CN116827392A - 含毫米波接入点的无蜂窝大规模mimo部署方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法及系统包括，构建无蜂窝大规模MIMO系统；设计毫米波和普通低频的接入点的预编码矩阵，计算用户平均下行传输率；对各类成本评估得到系统成本效益；以最大化效益为目标，计算毫米波接入点的最优部署密度和接入点与CPU之间的最优部署距离；本发明将无蜂窝大规模MIMO系统部分接入点配置毫米波天线，采用无线回程链路，以减少有线回程链路的铺设成本；利用随机几何作为工具描述设备空间随机性，创建天线数和空间密度等均不相同的异构型网络，对毫米波接入点的部署范围和密度进行优化；通过合理建模，为含有无线回程链路接入点的无蜂窝大规模MIMO系统提供了接入点部署方案，加快了无蜂窝大规模MIMO的落地实现。

Description

含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法及系统。

背景技术

近年来，随着未来科技的快速发展，移动通信数据量的快速增长等，第五代移动通信(The Fifth Generation Wireless Communications，5G)可能已经不能满足未来社会的通信需求。于是，第六代移动通信技术(The Sixth Generation WirelessCommunications，6G)开始被人们广泛关注。6G的核心驱动是将5G所有特征进行整合，如网络密集化、高吞吐量、低功耗、大链接等，同时利用新技术对5G各项指标进行颠覆性升级。6G技术将提供前所未有的带宽，以解决5G的相关不足。而为了满足6G时代的各种性能需求，学者们对5G技术中的分布式大规模MIMO技术进行了扩展和升级，打破蜂窝小区限制，提出了无蜂窝大规模MIMO的概念。

无蜂窝大规模MIMO系统消除了小区边界限制，能够极大程度的缓解甚至消除小区间干扰，同时也因均衡节点分布消除了中心与边缘用户差异，保证服务质量在高速移动性下的无缝衔接。无蜂窝大规模MIMO之所以能带来巨大增益，其原因在于将接入点广泛分散至用户附近，大大降低了路径损耗，然而，代价是要额外增加大量有线的回程链路，这些有线链路在实际铺设过程中会因为周围的建筑分布和地理环境而变得困难重重，这使得系统的成本增大。使用6G中的毫米波技术，将其作为无线回程链路可以有效解决这个问题。

毫米波元件通常工作在30GHz—300GHz左右的频段，不会占用当前已拥挤的频段，满足未来通信向更高频段拓展带宽的方向，毫米波通信的优点主要包括：方向性强，保密性好；干扰很小，几乎不受大气干扰、宇宙干扰和工业干扰的影响，通信稳定等。由于毫米波在通信时有更大吞吐量和其他光学特性，在一部分接入点上配置毫米波天线，使得在中央处理器与这些接入点之间不需要有有线回程链路，从而达到节约铺设链路成本的效果。而由于毫米波的穿透能力弱，要实现与中央处理器和用户的高数据量的通信，毫米波接入点与两者之间的距离不能过大，不然传输衰减会急剧增大，从而降低系统总体的性能，因此毫米波的部署范围及密度需要进行权衡优化。

综上所述，本研究将无蜂窝大规模MIMO系统的部分接入点替换为使用毫米波接入点并采用无线回程链路，可有效解决实际回程链路的铺设难题，对无蜂窝大规模MIMO的实际应用有重要意义。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，用来解决实际问题中，毫米波接入点部署的距离和范围过大会导致系统性能下降、传输速率变弱的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供了含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，包括：

构建无蜂窝大规模MIMO系统，所述系统中CPU相邻的接入点使用毫米波天线通信且与CPU使用毫米波作为无线回程链路，不相邻接入点则使用普通低频天线通信且与CPU采用有线回程链路连接；

所述接入点利用用户上行导频进行信道估计，之后CPU根据估计信道为使用毫米波天线通信的接入点设计预编码矩阵，而采用普通低频天线通信的接入点则在本地设计预编码矩阵；

当接入点发送下行数据后，位于毫米波通信范围内的用户可收到所有接入点的通信数据，而位于毫米波通信范围外的用户只能收到普通低频天线通信的接入点的通信数据；依据以上用户接受到的接入点的通信数据，计算出目标用户的平均下行传输速率；

