一种波束成形方法及基于该方法的异构云无线接入网络技术

本发明专利技术公开一种波束成形方法及基于该方法的异构云无线接入网络，该方法包括以下几个步骤：计算蜂窝用户的数据传输速率、计算RRH用户的数据传输速率、计算异构云无线接入网络的总数据传输速率和总功耗、确定MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题和求解MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题；该异构云无线接入网络包括一个基带处理单元池和多个宏蜂窝网络，每个宏蜂窝网络包括一个宏基站MBS、多个无线远端射频模块RRH、多个蜂窝用户和多个RRH用户；该方法将原优化问题转化易于处理的二阶锥规划问题，从而提高了异构云无线接入网络的能量效率、抑制了网络中存在的干扰、降低了网络的总功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种波束成形方法及基于该方法的异构云无线接入网络
本专利技术属于无线通信
，具体是一种波束成形方法及基于该方法的异构云无线接入网络。
技术介绍
随着智能移动设备数量的急剧增加，以及伴随移动社交网络和物联网(InternetofThings,IoT)技术出现的各种无线应用，预计到2021年全球移动数据流量将达到587EB。与此同时，全球移动网络接入设备总数在2020年底将达到1000亿，其中移动终端数量将超过100亿台。无线网络的快速发展，使得能源消耗和温室气体排放迅猛增长。统计数据表明，全球能源消耗的2％-10％和全球CO2排放量的2％是信息通信技术行业产生的，其中60％以上直接归因于无线电接入网络[2]。因此，下一代无线网络在提高系统容量、保证用户服务质量以及降低能耗等方面面临着重大挑战。异构云无线接入网络作为一种新型网络，为解决现有无线网络所面临的问题提供了一种可能的解决方案。异构云无线接入网络保留了部署在传统宏蜂窝网络中的宏基站(MacroBaseStationMBS)。异构云无线接入网络利用MBS缓解去程链路(FronthaulLink)的容量限制，实现宏蜂窝网络的无缝覆盖。然而，异构云无线接入网络中无线远端射频单元(RemoteRadioHead,RRH)与MBS工作在underlay模式下，两者之间存在严重的层间干扰，这种干扰降低了网络的整体性能。为了克服该问题，可采用多天线技术来提高空间资源复用和抑制层间干扰。针对多天线异构云无线接入网络的研究中，文献[1-5]均假设异构云无线接入网络中仅存在一个宏蜂窝网络和一个MBS，研究的HC-RAN无线接入网络架构较简单。文献[6]虽然研究了异构云无线接入网络中存在多个宏蜂窝网络的情况，但是文中假设MBSs的波束成形向量是已知的，只对RRHs的波束成形向量进行优化，没有考虑MBSs和RRHs波束成形向量的联合优化问题。针对多天线HC-RAN关键技术的研究还处于初始阶段，如何利用多天线技术解决HC-RAN中的难点问题，需要进一步地研究。参考文献[1]MugenPeng,HongyuXiang,YuanyuanChen,et.al.Inter-tierinterferencesuppressioninheterogeneouscloudradioaccessnetworks.IEEEAccess,2015,3:2441-2455.[2]YuanyuanCheng,ShiYan,JinheZhou,et.al.Averagebiterrorrateandsumcapacityinheterogeneouscloudradioaccessnetworks.IEEEVehicularTechnologyConference,6-9September2015,BostonUSA,1-5.[3]MugenPeng,YulingYu,HongyuXiang,et.al.Energy-efficientresourceallocationoptimizationformultimediaheterogeneouscloudradioaccessnetworks.IEEETransactionsonMultimedia,2016,18(5):879-892.[4]LifengWang,KaikitWong,MagedElkashlan,et.al.SecrecyandenergyefficiencyinmassiveMIMOaidedheterogeneousC-RAN:anewlookatinterference.IEEEJournalofSelectedTopicsinSignalProcessing,2016,10(8):1375-1389.[5]NaChen,BoRong,XiaranZhang,et.al.ScalableandflexiblemassiveMIMOprecodingfor5GH-CRAN.IEEEWirelessCommunications,2017,24(1):46-52.[6]KaiweiWang,WuyangZhou,andShiwenMao.OnjointBBU/RRHresourceallocationinheterogeneousCloud-RANs.IEEEInternetofThingsJournal,2017,4(3):749-759.
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种异构云无线接入网络及应用于该网络的波束成形方法，在考虑蜂窝内干扰和蜂窝间干扰以及发射功率约束条件下，以网络的能量效率为优化目标，对MBS和RRH的波束成形向量进行联合优化。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种波束成形方法，包括以下步骤：步骤A，计算蜂窝用户的数据传输速率；步骤B，计算RRH用户的数据传输速率；步骤C，计算异构云无线接入网络的总数据传输速率和总功耗；步骤D，确定MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题；步骤E，求解MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题。具体地，步骤A中，所述蜂窝用户k的数据传输速率通过以下公式计算得到：其中，M＝{1,2,,M}表示所有宏蜂窝网络组成的集合，Nm＝{1,2,,Nm}表示宏蜂窝网络m中所有RRH组成的集合，Jm＝{1,2,,Jm}表示宏蜂窝网络m中所有RRH用户组成的集合，Km＝{1,2,,Km}表示宏蜂窝网络m中所有蜂窝用户组成的集合，为宏蜂窝网络m中MBS对蜂窝用户k的波束成形向量，为宏蜂窝网络m中MBS对蜂窝用户k的波束成形向量，其中m≠m，k≠k；为宏蜂窝网络m中MBS与蜂窝用户k之间的信道向量，T1为每个MBS配有的天线数量；为宏蜂窝网络m中RRHn与蜂窝用户k之间的干扰信道向量，为宏蜂窝网络m中RRHn对RRH用户j的波束成形向量，其中n＝{1，2，L，Nm}；T2为每个RRH配有的天线数量；为宏蜂窝网络m中的MBS与宏蜂窝网络m中的蜂窝用户k之间的干扰信道向量，C表示复数域，()T表示转置。具体地，步骤B中，所述RRH用户j的数据传输速率通过以下公式计算得到：其中,为宏蜂窝网络m中的RRHn与RRH用户j之间的信道向量，n＝{1，2，L，Nm}；宏蜂窝网络m中的MBS与宏蜂窝网络m中的RRH用户j之间的干扰信道向量。具体地，步骤C中，所述异构云无线接入网络中RRH用户和蜂窝用户的总数据传输速率为：所述异构云无线接入网络中RRH和MBS的总功耗为：其中，表示宏蜂窝网络m中RRH用户j的数据传输速率；表示宏蜂窝网络m中蜂窝用户k的数据传输速率；表示向量的2-范数的平方，表示向量的2-范数的平方。具体地，步骤D中，所述确定MBS和RRH的波束成形向量优化问题的方法为，将所述优化问题表示为：其中，和分别为宏蜂窝网络m中RRH和MBS的最大发射功率门限值，s.t.表示约束条件的意思。具体地，步骤E中，求解MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题的方法包括以下步骤：步骤E1，通过引入辅助变量α,β,ζ，将原优化问题(5a)、(5b)、(5c)转化(近似)为如下优化问题：s.t.α≥ζβ(6b)步骤E2，将上述步骤E1中非凸约束条件(6b)、(6e)、(6g)转化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A，计算蜂窝用户的数据传输速率；步骤B，计算RRH用户的数据传输速率；步骤C，计算异构云无线接入网络的总数据传输速率和总功耗；步骤D，确定MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题；步骤E，求解MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题。

