CN114727338B - 无线通信系统的链路建立方法 - Google Patents

Abstract

无线通信系统的链路建立方法，属于无线电传输系统技术领域，建立一个树状拓扑，内设父节点和子节点；每个子节点，有且只有一个父节点；给定基站的地理分布，每个基站BSi的总天线数为Ni，找到每个基站BSi的父节点，并在每个链路的两侧分配传输天线，使得所有基站效用总值最大化。本方案，在选择路由的同时动态调整天线分配，以提高用户的整体满意度。根据链路的通道状况以及可用的天线和基站的地理位置，构建无线异构网络回程拓扑，并调整每个链路的发射和接收天线，以最大程度地提升整体效用。

Description

无线通信系统的链路建立方法

技术领域

本发明属于无线电传输系统技术领域，具体涉及无线通信系统的链路建立方法。

背景技术

目前，大规模输入输出天线阵列、异构无线回程网络被认为是5G领域的领先技术和研究热点。

大规模输入输出天线阵列，是指基站配置多根天线的发射端和接收端，能够同时使用多根天线对信号进行收发，并通过波束赋形预编码等技术可以实现频谱效率的最大化，以提高信号质量和传输容量。

异构无线回程网络，允许具有不同网络标准的用户设备访问小型社区，而小型社区的基站则通过多跳连接方式访问宏基站以构成无线回程网络。异构网络，仍存在技术难点，例如，大量用户的通道全频多路复用以及无线回程链路的带宽和时延限制导致社区之间的干扰非常强烈。

在异构无线回程网络中，使用大规模输入输出天线阵列，使用可调整的网络拓扑结构和收发天线数量，可以有效减少信号干扰并增加通道容量。颉满刚、贾向东等人在《基于带内无线回程的HetNets安全性能研究》（《计算机工程》，2018年第44卷第5期，101~106页）提出了一种带内全双工地无线回程方案，在大规模多入多出(MIMO)双层HetNets中，宏蜂窝和小蜂窝通信链路受恶意窃听者窃听，将无线回程信号作为宏蜂窝与小蜂窝通信的干扰信号，以增强通信链路质量。但是，其主要是探讨了宏蜂窝下行和小蜂窝上行链路的安全概率，并没有研究如何有效平衡各个接入点的负载，以最大化系统输送量。

异构无线回程网络，基站通常通过树状拓扑进行连接，其原因在于，树状拓扑易于扩展，方便在网络中添加新的节点，以应对因为流量的爆炸式增长而产生的大量接入点的需求。树状拓扑，宏基站（MBS）作为树的根节点，其他普通基站作为树的分支，建立了普通基站连接到云端服务器的多跳连接。每个回程网络都存在许多可供选择的树状拓扑，并且不同的拓扑都有对应的最佳基站天线分配，因此根据每个基站负载情况来调整网络拓扑并对基站的上下行天线进行合理的部署，将能够提升网络容量，平衡基站间的负载，获得最大的系统效用。

现有的天线分配方案基于固定的网络拓扑，没有考虑到拓扑结构变化时的天线分配策略。而且，基站每增加一根传输天线所产生的效用增益是非线性的。因此，确定树状拓扑的链路建立方式以及其所对应的最佳基站天线分配方案，是个难题。

因此，在异构无线回程网络的路由构建过程中，如何有效地调整网络拓扑结构以及分配每个基站的天线，以提高用户的整体满意度，是亟需解决的难题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供无线通信系统的链路建立方法。

为了达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案。

无线通信系统的链路建立方法，建立一个树状拓扑，内设父节点和子节点；每个子节点，有且只有一个父节点；给定基站的地理分布，每个基站BS_i的总天线数为N_i，找到每个基站BS_i的父节点，并在每个链路的两侧分配传输天线，使得所有基站效用总值最大化，且需要满足以下条件：

条件1：每个基站BS_i的最大链路数据速率取决于链路两侧的基站的收发天线;

条件2：每个基站BS_i的上下行天线之和不能超过其总天线;

条件3：基站BS_i服务于其自身用户的上行链路速度是等于总链路数据速率减去子节点的总速度，并且它是非负的;

条件4：每个基站BS_i的子节点必须比其距离宏基站BS₁更远。

所有基站效用总值：∑_i∈BSU_i(r_i)，其中，U_i(r_i)表示基站BS_i的效用值，其为：

；f_i表示负载因子，代表由基站BS_i服务的用户的数量；r_i表示基站BS_i服务于其自身用户的上行链路速度。

无线通信系统的链路建立方法，包括以下步骤：

步骤1，将所有非宏基站直接连接到宏基站上，然后，将天线预分配给所有基站,生成初始的拓扑和初始的预分配天线；在此拓扑中，宏基站以取得最大的效用值为目标将其所有天线分配给其他基站；

