一种基于全双工和大规模天线技术的小小区基站自供能自回传方法技术

本发明专利技术一种基于全双工和大规模天线技术的小小区基站自供能自回传方法，属于无线通信技术领域；具体为：首先建立用户，宏基站和小小区基站的系统模型；然后，宏基站和所有小小区基站分别测量某周期内的各链路信道状态信息，并记录能量到达速率值以及电池剩余能量值，进而计算各自的预波束成形向量。对任意用户接入宏基站和接入第n个小小区基站的链路速率分别进行建模；以及对该小小区基站与宏基站间的回传链路速率进行建模；从而计算所有接入网络用户的频谱效率之和；以频谱效率为优化目标，建立联合用户接入选择和功率分配的优化问题；本发明专利技术大大降低了网络成本，并且提高了小小区基站部署的灵活性，使其部署不受地形和供能水平的影响。

A small cell base station self full duplex antenna technology and large-scale self feedback method based on

The invention relates to a small cell base station self full duplex antenna technology and large-scale self feedback based method, which belongs to the technical field of wireless communication; details are as follows: firstly, the establishment of user, system model of Acer station and small cell base station; then, Acer station and all small cell base station respectively to measure the link channel status information period the arrival rate and record the energy value and the remaining battery energy value, and then calculates the respective pre beam forming vector. Link rate for any user to access Acer station and access the n small cell base station respectively and modeling; modeling of the return link rate of the small cell base station and Acer station; to calculate all the access network users of the spectrum efficiency and spectrum efficiency; as the optimization goal, the establishment of joint optimization problem of access selection and power allocation; the invention greatly reduces the cost of network, and improves the flexibility of the small cell base station deployment, the deployment is not affected by the terrain and energy level effect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，具体是一种基于全双工和大规模天线技术的小小区基站自供能自回传方法。
技术介绍
21世纪以来，全球经济飞速发展，科学技术日新月异，高速通信技术逐渐应用于社会生活的各个领域。信息时代对未来通信的要求集中体现在：高可靠性、高能效、低时延与高质量。目前的第三代及第四代移动通信技术部分实现了上述要求，同时也牺牲了一些其他方面的性能。在通信业高速发展的今天，这些技术已不能满足用户的需求；如何有效处理海量信息、并及时高效地传输这些信息以满足用户对通信服务质量的高要求，已经成为了下一代通信技术关注的重点。第五代移动通信技术(5thGnerationMobileTelecommunication,5G)，以大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构的关键技术为基础，为用户带来吉比特每秒(Gigabitpersecond,Gbps)的级别速率体验，实现高可靠性、高能效、低时延与高质量通信。