评估毫米波通信的接入点成本、普通低频天线通信的接入点成本、以及有线回程链路的铺设成本，计算出系统总硬件成本，得到系统的成本效益；

以最大化系统成本效益为目标，计算毫米波通信的接入点的最优部署密度和接入点与CPU之间的最优部署距离。

作为本发明所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法的一种优选方案，其中：所述无蜂窝大规模MIMO系统还包括：

在无蜂窝大规模MIMO系统中，单天线的接入点和用户分别以密度为λ_u和泊松点分布参数λ在半径为R的圆形平面内随机分布；区域面积为S，记为K，M_f为区域内用户总数和普通低频接入点总数，它们的均值分别为λ_uS和λ_fS，CPU位于区域的圆心，CPU的天线数为N_c；

将CPU相邻的符合条件的接入点替换为使用毫米波天线通信的接入点，设定毫米波接入点在半径为R_l(R_l≤R_mm)的圆形平面内随机分布，R_mm为毫米波天线最大传输距离，毫米波接入点的天线数为N_l，区域的面积记为S_l，密度满足公式如下所示：

λ_l+λ_f＝λ

其中，λ_l为毫米波接入点的密度，λ_f表示普通低频接入点的密度。

作为本发明所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法的一种优选方案，其中：所述接入点利用用户上行导频进行信道估计，之后CPU根据估计信道为使用毫米波天线通信的接入点设计预编码矩阵，而采用普通低频天线通信的接入点则在本地设计预编码矩阵，包括：

用户向所有接入点发送上行导频，接入点进行信道估计之后把结果发送给CPU；

对于毫米波天线通信的接入点，CPU把预编码后的信号通过无线回程链路发给各个毫米波接入点，CPU的发送的预编码后信号公式表示为：

其中，ρ_B为CPU发送功率，V_B＝G_B(G_B ^HG_B)^-1为外层预编码矩阵，G_B为CPU与毫米波接入点之间的信道矩阵，表示矩阵G_B的共轭转置，K_m'表示第m'个毫米波接入点所能服务的用户集合，记集合内元素个数为M_k，/>为内层预编码矩阵，L_l,k是M_kN_l×M_kN_l的对角矩阵，/>β_m'k为第m'个毫米波接入点与第k个用户之间的路径损耗，/>表示N_l×N_l的单位矩阵，D_l,k为M_kN_l×M_kN_l的对角矩阵，[D_l,k]_nn＝d_m'kI_Nl，/>τ_p为导频长度，ρ_p为上行导频信号发送功率，/>为毫米波接入点与所能服务到的用户之间的信道估计向量，s_k为要发送给第k个用户的信号；

对于普通低频天线通信的接入点，各个接入点在本地进行预编码后发送给各个用户，所有普通AP预编码后的信号公式为：

其中，为内层预编码矩阵，L_f,k是M_f×M_f的对角矩阵，其中β_mk为第m个毫米波接入点与第k个用户之间的路径损耗，D_f,k为M_f×M_f的对角矩阵，[D_f,k]_nn＝d_mk，/> 为第k个用户与所有普通AP之间的信道估计向量。

作为本发明所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法的一种优选方案，其中：计算出目标用户的平均下行传输速率，包括：

用户收到所有普通低频天线通信的接入点和CPU相邻的符合条件的接入点替换为毫米波接入点发送的信号，设定毫米波接入点为第k个用户服务，则第k个用户收到的信号公式表示为：

其中，ρ_d为所有接入点发送功率，g_k为第k个用户与为它服务的接入点之间的信道向量，x_l为所有为第k个用户的毫米波接入点发送的信号向量，ω_k为噪声向量，服从均值为0，方差为1的复高斯分布；

