一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法及系统，涉及无线通信技术领域。该方法包括：创设空闲能量因子并定义大规模天线阵列中天线的空闲能量因子的计算公式；大规模天线阵列中的天线将状态信息上传至云服务器；云服务器根据状态信息计算出每个天线的空闲能量因子，并从中挑选出指定个数的天线加入到天线资源池中；云服务器按照基于空闲能量因子的调度算法，动态地选取出可被占用天线；成为可被占用的天线在云服务器进行登记，云服务器根据使用需要为登记后的天线分配功率资源，直至该天线使用完毕后释放功率资源。本发明专利技术实现了无线网络功率域的云化，有效解决了各种业务数量日益增长与网络中不可再生资源匮乏之间的矛盾。

【技术实现步骤摘要】
一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法及系统
本专利技术涉及无线通信
，具体来讲是一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法及系统。
技术介绍
5G(第五代移动通信技术)将网络信息的应用范围从目前的“人-网”通信拓展至“人-网-物”协同通信、超密集连接物联网、车联网以及工业互联网等更为广泛的领域。未来5～10年，网络与通信技术的长远发展方向是万物互联，连接数量从百亿级发展到千亿级。因此，面向低功耗、超大链接应用的窄带物联网有望成为一种大范围覆盖的网络基础设施。在5G时代，无线通信行业的资源可以有很多，大多可以通过其他方式进行优化、补充和完善。但是，不可再生的无线稀缺资源仅有时间(时域)、频谱(频域)和能源(功率域)，它们是通信行业的阳光、空气和水。在4G网络向5G网络演进的过程中，千差万别的海量小数据业务(比如：传感器、穿戴设备、表类设备等)的需求与濒临匮乏的无线资源已形成异常严峻的矛盾，比如：6GHz频段以下已经很难找到300MHz以上的连续频谱资源作为支持，流量热点的峰值和均值随时间、地域变化不可知，以及网络系统和射频链路硬件的功耗越来越大，极易出现负载不均衡等问题。因此，“云化”无线网络中的各种资源是解决这些问题的关键。目前，大规模天线阵列(massiveMIMO)增加了天线孔径，通过相干合并可以降低上下行链路所需的发射功率，符合未来“绿色通信”的要求。业内已经证明基站发射功率与基站的天线数成反比，而当信道状态不理想时，则与天线数的平方根成反比。同时，信道反馈开销仅与每个小区的用户数相关，与基站天线数无关。因此在理论上，未来5G网络中的大规模天线阵列的天线数目将会趋于无穷，因此规划这些天线的资源池，对其进行优化选择显得尤为必要。根据资源的空闲状态选择其中几根天线进行数据传输，同时也应该将一个区域内的所有大规模天线阵列的基站设备进行资源池化。目前，这种无线资源池化技术(包括天线、基站等)应用广泛。然而，资源池化技术资源选择的算法并没有考虑到设备能量和功率的要求，无法充分利用单个资源有限的功率负荷，最大化的平衡资源的系统容量和所需的能量效率。因此，如何提出一种优化的基于大规模天线阵列的无线功率云化方案，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述
技术介绍
的不足，提供一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法及系统，实现了无线网络功率域云化，能充分利用单个资源有限的功率负荷，有效解决了各种业务数量日益增长与网络中不可再生资源匮乏之间的矛盾。为达到以上目的，本专利技术提供一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法，该方法包括以下步骤：S1、创设一个空闲能量因子Eidle，用于表示在单位频率中包含剩余功率的因素；并定义大规模天线阵列中每个天线的空闲能量因子的计算公式为：其中，Pi、P′i分别表示天线资源池中第i个天线的最大有效发射功率和已分配的功率；SNRi表示第i个天线的的信噪比；Spectrumi表示第i个天线的所占用频谱的带宽；S为第i个天线的用户数；S2、大规模天线阵列中的每个天线将自己的状态信息发送至基站控制器，基站控制器通过网关将状态信息上传至云服务器；S3、云服务器根据每个天线的状态信息，按照定义的空闲能量因子的计算公式，计算出每个天线的空闲能量因子；并按照空闲能量因子由大至小的顺序，挑选出指定个数的天线加入到天线资源池中；S4、云服务器按照基于空闲能量因子的调度算法，从当前天线资源池中动态地选取出可被占用天线，并广播该选取结果；S5、成为可被占用天线后，该天线将当前的状态信息上传至云服务器进行登记；云服务器根据使用需要为登记后的天线分配功率资源，直至该天线使用完毕后释放功率资源。在上述技术方案的基础上，步骤S2中，每个天线发送的状态信息包括：最大有效发射功率、已分配的功率、信噪比、信号强度、频谱带宽、用户数。在上述技术方案的基础上，步骤S4具体包括以下流程：S41、当前天线资源池中的天线将自己的状态信息通过各自的基站控制器和网关上传至云服务器，并在该状态信息中携带可使用选取轮数、未收到通告次数的信息；S42、云服务器每当收到天线上传的状态信息，根据状态信息判断该天线的可使用选取轮数是否为第一轮或者未收到通告次数是否等于预设的最大次数，若是，转入步骤S43；否则，转入步骤S44；S43、将空闲能量因子作为唯一判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线；并将该天线的可使用选取轮数自增1，转入步骤S45；S44、将空闲能量因子、信号强度、频谱带宽、用户数均作为判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线；并将该天线的可使用选取轮数自增1，转入步骤S45；S45、若该天线被选取为可被占用天线后，云服务器通过网关向该天线所在的基站发送控制消息，指定该天线成为可被占用天线；同时，该天线所在的基站将该天线的状态信息以通告形式广播给大规模天线阵列中的其他天线；所述其他天线若未收到通告，则将自己的未收到通告次数自增1。