CN107484176B - 一种异构网络中联合3d波束赋形和无线回程资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构网络中联合3D波束赋形和无线回程资源分配方法，包括以下步骤：步骤1，构建一个双层异构网络中的下行链路，所述下行链路包括一个宏小区，所述宏小区中覆盖有S个微小区，所述宏小区中还分布有多个用户且每个用户都接入任一个微小区；步骤2，在步骤1构建的双层异构网络中的下行链路，得到s个SBS和接入该微小区的用户的总的数据传输速率；步骤3，同时优化下倾角θ和使全部用户的整体数据传输速率R_s,s最大化。

Description

一种异构网络中联合3D波束赋形和无线回程资源分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种异构网络中联合3D波束赋形和无线回程资源分配的方法。

背景技术

新兴起的5G蜂窝网络主要用于支持不断增长的数据传输速率，以满足对无线业务爆发式增长的需求。网络密集化是可达到用户所需数据传输速率的一种有效方法。网络密集化的其中一个方法就是在传统宏蜂窝中部署低功率节点的微小区，构成异构网络。在异构网络中，频率资源可以在微小区间进行复用，促使整个***的数据速率得到提升。但是异构网络的性能受到微小区回程容量的限制。因此为了确保微小区的回程容量，必须为回程链路预留频率资源。除此之外，预留给回程链路的频率资源总量还需经过优化，以确保整个网络的性能。另一方面，3D波束赋形是用于进一步提升蜂窝网络***性能的可行方案。与传统2D波束赋形不同的是，3D波束赋形利用了三维信道信息，因此更加灵活，而2D波束赋形只利用了二维信道信息，忽略了垂直方向上的信息。因此，和传统波束赋形方案相比，3D波束赋形可以使***获得更高的性能增益。一些近期的研究调查了微小区和3D波束赋形的性能。N.Wang等人在文献“N.Wang,E.Hossain,and V.K.Bhargava,“Joint downlink cellassociation and bandwidth allocation for wireless backhauling in two-tierHetNets with large-scale antenna arrays,”IEEE Trans.WirelessCommun.,vol.15,no.5,pp.3251–3268,2016”中研究了双层异构网络关于无线回程的小区接入和带宽分配问题，该文献中把部分专用频率带宽分配给回程链路以获得更高的容量，但是并没有考虑3D波束赋形。文献“M.Brau,Y.Corre,and Y.Lostanlen,“Assessment of 3Dnetworkcoverage performance from dense small-cell LTE,”in IEEEInt.Conf.Commun.,2012,pp.6820–6824.”以及“B.Yu,L.Yang,and H.Ishii,“Loadbalancing with 3D beamforming inmacro-assisted small cell architecture,”IEEETrans.Wireless Commun.,vol.15,no.8,pp.5626–5636,2016.”研究了3D波束赋形的问题，但是并没有考虑回程链路的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种异构网络中联合3D波束赋形和无线回程资源分配方法，解决了现有技术中存在的问题。本发明联合考虑异构网络中的3D波束赋形和资源分配问题，解决了现有技术中只考虑3D波束赋形，或者只考虑资源分配、或者只考虑无线链路回程的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种异构网络中联合3D波束赋形和无线回程资源分配方法，包括以下步骤：

步骤1，构建一个双层异构网络中的下行链路，所述下行链路包括N个频率资源块，所述下行链路包括一个宏小区，所述宏小区覆盖有一个宏基站和S个微小区，每个微小区覆盖有一个微基站，所述宏小区为微小区提供无线回程，所述微小区通过宏基站与宏小区进行通信；所述宏小区中分布有多个用户且每个微小区中均分布有至少一个用户；所述宏基站配置有N_t个3D发射天线；

步骤2，在步骤1构建的双层异构网络中的下行链路，通过式(13)、(14)得到第s个微基站和接入第s个微小区的用户的总的数据传输速率：

其中，s＝1,2,...,S，s′＝1,2,...,S，s′≠s，R_s,0为第s个微基站的总的数据传输速率，R_s,s为接入第s个微小区的用户的总数据传输速率，N_t为宏基站配置的3D发射天线数量，N为频率资源块的总数量，为N个频率资源块中用于回程链路的比例，表示第s个微基站接收的噪声功率，p_s,0为宏基站发射给第s个微基站的发射功率，表示第s个微小区的用户接收的噪声功率，g_s,s'表示第s个微小区的用户到第s'个微基站的大尺度信道信息，g_s,s为第s个微小区的用户到第s个微基站的大尺度信道信息，，p_s,s为第s个微基站的发射功率，p_s',s'为第s'个微基站的的发射功率；

