一种基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，具体包括如下步骤：获取当前第k(k＝1,2,...,K)层基站的分布密度λk、基站发射功率Pk、偏置因子Bk、平均接入速率Rth、接入用户数目N以及能量收集的功率阈值Pth；获取当前的速率覆盖率Rc；在保持覆盖速率不变的前提下，判断当前的平均接入速率是否能够支持当前时段的流量负载，若是，则将基站偏置因子调整为高平均收集能量对应的偏置因子，若否，则将基站偏置因子调整为高平均接入速率对应的偏置因子；本增益调节方法通过一个实例的二层异构蜂窝网络进行测试验证，验证结果表明在当前的平均接入速率足以支持当前时段流量负载的情况下与不加偏置的异构蜂窝通信策略相比，本发明具有提高能量收集增益的有益效果。
【专利说明】
-种基于流量负载的多层异构蜂窝网络的増益调节方法
技术领域
[0001 ]本发明属于无线通信技术领域，更具体地，设及一种基于流量负载的多层异构蜂 窝网络的增益调节方法。
【背景技术】
[0002] 异构蜂窝网巧eterogeneous cellular network,HCN)是指在传统宏基站(macro base station)的覆盖范围内再部署若干个不同类型的低发射功率的小型站点所形成的多 层网络结构。与仅采用宏基站进行单层覆盖的传统蜂窝组网方式相比，运种网络结构能够 显著提高蜂窝网络容量和扩大网络的覆盖范围。另外，在异构网中引入了偏置因子的概念， 使得系统可W通过调整偏置因子让用户终端接入到低功率站点上，从而大大缓解了宏基站 的负载压力。此外，由于单个小型站点的成本远小于运营单个宏基站的费用，因此在面临无 线数据流量需求爆炸性增长的通信挑战下，相比较于增加宏基站数量的策略，运种网络结 构大幅度减少了建网成本和维护开销。
[0003] 因此，在多层异构蜂窝网中，对于根据不同通信时段流量负载的需求情况，通过自 适应地调整偏置因子使得整个系统既满足服务质量需求，又提高系统的速率增益或能量收 集增益的技术有迫切需求。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于流量负载的多层异 构蜂窝网络的增益调节方法，其目的在于根据不同通信时段流量负载的需求情况调整偏置 因子，W提高系统的速率增益或能量收集增益。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于流量负载的多层异构 蜂窝网络的增益调节方法，具体包括如下步骤：
[0006] (1)根据当前网络信息，获取第k层基站的分布密度Ak、发射功率Pk、偏置因子Bk、用 户接入数目NW及平均接入速率Rth;其中，k=l，2, . . .，Κ，Κ是指异构蜂窝网络的基站层数最 大值；
[0007] (2)根据用户接入数目Ν获取用户密度λυ;
[000引并根据所述分布密度Ak、发射功率Pk、偏置因子Bk、平均接入速率RthW及所述用户 密度获取当前速率覆盖率Rc;
[0009] (3)在当前速率覆盖率R。下，根据当前时段的流量负载需求调整偏置因子，W调节 网络的速率增益或能量收集增益。
[0010] 优选地，上述基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，其速率覆盖率
[0011]
[0012] 其中，Ak是第k层基站的分布密度，Bk是第k层基站的偏置因子，&是第j层基站的偏 置因子，Pk是第k层基站的发射功率，建模的是第k层基站的阴影衰落，=/7 + 1)是指 目标基站的负载分布，（n+1)是目标基站服务的用户数，α是路径损耗因子
其中，W是网络带宽；怒[.]是求期望处理，F〇是求概率处理；
[0013] 其中，
其中，Ak是指用 户接入到第k层基站上的概率。
[0014] 优选地，上述基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，其步骤(3)调整 基站偏置因子的方法具体如下：
