一種節(jié)能的帶狀覆蓋中繼站部署方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種節(jié)能的帶狀覆蓋中繼站部署方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展以及移動(dòng)用戶數(shù)量的迅猛增長(zhǎng)，人們對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào) 覆蓋要求也在不斷上升，人們期待無論何時(shí)、無論何地都能與任何人及時(shí)交換信息。在LTE-A系統(tǒng)中，中繼技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)，可以提高群移動(dòng)性、提升小區(qū)邊緣吞吐量、 擴(kuò)大小區(qū)覆蓋面積以及應(yīng)用于臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)部署等。目前3GPP己完成了對(duì)無線中繼的前期標(biāo)準(zhǔn) 化工作，Type I中繼作為基本的中繼類型將部署于LTE-A系統(tǒng)中。
[0003] 信號(hào)是隨著距離的增大而衰減的，基站的覆蓋范圍也是有限的，當(dāng)用戶距離基站 比較遠(yuǎn)時(shí)，即當(dāng)用戶處于小區(qū)邊緣地帶時(shí)，用戶將得不到很好的服務(wù)。此外，建筑物對(duì)無線 信號(hào)有很強(qiáng)的屏蔽作用，使得移動(dòng)終端無法正常接入網(wǎng)絡(luò)，形成了移動(dòng)通信的盲區(qū)。特別是 在高速移動(dòng)的列車上，由于多普勒效應(yīng)的影響，導(dǎo)致用戶的掉話率增大。無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題 是一個(gè)值得研究的問題，因此，需要對(duì)這些薄弱區(qū)域部署一些中繼站設(shè)備來提高用戶的性 能。
[0004] 現(xiàn)有的中繼站部署大多考慮環(huán)形覆蓋對(duì)稱部署，即中繼站部署在基站周圍，但這 種部署方式存在對(duì)特定的薄弱區(qū)域無法進(jìn)行較好覆蓋、部署不靈活、擴(kuò)展性差、能耗大和無 法達(dá)到頻譜效率和能量效率目標(biāo)等缺點(diǎn)，也就是說現(xiàn)有的中繼站部署方案無法滿足網(wǎng)絡(luò)的 需求。因此有必要重新考慮中繼站的部署方式。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中繼站部署研究中，許多學(xué)者還 忽視了大范圍區(qū)域與長(zhǎng)帶區(qū)域在拓?fù)渖系牟煌槍?duì)長(zhǎng)帶區(qū)域覆蓋問題還很少人研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述部署方法的不足，本發(fā)明的目的是提供了一種節(jié)能的帶狀覆蓋中繼站部 署方法，該方法能實(shí)現(xiàn)帶狀覆蓋的中繼站確定性部署，能夠?qū)Ρ∪鯀^(qū)域進(jìn)行較好覆蓋，部署 靈活，擴(kuò)展性好，在保證覆蓋以及干擾抑制的條件下，達(dá)到頻譜效率和能量效率的動(dòng)態(tài)平 衡。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下：
[0007] -種節(jié)能的帶狀覆蓋中繼站部署方法，根據(jù)帶狀封閉區(qū)域長(zhǎng)度D和寬度H，考慮部 署中繼站對(duì)帶狀區(qū)域進(jìn)行完全覆蓋，包括如下步驟：
[0008] 首先對(duì)帶狀區(qū)域的寬度H進(jìn)行分析，若是0<HS2r，則只需要部署一個(gè)(d，r)_圓盤 串即可對(duì)帶狀區(qū)域進(jìn)行覆蓋，其中d是兩個(gè)相鄰的中繼站覆蓋圓盤的圓心距離，r是中繼站 的覆蓋半徑;若是H> 2r，則采用分而蓋之的中繼站部署方法對(duì)長(zhǎng)帶狀區(qū)域提供覆蓋；
[0009] 所述方法還包括:采用窮舉搜索方法調(diào)整中繼站間的距離d，在保證中繼站間干擾 權(quán)值矩陣W為零矩陣的條件下，判斷蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)是否達(dá)到頻譜效率和能量效率平衡，從而 找到中繼站的最優(yōu)間距(f。
[0010] 所述干擾權(quán)值矩陣為
