CN106102173A - 基于多播波束成形的无线回传及基站分簇联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于多播波束成形技术的无线回传及基站分簇联合优化方法，解决了传统的有线回传技术的成本和扩展性的难题。与现有的技术相比，本发明根据接入网中多个微基站组成虚拟小区对同一个用户提供服务的特点，提出了基于多播波束成形技术的无线回传网络架构，该策略可以根据接入网的用户需求，动态的调整无线回传链路中用于数据传输的资源，即时隙长度和波束成形权重向量，该方案能够充分的利用两阶段的***资源，不仅可以扩展网络的灵活性，同时网络的吞吐量也可以得到提升。

Description

基于多播波束成形的无线回传及基站分簇联合优化方法

技术领域

本发明涉及双层蜂窝网络架构，尤其涉及一种面向双层蜂窝网络的无线回传链路的多播波束成形和基站分簇的联合优化方法和装置。

背景技术

近年来随着移动互联网的蓬勃发展，低速率窄带的语音服务逐渐被大容量、高带宽的数据以及流媒体业务所取代，为了满足未来移动通信业务的需求，第五代移动通信***(5G)应运而生。相对于目前商用的4G移动通信***，5G网络在传输速率、频谱利用率、传输时延和无线覆盖性能等方面将会得到显著的提升。然而，现有的大规模MIMO(MassiveMIMO)技术，全双工技术以及基于滤波器组的多载波技术等新型无线传输技术所带来的频谱效率和传输速率的提升，远远难以满足未来十年移动互联网流量增长1000倍的发展需求。因此，通过部署低成本的微基站获得频谱资源的空间复用率和单位面积传输能力的显著提升，是实现上述目标的关键技术之一。

对于这种双层蜂窝网络的方案来说，主要存在两方面的挑战。一方面由于微基站的随机部署，用户可能处于多个微基站的覆盖范围之内，存在严重的小区内和小区间的干扰。而传统的多点协作传输(CoMP)的组网策略只能有效的抑制小区内部用户的干扰，但是很难解决小区边缘用户的小区间干扰问题。另一方面现有的LTE网络通过部署电缆或者光纤等有线的回传方式实现数据的传输，但是对于运营商来说，网络部署难度和运用成本是不可忽视的因素，所以这种方案很难适用于双层蜂窝网络的回传链路的部署。此外有线的方式对微基站的选址也有诸多限制，灵活性和扩展性较差。因此采用无线回传的方案，是显著减低部署和运营成本的有效手段。同时，回传链路的无线资源还可以根据当前的网络状况(网络拓扑、信道质量、负载流量)等进行灵活的调度和优化，从而进一步提升无线频谱的效率，优化***性能。

专利号2014108537217的申请公开了一种在同频组网场景下进行宏基站和微基站协作处理的方法，通过考虑用户业务到达的波动情况，采用宏基站激活合适的微基站进行接纳服务，从而减小能耗和整体干扰水平。该申请基于距离信息实施用户与基站一对一的组网策略，没有充分利用基站间协作的增益。此外该方案没有考虑回传链路的约束对关联策略的影响。

专利号2014100646998的申请公开了一种提供一种异构蜂窝网络下的无线回传资源调度方法，实现异构蜂窝网络在接入阶段的干扰控制和回传阶段的无线回传频谱分配的联合优化，宏蜂窝基站在干扰可控的基础上为微基站分配无线回传资源。该申请没有考虑接入网用户与基站关联策略对无线回传网络的影响，只是简单的假定微基站的发射功率一定的条件下，每个微基站回传链路带宽的设计。

专利号201410788944.X的申请公开了一种基于分枝剪枝方法的联合网络优化和波束成形的策略，通过协作多点传输中联合传输的优势，从而实现了功率优化和回传链路开销的折中。该申请仅依赖于传统的有线回传链路的架构，无法根据接入网络业务量的需求，动态的回传网络的资源。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于多播波束成形的无线回传及基站分簇联合优化方法和装置，解决传统的有线回传技术的成本和扩展性的难题，有效提升回传网络的频谱利用率，进而提高整个网络的吞吐量。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的问题是在无线回传的网络架构下，找到接入网和回传网络资源分配的平衡点。。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多播波束成形的无线回传及基站分簇联合优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：初始阶段

1.1、每个微基站收集接入网的信道状态信息，然后将所述信道状态信息以及自身速率的比例因子通过控制信道统一上报给中央调度器；

1.2、所述中央调度器收集无线回传链路的所述信道状态信息；

1.3、所述中央调度器根据收集到的所述信道状态信息，设置微基站对于每个用户初始的天线发射权重信息每个用户回传传输的时间长度和ρ⁽⁰⁾，其中：ρ是调整函数光滑的参数；

步骤2：给定每个用户对应的回传传输时间资源的情况下，也就是t_k给定，中央调度器将微基站以及自身的波束成形的设计问题建模成如公式(1)所示的加权速率和最大化的优化问题：

