CN111787579A - 一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，三层异构蜂窝网络包括宏基站、微微蜂窝基站、毫微微蜂窝基站和若干用户，用户通过计算接收信干噪比筛选各自的候选基站；然后各用户计算接入候选基站后可获得的能量效率；最后，用户按照能量效率最大的原则，在基站最大负载约束的情况下，选择最佳接入基站。该方法能够实现用户与基站的关联，可以使三层异构蜂窝网络的能量效率和负载均衡情况得到有效提升。

Description

一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法
技术领域
本发明是涉及通信技术领域，具体的说是一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法。
背景技术
随着移动互联网和物联网的快速发展，以及移动数据业务量的不断攀升，传统蜂窝网络演变为异构蜂窝网络。异构蜂窝网络融合了不同类型的基站，包括宏基站、微微蜂窝基站、毫微微蜂窝基站等。蜂窝网络用户的接收信号强度、干扰信号强度取决于接入基站的选择，即用户与基站的关联。用户选择接入不同的基站，将会导致截然不同的系统性能。
异构蜂窝网络中，宏基站和其它微基站由于不同的发射功率而导致负载不平衡，这种负载不平衡会严重影响系统性能并影响移动用户的体验。可以通过设计用户关联策略来解决负载不平衡的问题。另一方面，能量效率是第五代移动通信的关键性能指标。由于异构蜂窝网络中微基站的密集部署，网络中干扰分布复杂，为了保证用户的通信质量，运营商势必会提高基站的发射功率，这会导致网络能量效率的大幅度降低。因此，有必要从能量效率和负载均衡两个方面综合考虑异构蜂窝的用户关联策略。
目前，关于异构蜂窝网络的基站关联策略的研究工作主要分为负载均衡策略、信道分配策略、功率控制策略和基站休眠策略等。在文献[1]中，作者研究了用户与基站之间的关联策略，通过信道分配和功率控制研究了上行链路能效优化问题。文献[2]设计了一个提高能效的用户关联方案，并把这个方案构造成了一个非线性混合整数能效优化问题。在文献[3]中，作者提出了异构网络中联合考虑上行链路和下行链路的用户关联方案，并且最大化了用户的上行链路和下行链路的能效总和。文献[4]以系统能效为优化目标,设计了基于小区休眠的用户关联算法。文献[5]探讨了异构网络中中以网络系统负载平衡最优化为准则的用户关联策略设计。文献[6]针对采用多点协调传输技术的异构超密集网络,提出了基于势博弈的负载已知用户关联算法。
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[6]于佳,梁亚超,顾术实,王野.基于势博弈的负载已知超密集网络用户关联算法[J].物联网学报,2019,3(01):30-36.
可以看出，现有的工作，分别从能量效率和负载均衡的角度研究了用户与基站的关联策略，但并没有把能量效率和负载均衡两个方面结合起来联合设计用户关联策略。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，能够对能量效率和基站负载均衡进行综合考量计算并进行优化，得到最佳的用户与基站关联方式。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：三层异构蜂窝网络包括宏基站、微微蜂窝基站、毫微微蜂窝基站和若干用户，所述的用户的总个数为M，U为所有用户的集合，宏基站、微微蜂窝基站和毫微微蜂窝基站的总个数为K，B为所有基站的集合，SINRm,k表示第m个用户接入第k个基站后获得的接收信干噪比，γk-th为第k个基站的接收信干噪比门限，只有当SINRm,k≥γk-th时，第m个用户可接入第k个基站，所述的用户与基站关联方法具体步骤如下：
步骤1，设定基站负载初始值为零，用户与基站关联的所有标志位为零；
步骤2，对于每一个用户m，m∈U，按照接入某基站后的接收信干噪比是否超过门限值，计算它的候选基站集合：Bm＝{k∈B|SINRm,k≥γk-th}；
步骤3，对于每一个用户m，m∈U，记作N(m)＝|Bm|，按照N(m)的取值大小对U进行升序排列，记作U'；
步骤4，对于U'中的所有用户，选出排序在第一位的用户；
步骤5，计算该用户所有候选基站的负载空余度；
步骤6，算该用户与所有候选基站关联后能达到的能量效率，记作关联能量效率；
步骤7，根据基站的负载空余度和关联能量效率计算候选基站的接入指标；
步骤8，选择接入指标最大的基站作为关联基站，将关联标志位置1，并将所选择关联基站的负载数加1；