根据香农公式计算出第k个用户的下行通信速率为：

其中

其中，K_L,K_N分别表示视距LoS传播和非视距NLoS传播条件下的截距，δ为参考距离，r_m'k为第m'个毫米波接入点到第k个用户的距离，r_m'i为第m'个毫米波接入点到第i个用户的距离，α_L，α_N分别为LoS和NLoS条件下的路径损耗指数，p_L(r)，p_N(r)分别表示在距离为r时LoS和NLoS的概率，满足p_L(r)＝1-p_N(r)＝e^-εr(r＜R_mm)，ε为公式中的参数，如果距离超过R_mm两者概率均为0。

作为本发明所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法的一种优选方案，其中：评估毫米波通信的接入点成本、普通低频天线通信的接入点成本、以及有线回程链路的铺设成本，计算出系统总硬件成本，得到系统的成本效益，包括：

计算出部署接入点和有线回程链路所花费的成本为：

C＝Ct_fi+Ct_f+Ct_l

其中，Ct_fi为有线回程链路的部署成本，Ct_f为普通低频接入点的部署成本，Ct_l为毫米波接入点的部署成本，计算公式如下：

Ct_f＝λ_fSPr_f

Ct_l＝λ_lS_l Pr_l

其中，Pr_f和Pr_l分别表示普通低频天线通信接入点和毫米波通信接入点的造价；Pr_li表示每千米有线回程链路的造价；

根据用户的下行通信速率，进一步得到系统的总频谱效率，用所述系统频谱效率与成本之比表示系统的成本效益为：

作为本发明所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法的一种优选方案，其中：以最大化系统成本效益为目标，包括：

使用迭代优化算法求解优化问题，计算最优的毫米波接入点的密度和分布范围，表示为：

s.t.λ_l+λ_f＝λ

R_l≤R_mm

其中，R_mm为毫米波接入点分布范围的最大半径；s.t表示约束条件。

作为本发明所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法的一种优选方案，其中：所述迭代优化算法求解优化问题，包括：

设定初始毫米波接入点密度为初始毫米波接入点分布范围半径为/>将两者代入系统成本效益CE的计算公式中，得到CE⁰，记为/>迭代步长υ₁,υ₂＞0最大误差ε＞0，迭代变量t,j＝0；

基于成本效益的公式计算出此时的CE对λ_l的偏导值对毫米波接入点密度进行迭代/>计算出此时的成本效益，记为/>

令t＝t+1，判断是否满足且/>和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重复执行基于成本效益的公式计算处，若满足，记最优值/>

计算出此时的CE对R_l的偏导值对毫米波接入点密度进行迭代计算出此时的成本效益，记为/>

令j＝j+1，判断是否满足且/>和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重复执行基于成本效益的公式计算处，若满足，记最优值/>

判断是否满足和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重新执行基于成本效益的公式计算处至计算出此时的成本效益记为/>处，若满足，继续执行；得到最优毫米波接入点密度/>以及最优毫米波接入点分布范围半径/>

第二方面，本发明提供了含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署系统，其包括：

接入点模块，用于提供毫米波无线信号；

信号处理器模块，用于处理接收到的无线信号，在接收端进行信号检测、解码和去除干扰，在发送端进行信号编码和调制；

用户终端设备，用于接收和发送无线信号；

网络通信模块，用于监控和管理整个无线网络，包括对接入点和用户设备的管理和资源调度。

第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的任一步骤。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的任一步骤。

与现有技术相比，发明有益效果为：本发明通过将无蜂窝大规模MIMO系统的部分接入点配置毫米波天线，并采用无线回程链路，以减少有线回程链路的铺设成本，利用随机几何作为工具描述设备空间随机性，创建天线数和空间密度等均不相同的异构型网络，对毫米波接入点的部署范围和密度进行优化；通过合理建模，为含有无线回程链路接入点的无蜂窝大规模MIMO系统提供了接入点部署方案，加快了无蜂窝大规模MIMO的落地实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法的总体流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，包括：

S1、构建无蜂窝大规模MIMO系统，系统中CPU相邻的接入点使用毫米波天线通信且与CPU使用毫米波作为无线回程链路，不相邻接入点则使用普通低频天线通信且与CPU采用有线回程链路连接；