作为一种新型分层异构蜂窝网络架构，小小区网络可以缩短用户与基站间的距离，提高频谱复用率，降低基站的功耗，已经被学术界和工业界普遍接受作为5G中最重要网络架构。然而，随着小小区基站的大规模部署，大量的供能和光纤回传基础设施需要建设，这大大提高了网络的部署和运营成本，并且在一些非城市地区或者地形复杂地区，电力线网络和光纤回传网络难以到达，这就阻碍了这些地区小小区基站的部署，进而影响这些地区用户的网络服务质量，因此，如何解决供能和回传问题已经是小小区网络面临的重大挑战。现有技术记载，自供能方面：香港科技大学的KhaledB.Letaief教授以及德克萨斯大学的JeffreyG.Andrews教授提出一种能量收集的方案，通过在小小区基站处安装太阳能或风能收集装置，收集太阳能或风能，并将收集到的能量存到电池当中，然后小小区基站通过此电池供电。自回传方面：爱立信的研究人员提出利用微波技术实现无线回传的方案，通过在小小区基站处和宏基站处安装微波通信设备，利用微波通信实现小小区基站与宏基站之间数据的回传。普渡大学的DavidJ.Love教授等人提出了类似的方案，只不过使用毫米波通信技术而不是微波通信技术。但是，现有技术均是分别针对自供能或自回传展开的，没有针对同时自供能和自回传的方案，并且已有的研究，针对自供能的研究都假设小小区基站通过光纤回传，所以只考虑用户接入消耗的能量，而没有考虑基站回传消耗的能量；大多自回传设备都需要消耗能量，如果单纯将两个技术放在一起使用，可能导致自供能设备并不能同时保证小小区用户接入和基站回传的耗能，故联合考虑自供能和自回传对保证小小区基站的正常工作是非常必要的。另一方面，现有的自回传技术，不论是使用微波技术还是毫米波技术，都只适合视距传输，并不适合存在大量遮挡物的城市环境，并且微波和毫米波几乎没有任何穿透能力，对于部署在室内环境的小小区基站，并不能完成回传功能。此外，微波和毫米波通信设备比较昂贵，且必须部署在比较高的地方，对天线方向要求也较高，导致部署不便，不利于小小区基站的快速大规模部署。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提出了一种基于全双工和大规模天线技术的小小区基站自供能自回传方法，以解决已有自回传方案高部署成本、低环境匹配度的问题，并使网络能根据当前不同小小区基站的能量水平以及当前网络中用户的数目和分布情况，合理地进行用户接入和功率分配，最终使得网络能在当前自供能水平下，正常高效运行。具体步骤如下：步骤一、针对某个单小区异构蜂窝网络，建立用户，宏基站和小小区基站的系统模型；宏基站部署的大规模天线数目为Am，通过电网供电；小小区基站共N个，随机分布在系统模型内，每个小小区基站的天线数目为As，且采用自供能方式供电；在系统模型内随机分布K个单天线用户。步骤二、针对某个时间周期，宏基站和所有小小区基站分别发射导频信号，测量各链路信道状态信息；测量信道状态信息包括两部分：宏基站向自身的覆盖范围区域内发射导频信号，收到导频信号的所有用户和小小区基站，分别测量各自的信道状态信息后上报给宏基站；每个小小区基站分别以各自的最大发射功率发射导频信号，收到导频信号的各用户，分别将自身的测量信道状态上报给相应小小区基站；步骤三、针对该时间周期，不同小小区基站监测各自的自供能能量到达状况以及各自电池储存能量状况，并向宏基站上报能量到达速率值以及电池剩余能量值；步骤四、根据步骤二收集的各链路信道状态信息，宏基站以及每个小小区基站分别计算各自的预波束成形向量。宏基站的预波束成形向量包括两部分：对所有用户的预波束成形向量和小小区基站回传链路的预波束成形向量；收到宏基站导频信号的所有用户的集合用Um表示，Um的元素个数为K个；1)对于任意用户u∈Um的预波束成形向量为：是矩阵右侧的奇异值矩阵中对应的零奇异值的子矩阵中的任一列向量；表示宏基站覆盖范围内的所有用户和小小区基站的集合Uub中除了用户u外，所有的元素到宏基站的聚合下行链路衰落矩阵；是宏基站分配给用户u的功率；2)对于第n个小小区基站回传链路的预波束成形向量为：是矩阵的右侧奇异值矩阵中对应的零奇异值的子矩阵；表示集合Uu,b中除了第n个小小区基站外，所有的元素到宏基站的聚合下行链路衰落矩阵。为待确定矩阵，包括宏基站分配给第n个小小区基站回传链路的功率信息。