一种能量高效的频谱共享与基站休眠联合方法
【技术领域】
[0001] 本发明通信领域，特别是指一种能量高效的频谱共享与基站休眠联合方法。
【背景技术】
[0002] 随着用户对传输数据率需求的增加，传统的通信网络已经无法为其提供无缝的覆 盖以及飞速增长的吞吐量。双层异构网络，即宏小区和微小区共存，已经成为解决上述问题 的潜在技术之一。在异构网络（HeterogeneousNetworks，HetNets)中，微小区由低功耗的 设备组成，可以帮助传统的宏小区来增加网络的容量，从而提高能量效率。
[0003] 尽管如此，能量损耗问题在未来的异构网络研宄中仍然是个重要的问题。如何利 用有限的无线频谱来解决能量效率问题是未来异构网络研宄的主要方向之一。在两层异构 网络中，为了提高频谱效率，微基站和宏基站共享相同的频谱资源，但是这会产生严重的层 间干扰，影响系统性能。鉴于此，部分频谱共享（Partial-Spectrum-Reuse，PSR)成为学术 界的研宄热点，即只允许微小区共享宏小区的部分频谱资源，从而减少了宏小区和微小区 之间的干扰，同时在一定程度上提高了能量效率。
[0004] 此外，基站休眠（Base-Station-Sleep，BSS)策略也被证实为一种能提高系统能 量效率的有效方法，让低业务量的基站进入睡眠状态，只消耗很低的能量，在业务量增加时 再唤醒。
[0005] 但是，现有的PSR和BSS策略各自从一个方面来对双层异构网络无线资源进行优 化，只考虑频谱共享或是只考虑基站休眠，异构网络的能量效率提高还不够显著，因此，需 要一种能够从这个两个维度同时对异构网络系统进行优化的方案。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有的频谱共享或基站休眠策略都只能从一个方面来对双层异构网络 无线资源进行优化的问题，本发明提供一种能量高效的频谱共享与基站休眠联合方法，该 方法结合部分频谱复用和基站休眠两种技术的优势，提出了在未来的异构网络中，既能减 小内部干扰又能提高能量效率的联合优化方法，通过优化PSR系数和基站的活跃概率比， 使得在给定的信干噪比阈值条件下，宏基站层和微基站层的覆盖概率和能效最大化。
[0007] 本发明提供的一种能量高效的频谱共享与基站休眠联合方法，包括：
[0008] 确定使整个异构网络系统覆盖概率最大的微基站层的最优频谱复用因子e以及 宏基站层与微基站层的最优活跃概率比r;
[0009] 根据所述微基站层的最优频谱复用因子e以及宏基站层与微基站层的最优活跃 概率比r，同时实行频谱共享与基站休眠。
[0010] 其中，所述整个异构网络系统覆盖概率取宏基站层覆盖概率和微基站层覆盖概率 二者中的最小值，且当所述宏基站层覆盖概率和微基站层覆盖概率相等时，所述整个异构 网络系统覆盖概率最大。
[0011] 其中，所述微基站层的最优频谱复用因子0的确定方法为：在满足 M〇g2(l+T)多w，e(0，1]和宏基站层覆盖概率等于微基站层覆盖概率的条件下，计算 使宏/微基站层覆盖概率最大的微基站层的频谱复用因子0的取值范围，并将该取值范围 的下限值作为所述微基站层的最优频谱复用因子0 ;其中，T为给定的SINR阈值，w为微基 站层的下行速率下限值。
[0012] 其中，当忽略热噪声的影响时，所述宏基站层覆盖概率pm(t)的计算方法为：
[0013]
[0014] 所述微基站层覆盖概率Pm(T)的计算方法为：
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] Am、AM分别为当前异构网络中微基站、宏基站的密度；y为宏基站的发射功率的 倒数，c为宏基站发射功率和微基站发射功率的比值；T为给定的SINR阈值；a为预定路径 衰落指数。
[0019] 其中，所述微基站层的最优频谱复用因子0确定后，根据以下公式计算宏基站层 与微基站层的最优活跃概率比r:
[0020]
[0021] 其中，Am、AM分别为当前异构网络中微基站、宏基站的密度；c为宏基站发射功率 和微基站发射功率的比值；T为给定的SINR阈值；a为预定路径衰落指数。