进一步的，该系统还包括：单天线的接入点和用户分别以密度为λ_u和泊松点分布参数λ在半径为R＝0.5km的圆形平面内随机分布；区域面积为S，记为K，M_f为区域内用户总数和普通低频接入点总数，它们的均值分别为λ_uS和λ_fS，CPU位于区域的圆心，CPU的天线数为N_c＝10；

将CPU相邻的符合条件的接入点替换为使用毫米波天线通信的接入点，设定毫米波接入点在半径为R_l(R_l≤R_mm)的圆形平面内随机分布，R_mm＝0.2km为毫米波天线最大传输距离，毫米波接入点的天线数为N_l＝4，区域的面积记为S_l，密度满足公式如下所示：

其中，λ_l为毫米波接入点的密度，λ_f表示普通低频接入点的密度；λ＝60(个/km²)表示接入点的密度总和；

应当说明的是，毫米波天线中采用无线回程链路，减少了有线回程链路的铺设成本；

S2、接入点利用用户上行导频进行信道估计，之后CPU根据估计信道为使用毫米波天线通信的接入点设计预编码矩阵，而采用普通低频天线通信的接入点则在本地设计预编码矩阵；

进一步的，用户向所有接入点发送上行导频，接入点进行信道估计之后把结果发送给CPU；

对于毫米波天线通信的接入点，CPU把预编码后的信号通过无线回程链路发给各个毫米波接入点，CPU的发送的预编码后信号公式表示为：

其中，ρ_B＝10^2.5W为CPU发送功率，V_B＝G_B(G_B ^HG_B)^-1为外层预编码矩阵，G_B为CPU与毫米波接入点之间的信道矩阵，表示矩阵G_B的共轭转置，K_m'表示第m'个毫米波接入点所能服务的用户集合，记集合内元素个数为M_k，/>为内层预编码矩阵，L_l,k是M_kN_l×M_kN_l的对角矩阵，/>β_m'k为第m'个毫米波接入点与第k个用户之间的路径损耗，/>表示N_l×N_l的单位矩阵，D_l,k为M_kN_l×M_kN_l的对角矩阵，[D_l,k]_nn＝d_m'kI_Nl，τ_p＝60为导频长度，ρ_p＝10W为上行导频信号发送功率，/>为毫米波接入点与所能服务到的用户之间的信道估计向量，s_k为要发送给第k个用户的信号；

更进一步的，对于普通低频天线通信的接入点，各个接入点在本地进行预编码后发送给各个用户，所有普通AP预编码后的信号公式为：

其中，为内层预编码矩阵，L_f,k是M_f×M_f的对角矩阵，其中β_mk为第m个毫米波接入点与第k个用户之间的路径损耗，D_f,k为M_f×M_f的对角矩阵，[D_f,k]_nn＝d_mk，/> 为第k个用户与所有普通AP之间的信道估计向量；

S3、当接入点发送下行数据后，位于毫米波通信范围内的用户可收到所有接入点的通信数据，而位于毫米波通信范围外的用户只能收到普通低频天线通信的接入点的通信数据；依据以上用户接受到的接入点的通信数据，计算出目标用户的平均下行传输速率；

进一步的，用户收到所有普通低频天线通信的接入点和CPU相邻的符合条件的接入点替换为毫米波接入点发送的信号，设定毫米波接入点为第k个用户服务，则第k个用户收到的信号公式表示为：

其中，ρ_d为所有接入点发送功率，g_k为第k个用户与为它服务的接入点之间的信道向量，x_l为所有为第k个用户的毫米波接入点发送的信号向量，ω_k为噪声向量，服从均值为0，方差为1的复高斯分布；

更进一步的，根据香农公式计算出第k个用户的下行通信速率为：

其中

其中，K_L,K_N分别表示视距LoS传播和非视距NLoS传播条件下的截距，δ为参考距离，r_m'k为第m'个毫米波接入点到第k个用户的距离，r_m'i为第m'个毫米波接入点到第i个用户的距离，α_L，α_N分别为LoS和NLoS条件下的路径损耗指数，p_L(r)，p_N(r)分别表示在距离为r时LoS和NLoS的概率，满足p_L(r)＝1-p_N(r)＝e^-εr(r＜R_mm)，ε为公式中的参数，如果距离超过R_mm两者概率均为0；