步骤2，按照其与宏基站的距离的递增顺序，遍历每个基站，并比较每个接入点基站可能的父节点的效用增量，最后将具有最大效用增量的基站确定为接入点基站的父节点。

步骤1包括以下步骤：

步骤101，将系统最大效用U_max和分配第N根天线后的系统暂时总效用U_total均设置为零；

步骤102，将一根天线分配给子节点基站，计算添加天线后每个基站的效用值，然后汇总每个基站的效用值，得到该添加天线后的系统暂时总效用U_total；

步骤103，根据步骤102，遍历所有非宏基站，将分配天线后的最大的系统暂时总效用U_total作为分配该天线的系统最大效用U_max；将天线分配给获得系统最大效用U_max的基站BS_i；

步骤104，重复步骤102和步骤103，依次分配N_i天线，直到分配完成，并获得初始预分配天线集s（i）。

步骤2包括以下步骤：

步骤201，列出基站BS_i的候选父节点集V_i，其包括到该基站到候选父节点的距离小于该基站到宏基站的距离；候选父节点集V_i非空的为接入点基站；

步骤202，遍历并分析候选父节点集V_i中候选父节点的效用增量：将非宏基站的第一个基站指定为子树的根节点，即m_a；记录子树的根节点m_a的子树效用的最大值U_MAX，并且令天线被BS_i预分配之后获得的效用值为U_i；两者之差是重新连接后获得的效用增量；将具有最大效用增量的候选父节点确定为基站BS_i的父节点；

步骤203，重复步骤201和步骤202，直到遍历完所有非宏基站。

步骤202中，计算子树根节点m_a的子树效用的最大值U_MAX过程如下：所有基站按离宏基站BS₁的最近距离到最远距离的顺序分配它们的N_i个天线；对基站BS_i的第 n 根天线，设置判断因子 c：如果

，则c=1，子节点基站BS_i增加一根天线；否则，c=0 时，子节点基站BS_i不会增加天线的数量。

本方案，在选择路由的同时动态调整天线分配，以提高用户的整体满意度。根据链路的通道状况以及可用的天线和基站的地理位置，构建无线异构网络回程拓扑，并调整每个链路的发射和接收天线，以最大程度地提升整体效用。本案，通过实验验证，显著提高了异构网络的整体利用率和外部区域的利用率。

附图说明

图1为本发明案例示意图；

图2是本发明实验仿真环境图；

图3是本方案和最短路径树随天线数变化的总效用趋势图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在计算机通信领域中，回程是指将数据从用户终端传递到互联网服务器中。

效用函数用于将分配给用户的带宽流量映射到该用户的“满意度”或“幸福度”。效用函数单调不变，这意味着带宽分配越多，则带来的“满意度”或“幸福度”越高。效用函数的最主要作用是它可以固有的反映用户的传输流量要求并传达应用的适应程度。

BS={BS₁,BS₂,BS₃,...,BS_i,...,BS_j,...,BS_n}表示一组基站，其中i和j均为基站排序标号，n表示基站的总数。BS₁代表宏基站，负责通过有线链路连接到云端服务器，并通过大规模输入输出天线阵列为其他基站提供无线通信的互联网服务。为不失一般性，每个基站按照其距离宏基站BS₁的距离由近及远进行排序标号，即：对所有j>i，BS_j比BS_i距离宏基站BS₁更远。

无线通信系统的链路建立方法，建立一个树状拓扑。树状拓扑，是具有以树状图案布置的一系列链接节点的结构，顶部节点通常被称为父节点，底端的节点通常被称为子节点；每个子节点，有且只有一个父节点。

给定基站的地理分布，每个基站BS_i的总天线数为N_i，找到每个基站BS_i的父节点，并在每个链路的两侧分配传输天线，使得所有基站效用总值最大化。

所有基站效用总值：∑_i∈BSU_i(r_i)，其中，U_i(r_i)表示基站BS_i的效用值，其为：

；f_i表示负载因子，它代表由基站BS_i服务的用户的数量；r_i表示基站BS_i服务于其自身用户的上行链路速度。

计算所有基站效用总值，需要满足以下条件：

条件1：每个基站BS_i的最大链路数据速率取决于链路两侧的基站的收发天线：

；其中，

表示每个基站BS_i总上行链路数据速率，是基站BS_i自身速率与其子节点速率的总和；l_i表示基站BS_i与该基站BS_i的父节点之间链路；s_i是基站BS_i的父节点下行链路的天线数，t_i是基站BS_i上行链路传输天线数；