步骤9，判断关联基站的负载数是否达到上限，若是，则将该基站从U'中后续用户的候选集站集合中删除，更新U'中后续用户的排序；
步骤10，判断U'中的所有用户是否遍历完；若未完成遍历，则按照U'中的用户排序选择后一位的用户执行步骤5至步骤10；若已经完成遍历，则返回所有标志位，结束。
所述的三层异构蜂窝网络中宏基站的个数为1,微微蜂窝基站的个数为NP,毫微微蜂窝基站的个数为NF；所述的宏基站向接入的每个用户分配的带宽分别为BM，所述的宏基站的电路功率分别为PCM；所述的微微蜂窝基站向接入的每个用户分配的带宽分别为BP，所述的微微蜂窝基站的电路功率分别为PCP；所述的毫微微蜂窝基站向接入的每个用户分配的带宽分别为BF，所述的毫微微蜂窝基站的电路功率分别为PCF；第k个基站的电路功率为
Figure BDA0002554689660000031
第k个基站的接入用户数上限为Lk-max；从第k个基站到第m个用户的发射功率表示为
Figure BDA0002554689660000032
从第k个基站到第m个用户的距离表示为dk,m，从第k个基站到第m个用户的信道系数表示为hk,m＝rk,mlk,m，其中rk,m表示小尺度衰落系数，rk,m服从参数为1的指数分布，lk,m表示大尺度衰落，lk,m可以表示为
Figure BDA0002554689660000033
从第k个基站到第m个用户的接收信干噪比可以表示为
Figure BDA0002554689660000034
其中σ2是噪声功率。
所述的步骤1中，设定基站负载初始值为零，用户与基站关联的所有标志位为零定义两个初始矩阵：L＝01×K,A＝0M×K。
所述的步骤5中，所述的基站的负载空余度会随着实际负载的减小而增大，所述的基站k的负载空余度为
Figure BDA0002554689660000035
式中L(k)为第k个基站的接入用户数。
所述的步骤6中，用户m与基站k关联后的关联能量效率为
Figure BDA0002554689660000041
式中Bk为第k个基站向它所有的接入用户分配带宽，所述的
Figure BDA0002554689660000042
所述的步骤7中基站的负载空余度和关联能量效率关联的接入指标为义tm,k＝EEm,k·fk。
所述的步骤8中用户m将接入指标最大的基站作为关联基站的过程为：所述的用户m＝U'(i),计算用户m与所有候选集站的关联能量效率，计算所有候选基站的负载空余度，计算所有候选基站的接入指标，选择接入指标最大的基站作为关联基站，即
Figure BDA0002554689660000043
将标志位置1，并将所选择关联基站的负载数加1，即A(k*,m)＝1,L(k*)＝L(k*)+1，式中L(k*)为第k*个基站的接入用户数。
所述的步骤9中判断关联基站的负载数是否达到上限的步骤如下：若L(k*)＝Lk*-max，从U′中第i个用户之后的所有用户的候选基站中删除k*,更新相应用户的候选基站数量，对U'从第i+1个用户开始重新排序。若L(k*)<Lk*-max，则U'不变。
本发明一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法的有益效果是：首先用户通过计算接收信干噪比筛选各自的候选基站；然后各用户计算接入候选基站后可获得的能量效率；最后，用户按照能量效率最大的原则，在基站最大负载约束的情况下，选择最佳接入基站，该方法可以兼顾能量效率的提升与基站的负载均衡。
附图说明
图1为本发明一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法中三层异构蜂窝网络的场景示意图。
图2为本发明图1为本发明一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法的流程示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
三层异构蜂窝构网络中基站数量众多，为了避免用户与基站关联不当带来的能量效率降低的问题，公开一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：如图1所示，三层异构蜂窝网络由宏基站、微微蜂窝基站和毫微微蜂窝基站覆盖服务，图中实线表示接收到的有用信号，虚线表示接收到的干扰信号。本实施例中，基站的集合为B，用户的集合为U。基站的总个数为K，其中宏基站的个数为1,微微蜂窝基站的个数为NP,毫微微蜂窝基站的个数NF。用户的总个数为M。宏基站、微微蜂窝基站、毫微微蜂窝基站向接入的每个用户分配的带宽分别为BM、BP和BF，宏基站、微微蜂窝基站、毫微微蜂窝基站的发射功率分别为PM、PP和P。宏基站、微微蜂窝基站、毫微微蜂窝基站的电路功率分别为PCM、PCP和PCF,第k个基站的电路功率为
