CN112822753A - 一种升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法 - Google Patents

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Abstract

一种升空无线网中的用户‑基站双向匹配接入方法，包括如下步骤：初始化未接入用户集合；计算任一用户对每个升空基站的满意度；选择满意度最高的升空基站；升空基站依据收益函数决定是否允许用户接入；若允许，则分别更新接入用户集合和未接入用户集合，在未接入用户集合为空时输出用户接入优化结果。本发明通过用户和基站的双向选择，解决传统用户接入方法面临的多用户干扰和负载均衡问题，提升用户服务质量。

Description

一种升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法
技术领域
本发明涉及升空无线网中的用户接入方法的技术领域，尤其涉及升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法的技术领域。
背景技术
在新一代移动通信中，以多个升空基站(如无人机、升空气球、飞艇等)为地面用户提供网络接入的思想受到广泛关注。区别于传统地面基站，升空基站具有通信覆盖范围广、信道条件好、机动灵活、费效比高的显著优势；同时，由于空地视线传输(Line-of-Sight,LoS)路径强的特点，也使得升空基站和地面用户之间的信道具有更好的可预测性，为系统优化设计带来了便利。
多升空基站组网时，地面用户需要选择合适的基站接入网络，适当的用户接入方法对提升用户体验具有重要意义。当前业界广泛使用基于距离的用户接入方法，其基本思想为用户根据接收信号强度选择距离最近的升空基站进行接入。该方法的缺点主要表现在以下两方面：
1.虽然基于距离的用户接入方法能够最大化有用信号功率，但该方法未考虑多用户干扰，当用户间距离较近且信号到达升空基站时的到达角度相似时，多用户干扰会严重降低用户的通信速率。
2.实际环境下(特别是城市环境)，地面用户数量多且地理分布不均，基于距离的用户接入方法容易导致大量用户接入相同的升空基站，而其他升空基站处于低负载状态，造成网络负载不均问题，不但降低网络资源利用率，且用户满意度难以保证。
针对上述问题，亟需设计一种适用于升空无线网的高效用户接入方法，从而有效发挥升空基站的潜在优势。
发明内容
本发明目的是提供一种升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法，通过用户和基站的双向选择，解决传统用户接入方法面临的多用户干扰和负载均衡问题，提升用户服务质量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法，包括如下步骤：
S1：初始化未接入用户集合；
S2：在未接入用户集合中任取一个用户，计算其对每个升空基站的满意度；
S3：选择满意度最高的升空基站；
S4：升空基站依据收益函数决定是否允许用户接入；若允许，则执行步骤S6；若拒绝，则执行步骤S5；
S5：若步骤S4的结果为拒绝，则更新备选升空基站集合，并判断备选升空基站集合是否为空；若为空，则更新未接入用户集合后执行步骤S2；若不为空，则执行步骤S3；
S6：若步骤S4的结果为允许，则分别更新接入用户集合和未接入用户集合，并判断未接入用户集合是否为空；若不为空，则返回步骤S2重新执行上述步骤；若为空，则输出用户接入优化结果。
本发明采用上述技术方案，能够降低多用户干扰和网络负载不均衡问题，有效提升用户满意度。具体而言，在可选升空基站集合中，用户始终选择能够为其提供最优信干噪比的升空基站发送接入申请，从而保证了用户自身的传输速率；升空基站根据是否有利于网络整体性能决定是否接受用户接入申请，从而保证了所服务用户的公平性，并有效解决了现有基于距离的用户接入方法中存在的网络负载不均问题。
附图说明
图1是本发明接入方法的流程图。
图2是本发明的接入方法与现有技术的性能仿真图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法，包括如下步骤：
S1：初始化未接入用户集合；
S2：在未接入用户集合中任取一个用户，计算其对每个升空基站的满意度；
S3：选择满意度最高的升空基站；
S4：升空基站依据收益函数决定是否允许用户接入；若允许，则执行步骤S6；若拒绝，则执行步骤S5；
S5：若步骤S4的结果为拒绝，则更新备选升空基站集合，并判断备选升空基站集合是否为空；若为空，则更新未接入用户集合后执行步骤S2；若不为空，则执行步骤S3；
S6：若步骤S4的结果为允许，则分别更新接入用户集合和未接入用户集合，并判断未接入用户集合是否为空；若不为空，则返回步骤S2重新执行上述步骤；若为空，则输出用户接入优化结果。
具体过程为：
初始化：
初始化未接入任一升空基站的用户集合
Figure BDA0002901327410000041
其中L为用户总数。
对于每个用户
Figure BDA0002901327410000042
建立备选升空基站集合
Figure BDA0002901327410000043
初始化
Figure BDA0002901327410000044
其中
Figure BDA0002901327410000045
表示网络中所有升空基站的集合，M为升空基站的总数。
定义接入升空基站
Figure BDA0002901327410000046
的用户集合为
Figure BDA0002901327410000047
初始化
Figure BDA0002901327410000048
计算用户满意度：
任取
Figure BDA0002901327410000049
中的用户
Figure BDA00029013274100000410
依次计算接入
Figure BDA00029013274100000411