条件2：每个基站BS_i的上下行天线之和不能超过其总天线：

；其中，

表示标号为i的基站BS_i的子节点标号；N_i表示基站BS_i的总天线数。

条件3：基站BS_i服务于其自身用户的上行链路速度是等于总链路数据速率减去子节点的总速度，并且它是非负的：

；其中r_i表示基站BS_i服务于其自身用户的上行链路速度。

条件4：每个基站BS_i的子节点必须比其距离宏基站BS₁更远：每个基站按照其距离宏基站BS₁的距离由近及远进行排序标号；对于所有j＞i,基站BS_j比基站BS_i距离宏基站BS₁更远。

无线通信系统的链路建立方法，包括以下步骤：

步骤1，将所有非宏基站直接连接到宏基站上，然后，将天线预分配给所有基站，生成初始的拓扑和初始的预分配天线；在此拓扑中，宏基站以取得最大的效用值为目标将其所有天线分配给其他基站。

步骤101，将系统最大效用U_max和分配第N根天线后的系统暂时总效用U_total均设置为零；

步骤102，将一根天线分配给子节点基站，计算添加天线后每个基站的效用值，然后汇总每个基站的效用值，得到该添加天线后的系统暂时总效用U_total；

步骤103，根据步骤102，遍历所有非宏基站，将分配天线后的最大的系统暂时总效用U_total作为分配该天线的系统最大效用U_max；将天线分配给获得系统最大效用U_max的基站BS_i。

步骤104，重复步骤102和步骤103，依次分配N_i天线，直到分配完成，并获得初始预分配天线集s（i）。

通过本步骤，每个基站将获得初始的预分配天线，用于后续的拓扑连接。

步骤2，按照其与宏基站的距离的递增顺序，遍历每个基站，并比较每个接入点基站可能的父节点的效用增量，最后将具有最大效用增量的基站确定为接入点基站的父节点。

步骤201，列出基站BS_i的候选父节点集V_i，其包括到该基站到候选父节点的距离小于该基站到宏基站的距离；候选父节点集V_i非空的为接入点基站。

步骤202，遍历并分析候选父节点集V_i中候选父节点的效用增量。

如果基站BS_i连接到第m个候选父节点，则候选父节点所在的子树的天线分配将相应的改变。由于所有基站最终都将通过多跳网络连接到宏基站BS₁，因此将非宏基站的第一个基站指定为子树的根节点，即m_a。记录子树的根节点m_a的子树效用的最大值U_MAX，并且令天线被BS_i预分配之后获得的效用值为U_i；两者之差是重新连接后获得的效用增量；将具有最大效用增量的候选父节点确定为基站BS_i的父节点。

计算子树根节点m_a的子树效用的最大值U_MAX过程如下：所有基站按离宏基站BS₁的最近距离到最远距离的顺序分配它们的N_i个天线。对基站BS_i的第 n 根天线，设置判断因子c：如果

，则c=1，子节点基站BS_i增加一根天线；

否则，c=0 时，子节点基站BS_i不会增加天线的数量；其中，

表示分配有n 根天线的基站BS_i总上行链路数据速率；s_j是基站BS_j的父节点下行链路的天线数；

表示标号为i的基站BS_i的子节点标号；A_j表示子节点基站BS_i增加一根天线后，子树的链路的天线分配，即A_j=｛N_i-n，s₁，s₂，...，s_j+1，...｝，N_i表示基站BS_i的总天线数；U（A_j）表示子节点基站BS_i增加一根天线后的子树效用的最大值。

步骤203，重复步骤201和步骤202，直到遍历完所有非宏基站。

如图1所示，假设每个基站和宏基站BS₁仅具有六根天线。在步骤1初始化中，每个基站连接到宏基站BS₁并获得一个天线，即图1中的（a）中所示的s₂=s₃=s₄=s₅=s₆=s₇=1。因为没有更靠近宏基站BS₁的基站，所以基站BS₂直接连接到BS₁。BS₃的备用节点集为空集，因此BS₃不变。对于BS₄，其候选集合V₄ = {BS₂, BS₃}。

如图1中的（b）中的空心箭头所示，首先，连接BS₂，然后将s₄添加到s₂,s₄=0,s₂=2，使得A₂={5, 2},A₄={6, 1},因此：ΔU= l_2,1(5, 2)+l_4,2(6, 1)- l_2,1(6, 1)- l_4,1(6, 1)。