其中i和f表示任意兩個(gè)中繼站，％*和 %表示任意中繼站i與中繼站間是否存在干擾的判斷值，若存在干擾，則心=^=1，若不 存在干擾或者干擾可容忍，則％/ =MV,=()。
[0011] 所述判斷蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)是否達(dá)到頻譜效率和能量效率平衡，依據(jù)以下原則：
[0012] max %e
[0014] 其中，蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率為：
（bite/Joule);能量效率為
(b/(s. Hz)>； t是系統(tǒng)頻譜效率的期望值；i和f表示任意兩個(gè)中繼站；表示任意兩個(gè)中繼站i與中繼 站司的距離;dT2與dT1是預(yù)定義的干擾距離閥值。
[0015] 所述的窮舉搜索方法尋找最優(yōu)間距cf，依據(jù)以下原則：
[0016] (1)設(shè)定中繼站的間距范圍de[r，D)，窮舉搜索的步長(zhǎng)為Ad，搜索次數(shù)為
，定 義j = 0，1，2，…，t，第j次的搜索距離為d( j) =r+j A d;
[0017] (2)根據(jù)預(yù)定義的干擾距離閥值計(jì)算中繼站間的干擾，得到干擾權(quán)值矩陣元素％* 和 wr,-，當(dāng) dri 貝ij 當(dāng) ><ir2，貝ij 當(dāng) 0<<, <c/n，-貝ij wu^tr1'
[0018] (3)在每一次搜索中，可能會(huì)導(dǎo)致有些用戶未被中繼站所覆蓋，對(duì)于在帶狀區(qū)域內(nèi) 又沒被中繼站覆蓋的用戶，可以根據(jù)信噪比最大原則接入相應(yīng)的中繼站或者基站；
[0019] (4)根據(jù)以下公式計(jì)算每一次搜索所得到的與每個(gè)中繼站相連的用戶數(shù)、吞吐量， 與基站相連的用戶數(shù)、吞吐量；
[0020] 設(shè)系統(tǒng)所用的帶寬為W，則第i個(gè)中繼站的吞吐量為：
[0022] 式中，Ni表示與第i個(gè)中繼站相連的用戶數(shù)，PR是中繼站的發(fā)射功率，hi,:代表與第i 個(gè)中繼站相連的第1個(gè)用戶的信道系數(shù)，11;1為與第i個(gè)中繼站相連的第1個(gè)用戶受到其它中 繼站的總干擾功率，〇 2為噪聲功率；
[0023] 基站的吞吐量為：
[0025] 式中，Nb表示與基站相連的用戶數(shù)，PB是中繼站的發(fā)射功率，hj代表與基站相連的 第j個(gè)用戶的信道系數(shù)；
[0026] (5)根據(jù)公式①和②及以下公式計(jì)算每一次搜索所得到的系統(tǒng)的吞吐量、總功率 消耗、頻譜效率以及能量效率；
[0027]系統(tǒng)的總吞吐量為：
[0029]系統(tǒng)的總功率消耗為：
[0030] P = Nr( A rPr+Pr〇) + ( A bPb+Pbo)④
[0031]式中，Nr代表要部署的中繼站個(gè)數(shù)；A B和A R分別代表基站和中繼站的功放效率， Pb和Pr分別代表基站和中繼站的發(fā)射功率，Pbo和Pro分別代表基站和中繼站的靜態(tài)功耗； [0032]頻譜效率為
[0034]能量效率為
[0036] (6)在t次搜索所得到的干擾權(quán)值矩陣、頻譜效率以及能量效率中，在保證中繼站 間干擾權(quán)值矩陣
為零矩陣以及保證頻譜效率的同時(shí)最大化能量效率， 找到中繼站的最優(yōu)間距d'其中，矩陣元素是由導(dǎo)到；
[0037] (7)當(dāng)找到中繼站的最優(yōu)間距cf，則搜索結(jié)束。
[0038] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)帶狀覆蓋的中繼站確定性部署，在保證中繼站間 干擾權(quán)值矩陣為零矩陣以及保證頻譜效率的同時(shí)最大化能量效率，達(dá)到頻譜效率和能量效 率的動(dòng)態(tài)平衡，此外，該部署方法可以擴(kuò)展到機(jī)場(chǎng)跑道、高鐵等。
【附圖說明】
[0039] 圖1為下行鏈路信號(hào)傳輸幀結(jié)構(gòu)圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明采用的窮舉搜索方法流程圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的中繼站部署示意圖。
[0042] 附圖中：BS表不每個(gè)小區(qū)的基站;RS表不每個(gè)小區(qū)的中繼站;MU表不每個(gè)小區(qū)的用 戶。
【具體實(shí)施方式】
