CN107148078B - 一种混合全双工半双工网络的用户接入控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合全双工半双工网络的用户接入控制方法与装置，属于通信技术领域。该控制方法通过初始化步骤增设虚拟用户，以将网络配置成上、下行用户数等于信道数；通过信道预分配步骤构建以用户对的发射功率之和为元素矩阵{P_i,j}，并以总发射功率最小为目标，获取以该矩阵为效用矩阵的指派问题的解作为配置用户接入网络的控制参数；通过可行性检查步骤剔除无法接入的全双工用户对，获取空闲信道；及通过信道再次分配步骤从未接入的真实用户中选取功率最小的用户以半双工模式接入空闲信道。该控制方法不仅运算复杂度低，而且能对网络用户接入与总发射功率进行同时优化。

Description

一种混合全双工半双工网络的用户接入控制方法与装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地说，涉及一种针对混合全双工半双工网络的用户接入控制方法与用户接入控制装置。

背景技术

随着无线设备的增加和无线业务的迅猛发展，未来无线网络需要容纳更多的移动终端和支持更高数据速率的业务。在频谱资源有限的情况下，采用频谱效率更高的技术是必然要求。同频同时全双工以其较高的频谱效率提升能力成为了一项十分有潜力的技术。与传统的在两个时隙或两个信道进行上行和下行的时分双工或频分双工技术相比，全双工技术能够使上行和下行在同一个频段同时进行，即频谱效率翻倍。因此，全双工技术成为了第五代移动通信***(5G)的关键技术之一。

但是全双工技术存在自干扰问题，虽然最新自干扰消除技术能将自干扰降至-110dB，以使其能够现实应用，从而在信道资源有限的条件下能够容纳更多的用户数量，但是其性能劣于半双工网络，因此，能同时开启全双工模式与半双工模式的混合全双工半双工网络成为能同时兼顾接入用户数与网络性能的最好选择，但是在这种模式下，很难实现用户接入与功率控制的同时优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合全双工半双工网络的用户接入控制方法，以同时优化网络的用户接入与总发射功率；

本发明的另一目的是提供一种混合全双工半双工网络的用户接入控制装置，以同时优化网络的用户接入与总发射功率。

为了实现上述的目的，本发明提供的用户接入控制方法包括初始化步骤、信道预分配步骤、可行性检查步骤及信道再次分配步骤；其中，初始化步骤包括在具有N个信道、K个真实上行用户及M个真实下行用户的网络中增加(N-K)个虚拟上行用户与(N-M)个虚拟下行用户；信道预分配步骤包括构建N×N矩阵{P_i,j}，P_i,j为一对用户(i,j)的发射功率之和，若一对真实用户对不满足QoS限制条件，则P_i,j等于常数L₁，L₁大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和，若真实用户与虚拟用户构成全双工对，则P_i,j为真实用户的半双工功率，若两个虚拟用户构成全双工对，则P_i,j等于常数L₂，L₂大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和，以总发射功率最小为目标，获取以矩阵{P_i,j}为效用矩阵的指派问题的解，并以该解为控制参数配置用户接入；可行性检查步骤包括若有用户无法接入，则剔除该用户所在的全双工用户对，获取空闲信道；信道再次分配步骤包括从未接入的真实用户中选取n个功率最小的用户以半双工模式接入，n为空信道的数量。

通过增设虚拟上行用户与虚拟下行用户及以用户对发射功率之和为元素构建矩阵{P_i,j}，以将原来需分步进行的在最大化接入用户数目基础上选取发射功率最小解的问题转化成单步的最小化功率问题，转化成可用K-M算法进行求解的标准指派问题，在大大地降低运算复杂度的同时，实现同时优化网络的用户接入与总发射功率。