应当说明的是，δ参考距离默认为1米；

S4、评估毫米波通信的接入点成本、普通低频天线通信的接入点成本、以及有线回程链路的铺设成本，计算出系统总硬件成本，得到系统的成本效益；

进一步的，计算出部署接入点和有线回程链路所花费的成本为：

C＝Ct_fi+Ct_f+Ct_l

其中，Ct_fi为有线回程链路的部署成本，Ct_f为普通低频接入点的部署成本，Ct_l为毫米波接入点的部署成本，计算公式如下：

Ct_f＝λ_fSPr_f

Ct_l＝λ_lS_l Pr_l

其中，Pr_f＝4.8(万欧/个)和Pr_l＝2.8N_l(万欧/个)分别表示普通低频天线通信接入点和毫米波通信接入点的造价；Pr_li＝4.6(万欧/km)表示每千米有线回程链路的造价；

更进一步的，根据用户的下行通信速率，进一步得到系统的总频谱效率，用所述系统频谱效率与成本之比表示系统的成本效益为：

S5、以最大化系统成本效益为目标，计算毫米波通信的接入点的最优部署密度和接入点与CPU之间的最优部署距离；

进一步的，使用迭代优化算法求解优化问题，计算最优的毫米波接入点的密度和分布范围，表示为：

s.t.λ_l+λ_f＝λ

R_l≤R_mm

其中，R_mm为毫米波接入点分布范围的最大半径；s.t表示约束条件；

更进一步的，迭代优化算法步骤如下：

S501、设定初始毫米波接入点密度为初始毫米波接入点分布范围半径为/>将两者代入系统成本效益CE的计算公式中，得到CE⁰，记为迭代步长υ₁＝60,υ₂＝0.01最大误差ε＝10^-6，迭代变量t,j＝0；

S502、基于成本效益的公式计算出此时的CE对λ_l的偏导值对毫米波接入点密度进行迭代/>计算出此时的成本效益，记为/>

S503、令t＝t+1，判断是否满足且/>和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重复S502，若满足，记最优值/>

S504、计算出此时的CE对R_l的偏导值对毫米波接入点密度进行迭代计算出此时的成本效益，记为/>

S505、令j＝j+1，判断是否满足且/>和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重复S502，若满足，记最优值/>

S506、判断是否满足和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重新执行S502至S505，若满足，继续执行；

S507、得到最优毫米波接入点密度以及最优毫米波接入点分布范围半径

进一步的，本实施例还提供含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署系统，包括：

本实施例还提供一种计算机设备，适用于含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法的情况，包括：

接入点模块，用于提供毫米波无线信号；

信号处理器模块，用于处理接收到的无线信号，在接收端进行信号检测、解码和去除干扰，在发送端进行信号编码和调制；

用户终端设备，用于接收和发送无线信号；

网络通信模块，用于监控和管理整个无线网络，包括对接入点和用户设备的管理和资源调度。

存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法。

该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法。

本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的数据存储方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。

实施例2

参照表1，为本发明第二个实施例，该实施例提供了含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，包括：

本实施例通过仿真实验数据的形式对本发明方法进行有益效果的说明，参考表1；

表1最优毫米波接入点部署密度和部署距离

由上表体现了用户密度对毫米波接入点最优密度和最优分布范围的影响；可以看到，随着用户密度增大时，最优的毫米波接入点的密度会发生突变；而随着用户密度的增大毫米波接入点的最优分布范围在不断减小，最后跟随最优密度的突变也发生了突变；这表明了在实际场景在不同用户密度下选择的部署策略有所不同，在低用户密度下选择较多的毫米波接入点和最佳的分布范围会有较高的成本效益；而在高用户密度下选择较少的毫米波接入点和最佳的分布范围效果会更好，可以看出本发明提供的方法对于表中得到的结论来说效果更优。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，其特征在于，包括：

