一种节能的带状覆盖中继站部署方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种节能的带状覆盖中继站部署方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的发展以及移动用户数量的迅猛增长，人们对于无线网络信号 覆盖要求也在不断上升，人们期待无论何时、无论何地都能与任何人及时交换信息。在LTE-A系统中，中继技术被认为是一项关键性的技术，可以提高群移动性、提升小区边缘吞吐量、 扩大小区覆盖面积以及应用于临时网络部署等。目前3GPP己完成了对无线中继的前期标准 化工作，Type I中继作为基本的中继类型将部署于LTE-A系统中。
[0003] 信号是随着距离的增大而衰减的，基站的覆盖范围也是有限的，当用户距离基站 比较远时，即当用户处于小区边缘地带时，用户将得不到很好的服务。此外，建筑物对无线 信号有很强的屏蔽作用，使得移动终端无法正常接入网络，形成了移动通信的盲区。特别是 在高速移动的列车上，由于多普勒效应的影响，导致用户的掉话率增大。无线网络覆盖问题 是一个值得研究的问题，因此，需要对这些薄弱区域部署一些中继站设备来提高用户的性 能。
[0004] 现有的中继站部署大多考虑环形覆盖对称部署，即中继站部署在基站周围，但这 种部署方式存在对特定的薄弱区域无法进行较好覆盖、部署不灵活、扩展性差、能耗大和无 法达到频谱效率和能量效率目标等缺点，也就是说现有的中继站部署方案无法满足网络的 需求。因此有必要重新考虑中继站的部署方式。在蜂窝网络中继站部署研究中，许多学者还 忽视了大范围区域与长带区域在拓扑上的不同，针对长带区域覆盖问题还很少人研究。
【发明内容】
[0005] 针对上述部署方法的不足，本发明的目的是提供了一种节能的带状覆盖中继站部 署方法，该方法能实现带状覆盖的中继站确定性部署，能够对薄弱区域进行较好覆盖，部署 灵活，扩展性好，在保证覆盖以及干扰抑制的条件下，达到频谱效率和能量效率的动态平 衡。
[0006] 实现本发明目的的技术方案如下：
[0007] -种节能的带状覆盖中继站部署方法，根据带状封闭区域长度D和宽度H，考虑部 署中继站对带状区域进行完全覆盖，包括如下步骤：
[0008] 首先对带状区域的宽度H进行分析，若是0<HS2r，则只需要部署一个(d，r)_圆盘 串即可对带状区域进行覆盖，其中d是两个相邻的中继站覆盖圆盘的圆心距离，r是中继站 的覆盖半径;若是H> 2r，则采用分而盖之的中继站部署方法对长带状区域提供覆盖；
[0009] 所述方法还包括:采用穷举搜索方法调整中继站间的距离d，在保证中继站间干扰 权值矩阵W为零矩阵的条件下，判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，从而 找到中继站的最优间距(f。
[0010] 所述干扰权值矩阵为
其中i和f表示任意两个中继站，％*和 %表示任意中继站i与中继站间是否存在干扰的判断值，若存在干扰，则心=^=1，若不 存在干扰或者干扰可容忍，则％/ =MV,=()。
[0011] 所述判断蜂窝中继网络是否达到频谱效率和能量效率平衡，依据以下原则：
[0012] max %e
[0014] 其中，蜂窝中继网络的频谱效率为：
（bite/Joule);能量效率为
(b/(s. Hz)>； t是系统频谱效率的期望值；i和f表示任意两个中继站；表示任意两个中继站i与中继 站司的距离;dT2与dT1是预定义的干扰距离阀值。
[0015] 所述的穷举搜索方法寻找最优间距cf，依据以下原则：
[0016] (1)设定中继站的间距范围de[r，D)，穷举搜索的步长为Ad，搜索次数为
，定 义j = 0，1，2，…，t，第j次的搜索距离为d( j) =r+j A d;
[0017] (2)根据预定义的干扰距离阀值计算中继站间的干扰，得到干扰权值矩阵元素％* 和 wr,-，当 dri 贝ij 当 ><ir2，贝ij 当 0<<, <c/n，-贝ij wu^tr1'
[0018] (3)在每一次搜索中，可能会导致有些用户未被中继站所覆盖，对于在带状区域内 又没被中继站覆盖的用户，可以根据信噪比最大原则接入相应的中继站或者基站；
[0019] (4)根据以下公式计算每一次搜索所得到的与每个中继站相连的用户数、吞吐量， 与基站相连的用户数、吞吐量；
[0020] 设系统所用的带宽为W，则第i个中继站的吞吐量为：
[0022] 式中，Ni表示与第i个中继站相连的用户数，PR是中继站的发射功率，hi,:代表与第i 个中继站相连的第1个用户的信道系数，11;1为与第i个中继站相连的第1个用户受到其它中 继站的总干扰功率，〇 2为噪声功率；
[0023] 基站的吞吐量为：