具体的方案为L₂＞L₁，当信道不足时，优先将信道分配给由两个真实用户构成的全双工对，而不是由两个虚拟用户构成的全双工对。

另一个具体的方案为QoS限制条件为

其中，

是上行用户的最小数据速率要求,

是下行用户的最小数据速率要求，

为上行用户的速率，为下行用户的速率，a是中断概率。

更具体的方案为若一对真实用户对不满足则P_i,j＝L₁；其中，η是自干扰消除系数，

为上行用户的平均信道功率增益，

为下行用户的平均信道功率增益，

为上行用户与下行用户间的平均信道功率增益。有效地避免两个真实用户因距离不适宜而无法配对的问题出现，以接入更多用户。

再具体的方案为一对真实用户构成全双工对的功率之和

其中，

为上行链路的噪声功率，

为下行链路的噪声功率。在可行性区域内，选取最小发射功率之和构建矩阵元素，进一步优化发射功率。

另一个具体的方案为使用K-M算法获取标准指派问题的最优解集。

优选的方案为当基站处于全双工模式时，上行用户的速率为

下行用户

的速率为

其中，

为上行用户与下行用户匹配时的发射功率，

为下行用户和上行用户匹配时的发射功率，为是上行链路的噪声功率，为下行链路的噪声功率，

为上行用户的信道增益，

为下行用户的信道增益，h_i,j是上行用户和下行用户间的干扰信道的增益，η是自干扰消除系数；当基站处于半双工模式时，上行用户的速率为

下行用户的速率为

P_i ^U为上行用户的发射功率，

为下行用户的发射功率。

另一个更优选的方案为包括前置预判步骤：若M+K≤N，则真实上行用户与真实下行用户均以半双工模式接入，否则进行初始化步骤。

为了实现上述另一目的，本发明提供的用户接入控制装置包括初始化单元、信道预分配单元、可行性检查单元及信道再次分配单元；其中，初始化单元用于在具有N个信道、K个真实上行用户及M个真实下行用户的网络中增加(N-K)个虚拟上行用户与(N-M)个虚拟下行用户；信道预分配单元用于构建N×N矩阵{P_i,j}，P_i,j为一对用户(i,j)的发射功率之和，若一对真实用户对不满足QoS限制条件，则P_i,j等于常数L₁，L₁大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和，若真实用户与虚拟用户构成全双工对，则P_i,j为真实用户的半双工功率，若两个虚拟用户构成全双工对，则P_i,j等于常数L₂，L₂大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和，以总发射功率最小为目标，获取以矩阵{P_i,j}为效用矩阵的指派问题的解，并以该解为控制参数配置用户接入；可行性检查单元用于若有用户无法接入，则剔除该用户所在的全双工用户对，并获取空闲信道；信道再次分配单元用于从未接入的真实用户中选取n个功率最小的用户以半双工模式接入，n为空信道的数量。

附图说明

图1为本发明实施例中混合全双工半双工混合网络的通信示意图；

图2为本发明实施例中用户接入控制方法的工作流程图；

图3为本发明实施例中混合全双工半双工混合网络添加虚拟用户后的通信示意图；

图4为本发明实施例与对比例所需发射功率的对比图；

图5为本发明实施例中用户接入控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步的说明。

实施例

如图1所示，基站1能够开启全双工模式和半双工模式，用户由于硬件限制只能处于半双工模式，在该通信网络中，包含K个真实上行用户

M个真实下行用户

及N条信道，max{K,M}≤N。

根据基站所开启的模式，用户有两种不同的接入方式：

1)当基站处于全双工模式时，上行用户和下行用户

在同一条信道进行信息的传递，如图1中所示的上行用户4与下行用户5构成全双工用户对，基站1受到自干扰，而下行用户5受到来自上行用户4的同信道干扰，二者的可达速率表示为：

其中，

和

分别位上行用户

和下行用户

相匹配时发射功率的，P_i ^U和

分别是上行用户和下行用户的发射功率。

和是上行用户

和下行用户

的信道增益，h_i,j是上行用户

和下行用户

间的干扰信道的增益，η是自干扰消除系数，

为是上行链路的噪声功率，

为下行链路的噪声功率。

2)当基站处于半双工模式时，上行用户

和下行用户

各独占一条信道进行信息传递，如图1中所示的上行用户3与下行用户2均为半双工用户，上行用户

和下行用户

的可达速率表示为：

选取信道为瑞利衰落信道，则

和h_i,j都服从均值为

和

的指数分布。

在基站处于全双工模式时，一对上行用户

和下行用户

必须满足一定的QoS限制，本实施例选用中断概率作为QoS准则，即：

其中，

和是上行用户

和下行用户

的最小数据速率要求，a是中断概率。

对于满足上述QoS限制，一对上下行用户的发射功率域必须满足：

且仅当

时，才存在可行功率域，此时，最优发射功率和

表示为：

如图所2所示，本实施混合全双工半双工网络例包括前置预判步骤S1、初始化步骤S2、初始信道分配步骤S3、可行性检查步骤S4及再次信道分配步骤S5。

前置预判步骤S1，若M+K≤N，则K个真实上行用户与M个真实下行用户均以半双工模式接入，否则进行初始化步骤S2。

初始化步骤S2，增加(N-K)个虚拟上行用户和(N-M)个虚拟下行用户。

在原始包含K个上行用户M个下行用户

N条信道通信网络的基础上，增加(N-K)个虚拟上行用户

和(N-M)个虚拟下行用户

以构建了包含N个上行用户

N个下行用户

N条信道的通信网络。

信道预分配步骤S3，构建N×N矩阵{P_i,j}，元素P_i,j为一对用户(i,j)的发射功率之和，经初始化步骤S2配置后的通信网络，有以下几种不同的上下行匹配方式需要考虑：