构建无蜂窝大规模MIMO系统，所述系统中CPU相邻的接入点使用毫米波天线通信且与CPU使用毫米波作为无线回程链路，不相邻接入点则使用普通低频天线通信且与CPU采用有线回程链路连接；

所述接入点利用用户上行导频进行信道估计，之后CPU根据估计信道为使用毫米波天线通信的接入点设计预编码矩阵，而采用普通低频天线通信的接入点则在本地设计预编码矩阵；

当接入点发送下行数据后，位于毫米波通信范围内的用户可收到所有接入点的通信数据，而位于毫米波通信范围外的用户只能收到普通低频天线通信的接入点的通信数据；依据以上用户接受到的接入点的通信数据，计算出目标用户的平均下行传输速率；

评估毫米波通信的接入点成本、普通低频天线通信的接入点成本、以及有线回程链路的铺设成本，计算出系统总硬件成本，得到系统的成本效益；

以最大化系统成本效益为目标，计算毫米波通信的接入点的最优部署密度和接入点与CPU之间的最优部署距离。

2.如权利要求1所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，其特征在于，所述无蜂窝大规模MIMO系统还包括：

在无蜂窝大规模MIMO系统中，单天线的接入点和用户分别以密度为λ_u和泊松点分布参数λ在半径为R的圆形平面内随机分布；区域面积为S，记为K，M_f为区域内用户总数和普通低频接入点总数，它们的均值分别为λ_uS和λ_fS，CPU位于区域的圆心，CPU的天线数为N_c；

将CPU相邻的符合条件的接入点替换为使用毫米波天线通信的接入点，设定毫米波接入点在半径为R_l(R_l≤R_mm)的圆形平面内随机分布，R_mm为毫米波天线最大传输距离，毫米波接入点的天线数为N_l，区域的面积记为S_l，密度满足公式如下所示：

λ_l+λ_f＝λ

其中，λ_l为毫米波接入点的密度，λ_f表示普通低频接入点的密度，λ表示接入点的密度总和。

3.如权利要求1或2所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，其特征在于，所述接入点利用用户上行导频进行信道估计，之后CPU根据估计信道为使用毫米波天线通信的接入点设计预编码矩阵，而采用普通低频天线通信的接入点则在本地设计预编码矩阵，包括：

用户向所有接入点发送上行导频，接入点进行信道估计之后把结果发送给CPU；

对于毫米波天线通信的接入点，CPU把预编码后的信号通过无线回程链路发给各个毫米波接入点，CPU的发送的预编码后信号公式表示为：

其中，ρ_B为CPU发送功率，V_B＝G_B(G_B ^HG_B)^-1为外层预编码矩阵，G_B为CPU与毫米波接入点之间的信道矩阵，表示矩阵G_B的共轭转置，K_m'表示第m'个毫米波接入点所能服务的用户集合，记集合内元素个数为M_k，/>为内层预编码矩阵，L_l,k是M_kN_l×M_kN_l的对角矩阵，/>β_m'k为第m'个毫米波接入点与第k个用户之间的路径损耗，/>表示N_l×N_l的单位矩阵，D_l,k为M_kN_l×M_kN_l的对角矩阵，/>τ_p为导频长度，ρ_p为上行导频信号发送功率，/>为毫米波接入点与所能服务到的用户之间的信道估计向量，s_k为要发送给第k个用户的信号；

对于普通低频天线通信的接入点，各个接入点在本地进行预编码后发送给各个用户，所有普通AP预编码后的信号公式为：

其中，为内层预编码矩阵，L_f,k是M_f×M_f的对角矩阵，其中β_mk为第m个毫米波接入点与第k个用户之间的路径损耗，D_f,k为M_f×M_f的对角矩阵，[D_f,k]_nn＝d_mk，/> 为第k个用户与所有普通AP之间的信道估计向量。

4.如权利要求3所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，其特征在于，计算出目标用户的平均下行传输速率，包括：