步骤3，通过式(18)联合优化宏基站天线的垂直视轴角θ和使全部用户的整体数据传输速率最大化，同时考虑回程链路数据率的限制；

式(18)中，是的最优值，f_s(θ)为目标函数，

进一步地，步骤3中的式(18)可转化为式(19)：

式(19)中，为基于式(19)所得到的的最优值，f_s(θ)为目标函数，

本发明的有益效果是

本发明与已有的方法相比综合考虑了3D波束赋形和无线回程资源分配，与已有的方法相比可以极大地提升用户的速率和***的整体性能。

附图说明

图1是不同微小区数目时的用户平均吞吐量图；

图2是不同微小区数目时本发明方法与已有方法相比时的性能增益图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

步骤1，考虑一个双层异构网络中的下行链路，一个宏小区中覆盖有S个微小区。多个用户分布在宏小区中且每个用户都接入一个微小区。宏小区为微小区提供无线回程。宏基站(MBS)配置有N_t个3D发射天线，每个微基站(SBS)和用户都设有一个全向天线。假定N_t≥S，特定的频率带宽被回程链路利用(从宏基站到微基站)。不同微小区的回程链路共享相同的资源块。宏基站采用了迫零(ZF)波束赋形可消除微基站之间的干扰。根据文献“TR36.873Study on 3D channel model for LTE,3GPP Std.,Rev.12.2.0,Jul.2015.”，宏基站和微基站间的3D天线增益与多个因素有关，包括从微基站到宏基站的水平和垂直角度、水平和垂直波束视轴角、半功率波束带宽、旁瓣衰减、前后比衰减比和最大天线增益G_m。本发明主要针对垂直波束赋形，因此，从MBS到第s个SBS的大规模信道信息可表示为

式(1)中，L_s,0是从第s个微基站到宏基站的路径损耗，θ和θ_3dB是宏基站天线的垂直视轴角(下倾角)和垂直半功率波束宽度，θ_s,0是从第s个微基站到宏基站的垂直视角；G_max为最大天线增益；

本实施例中，第s个SBS接收到的信号可以写成：

其中，h_s,0、w_s,0、p_s,0和x_s,0分别是从MBS到第s个SBS的小尺度信道信息、归一化预编码向量、发射功率以及发射信号。z_s,0是高斯白噪且

第s个微小区的用户的接收信号可以表示为：

式中，g_s,s'和h_s,s'分别是从第s'个SBS到第s个微小区用户的大尺度信道信息和服从瑞利分布的小尺度信道信息。w_s,s,p_s,s和x_s,s分别是第s个SBS到第s个微小区用户的最大比传输***、发射功率以及发射信号。Z_s,s是高斯白噪声且

本实施例中，步骤1中所述***综合考虑了3D波束赋形和无线回程链路限制；

步骤2，第s个SBS以及第s个微小区用户的可达数据传输速率可以表示为

和

其中，S_s,0和S_s,s是第s个SBS的信号功率，I_s,s是用户在第s个SC中的跨层干扰功率。根据文献“J.Fan,Z.Xu,and G.Y.Li,“Performance analysis of MU-MIMO indownlinkcellular networks,”IEEE Commun.Lett.,vol.19,no.2,pp.223–226,2015.”，式(4)和(5)可近似为：

由(2)和(3)，S_s,0，S_s,s和I_s,s可以表示为：

和

根据文献“J.Fan,Z.Xu,and G.Y.Li,“Performance analysis of MU-MIMOindownlink cellular networks,”IEEE Commun.Lett.,vol.19,no.2,pp.223–226,2015.”，S_s,0，S_s,s和I_s,s服从伽马分布。其尺度系数分别可以表示为

其形状参数分别由

给出。因此，

所以，在(6)和(7)中的数据传输速率可进一步表示为：

和

假定有N个频率资源块(RBs)，用于回程链路的比例占其中那么，s个SBS和接入该微小区的用户的总的数据传输速率可以分别表示为：

在(14)中，用户整体的数据传输速率忽略了回程容量的限制。如果考虑回程容量，则有：R_s,s≤R_s,0；

本实施例中，步骤2中给出了所述***中数据率的解析表达式，便于分析***的性能；

步骤3，考虑了微小区无线回程中的联合3D波束赋形方法和资源分配，通过式(16)同时优化下倾角θ和使全部用户的整体数据传输速率最大化。

s.t.

θ_min≤θ≤θ_max (16c)

式中，(16a)限制了对于回程链路资源块分配值的比值；(16b)考虑了回程链路数据率限制；θ_min和θ_max为下倾角的最小值和最大值，(16c)限制了下倾角的有效范围。

将(13)和(14)带入(16)，这个问题可以重新表示为：

s.t.