[0015] (3-1)若当前的平均接入速率Rth大于等于当前时段的流量负载需求，表明当平均 接入速率足够支持当前时段的流量负载需求，在当前时段的速率覆盖率不变的前提下，保 持发射功率最大的基站的偏置因子不变，提高发射功率比该层发射功率小的基站偏置因 子，直至用户的平均接入速率与当前时段的流量负载需求相等；由此将基站的偏置因子调 整为高平均收集能量所对应的偏置因子，使更多的用户卸载到发射功率较小的站点上;并 在通信空闲期，从干扰基站收集能量;其中，干扰基站包括能够提供最大接收功率的基站； 运种方法不仅缓解了宏基站的负载压力，还同时提升了网络的能量收集增益；
[0016] (3-2)若当前的平均接入速率Rth小于当前时段的流量负载需求，表明平均接入速 率不够支持当前的流量负载需求，在网络的速率覆盖率不变的前提下，保持发射功率最小 的基站的偏置因子不变，提高发射功率比该层基站功率大的基站的偏置因子，直至平均接 入速率与当前时段的流量负载需求相等;通过将基站的偏置因子调整为高平均接入速率所 对应的偏置因子，使更多的用户接入到大功率发射基站上从而获得更高的平均接入速率； 该方案通过牺牲能量捕获增益来提升网络的速率增益。
[0017] 优选地，上述基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，在所述步骤(3) 进行增益调节之后，还包括获取用户端平均收集能量的步骤(4)，具体如下：
[001引根据能量收集的功率阔值Pth、参考距离为ro时的路径损耗Lo,获取用户接入到第k 层基站上时收集到的能量PEH_k;
[0019] 并根据用户接入到第k层基站上的概率AkW及所述能量扣H_k，获取满足流量负载需 求的平均收集能量Peh。
[0020] 优选地，上述基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，增益调节后，当 用户的平均接入速率与当前时段的流量负载需求相等时，用户端可收集的能量最大;此时， 最大平均收集能量
[0021]
[002。 其中，用户接入到第k层基站上的概率
蟲指用户接入到第 k层基站上时收集到的能量：
[0023] 其中，ro是参考距离，Lo是参考距离为ro时的路径损耗，α是路径损耗因子，Pth是能 量收集的功率阔值，是指激活用户端能量收集电路的最小入射功率，其值根据用户端采用 的具体电路进行设定；
[0024] 其中，
[0025] 通过上式可分别计算出调节前后用户端收集的能量;根据调节前后用户端收集的 能量计算结果可明确知道，在当前的平均接入速率足够支持当前时段的流量负载需求情况 下，通过本发明提供的方法进行增益调节，用户收集到的能量增加，表明本发明提供的增益 调节方法能够提升用户的能量收集增益，具有提高网络能效的有益作用。
[0026] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0027] (1)本发明提供的基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，根据当前 时段的流量负载需求情况调整偏置因子W提升网络的相关增益：当网络的流量负载较高 时，选择较高平均接入速率对应的偏置因子，从而提升网络的速率增益；否则，采用选用较 高的平均收集能量对应的偏置因子，从而达到提升网络的能量收集增益的目的；
[0028] (2)本发明提供的基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，其优选方 案里，在用户的速率需求较低，当前时段的平均接入速率足W支持当前时段的流量负载需 求时，在保证网络速率覆盖率不变的情况下提高小发射功率基站的偏置因子W满足基本的 流量负载需求，同时最大化网络的能量收集增益;一方面降低了大发射功率基站的负载压 力，另一方面，增加了系统捕获的能量，从而降低了系统的能量消耗；
[0029] (3)本发明提供的基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，其优选方 案里，在用户的服务速率需求较高，当前时段的平均接入速率不足W支持当前时段的流量 负载需求时，在保证网络覆盖速率不变的情况下提高大发射功率基站的偏置因子使更多用 户接入到大功率基站W获得更高的平均接入速率，进而提高网络的速率增益；
[0030] 总体来说，本发明提出的W上技术方案与现有技术中不加偏置(所有层的偏置因 子均设置为1)的多层异构蜂窝通信策略相比，流量负载需求较低时，其具有提高系统能量 收集量的有益效果，可提升整个网络的性能。