$\underset{\{W_{lk},U_k\}}{\max }{\left(\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_k{r}_k\right)}_{SOC}---\left(1\right)$

$\begin{array}{ccc}s.t.& \underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}tr\left(W_k{T}_l\right)\≤P_l,& \∀l,\end{array}---\left(1a\right)$

$\begin{array}{cc}tr\left(U_k\right)\≤P_{bh},& \∀k,\end{array}---\left(1b\right)$

$\begin{array}{cccc}{W}_k\≥0& and& U_k\≥0,& \∀k,\end{array}---\left(1c\right)$

$\begin{array}{cc}{\hat{r}}_k\≤t_k^{\left(n\right)}{R}_k^{bh},& \∀k\end{array}---\left(1d\right)$

$\begin{array}{ccc}{R}_k^{bh}\log (1+\frac{tr\left(U_k{G}_l^H{G}_l\right)}{z_l^2})+{\mathrm{\τ}}^{-1}{\tilde{f}}_{lk}\left(W_k\right|{\tilde{W}}_k),& \∀k,& l,\end{array}---\left(1e\right)$

其中：表示一个指数函数的一阶泰勒展开式，τ是一个很大的常数，ρ是迭代的参数。目标函数(1)表示加权速率和的二阶锥的凸形式，P_l是第l个微基站的功率约束，P_bh表示中央调度器的发射功率限制，(1d)表示用户接入网速率应该小于回传速率，(1e)表明回传数据速率受限于最差的用户；

求解优化问题(1)得到本次迭代的微基站的发射权重以及中央调度器相应的多播波束成形参数

步骤3：根据步骤(2)得到的W_k和U_k，求解如下的线性优化问题得到每个用户的回传传输时间t_k：

$\underset{\left\{t_k\right\}}{\max }{\Σ}_{k=1}^K{t}_k{R}_k^{bh}$

$\begin{array}{ccc}s.t.& {\tilde{r}}_k\≤t_k{R}_k^{bh},& \∀k,\end{array}$

$\begin{array}{cc}0<t_k<1,& \&ForAll;k,\end{array}$

${\&Sigma;}_{k=1}^K{t}_k=1,$

其中： 可以根据(1e)进行设置；

步骤4：令按照如下的公式更新相应的迭代参数：

$\mathrm{\&rho;}=\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&rho;},& ||{\&Sigma;}_{k=1}^K{\&Sigma;}_{l=1}^L{\mathrm{\&beta;}}_{lk}(W_k-{\tilde{W}}_k)||\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}\mathrm{\&rho;},\\ \&Element;\mathrm{\&rho;},& otherwise,\end{array}---\left(2\right)$

步骤5：重复迭代步骤2、3和4，直到收敛为止；

步骤6：中央调度器将对应微基站的发射权重信息通过控制信道分发给每个微基站，然后中央处理器和微基站按照对应的天线权重向量传输数据。

进一步地，所述方法用于双层蜂窝网络且采用了多播波束成形技术实现中央调度器到微基站的无线回传链路的数据分发。

进一步地，所述回传的传输调度机制为时分多址接入(TDMA)。

本发明可以应用在基于云架构下的两层蜂窝网络，云端可以实时获取接入网以及回传链路的信道状态信息。通过联合接入网和回传网络的资源调度优化，可以实现整个网络加权和速率最大的目标。在实际应用过程中，对于接入网络的用户来说，期望同时连接更多的基站，从而使得自身的服务速率得到提升。但是这对回传网络提出了严峻的考验，因为一个用户服务的基站集合都需要从回传链路交互用户的数据信息。此外用户如果没有充分的利用多基站的差异性的增益，整个网络的性能也会受到影响，因此需要根据回传链路和接入网的资源状况，联合设计网络的资源分配算法。

由于每个基站采用单用户的探测方式，也就是说每个时刻基站只能解码出一个用户的数据信息。但是对于接入网的连接策略来说，每个基站可以同时服务多个用户，这就使得基站需要在不同的时隙通过回传链路获取所服务用户的数据，所以本发明的多播回传链路的传输方式采用了TDMA的协议。并且根据用户的业务需求，动态调整了个时隙的长度，这样能够进一步优化网络的性能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的工作流程图；

