本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于隨機(jī)幾何的雙層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻譜-能量效率平衡方法。

背景技術(shù)：

近幾十年來，新的移動(dòng)通信設(shè)備不斷涌現(xiàn)，移動(dòng)用戶數(shù)量急劇增加，這就需要為移動(dòng)用戶提供大量的接入點(diǎn)和數(shù)據(jù)流量。

現(xiàn)有的單層宏蜂窩部署技術(shù)存在以下技術(shù)問題：網(wǎng)絡(luò)容量小，所需能耗大、費(fèi)用高，設(shè)備龐大不便于移動(dòng)操作，所提供的接入點(diǎn)少，不能滿足無線通信系統(tǒng)中日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量的需求。

多層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署已經(jīng)成為日前通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，也為正在研究中的5G系統(tǒng)部署提供了參考。所謂的多層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)就是同時(shí)包含宏蜂窩，小蜂窩(微蜂窩，微微蜂窩)的網(wǎng)絡(luò)，此外，小蜂窩的密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于宏蜂窩的密度以分擔(dān)宏蜂窩的負(fù)載提高系統(tǒng)容量。隨著網(wǎng)絡(luò)的超密部署，隨之所需的頻帶和消耗的能量也不容忽視。為了盡可能的實(shí)現(xiàn)綠色通信的理念，我們要有效的控制網(wǎng)絡(luò)的密度以實(shí)現(xiàn)頻譜-能量效率的平衡。

隨機(jī)幾何因具有靈活、易分析等特性被廣泛應(yīng)用于多層蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)。在所有的點(diǎn)過程中，由于泊松點(diǎn)過程的獨(dú)立特性使其成為最廣泛、靈活、重要的點(diǎn)過程。此外，泊松點(diǎn)過程的概率密度函數(shù)與概率產(chǎn)生函數(shù)易于獲得，基于泊松點(diǎn)過程建模的網(wǎng)絡(luò)易于分析和理解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于隨機(jī)幾何的雙層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻譜-能量效率平衡方法，解決因以移動(dòng)用戶增加所帶來的接入點(diǎn)不足和數(shù)據(jù)流量短缺的問題。

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，基于泊松點(diǎn)過程構(gòu)建雙層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，然后對(duì)此模型進(jìn)行分析，得到此網(wǎng)絡(luò)的頻譜-能量效率隨著網(wǎng)絡(luò)密度的變化的情況以及平衡關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于隨機(jī)幾何的雙層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻譜-能量效率平衡方法，包括以下步驟：

步驟1，利用隨機(jī)幾何中的泊松點(diǎn)過程構(gòu)建雙層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；

步驟2，基于泊松點(diǎn)過程的概率密度函數(shù)、概率產(chǎn)生函數(shù)得到系統(tǒng)總吞吐量；

步驟3，由頻譜效率與能量效率的定義得到整個(gè)系統(tǒng)關(guān)于頻譜效率和能量效率與網(wǎng)絡(luò)密度的關(guān)系。

其中，所述的步驟1包括：

步驟1.1，在區(qū)域A內(nèi)構(gòu)建一個(gè)兩層的下行異構(gòu)超密蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這兩層分別服從相互獨(dú)立密度為λ_k的泊松點(diǎn)過程Φ_k，其中，當(dāng)k＝1時(shí)為微基站層，當(dāng)k＝2時(shí)為宏基站層；

步驟1.2，移動(dòng)用戶服從密度為λ_u的泊松點(diǎn)過程Φ_u。

所述的步驟2包括：

步驟2.1，第k層基站的發(fā)射功率為p_tk，目標(biāo)用戶與相應(yīng)服務(wù)基站之間的隨機(jī)信道增益h_k～exp(1)，除目標(biāo)用戶的服務(wù)基站外的所有基站都存在干擾，第k層的第i個(gè)干擾基站與目標(biāo)用戶的距離為R_k,i，同理信道增益H_k,i～exp(1)；

步驟2.2，設(shè)定信道衰落、信道噪聲、可用帶寬參數(shù)以及用戶接入基站的準(zhǔn)則，本發(fā)明規(guī)定信道衰落為瑞利衰落，路徑損耗為α(>2)，信道噪聲為均值為0，方差為δ²的加性高斯白噪聲，整個(gè)信道的可用帶寬為B，頻譜被均勻的分成M個(gè)子信道，則每個(gè)子信道的帶寬為B₀＝B/M，用戶與提供最大接收功率的基站進(jìn)行通信，目標(biāo)用戶與服務(wù)基站距離為r_k；