每个小小区基站的预波束成形向量是指，收到该小小区基站导频信号的用户的预波束成形向量；收到第n个小小区基站导频信号的所有用户的集合用表示；n＝{1,2,...N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于全双工和大规模天线技术的小小区基站自供能自回传方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、针对某个单小区异构蜂窝网络，建立用户，宏基站和小小区基站的系统模型；步骤二、针对某个时间周期，宏基站和所有小小区基站分别发射导频信号，测量各链路信道状态信息；步骤三、针对该时间周期，不同小小区基站监测各自的自供能能量到达状况以及各自电池储存能量状况，并向宏基站上报能量到达速率值以及电池剩余能量值；步骤四、根据步骤二收集的各链路信道状态信息，宏基站以及每个小小区基站分别计算各自的预波束成形向量；首先，宏基站的预波束成形向量包括两部分：对所有用户的预波束成形向量和小小区基站回传链路的预波束成形向量；收到宏基站导频信号的所有用户的集合用Um表示，Um的元素个数为K个；1)对于任意用户u∈Um的预波束成形向量为：是矩阵右侧的奇异值矩阵中对应的零奇异值的子矩阵中的任一列向量；表示宏基站覆盖范围内的所有用户和小小区基站的集合Uu,b中除了用户u外，所有的元素到宏基站的聚合下行链路衰落矩阵；是宏基站分配给用户u的功率；2)对于第n个小小区基站回传链路的预波束成形向量为：是矩阵的右侧奇异值矩阵中对应的零奇异值的子矩阵；表示集合Uu,b中除了第n个小小区基站外，所有的元素到宏基站的聚合下行链路衰落矩阵；为待确定矩阵，包括宏基站分配给第n个小小区基站回传链路的功率信息；然后，每个小小区基站的预波束成形向量是指，收到该小小区基站导频信号的用户的预波束成形向量；收到第n个小小区基站导频信号的所有用户的集合用表示；n＝{1,2,...N}；对于任意用户的预波束成形向量为：是矩阵的右侧奇异值矩阵中对应的零奇异值的子矩阵中的任一列向量，其中是用户集合中除了用户u外，所有的元素到第n个小小区基站的下行聚合链路衰落矩阵，是受到第n个小小区基站导频信号干扰的用户集合中所有用户，到第n个小小区基站的下行聚合链路衰落矩阵；是第n个小小区基站分配给用户u的功率；步骤五、针对任意用户u，根据香农公式和预波束成形向量，分别对该用户接入宏基站的链路速率和接入第n个小小区基站的链路速率进行建模；用户u∈Um，则该用户接入宏基站的链路速率为：Rum=log{1+||(hum)Hv‾um(0)||2Pumσ2}]]>是用户u到宏基站的信道衰落向量，σ2是白噪声的功率谱密度；若用户该用户接入第n个小小区基站的链路速率为：Rus,n=log{1+||(hus,n)Hv~us,n(0)||2Pus,nσ2}]]>是用户u到第n个小小区基站的信道衰落向量；步骤六，针对第n个小小区基站，根据香农公式和预波束成形向量，对该小小区基站与宏基站间的回传链路速率进行建模；Rnb=log{det(Irnb′+||Λnb′||2PnbγΣ||HSIs,n||2Σu∈UnsPus,n+σ2)}]]>是维的单位向量，为信道矩阵的秩；为预波束成形后，宏基站与第n个小小区基站之间的信道矩阵；是信道矩阵的奇异值矩阵；是宏基站分配给第n个小小区基站回传链路的功率矩阵；γ是自干扰消除因子；是自干扰信道矩阵；步骤七、根据用户接入宏基站的链路速率建模和用户接入第n个小小区基站的链路速率建模，计算所有接入网络用户的频谱效率之和；所有接入网络用户的频谱效率之和：USE(A,P)=Σu∈UmaumRum(Pum)+Σn∈BsΣu∈Unsaus,nRus,n(Pus,n)]]>A表示所有用户的接入方案，P表示宏基站和所有小小区基站的功率分配方案；表示用户u是否接入到宏基站中，表示用户u接入到宏基站；表示用户u是否接入到第n个小小区基站中；表示用户u接入到第n个小小区基站中；如果两者全为0，表示用户u被拒绝接入；步骤八、以频谱效率为优化目标，结合第n个小小区基站与宏基站间的回传链路速率建模作为约束条件，建立联合用户接入选择和功率分配的优化问题；步骤九、针对优化问题，利用差分凸优化理论和基于限制凹凸过程的迭代算法，计算出问题次优解，得到保证各用户服务速率，满足宏基站发射功率和小小区基站供能限制，同时系统频谱效率最大的用户接入选择和功率的分配方案。...

【技术特征摘要】
1.一种基于全双工和大规模天线技术的小小区基站自供能自回传方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、针对某个单小区异构蜂窝网络，建立用户，宏基站和小小区基站的系统模型；步骤二、针对某个时间周期，宏基站和所有小小区基站分别发射导频信号，测量各链路信道状态信息；步骤三、针对该时间周期，不同小小区基站监测各自的自供能能量到达状况以及各自电池储存能量状况，并向宏基站上报能量到达速率值以及电池剩余能量值；步骤四、根据步骤二收集的各链路信道状态信息，宏基站以及每个小小区基站分别计算各自的预波束成形向量；首先，宏基站的预波束成形向量包括两部分：对所有用户的预波束成形向量和小小区基站回传链路的预波束成形向量；收到宏基站导频信号的所有用户的集合用Um表示，Um的元素个数为K个...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪红，陈磊，李曦，张鹤立，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11