【附图说明】
[0031] 图1是一个包含Ξ层异构蜂窝网络的系统模型示意图；
[0032] 图2为本发明实施例提供的一种基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方 法的流程图；
[0033] 图3为本发明实施例中，速率覆盖率保持不变时偏置因子与目标接入速率的关系 图；
[0034] 图4为当前平均接入速率足W支持当前时段流量负载需求情况下，本发明实施例 提供的方法与不加偏置的二层异构蜂窝通信策略的收集能量对比图。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0036] 本发明提供的是一种基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，根据当 前时段的流量负载需求情况调整偏置因子W提升网络的相关增益：当网络的流量负载较高 时，采用高平均接入速率对应的偏置因子，W提升网络的速率增益；否则，采用高平均收集 能量对应的偏置因子，W提升网络的能量收集增益。
[0037] 图1所示，是一个包含Ξ层异构蜂窝网络的系统模型示意图；在该网络中，用户既 可W直接接入大发射功率基站W获得较高的速率增益，也可W通过调整偏置因子使得用户 接入小发射功率站点（如图所示的AP，WIFI)上，W获得较高的能量收集增益;实施例中，所 有基站和用户均服从独立的泊松分布，根据泊松分布的特性，任何小区的几何特征都与其 中一个小区一致，可将其中一个小区的分析结论扩展到蜂窝网络中的所有小区。
[0038] 图2所示，是实施例提供的基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法的 流程图，具体包括如下步骤：
[0039] (1)进行系统初始化，更新当前网络的基本信息，具体包括:第k化=1，2，..，Κ)层 基站的分布密度Ak、基站的发射功率PkW及当前的偏置因子Bk、接入的用户数目NW及当前 的平均接入速率Rth;
[0040] (2)根据用户接入数目N获取用户密度λυ;
[0041] 并根据该分布密度Ak、发射功率Pk、偏置因子Bk、平均接入速率RthW及所述用户密 度获取当前的速率覆盖率Rc;
[0042] (3)判断当前的平均接入速率是否大于等于当前时段的流量负载，在保持速率覆 盖率不变的前提下，若是，则保持发射功率最大的基站的偏置因子不变，提高发射功率比该 层发射功率小的基站偏置因子，直至用户的平均接入速率与当前时段的流量负载需求相 等；
[0043] 若否，则保持发射功率最小的基站的偏置因子不变，提高发射功率比该层基站功 率大的基站的偏置因子，直至平均接入速率与当前时段的流量负载需求相等；W此将基站 偏置因子调整为高平均接入速率对应的偏置因子；
[0044] (4)根据能量收集的功率阔值Pth、参考距离为ro时的路径损耗Lo,获取用户接入到 第k层基站上时收集到的能量PEH_k;
[0045] 并根据用户接入到第k层基站上的概率AkW及所述能量扣H_k，获取满足流量负载需 求的平均收集能量。
[0046] 实施例中，当前的平均接入速率不足W支持当前时段的流量负载时，降低小发射 功率基站的偏置因子使得更多的用户接入到大功率基站上W获得更高的平均接入速率，从 而提高网络的速率增益；当前的平均接入速率足W支持当前时段的流量负载时，提高小发 射功率基站的偏置因子使得更多的用户接入到小功率基站上，虽然降低了用户的平均接入 速率，但是提升了网络的能量收集增益。
[0047] 图3所示，是速率覆盖率与速率阔值之间的关系图；实施例中，Κ = 2,即W二层异构 蜂窝网为例，相关参数为:路径损耗因子0 = 4、第一层基站的发射功率Pi=12W、第二层基站 的发射功率P2 = 2W、第一层基站分布密度λι = 4 X 10-5、第二层基站分布密度λ2 = 20 X 1 0-5， 带宽Β= lOWHz ;实施例特别提供了速率覆盖率保持不变时偏置因子与速率阔值的关系，速 率覆盖率Rc = 0.7,偏置因子B=[010.67]地，目标速率T=1.05Mpbs，偏置因子B=[0 0]dB， 相应的目标速率Τ = 1.79Mpbs。