θ_min≤θ≤θ_max (17b)

其中，(17a)联合了(16a)和(16b)。从(17)可以得出，固定时，目标函数不会随着θ的改变而改变；如果θ在可实行区域内，目标函数是的递减函数。因此，式(17)的目标函数取最大值时所对应的是满足(17a)和(17b)的的最小值。

假设

所以，式(17)中的问题可以等价为：

实施例2

实施例1中的式(18)是混合整数非线性优化问题，直接找到最优解很难，本实施例转而解决其对偶问题，找到次优解决方案，

本实施例与实施例1的区别在于，将实施例1中步骤3中的式(18)可转化为式(19)：

式(19)中，为基于式(19)所得到的的最优值，f_s(θ)为目标函数，

假设发射功率在整个频率带宽中平均分配，且分配给每一个SBS的功也是相同的。对任意s，f_s(θ)的最大值取决于r_s,0。根据(1)和(13)，当MBS天线的垂直下倾角等于第s个SBS的垂直视角时，第s个SBS的数据率r_s,0最大，假设假设S₀是在时满足(16b)的所有SBS索引的集合。对于所有的s∈S₀，首先计算然后找到了在所有的s∈S₀中的最小值。假设相应的SBS索引值为S^*，则式(18)的次优解为和

基于无线回程中的联合3D波束赋形方法和资源分配的提出的算法总结如下：

a.计算下倾角s∈S时所对应的目标函数的值。

b.在所有的s∈S中，找到的最小值。假设s^*是目标函数的最小值所对应的微小区的索引值。

c.最优的资源分配比例最优的下倾角为

本实施例便于利用低复杂度算法求解问题，无需利用穷尽搜索来寻优最优下倾角，只需要进行有限次计算，降低了计算复杂度。

实验结果分析：

通过仿真展示所提算法的性能，在异构网络中在宏小区中布置多个微小区，每个微小区有一个用户。

图1给出了在不同数量微小区的部署下用户平均数据传输速率。其中“Proposed”为本发明的方法，参考算法“Fixed tilt”和“Fixed tilt and resource allocation”分别表示垂直下倾角固定和同时固定下倾角以及资源分配方案。从图1中可知，在不同数量微小区的设置下，本发明提出的算法比考虑固定下倾角的方案表现得更好，因为本发明方法考虑入了3D波束赋形增益。此外，随着微小区数量的增加，用户平均数据速率单调下降。这是由于从其他微小区到用户的层间干扰增加，降低了每个用户的数据传输速率。

图2展示了本发明所提出的方法和统一资源分配方案的性能增益对比。从图中可知，由于3D波束赋形增益，在不同微小区数量设置的情况下，本发明的方法在性能方面提高了5％-21％。

Claims (2)

1.一种异构网络中联合3D波束赋形和无线回程资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建一个双层异构网络中的下行链路，所述下行链路包括N个频率资源块，所述下行链路包括一个宏小区，所述宏小区覆盖有一个宏基站和S个微小区，每个微小区覆盖有一个微基站，所述宏小区为微小区提供无线回程，所述微小区通过宏基站与宏小区进行通信；所述宏小区中分布有多个用户且每个微小区中均分布有至少一个用户；所述宏基站配置有N_t个3D发射天线；

步骤2，在步骤1构建的双层异构网络中的下行链路，通过式(13)、(14)得到第s个微基站和接入第s个微小区的用户的总的数据传输速率：

其中，s＝1,2,...,S，s′＝1,2,...,S，s′≠s，R_s,0为第s个微基站的总的数据传输速率，R_s,s为接入第s个微小区的用户的总数据传输速率，N_t为宏基站配置的3D发射天线数量，N为频率资源块的总数量，为N个频率资源块中用于回程链路的比例， 表示第s个微基站接收的噪声功率，p_s,0为宏基站发射给第s个微基站的发射功率，表示第s个微小区的用户接收的噪声功率，g_s,0(θ)为第s微小区基站到宏小区基站的大尺度信道信息，θ是宏小区天线的下倾角，g_s,s'表示第s个微小区的用户到第s'个微基站的大尺度信道信息，g_s,s为第s个微小区的用户到第s个微基站的大尺度信道信息，p_s,s为第s个微基站的发射功率，p_s',s'为第s'个微基站的的发射功率；

步骤3，通过式(18)联合优化宏基站天线的垂直视轴角θ和使全部用户的整体数据传输速率最大化，同时考虑回程链路数据率的限制；

式(18)中，是的最优值，f_s(θ)为目标函数，

2.如权利要求1所述的异构网络中联合3D波束赋形和无线回程资源分配方法，其特征在于，步骤3中的式(18)可转化为式(19)：

式(19)中，为基于式(19)所得到的的最优值，f_s(θ)为目标函数，