄(d₁,τ)永远成立)

其中，

分别代表基站和用户的半波长波束宽度，c₁和β₁如前文所述，此外，D_i,i＝1,2,3,4为d₁和τ的函数，分别为：

其中基站的主瓣增益和旁瓣增益分别为

和

中继用户的主瓣增益和旁瓣增益分别为

和

σ²为包含了发射功率的噪声功率。A,α都是毫米波路径损耗模型中的参数。标准毫米波的路径损耗模型如下

PL＝A₁ log₁₀(d)+A₂+A₃ log₁₀(f_c)+X(dB)

其中d表示发射端到接收端的距离，f_c代表载波频率,A₁包含了路径损耗指数，A₂表示截距，A₃描述了路径损耗的频率依赖性，X是环境因素的参数，则有

S2、获得中继用户与目的用户所建立的D2D链路的覆盖率：

其中d₂代表中继-目的用户链路的距离，λ_r代表中继密度，x为一积分变量，无实际意义。此外，S(.)为一函数，表达式(以d₂为自变量为例)为

其中r_max,r_min表示阻塞半径的上下界，r代表阻塞半径，

表示蜂窝链路中服务基站到中继用户距离的概率密度函数，λ₀代表阻塞密度，θ代表基站-中继链路和中继-目的用户链路的夹角，如图2所示。其中S(d₁,d₂,θ,r)根据θ的取值分为四种情况。

情况一：

情况二：

情况三：

情况四：

S3、分别以两条链路的覆盖率作为性能指标，对该毫米波网络进行理论上的性能评估，根据评估结果调整参数或者修改方案，提升系统性能期望。

本发明的有益效果是：

(1)本发明对两跳毫米波蜂窝网络进行了基于泊松点过程的建模，将平面内基站，中继用户，目的用户，阻塞的数量，以及阻塞的半径建模为泊松过程，使得覆盖率问题可以基于随机过程的理论求解

(2)本发明将两跳毫米波蜂窝网络中，基站-中继链路和中继-目的用户链路的夹角作为影响覆盖率的要素考虑，优化了第二跳链路的覆盖率计算过程中的易阻塞面积公式，得到了更为贴近仿真数据的覆盖率曲线，且优化效果明显。

(3)本发明适合在架设毫米波中继网络之前，针对不同的环境条件，如阻塞密度，基站密度等，进行评估。得到的理论覆盖率可以用于判断如基站选址是否满足要求等问题，可在实际网络设计中优化性能。

附图说明

图1为含D2D中继辅助的毫米波蜂窝网络传输示意图；

图2为考虑阻塞共享情况下的系统模型图；

图3为蜂窝链路中理论覆盖率曲线与实际覆盖率曲线对比；

图4为D2D链路中理论覆盖率曲线和实际覆盖率曲线对比；

具体实施方式

设置障碍物半径R均匀地分布在[r_min,r_max]上，对于UMa场景，考虑一个障碍物覆盖密度ξ＝0.2，根据λ₀＝ξ/π[E(R²)]的关系式，可以得到关于阻塞的密度值。同样的，设定小区内中继用户的平均个数为每个小区10个，由此，根据系统内基站的密度就可以得到中继用户的密度，为λ_r＝10λ_b，值得注意的是，基站和中继用户的密度关系在所有的仿真中保持不变。但是，在考虑干扰的情况下D2D链路中的干扰的密度被设定为与基站密度相关，本文将相关参数设定为1，即D2D链路中的干扰密度等于基站的密度值λ_b，在本仿真中λ_b＝4.62×10^-6。本仿真中毫米波网络的发射端和接收端配备统一的平面天线阵列。基站端采用8×8的天线阵列，中继用户和目的用户都采用2×2天线阵列用于发射和接收。参数设定之后，接下来进行具体的仿真结果分析。

表1为仿真参数设计

图3为基于泊松点过程对蜂窝链路覆盖率曲线和实际覆盖率曲线的对比，可以看到，两条曲线十分吻合，差距极小，证明了本发明中，这种建模方法的可行性。图4为D2D链路中理论覆盖率曲线和实际覆盖率曲线对比，可以看到，本发明中使用的方法相比旧的方法，添加了两跳链路之间的夹角作为新的考量要素，大幅度地提升了理论曲线与实际仿真曲线的吻合程度，并在信干噪比阈值取5dB左右的时候，理论值与实际值几乎完全一致，这些都体现了本发明的实用性和优越性。

Claims (1)

1.一种毫米波两跳蜂窝网络性能评估方法，所述毫米波两跳蜂窝网络包括基站、中继用户和目的用户，其中中继用户用于信号发送与接收，基站发送信号，目的用户接收信号；其特征在于，所述性能评估方法包括以下步骤：

S1、获得基站到中继用户的链路覆盖率：

其中τ为覆盖率公式自变量的信干噪比阈值，

表示基站到中继用户距离的pdf函数：

其中d₁代表基站到中继用户的距离，λ_b为基站密度，c₁,β₁均为参数，表达式为：

β₁＝2λ₀₁E[R₁ ²]，R₁为蜂窝链路中阻塞半径，E[.]表期望，λ₀₁为蜂窝链路中阻塞密度；定义D_i,i＝1,2,3,4为d₁和τ的函数：

其中基站的主瓣增益和旁瓣增益分别为

和

中继用户的主瓣增益和旁瓣增益分别为

和

σ²为包含了发射功率的噪声功率，A,α为毫米波路径损耗模型中的参数，标准毫米波的路径损耗模型如下

PL＝A₁log₁₀(d)+A₂+A₃log₁₀(f_c)+X(dB)

其中d表示发射端到接收端的距离，f_c代表载波频率,A₁包含了路径损耗指数，A₂表示截距，A₃描述了路径损耗的频率依赖性，X是环境因素的参数，有

根据d₁的取值有四种情况：

情况一：d₁<D₁(d₁,τ)

情况二：D₁(d₁,τ)<d₁<D₃(d₁,τ)

情况三：D₃(d₁,τ)<d₁<D₂(d₁,τ)

情况四：d₁>D₂(d₁,τ)(d₁<D₄(d₁,τ)永远成立)

根据d₁的取值有四种情况：

情况一：d₁<D₁(d₁,τ)

情况二：D₁(d₁,τ)<d₁<D₃(d₁,τ)

情况三：D₃(d₁,τ)<d₁<D₂(d₁,τ)

情况四：d₁>D₂(d₁,τ)(d₁<D₄(d₁,τ)永远成立)

其中，

分别代表基站和用户的半波长波束宽度；

S2、获得中继用户与目的用户所建立的D2D链路的覆盖率：

其中d₂代表中继到目的用户链路的距离，λ_r代表中继密度，x为积分变量；S(.)函数的表达式为

其中r_max,r_min表示阻塞半径的上下界，r代表阻塞半径，f_d1(d₁)表示蜂窝链路中服务基站到中继用户距离的概率密度函数，λ₀代表阻塞密度，θ代表基站-中继链路和中继-目的用户链路的夹角，其中S(d₁,d₂,θ,r)根据θ的取值分为四种情况：

情况一：

情况二：

情况三：

情况四：

S3、分别以两条链路的覆盖率作为性能指标，获得毫米波两跳蜂窝网络的性能评估结果。

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