中每个升空基站时用户l的上行接收信干噪比；计算方法如下，对于升空基站
Figure BDA00029013274100000412
用户l接入该基站时的上行接收信干噪比为
Figure BDA00029013274100000413
其中hm,l表示用户l和升空基站m之间的LoS信道，hm,j表示用户j和升空基站m之间的LoS信道，
Figure BDA00029013274100000414
和
Figure BDA00029013274100000415
分别表示hm,l和hm,j的共轭转置，hm,l和hm,j可以通过信道估计或信号到达角估计获取，pl为用户l的发射功率，pj为用户j的发射功率，σ2为噪声功率，Nm为升空基站m的天线个数，
Figure BDA00029013274100000416
表示维度为Nm的单位矩阵。
用户l根据
Figure BDA00029013274100000417
计算对
Figure BDA00029013274100000418
中所有升空基站的满意度，计算方法如下，对于升空基站
Figure BDA00029013274100000419
用户l对其满意度为Fm,l＝f1(γm,l)，其中f1(x)为x的任意非减(non-decreasing)函数。
用户-基站双向选择：
(a)用户l选取
Figure BDA0002901327410000051
中满意度最高的升空基站
Figure BDA0002901327410000052
的计算方法为
Figure BDA0002901327410000053
确定
Figure BDA0002901327410000054
为拟接入的升空基站，更新备选升空基站集合
Figure BDA0002901327410000055
为
Figure BDA0002901327410000056
(b)升空基站
Figure BDA0002901327410000057
计算允许用户l接入后的收益函数
Figure BDA0002901327410000058
其计算方法为
Figure BDA0002901327410000059
其中f2(x)为x的任意非减(non-decreasing)函数，
Figure BDA00029013274100000510
表示用户l接入升空基站
Figure BDA00029013274100000511
后用户k的上行接收信干噪比，
Figure BDA00029013274100000512
表示用户l接入升空基站
Figure BDA00029013274100000513
前用户k的上行接收信干噪比。
Figure BDA00029013274100000514
和
Figure BDA00029013274100000515
的表达式如下
Figure BDA00029013274100000516
Figure BDA00029013274100000517
其中
Figure BDA00029013274100000518
表示用户k和升空基站
Figure BDA00029013274100000519
之间的LoS信道，
Figure BDA00029013274100000520
表示
Figure BDA00029013274100000521
的共轭转置，
Figure BDA00029013274100000522
表示用户j和升空基站
Figure BDA00029013274100000523
之间的LoS信道，
Figure BDA00029013274100000524
表示
Figure BDA00029013274100000525
的共轭转置，pk和pj分别表示用户k和用户j的发射功率。
(c)①若收益函数
Figure BDA00029013274100000526
升空基站
Figure BDA00029013274100000527
拒绝用户l接入。更新用户l的备选升空基站集合为
Figure BDA00029013274100000528
判断
Figure BDA00029013274100000529
是否为空，若
Figure BDA00029013274100000530
则回到步骤(a)，否则将用户从未接入集合中移除，即
Figure BDA00029013274100000531
②若
Figure BDA00029013274100000532
升空基站
Figure BDA00029013274100000533
允许用户l接入，更新
Figure BDA00029013274100000534
并将用户从未接入集合中移除，即
Figure BDA00029013274100000535
检验未接入集合
Figure BDA00029013274100000536
是否为空。若
Figure BDA00029013274100000537
回到步骤2；否则输出用户接入优化结果
Figure BDA00029013274100000538
实施例1，升空基站总数为M＝5，每个升空基站均配备16×16均匀矩形天线阵列(天线总数为Nm＝256)，飞行高度为500米，不同升空基站工作频率相互正交。用户总数为L＝128，用户均配备单天线。用户和升空基站的水平位置随机分布于4km×4km的矩形区域内。噪声功率为-100dBm，中心频率为5GHz。函数f1(x)和f2(x)取如下特例
Figure BDA0002901327410000061
其中r＝log2(1+x)，rT为用户期望的传输速率，其取值为rT＝14bit/s/Hz。此时用户满意度Fm,l代表升空基站m实际能够提供的传输速率与用户期望的传输速率的接近程度，当实际速率接近或大于rT时，满意度Fm,l≈1。图2给出了采用本技术方案后用户的平均满意度，并与现有基于距离的用户接入方法进行了对比。可以看出采用本发明的接入方法后，用户满意度明显高于基于距离的用户接入方法。

Claims (5)