Figure BDA0002554689660000051
第k个基站的接入信干噪比门限为γk-th，第k个基站的接入用户数上限为Lk-max。从第k个基站到第m个用户的发射功率表示为
Figure BDA0002554689660000052
从第k个基站到第m个用户的距离表示为dk,m，从第k个基站到第m个用户的信道系数表示为hk,m＝rk,mlk,m，其中rk,m表示小尺度衰落系数，rk,m服从参数为1的指数分布，lk,m表示大尺度衰落，lk,m可以表示为
Figure BDA0002554689660000053
从第k个基站到第m个用户的接收信干噪比可以表示为
Figure BDA0002554689660000054
其中σ2是噪声功率。
本实施例中，用户与基站关联方法具体步骤如下：
步骤1，设所有基站负载初始值为零，用户与基站关联的所有标志位为零，定义两个初始矩阵：L＝01×K,A＝0M×K；
步骤2，用户的候选基站集合：对于每一个用户m，m∈U，按照其接入某基站后的接收信干噪比是否超过门限值，计算它的候选基站集合：Bm＝{k∈B|SINRm,k≥γk-th}；
步骤3，用户的排序：对每一个用户m，m∈U，计算它的可选基站数量，记作N(m)＝|Bm|；按照N(m)的取值大小对U进行升序排列，记作U'；
步骤4，对于U'中的所有用户，选出排序在第i位的用户，i＝1；
步骤5，计算该用户所有候选基站的负载空余度；定义基站k的负载空余度为
Figure BDA0002554689660000061
式中L(k)为第k个基站的接入用户数。基站的实际负载越小，负载空余度越大；
步骤6，算该用户与所有候选基站关联后能达到的能量效率，记作关联能量效率；假设第k个基站向它所有的接入用户分配带宽均为
Figure BDA0002554689660000062
用户m与基站k关联后，关联能量效率为
Figure BDA0002554689660000063
步骤7，根据基站的负载空余度和关联能量效率计算候选基站的接入指标；定义tm,k＝EEm,k·fk。
步骤8，选择接入指标最大的基站作为关联基站，将关联标志位置1，并将所选择关联基站的负载数加1；所述的用户m＝U'(i),计算用户m与所有候选集站的关联能量效率，计算所有候选基站的负载空余度，计算所有候选基站的接入指标，选择接入指标最大的基站作为关联基站，即
Figure BDA0002554689660000064
将标志位置1，并将所选择关联基站的负载数加1，即A(k*,m)＝1,L(k*)＝L(k*)+1，式中L(k*)为k*个基站的接入用户数。
步骤9，判断关联基站的负载数是否达到上限，若L(k*)＝Lk*-max，从U'中第i个用户之后的所有用户的候选基站中删除k*,更新相应用户的候选基站数量，对U'从第i+1个用户开始重新排序。若L(k*)<Lk*-max，则U'不变。
步骤10，判断U'中的所有用户是否遍历完；i＝i+1,若i<＝M则未完成遍历，按照U'中的用户排序选择后一位的用户执行步骤5至步骤10；若已经完成遍历，则返回基站关联标志位矩阵A，结束。
该种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法面向三层异构蜂窝网络，既考虑了能量效率也考虑了负载均衡，用户通过计算接收信干噪比筛选各自的候选基站；然后各用户计算接入候选基站后可获得的能量效率；最后，用户按照能量效率最大的原则，在基站最大负载约束的情况下，选择最佳接入基站。能够使实现三层异构蜂窝网络中用户与基站关联的能量效率和负载均衡情况得到有效提升。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：三层异构蜂窝网络包括宏基站、微微蜂窝基站、毫微微蜂窝基站和若干用户，所述的用户的总个数为M，U为所有用户的集合，宏基站、微微蜂窝基站和毫微微蜂窝基站的总个数为K，B为所有基站的集合，SINRm,k表示第m个用户接入第k个基站后获得的接收信干噪比，γk-th为第k个基站的接收信干噪比门限，只有当SINRm,k≥γk-th时，第m个用户可接入第k个基站，所述的用户与基站关联方法具体步骤如下：
步骤1，设定基站负载初始值为零，用户与基站关联的所有标志位为零；
步骤2，对于每一个用户m，m∈U，按照接入某基站后的接收信干噪比是否超过门限值，计算它的候选基站集合：Bm＝{k∈B|SINRm,k≥γk-th}；
步骤3，对于每一个用户m，m∈U，记作N(m)＝|Bm|，按照N(m)的取值大小对U进行升序排列，记作U'；