用户收到所有普通低频天线通信的接入点和CPU相邻的符合条件的接入点替换为毫米波接入点发送的信号，设定毫米波接入点为第k个用户服务，则第k个用户收到的信号公式表示为：

其中，ρ_d为所有接入点发送功率，g_k为第k个用户与为它服务的接入点之间的信道向量，x_l为所有为第k个用户的毫米波接入点发送的信号向量，ω_k为噪声向量，服从均值为0，方差为1的复高斯分布；

根据香农公式计算出第k个用户的下行通信速率为：

其中

其中，K_L,K_N分别表示视距LoS传播和非视距NLoS传播条件下的截距，δ为参考距离，r_m'k为第m'个毫米波接入点到第k个用户的距离，r_m'i为第m'个毫米波接入点到第i个用户的距离，α_L，α_N分别为LoS和NLoS条件下的路径损耗指数，p_L(r)，p_N(r)分别表示在距离为r时LoS和NLoS的概率，满足p_L(r)＝1-p_N(r)＝e^-εr(r＜R_mm)，ε为公式中的参数，如果距离超过R_mm两者概率均为0。

5.如权利要求4所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，其特征在于，评估毫米波通信的接入点成本、普通低频天线通信的接入点成本、以及有线回程链路的铺设成本，计算出系统总硬件成本，得到系统的成本效益，包括：

计算出部署接入点和有线回程链路所花费的成本为：

C＝Ct_fi+Ct_f+Ct_l

其中，Ct_fi为有线回程链路的部署成本，Ct_f为普通低频接入点的部署成本，Ct_l为毫米波接入点的部署成本，计算公式如下：

Ct_f＝λ_fSPr_f

Ct_l＝λ_lS_lPr_l

其中，Pr_f和Pr_l分别表示普通低频天线通信接入点和毫米波通信接入点的造价；Pr_li表示每千米有线回程链路的造价；

根据用户的下行通信速率，进一步得到系统的总频谱效率，用所述系统频谱效率与成本之比表示系统的成本效益为：

6.如权利要求5所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，其特征在于，以最大化系统成本效益为目标，包括：

使用迭代优化算法求解优化问题，计算最优的毫米波接入点的密度和分布范围，表示为：

s.t.λ_l+λ_f＝λ

R_l≤R_mm

其中，R_mm为毫米波接入点分布范围的最大半径；s.t表示约束条件。

7.如权利要求6所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，其特征在于，所述迭代优化算法求解优化问题，包括：

设定初始毫米波接入点密度为初始毫米波接入点分布范围半径为/>将两者代入系统成本效益CE的计算公式中，得到CE⁰，记为/>迭代步长υ₁,υ₂＞0最大误差ε＞0，迭代变量t,j＝0；

基于成本效益的公式计算出此时的CE对λ_l的偏导值对毫米波接入点密度进行迭代/>计算出此时的成本效益，记为/>

令t＝t+1，判断是否满足且/>和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重复执行基于成本效益的公式计算处，若满足，记最优值/>

计算出此时的CE对R_l的偏导值对毫米波接入点密度进行迭代计算出此时的成本效益，记为/>

令j＝j+1，判断是否满足且/>和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重复执行基于成本效益的公式计算处，若满足，记最优值/>

判断是否满足和/>差值的绝对值小于ε，若不满足，则重新执行基于成本效益的公式计算处至计算出此时的成本效益记为/>处，若满足，继续执行；得到最优毫米波接入点密度/>以及最优毫米波接入点分布范围半径/>

8.含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署系统，基于权利要求1～7任一所述的含毫米波接入点的无蜂窝大规模MIMO部署方法，其特征在于，包括：

接入点模块，用于提供毫米波无线信号；

信号处理器模块，用于处理接收到的无线信号，在接收端进行信号检测、解码和去除干扰，在发送端进行信号编码和调制；

用户终端设备，用于接收和发送无线信号；

网络通信模块，用于监控和管理整个无线网络，包括对接入点和用户设备的管理和资源调度。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～7任一所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一所述方法的步骤。