1.一种升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：初始化未接入用户集合；
S2：在未接入用户集合中任取一个用户，计算其对每个升空基站的满意度；
S3：选择满意度最高的升空基站；
S4：升空基站依据收益函数决定是否允许用户接入；若允许，则执行步骤S6；若拒绝，则执行步骤S5；
S5：若步骤S4的结果为拒绝，则更新备选升空基站集合，并判断备选升空基站集合是否为空；若为空，则更新未接入用户集合后执行步骤S2；若不为空，则执行步骤S3；
S6：若步骤S4的结果为允许，则分别更新接入用户集合和未接入用户集合，并判断未接入用户集合是否为空；若不为空，则返回步骤S2重新执行上述步骤；若为空，则输出用户接入优化结果。
2.根据权利要求1所述的升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法，其特征在于上述步骤S1的具体过程为：
初始化未接入任一升空基站的用户集合
Figure FDA0002901327400000011
其中L为用户总数；
对于每个用户
Figure FDA0002901327400000012
建立备选升空基站集合
Figure FDA0002901327400000013
初始化
Figure FDA0002901327400000014
其中
Figure FDA0002901327400000015
表示网络中所有升空基站的集合，M为升空基站的总数；
定义接入升空基站
Figure FDA0002901327400000016
的用户集合为
Figure FDA0002901327400000017
初始化
Figure FDA0002901327400000018
3.根据权利要求2所述的升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法，其特征在于上述步骤S2的具体过程为：
任取
Figure FDA0002901327400000019
中的用户
Figure FDA00029013274000000110
依次计算接入
Figure FDA00029013274000000111
中每个升空基站时用户l的上行接收信干噪比；计算方法如下，对于升空基站
Figure FDA0002901327400000021
用户l接入该基站时的上行接收信干噪比为
Figure FDA0002901327400000022
其中hm,l表示用户l和升空基站m之间的LoS信道，hm,j表示用户j和升空基站m之间的LoS信道，
Figure FDA0002901327400000023
和
Figure FDA0002901327400000024
分别表示hm,l和hm,j的共轭转置，hm,l和hm,j可以通过信道估计或信号到达角估计获取，pl为用户l的发射功率，pj为用户j的发射功率，σ2为噪声功率，Nm为升空基站m的天线个数，
Figure FDA0002901327400000025
表示维度为Nm的单位矩阵；
用户l根据
Figure FDA0002901327400000026
计算对
Figure FDA0002901327400000027
中所有升空基站的满意度，计算方法如下，对于升空基站
Figure FDA0002901327400000028
用户l对其满意度为Fm,l＝f1(γm,l)，其中f1(x)为x的任意非减函数。
4.根据权利要求3所述的升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法，其特征在于上述步骤S3-S6的具体过程为：
(a)用户l选取
Figure FDA0002901327400000029
中满意度最高的升空基站
Figure FDA00029013274000000210
的计算方法为
Figure FDA00029013274000000211
确定
Figure FDA00029013274000000212
为拟接入的升空基站，更新备选升空基站集合
Figure FDA00029013274000000213
为
Figure FDA00029013274000000214
(b)升空基站
Figure FDA00029013274000000215
计算允许用户l接入后的收益函数
Figure FDA00029013274000000216
其计算方法为
Figure FDA00029013274000000217
其中f2(x)为x的任意非减函数，
Figure FDA00029013274000000218
表示用户l接入升空基站
Figure FDA00029013274000000219
后用户k的上行接收信干噪比，
Figure FDA00029013274000000220
表示用户l接入升空基站
Figure FDA00029013274000000221
前用户k的上行接收信干噪比；
Figure FDA00029013274000000222
和
Figure FDA00029013274000000223
的表达式如下
Figure FDA00029013274000000224
Figure FDA0002901327400000031
其中
Figure FDA0002901327400000032
表示用户k和升空基站
Figure FDA0002901327400000033
之间的LoS信道，
Figure FDA0002901327400000034
表示
Figure FDA0002901327400000035
的共轭转置，
Figure FDA0002901327400000036
表示用户j和升空基站
Figure FDA0002901327400000037
之间的LoS信道，
Figure FDA0002901327400000038
表示
Figure FDA0002901327400000039
的共轭转置，pk和pj分别表示用户k和用户j的发射功率；
(c)①若收益函数
Figure FDA00029013274000000310
升空基站
Figure FDA00029013274000000311
拒绝用户l接入；更新用户l的备选升空基站集合为
Figure FDA00029013274000000312
判断
Figure FDA00029013274000000313
是否为空，若
Figure FDA00029013274000000314
则回到步骤(a)，否则将用户从未接入集合中移除，即
Figure FDA00029013274000000315
②若
Figure FDA00029013274000000316
升空基站
Figure FDA00029013274000000317
允许用户l接入，更新
Figure FDA00029013274000000318
并将用户从未接入集合中移除，即
Figure FDA00029013274000000319
5.根据权利要求4所述的升空无线网中的用户-基站双向匹配接入方法，其特征在于检验未接入集合
Figure FDA00029013274000000320
是否为空，若
Figure FDA00029013274000000321
回到步骤S2；否则输出用户接入优化结果
Figure FDA00029013274000000322
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唐伦等: "一种基于接入与回传一体化小基站的用户满意度最大化算法", 《电子与信息学报》 *

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CN114095944A (zh) * 2021-11-17 2022-02-25 中国人民解放军陆军工程大学 一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法
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