超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法.pdf

本发明公开了一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于，包括步骤：1)将系统资源划分为S个相互正交的部分，采用最大化最小本地服务基站距离的用户调度方法将待调度用户调度至正交的系统资源上；2)在确定了每个正交资源上的被调度用户集合之后，采用基于相对干扰强度的动态基站成簇方法,对各个资源上的用户独立进行协作基站选择。本发明通过将相互干扰较大的活跃用户调度到彼此间正交的系统资源上，从而获得更高的频谱效率，且仅需已知基站的位置坐标而无需测量用户的信道状态，对系统资源要求较低；同时通过合理选择原本不进行数据传输的基站加入协作簇，避免引入过多的额外干扰，从而提升用户速率性能。

权利要求书1.  一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于，包括步骤：步骤一、在无协作场景下根据用户的本地服务基站决定属于各正交资源上的被调度用户集合，采用最大化最小本地服务基站距离的用户调度方法；步骤二、在确定了每个正交资源上的被调度用户集合之后，对各个资源上的用户独立进行协作基站选择，采用基于相对干扰强度的动态基站成簇方法。2.  根据权利要求1所述的一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于：步骤一中，所述最大化最小本地服务基站距离的用户调度方法包括步骤：步骤11：给定正交资源数S及多小区蜂窝移动通信系统中待调度用户的本地基站集合L，初始化各正交资源上的被调度用户集合k＝1,2,...,S以及未被调度用户集合u*＝u，u为待调度用户集合，本地基站的个数为B，共有Nt根基站天线，及K个单天线的用户；步骤12：为各个正交资源上的被调度用户集合Sk从未被调度用户集合u*中选择一个初始用户ik，则被调度用户集合Sk＝Sk∪{ik}，未被调度用户集合u*＝u*\{ik}，k＝1,2,…S；步骤13：从未被调度用户集合u*中选取一个用户i*，计算用户i*的本地基站与各正交资源上的被调度用户集合Sk中用户的本地基站间的距离，并记录不同资源上距离的最小值向量其中l＝1,2,…,S表示用户i*的本地基站与第l个正交资源上的被调度用户集合Sl中各用户的本地基站间距离的最小值；步骤14：对不同资源上距离的最小值向量中的元素进行降序排序操作，抽取向量中元素下标得到候选的正交资源序号向量k*， 则为最大的最小本地服务基站距离的资源序号；从k*中依次选取一个正交资源序号若第个正交资源上用户数达上限，则令s＝s+1，寻找下一个正交资源，直到找到的正交资源上用户数未满，然后将用户i*调度至资源则未被调度用户集合u*＝u*\{i*}；步骤15：重复步骤13和步骤14，直到完成对所有用户的调度，未被调度用户集合u*为空。3.  根据权利要求2所述的一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于：所述正交资源上用户数达上限，满足所述用户数未满，满足K表示用户总数，S表示正交资源总数。4.  根据权利要求1所述的一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于：所述步骤二中，基于相对干扰强度的成簇方法包括以下步骤：步骤21：根据步骤一中得到的各正交资源上被调度用户集合Sk，给定相对干扰门限值Ithreshold及最大协作簇大小Bc，初始化各正交资源上未成簇用户集合 及每个用户的协作簇cj，j∈Sk；步骤22：从未成簇用户集合中选取一个用户j*，则测量用户j*非活跃邻居基站的信号强度，对其邻居基站进行信号强度的排序得到基站序号向量步骤23：若用户j*的协作簇未满，即则从基站序号向量中依次选取一个基站计算新加入的协作基站对其他用户Sk\{j*}的相对干扰比 值，若相对干扰比值大于等于门限值Ithreshold，则将基站加入用户j*的协作簇并将基站置于活跃状态，重复步骤23直到用户j*的协作簇满，即若相对干扰比值小于Ithreshold，则结束对用户j*协作簇的选取，跳至步骤22，进行下一个用户的协作基站选择；步骤24：重复步骤22和步骤23直到未成簇用户集合为空，完成动态基站成簇过程。5.  根据权利要求4所述的超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于：在所述步骤23中协作基站对其他用户的相对干扰比值I'，定义为协作基站对用户j*的信号强度与协作基站对Sk\{j*}中用户的干扰强度之和的比值I'。