1)对于1≤i≤K和1≤j≤M，若一对用户对不满足QoS限制条件，则P_i,j＝L₁，且L₁大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和，即

若上行用户

和下行用户

构成一对全双工对，即如图3所示的上行用户4与下行用户5构成一对全双工用户对，最优发射功率之和为，

2)对于1≤i≤K和M+1≤j≤N，此时，上行用户和一个虚拟下行用户配对，则上行用户

处于半双工模式，即如图3所示的虚拟下行用户8与上行用户3配对，上行用户3处于半双工模式，上行用户的最优发射功率为

3)对于K+1≤i≤N和1≤j≤M，此时，下行用户

和一个虚拟上行用户配对，则下行用户处于半双工模式，即如图3所示的虚拟上行用户7与下行用户2配对，下行用户2处于半双工模式，下行用户的最优发射功率为

4)对于K+1≤i≤N和M+1≤j≤N，此时，虚拟上行用户无法和虚拟下行用户进行配对，赋予这样的虚拟-虚拟用户对的发射功率之和为一个很大的值L₂，例如，L₂大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和，即，

在本实施例中L₂＞L₁。

从而可将原本需分步进行的最大化接入用户数目基础上选取发射功率最小解的问题转化为了单步的最小化功率问题：

上述问题是效用矩阵为{P_i,j}的标准指派问题。

通过K-M算法获取该标准指派问题的解，即{ρ_i,j}，并以该解为控制参数安排用户接入，例如，ρ_i,j＝0，表示用户(i,j)不配对接入，ρ_i,j＝1表示用户(i,j)配对接入。

可行性检查步骤S4，检查是否有用户无法接入，若有，则将该用户所在的全双工用户从解中除去以获取空闲信道。

信道再次分配步骤S5，从未接入的全双工对用户中选取功率最小的n个用户以半双工模式接入通信网络中，其中，n为空信道的数目。

参见图5，本实施例混合全双工半双工网络的用户接入的控制装置9包括前置预判单元91、初始化单元92、信道预分配单元93、可行性检查单元94及信道再次分配单元95。

前置预判单元91用于当M+K≤N时，将K个真实上行用户与M个真实下行用户配置成均以半双工模式接入。

初始化单元92用于增加(N-K)个虚拟上行用户与(N-M)个虚拟下行用户，K为真实上行用户数，M为真实下行用户数，N为信道数。

信道预分配单元93用于构建N×N矩阵{P_i,j}，P_i,j为一对用户(i,j)的发射功率之和；若一对真实用户对不满足QoS限制条件，则P_i,j等于常数L₁，L₁大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和；若真实用户与虚拟用户构成全双工对，则P_i,j为真实用户的半双工功率；若两个虚拟用户构成全双工对，则P_i,j等于常数L₂，L₂大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和；以总发射功率最小为目标，获取以矩阵{P_i,j}为效用矩阵的指派问题的解，并以该解为控制参数配置用户接入。

可行性检查单元94用于存在用户无法接入时，剔除该用户所在的全双工用户对，并获取空闲信道。

信道再次分配单元95用于从未接入的真实用户中选取n个功率最小的用户以半双工模式接入，n为空信道的数量。

在本实施例中，用户分为真实用户与虚拟用户，真实上行用户数与真实下行用户数均是指真实用户的数量。

性能分析

为了评价本实施例的性能，以证明本实施例联合用户接入和功率控制方案的性能优越性，将其与随机匹配方案进行比较，并以技术场景如下的全双工/半双工混合网络为例进行说明：

小区半径为0.1km，基站位于小区中心，上行用户和下行用户数目分别为10个，用户随机分布在小区内。用户和基站间的路径损失为128.1+37.6log(d(km))；用户和用户间的路径损失为148+40log(d(km))。上行用户和下行用户的最低数据速率为2.0bit/s/Hz。