步驟2.3，根據(jù)信干噪比的定義計(jì)算出目標(biāo)用戶的信干噪比I是k層基站對(duì)目標(biāo)用戶的總干擾；

步驟2.4，再根據(jù)香農(nóng)公式得出目標(biāo)用戶的接收速率

步驟2.5，由于用戶和基站是隨機(jī)分布的，通過對(duì)距離積分可以得到每個(gè)微蜂窩與宏蜂窩的平均吞吐量f_d(r_k)是距離r_k的概率密度函數(shù)，它實(shí)際上表示目標(biāo)用戶與服務(wù)基站b_k的連接概率；M(r_k)是在與服務(wù)基站b_k距離r_k處的用戶數(shù),它與用戶是否和b_k通信無關(guān)；故f_d(r_k)M(r_k)表示在與服務(wù)基站b_k距離r_k處的實(shí)際用戶數(shù)；E表示數(shù)學(xué)期望；

步驟2.6，用微基站和宏基站的密度λ_k分別對(duì)它們的吞吐量加權(quán)進(jìn)而得到系統(tǒng)總的吞吐量T_total＝λ₁S_AT₁+λ₂S_AT₂＝S_A(λ₁T₁+λ₂T₂)，其中，S_A是區(qū)域A的面積。

所述的步驟3包括：定義系統(tǒng)的頻譜效率η_SE為整個(gè)系統(tǒng)的總吞吐量與整個(gè)系統(tǒng)帶寬的比值，系統(tǒng)的能量效率η_EE為整個(gè)系統(tǒng)的總吞吐量與整個(gè)系統(tǒng)所消耗的總功率的比值，根據(jù)以上定義求得系統(tǒng)的頻譜效率與能量效率其中，p_c1，p_c2是信號(hào)處理、備用電池過程消耗的功率，與基站的發(fā)射功率無關(guān)，ρ_pA1ρ_pA2是功率放大器的效率。

所述的步驟3之后還包括步驟4，通過優(yōu)化理論來獲得頻譜效率和能量效率之間的關(guān)系閉合表達(dá)式。所述的步驟4在滿足一定約束條件的情況下，尋找最優(yōu)的發(fā)射功率和網(wǎng)絡(luò)密度最大化η_EE，即其中，是網(wǎng)絡(luò)所需的最小頻譜效率，p_{tk max}為基站的最大發(fā)射功率，從上述優(yōu)化問題看出可以通過改變網(wǎng)絡(luò)密度來保持頻譜效率和能量效率之間的平衡。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了以下有益技術(shù)效果：

1)卸載了宏蜂窩的大部分負(fù)載給小蜂窩，增大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提高了網(wǎng)絡(luò)容量；

2)可以依據(jù)工程實(shí)踐中想要達(dá)到的目的，有效的改變網(wǎng)絡(luò)的密度，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量-頻譜效率的平衡。

因此，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有更好的移動(dòng)用戶體驗(yàn)，并為5G的蜂窩部署提供了有效的參考，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明：

圖1為微蜂窩用戶與距離最近的干擾源模型；

圖2為宏蜂窩用戶與距離最近的干擾源模型。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不是對(duì)本發(fā)明的限制。

實(shí)施例：

基于隨機(jī)幾何的雙層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)頻譜-能量效率平衡方法的步驟如下：

步驟1，利用隨機(jī)幾何中的泊松點(diǎn)過程構(gòu)建雙層超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；

步驟1.1，在區(qū)域A內(nèi)構(gòu)建一個(gè)兩層的下行異構(gòu)超密蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這兩層分別服從相互獨(dú)立密度為λ_k的泊松點(diǎn)過程Φ_k，其中，當(dāng)k＝1時(shí)為微基站層，當(dāng)k＝2時(shí)為宏基站層；

步驟1.2，移動(dòng)用戶服從密度為λ_u的泊松點(diǎn)過程Φ_u；

步驟2，基于泊松點(diǎn)過程的概率密度函數(shù)、概率產(chǎn)生函數(shù)得到系統(tǒng)總吞吐量；

步驟2.1，第k層基站的發(fā)射功率為p_tk，目標(biāo)用戶與相應(yīng)服務(wù)基站之間的隨機(jī)信道增益h_k～exp(1)。除目標(biāo)用戶的服務(wù)基站外的所有基站都存在干擾，第k層的第i個(gè)干擾基站與目標(biāo)用戶的距離為R_k,i，同理信道增益H_k,i～exp(1)；

步驟2.2，設(shè)定信道衰落、信道噪聲、可用帶寬參數(shù)以及用戶接入基站的準(zhǔn)則，規(guī)定信道衰落為瑞利衰落，路徑損耗為α(>2)，信道噪聲為均值為0，方差為δ²的加性高斯白噪聲。整個(gè)信道的可用帶寬為B，頻譜被均勻的分成M個(gè)子信道，則每個(gè)子信道的帶寬為B₀＝B/M,每個(gè)用戶只被分配一個(gè)子信道與接入點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng)用戶數(shù)大于子信道數(shù)時(shí)，采用時(shí)分的方式分配資源。用戶與提供最大接收功率的基站進(jìn)行通信，當(dāng)用戶接入與其距離為r_k的服務(wù)基站時(shí)，基站為其分配的功率為p_k＝p_tk/M，則

