CN111770550B - 毫米波网络中中继无序探测次数的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于毫米波通信技术领域，具体涉及一种含D2D中继辅助的毫米波两跳蜂窝网络的中继无序探测次数的优化方法。本发明的技术方案，是在现有的基于将基站与用户建模为泊松点过程的思路的基础上，将链路容量的期望表示为无序探测次数的函数，并且利用该函数的凸性，用简单的条件判决来寻找无序探测次数的全局最优值，且具有较高的准确性和实用性。

Description

毫米波网络中中继无序探测次数的优化方法

技术领域

本发明属于毫米波通信技术领域，具体涉及一种含D2D中继辅助的毫米波两跳蜂窝网络的中继无序探测次数的优化方法。

背景技术

含D2D中继辅助的毫米波两跳蜂窝网络传输如图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。同时，许多不同的中继技术被陆续提出和研究，其中包括了模拟中继，放大前传，压缩前传，解码前传，解调前传等。为了更高效的利用中继传输信息，必须发现潜在的中继节点并且估计链路的信道质量，然后在某种准则下，选择最好的中继节点进行传输。所以，毫米波中继传输实际上需要解决的问题有两个：中继探测问题和中继选择问题。

毫米波无线网络中继探测就是，探测一个特定的无线网络节点周围相近且处于传输范围内的所有的无线网络节点也称为邻居节点，它们均有成为中继的可能。发现这些邻居节点是建立中继链路的前提。毫米波无线网络的中继探测物理过程包含三个部分，包括中继发现、波束对准和信道测量，三个步骤完成的同时，且满足测量到的D2D两跳链路中各跳链路的信干噪比高于某限定门限值时，那么探测成功，否则探测失败。

中继探测部分完成后，就是进行中继选择，从系统中的多个中继中选择最符合传输的中继。不考虑系统开销的情况下，选择多个中继能够提供更高的分集增益，但实际上，这样的选择方式往往会需要更多的信令开销，因此不一定是最好的方案。目前，中继选择和其它问题联合研究也取得了一些进展，包括功率控制问题，信道分配问题，多天线技术，也有关于如何利用D2D毫米波中继选择算法来提升系统的吞吐量性能的研究。但是，目前还没有将中继探测产生的开销和中继选择结合起来，探究毫米波中继网络的容量的相关研究。

发明内容

本发明的目的是，针对上述问题，提出一种在无序探测的情况下根据探测点数计算蜂窝链路和D2D链路容量期望的表达式，并且根据表达式寻找最优探测点数的方法。

本发明的技术方案为：一种含D2D中继辅助的毫米波两跳蜂窝网络中，据探测点数计算蜂窝链路或者D2D链路容量期望的表达式，并且根据表达式寻找最优探测点数的方法，所述毫米波通信系统包括基站、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、将蜂窝链路可选的无序探测次数排序，从中选出最小的值n，其中无序探测表示由多个发射端广播，接收端探测并选择其中一个发射端进行通信的时候，不对发射端与接收端的距离由近到远排序，而是随机挑选的过程，根据接收端硬件与算法的区别，探测的次数可能不为连续的整数，因而将接收端允许的无序探测次数称为可选的无序探测次数。

S2、获得无序探测毫米波蜂窝链路容量的期望：

其中T代表总的时间开销，T_S代表探测一个发射端所消耗的时间，SINR_n代表探测n个参考发射端后，停止探测，此时已探测的所有链路中最佳的信干噪比。积分式中的t代表信干噪比的阈值，P(SINR_n>t)即覆盖率，可以写成：

τ代表信干噪比的阈值，积分式中d₀代表发射端和接收端的距离，

描述了探测次数为n时，d₀的pdf函数。

在蜂窝链路中，d₀的pdf函数表达式为：

其中d₀代表基站到中继用户的距离，λ_b为基站密度，n₁为蜂窝链路探测次数,N₁表示蜂窝链路中发射端的总个数，c₁,β₁均为参数，表达式为：

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

P(τ,d₀)代表信干噪比阈值为τ，发射端和接收端距离为d₀情况下的链路覆盖率，在蜂窝链路中，表达式为：

其中

分别为基站和中继用户的半波长波束宽度。此外，D_{i_1},i＝1,2,3,4为d₀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

s²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+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，则有

S3、重复第二步，从小到大依次对不同的无序探测次数n获得容量期望，一旦出现较大的无序探测次数n₁₂得到的容量期望小于较小的无序探测次数n₁₁时，停止运算，并将n₁₁作为该蜂窝链路的最优无序探测次数。

S4、将D2D链路可选的无序探测次数排序，从中选出最小的值n，其中无序探测表示由多个发射端广播，接收端探测并选择其中一个发射端进行通信的时候，不对发射端与接收端的距离由近到远排序，而是随机挑选的过程，根据接收端硬件与算法的区别，探测的次数可能不为连续的整数，因而将接收端允许的无序探测次数称为可选的无序探测次数。

S5、获得无序探测毫米波D2D链路容量的期望：

其中

在D2D链路中

其中λ_r为中继密度，n₂为D2D链路无序探测次数,N₂表示D2D链路中发射端的总个数，c₂,β₂均为参数，表达式为

β₂＝2λ₀₂E[R₂ ²]，R₂为该链路中阻塞半径，E[.]表期望，λ₀₂为D2D链路中阻塞密度。

在D2D链路中，P_e(τ,d₀)的表达式为：

D_{i_2},i＝1,2,3,4为d₀和τ的函数，分别为：

S6、重复步骤S5，从小到大依次对不同的无序探测次数n获得容量期望，一旦出现较大的无序探测次数n₂₂得到的容量期望小于较小的无序探测次数n₂₁时，停止运算，并将n₂₁作为该D2D链路的最优无序探测次数。