说明书超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法
技术领域
本发明涉及通信技术，特别是涉及一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法。
背景技术
国家电网公司目前正致力于智能电网的建设，智能电网的建设涵盖智能发电、智能输电、智能变电、智能配电、智能用电及智能调度等多个环节，而通信信息技术是智能电网建设的核心支撑平台。除传统的光纤通讯外，智能电网的建设也越来越依赖先进的无线通讯技术的应用，对无线通讯的实时性、可靠性和通讯带宽也提出了更高的要求。电网公司可充分依托各变电站布置通讯基站，从而在电力内网的基础上，将高带宽通讯网络向外作延伸，充分覆盖输电线路等应用场合，彻底解决输电线路状态监测通讯带宽瓶颈问题，并且可实现移动监控、移动通讯、移动运维，有利于建立电力系统移动作业信息通讯平台。
在多小区蜂窝移动通信系统中，传统的单基站传输会带来严重的小区间共道干扰(ICI)，从而造成系统性能的下降，尤其对于小区边缘用户来说损害尤为明显。因此，如何有效抑制ICI、提高用户吞吐量成为亟待解决的问题。作为下一代(5G)无线通信系统中的一种重要网络形态，超密集网络通过部署更高密度、更小覆盖范围及更低成本与功率的网络节点，拉近用户与服务节点间的距离，能够极大提高空间复用率及系统覆盖性能，满足未来用户对更高数据速率的需求。预计在不远的将来，随着基站部署密度的进一步增加，传输节点数将最终超过移动用户数并可能出现每个用户占有多个传输节点的情况。
作为另外一种对抗ICI的有效方式，多点协作技术通过多个站点间的联合调度与协作传输，化干扰信号为有用信号，以此达到降低网络干扰水平、提高用 户接收信号质量的目的。作为理想的协作方式，全局多小区协作能够完全消除ICI并取得最优的性能，但随之而来的巨大反馈开销、回程链路开销以及对系统同步的要求使得这种方式并不可行。因此，在实际系统中，通常将数目众多的基站划分为较小的集合(即协作簇)，然后采用集合内基站有限协作的方式。为了进行合理的协作簇划分以获得更高的用户速率，针对传统蜂窝网络现已提出了若干基于地理位置信息或变化的信道状态信息的静态及动态成簇算法，能够获得相比于传统单基站传输方式明显的性能提升。然而，考虑到超密集网络自身的特点，如节点数目众多、节点数可能超过用户数等，现有成簇算法大多会由于计算复杂度过高或协作基站相距过远等原因不再有效，因此需要设计适用于超密集网络的多基站协作策略。基于以上背景，本文给出一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，通过将相互干扰较大的活跃用户调度到彼此间正交的系统资源上，获得更高的频谱效率，并且合理选择原本不进行数据传输的基站加入协作簇，从而提升用户速率性能。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一、在无协作场景下根据用户的本地服务基站决定属于各正交资源上的被调度用户集合，采用最大化最小本地服务基站距离的用户调度方法；
步骤二、在确定了每个正交资源上的被调度用户集合之后，对各个资源上的用户独立进行协作基站选择，采用基于相对干扰强度的动态基站成簇方法。
前述的一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于：步骤一中，所述最大化最小本地服务基站距离的用户调度方法包括步骤：