步驟2.3，根據(jù)信干噪比的定義計(jì)算出目標(biāo)用戶的信干噪比

其中b_k為目標(biāo)用戶的服務(wù)基站，I是k層基站對(duì)目標(biāo)用戶的總干擾；

步驟2.4，再根據(jù)香農(nóng)公式得出目標(biāo)用戶的接收速率

步驟2.5，由于用戶和基站是隨機(jī)分布的，通過對(duì)距離積分可以得到每個(gè)微蜂窩與宏蜂窩的平均吞吐量，每個(gè)蜂窩的平均吞吐量可以表示為對(duì)距離r_k的積分

f_d(r_k)是距離r_k的概率密度函數(shù)，它實(shí)際上表示目標(biāo)用戶與服務(wù)基站b_k的連接概率；M(r_k)是在與服務(wù)基站b_k距離r_k處的用戶數(shù)，它與用戶是否和b_k通信無關(guān)；故f_d(r_k)M(r_k)表示在與服務(wù)基站b_k距離r_k處的實(shí)際用戶數(shù)；E表示數(shù)學(xué)期望；

由于2-D泊松過程中任取一個(gè)點(diǎn)不在區(qū)域A內(nèi)的概率為(s_A為區(qū)域A的面積)，因此由于用戶服從PPP過程，因此在2-D區(qū)域A內(nèi)用戶數(shù)的概率

其中，故M(r_k)＝λ_u2πr_kΔr_k，Δr_k是r_k上極其小的一段。

下面分別討論每個(gè)微蜂窩與宏蜂窩的平均吞吐量，為了以下積分方便，按照換底公式把log₂(·)轉(zhuǎn)換成ln(·)；令則

1.微蜂窩的平均吞吐量

其中，M(r₁)＝λ_u2πr₁Δr₁

倒數(shù)第二步由h～exp(1)得到

L_I(s)是I的Laplace變換，由于Φ₁,Φ₂獨(dú)立，故所引起的干擾I₁,I₂也是獨(dú)立的，

其中s₁＝μ₁r₁^α(e^t-1)

倒數(shù)第二步由泊松點(diǎn)過程的概率產(chǎn)生函數(shù)得到，最后一步由H_k,i～exp(1)得到。I₁是微基站對(duì)微基站用戶的干擾，

如附圖1所示，滿足p₁h₁r₁^-α>p₁H_1,iR_1,i^-α，故R_1,i>r₁，

同理，

I₂是宏基站對(duì)微基站用戶的干擾，

如附圖1所示，滿足p₁h₁r₁^-α>p₂H_2,iR_2,i^-α，故

其中，

故

上式中，

2.宏蜂窩的平均吞吐量

其中，

同理，

(Φ₁,Φ₂獨(dú)立)

其中，s₂＝μ₂r₂^α(e^t-1)

I₁是微基站對(duì)宏基站用戶的干擾，

如附圖2所示，滿足p₂h₂r₂^-α>p₁H_1,iR_1,i^-α，故

I₂是宏基站對(duì)宏基站用戶的干擾，

如附圖2所示滿足p₂h₂r₂^-α>p₂H_2,iR_2,i^-α，故R_2,i>r₂。

其中，

故

上式中，

系統(tǒng)的總吞吐量

上式中令Δr＝Δr₁＝Δr₂。

步驟3定義系統(tǒng)的頻譜效率η_SE為整個(gè)系統(tǒng)的總吞吐量與整個(gè)系統(tǒng)帶寬的比值，系統(tǒng)的能量效率η_EE為整個(gè)系統(tǒng)的總吞吐量與整個(gè)系統(tǒng)所消耗的總功率的比值，根據(jù)以上定義求得系統(tǒng)的頻譜效率與能量效率其中，p_c1，p_c2是信號(hào)處理、備用電池過程消耗的功率，與基站的發(fā)射功率無關(guān)，ρ_pA1ρ_pA2是功率放大器的效率，

步驟4，由于無法從步驟3中獲得刻畫頻譜效率和能量效率之間的關(guān)系閉合表達(dá)式，本發(fā)明通過優(yōu)化理論來獲得頻譜效率和能量效率之間的關(guān)系。具體地，在滿足使用者依據(jù)具體需求設(shè)定的約束條件的情況下，尋找最優(yōu)的發(fā)射功率和網(wǎng)絡(luò)密度最大化η_EE，

即

其中，是網(wǎng)絡(luò)所需的最小頻譜效率，p_{tk max}為基站的最大發(fā)射功率。從上述優(yōu)化問題看出可以通過改變網(wǎng)絡(luò)密度來保持頻譜效率和能量效率之間的平衡。