【技术特征摘要】
1.一种波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A，计算蜂窝用户的数据传输速率；步骤B，计算RRH用户的数据传输速率；步骤C，计算异构云无线接入网络的总数据传输速率和总功耗；步骤D，确定MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题；步骤E，求解MBS和RRH的波束成形向量联合优化问题。2.根据权利要求1所述的一种波束成形方法，其特征在于，步骤A中，所述蜂窝用户的数据传输速率通过以下公式计算得到：其中，M＝{1,2,,M}表示所有宏蜂窝网络组成的集合，Nm＝{1,2,,Nm}表示宏蜂窝网络m中所有RRH组成的集合，Jm＝{1,2,,Jm}表示宏蜂窝网络m中所有RRH用户组成的集合，Km＝{1,2,,Km}表示宏蜂窝网络m中所有蜂窝用户组成的集合，为宏蜂窝网络m中MBS对蜂窝用户k的波束成形向量，为宏蜂窝网络m中MBS对蜂窝用户k的波束成形向量，其中m≠m,k≠k；为宏蜂窝网络m中MBS与蜂窝用户k之间的信道向量，T1为每个MBS配有的天线数量；为宏蜂窝网络m中RRHn与蜂窝用户k之间的干扰信道向量，为宏蜂窝网络m中RRHn对RRH用户j的波束成形向量，其中n＝{1，2，L，Nm}；T2为每个RRH配有的天线数量；为宏蜂窝网络m中的MBS与宏蜂窝网络m中的蜂窝用户k之间的干扰信道向量，C表示复数域，()T表示转置。3.根据权利要求1所述的一种波束成形方法，其特征在于，步骤B中，所述RRH用户j的数据传输速率通过以下公式计算得到：其中，为宏蜂窝网络m中的RRHn与RRH用户j之间的信道向量，n＝{1，2，L，Nm}；宏蜂窝网络m中的MBS与宏蜂窝网络m中的RRH用户j之间的干扰信道向量。4.根据权利要求1所述的一种波束成形方法，其特征在于，步骤C中，所述异构云无线接入网络中RRH用户和蜂窝用户的总数据传输速率为：所述异构云无线接入网络中RRH和MBS的总功耗为：其中，表示宏蜂窝网络m中RRH用户j的数据传输速率；表示宏蜂窝网络m中蜂窝用户k的数据传输速率；表示向量的2-范数的平方，表示向量的2-范数的平方。5.根据权利要求1所述的一种波束成形方法，其特征在于，步骤D中，所述确定MBS和RRH的波束成形向量优化问题的方法为，将所述优化问题表示为：其中，和分别为宏蜂窝网络m中RRH和MBS的最大发射功...

【专利技术属性】
技术研发人员：左加阔，杨龙祥，鲍楠，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32