[0048] 从图3可W看出：当速率覆盖速率保持不变时，提高第二层小功率基站的偏置因子 时，相应的目标速率将降低。
[0049] 图4所示，是实施例提供的当前时段流量负载较低时基于流量负载的二层异构蜂 窝网络的增益调节方法与不加偏置的二层异构蜂窝通信策略相比较，两者的收集能量数据 的仿真对比图；
[0050] 图4的曲线对应10个具体实例，10个实例中部分参数相同，其中，各实例中相同的 参数及其数值设置为路径损耗因子0 = 4、第一层基站的发射功率Pi=12W、第二层基站的发 射功率P2 = 2W、第一层偏置因子Bi=l、第一层基站分布密度λι = 4Χ10-5、带宽B=10WHz，速 率覆盖率Rc = 〇. 7、流量负载较高时的目标速率、流量负载较低时的目标速率为Τ2 = 1.3Mpbs;
[0051] 实例中不同的参数的数据如下表1所示，其中λ2表示本发明第二层基站的分布密 度，Βι2是对比方案第二层基站的偏置因子，Β22是本发明第二层基站的偏置因子；
[0052] 表1实例1~实例10的不同参数的数据列表 [0化3]
[0054] 从图4的曲线对比分析可W看出：在当前时段的流量负载较低时，对比于不加偏置 的异构蜂窝通信策略，实施例提供的基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法可 优化系统的能量收集增益，提高整个网络的能量效率。
[0055] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于流量负载的多层异构蜂窝网络的增益调节方法，其特征在于，具体如下： (1) 根据当前网络信息，获取第k层基站的分布密度Ak、发射功率pk、偏置因子Bk、用户接 入数目N以及平均接入速率R th;其中，k = l，2,. . .，K，K是指多层异构蜂窝网络的基站层数最 大值； (2) 根据用户接入数目Ν获取用户密度 并根据所述分布密度Ak、发射功率Pk、偏置因子Bk、平均接入速率R th以及所述用户密度 获取当前速率覆盖率R。； (3) 在所述当前速率覆盖率R。下，根据当前时段的流量负载需求调整基站偏置因子，以 调节所述网络的速率增益或能量收集增益。2. 如权利要求1所述的增益调节方法，其特征在于，步骤(2)所述的速率覆盖率其中，Ak是第k层基站的分布密度，Bk是第k层基站的偏置因子，是第j层基站的偏置因 子，Pk是第k层基站的发射功率，建模的是第k层基站的阴影衰落，+ 是指目标基站的负载分布，（n+1)是目标基站服务的用户数，α是路径损耗因子 中，W是带宽；是求期望处理，是求概率处理。3. 如权利要求1或2所述的增益调节方法，其特征在于，在步骤(3)中所述调整基站偏置 因子的方法具体如下： 判断当前的平均接入速率Rth是否大于等于当前时段的流量负载需求； 若是，则保持发射功率最大的基站的偏置因子不变，提高发射功率比该层基站功率小 的基站的偏置因子，直至平均接入速率与当前时段的流量负载需求相等，以提升网络的能 量收集增益； 若否，则保持发射功率最小的基站的偏置因子不变，提高发射功率比该层基站功率大 的基站的偏置因子，直至平均接入速率与当前时段的流量负载需求相等，以提升网络的速 率增益。4. 如权利要求1或2所述的增益调节方法，其特征在于，在所述步骤(3)之后，还包括获 取平均收集能量的步骤(4)，具体如下： 根据能量收集的功率阈值Pth、参考距离为r〇时的路径损耗L〇,获取用户接入到第k层基 站上时收集到的能量PEH_k ; 并根据用户接入到第k层基站上的概率Ak以及所述能量PEH_k，获取满足流量负载需求的 平均收集能量PEH。5. 如权利要求4所述的增益调节方法，其特征在于，增益调节后，当用户的平均接入速 率与当前时段的流量负载需求相等时，用户端可收集的平均能量最大;最大平均收集能量其中，用户接入到第k层基站上的概率；用户接入到第k 层基站上收集到的能量其中，ro是参考距离，Lo是参考距离为ro时的路径损耗，α是路径损耗因子，Pth是能量收 集的功率阈值。
【文档编号】H04W52/34GK106060916SQ201610329664
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】张靖, 张艳霞, 廖宴, 刘国亨, 李强
【申请人】华中科技大学