图2是在不同传输功率下吞吐量的性能对比示意图；

图3是基站对于某个特定用户的发射功率示意图；

图4是不同方案性能的对比示意图；

图5两层的蜂窝网络模型示意图。

具体实施方式

如图5所示的一个两层的蜂窝网络，其中中央调度器兼具计算处理以及信息传输的功能，

并且存在5个微基站和3个用户，在此场景下本发明的一次具体实施例如下：

a)5个微基站通过正交的上行的控制信道向中央调度器发送反馈信道信息以及自身速率权重因子等信息；

b)中央调度根据接入链路的信息，以及回传链路CSI信息，基于加权和速率最大化的准则，设计迭代的资源分配算法，最终得到每个微基站以及回传链路的波束权重向量；

c)中央调度器通过正交的下行控制信道向所有的微基站发送对应的波束权重向量；

微基站根据相应的波束形成策略构成3个微基站协作簇。因此中央调度器在三个时隙内，根据多播的权重依次分发不同用户的数据信息到相应的微基站协作簇。

本发明技术方案带来的有益效果：

本发明的方法从资源分配的角度，联合考虑了基站分簇以及多播无线回传链路的设计问题，不仅可以提高了网络的频谱效率，同时可以根据用户的业务需求情况，动态的调整回传链路的资源，具有较好的可扩展性，为将来无线回传链路的部署提供重要的理论支撑。

仿真实验的场景包含1个中央调度器，4个基站以及20个用户，发射和接收端的信道信息满足3GPP TR的非直视路径的信道模型。从图2和图3可以看出大约迭代40到50次结果趋于稳定，说明了所提出的资源分配方法的收敛性。图4对比了本发明提出的算法和其他常用的方法，可以看出本发明的算法在吞吐量的性能上明显是最优的。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于多播波束成形的无线回传及基站分簇联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始阶段

1.1、每个微基站收集接入网的信道状态信息，然后将所述信道状态信息以及自身速率的比例因子通过控制信道统一上报给中央调度器；

1.2、所述中央调度器收集无线回传链路的所述信道状态信息；

1.3、所述中央调度器根据收集到的所述信道状态信息，设置微基站对于每个用户初始的天线发射权重信息每个用户回传传输的时间长度和ρ⁽⁰⁾，其中：ρ是调整函数光滑的参数；

步骤2：给定每个用户对应的回传传输时间资源的情况下，也就是t_k给定，中央调度器将微基站以及自身的波束成形的设计问题建模成如公式(1)所示的加权速率和最大化的优化问题：

$\begin{array}{cc}\underset{\left\{W_{lk},U_k\right\}}{\max }& {\left(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_k{r}_k\right)}_{SOC}\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}tr\left(W_k{T}_l\right)\&le;P_l,\&ForAll;l,\end{array}---\left(1a\right)$

$tr\left(U_k\right)\&le;P_{bh},\&ForAll;k,---\left(1b\right)$

$\begin{array}{ccc}{W}_k\&GreaterEqual;0& and& U_k\&GreaterEqual;0,\&ForAll;k,\end{array}---\left(1c\right)$

${\hat{r}}_k\&le;t_k^{\left(n\right)}{R}_k^{bh},\&ForAll;k---\left(1d\right)$

$R_k^{bh}\&le;\log (1+\frac{tr\left(U_k{G}_l^H{G}_l\right)}{z_l^2})+{\mathrm{\&tau;}}^{-1}{\tilde{f}}_{lk}\left(W_k\right|{\tilde{W}}_k),\&ForAll;k,l,---\left(1e\right)$

其中：表示一个指数函数的一阶泰勒展开式，τ是一个很大的常数，ρ是迭代的参数。目标函数(1)表示加权速率和的二阶锥的凸形式，P_l是第l个微基站的功率约束，P_bh表示中央调度器的发射功率限制，(1d)表示用户接入网速率应该小于回传速率，(1e)表明回传数据速率受限于最差的用户；

求解优化问题(1)得到本次迭代的微基站的发射权重以及中央调度器相应的多播波束成形参数

步骤3：根据步骤(2)得到的W_k和U_k，求解如下的线性优化问题得到每个用户的回传传输时间t_k：

$\begin{array}{cc}\underset{\left\{t_k\right\}}{max}& {\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{t}_k{R}_k^{bh}\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& {\tilde{r}}_k\&le;t_k{R}_k^{bh},\&ForAll;k,\end{array}$

$0<t_k<1,\&ForAll;k,$

${\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{t}_k=1,$

其中： 可以根据(1e)进行设置；

步骤4：令按照如下的公式更新相应的迭代参数：

$\mathrm{\&rho;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&rho;},& \left|\right|{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^K{\mathrm{\&Sigma;}}_{l=1}^L{\mathrm{\&beta;}}_{lk}\left(W_k-{\tilde{W}}_k\right)\left|\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}\mathrm{\&rho;},\\ \&Element;\mathrm{\&rho;},& otherwise,\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤5：重复迭代步骤2、3和4，直到收敛为止；

步骤6：中央调度器将对应微基站的发射权重信息通过控制信道分发给每个微基站，然后中央处理器和微基站按照对应的天线权重向量传输数据。

2.如权利要求1所述的基于多播波束成形的无线回传及基站分簇联合优化方法，其特征在于，所述方法用于双层蜂窝网络且采用了多播波束成形技术实现中央调度器到微基站的无线回传链路的数据分发。

3.如权利要求1所述的基于多播波束成形的无线回传及基站分簇联合优化方法，其特征在于，所述回传的传输调度机制为时分多址接入(TDMA)。