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，使得由无序探测次数求知容量期望的问题可以基于随机过程的理论求解

(2)本发明对毫米波网络中的蜂窝链路和D2D链路均进行了容量估计，且迭代终止条件简单，迭代过程中容量期望曲线稳定，得到的最优无序探测次数可靠。

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为蜂窝链路中，容量期望随无序探测次数变化的曲线；

图3为D2D链路中，容量期望随无序探测次数变化的曲线；

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例对本发明进行说明。

仿真示例：仿真参数如表1所示：

表1仿真参数

参数	参数值
		每个小区的中继用户个数	10
阻塞半径[r<sub>min</sub>,r<sub>max</sub>]	[20,30]
		阻塞高度[h<sub>min</sub>,h<sub>max</sub>]	[5,25]
阻塞密度相关参数ξ	0.2
		阻塞细化参数(蜂窝链路)η<sub>c</sub>	0.5875
阻塞细化参数(D2D链路)η<sub>d</sub>	1
		噪声功率(dBm/Hz)	-174
BS发射功率(dBm)	35
		UE发射功率(dBm)	23
UE噪声因素(dB)	9
		蜂窝链路基站数N<sub>1</sub>(个)	100
D2D链路中继用户数N<sub>2</sub>(个)	100

根据λ_o＝ξ/π[E(R²)]可以计算阻塞密度，并假设阻塞半径R和高度H均为均匀分布。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。毫米波的载波频率设置为28GHz，带宽设置为100MHz。基站密度为λ_b＝1×10^-6。

从图2中可以看出，对蜂窝链路进行理论分析得到的容量期望表达式是实际仿真结果的上界，且两跳曲线较为贴合。从图3中可以看出，对D2D链路进行理论分析得到的容量期望表达式依旧是实际仿真结果的上界，且相较于图2，图3中理论曲线与实际仿真曲线的贴合度更高。无论是图2还是图3，都表现出理论容量期望曲线的凸性，说明可以找到一个全局最优的无序探测次数，使得容量期望最大，也证明了本发明方法的实用性。

Claims (2)

1.毫米波网络中中继无序探测次数的优化方法，所述毫米波网络为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，包括以下步骤：

S1、将蜂窝链路可选的无序探测次数排序，从中选出最小的值n；

S2、获得无序探测毫米波蜂窝链路容量的期望：

其中T代表总的时间开销，T_S代表探测一个发射端所消耗的时间，SINR_n代表探测n个参考发射端后，停止探测，此时已探测的所有链路中最佳的信干噪比，积分式中的t代表信干噪比的阈值，P_e(SINR_n>t)即覆盖率：

τ代表信干噪比的阈值，积分式中d₀代表发射端和接收端的距离，

描述了探测次数为n时，d₀的pdf函数：

其中d₀代表基站到中继用户的距离，即基站为发射端，中继用户为接收端，λ_b为基站密度，n₁为蜂窝链路无序探测次数,N₁表示蜂窝链路中发射端的总个数，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；

P_e(τ,d₀)代表信干噪比阈值为τ，发射端和接收端距离为d₀情况下的链路覆盖率，在蜂窝链路中，表达式为：

其中

分别为基站和中继用户的半波长波束宽度，此外，D_{i_1},i＝1,2,3,4为d₀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＝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，则有

S3、重复步骤S2，从小到大依次对不同的无序探测次数n获得容量期望，一旦出现较大的无序探测次数n₁₂得到的容量期望小于较小的无序探测次数n₁₁时，停止运算，并将n₁₁作为该链路的最优无序探测次数。

2.毫米波网络中中继无序探测次数的优化方法，所述毫米波网络为毫米波D2D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，包括以下步骤：

S1、将D2D链路可选的无序探测次数排序，从中选出最小的值n；

S2、获得无序探测毫米波D2D链路容量的期望：

其中T代表总的时间开销，T_S代表探测一个发射端所消耗的时间，SINR_n代表探测n个参考发射端后，停止探测，此时已探测的所有链路中最佳的信干噪比，积分式中的t代表信干噪比的阈值，P_e(SINR_n>t)即覆盖率：

τ代表信干噪比的阈值，积分式中d₀代表发射端和接收端的距离，

描述了探测次数为n时，d₀的pdf函数：

其中d₀代表中继用户到目的用户的距离，即中继用户为发射端，目的用户为接收端，λ_r为中继密度，n₂为D2D链路无序探测次数,N₂表示D2D链路中发射端的总个数，c₂,β₂均为参数，表达式为

β₂＝2λ₀₂E[R₂ ²]，R₂为该链路中阻塞半径，E[.]表期望，λ₀₂为D2D链路中阻塞密度；

P_e(τ,d₀)代表信干噪比阈值为τ，发射端和接收端距离为d₀情况下的链路覆盖率，在D2D链路中，表达式为：

其中φ_u为中继用户和目的用户的半波长波束宽度，此外，D_{i_2},i＝1,2,3,4为d₀和τ的函数，分别为：

其中中继用户和目的用户的主瓣增益和旁瓣增益分别为

和

s²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＝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，则有

S3、重复步骤S2，从小到大依次对不同的无序探测次数n获得容量期望，一旦出现较大的无序探测次数n₂₂得到的容量期望小于较小的无序探测次数n₂₁时，停止运算，并将n₂₁作为该D2D链路的最优无序探测次数。

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