步骤11：给定正交资源数及多小区蜂窝移动通信系统中待调度用户的本地基站集合L，初始化各正交资源上的被调度用户集合以及未被调度用户集合为待调度用户集合，本地基站的个数为B，共有Nt根基站天线，及K个单天线的用户；
步骤12：为各个正交资源上的被调度用户集合从未被调度用户集合中选择一个初始用户ik，则被调度用户集合未被调度用户集合k＝1,2,…S；
步骤13：从未被调度用户集合中选取一个用户i*，计算用户i*的本地基站与各正交资源上的被调度用户集合中用户的本地基站间的距离，并记录不同资源上距离的最小值向量其中l＝1,2,…,S表示用户i*的本地基站与第l个正交资源上的被调度用户集合中各用户的本地基站间距离的最小值；
步骤14：对不同资源上距离的最小值向量中的元素进行降序排序操作，抽取向量中元素下标得到候选的正交资源序号向量k*，则为最大的最小本地服务基站距离的资源序号；从k*中依次选取一个正交资源序号若第个正交资源上用户数达上限，则令s＝s+1，寻找下一个正交资源，直到找到的正交资源上用户数未满，然后将用户i*调度至资源未被调度用户集合
步骤15：重复步骤13和步骤14，直到完成对所有用户的调度，未被调度用户集合为空。
前述的一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于：所述正交资源上用户数达上限，满足所述用户数未满，满足K表示用户总数，S表示正交资源总数。
前述的一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于：所述步骤二中，基于相对干扰强度的成簇方法包括以下步骤：
步骤21：根据步骤一中得到的各正交资源上被调度用户集合给定相对干扰门限值Ithreshold及最大协作簇大小Bc，初始化各正交资源上未成簇用户集合及每个用户的协作簇
步骤22：从未成簇用户集合中选取一个用户j*，则测量用户j*非活跃邻居基站的信号强度，对其邻居基站进行信号强度的排序得到基站序号向量
步骤23：若用户j*的协作簇未满，即则从基站序号向量中依次选取一个基站计算新加入的协作基站对其他用户的相对干扰比值，若相对干扰比值大于等于门限值Ithreshold，则将基站加入用户j*的协作簇并将基站置于活跃状态，重复步骤23直到用户j*的协作簇满，即若相对干扰比值小于Ithreshold，则结束对用户j*协作簇的选取，跳至步骤22，进行下一个用户的协作基站选择；
步骤24：重复步骤22和步骤23直到未成簇用户集合为空，完成动态基站成簇过程。
前述的超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，其特征在于：在所述步骤23中协作基站对其他用户的相对干扰比值I'，定义为协作基站对用户j*的信号强度与协作基站对中用户的干扰强度之和的比值I'。
本发明所达到的有益效果：
本发明根据用户本地服务基站间的空间距离，将原本彼此干扰较大的用户调度至相互正交的系统资源上，从而获得相较于无调度及随机调度时更高的频谱效率，并实现了减小小区间共道干扰、提高用户速率的目的；
本发明仅利用本地用户基站的地理位置坐标或彼此间的距离即可决定调度结果，一方面无需利用即时的信道状态信息，免去了信道估计开销；另一方面两次运行的时间间隔也较长，只有在用户的本地基站发生改变时才需重新计算调度结果，系统计算开销较低；
本发明还从用户角度出发，设计一种基于不同用户协作簇间相对干扰强度的动态成簇算法，合理启用原本不发射数据信号的基站参与协作传输；由于同一资源上的用户数量相对较小，地理上相距较远，因此测量干扰强度时复杂度并不会过高；本方法能够合理选择原本不进行数据传输的基站加入协作簇，避免引入过多的额外干扰，从而提升用户速率性能。
附图说明
图1为本发明超密集网络拓扑结构及用户分布示意图；
图2为本发明流程图；
图3为本发明基于正交资源的用户调度方法的流程图；