步骤4，对于U'中的所有用户，选出排序在第一位的用户；
步骤5，计算该用户所有候选基站的负载空余度；
步骤6，算该用户与所有候选基站关联后能达到的能量效率，记作关联能量效率；
步骤7，根据基站的负载空余度和关联能量效率计算候选基站的接入指标；
步骤8，选择接入指标最大的基站作为关联基站，将关联标志位置1，并将所选择关联基站的负载数加1；
步骤9，判断关联基站的负载数是否达到上限，若是，则将该基站从U'中后续用户的候选集站集合中删除，更新U'中后续用户的排序；
步骤10，判断U'中的所有用户是否遍历完；若未完成遍历，则按照U'中的用户排序选择后一位的用户执行步骤5至步骤10；若已经完成遍历，则返回所有标志位，结束。
2.如权利要求1所述的一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：所述的三层异构蜂窝网络中宏基站的个数为1,微微蜂窝基站的个数为NP,毫微微蜂窝基站的个数为NF；所述的宏基站向接入的每个用户分配的带宽分别为BM，所述的宏基站的电路功率分别为PCM；所述的微微蜂窝基站向接入的每个用户分配的带宽分别为BP，所述的微微蜂窝基站的电路功率分别为PCP；所述的毫微微蜂窝基站向接入的每个用户分配的带宽分别为BF，所述的毫微微蜂窝基站的电路功率分别为PCF；第k个基站的电路功率为
Figure FDA0002554689650000021
第k个基站的接入用户数上限为Lk-max；从第k个基站到第m个用户的发射功率表示为
Figure FDA0002554689650000022
从第k个基站到第m个用户的距离表示为dk,m，从第k个基站到第m个用户的信道系数表示为hk,m＝rk,mlk,m，其中rk,m表示小尺度衰落系数，rk,m服从参数为1的指数分布，lk,m表示大尺度衰落，lk,m可以表示为
Figure FDA0002554689650000023
从第k个基站到第m个用户的接收信干噪比可以表示为
Figure FDA0002554689650000024
其中σ2是噪声功率。
3.如权利要求2所述的一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：所述的步骤1中，设定基站负载初始值为零，用户与基站关联的所有标志位为零定义两个初始矩阵：L＝01×K,A＝0M×K。
4.如权利要求3所述的一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：所述的步骤5中，所述的基站的负载空余度会随着实际负载的减小而增大，所述的基站k的负载空余度为
Figure FDA0002554689650000025
式中L(k)为第k个基站的接入用户数。
5.如权利要求4所述的一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：所述的步骤6中，用户m与基站k关联后的关联能量效率为
Figure FDA0002554689650000026
式中Bk为第k个基站向它所有的接入用户分配带宽，所述的
Figure FDA0002554689650000027
6.如权利要求5所述的一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：所述的步骤7中基站的负载空余度和关联能量效率关联的接入指标为义tm,k＝EEm,k·fk。
7.如权利要求6所述的一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：所述的步骤8中用户m将接入指标最大的基站作为关联基站的过程为：所述的用户m＝U'(i),计算用户m与所有候选集站的关联能量效率，计算所有候选基站的负载空余度，计算所有候选基站的接入指标，选择接入指标最大的基站作为关联基站，即
Figure FDA0002554689650000031
将标志位置1，并将所选择关联基站的负载数加1，即A(k*,m)＝1,L(k*)＝L(k*)+1，式中L(k*)为第k*个基站的接入用户数。
8.如权利要求7所述的一种基于能效和负载的异构蜂窝网络用户与基站关联方法，其特征在于：所述的步骤9中判断关联基站的负载数是否达到上限的步骤如下：若
Figure FDA0002554689650000032
从U′中第i个用户之后的所有用户的候选基站中删除k*,更新相应用户的候选基站数量，对U'从第i+1个用户开始重新排序。若
Figure FDA0002554689650000033
则U'不变。
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