在接入用户数目相等的条件下，对比结果如图4所示：

(1)本实施例中的算法1性能远远超过了随机匹配方案，特别是在信道数目较少的情况下，算法1所需的发射功率远小于随机匹配方案所需的发射功率。

(2)当信道数目逐渐增加时，算法1与随机匹配方案的性能差距越来越小，当信道数目为20时，两者所需发射功率相同，此时，所有用户均处于半双工模式，且发射功率也与自干扰系数无关。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合全双工半双工网络的用户接入控制方法，包括以下步骤：

初始化步骤，在M+K＞N且max{K,M}≤N时，增加(N-K)个虚拟上行用户与(N-M)个虚拟下行用户，K为真实上行用户数，M为真实下行用户数，N为信道数；

信道预分配步骤，构建N×N矩阵{P_i,j}，P_i,j为一对用户(i,j)的发射功率之和；若一对真实用户对不满足QoS限制条件，则P_i,j等于常数L₁，L₁大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和；若真实用户与虚拟用户构成全双工对，则P_i,j为真实用户的半双工功率；若两个虚拟用户构成全双工对，则P_i,j等于常数L₂，L₂大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和；以总发射功率最小为目标，获取以矩阵{P_i,j}为效用矩阵的指派问题的解，并以该解为控制参数配置用户接入；

可行性检查步骤，若有用户无法接入，则剔除该用户所在的全双工用户对，获取空闲信道；

信道再次分配步骤，从未接入的真实用户中选取n个功率最小的用户以半双工模式接入，n为空信道的数量；

所述QoS限制条件为：

其中，是上行用户的最小数据速率要求,

是下行用户的最小数据速率要求，

为上行用户的速率，为下行用户的速率，a是中断概率。

2.根据权利要求1所述的用户接入控制方法，其特征在于,L₂＞L₁。

3.根据权利要求1所述的用户接入控制方法，其特征在于：

若一对真实用户对不满足

则P_i,j＝L₁；

其中，η是自干扰消除系数，为上行用户的平均信道功率增益，

为下行用户的平均信道功率增益，

为上行用户与下行用户间的平均信道功率增益。

4.根据权利要求3所述的用户接入控制方法，其特征在于，一对真实用户构成的全双工对的功率之和

其中，

为上行链路的噪声功率，

为下行链路的噪声功率。

5.根据权利要求1所述的用户接入控制方法，其特征在于，所述获取以矩阵{P_i,j}为效用矩阵的指派问题的解的步骤包括：

使用K-M算法获取所述指派问题的解。

6.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的用户接入控制方法，其特征在于：

当基站处于全双工模式时，上行用户的速率为下行用户的速率为

其中，

为上行用户与下行用户匹配时的发射功率，为下行用户与上行用户匹配时的发射功率，

为是上行链路的噪声功率，

为下行链路的噪声功率，h_i ^U为上行用户的信道增益，

为下行用户的信道增益，h_i,j是上行用户和下行用户间的干扰信道的增益，η是自干扰消除系数；

当基站处于半双工模式时，上行用户的速率为

下行用户的户的速率为

其中，P_i ^U为上行用户的发射功率，为下行用户的发射功率。

7.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的用户接入控制方法，其特征在于，还包括前置预判步骤：

若M+K≤N，则真实上行用户与真实下行用户均以半双工模式接入，否则进行初始化步骤。

8.一种混合全双工半双工网络的用户接入控制装置，其特征在于，包括：

初始化单元，在M+K＞N且max{K,M}≤N时，用于增加(N-K)个虚拟上行用户与(N-M)个虚拟下行用户，K为真实上行用户数，M为真实下行用户数，N为信道数；

信道预分配单元，用于构建N×N矩阵{P_i,j}，P_i,j为一对用户(i,j)的发射功率之和；若一对真实用户对不满足QoS限制条件，则P_i,j等于常数L₁，L₁大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和；若真实用户与虚拟用户构成全双工对，则P_i,j为真实用户的半双工功率；若两个虚拟用户构成全双工对，则P_i,j等于常数L₂，L₂大于两个真实用户构成全双工对时的最大发射功率之和；以总发射功率最小为目标，获取以矩阵{P_i,j}为效用矩阵的指派问题的解，并以该解为控制参数配置用户接入；

可行性检查单元，用于存在用户无法接入时，剔除该用户所在的全双工用户对，并获取空闲信道；

信道再次分配单元，用于从未接入的真实用户中选取n个功率最小的用户以半双工模式接入，n为空信道的数量；

所述QoS限制条件为：

其中，是上行用户的最小数据速率要求,是下行用户的最小数据速率要求，

为上行用户的速率，

为下行用户的速率，a是中断概率。

9.根据权利要求8所述的用户接入控制装置，其特征在于L₂＞L₁。

Images