图4为本发明动态基站成簇方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，考虑超密集网络中的下行链路，多小区蜂窝移动通信系统中包含B个配备有Nt根天线的基站及K个单天线的用户，用户集合记为如图1所示，给出了一个在长方形区域中的二维小区布局图，二维坐标系中每 一维有(B表示基站个数)个半径为R的六边形小区，基站位于小区中心。为了避免由边缘小区带来的不对称，将图1中位于x轴、y轴负半轴的小区进行平移构成一个完整的长方形区域，如图中灰色部分所示。用户随机均匀地分布在该区域中并选择信道强度最大的基站作为本地基站接入，用户及其本地基站如图1中圆圈及与之相连的十字所示。
如图2所示，一种超密集网络中基于正交资源的动态基站协作方法，具体包括以下步骤：
步骤一、在无协作场景下根据用户的本地服务基站决定属于各正交资源上的被调度用户集合，采用最大化最小本地服务基站距离的用户调度方法；
步骤二、在确定了每个正交资源上的被调度用户集合之后，对各个资源上的用户独立进行协作基站选择，采用基于相对干扰强度的动态基站成簇方法。
所述步骤一中，无协作场景下用户数小于基站数且二者相差大约一个数量级，每个基站最多只为一个用户传输数据，未有用户接入的基站不发射数据信号；各个正交资源上的被调度用户间互不干扰；本地服务基站的位置坐标在布设基站时测得，基站间的距离可通过统计测量各基站间的信号强度计算得到。
如图3所示，步骤一中，最大化最小本地服务基站距离的用户调度方法包括以下步骤：
步骤11：给定正交资源数及多小区蜂窝移动通信系统中待调度用户的本地基站集合L，初始化各正交资源上的被调度用户集合以及未被调度用户集合待调度用户的本地基站集合L中元素与待调度用户集合中元素一一对应，将中的K个用户调度至S个系统资源上，为保证负载平衡，每个正交的频率资源上的用户数相等，均为K/S个；
步骤12：随机地为各个正交资源上的被调度用户集合选择一个初始用户ik，并将被调度的用户从未被调度用户集合中剔除，则
步骤13：从未被调度用户集合中随机选取一个用户i*，计算用户i*的本地基站与各正交资源上的被调度用户集合中用户的本地基站间的距离，并记录不同资源上用户的本地基站间距离的最小值向量其中表示用户i*的本地基站与第l个正交资源上的被调度用户集合中各用户的本地基站间距离的最小值；l＝1,2,...S；
步骤14：对最小值向量中的元素进行降序排序操作后，抽取中元素下标得到候选的正交资源序号向量k*，则为最大的最小本地服务基站距离的资源序号，次之；从k*中依次选取一个正交资源序号若第个正交资源上用户数达上限，即若大于或等于K/S，K表示用户总数，S表示正交资源总数，则令s＝s+1，寻找下一个正交资源，直到找到的正交资源上用户数未满，即满足然后将用户i*调度至资源即而未被调度用户集合减少一个，即
步骤15：检测被调度的用户集合是否为空，若不为空，则重复步骤13和步骤14，直到完成对所有用户的调度，即表示集合为空。
如图4所示，所述步骤二中，基于相对干扰强度的成簇方法包括以下步骤：
步骤21：根据步骤一中得到的各正交资源上被调度用户集合信号强度相对干扰门限值Ithreshold及最大协作簇大小Bc(将数目众多的基站划分为协作传输的较小的集合，称为协作簇；协作簇的上限值即为最大协作簇大小)，初始化未成簇用户集合及每个用户的协作簇
步骤22：从中随机选取一个用户j*，测量用户j*非活跃邻居基站的信号强度，对其邻居基站根据信号强度进行降序排序得到基站序号向量选定后，未成簇用户减少一个，即
步骤23：若用户j*的协作簇未满，则从基站序号向量中依次选取一个基站计算新加入的协作基站对其他用户的相对干扰比值，即计算其对中用户的干扰强度之和并计算对j*的信号强度与的比值I'，若相对干扰比值I'大于等于门限值Ithreshold，则将加入用户j*的协作集合并将置于活跃状态，重复步骤23直到用户j*的协作簇满，即协作簇若相对干扰比值小于Ithreshold，则结束对用户j*协作簇的选取，执行步骤22，进行下一个用户的协作基站选择；
步骤24：重复步骤22和步骤23直到未成簇用户集合为空，至此完成动态基站成簇。
本发明在采用正交系统资源的基础上进行用户调度，并在不同的正交资源上基于不同用户协作簇间相对干扰强度进行协作基站选择，获得更高的频谱效率，有效提升了用户的速率性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。