[0025] 式中，Nb表示与基站相连的用户数，PB是中继站的发射功率，hj代表与基站相连的 第j个用户的信道系数；
[0026] (5)根据公式①和②及以下公式计算每一次搜索所得到的系统的吞吐量、总功率 消耗、频谱效率以及能量效率；
[0027]系统的总吞吐量为：
[0029]系统的总功率消耗为：
[0030] P = Nr( A rPr+Pr〇) + ( A bPb+Pbo)④
[0031]式中，Nr代表要部署的中继站个数；A B和A R分别代表基站和中继站的功放效率， Pb和Pr分别代表基站和中继站的发射功率，Pbo和Pro分别代表基站和中继站的静态功耗； [0032]频谱效率为
[0034]能量效率为
[0036] (6)在t次搜索所得到的干扰权值矩阵、频谱效率以及能量效率中，在保证中继站 间干扰权值矩阵
为零矩阵以及保证频谱效率的同时最大化能量效率， 找到中继站的最优间距d'其中，矩阵元素是由导到；
[0037] (7)当找到中继站的最优间距cf，则搜索结束。
[0038] 本发明的优点为:本发明能实现带状覆盖的中继站确定性部署，在保证中继站间 干扰权值矩阵为零矩阵以及保证频谱效率的同时最大化能量效率，达到频谱效率和能量效 率的动态平衡，此外，该部署方法可以扩展到机场跑道、高铁等。
【附图说明】
[0039] 图1为下行链路信号传输帧结构图；
[0040] 图2为本发明采用的穷举搜索方法流程图；
[0041] 图3为本发明实施例的中继站部署示意图。
[0042] 附图中：BS表不每个小区的基站;RS表不每个小区的中继站;MU表不每个小区的用 户。
【具体实施方式】
[0043]以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具 体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]设蜂窝网中有多个小区，相邻小区使用不同的频带，不相邻的小区可以考虑采用 频率复用，这样所述的中继站部署方法可以扩展到多小区的中继站部署。在每个小区中，基 站BS配置多根天线，在带状区域内部署多个配置多根天线的中继站RS，中继站的覆盖范围 为半径为r的圆形。大量的用户MU随机分布在小区内，用户可以根据需求接入到基站或者中 继站。另外，我们只讨论两跳中继的情形，不考虑更多跳的中继转发。
[0045] 考虑部署中继站覆盖一个长为D，宽为H的带状封闭区域，其中D>>H。在确定性部 署模式中带状区域的左右边界效应可以忽略。利用（d，r)_圆盘串进行带状区域中继站部 署，（d，r)_圆盘串是指一串圆心沿着直线排列，有着相同半径r的圆盘串，其中任意两个相 邻的圆盘串的圆盘的圆心距离为d。利用(d，r)_圆盘串进行带状区域中继站部署的方法包 括：
[0046] 对带状区域的宽度H进行分析。若是0<HS2r，则只需要部署一个(d，r)_圆盘串即 可对带状区域进行覆盖。若是H>2r，则采用分而盖之的中继站部署方法对长带状区域提供 覆盖，分而盖之是指将长带状区域划分成一些子长带状区域，每个子带状区域都平行于原 始区域的长边，并且每个子带状区域的宽度都不大于2r，这样使用多个(d，r)_圆盘串即可 对带状区域进行覆盖。对长带状区域的划分，可根据需要采用等分或者非等分的方案，等分 是指每个子带状区域都有相同的宽度，非等分是指每个子带状区域的宽度可以根据需求自 定义宽度。
[0047] 在初始部署(d，r)_串中继站时，令各个中继站相交并能完全覆盖整个带状区域。
[0048] 在部署过程中，对于在带状区域内又没被中继站覆盖的用户，可以根据信噪比最 大原则接入相应的中继站或者基站。
[0049] 不失一般性，我们讨论一个小区的蜂窝中继网络下行传输场景。中继站的发送和 接收采用时分双工模式，这就要求中继站不能同时从基站接收数据，又向用户发送数据。如 图1所示，下行链路的传输分为两个时隙，在第一时隙，基站将信号广播传给和它直接相连 的中继站以及用户。在第二时隙，中继站采用解码转发协议解码接收到的信号并转发给和 它相连的用户，所有中继站共享一个频带以提高频谱利用率，当中继站同时传输时会引起 相互干扰。
[0050] 对于中继站间的干扰，定义如下准则：设dT2与dn是预定义的上下干扰距离阀值， 并且dT1<d T2,当两个中继站间的距离小于预定的距离阈值dT1，则认为这两个中继站间存在 干扰；当两个中继站间的距离大于预定的距离阈值办 2,则认为这两个中继站间不存在干扰； 而当两个中继站间的距离在[dn，dT2]之间，则认为这两个中继站间的干扰是可容许的，这 就要求干扰中继站对用户的干扰使得用户接收到的信干噪比不小于预定义的信干噪比门 限值。
[0051] 其中，预定的干扰距离阈值的具体数值可以由中继