[0043]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具 體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0044]設(shè)蜂窩網(wǎng)中有多個(gè)小區(qū)，相鄰小區(qū)使用不同的頻帶，不相鄰的小區(qū)可以考慮采用 頻率復(fù)用，這樣所述的中繼站部署方法可以擴(kuò)展到多小區(qū)的中繼站部署。在每個(gè)小區(qū)中，基 站BS配置多根天線，在帶狀區(qū)域內(nèi)部署多個(gè)配置多根天線的中繼站RS，中繼站的覆蓋范圍 為半徑為r的圓形。大量的用戶MU隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)，用戶可以根據(jù)需求接入到基站或者中 繼站。另外，我們只討論兩跳中繼的情形，不考慮更多跳的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。
[0045] 考慮部署中繼站覆蓋一個(gè)長(zhǎng)為D，寬為H的帶狀封閉區(qū)域，其中D>>H。在確定性部 署模式中帶狀區(qū)域的左右邊界效應(yīng)可以忽略。利用（d，r)_圓盤串進(jìn)行帶狀區(qū)域中繼站部 署，（d，r)_圓盤串是指一串圓心沿著直線排列，有著相同半徑r的圓盤串，其中任意兩個(gè)相 鄰的圓盤串的圓盤的圓心距離為d。利用(d，r)_圓盤串進(jìn)行帶狀區(qū)域中繼站部署的方法包 括：
[0046] 對(duì)帶狀區(qū)域的寬度H進(jìn)行分析。若是0<HS2r，則只需要部署一個(gè)(d，r)_圓盤串即 可對(duì)帶狀區(qū)域進(jìn)行覆蓋。若是H>2r，則采用分而蓋之的中繼站部署方法對(duì)長(zhǎng)帶狀區(qū)域提供 覆蓋，分而蓋之是指將長(zhǎng)帶狀區(qū)域劃分成一些子長(zhǎng)帶狀區(qū)域，每個(gè)子帶狀區(qū)域都平行于原 始區(qū)域的長(zhǎng)邊，并且每個(gè)子帶狀區(qū)域的寬度都不大于2r，這樣使用多個(gè)(d，r)_圓盤串即可 對(duì)帶狀區(qū)域進(jìn)行覆蓋。對(duì)長(zhǎng)帶狀區(qū)域的劃分，可根據(jù)需要采用等分或者非等分的方案，等分 是指每個(gè)子帶狀區(qū)域都有相同的寬度，非等分是指每個(gè)子帶狀區(qū)域的寬度可以根據(jù)需求自 定義寬度。
[0047] 在初始部署(d，r)_串中繼站時(shí)，令各個(gè)中繼站相交并能完全覆蓋整個(gè)帶狀區(qū)域。
[0048] 在部署過程中，對(duì)于在帶狀區(qū)域內(nèi)又沒被中繼站覆蓋的用戶，可以根據(jù)信噪比最 大原則接入相應(yīng)的中繼站或者基站。
[0049] 不失一般性，我們討論一個(gè)小區(qū)的蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)下行傳輸場(chǎng)景。中繼站的發(fā)送和 接收采用時(shí)分雙工模式，這就要求中繼站不能同時(shí)從基站接收數(shù)據(jù)，又向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。如 圖1所示，下行鏈路的傳輸分為兩個(gè)時(shí)隙，在第一時(shí)隙，基站將信號(hào)廣播傳給和它直接相連 的中繼站以及用戶。在第二時(shí)隙，中繼站采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議解碼接收到的信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)給和 它相連的用戶，所有中繼站共享一個(gè)頻帶以提高頻譜利用率，當(dāng)中繼站同時(shí)傳輸時(shí)會(huì)引起 相互干擾。
[0050] 對(duì)于中繼站間的干擾，定義如下準(zhǔn)則：設(shè)dT2與dn是預(yù)定義的上下干擾距離閥值， 并且dT1<d T2,當(dāng)兩個(gè)中繼站間的距離小于預(yù)定的距離閾值dT1，則認(rèn)為這兩個(gè)中繼站間存在 干擾；當(dāng)兩個(gè)中繼站間的距離大于預(yù)定的距離閾值辦 2,則認(rèn)為這兩個(gè)中繼站間不存在干擾； 而當(dāng)兩個(gè)中繼站間的距離在[dn，dT2]之間，則認(rèn)為這兩個(gè)中繼站間的干擾是可容許的，這 就要求干擾中繼站對(duì)用戶的干擾使得用戶接收到的信干噪比不小于預(yù)定義的信干噪比門 限值。
[0051] 其中，預(yù)定的干擾距離閾值的具體數(shù)值可以由中繼