[0022] 其中，所述根据所述微基站层的最优频谱复用因子0以及宏基站层与微基站层 的最优活跃概率比r同时实行频谱共享与基站休眠，具体包括步骤：
[0023] 确定满足所述宏基站层与微基站层的最优活跃概率比r的宏基站层活跃概率Pm 和微基站层活跃概率Pm;
[0024] 在当前异构网络中使所述宏基站和微基站分别以（l_pM)和（l-pm)的概率进行休 目民，并且微基站仅复用宏基站频谱的0部分。
[0025] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0026] 上述方案中，通过采用使异构网络系统覆盖概率最大的微基站层的最优频谱复用 因子e以及宏基站层与微基站层的最优活跃概率比r来实现频谱共享与基站休眠的联合 使用，该方案不仅能够实现网络覆盖概率的最大化，在满足覆盖概率最大的同时，e和r 的取值同样实现了系统能耗最小化的目的，因此这种联合方法能够相对于现有技术极大地 提高异构网络的能量效率。此外，这种方法在提高能量效率的同时还能够实现不影响系统 平均速率的有益效果。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明实施例提供的一种能量高效的频谱共享与基站休眠联合方法流程 图；
[0028] 图2为仿真得到的宏基站层和微基站层的覆盖概率随活跃率的变化趋势图；
[0029] 图3为对于不同的微基站层的频谱复用因子0宏小区层和微小区层的覆盖概率 随SINR阈值T的变化仿真图；
[0030] 图4为微基站层的最优频谱复用因子0对用户平均速率的影响关系图；
[0031] 图5现有技术和本发明所采用的方案的能量效率比较图。
【具体实施方式】
[0032] 在说明本发明提供的技术方案之前，此处先对说明该方案涉及的异构网络的下行 系统模型的一些必要参数进行定义及说明。
[0033] 在本发明中，我们考虑两层异构网络包含高发射功率的宏基站层（即宏小区层） 和低发射功率的微基站层（即微小区层）。每层的基站分布服从均匀泊松点过程（Poisson PointProcess，PPP)，系数分别为 和入 m〇
[0034] 在本发明涉及的两层异构无线网络中，信道为瑞利衰落信道，基站的发射功率恒 定，设宏基站的发射功率为1，而微基站的发射功率为宏基站的1，即1。因此，一个移 // C CjU 动用户接收的来自宏基站和微基站接收功率分别为
、其中，H和 h分别表示宏基站和微基站的信道衰落系数，且H和h服从指数分布，即H~exp(y)，h~exp(ci〇 ;rM和分别表示移动用户到宏基站和微基站的距离；a表示标准的路径损耗指 数，本发明中假设a>2。在该异构网路中，宏小区和微小区用户的信干噪比（5181^14〇-Interference-and-NoiseRatio,SINR)可以表不为：
[0035]
[0036]
[0037] 其中，1_和I分别表示除目标宏用户所述的宏基站外，其他宏基站和微基站对目 标宏基站用户的干扰功率；ImM和分别表示除目标微用户所述的微基站外，其他微基站和 宏基站对目标微基站用户的干扰功率，即
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氏和ri分别代表用户到第i个干扰宏基站和微基站的距离；G^口 gi分别表示第i个干扰宏基站和微基站的随机衰落系数，且干扰信号同样服从瑞利衰落，即GfexpOhgtexpf^cii) ;〇 2表示加性高斯白噪声的协方差。
[0039] 在PPP模型中，随机距离rM，的概率密度函数分别表示为：
[0042] 其中，pM，pm分别表示宏基站的活跃概率和微基站的活跃概率。从上述的表达式中， 可以知道任何时候只有部分的宏基站和微基站处于激活的状态，而剩下的基站为了节省能
[0040]
[0041] 量而处于休眠状态。定义一个参数
表示宏基站和微基站的活跃概率比，在PSR方法 中，0表示微基站可以使用频谱的比例，即PSR系数。
[0043] 为方便说明，下表1中将下文所要使用的各参数表达符号进