在上述技术方案的基础上，步骤S43中，将空闲能量因子作为唯一判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线，具体包括以下操作：将该天线的空闲能量因子与当前天线资源池中其余未被选中的天线的空闲能量因子进行比较，若该天线的空闲能量因子为最大，则将该天线选取为可被占用天线；否则，不将该天线选取为可被占用天线。在上述技术方案的基础上，步骤S44中，将空闲能量因子、信号强度、频谱带宽、用户数均作为判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线，具体包括以下操作：1)利用改进后的退火算法计算出阈值T(n)，该改进后的退火算法为：其中，P为天线成为可被占用天线的百分数；r为当前选取轮数；G为在最近的1/p轮中未当选可被占用天线的天线集合；n表示第n个天线；E’idle表示第n个天线的空闲能量因子；2)根据信号强度、频谱带宽、用户数的加权运算随机生成一个0～1之间的随机数；将生成的随机数与阈值T(n)做比较，如果小于该阈值T(n)，则将该天线选取为可被占用天线；否则，不将该天线选取为可被占用天线。在上述技术方案的基础上，该方法还包括天线资源池动态更新操作：1)、未加入到天线资源池中的天线收到通告后，根据通告中携带的状态信息获取到当前被选取为可被占用天线的信号强度；若未加入到天线资源池中的天线的信号强度大于获取到的信号强度，则通过其所在的基站控制器及网关，向云服务器发送加入请求，并在该加入请求中携带其自身的状态信息和空闲能量因子；2)、云服务器根据加入请求中的空闲能量因子，判断发出加入请求的天线的空占比是否在预设的空闲阈值以内，若是，则将该天线加入到天线资源池中。在上述技术方案的基础上，若当前天线资源池中可被占用天线的占比小于50％，则当前天线资源池不再接收其他天线的加入。在上述技术方案的基础上，步骤S3中，所述指定个数为一个预设值，该预设值根据云服务器的实际性能进行设置。本专利技术还提供一种应用上述方法的基于大规模天线阵列的无线功率云化的系统，该系统包括云服务器、大规模天线阵列、若干基站控制器和若干网关；大规模天线阵列中的每个天线对应一个基站控制器，每个基站控制器对应一个网关；所述大规模天线阵列中的每个天线通过对应的基站控制器、网关向云服务器发送状态信息；所述云服务器用于：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、创设一个空闲能量因子Eidle，用于表示在单位频率中包含剩余功率的因素；并定义大规模天线阵列中每个天线的空闲能量因子的计算公式为：

【技术特征摘要】
1.一种基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、创设一个空闲能量因子Eidle，用于表示在单位频率中包含剩余功率的因素；并定义大规模天线阵列中每个天线的空闲能量因子的计算公式为：其中，Pi、P′i分别表示天线资源池中第i个天线的最大有效发射功率和已分配的功率；SNRi表示第i个天线的的信噪比；Spectrumi表示第i个天线的所占用频谱的带宽；S为第i个天线的用户数；S2、大规模天线阵列中的每个天线将自己的状态信息发送至基站控制器，基站控制器通过网关将状态信息上传至云服务器；S3、云服务器根据每个天线的状态信息，按照定义的空闲能量因子的计算公式，计算出每个天线的空闲能量因子；并按照空闲能量因子由大至小的顺序，挑选出指定个数的天线加入到天线资源池中；S4、云服务器按照基于空闲能量因子的调度算法，从当前天线资源池中动态地选取出可被占用天线，并广播该选取结果；S5、成为可被占用天线后，该天线将当前的状态信息上传至云服务器进行登记；云服务器根据使用需要为登记后的天线分配功率资源，直至该天线使用完毕后释放功率资源。2.如权利要求1所述的基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法，其特征在于：步骤S2中，每个天线发送的状态信息包括：最大有效发射功率、已分配的功率、信噪比、信号强度、频谱带宽、用户数。3.如权利要求2所述的基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下流程：S41、当前天线资源池中的天线将自己的状态信息通过各自的基站控制器和网关上传至云服务器，并在该状态信息中携带可使用选取轮数、未收到通告次数的信息；S42、云服务器每当收到天线上传的状态信息，根据状态信息判断该天线的可使用选取轮数是否为第一轮或者未收到通告次数是否等于预设的最大次数，若是，转入步骤S43；否则，转入步骤S44；S43、将空闲能量因子作为唯一判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线；并将该天线的可使用选取轮数自增1，转入步骤S45；S44、将空闲能量因子、信号强度、频谱带宽、用户数均作为判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线；并将该天线的可使用选取轮数自增1，转入步骤S45；S45、若该天线被选取为可被占用天线后，云服务器通过网关向该天线所在的基站发送控制消息，指定该天线成为可被占用天线；同时，该天线所在的基站将该天线的状态信息以通告形式广播给大规模天线阵列中的其他天线；所述其他天线若未收到通告，则将自己的未收到通告次数自增1。4.如权利要求3所述的基于大规模天线阵列的无线功率云化的方法，其特征在于，步骤S43中，将空闲能量因子作为唯一判断因素来确定是否将该天线选取为可被占用天线，具体包括以下操作：将该天线的空闲能量因子与当前天线资源池中其余未被选中的天线的空闲能量因子进行比较，若该天线的空闲能量因子为最大，则将该天线选取为可被占用天线；否则，不将该天线选取为可被占用天线。5.如权利要求3所述的基于大规模天...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亮，蔡鸣，杨奇，
申请(专利权)人：武汉邮电科学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42