类似地，当BS₄连接到BS₃进行比较时，该步骤计算效用差。假设连接到BS₂时系统效用更高，则最终确定BS₄的父节点为BS₂。BS₅, BS₆和BS₇的父节点也以相同的方式选择。如图1中的（c）所示，确定BS₅连接到BS₃。 BS₆具有候选父节点集合V₆ = {BS₂, BS₄}，并且我们假设BS₂也是更好的选择，因此将BS₆的父节点确定为BS₂。最后，得到图1中的（d），BS₇连接到BS₄，整个树形拓扑的连接完成。

通过仿真进行模拟。如图2所示，将生成 6x6km 的正方形区域。宏基站位于中心，其他基站随机分布在该区域。为了避免基站之间的不切实际的接近，将任意两个基站之间的最小距离设置为 0.3km。为了观察不同距离下的性能，将整个类比区域分为三个范围：将直径为1km 的圆（图中半径最小的圆）视为区域 1，将蓝色圆和红色圆之间的节点（图中两个圆的中间区域）视为区域 2，而剩余区域视为区域 3。

由于没有现有的方法可以将天线分配和路由组合在一起，因此将本方案与最短路径树的方案进行比对。最短路径树，是从宏基站开始的最短路径树。

如图3所示，随着可用资源的增加，所有方法的总效用得到了改善。其中，本方案的总效用最高。因为本方案是效用导向的，并且专注于整体效用的提升。它反映了本方案对整体效用的改进。最短路径树生成的拓扑中，存在大量的低效链路，这些链路的父节点到宏基站的距离大于从子节点到宏基站的距离，这种弯路降低了最短路径树的效用。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.无线通信系统的链路建立方法，其特征在于，建立一个树状拓扑，内设父节点和子节点；每个子节点，有且只有一个父节点；给定基站的地理分布，每个基站BS_i的总天线数为N_i，找到每个基站BS_i的父节点，并在每个链路的两侧分配传输天线，使得所有基站效用总值最大化，且需要满足以下条件：

条件1：每个基站BS_i的最大链路数据速率取决于链路两侧的基站的收发天线：

；其中，

表示每个基站BS_i总上行链路数据速率，是基站BS_i自身速率与其子节点速率的总和；l_i表示基站BS_i与该基站BS_i的父节点之间链路；s_i是基站BS_i的父节点下行链路的天线数，t_i是基站BS_i上行链路传输天线数；

条件2：每个基站BS_i的上下行天线之和不能超过其总天线；

条件3：基站BS_i服务于其自身用户的上行链路速度等于总链路数据速率减去子节点的总速度，并且它是非负的；

条件4：每个基站BS_i的子节点必须比其距离宏基站BS₁更远；

所有基站效用总值：∑_i∈BSU_i(r_i)，其中，U_i(r_i)表示基站BS_i的效用值，其为：

；f_i表示负载因子，代表由基站BS_i服务的用户的数量；r_i表示基站BS_i服务于其自身用户的上行链路速度。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统的链路建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将所有非宏基站直接连接到宏基站上，然后，将天线预分配给所有基站，生成初始的拓扑和初始的预分配天线；在此拓扑中，宏基站以取得最大的效用值为目标将其所有天线分配给其他基站；

步骤2，按照其与宏基站的距离的递增顺序，遍历每个基站，并比较每个接入点基站可能的父节点的效用增量，最后将具有最大效用增量的基站确定为接入点基站的父节点。

3.根据权利要求2所述的无线通信系统的链路建立方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：

步骤101，将系统最大效用U_max和分配第N根天线后的系统暂时总效用U_total均设置为零；

步骤102，将一根天线分配给子节点基站，计算添加天线后每个基站的效用值，然后汇总每个基站的效用值，得到该添加天线后的系统暂时总效用U_total；

步骤103，根据步骤102，遍历所有非宏基站，将分配天线后的最大的系统暂时总效用U_total作为分配该天线的系统最大效用U_max；将天线分配给获得系统最大效用U_max的基站BS_i；

步骤104，重复步骤102和步骤103，依次分配N_i天线，直到分配完成，并获得初始预分配天线集s（i）。

4.根据权利要求3所述的无线通信系统的链路建立方法，其特征在于，步骤2包括以下步骤：

步骤201，列出基站BS_i的候选父节点集V_i，其中该基站到候选父节点的距离小于该基站到宏基站的距离；候选父节点集V_i非空的基站为接入点基站；

步骤202，遍历并分析候选父节点集V_i中候选父节点的效用增量：将非宏基站的第一个基站指定为子树的根节点，即m_a；记录子树的根节点m_a的子树效用的最大值U_MAX，并且令天线被BS_i预分配之后获得的效用值为U_i；两者之差是重新连接后获得的效用增量；将具有最大效用增量的候选父节点确定为基站BS_i的父节点；

步骤203，重复步骤201和步骤202，直到遍历完所有非宏基站。

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